內(nèi)蒙古科技大學課程設計論文 內(nèi)蒙古科技大學過程控制課程設計論文題 目：鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)學生姓名：學 號：專 業(yè)：測控技術與儀器班 級：2008-3指導教師： 2011年 9月 8 日 15目錄第一章 引 言11.1背景11.2鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)的必要性11.3鍋爐的工作過程簡介1第二章 影響鍋爐汽包水位變化的因素和鍋爐汽包水位特性22.1虛假水位32.2影響鍋爐汽包水位變化的因素32.2.1影響鍋爐汽包水位變化的幾個主要因素32.2.2其它影響因素42.3鍋爐汽包水位特性42.3.1汽包水位在給水流量W作用下的動態(tài)特性42.3.2汽包水位在蒸汽流量D擾動下的動態(tài)特性52.3.3燃料量B擾動下汽包水位的動態(tài)特性6第三章 汽包水位控制系統(tǒng)的選擇和分析6 3.1汽包水位控制系統(tǒng)分析6 3.2單沖量控制方式7第四章 儀表的選型84.1 液位變送器的選擇84.3 顯示儀表的選擇104.4 執(zhí)行器的選擇11第五章 課程設計體12參考文獻13 第一章 引言1.1背景 我國北方冬季都很冷,溫度很低,人體不能適應低溫環(huán)境,供暖便成為日常生活中不可缺少的部分。供暖廠在北方很多。在供暖廠工藝中，鍋爐汽包水位的控制是重點，又是難點。維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋護和汽輪機安全運行的必要條件，也是鍋爐正常運行的主要指標之一。1.2鍋爐汽包水位控制的必要性 汽包水位是鍋爐正常運行中重要參數(shù)之一。水位過高，蒸汽空間縮小將會引起蒸汽帶水，使蒸汽品質(zhì)惡化，以致在過熱器管內(nèi)產(chǎn)生鹽垢沉積，使管子過熱，金屬強度降低而發(fā)生爆破；滿水時蒸汽大量帶水，將會引起管道和汽機內(nèi)產(chǎn)生嚴重的水沖擊,造成設備的損壞。水位過低，將會引起水循環(huán)的破壞，使水冷壁管超溫過熱；嚴重缺水時，還可能造成更嚴重的設備損壞事故。因此加強對水位的監(jiān)測和調(diào)整至關重要。1.3鍋爐的工作過程簡介鍋爐由鍋爐的汽水系統(tǒng)和鍋爐的燃燒系統(tǒng)兩部分組成。鍋爐的汽水系統(tǒng)如圖所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、過熱器5、上升管7、給水調(diào)節(jié)閥2、給水母管1及蒸汽母管6等組成。鍋爐的給水打入省煤器，水吸收煙氣的熱量，使溫度升高成為飽和水然后引入汽包。汽包中的水經(jīng)下降管進入鍋爐底部的下聯(lián)箱，又經(jīng)爐膛四周的水冷壁進入上聯(lián)箱，又回入汽包。水在水冷壁管中吸收爐內(nèi)火焰直接輻射的熱，一部分蒸發(fā)成蒸汽，成為汽水混合物。汽水混合物在汽包中分離成水和汽，參加循環(huán)，汽則成為合格蒸汽送入蒸汽母管。 圖1.1 鍋爐的汽水系統(tǒng)鍋爐的燃燒系統(tǒng)由爐膜、煙道、噴燃器、空氣預熱器等組成。鍋爐燃料燃燒所需的空氣由送風機送入，通過空氣預熱器，在空氣預熱器中吸收煙氣熱量，成為熱空氣后，與燃料按一定的比例進入爐膛燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽。然后經(jīng)過過熱器，形成一定的過熱蒸汽，匯集到蒸汽母管。具有一定壓力的過熱蒸汽，經(jīng)過負荷設備調(diào)節(jié)閥供負荷設備使用。