鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設計

鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設計鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設計鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設計資料僅供參考文件編號：2022年4月鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設計版本號：A修改號：1頁次：1.0審核：批準:發(fā)布日期：過程控制系統(tǒng)實驗報告專業(yè)xxxxxx班級xxxxxxxxx學生姓名xxxxxx學號xxxxxxxx鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設計控制要求設計一個汽包水位控制系統(tǒng)，使汽包水位維持在90CM，穩(wěn)態(tài)誤差±0,5CM，以滿足生產(chǎn)要求。完成的主要任務掌控鍋爐生產(chǎn)蒸汽工及其工作流程對被控對象進行特性分析，畫出汽包水位控制系統(tǒng)方框圖和流程圖選擇被控參數(shù)和被控變量，說明其選擇依據(jù)設計控制系統(tǒng)方案，如何選擇檢測儀表，說明其選擇原則和儀表性能指標說明單回路控制系統(tǒng)4個環(huán)節(jié)的工作形式對控制過程對控制進行PID控制說明其參數(shù)整定理論對鍋爐汽包水位進行simulink仿真，對參數(shù)進行整定，其仿真圖要滿足動態(tài)性能指標總結實驗課程設計的經(jīng)驗和收獲過程控制系統(tǒng)實驗報告 -0-第一章 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的組成原理 -3- 概述 -3- 鍋爐生產(chǎn)蒸汽工藝簡述 -3- 鍋爐生產(chǎn)蒸汽工作流程 -4-第二章鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的方案設計 -5-對被控對象進行特性分析 -5-汽包水位控制系統(tǒng)方框圖和流程圖 -5- 液位控制系統(tǒng)的方框圖 -5- 液位控制系統(tǒng)的方案圖 -6-選擇被控參數(shù)和被控變量 -6-選擇檢測儀表，說明其選擇原則和儀表性能指標 -7-傳感器、變送器選擇 -7-執(zhí)行器的選擇 -8-關于給水調(diào)節(jié)閥的氣開氣關的選擇。 -8-關于給水調(diào)節(jié)閥型號的選擇。 -8-給水流量蒸汽流量 -8-四個環(huán)節(jié)的工作形式對控制過程 -8-第三章PID控制 -10-對控制進行PID控制 -10-整定PID理論參數(shù) -11-第四章仿真 -12-對鍋爐汽包水位進行simulink仿真 -12-對系統(tǒng)參數(shù)進行整定 -13-第四章結束語 -15-鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的組成原理概述隨著電子產(chǎn)品的降價及自動化生產(chǎn)線工藝控制連續(xù)穩(wěn)定優(yōu)勢的凸現(xiàn)，越來越多的企業(yè)準備將自己的核心生產(chǎn)線改成全自動化生產(chǎn)線或者對個別關鍵工藝參數(shù)采用自動控制。工業(yè)應用自控技術在中國的推廣使用較晚，但近年來發(fā)展較快。國內(nèi)現(xiàn)在做汽包水位自動控制系統(tǒng)方面的設計公司很多，但由于能夠集工藝要求、自動化技術和電氣技術三者于一體的設計不多，所以人們清楚地認識到自動控制技術在工業(yè)應用中的重要地位和作用。從傳統(tǒng)的控制方式來看，結構簡單成本低的方案不能有效的控制鍋爐汽包“虛假水位”現(xiàn)象，而能夠在一定程度上控制“虛假現(xiàn)象”，系統(tǒng)卻過于復雜，成本較高。故三種基本結構應運而生：單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結構，單級三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結構，串級三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結構。低負荷階段，由于疏水和排污等因素的影響，給水和蒸汽流量存在著嚴重的不平衡，而且流量太小時，測量誤差大，故在低負荷階段，一般采用單沖量調(diào)節(jié)方式。單沖量水位控制系統(tǒng)是以汽包水位作為唯一的控制信號，沖量即變量。