鍋爐給水系統(tǒng)

1、-作者xxxx-日期xxxx鍋爐給水系統(tǒng)【精品文檔】鍋爐給水控制系統(tǒng)目錄1 概述22 鍋爐給水控制系統(tǒng)3 鍋爐控制系統(tǒng)介紹3 鍋爐控制系統(tǒng)要求43 鍋爐給水控制系統(tǒng)設(shè)計方案5 PID控制53.2 汽包水位控制方式83.2.1 單沖量控制方式8 雙沖量控制方式93.2.3 三沖量控制方式10 系統(tǒng)控制器參數(shù)的分析與整定114 儀表的選用13 檢測類儀表14 壓力儀表的選型14 液位儀表的選型14 流量儀表的選型14 調(diào)節(jié)閥的選型155.課程設(shè)計體會15參考文獻161 概述工業(yè)鍋爐是生產(chǎn)和生活中重要的動力源，在整個能源消耗中占有相當(dāng)大的比重。目前，我國有百分之九十以上的鍋爐燃煤，耗煤量占全國原煤消

2、耗量的1/3以上1，而且鍋爐燃用的主要是中低質(zhì)煤，工業(yè)污染十分嚴(yán)重；同時，鍋爐形式比較陳舊，生產(chǎn)效率和自動化程度低，這又進一步加重了環(huán)境污染的程度，因此，調(diào)整能源消費結(jié)構(gòu)，逐步提高使用液體燃料和氣體燃料的比例是加強環(huán)境保護、實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的措施之一；同時有必要對工業(yè)鍋爐進行技術(shù)改造，提高運行的自動化水平，這樣將獲得較為理想的控制效果，其節(jié)能效果也是十分可觀的。給水控制的任務(wù)是維持汽包水位在工藝允許范圍內(nèi)。由于影響汽包水位的幾個因素中，燃料量的擾動影響較小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位為被控變量，以調(diào)節(jié)給水流量為控制手段。同時，由于汽包水位不僅受鍋爐側(cè)的影響，也受到汽輪機側(cè)

3、的影響，當(dāng)鍋爐負荷變化或汽輪機用汽量變化時，給水控制都應(yīng)該能限制汽包水位只在給定的范圍內(nèi)變化。目前，對汽包水位的控制大部分采用常規(guī)PID控制方式。此方式是根據(jù)被控對象的數(shù)學(xué)模型建立，使鍋爐的給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，以維持汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)，同時保持穩(wěn)定的給水流量。 汽包水位是一個重要的監(jiān)控參數(shù)，反映了鍋爐蒸汽負荷與給水量之間的平衡關(guān)系。另外還有汽包水位控制方式（單沖量、雙沖量及三沖量控制23），其中的沖量指的是變量。2 鍋爐給水控制系統(tǒng)鍋爐是一種承受一定工作壓力的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。其作用就是有效地把燃燒中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，或再通過相應(yīng)設(shè)備將熱能轉(zhuǎn)化為其它生產(chǎn)和生活所需的能量形式，長期以來在生

4、產(chǎn)和居民生活中都起很重要的作用。根據(jù)鍋爐的作用不同，可分為電站鍋爐，工業(yè)鍋爐，生活鍋爐等。其中電站鍋爐主要用于發(fā)電，工業(yè)鍋爐主要用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而生活鍋爐主要用于供暖取暖。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，生產(chǎn)過程不斷強化，生活設(shè)備不斷革新，鍋爐向大容量、高參數(shù)、高效率方向發(fā)展。為確保生產(chǎn)生活安全，對鍋爐設(shè)備的自動控制就顯得十分明顯45。鍋爐系統(tǒng)主要包括燃燒系統(tǒng)、送引風(fēng)系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等。其工藝流程如下： 由圖2.1可知，給水泵、給水調(diào)節(jié)器、省煤器、汽包及循環(huán)管等構(gòu)成了蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。燃燒和空氣按一定比例進入燃燒室燃燒，生成的熱量傳給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，生產(chǎn)飽和蒸汽Ds，然后經(jīng)過過熱器，形成具有一定溫