與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，其中含有大量余熱，除了將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還預熱鍋爐給水和空氣，最后經(jīng)煙囪排入大氣。鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)的意義 將鍋爐汽包水位控制在一個允許范圍內(nèi)，是鍋爐安全運行的一個重要指標，也是鍋爐能提供符合質(zhì)量要求得蒸汽負荷的必要條件。鍋爐汽包水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁和汽輪機葉片上的結垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴重時會造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對汽包水位實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。第二章 影響鍋爐汽包水位變化的因素和鍋爐汽包水位特性2.1虛假水位控制汽包水位在要求的值的一個首要條件是必須得到真實的汽包水位測量值。但是，汽包水位控制中存在著明顯的“虛假水位”現(xiàn)象。從工程應用中我們可以看出，當蒸汽量加大時，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但在一開始，水位不僅不下降反而迅速上升，然后下降。這種現(xiàn)象稱之為“假水位 ”。從控制上來講，“虛假水位”實際上就是非最小相位系統(tǒng)。我們以蒸汽流量的增加對汽包的影響為例進行分析。在給水不變的情況下，負荷提升，導致蒸汽流量增加，如果不考慮其它因素的影響，則汽包水位由于蒸汽流量大于給水流量而直線下降。蒸汽量增大初期，因水中氣泡容積增大導致水位暫時先上升，由于氣泡容積只能增大到汽包壓力水平，故這種上升是有限的，一段時間后，汽包壓力就達到穩(wěn)定，水位也不再變動。2.2影響鍋爐汽包水位變化的因素鍋爐在運行中，水位是經(jīng)常變化的。引起水位發(fā)生變化的原因主要是鍋爐的外擾和內(nèi)擾。當出現(xiàn)外擾和內(nèi)擾時，將使蒸發(fā)設備的物質(zhì)平衡關系(即蒸發(fā)量與給水量之間的平衡關系)發(fā)生破壞，或者工質(zhì)狀態(tài)發(fā)生變化(當鍋爐壓力變化時，水和蒸汽的比容發(fā)生變化)，從而造成汽包水位發(fā)生變化。汽包水位變化的劇烈程度，不僅與擾動量的大小有關，而且還與擾動速度有關。2.2.1影響鍋爐汽包水位變化的幾個主要因素(1)鍋爐負荷變化的影響汽包水位的變化與鍋爐負荷(蒸發(fā)量)的變化有密切關系，因為蒸汽是從給水進入鍋爐以后逐漸受熱汽化而產(chǎn)生的。當負荷變化時，蒸發(fā)受熱面中水消耗量發(fā)生變化，必然引起汽包水位的變化。當負荷增加時，如果給水量不變或增加不及時，則蒸發(fā)設備中的水量逐漸被消耗，其最終結果將使水位下降；反之，水位上升。所以，當負荷驟變時，必須嚴密監(jiān)視水位，預防水位事故的發(fā)生。 (2)燃燒工況變化的影響燃燒工況的改變對水位的影響也很大。在外界負荷及給水量不變的情況下，當燃料量突然增加，水位暫時升高而后下降；燃料突減，水位暫時降低而后升高，這是由于燃燒工況的改變使爐內(nèi)放熱量改變，而引起工質(zhì)狀態(tài)發(fā)生變化的緣故。當燃燒強化時，爐水吸熱量增加，汽泡增多，體積膨脹，而使水位暫時升高。由于產(chǎn)生的蒸汽量不斷增加，使汽壓上升，飽和溫度也相應地提高了，爐水中汽泡數(shù)量又隨之減少，水位又下降。