锅炉汽包水位控制系统

内蒙古科技大学

过程控制课程设计论文

题目：锅炉汽包水位控制系统

学生姓名：

学号：

专业：测控技术与仪器

班级：2008-2

指导教师：左鸿飞

2011年9 月 3 日

1.绪论 (3)

1.1 汽包水位控制系统基本要求 (3)

2.汽包水位的分析 (4)

2.1汽包水位的动态特性 (4)

2.1.1 .汽包水位在给水量作用下的动态特 (4)

2.1.2汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性5

2.2 给水流量调节方式 (6)

3.汽包水位控制方案 (7)

3.1单冲量控制方式 (7)

3.2双冲量水位控制系统 (9)

3.3三冲量控制方式 (10)

3.4 几种控制方案的比较 (11)

4.仪器仪表的选择 (12)

4.1 调节器的选型 (12)

4.2 变送器的选择 (14)

4.3执行器的选型 (15)

参考文献 (16)

1.绪论

锅炉是电厂和化工厂里常见的生产设备，为了使锅炉能正常运行，必须维持锅炉的水位在一定的范围内，这就需要控制锅炉汽包的水位。汽包水位很重要，水位过高会影响汽水分离的效果，使蒸汽带液，损坏汽轮机叶片；如果水位过低会损坏锅炉，甚至引起爆炸。可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。

锅炉汽包给水及水位的调节已经完全采用自动的方式加以控制。影响水位的因素主要有锅炉蒸发量、给水量、炉膛热负荷及汽包压力，除此之外，还有给水压力、汽轮机调节汽门开度、二次风分配等等。汽包锅炉给水控制系统的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包水位保持在一定的范围内。保证水位控制在给定的范围内，对提高蒸汽品质、减少设备损耗、运行损耗和确保整个网络安全运行都具有重要意义。

1.1 汽包水位控制系统基本要求

汽包锅炉给水自动调节的主要任务是维持汽包水位在允许范围内变化。影响水位变化的主要因素有锅炉的蒸发量、给水流量和燃烧率等。当蒸汽流量突然增大时，由于汽包水位对象是无自平衡能力的，这时水位应按积分规律下降。但是当锅炉蒸发量突然增加时，汽包水面下的汽泡容积也迅速增大，即锅炉的蒸发强度增加，从而使水位升高。因蒸发强度的增加是有一定限度的，故汽泡容积增大而引起的水位变化是惯性环节的特性。实际水位变化的趋势是两种特性的迭加。由此可以看出，当锅炉蒸汽负荷变化时，汽包水位的变化具有特殊的形式：在负荷突然增加时，虽然锅炉的给水流量小于蒸发量，但开始阶段的水位不仅不下降，反而迅速上升（反之，当负荷突然减小时，水位反而先下降），这种现象就是“虚假水位”现象。另外，给水流量和燃烧率扰动由于水面下汽泡的原因，也能产生虚假水位，因此给水控制系统不能单单以汽包水位为被调量，为了减少或抵消虚假水位现象，就必须采用三冲量调节系统。所谓三冲量，就是指汽包水位、蒸汽流量和给水流量。蒸汽流量和给水流量是引起水位变化的原因，蒸汽流量作为水位调节的前馈信号，当蒸汽流量改变时，调节器立即动作，相应地改变给水流量，而当给水流量自发地变化时，调节器也立即动作，使给水流量恢复到原来数值，这样就有效控制了虚假水位的影响。给水控制是串级调节系统，主调节器接受水

位信号，对水位起校正作用，是细调；其输出作为副调节器的给定值，副调节器的被调量是给水流量，目的是快速消除来自水侧的扰动。

为了提高给水控制系统的可靠性，汽包水位测量使用了三个变送器。三个经压力校正后的汽包水位信号取中间值，作为控制系统的被调量，当水位测量信号平均值超过±300mm，而且任意两个水位测量信号越限±280mm 时，发出汽包水位MFT信号。

