自動(dòng)化課程設(shè)計(jì)----鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)

1、<p>　　過(guò)程控制儀表課程設(shè)計(jì)</p><p>　　題 目： 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)</p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　班 級(jí)： 自動(dòng)化073班 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： <

2、/p><p>　　指導(dǎo)老師： </p><p>　　2010年　12 月 23日</p><p><b>　　系統(tǒng)簡(jiǎn)介</b></p><p>　　鍋爐是過(guò)程工業(yè)中必不可少的動(dòng)力設(shè)備。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅可以供生產(chǎn)過(guò)程作為熱源，而且還可以作為蒸汽透平的動(dòng)力源。隨著工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程規(guī)模的不

3、斷擴(kuò)大，生產(chǎn)過(guò)程不斷強(qiáng)化，作為全廠動(dòng)力和熱源的鍋爐設(shè)備，亦向大容量、高參數(shù)。高效率方向發(fā)展。為確保鍋爐生產(chǎn)的安全操作和穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)鍋爐設(shè)備的自動(dòng)控制也提出了更高的要求。</p><p>　　鍋爐控制裝置，其主要的任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，確保人員的人身安全。鍋爐的汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)。水位過(guò)高會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水進(jìn)入過(guò)熱器并在過(guò)熱器內(nèi)結(jié)垢，影響傳熱效率，嚴(yán)重的將引起過(guò)熱

4、管爆管；水位過(guò)低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過(guò)熱而爆管。尤其是大型鍋爐，例如，30萬(wàn)kW機(jī)組的鍋爐蒸發(fā)量為1024t/h，而汽包容積較小，一旦給水停止，則會(huì)在十幾秒內(nèi)使汽包內(nèi)的水全部汽化，造成嚴(yán)重的事故。</p><p>　　鍋爐給水調(diào)節(jié)對(duì)象可以用如下所示圖1表示。</p><p><b>　　圖1 給水調(diào)節(jié)對(duì)象</b></p><p

5、>　　給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制給水量W。汽輪機(jī)耗氣量D是由汽輪機(jī)來(lái)控制的。水冷壁 與汽包存在水部分構(gòu)成了水循環(huán)系統(tǒng)。初看起來(lái)，汽包水位的動(dòng)態(tài)特性似乎與單容水槽一樣，但是實(shí)際情況要復(fù)雜得多。其中最突出的一點(diǎn)是水循環(huán)系統(tǒng)中充滿了夾帶大量蒸汽氣泡的水，而蒸汽泡的總體積Vs是隨著汽包壓力和爐膛熱負(fù)荷的變化而改變的。如果有某種原因使蒸汽泡的總體積改變了，即使水循環(huán)系統(tǒng)中的總水量沒(méi)有變化，汽包水位也會(huì)隨之發(fā)生變化。</p><p&

6、gt;　　影響汽包水位H的主要有給水量W，汽輪機(jī)的耗汽量D等 兩個(gè)主要因素。</p><p><b>　　1.1 給水?dāng)_動(dòng) </b></p><p>　　在給水量W的階躍擾動(dòng)下，水位H的響應(yīng)曲線可以用圖2來(lái)說(shuō)明。如把汽包及水循環(huán)系統(tǒng)當(dāng)作單容量水槽，水位的響應(yīng)曲線應(yīng)該 如圖中的直線H1?？紤]到給水溫度低于汽包內(nèi)的飽和水溫度，當(dāng)它進(jìn)入汽包后吸收了原有的飽和水中的一部分熱量

7、，使鍋爐的蒸汽量下降，水面以下的汽包總體積Vs也相應(yīng)減小，導(dǎo)致水位下降。Vs對(duì)水位的影響可以用圖中的曲線H2表示。水位H的實(shí)際響應(yīng)曲線是H1和H2的總和。從圖中可知，響應(yīng)過(guò)程有一段遲延時(shí)間τ。給水的過(guò)冷度越大，純遲延時(shí)間也越大。給水?dāng)_動(dòng) 下的傳遞函數(shù)可以近似表示為</p><p>　　式中Ko為響應(yīng)速度，即給水流量變化單位流量時(shí)，水位的變化速度。</p><p><b>　　1.