因此水位波動的大小，取決于燃燒工況改變的強烈程度以及運行調(diào)節(jié)的及時性。 (3) 給水壓力的變化給水壓力變化時，將使給水流量發(fā)生變化，從而破壞了給水量與蒸發(fā)量的平衡，引起水位變化。當給水壓力增加時，給水流量增大，水位上升；給水壓力下降時，給水流量減少，水位下降。2.2.2其它影響因素影響鍋爐汽包水位變化的因素很多，除上述所列之外，還有其他的一些原因。比如，鍋爐汽水管泄漏或排污閥不嚴密，爐內(nèi)水品質(zhì)對水位變化的影響， 包水位計不準確，給水自動失靈運行人員手動調(diào)節(jié)不及時等。這些因素對鍋爐汽包水位造成的影響較小，或發(fā)生的可能性較低，在此不做一一列舉。2.3鍋爐汽包水位特性2.3.1汽包水位在給水流量W作用下的動態(tài)特性汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性，即控制通道的特性。如圖1-2-1是在給水流量作用下水位變化的階躍響應曲線。如果吧汽包和給水看作單容量無自衡對象，水位階躍響應曲線將如圖中的H1線。圖1-1 給水流量作用下水位階躍響應曲線由于給水溫度要比汽包內(nèi)飽和水溫度低，所以給水流量增加后，需從原有飽和水中吸取部分熱量，時水位下汽包容積減少。當水位下汽包容積的變化過程逐漸平衡時，水位將因出水量大的增加而上升。最后當水位下汽包容積不再變化時，水位變化就完全反映了因儲水量的增加而直線上升。所以圖中H線是水位的實際變化曲線。在給水量作階躍變化后，汽包水位不馬上增加，而呈現(xiàn)一段起始慣性。2.3.2汽包水位在蒸汽流量D擾動下的動態(tài)特性汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性，即干擾通道的動態(tài)特性。在蒸汽流量干擾作用下，水位變化的階躍響應曲線如圖1-2所示。圖1-2 蒸汽流量擾動作用下的水位相應曲線當蒸汽流量D突然增加，在燃料不變的情況下，從鍋爐的物料平衡關系來看，蒸汽量D大于給水量W，水位變化應如圖1-2-3中的曲線H1。但實際情況并非如此，由于蒸汽用量突然增加，瞬間必導致汽包壓力的下降。汽包內(nèi)水沸騰突然加劇，產(chǎn)生閃蒸，水中氣泡迅速增加，因汽包容積增加，而使水位變化的曲線如圖1-2-3中的H2。而實際顯示的水位響應曲線H為H1和H2的疊加。即H=H1+H2。從圖中可以看出，當蒸汽量加大時，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但在一開始，水位不僅不下降反而迅速上升，然后下降。出現(xiàn)“假水位 ”。蒸汽流量擾動時，水位變化的動態(tài)特性可用傳遞函數(shù)表示為：(1-2)式中 KS-飛升速度，即在蒸汽流量變化單位流量時水位的變化速度，K2-響應曲線H2的放大系數(shù)； T2-響應情緒H2的時間常數(shù)。2.3.3燃料量B擾動下汽包水位的動態(tài)特性在鍋爐水位的諸多因素中，以鍋爐蒸發(fā)量D和給水流量W為主。所以，對于燃料量B擾動下汽包水位的動態(tài)特性在此只做簡單介紹。汽包水位在燃料量B擾動下的響應曲線如圖2.3所示。當燃料量增加時，鍋爐的吸熱量增加，蒸發(fā)強度加大。如果負荷的用汽量不加調(diào)節(jié)，則隨著汽包壓力的增加，汽包輸出蒸汽量也將增加，于是蒸發(fā)量大于給水量，暫時產(chǎn)生了汽包進出口工質(zhì)流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容積增大，此時也會出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象，但由于燃燒率的增加也將同時導致汽包壓力上升，它會使汽泡體積減小，另外由于熱慣性，燃料量的增加只使蒸汽量D緩慢增加，故虛假水位現(xiàn)象要比蒸汽擾動下緩和的多。