5、度的過熱蒸汽D，匯聚至蒸汽母管。壓力為PM的過熱蒸汽，經(jīng)負荷設(shè)備調(diào)節(jié)控制機構(gòu)，提供給生產(chǎn)負荷設(shè)備使用。與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，將飽和蒸汽變成過熱蒸汽后，再經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐給水和空氣預(yù)熱器預(yù)熱空氣，最后由引風(fēng)機送往煙囪排出。鍋爐是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要設(shè)備之一，其生產(chǎn)任務(wù)是根據(jù)外界負荷的變化，輸送一定質(zhì)量（汽壓、氣溫）和相應(yīng)數(shù)量的蒸汽給汽輪機，以滿足生產(chǎn)的要求。為了滿足負荷設(shè)備的要求，保證鍋爐本身運行的安全性和經(jīng)濟性，提高鍋爐的自動化水平，減輕操作工人的勞動強度。其主要控制要求如下：1、 保持汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)：鍋爐汽包水位的高度，關(guān)系到汽水分離的速度和生產(chǎn)蒸汽的質(zhì)量，也是確保安全生產(chǎn)的重

6、要條件。如果鍋爐汽包水位過高，就會影響汽包水位分離裝置的正常工作，造成出口蒸汽水分過多，結(jié)果可能會使過熱器受熱面結(jié)垢而導(dǎo)致過熱器燒壞，并會引起汽輪機葉片上結(jié)垢增加，嚴(yán)重時將損壞汽輪機葉片，同時，還會使過熱器氣溫產(chǎn)生急劇變化，直接影響機組運行的經(jīng)濟性和安全性。如果汽包水位過低，就會影響自然循環(huán)的正常進行，嚴(yán)重時會使個別上水管形成自由水面，產(chǎn)生停滯，致使水冷壁因供水不足而燒壞，因此，必須對汽包水位進行控制，將其嚴(yán)格控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。現(xiàn)在要求將其控制在0±5cm.2、 穩(wěn)定蒸汽溫度：由于過熱器的作用是將從汽包出來的飽和蒸汽加熱成為過熱蒸汽，使過熱器長期承受高溫高壓。因此，在安全生產(chǎn)和技術(shù)

7、經(jīng)濟指標(biāo)上，必須對其進行控制，使蒸汽溫度保持保持在額定值范圍內(nèi)。現(xiàn)場要求將其控制在445±50。3、 ±0.1MPa。4、 ±0.05Pa。5、 ±0.2（%）。3 鍋爐給水控制系統(tǒng)設(shè)計方案3.1 PID控制3.1.1 PID控制原理在控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制67.常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3.1，系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成。 圖3.1 PID控制系統(tǒng)原理圖PID控制器是一種線性控制器，他根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)=r(t)-y(t).將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)

8、成控制量，對被控制對象進行控制，故稱PID控制器。其數(shù)學(xué)模型如下：式中：u(t)調(diào)節(jié)器的輸出信號； e(t)調(diào)節(jié)器的偏差信號，等于測量值與給定值之差； KP調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； TI 調(diào)節(jié)器的積分時間； TD 調(diào)節(jié)器的微分時間； 上述公式在實際應(yīng)用中是無法實現(xiàn)的，必須進行離散化，將其進行離散化的位置型控制算式：式中：u(k)-k采樣周期時的輸出 e(k)-k采樣周期時的偏差 Ts-采樣周期令,即有其中分別為比例、積分和微分系數(shù)。 PID對控制的影響3.1.2.1 比例P調(diào)節(jié)器比例P調(diào)節(jié)器是一種簡單的調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為： u = KPe + u0 KP：比例系數(shù)， u0：控制常量，即誤差為零時的

9、控制變量；如圖所示，比例調(diào)節(jié)器對誤差e是即時響應(yīng)的，誤差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制，使被控制的過程變量 圖3.2 P調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)Y向誤差減小的方向變化。 比例積分（PI）調(diào)節(jié)器其控制規(guī)律是：Ti：積分常數(shù)，Ti越大，積分作用越弱。 圖3.3 PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng) 積分器的輸出值大 小取決于對誤差的累積結(jié)果，雖然誤差不變，但積分器的輸出還在增加，直至使誤差e=0。積分器的加入相當(dāng)于能自動調(diào)節(jié)控制常量u0，消除靜差，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。3.1.比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器其控制規(guī)律是： Td：微分常數(shù)，Td越大，微分作用越強。 積分器雖然能夠消除靜差，但使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，進一步改進是通過檢測

