锅炉汽包水位控制系统的设计讲解

锅炉汽包⽔位控制系统的设计讲解

过程控制系统实验报告

专业 xxxxxx

班级 xxxxxxxxx

学⽣姓名 xxxxxx

学号 xxxxxxxx

锅炉汽包⽔位控制系统设计

⼀、控制要求

设计⼀个汽包⽔位控制系统，使汽包⽔位维持在90CM，稳态误差±0,5CM，以满⾜⽣产要求。

⼆、完成的主要任务1.掌控锅炉⽣产蒸汽⼯及其⼯作流程

2.对被控对象进⾏特性分析，画出汽包⽔位控制系统⽅框图和流程图

3.选择被控参数和被控变量，说明其选择依据

4.设计控制系统⽅案，如何选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标

5.说明单回路控制系统4个环节的⼯作形式对控制过程

6.对控制进⾏PID控制说明其参数整定理论

7.对锅炉汽包⽔位进⾏simulink仿真，对参数进⾏整定，其仿真图要满⾜动态性能

指标8.总结实验课程设计的经验和收获

过程控制系统实验报告............................... - 0 -第⼀章锅炉汽包⽔位控制系统的组成原理............ - 3 -1.1概述............................................ - 3 -

1.2锅炉⽣产蒸汽⼯艺简述 ............................ - 3 -

1.3锅炉⽣产蒸汽⼯作流程 ............................ - 4 -

............... - 5 -

2.1 对被控对象进⾏特性分析 ............................ - 5 -

2.2汽包⽔位控制系统⽅框图和流程图..................... - 5 -

2.2.1液位控制系统的⽅框图.................................. - 5 -

2.2.2液位控制系统的⽅案图.................................. - 6 -

2.3选择被控参数和被控变量............................. - 6 -

2.4选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标 ......... - 7 -

2.4.1传感器、变送器选择 ..................................... - 7 -

2.4.2执⾏器的选择........................................... - 8 -

2.4.3关于给⽔调节阀的⽓开⽓关的选择。 ....................... - 8 -

2.4.4 关于给⽔调节阀型号的选择。............................. - 8 -2.4.5 给⽔流量蒸汽流量..................................... - 8 -

2.5 四个环节的⼯作形式对控制过程............................... - 8 -

................................... - 10 -

3.1对控制进⾏PID控制.......................................... - 10 -

........................................... - 11 -

第四章仿真...................................... - 12 -4.1对锅炉汽包⽔位进⾏simulink仿真................... - 12 -

4.2对系统参数进⾏整定................................ - 13 -

..................................... - 15 -

第⼀章锅炉汽包⽔位控制系统的组成原理1.1概述

随着电⼦产品的降价及⾃动化⽣产线⼯艺控制连续稳定优势的凸现，越来越多的企业准备将⾃⼰的核⼼⽣产线改成全⾃动化⽣产线或者对个别关键⼯艺参数采⽤⾃动

控制。⼯业应⽤⾃控技术在中国的推⼴使⽤较晚，但近年来发展较快。国内现在做汽包⽔位⾃动控制系统⽅⾯的设计公司很多，但由于能够集⼯艺要求、⾃动化技术和电⽓技术三者于⼀体的设计不多，所以⼈们清楚地认识到⾃动控制技术在⼯业应⽤中的重要地位和作⽤。

从传统的控制⽅式来看，结构简单成本低的⽅案不能有效的控制锅炉汽包“虚假⽔位”现象，⽽能够在⼀定程度上控制“虚假现象”，系统却过于复杂，成本较⾼。故三种基本结构应运⽽⽣：单冲量调节系统结构，单级三冲量调节系统结构，串级三冲量调节系统结构。低负荷阶段，由于疏⽔和排污等因素的影响，给⽔和蒸汽流量存在着

严重的不平衡，⽽且流量太⼩时，测量误差⼤，故在低负荷阶段，⼀般采⽤单冲量调节⽅式。

单冲量⽔位控制系统是以汽包⽔位作为唯⼀的控制信号，冲量即变量。单冲量⽔位控制系统由汽包、变送器、调节器、执⾏器及调节阀等组成，系统框图如下所⽰：

图1.1 液位控制系统⽅框图1.2锅炉⽣产蒸汽⼯艺简述

⽔位控制系统的任务是使给⽔量与锅炉蒸汽量相适应，维持汽包⽔位在⼯艺规定的范围内。

汽包⽔位反映了锅炉蒸汽流量与给⽔量之间的平衡关系，是锅炉运⾏中⾮常重要的监控参数。汽包⽔位过⾼，会影响汽⽔分离的效果，使蒸汽带液，过热器结垢，影响过热器的效率；如果使带液蒸汽进⼊汽轮机，会损坏汽轮机叶⽚。如果⽔位过低，会破坏⽔循坏⽽损坏锅炉，尤其是⼤型锅炉，⼀旦停⽌给⽔，汽包存⽔会在很短时间内完全汽化⽽造成重⼤事故，甚⾄引起爆炸。因此汽包⽔位需要严格控制。1.3锅炉⽣产蒸汽⼯作流程

锅炉是⼯业过程中不可缺少的动⼒设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变化，输送⼀定质量（⽓压，⽓温）和相应数量的蒸汽。

锅炉是由“锅”和“炉”俩部分组成。“锅”就是锅炉的汽⽔系统，如图所⽰。由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给⽔调节阀2、给⽔母管1及蒸汽母管6等组成。锅炉的给⽔⽤给⽔泵打⼊省煤器，在省煤器中，⽔吸收烟⽓的热量，使温度升⾼到本⾝压⼒下的沸点，成为饱和⽔然后引⼊汽包。汽包中的⽔经下降管进⼊锅炉底部的下联箱，⼜经炉膛四周的⽔冷壁进⼊上联箱，随即⼜回⼊汽包。⽔在⽔冷壁管