当给水温度不变，而压力在某个范围变化时，给水流量的测量误差很小，若给水压力不变，给水温度在某个范围内变化时，给水流量的测量误差较大，所以对给水流量信号只采取温度校正。蒸汽流量采用汽机调节级压力的测量来表示，调节级压力经过温度修正后，可近似代表蒸汽流量测量值。如果采用标准喷嘴测量蒸汽流量，一方面在高温高压下节流喷嘴容易磨损，检修维护也困难，测量误差较大，另一方面节流损失也大，一般不采用此种方法。当用蒸汽流量转换出负荷小于40%时，送至给水控制系统，切为三冲量调节汽包水位。

2.汽包水位的分析

2.1汽包水位的动态特性

2.1.1 .汽包水位在给水量作用下的动态特

图2.1所示是给水量作用下，水位的阶跃响应曲线。把汽包和给谁看做单容量无自衡过程，水位阶跃响应如图中H1线。考虑到给水温度低于汽包内的饱和水温度，当它进入汽包后吸收了原来的饱和水中的一部分热量，使锅炉的蒸汽产量下降，水面以下的汽包总体积Vs也就相应减小，导致水位下降。Vs对对水位的影响可以用图中的曲线H2表示。水位H的实际响应曲线是H1和H2的总和。

从图可知，响应过程有一段迟延时间τ。给水的过冷度越大，纯迟延时间也越大。

给水扰动下的传递函数可以近似表示为

图2.1给水流量扰动下阶跃响应曲线

()()()s e S k s W s H s G τ-?==0

K0 ——为响应速度，即给水流量作单位流量变化时，水位的变化速度，

（mm/s ）/(t/h)。

τ——时滞，秒。

2.1.2汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性

蒸汽流量扰动主要来自汽轮机的负荷变化，这是一个经常发生的扰动，属于调节系统的外扰。在蒸汽流量D 扰动左右下，水位的阶跃响应曲线如图2.2所示。 当蒸汽流量突然增加时，由于虚假水位现象，在开始阶段水位不仅不会下降却反而先上升，然后下降（反之，当蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升）。蒸汽流量D 突然增加时，实际水位的变化H 是不考虑水面下汽包容积变化时的水位变化H1与只考虑水面下汽包容积变化所引起水位变化H2的叠加，即

F=（1+K 4）F f

ΔD

0t

t 0

H

D

H

H2

H10

D

图2.2 汽包水位在蒸汽流量扰动作用下的阶跃响应曲线

用传递函数来表述为

()()()()()()1

2221++-=+=S T K S K s D s H s D s H s D s H f

式中，

K f - ---响应速度，即蒸汽流量变化单位流量时水位的变化速度，（mm/s ）/（t/h ）

K 2---响应曲线H 2的放大系数

T 2---响应曲线H 2的时间常数

“虚假水位” 变化大小与锅炉的工作压力和蒸发量有关，如一般100～230T/h 的中、高压锅炉，当负荷突然变化10%时，“虚假水位”可达30～40mm 。“虚假水位”变化属于反响特性，其变化与锅炉的压力和蒸发量的大小有关，而与给水量无关。

2.2 给水流量调节方式

有两种最基本的调节给水流量方式，一种是节流调节方式，它是通过改变调节阀开度，进而改变管路流通特性来调节给水流量的，该方式具有节流损失，故一般是在锅炉低负荷时采用；第二种是给水泵调速方式，它是通过改变给水泵的转速，进而改变给水泵的特性来调节给水流量的，是锅炉运行正常时广泛采用的一种流量调节方式。

节流调节方式根据水位偏差来改变调节阀门开度，从而调节给水流量。这种靠改变阀门开度来改变给水流量的调节方式的优点是调节方法简单、可靠；缺点是节流损失大，增加了泵的消耗功率。并且调节阀门处在很高的压力下工作，容易造成阀门的磨损和损坏，使用制造质量不高的调节阀时就难以保证良好的调节特性。因此，一般在锅炉启动或低负荷时才采用这种流量调节方式。