8、2 負(fù)荷擾動(dòng)</b></p><p>　　在耗氣量D的階躍擾動(dòng)下，水位H的響應(yīng)過(guò)程可以用圖2來(lái)說(shuō)明。當(dāng)耗氣量D突然階躍增加時(shí)，一方面改變了汽包內(nèi)的物質(zhì)平衡狀態(tài)，使水位下降，圖中H1表示把汽包當(dāng)作單容對(duì)象時(shí)水位應(yīng)有的變化；另一方面，由于耗氣量D的增加，迫使鍋內(nèi)汽包增多；同時(shí)由于燃料量維持不變，汽包壓力Pd下降，使水面以下的蒸汽泡膨脹，總體積Vs增大，從而導(dǎo)致汽包水位的上升，如圖中H2所示。汽包水位H的實(shí)

9、際響應(yīng)過(guò)程是H=H1+H2.對(duì)于大中型鍋爐來(lái)說(shuō)，后者的影響要大于前者，因此在負(fù)荷階躍增加后的一段時(shí)間內(nèi)不但不下降，反而上升。這種反?，F(xiàn)象通常稱為“假水位”現(xiàn)象。</p><p>　　負(fù)荷擾動(dòng)下汽包水位的傳遞函數(shù)可以近似地表示為</p><p>　　2 設(shè)計(jì)方案及儀表選型</p><p><b>　　2.1 設(shè)計(jì)方案</b></p>

10、<p>　　從上面的分析可知，給水量擾動(dòng)下水位響應(yīng)過(guò)程具有純延遲；負(fù)荷擾動(dòng)下水位響應(yīng)過(guò)程具有假水位現(xiàn)象；從反饋控制的思想出發(fā)，可以以水位信號(hào)H作為被調(diào)量，給水流量作為調(diào)節(jié)量，構(gòu)成單回路反饋系統(tǒng)（通常稱為水位單沖量系統(tǒng)）。算然對(duì)于大量的大中型鍋爐來(lái)說(shuō)，因?yàn)楹臍饬扛淖兯a(chǎn)生的假水位將引起給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)，致使汽包水位激烈地上下波動(dòng)，嚴(yán)重地影響設(shè)備的壽命和安全而不能滿足要求，但對(duì)于小容量鍋爐來(lái)說(shuō)，它的蓄水量較大，水面以下的氣泡

11、體積不占很大比重。因此給水容積遲延和假水位現(xiàn)象不明顯，可以采用單沖量控制系統(tǒng)。對(duì)于大型超高壓（接近臨界壓力）鍋爐也可以采用這種控制對(duì)象，因?yàn)樵诔邏合職夂退拿芏认嗖畈淮?，假水位現(xiàn)象并不顯著。</p><p>　　因此，本次設(shè)計(jì)針對(duì)小容積鍋爐和大型超高壓鍋爐，采用單沖量水位控制方案。</p><p>　　圖4 單沖量水位控制系統(tǒng) 圖5 單沖量控制系統(tǒng)方框圖</p&

12、gt;<p>　　如上圖4所示為單沖量變量水位控制系統(tǒng)，圖5為單沖量變量水位控制系統(tǒng)方框圖。此系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少。</b></p><p>　　適用于汽包容量較大，虛假水位不嚴(yán)重，負(fù)荷較平穩(wěn)的場(chǎng)合。</p><p>　　為安全運(yùn)行，可設(shè)置水位報(bào)警和連鎖控制系統(tǒng)。</p>&

13、lt;p><b>　　2．2 儀表的選型</b></p><p>　　在汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，所需使用的儀表有變送器、顯示儀表、調(diào)節(jié)器、伺服放大器、電動(dòng)操作器、執(zhí)行器。其選型如下</p><p>　　2．2．1 變送器的選型</p><p>　　變送器在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中的作用，是對(duì)各種工藝參數(shù)，如溫度、壓力、流量、液位、成分等物理

14、量進(jìn)行檢測(cè)，以供顯示、紀(jì)錄或控制只用 。</p><p>　　控制系統(tǒng)中所選的變送器的型號(hào)為CR-604，為鍋爐專用液位計(jì)。</p><p>　　2．2．1．1 CR-604概述</p><p>　　CR-604鍋爐專用液位計(jì)，基于射頻電容測(cè)量技術(shù)，輸出4-20mA連續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，用于各種鍋爐汽包液位的精確測(cè)量和控制。產(chǎn)品采用獨(dú)特結(jié)構(gòu)，將抗高溫、耐高壓、抗腐蝕、抗波