中吸收炉内⽕焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，⼀部分蒸发成蒸汽，成为汽⽔混合物。汽⽔混合物在汽包中分离成⽔和汽，⽔和给⽔⼀起在进⼊下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管⼦引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、升温到规定温度，成为合格蒸汽送⼊蒸汽母管。“炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、吸燃器、空⽓预热器等组成。锅炉燃料燃烧所需的空⽓由送风机送⼊，通过空⽓预热机，在空⽓预热机中吸收烟⽓热量，成为热空⽓后，与燃料按⼀定的⽐例进⼊炉膛燃烧，⽣成的热量传递给蒸汽发⽣系统，产⽣饱和蒸汽。然后经过过热器，形成⼀定的过热蒸汽，汇集到蒸汽母管。具有⼀定的压⼒的过热蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备使⽤。与此同时，燃烧过程中产⽣的烟⽓，其中含有⼤量余热，除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还预热锅炉给⽔和空⽓，最后经烟囱排⼊⼤⽓。

第⼆章锅炉汽包⽔位控制系统的⽅案设计2.1 对被控对象进⾏特性分析

在设计锅炉汽包⽔位控制的过程中⾸先从汽包锅炉⼊⼿，汽包锅炉有⾃然循环⽅式和强制循环⽅式两种，汽包锅炉⾃动控制的任务与直流锅炉⼏乎⼀样，也是主要包括四个⽅⾯：（1）保证系统安全运⾏；（2）保持燃烧的经济性；（3）保持炉膛负压在⼀定范围内；（4）运⾏中保证⽓轮机所需的蒸汽量，过热蒸汽压⼒和蒸汽温度的恒定。⽆论上⼀⾃然循环还是强制循环锅炉，其给⽔控制的任务都是为了保证锅炉负荷和给⽔的平衡关系。但是，汽包锅炉由于有了汽包的存在，使锅炉的运⾏⽅式、锅炉的结构、⼯作原理与直流锅炉不同，这就使实现控制的⽅式，采⽤被调量都有所区别。2.2汽包⽔位控制系统⽅框图和流程图

2.2.1液位控制系统的⽅框图

单冲量⽔位控制系统以汽包⽔位作为唯⼀的控制信号，冲量即变量。⽔位测量信号H的偏差，通过执⾏器去经变送器送到⽔位调节器，调节器根据汽包⽔位测量值H与0控制给⽔调节阀以改变给⽔量，保持汽包⽔位在允许的范围内。系统⽅框图如下所⽰。

图2.1 液位控制系统⽅框图

这种控制系统结构简单，是典型的单回路控制系统。采⽤单冲量控制系统，进⾏PID调节⼀般就能满⾜⽣产要求。2.2.2液位控制系统的⽅案图

以汽包⽔位为被控参数，给⽔量作为控制变量可构成如图所⽰的单回路⽔位控制系

统，⼯程上也称为单冲量控制系统。这种系统的优点是所⽤设备少，结构简单，参数整

定和使⽤维护⽅便。

在如图所⽰的单冲量控制系统中，当锅炉蒸汽负荷（流量）突然⼤幅度增加时，由

于假⽔位现象，调节器不但不及时开⼤给⽔阀来增加给⽔量，反⽽去关⼩调节阀的开度，

减⼩给⽔量。这样由于蒸汽量增加、给⽔量减少使汽包存⽔量减少。等到假⽔位消失后，

汽包⽔位会严重下降，甚⾄会使汽包⽔位降到危险的程度，以⾄发⽣事故。对于负荷变

动较⼤的⼤、中型锅炉，单冲量控制系统不能保证⽔位稳定，难以满⾜⽔位控制要求和

⽣产安全。⽽对⼩型锅炉，由于蒸汽负荷变化时假⽔位的现象并不明显，如果在配上相应的⼀些联锁报警装置，这种单冲量控制系统也能满⾜⽣产的要求，并保证安全⽣产。

图2.2 液位控制系统⽅案图2.3选择被控参数和被控变量

被控参数：能在⽣产过程中借助⾃动控制保持恒定值（或按⼀定规律变化）的变量。控制变量：⽤来克服⼲扰对被控参数的影响，实现控制作⽤的变量。⼜称为操纵变量。最常见的操纵变量是介质的流量，也有以转速、电压等作为操纵变量的。本次实验设计的控制变量为出⼝流体的流量。控制变量的确定被控变量选定以后，应对⼯艺进⾏分析，找出所有影响被控变量的因素。在这些变量中，有些是可控的，有些是不可控的。1、在诸多影响被控变量的因素中选择⼀个对被控变量影响显著且便于控制的变量，作为控制变量；

2、其它未被选中的因素则视为系统的⼲扰。

2.4选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标

调节器的选型与调节规律的选择对过程控制系统的控制品质有⾄关重要的影响，也是过程控制系统设计的核⼼内容之⼀。

调节器的输出决定于被控参数的测量值与设定值之差，被控参数的测量值与设定值变化，对输出的作⽤⽅向是相反的。过程控制中，对于调节器的正反作⽤的定义为：当设定值不变时，随着测量值的增加，调节器的输出也增加，则称为“正作⽤”⽅式；同样，当测量值不变，设定值减⼩时，调节器输出增加，称为“正作⽤”⽅式。