單沖量水位控制系統(tǒng)由汽包、變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器及調(diào)節(jié)閥等組成，系統(tǒng)框圖如下所示：調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥汽包檢測變送器送器圖液位控制系統(tǒng)方框圖鍋爐生產(chǎn)蒸汽工藝簡述水位控制系統(tǒng)的任務是使給水量與鍋爐蒸汽量相適應，維持汽包水位在工藝規(guī)定的范圍內(nèi)。汽包水位反映了鍋爐蒸汽流量與給水量之間的平衡關系，是鍋爐運行中非常重要的監(jiān)控參數(shù)。汽包水位過高，會影響汽水分離的效果，使蒸汽帶液，過熱器結垢，影響過熱器的效率；如果使帶液蒸汽進入汽輪機，會損壞汽輪機葉片。如果水位過低，會破壞水循壞而損壞鍋爐，尤其是大型鍋爐，一旦停止給水，汽包存水會在很短時間內(nèi)完全汽化而造成重大事故，甚至引起爆炸。因此汽包水位需要嚴格控制。鍋爐生產(chǎn)蒸汽工作流程鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動力設備，鍋爐的任務是根據(jù)外界負荷的變化，輸送一定質(zhì)量（氣壓，氣溫）和相應數(shù)量的蒸汽。鍋爐是由“鍋”和“爐”倆部分組成?！板仭本褪清仩t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。鍋爐的給水用給水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收煙氣的熱量，使溫度升高到本身壓力下的沸點，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，隨即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收爐內(nèi)火焰直接輻射的熱，在溫度不變的情況下，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，水和給水一起在進入下降管參加循環(huán)，汽則由汽包頂部的管子引往過熱器，蒸汽在過熱器中吸熱、升溫到規(guī)定溫度，成為合格蒸汽送入蒸汽母管。“爐”就是鍋爐的燃燒系統(tǒng)，由爐膜、煙道、吸燃器、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，通過空氣預熱機，在空氣預熱機中吸收煙氣熱量，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。具有一定的壓力的過熱蒸汽，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。第二章鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的方案設計對被控對象進行特性分析在設計鍋爐汽包水位控制的過程中首先從汽包鍋爐入手，汽包鍋爐有自然循環(huán)方式和強制循環(huán)方式兩種，汽包鍋爐自動控制的任務與直流鍋爐幾乎一樣，也是主要包括四個方面：（1）保證系統(tǒng)安全運行；（2）保持燃燒的經(jīng)濟性；（3）保持爐膛負壓在一定范圍內(nèi)；（4）運行中保證氣輪機所需的蒸汽量，過熱蒸汽壓力和蒸汽溫度的恒定。無論上一自然循環(huán)還是強制循環(huán)鍋爐，其給水控制的任務都是為了保證鍋爐負荷和給水的平衡關系。但是，汽包鍋爐由于有了汽包的存在，使鍋爐的運行方式、鍋爐的結構、工作原理與直流鍋爐不同，這就使實現(xiàn)控制的方式，采用被調(diào)量都有所區(qū)別。汽包水位控制系統(tǒng)方框圖和流程圖液位控制系統(tǒng)的方框圖單沖量水位控制系統(tǒng)以汽包水位作為唯一的控制信號，沖量即變量。水位測量信號經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測量值與的偏差，通過執(zhí)行器去控制給水調(diào)節(jié)閥以改變給水量，保持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。系統(tǒng)方框圖如下所示。調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥汽包檢測變送器送器圖液位控制系統(tǒng)方框圖這種控制系統(tǒng)結構簡單，是典型的單回路控制系統(tǒng)。采用單沖量控制系統(tǒng)，進行調(diào)節(jié)一般就能滿足生產(chǎn)要求。液位控制系統(tǒng)的方案圖以汽包水位為被控參數(shù)，給水量作為控制變量可構成如圖所示的單回路水位控制系統(tǒng)，工程上也稱為單沖量控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是所用設備少，結構簡單，參數(shù)整定和使用維護方便。在如圖所示的單沖量控制系統(tǒng)中，當鍋爐蒸汽負荷（流量）突然大幅度增加時，由于假水位現(xiàn)象，調(diào)節(jié)器不但不及時開大給水閥來增加給水量，反而去關小調(diào)節(jié)閥的開度，減小給水量。