10、誤差的變化率來預(yù)報誤差，并對誤差的變化作出響應(yīng)。 圖3.4 理想PID調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)3.1.3 PID參數(shù)整定方法有：臨界比例度法，衰減曲線法，反應(yīng)曲線法小結(jié)：PID控制是迄今為止最通用的控制方法。大多數(shù)反饋控制用該方法或其較小的變形來控制。PID調(diào)節(jié)器及其改形型是再工業(yè)過程控制中最常見的控制器。我們今天所熟知的PID控制器產(chǎn)生并發(fā)展于19151940年期間，盡管自1940年以來，許多先進控制方法不斷推出，但是PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單，及易于操作等特點，仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機械等工業(yè)過程控制中。3.2 汽包水位控制方式給水控制的任務(wù)是維持汽包水位在工藝允許范圍內(nèi)。由于影響汽

11、包水位的幾個原因中，燃料量的擾動影響較小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位為被控變量，以調(diào)節(jié)給水流量為控制手段。同時，由于汽包水位不僅受鍋爐側(cè)的影響，也受到汽輪機側(cè)的影響，當(dāng)鍋爐負荷發(fā)生變化或是汽輪機用汽量變化時，給水控制都應(yīng)該能限制汽包水位只在給定的范圍內(nèi)變化。常用的汽包水位控制方式有單沖量、雙沖量及三沖量控制。3.2.1 單沖量控制方式此方式是汽包水位自動調(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，是典型的單回路定植控制系統(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范圍內(nèi)。圖

12、 汽包水位單沖量控制原理圖這種方式用在停留時間較長，負荷較穩(wěn)定的場合，再配上一些連鎖報警裝置，可以保證安全操作。但停留時間較短，負荷變化較大時，不宜采用這種方式。原因如下：（1）當(dāng)負荷變化產(chǎn)生虛假水位時，將使控制器反向錯誤動作；（2）對蒸汽流量擾動不靈敏；（3）對給水自發(fā)性干擾不能有效及時克服。 雙沖量控制方式 這種方式克服了單沖量的不足。原理圖如下：該方式從本質(zhì)上看是一個前饋(蒸汽流量)加單回路反饋控制系統(tǒng)的復(fù)合控制系統(tǒng)。圖3.6 汽包水位雙沖量控制原理圖其特點有：可消除“ 虛假現(xiàn)象”對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的不良影響, 從而改善調(diào)節(jié)特性, 提高調(diào)節(jié)質(zhì)量, 且投資增加不多。但是該控制方案依舊存在不能及時反

13、映給水流量對水位調(diào)節(jié)的干擾, 因此雙沖量水位控制適用于負荷變化較頻繁的小型低壓鍋爐, 而不適用于給水母管壓力經(jīng)常有波動的鍋爐系統(tǒng)。3.2.3 三沖量控制方式一般情況下鍋爐容量越大, 氣包的相對水位容量就越小, 允許的水位波動就越小, 如果給水中斷, 就可能在極短的時間內(nèi)發(fā)生危險水位, 這就要求水位的控制必須能夠及時反映給水流量對水位的干擾。為此, 在雙水位控制的基礎(chǔ)上再引進一個給水流量變化的信號進行控制, 就構(gòu)成所謂的三沖量水位控制系統(tǒng), 其控制方案如圖所示。圖3.7 三沖量控制方式原理圖該系統(tǒng)中,汽包水位是被控量, 是主沖量信號, 而蒸汽流量和給水流量是2個輔助沖量信號, 通過2個輔助沖量的

14、引人, 既克服了“ 虛假液位”對控制質(zhì)量的影響，又能及時反映出給水量對水位的干擾, 克服了控制過程中的滯后現(xiàn)象。因此, 對于大中型高中壓鍋爐采用三沖量水位控制系統(tǒng)較為適宜。 綜上所述，應(yīng)采用三沖量控制方式。三沖量控制方式的工作原理：三沖量汽包給水控制系統(tǒng)，采用蒸汽流量對信號進行前饋控制，當(dāng)蒸汽負荷突然發(fā)生變化，蒸汽信號使給水調(diào)節(jié)閥一開始就向正確方向移動，即蒸汽流量增加，給水調(diào)節(jié)閥開大，抵消了由于“虛假水位”引起的反向作用，因而減小了水位和給水流量的波動幅度。當(dāng)由于水壓干擾使給水流量改變時，調(diào)節(jié)器能迅速消除干擾。如給水流量減少，調(diào)節(jié)器立即根據(jù)給水流量減少的信號，開大給水閥門，使給水量保持不變。另