给水泵调速方式根据水位偏差改变水泵转速，从而调节给水流量。当给水泵进入调速方式时，给水调节阀门被关闭或是处于全开状态，这时管路特性不变，改变给水泵转速，使得泵特性曲线就与管路特性曲线的交点不同，给水流量也就不同。调速泵有电动调速泵和汽动调速泵两种。电动调速泵原动机是定速电动机，电动机与水泵之间的轴连接采用液力联轴器，改变液力联轴器中的油位高度即实现水泵转速的改变。汽动调速泵动力是小汽轮机，改变小汽轮机的进汽流量实现给水泵转速的改变。电动调速泵要经过两次能量转换，热能转电动再转机械能，因此，效率没有汽动调速效率高。汽动调速泵调节特性好，只需热能转机械能，因此，效率高。汽动泵不足之处：其驱动蒸汽来源于主汽轮机高压缸的抽汽，而在机组启动和低负荷时，高压缸的抽汽汽压太低，无法维持汽动泵的运行。因此，在机组启动和低负荷时，用配有的定速电动给水泵和调节阀门向锅炉供水。-+ 3.汽包水位控制方案

给水控制的任务是维持汽包中水位在工艺允许范围内。由于影响汽包水位的几个因素中，燃料量的扰动影响较小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位为被控变量，以调节给水流量为控制手段。同时，由于汽包水位不仅受锅炉侧的影响，也受到汽轮机侧的影响，当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时，给水控制都应能限制汽包水位只在给定的范围内变化。常用的汽包水位控制方式有单冲量、双冲量及三冲量控制。这里的冲量指的是变量。

3.1单冲量控制方式

单冲量水位控制方式原理图及方框图如图 3.1所示它是汽包水位自动调节中最简单、最基本的一种形式。它引入汽包水位作为反馈量，是典型的单回路定值控制系统。

调节器调节阀汽包

变送器

H1+

-

图 3.1单冲量控制控制系统框图

如图3.2所示是单冲量变量水位控制系统。单冲量即汽包水位。这种控制结构简单, 是单回路定制控制系统, 在汽包内水的停留间较长, 负荷又比较稳定的场合下再配上一些锁报警装置就可以安全操作。

图3.2 单冲量水位控制系统

然而, 在停留时间较短, 负荷变化较大时, 采用单冲量水位控制系统就不能适用。这是由于:( 1)负荷变化时产生的“虚假水位” 将使调节器反向错误动作, 负荷增大时反向关小给水调节阀, 一到闪急汽化平息下来, 将使水位严重下降, 波动厉害, 动态品质很差。( 2)负荷变化时, 控制作用缓慢。即使“虚假

水位” 现象不严重, 从负荷变化到水位下降要有一个过程, 再有水位变化到阀动作已滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小,偏差必然相当显著。( 3)给水系统出现扰动时,动作缓慢。假定给水泵的压力发生变化, 进水流量立即变化, 然而到水位发生偏差而使调节阀动作, 同样不够及时; 为了克服上述这些矛盾, 可以不仅依据水位, 同时也参考蒸汽流量和给水流量的变化, 则可用双冲量或三冲量控制系统来控制给水调节阀, 能收到很好的效果。

3.2双冲量水位控制系统

双冲量控制系统是以锅炉汽包水位测量信号作为主控信号, 以蒸汽流量信号作为前馈信号构成的 “前馈—反馈” 控制系统。系统方框图见图3.3 文本块调节器调节阀汽包变送器

K H1H

蒸汽量

+

-++变送器

图3.3双冲量控制控制系统框图

双冲量水位控制系统是在单冲量水位控制的基础上, 将蒸汽流量作为前馈信号引人控制系统, 从而改善调节特性, 提高调节质量, 且投资增加不多, 其控制方案如图3.4所示。 LT LC

PT

蒸汽

给水调节阀

图3.4 汽包水位双冲量控制原理图

从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈加单回路反馈控制系统的复合控制

系统。这种调节系统的特点是:

(1)引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对调节的不良影响，当蒸汽量变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的误动作，使调节阀一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量和水位的波动，缩短了过渡过程的时间。

(2)引入了蒸汽流量前馈信号，能够改善调节系统的静态特性，提高调节质量。当C1、C2选择匹配时，系统的静态特性是无差的。双冲量调节由于有以上特点，所以能在负荷变化频繁的工况下比较好的完

成水位调节任务。在给水压力比较平稳时，采用双冲量调节是能够达到调节要求的。

双冲量调节存在的问题是:调节作用不能及时反映给水侧的扰动，当给水量扰动时，调节系统等于单冲量调节。因此，如果给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量调节。同时调节阀的工作特性不一定是线性的，这样要做到静态补偿就比较困难。