圖2. 3燃料量擾動下水位階躍響應第三章 汽包水位控制系統(tǒng)的選擇和分析3.1汽包水位控制系統(tǒng)分析常用的汽包水位控制方式有單沖量、雙沖量及三沖量控制。這里的沖量指的是變量。單沖量控制系統(tǒng)，即汽包水位的單回路水位控制系統(tǒng);雙沖量控制系統(tǒng)，即在單沖量系統(tǒng)的基礎上引入了蒸汽流量信號；三沖量控制系統(tǒng)，是在雙沖量系統(tǒng)的基礎上再引入給水流量信號而構成。這次方案采用單沖量控制系統(tǒng)。3.2單沖量控制方式單沖量水位控制方式原理圖及方框圖如圖2-1(a) 、(b)所示。 （a）單沖量水位控制方式原理圖 (b) 單沖量水位控制方式方框圖圖2-1它是汽包水位自動調(diào)節(jié)中最簡單、最基本的一種形式。它引入汽包水位作為反饋量，是典型的單回路定值控制系統(tǒng)。此方式將水位測量信號經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，水位調(diào)節(jié)器根據(jù)水位測量值與給定值的偏差去控制給水閥門，改變給水量來保持汽包水位在允許的操作范圍內(nèi)。這種控制方式，在停留時間較長，負荷也比較穩(wěn)定的場合，再配上一些聯(lián)鎖報替裝置，也可以保證安全操作.但在停留時間較短，負荷變化較大時，采用此方式就不合適。這是由于:(1)負荷變化時產(chǎn)生的“虛假水位”，將使調(diào)節(jié)器反向錯誤動作。負荷增大時反向關小給水調(diào)節(jié)閥，減少給水量。“虛假水位”消失時，將使水位嚴重下降，波動很大，動態(tài)品質(zhì)不好。(2)負荷變化時，控制作用緩慢。即使“虛假水位”現(xiàn)象不嚴重，從負荷變化到水位下降要有一個過程，再由水位變化到閥動作己滯后一段時間。如果水位過程時間常數(shù)很小，偏差必然相當顯著。(3)給水系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，閥門動作緩慢。假定給水泵的壓力發(fā)生變化，進水流量立即變化，然而到水位發(fā)生偏差而調(diào)節(jié)閥動作，干擾克服不及時。單沖量控制系統(tǒng)的特點是:系統(tǒng)結構簡單，對于汽包內(nèi)水位的停留時間長、負荷變化小的小型鍋爐，水位在受到擾動后的反應速度比較慢、“假水位”現(xiàn)象不很嚴重的場合，單沖量水位控制系統(tǒng)可以保證鍋爐的順利運行。第四章 儀表的選型4.1 液位變送器的選擇選擇AT3051DP差壓變送器用于測量液體、氣體或蒸汽的液位、密度和壓力，然后將其轉(zhuǎn)變成電信號。(1)工作原理顧名思義差壓變送器所測量的結果是壓力差，即P=gh。而由于油罐往往是圓柱形，其截面圓的面積S是不變的，那么，重量G=PS=ghS，S不變，G與P成正比關系。即只要準確地檢測出P值，與高度h成反比，在溫度變化時，雖然油品體積膨脹或縮小，實際液位升高或降低，所檢測到的壓力始終是保持不變的。如果用戶需要顯示實際液位，也可以引入介質(zhì)溫度補償予以解決。（2）技術參數(shù)使用對象：液體、氣體和蒸汽 測量范圍：00.1kPa至040MPa 輸出信號：420mA DC(特殊可為四線制220V AC供電，010mA DC輸出)供電電源：1245V DC，一般為24V DC 負載特性：與供電電源有關，在某一電源電壓時帶負載能力見圖2，負載阻抗RL與電源電壓Vs關系式為：RL50(Vs一12) 指示表：指針式線性指示0100%刻度或LCD液晶式顯示。 