這樣由于蒸汽量增加、給水量減少使汽包存水量減少。等到假水位消失后，汽包水位會嚴重下降，甚至會使汽包水位降到危險的程度，以至發(fā)生事故。對于負荷變動較大的大、中型鍋爐，單沖量控制系統(tǒng)不能保證水位穩(wěn)定，難以滿足水位控制要求和生產(chǎn)安全。而對小型鍋爐，由于蒸汽負荷變化時假水位的現(xiàn)象并不明顯，如果在配上相應的一些聯(lián)鎖報警裝置，這種單沖量控制系統(tǒng)也能滿足生產(chǎn)的要求，并保證安全生產(chǎn)。圖液位控制系統(tǒng)方案圖選擇被控參數(shù)和被控變量被控參數(shù)：能在生產(chǎn)過程中借助自動控制保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量?？刂谱兞浚河脕砜朔蓴_對被控參數(shù)的影響，實現(xiàn)控制作用的變量。又稱為操縱變量。最常見的操縱變量是介質(zhì)的流量，也有以轉速、電壓等作為操縱變量的。本次實驗設計的控制變量為出口流體的流量?？刂谱兞康拇_定被控變量選定以后，應對工藝進行分析，找出所有影響被控變量的因素。在這些變量中，有些是可控的，有些是不可控的。1、在諸多影響被控變量的因素中選擇一個對被控變量影響顯著且便于控制的變量，作為控制變量；2、其它未被選中的因素則視為系統(tǒng)的干擾。選擇檢測儀表，說明其選擇原則和儀表性能指標調(diào)節(jié)器的選型與調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇對過程控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)有至關重要的影響，也是過程控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容之一。調(diào)節(jié)器的輸出決定于被控參數(shù)的測量值與設定值之差，被控參數(shù)的測量值與設定值變化，對輸出的作用方向是相反的。過程控制中，對于調(diào)節(jié)器的正反作用的定義為：當設定值不變時，隨著測量值的增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加，則稱為“正作用”方式；同樣，當測量值不變，設定值減小時，調(diào)節(jié)器輸出增加，稱為“正作用”方式。調(diào)節(jié)閥正、反作用方式的選擇是在調(diào)節(jié)閥氣開、氣關方式確定之后進行的，其確定原則是使整個單回路構成負反饋系統(tǒng)。圖液位控制系統(tǒng)流程圖傳感器、變送器選擇傳感器、變送器完成對被控參數(shù)的檢測，并將測量信號傳送至控制器。測量信號是調(diào)節(jié)器進行控制的依據(jù)，被控參數(shù)迅速、準確地測量是實現(xiàn)高性能控制的重要條件。測量不準確或不及時，會產(chǎn)生失調(diào)、誤調(diào)或調(diào)節(jié)不及時。因此，傳感器、變送器的選擇是過控系統(tǒng)設計中重要的一環(huán)。執(zhí)行器的選擇過程控制使用最多的是由執(zhí)行機構和調(diào)節(jié)閥組成的執(zhí)行器。A、調(diào)節(jié)閥工作區(qū)間的選擇B、調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇C、調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關作用方式選擇關于給水調(diào)節(jié)閥的氣開氣關的選擇關于給水調(diào)節(jié)閥的氣開氣關的選擇，一般都是從安全角度考慮的。如果高壓蒸汽供給蒸汽透平壓縮機的重要負荷，為保護這些設備以選用氣開(F．C)閥為宜。如果蒸汽作為工藝生產(chǎn)中的熱源時，為保護鍋爐，以選用氣關(F．O)閥為宜。綜合起來考慮，一般選帶保位裝置(F．IJ的給水閥，即事故狀態(tài)該閥停在原位。關于給水調(diào)節(jié)閥型號的選擇關于給水調(diào)節(jié)閥型號的選擇。由于流經(jīng)給水閥的除氧水壓力為6．0MPa溫度為104℃，極宜產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。對于輕度汽蝕，一般給水閥的閥芯閥座選用司鈦萊合金堆焊即可。對于重度汽蝕，一般給水閥選用多級高壓調(diào)節(jié)閥，使高壓除氧水在流過調(diào)節(jié)閥多級節(jié)流孔后逐漸降壓，而每級閥芯上只承擔一部分壓差，使節(jié)流后的壓力在閥的部分恢復不到流體的飽和蒸汽壓力，可以有效的避免汽蝕現(xiàn)象，也有效的防止了汽蝕引起的噪聲振動和對閥芯閥座的侵蝕。給水流量蒸汽流量給水流量蒸汽流量的一次元件如果選用節(jié)流裝置，則差壓變送器輸出的信號需經(jīng)開方器后再輸入到加法器進行信號疊加。