15、動(dòng)性能集于一身，變送部分利用軍工器件，使信號(hào)輸出更加穩(wěn)定、可靠。該液位計(jì)安裝簡(jiǎn)單，維護(hù)量小，測(cè)控精確，性價(jià)比高，是傳統(tǒng)的電極式、差壓式、磁翻板式液位計(jì)最理想的換代產(chǎn)品。</p><p>　　2．2．1．2 CR-604的工作原理</p><p>　　電容式液位測(cè)控儀均采用電容原理，即電容兩極間介質(zhì)量的變化可引起電容量的變化。其原理模擬圖如圖6所示，把一根外包絕緣層的金屬棒插入裝有導(dǎo)電介質(zhì)

16、的金屬容器，金屬棒和容器內(nèi)壁之間形成電容，其填充介質(zhì)的變化量△H與形成的電容變化量△Cx關(guān)系如下式： </p><p><b>　　圖6 原理模擬圖</b></p><p>　　當(dāng)被測(cè)介質(zhì)液位變化時(shí)，傳感器電容量Cx也隨之發(fā)生變化，電容變化增量△Cx通過(guò)變送器電路轉(zhuǎn)換為與液位成正比例的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。轉(zhuǎn)換過(guò)程可用圖7所示的方框圖示意：</p>&

17、lt;p>　　圖7 轉(zhuǎn)換過(guò)程方框圖</p><p>　　2．2．1．3 技術(shù)參數(shù)</p><p>　　工作電壓： 最大：40V     最?。?.5V</p><p>　　電 流 環(huán)： 4.00mA ～ 20.00mA（±0.5%）</p><p>　　防爆等級(jí)：ExiaIICT6

18、 （-40℃～70℃）          ExiaIICT1~5 （-40℃～85℃）</p><p>　　防爆參數(shù)：Ui=30V,Ii=100mA ,Pi=0.75W          Ci=100pF,Li=10uH 

19、</p><p>　　測(cè)量范圍：0～2200mm Max</p><p>　　測(cè)量周期：0.5秒 </p><p>　　分 辨 率：0.02mm</p><p>　　溫度漂移：±0.5mm Max (-40℃～85℃)</p><p>　　工作壓力：40MPa Max</p><

20、p>　　線性偏差：±(1+0.05%FS) mm</p><p>　　介質(zhì)溫度：300℃ Max</p><p>　　環(huán)境溫度：-40℃～85℃ （ExiaIICT1-T5）</p><p>　　存儲(chǔ)溫度：-55℃～100℃</p><p>　　防護(hù)等級(jí)：IP672．2．1．4 端子接線圖</p><p

21、><b>　　圖8 端子板接線圖</b></p><p>　　2．2．2 顯示儀表的選型</p><p>　　顯示儀表就是將生產(chǎn)過(guò)程中各種參數(shù)進(jìn)行指示、記錄或</p><p>　　累積的儀表。所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)所選用的顯示儀表為DXZ-1011</p><p>　　2．2．2．1 DXZ-1011工作原理&l

22、t;/p><p>　　本儀表能將1-5V直流電壓直接并到表頭指示。表頭采用動(dòng)圈式張絲結(jié)構(gòu)。磁路系統(tǒng)由扇形磁鐵、導(dǎo)磁體及由它們組成的平面氣隙構(gòu)成的，磁場(chǎng)均勻。當(dāng)電流流過(guò)動(dòng)圈時(shí)在氣隙、磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生作用力矩，當(dāng)該力矩和由張絲轉(zhuǎn)角變形所形成產(chǎn)生的反作用力矩相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)軸另一端的指針?biāo)甘镜奈恢眉幢硎颈粶y(cè)量的大小。</p><p>　　2．2．2．2 技術(shù)參數(shù)</p><p&

23、gt;　　型號(hào)與規(guī)格：DXZ-1011,單針，重量6kg</p><p>　　輸入信號(hào)：1~5V DC</p><p><b>　　內(nèi)阻，小于20Ω</b></p><p><b>　　指示精度：±1%</b></p><p><b>　　工作環(huán)境</b></p

24、><p>　　1）環(huán)境溫度為0~50℃</p><p>　　2）相對(duì)濕度<85%</p><p>　　3)工作振動(dòng)頻率：f≤25Hz，全振幅≤0.1mm</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)型式：盤裝式</b></p><p>　　外形尺寸：80×160×630mm</p&

25、gt;<p>　　電源電壓：24V.DC</p><p>　　功耗：2W </p><p>　　2．2．2．3 端子接線圖</p><p>　　圖9 DXZ-1011端子接線圖</p><p>　　2．2．3 調(diào)節(jié)器的選型</p><p>　　所選調(diào)節(jié)器的型號(hào)為DTY-3400S<