靜壓：4、10、25、32MPa 濕度：相對濕度為595% 容積吸取量：0.16cm3 精確度： 0.2% 死區(qū)：無(0.1%)4.2 液位控制器選擇UQK-01浮球液位控制器（1）工作原理控制器由浮筒組與觸頭組二大部分組成。當被測液位升高或降低時，浮筒隨之升降，使其端部的磁鋼上下擺動，通過磁力推斥安裝在外殼內(nèi)相同磁極的磁鋼上下擺動，其另一端的動觸頭便會形成相應的連通或斷開，隨即在電路中的信號裝置發(fā)出光或聲的信號，或啟閉電動泵供液或放液。浮筒動作部份與觸頭組是隔離的，因此避免了一般液位儀表容易滲漏的缺陷。（2）主要技術參數(shù)：測量范圍：0100m測量介質(zhì)：普通水、油、酸、堿、污水、粘稠介質(zhì)等，測量介質(zhì)溫度：0400。輸出信號：420mA。顯示精度：0.5%。工作電源：（220VAC、24VDC）。輸出開關接點： 上、上限（常開、常閉）。上限（常開、常閉）。下限（常開、常閉）。下、下限（常開、常閉）。變送器安裝方式：投入式、螺紋式、頂裝式（超聲波型）。顯示表尺寸：16080；9696；7272；4896；9648；4848；80160。顯示表形式：數(shù)字顯示、單光柱數(shù)字顯示、雙光柱數(shù)字顯示。4.3顯示儀表的選擇 選擇DXZ-1011（1）工作原理本儀表能將1-5V直流電壓直接并到表頭指示。表頭采用動圈式張絲結構。磁路系統(tǒng)由扇形磁鐵、導磁體及由它們組成的平面氣隙構成的，磁場均勻。當電流流過動圈時在氣隙、磁場的作用下產(chǎn)生作用力矩，當該力矩和由張絲轉(zhuǎn)角變形所形成產(chǎn)生的反作用力矩相平衡時，轉(zhuǎn)軸另一端的指針所指示的位置即表示被測量的大小。（2）主要技術指標系統(tǒng)精度：0.1%(直流）、0.2%(交流）滿刻度1字響應時間： 約50次/秒?yún)?shù)設定：人機交互設置（詳見操作流程圖）工作溫度：060警報輸出：1A/120V；1A/24V；SPST（四種模式可設置）相對濕度：1090%RH(不結露)過載能力：電壓（1.2倍額定值持續(xù)，1.5倍額定值10秒）庫存溫度：-1070電流（10倍額定值10秒）工作電源：45264VAC/DC溫度系數(shù)：100ppm/(050)系統(tǒng)功耗：交流：4.5VA隔離耐壓：2.0KV，1分鐘（電源與輸入端）機體重量：200g （3）端子接線圖4.4 執(zhí)行器的選擇選擇DKZ-410直行程電動執(zhí)行器（1）工作原理電動執(zhí)行機構按控制方式分為比例和積分式。比例式執(zhí)行機構由電動伺服放大器和積分式執(zhí)行機構組成，它能夠?qū)⑾到y(tǒng)的控制信號與關于輸出軸位置的反饋信號加以比較（閉環(huán)控制）以改變輸出軸的行程，使之與輸出信號成比例關系。積分式執(zhí)行機構由伺服電機、減速器及位置發(fā)送器組成，它能夠與電動操作器配合對閥門或其它調(diào)節(jié)機構實現(xiàn)遠方操作。（2）主要技術參數(shù) 輸入信號: 電子式:4-20mA DC 或 0-10mA DC, 普通式:開關量 輸入通道電阻: 250歐姆 或 200歐姆 輸入通道個數(shù): 普通型配放大器3個，電子式1個 基本誤差: 2.5% 回差: 1.5% 死區(qū): 3% 阻尼特性: 3次半周期 電源電壓: 220V 或 380V ，50Hz 工作環(huán)境: 溫度: -10 0 C - +55 0 C ，濕度 : 95%,周圍空氣不含有腐蝕性質(zhì)。4.5閥選擇關于給水調(diào)節(jié)閥的氣開氣關的選擇，一般都是從安全角度考慮的。工業(yè)生產(chǎn)過程的調(diào)節(jié)閥絕大部分為氣關方式。選擇ZMBT氣動薄膜隔膜調(diào)節(jié)閥 (氣關)(1)工作原理ZMBT氣動薄膜隔膜調(diào)節(jié)閥由多彈簧氣動薄膜執(zhí)行機構和隔膜閥組成。