這樣可以減少非線性對系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的影響。若是選用流量變送器則不必加開方器。它們的顯示儀表的量程應選擇的相同，其范圍應比額定蒸汽負荷大一些，以保證鍋爐在額定負荷下的給水流量有波動的余地。四個環(huán)節(jié)的工作形式對控制過程確定調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方案時，要根據(jù)對象的特性和工藝要求，選擇合適的調(diào)節(jié)規(guī)律，使組成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿足預期的品質(zhì)指標。調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律，即它的輸出量與輸入量（偏差值）之間的函數(shù)關系。P=f(e)調(diào)節(jié)器的作用是根據(jù)偏差，按規(guī)定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號，推動執(zhí)行機構，對生產(chǎn)過程進行調(diào)節(jié)。1、比例控制（P）適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統(tǒng)，2、比例積分控制（PI）適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。3、比例微分控制（PD）適用于控制通道滯后較大的系統(tǒng)。例如加熱較慢的溫度控制系統(tǒng)。4、比例積分微分控制（PID）適用于容量滯后較大、負荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)，應用最普遍的是溫度控制系統(tǒng)與成分控制系統(tǒng)。第三章PID控制對控制進行PID控制求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，畫出液位控制系統(tǒng)方框圖。在穩(wěn)定狀態(tài)下,水位測量信號等于給定值,水位調(diào)節(jié)器的輸出,蒸汽流量及給水流量等三個信號,通過加法器得到的輸出電流為:I0=K1I1-K2I2+K3I3式中,I1為液位調(diào)節(jié)器的輸出電流;I2為蒸汽流量變送器的電流;I3為給水流量變送器的電流;K1、K2、K3分別為加法器各通道的衰減系數(shù)。設計K2I2=K3I3此時I0正是調(diào)節(jié)閥處于正常開度時所需要的電流信號(為了安全調(diào)節(jié)閥必須用氣關閥)。假定在某一時刻,蒸汽負荷突然增加,蒸汽流量變送器的輸出電流I2相應增加,加法器的輸出電流I0就減少,從而開大給水調(diào)節(jié)閥。但是與此同時出現(xiàn)了假水位現(xiàn)象,水位調(diào)節(jié)器輸出電流I1將增大。由于進入加法器的兩個信號相反,蒸汽流量變送器的輸出電流I2會抵消一部分假水位輸出電流I1,所以,假水位所帶來的影響將局部或全部被克服。待假水位過去,水位開始下降,水位調(diào)節(jié)器輸出電流I1開始減小,此時,它與蒸流量信號變化的方向相反,因此加法器的輸出電流I0減小,意味著要求增加給水量,以適應新的負荷需要并補充水位的不足。圖液位控制系統(tǒng)方框圖整定PID理論參數(shù)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法在控制系統(tǒng)設計或安裝完畢后，被控對象、測量變送器和執(zhí)行器這三部分的特性就完全確定了，不能任意改變。只能通過控制器參數(shù)的工程整定，來調(diào)整控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制質(zhì)量。控制器參數(shù)的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制質(zhì)量最好的控制器參數(shù)值。具體來說，就是確定最合適的控制器比例度P、積分時間TI，和微分時間TD。1）穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）屬于閉環(huán)整定方法，根據(jù)純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗所得數(shù)據(jù)（臨界比例度Pm和振蕩周期Tm），按經(jīng)驗公式求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。（1）若置調(diào)節(jié)器Ti，Td=0，比例度P較大值，將系統(tǒng)投入運行。（2）逐漸減小P