26、/p><p>　　DTY-3400S工作原理</p><p>　　輸出跟蹤調(diào)節(jié)器是在基型調(diào)節(jié)器中附加一個(gè)跟蹤單元構(gòu)成。跟蹤單元由外部反饋信號(hào)輸入電路和“自→手”切換電路組成跟蹤調(diào)節(jié)器工作狀態(tài),PI回路優(yōu)先接受跟蹤信號(hào)，本調(diào)節(jié)器處于“跟蹤”狀態(tài)，當(dāng)跟蹤觸點(diǎn)脫開(kāi)時(shí)，本調(diào)節(jié)器就不處于“跟蹤”狀態(tài)，本調(diào)節(jié)器所處操作（手動(dòng)1，手動(dòng)2，自動(dòng)）由面板上板鍵開(kāi)關(guān)位置決定。</p><p&g

27、t;<b>　　技術(shù)參數(shù)</b></p><p>　　輸入信號(hào)：1-5V,DC</p><p>　　輸入阻抗影響：＜0.1%</p><p>　　給定方式：內(nèi)外給定由開(kāi)關(guān)選擇</p><p><b>　　外給定時(shí)紅燈亮</b></p><p>　　外給定信號(hào)：4-20mA，D

28、C</p><p>　　測(cè)量信號(hào)及給定信號(hào)指示：1-100%全刻度，誤差≤±1%</p><p>　　輸出信號(hào)：4-20mA</p><p>　　輸出信號(hào)指示：0~100%，誤差≤±2.5%</p><p>　　調(diào)節(jié)形式：比例+積分+微分</p><p>　　比例帶（P）：2-500%</p&

29、gt;<p>　　積分時(shí)間（I）: 0.01-2.5分（×1）</p><p>　　0.1-25分（×10）</p><p>　　微分時(shí)間（D）：斷；0.04-10分</p><p>　　負(fù)載阻抗：250Ω-750Ω</p><p>　　閉環(huán)跟蹤誤差（靜差）：≤±0.5%</p>&l

30、t;p>　　手自動(dòng)切換特性：自動(dòng)到手動(dòng)切換擾，動(dòng)量小于量程的±0.25%</p><p>　　電源: 24V.DC±10%</p><p>　　消耗功率：光柱不大于10W，表頭不大于5W</p><p><b>　　工作條件：</b></p><p>　　周圍環(huán)境溫度：5—40℃</p&g

31、t;<p>　　相對(duì)濕度： 10—75%</p><p>　　跟蹤輸入信號(hào)：4-20mA DC（輸入電阻250Ω）</p><p>　　輸出跟蹤精度：±0.5%</p><p>　　切換誤差：跟蹤→自動(dòng)≤±0.5%</p><p>　　跟蹤→手動(dòng)1≤±0.5%</p><p

32、>　　跟蹤→手動(dòng)2≤±5%</p><p>　　2．2．3．3 端子接線圖</p><p>　　圖10 DTY-3400S接線圖</p><p><b>　　伺服放大器的選型</b></p><p>　　伺服放大器也叫伺服驅(qū)動(dòng)器，是用來(lái)控制伺服電機(jī)的一種控制器。其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)。主

33、要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。</p><p>　　所選用的伺服放大器型號(hào)為ZPE—2030QⅢ</p><p>　　2．2．3．1 ZPE—2030QⅢ工作原理</p><p>　　伺服放大器的輸入信號(hào)來(lái)自變送、調(diào)節(jié)等單元的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，與執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋來(lái)的位置信號(hào)，在放大器的前級(jí)進(jìn)行比較（即代數(shù)相減），比較后的信號(hào)差值大于放大器的靈敏限時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行器功率出帶動(dòng)閥門，完成

34、各種自控調(diào)節(jié)，閥門的開(kāi)啟方向也就是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，取決于輸入信號(hào)的量值，電動(dòng)機(jī)總量朝著減小和反饋信號(hào)差值方向轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　2．2．3．2 技術(shù)參數(shù)</p><p>　　輸入信號(hào)：4-20mA. DC</p><p><b>　　輸入通道：1個(gè)</b></p><p>　　輸入電阻：250歐姆</p

35、><p>　　輸出：輸出電壓降小于2V</p><p><b>　　電流 5A</b></p><p>　　死區(qū)：0.8-8%（連續(xù)可調(diào)）</p><p>　　電源：電壓 220V. AC 允差 +10%，-15%</p><p>　　頻率 50Hz 允差 +1%，-1%</p&

