锅炉汽包水位单回路控制系统设计

中北大学课程设计说明书 1 1、锅炉及锅炉汽包的简述 1.1、锅炉的基础 锅炉是工厂重要的动力设备，其要求是供给合格蒸汽，使锅炉发汽量适应负荷的需要。为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制。锅炉设备是一个复杂的被控对象，主要输入变量是负荷，锅炉给水，燃料量，减温水，送风和引风等。主要输出变量是汽包水位，蒸汽压力，过热蒸汽温度，炉膛负压，过剩空气（烟气含量）等。这些输入变量与输出变量之间的相互关联。如果蒸汽负荷发生变化，必将会引起汽包水位，蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化。燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位，过热蒸汽温度，过剩空气和炉膛负压；给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力，过热蒸汽温度等亦有影响；减温水的变化会导致过热蒸汽温度，蒸汽压力，汽包水位等的变化等。所以锅炉设备是一个多输入，多输出且相互关联的被控对象。[1] 1.2、锅炉水位控制在工业控制系统中的重要性 锅炉是一种受压又直接受火的特种设备，是工业生产中的常用设备。对锅炉生产如果操作不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故，轻则停炉影响生产，重则造成爆炸，造成人身伤亡，损坏厂房、设备，后果十分严重。因此，锅炉的安全问题是一项非常重要的问题，必须引起高度重视。工业锅炉中最常见的事故有：锅内缺水，锅炉超压，锅内满水，汽水共腾，炉管爆破，炉膛爆破，二次燃烧，锅炉灭火等。其中以锅炉缺水事故比例最高。这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。 工业锅炉汽包水位控制的任务是，使跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包水位在工艺允许的范围内。维持锅炉汽包水位在规定的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损，叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热管壁上的结垢。水位过低则可造成水的急速蒸发，汽水自然循环破坏，局部水冷管壁被烧坏，严重时造成爆炸事故。因此，锅炉汽包水位必须严加控制。 1.3 锅炉汽包的简介 汽包亦称锅筒。对于自然循环的水管锅炉来说，汽包是非常重要的部件，由封头和简体组焊而成。汽包内分成汽空间和水空间。用以进行蒸汽净化，对下降管进行可靠供水，保中北大学课程设计说明书 2 证锅炉正常水循环。自然循环的水循环回路由汽包、下降管、上升管和集箱组成。为了保证对下降管可靠供水，汽包中必须维持一定水位。汽包一般不直接受火焰的辐射热。低压锅炉的汽包有时则受到一定的烟气冲刷。对于水火管卧式锅壳式锅炉的汽包(锅筒)，则是位于炉膛上方，直接受到火焰的辐射热，如果水处理效果不好则导致锅筒底部水渣堆积和结垢，影响传热。这种锅炉锅筒下部鼓包变形多有发生，特别是热水锅炉更为严重。为此，原劳动部1991年颁发的《热水锅炉安全技术监察规程》明确规定，为了防止或减少此类事故的发生，锅炉制造单位在两年内必须采取有效措施加以解决，否则不准再生产。[3] 1.4锅炉汽包的作用 1、是工质加热、蒸发、过热三过程的连接枢纽，保证锅炉正常的水循环； 2、内部有汽水分离装置和连续排污装置，保证锅炉蒸汽品质； 3、有一定水量，具有一定蓄热能力，缓和汽压的变化速度； 4、汽包上有压力表、水位计、事故放水、安全阀等设备，保证锅炉安全运行。 2、锅炉汽包的控制意义 在实际生产运行中，锅炉的液位控制直接影响了锅炉是否正常运行以及运行的安全状况。锅炉是一个复杂的被控对象，主要输入变量包括符合的蒸汽需求量、给水量、燃料量、 减温水量、送风量和引风量等；主要输出变量有锅筒水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛 负压、过剩空气（烟气含氧量）等如果蒸汽符合变化或给水量发生变化，会引起锅筒水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化； 而燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，还会影响锅筒水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压、可见，锅炉是一个具有多输入、多输出且变量之间相互关联的被控对象。 3、锅炉液位控制的难点 液位的控制技术是通过控制进水或出水阀门的开度，改变水流量来实现的，而水温的控制是通过调节加热的功率来实现的。锅炉液位的控制是锅炉控制系统较为重要和比较难与控制的一项。由于锅炉运行过程中存在进水量的变化，所以很难通过调整PID控制其参数来满足所有的运行条件，获得理想的控制效果。调整过量会导致流量回路动作频繁，从而给下游设备带来了额外的干扰。另外，液位的波动也会破坏锅炉运行过程的稳定，使得蒸汽输送等不易控制。影响锅炉液位的关键变量有给水量，蒸汽出口流量和混合燃料的进料量。各变量都有各自不同的扰动。较冷的给水造成相应的纯滞后。蒸汽流出量的突然增加造成了典型的“假水位”现象，使得过程暂时改变了方向，容易产生误操作而导致发生中北大学课程设计说明书 3 事故。 4、仪表的选型 4.1电机的选型 电机是锅炉汽包供水的动力设备，电机的准确选型关系到汽包能否准确供水进而影响到汽包水位的稳定。控制的锅炉蒸发量为：35t/h，汽包压力0.5MP，管道直径50mm因此可以对正常工作时电机的功率作如下估算：