15、外，給水流量信號也是調(diào)節(jié)器動作后的反饋信號，能使調(diào)節(jié)器及知道控制的效果，所以三沖量給水控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器動作快，還可以避免調(diào)節(jié)過大，減少波動和失控。這樣，汽包水位就很少受到影響。 系統(tǒng)控制器參數(shù)的分析與整定 三沖量汽包水位單級控制系統(tǒng)8910采用電動單元組合儀表構(gòu)成圖3.8 三沖量水位單級控制系統(tǒng)儀表構(gòu)成DBC差壓變送器；DJK開放器；、分流器；PI調(diào)節(jié)器；CF伺服放大器；SD執(zhí)行器；圖 三沖量水位單級控制系統(tǒng)組成方框圖從系統(tǒng)組成方塊圖可以看出，三沖量水位控制系統(tǒng)有兩個閉合回路：（1）是由給水流量、給水分流器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥組成的內(nèi)回路；（2）由汽包水位對象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量及其蒸氣

16、分流器均在閉合回路之外，它的引入可以改善控制質(zhì)量，但不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以三沖量控制實質(zhì)是前饋加反饋的控制系統(tǒng)。 在三沖量水位控制系統(tǒng)里，內(nèi)回路相當(dāng)于串級控制的內(nèi)環(huán)，當(dāng)給水量發(fā)生擾動時，由于副環(huán)回路的快速調(diào)節(jié)作用，對汽包水位影響較小。在分析內(nèi)回路時可以認(rèn)為主回路是開路的，內(nèi)回路是個隨動系統(tǒng)，其方塊圖如圖3.9所示。如果把調(diào)節(jié)器以外的環(huán)節(jié)都看作是控制對象，那么控制對象的，那么控制對象的動態(tài)特性近似為比例環(huán)節(jié)，因此可以近似認(rèn)為： =。所以內(nèi)回路的傳遞函數(shù)應(yīng)為： =。 圖3.10三沖量水位控制內(nèi)回路方塊圖 圖3.11水位控制系統(tǒng)內(nèi)部回路等效方塊圖 在內(nèi)回路分析的基礎(chǔ)上，可以畫出主回路的簡化

17、方塊圖，從圖中可以看出，主回路也是一個單回路系統(tǒng)。被控對象已給水量作為輸入，以作為對象的輸出。等效調(diào)節(jié)器是比例調(diào)節(jié)器，等效比例帶。圖3.12 三沖量水位控制系統(tǒng)主回路簡化方塊圖關(guān)于蒸汽流量分流系數(shù)的選擇問題；蒸汽流量信號不在控制系統(tǒng)閉合回路之內(nèi)，因此它的大小不影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。蒸汽流量信號的大小原則上可以這樣確定，當(dāng)蒸汽流量發(fā)生擾動時，就利用這個擾動信號作為控制信號，通過調(diào)整使水位變化很小或基本不變。這要求：；式中 給水流量擾動下汽包水位的傳遞函數(shù)； 蒸汽流量擾動下汽包水位的傳遞函數(shù)； 、蒸汽流量和給水流量的分流系數(shù)。 一般情況， 只要是一個比例環(huán)節(jié)，在負荷變化時就能把鍋爐水位控制在允許范

18、圍內(nèi)。如果要求在整個負荷范圍內(nèi)，水位穩(wěn)定不變，可取=。4 儀表的選用4.1 檢測類儀表檢測類儀表是對所要控制的點的具體位置的進行檢測，以便為其他類儀表提供數(shù)據(jù)支持以便于做具體控制。本次設(shè)計用到了壓力，液位，流量等檢測儀表。4ST3000-S900系列 STD940壓力變送器 標(biāo)準(zhǔn)型 測量范圍： 34033430K PaSTD960壓力變送器 標(biāo)準(zhǔn)型 測量范圍： 68613700K Pa4.1.2液位儀表的選型SBUT外浮筒液位變送器主要技術(shù)參數(shù)：輸出: 420mA DC 二線制;精度: -1.0%+1.0%FS;電源: 24V DC;測量液比重: 0.5;溫度范圍: -2580;4.1.3流量儀表的選型SBLB 靶式流量變送器主要技術(shù)參數(shù)：輸出: 4-20mA DC 二線制;精度: -0.50.5%（掛重） -11.0%（水標(biāo)定）;電源: 24V DC;溫度范圍: -25+80電源電壓: 24V DC;安裝方式: 軌道式，軌道寬度35mm;節(jié)閥的選型流量調(diào)節(jié)閥：電子式電動單座小型調(diào)節(jié)閥 型號：ZDLJp-16B;壓力調(diào)節(jié)閥：雙座調(diào)節(jié)閥 型號：ZKZN-64; 本設(shè)計首先對電廠鍋爐汽包水位過程控制的任務(wù)進行研究和討論。同時，設(shè)