3.3三冲量控制方式

为进一步改善控制品质，引入给水流量信号，构成三冲量控制系统，如图

3.5 ，3.6所示。所谓三冲量，值得是引入了三个测量信号：汽包水位、给水流量和蒸汽流量。三冲量控制本质上时前馈-串级复合控制系统：主回路实现水位调节，副回路使给水流量能适应负荷和水位要求。 调节器调节阀汽包

蒸汽流量

变送器H 蒸汽量

流量

变送器

流量调节器液位

变送器

+

-液位调节器H1

-图3.5三冲量液位控制系统框图

图3.6 三冲量液位控制原理图

在稳定状态下,液位测量信号为给定值，液位调节器的输出，蒸汽流量及给水流量三个信号通过加法器得到输出电流。若在某一时刻，蒸汽负荷突然增加，蒸

汽流量变送器的输出电流增加，加法器的输出电流减少，从而会开大给水调节阀，与此同时出现了虚假液位现象，液位调节器输出电流将增大。由于进入加法器的两个信号相反，蒸汽流量变送器的输出电流会抵消一部分虚假液位输出电流，所以虚假液位所带来的影响将局部或全部被抵消。

待虚假液位过去,水位开始下降，液位调节器输出电流开始减小，此时它与蒸汽流量信号变化的方向相反，因此加法器的输出电流减小，此时要求增加给水量以适应新的负荷需要并补充液位的不足。调节过程进行到液面重新稳定在给定值，给水量和蒸发量达到新的平衡为止。当蒸汽负荷不变，给水量本身因压力波动而变化时，加法器的输出相应变化，调节阀门开度直至给水量恢复到所需的数值为止。由于引进了蒸汽流量和给水流量两个辅助冲量，起到了“超前信号”的作用，使给水阀一开始就向正确的方向移动，因而可减小液位的波动幅度，抵消虚假液位的影响，并可缩短过渡过程时间。三冲量调节系统能及时克服负荷(蒸汽量)和给水流量的干扰作用，调节精度较高，适用于汽包容积较小、负荷和给水干扰较大的场合。目前已得到了应用，实践证明效果良好。

3.4 几种控制方案的比较

单冲量水位控制是汽包水位自动控制中最简单最基本的一种形式, 是典型

的单回路定值控制系统, 但它不能克服“虚假水位”的影响, 而且没有给水流量信号的反馈, 所以水位波动较大。双冲量水位控制系统是在单冲量控制的基础上, 引进蒸汽流量作为前馈信号。该控制系统的特点是: 引入的蒸汽流量前馈信号可以消除”虚假水位”对调节品质的不良影响。当蒸汽流量变化时, 就有一个给水量与蒸汽量向同方向变化的信号, 可以减小或抵消由于“虚假水位”引起的给水量与蒸汽量反方向变化的误动作, 使调节阀从一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量与水位的波动, 缩短调节的时间。而且引入的蒸汽流量的前馈信号, 能改善调节系统的静特性,提高调节质量。双冲量水位控制系统适用于小型低压而且给水压力较稳定的锅炉。当给水压力经常有波动, 给水调节阀前后压差不易保持正常时,不宜采用双冲量控制; 另外在大型锅炉的控制中,锅炉容量

越大, 压力越来越高, 汽包的相对容水量就越小, 允许波动的储水量就更少。为了把水位控制平稳, 在双冲量水位调节的基础上引入了给水流量信号, 由水位

蒸汽流量和给水流量就构成了三冲量水位控制系统,在这个系统里, 汽包水位是被控变量, 是主冲量信号, 蒸汽流量给水流量是两个辅助冲量信号。

三冲量水位控制系统抗干扰能力强, 适用于大中型中压锅炉。三冲量控制方案水位的控制方案, 其特点是使用的设备少, 整定方法比较简单, 调节机构动

作比较平稳。

4.仪器仪表的选择

4.1 调节器的选型

所选调节器的型号为DTZ－2100

(1) DTZ－2100工作原理

DTZ—2100全刻度指示调节器是调节单元的一个基型品种，对被控值与给定值之差进行比例、微分、积分运算输出，4～20mA直流信号送至执行机构，实现对温度、压力、液面、流量等到工艺参数的自动调节。全刻度指示调节器前面板有一双针或双光柱，全刻度指示表，在同一刻度标尺上同时指示测量值及给定值。由二指针的示差直接读出偏差量，指示醒目，容易观察调节结果，手动和自动之间的切换是无平衡无扰动的，操作方便。全刻度指示调节器，还具有前馈功能，和抗积分、饱和功能，前馈调节器，可以克服滞后现象，提高调节质量。抗积分