223500010/5000003.142.595360010000WkgmsPKs



 [2]

由计算结果可以知道选用功率为100Kw的三相异步电动机完全可以满足工作要求，由于使用变频调速不必选用绕线型异步电动机，选用鼠笼型电机就可以满足要求。 YJTG三相变频调速电机专门为变频调速设计,可以根据技术要求设定其额定电压为380V额定功率为100Kw。4.2变频器的选型 变频器是电机的供能设备，合理选择变频器关系到电机能否正常为汽包供水。由电机的选型可以知道电机在50Hz三相交流电下工作时电机的功率大约是100Kw，当三相交流电动机在基频以下工作时为恒转矩输出，而此时电机的转速会小于额定转速，因此电机的输出功率也会小于额定功率，同时由于电机的转矩保持不变，其工作电流同在50Hz三相交流电下工作时电流基本一致。 根据以上的分析可以选择三菱变频器 FR-F740系列的变频器。给变频器可以输入380V-480V 50/60Hz三相交流电，输出380-480V三相交流电并通过控制信号控制其输出频率，其容量是37KW~220KW，可以满足设备功率要求。该型号变频器具有丰富灵活的控制接口，可以通过控制信号方便地改变变频器的工作特性。内置PID，变频器/工频切换和多泵循环运行功能。内置独立的RS485通讯口。带有节能监控功能，节能效果一目了然。 4.3水位传感器的选型 由于该设计的目的是控制水位稳定，而整个控制系统的基础是对水位的准确测量，因此水位能否准确测量直接关系到控制质量的优劣。合理的选择水位传感器在水位控制系统的设计中有关键作用。知道汽包水位应该控制在300±30mm，根据过程控制仪表量程选择原则：仪表量程应该为被测量参数的4/3～3/2倍。因此所选传感器的最大量程为:400～450 mm。而且汽包水位应该控制在300±30 mm，因此所选水位传感器的精度应该高于10/450=6.7%FS。CR-6031型智能锅炉汽包液位计，采用独特结构，耐高温、高压，其中变送器利用液位变化与其对测量探极产生的电容变化之间的关系，通过专用模式系统软件将检测的电容变化经各种补偿计算后输出与物位成正比的4-20maDC 标准信号。选择测量围为：100～500mm，测量精度在1%FS的型号可以满足控制要求。该型号的传感器主要技术参数如下： 量程：100～500mm(水位高/深度) 中北大学课程设计说明书 4 综合精度: 1.0%FS 输出信号: 4～20ma(二线制)、0～5V、1～5V、0～10V(三线制) 供电电压: 24DCV(9～36DCV) 负载电阻: 电流输出型：最大800Ω；电压输出型：大于50KΩ 绝缘电阻: 大于2000MΩ (100VDC ) 密封等级: IP68 长期稳定性能: 0.1%FS/年 振动影响: 在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS 电气接口(信号接口): 紧线防水螺母与五芯通汽电缆连接 机械连接(螺纹接口): 投入式 使用时可以采用24V直流电源为水位传感器供电保证其正常工作，将1～5V电压信号作为反馈量引入PLC模拟量输入端口进行控制运算。 4.4流量传感器的选型 根据控制方案可以知道流量传感器用于测量给水流量和蒸汽流量，这两个信号可以有效地改善控制质量，因此合理的选择流量传感器能够有效的改善整个系统的控制质量。知道所要控制的是35t/h锅炉的汽包水位，即该锅炉正常工作时每小时蒸发35t蒸汽也就是有35t水被蒸发成为蒸汽，水位稳定时供水量为：35 m3/h 。LUGB-99型涡街流量计是一种基于卡门涡街原理流体振动式新型流量计，它具有测量范围广、压损小、性能稳定、准确度高和安装、使用方便等优点，广泛应用于封闭工业管道中液体、汽体和蒸汽介质体积和质量流量的测量。该流量计的技术参数如下： （1）测量介质：蒸汽、汽体、液体 （2）传感器的感应元件不直接与被测介质接触，性能稳定、可靠性高 （3）传感器内无可动部件，结构简单而牢固，压损小维扩量小、使用寿命长 （4）范围度宽达10：1～15：1 （5）测量范围：正常工作范围，雷诺数为20，000～7，000，000；输出信号不受液体温度、压力、粘度及组份影响。测量可能范围，雷诺数8，000～7，000000 （6）精度等级：液体，指示值的±1.0%；蒸汽，指示值的±1.5% （7）输出信号：a.电压脉冲 低电平：0-1V；高电平：大于4V；占空比为 50% b .电流: 4～20ma(三线制) （8）电源电压： 24DCV （9）壳体材料：碳钢；不锈钢(1Cr18Ni9Ti) （10）规格：(管道内径)20、25、32、40、50、65、80、125、150、200、 250、300(大于DN300 口径为插入式) 根据过程控制仪表量程选择原则仪表量程应该为被测量参数的4/3～3/2倍，流量计应当