隔膜閥體流通平滑、節(jié)流元件為彈性隔膜閥，閥蓋上無填料函。因而閥流通能力比一般調(diào)節(jié)閥大且無泄漏，在許用壓差范圍內(nèi)可作切斷閥用。氣開、氣關作用由正反執(zhí)行機構實現(xiàn)。（2）主要性能參數(shù)公稱通徑mm15202540506580100150200公稱壓力MPa0.6 10行程mm1016254060流量特性近似快開型介質(zhì)溫度-15200(常溫型)、-40+250、-40+450(中溫型)、-100+200(低溫型)法蘭形式 法蘭密封面形式按JB77,其中鑄鐵法蘭按光滑式,鑄鋼法蘭按凹式閥體材質(zhì)PN(MPa)0.6,1.6WCB(ZG230-450) CF3CF8 CF8M4.0,6.4WCB(ZG230-450)、ZG1Cr18Ni9Ti、ZG0Cr18Ni12Mo2Ti CF8 CF8M可調(diào)比R30:1氣源接頭M161.5. 4 A9 R) Z$ 6 g1 H第五章 課程設計體會 在經(jīng)過了將近兩周的時間里，我們按照要求，大至完成了這次過程控制的課程設計。最后一周的時間里用來整定和交作業(yè)答辯。從這次課程設計中，我們受益匪淺。在這幾周的時間里，我們不僅重新復習了過程控制這門課程，還順帶重新看了很多相關課程和書籍。完成了一次知識的整合。并且，鍛煉了我們的獨立思考能力，創(chuàng)新能力。鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設計從實際需求入手，考慮到過程中產(chǎn)生的擾動對水位產(chǎn)生的影響，設計控制系統(tǒng)，分析采用單沖量和三沖量的綜合方法對水位進行控制，消除虛假水位現(xiàn)象對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，使系統(tǒng)給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量，達到預定控制效果。鍋爐給水自動調(diào)節(jié)的主要任務是維持汽包水位在允許范圍內(nèi)變化。鍋爐水位控制的方案多種多樣，因每臺鍋爐的特性及實際工況的不同而各異，一言以蔽之，仁者見仁，智者見智。在這次設計的過程中，我們都得到了指導老師的幫助。是他的細心講解，讓我們學到了更多知識。并且，讓我們學習的態(tài)度更加嚴謹。再就是同班的同學，在這次課程設計的途中給了我很多的幫助，跟我講那些被忘了的知識。是因為大家的相互幫助和合作，我們才共同完成了這次的任務。在設計過程中遇到了很多困難，同時也增長了許多之前沒學到的知識。通過鍋爐給水控制系統(tǒng)的設計實驗，更深的了解了給水控制系統(tǒng)的組成結構和原理。使我們的能力得到進一步增強。 參考文獻1 孫洪程 翁維勤 魏杰.過程控制系統(tǒng)及工程M.第3版.北京:化學工業(yè)出版社,2010.2胡壽松.自動控制原理M.第5版.北京:科學出版社,2010.3吳勤勤.控制儀表及裝置M.第3版.北京:化學工業(yè)出版社,2010.4徐科軍等.傳感器與檢測技術M.第2版.北京:電子工業(yè)出版社,2008.5丁明舫等.鍋爐技術問答1100題M.第1版.北京：中國電力出版社,2001.6 劉新旺.鍋爐房工藝與設備M. 第1版.北京：科學出版社，2002.7辛廣路.鍋爐運行與操作指南C. 第2版.機械工業(yè)出版社,2007. 8李承康. 基于DSP的人造金剛石壓機智能控制系統(tǒng)設計D. 東華大學,20079蔡瑞忠. 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