饱和调节在工艺过程异常，情况下能迅速关闭或打开安全阀，不致使被调参数进入非安全值区域，常用于化工设备的放空系统，或后缩机的防喘系统。

(2) 技术参数

输入信号：1-5V,DC

内给定信号：1～5V.DC

外给定信号：4～20mA.DC

调节作用：比例+积分+微分

比例带：2～500%

积分时间：0.01～2.5分

0.1～25分

微分时间：0.04～10分（可切除）

输入，给定指示表：指示范围：0～100%，误差：±1%

输出指示表：指示范围0~100%，误差±2.5%

输出信号：4～20mA，DC

切换特性：属于无平衡无扰动切换。

自动／软手动切换扰动量小于满度的±0.25%

硬手动／软手动或自动切换扰动量小于满度的±0.25%

软手动／硬手动切换扰动量小于满度的±5%

负载阻抗：250Ω～750Ω

最大工作电流：约200mA

功耗：6W

电源: 24V.DC

重量：6 kg

工作条件：

周围环境温度：0—40℃

相对湿度：≤85%

工作振动：频率≤ 25HZ 全振幅≤ 0.1mm

前馈信号：1～5V.DC 4～20mA.DC（适用于前馈调节器）

前馈系数：0.8～1.2（适用于前馈调节器）

刻度误差：±0.5%（适用于前馈调节器）

限制范围：

高限：75～105%（适用于抗饱和调节器）

低限：-5～25%（适用于抗饱和调节器）

刻度误差：±0.5%

4.2 变送器的选择

选则1151/3351DP差压变送器

1151/3351DP差压变送器的关键原材料、元器件和零部件均源自进口或合资生产，整机经过严格组装和测试。该产品具有设计原理先进、品种规格齐全、安装使用简便等特点。由于该机型外观上完全融合了目前国内最为流行，并被广泛使用的两种变送器（罗斯蒙特3051与横河EJA）的结构优点，让使用者有耳目一新的感觉，并具有很强的通用性和替代能力。为适合国内自动化水平的不断提高和发展，该系列产品除设计小巧精致外，更推出具有HART现场总线协议的智能化功能。

产品特点：

超级的测量性能，用于压力、差压、液位、流量测量

精度高：数字精度+（-）0.05%；模拟精度+（-）0.5%~+（-）0.1%F.S

量程、零点外部连续可调，量程比100：1

正迁移可达500%、负迁移可达600%

稳定性能好，稳定性：0.25% 60个月

耐过压

固体传感器设计

全系列统一结构、互换性强

接触介质的膜片材料可选

低压浇铸铝合金壳体

测量速率：0.2S

小型化（2.4kg）全不锈钢法兰，易于安装

过程连接与其它产品兼容，实现最佳测量

采用16位计算机的智能变送器

标准4-20mA，带有基于HART协议的数字信号，远程操控

支持向现场总线与基于现场控制的技术的升级

4.3执行器的选型

执行器在自动控制系统中的作用是接受来自控制器的控制信号，通过其本身开度的变化，从而达到控制流量的目的。

本系统所选用的执行器为ZAZN 电动双座调节阀

阀体

型式：直通双座铸造球型阀

公称通径：25、32、40、50、65、80、100、125、150、200、250、300mm 公称压力：PN1.6、4.0、6.4MPa

法兰标准：JB/T79.1-94、79.2-94等

材料：铸钢（ZG230-450）、铸不锈钢（ZGlCrl8Ni9Ti、ZGlCrl8Nil2Mo2Ti）等

上阀盖：标准型-17～+230℃、散热型+230～+450℃、低温型-60～-196℃、波纹管密封-40～+350℃

阀内组件

阀芯型式：双座柱塞型阀芯流量特性：等百分比特性和线性特性

参考文献

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