36、gt;<p>　　報(bào)警觸頭容量：110V.AC 0.5A/28V. DC . 1A</p><p>　　使用環(huán)境：溫度 0-50℃</p><p>　　相對(duì)濕度 10%-70%</p><p>　　周圍空氣中無(wú)起腐蝕作用的介質(zhì)</p><p>　　大氣壓力 86-106Kpa</p><p>　　

37、2．2．3．4 d端子接線圖</p><p>　　圖11 ZPE—2030QⅢ接線圖</p><p><b>　　電動(dòng)操作器的選型</b></p><p>　　控制系統(tǒng)所選的電動(dòng)操作器的型號(hào)是DFD-1000</p><p>　　DFD-1000工作原理</p><p>　　DFD-1000型

38、電動(dòng)操作器，采用“開(kāi)關(guān)操作制”原理進(jìn)行“手動(dòng)”與“自動(dòng)”的切換和操作?！白詣?dòng)跟蹤”是在“手動(dòng)”工況，將執(zhí)行器位置反饋電壓1-5V.DC，加到調(diào)節(jié)器的積分電容兩端，使調(diào)節(jié)器輸出電流，始終跟蹤位置反饋電流，并保持相等。</p><p><b>　　技術(shù)參數(shù)</b></p><p>　　、電源電壓：220V，50~602Hz</p><p>　　、開(kāi)

39、關(guān)觸頭額定容量：主回路 500V15A</p><p>　　信號(hào)回路 110V 2A</p><p><b>　　跟蹤電壓 1-5V</b></p><p><b>　　工作條件</b></p><p>　　a、環(huán)境溫度 0~45℃</p><p>　　b、相對(duì)濕度

40、 ≦85%</p><p>　　儀表重量 約3Kg</p><p>　　外形尺寸 295×80×160（mm）</p><p>　　2．2．4．3 端子接線圖</p><p>　　圖12 DFD-1000接線圖</p><p>　　2．2．5 執(zhí)行器的選型</p>&

41、lt;p>　　執(zhí)行器在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用是接受來(lái)自控制器的控制信號(hào)，通過(guò)其本身 開(kāi)度的變化，從而達(dá)到控制流量的目的。</p><p>　　本系統(tǒng)所選用的執(zhí)行器為ZAZN 電動(dòng)雙座調(diào)節(jié)閥</p><p>　　2．2．5．1 概述</p><p>　　ZAZN電動(dòng)雙座調(diào)節(jié)閥，由DDZ型直行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和直通雙座閥兩部分組成。以單項(xiàng)交流220V電源為動(dòng)力，接受

42、0～10或mA或4～20mA直流信號(hào)，自動(dòng)地控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，達(dá)到對(duì)管道內(nèi)流體的壓力、流量、溫度、液位等工藝參數(shù)的連續(xù)調(diào)節(jié)。座閥有上、下兩個(gè)閥芯球，流體作用在上、下閥芯上的推力，其方向相反而大小接近，不平衡力很小，允許壓差大，額定流量系數(shù)比同口徑的單座閥大，但該閥的泄漏較單座閥大。 適用于對(duì)泄露量要求不嚴(yán)格，閥前后壓差較大的干凈介質(zhì)場(chǎng)合。</p><p>　　2．2．5．2 閥體</p><p

43、>　　型    式：直通雙座鑄造球型閥</p><p>　　公稱通徑：25、32、40、50、65、80、100、125、150、200、250、300mm</p><p>　　公稱壓力：PN1.6、4.0、6.4MPa</p><p>　　法蘭標(biāo)準(zhǔn)：JB/T79.1-94、79.2-94等</p><p>

44、;　　材料：鑄鋼（ZG230-450）、鑄不銹鋼（ZGlCrl8Ni9Ti、ZGlCrl8Nil2Mo2Ti）等</p><p>　　上 閥 蓋：標(biāo)準(zhǔn)型-17～+230℃、散熱型+230～+450℃、低溫型-60～-196℃、波紋管密封-40～+350℃</p><p>　　2．2．5．3 閥內(nèi)組件</p><p>　　閥芯型式：雙座柱塞型閥芯</p>

45、<p>　　流量特性：等百分比特性和線性特性</p><p>　　2．2．5．4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)</p><p>　　型 號(hào)：電動(dòng)執(zhí)行器DKZ-410</p><p><b>　　技術(shù)參數(shù)：</b></p><p>　　表1 DKZ-410技術(shù)參數(shù)</p><p><b>　

46、　端子接線圖</b></p><p>　　圖13 DKZ-410接線圖</p><p>　　3 控制系統(tǒng)儀表配接圖及說(shuō)明</p><p><b>　　4 儀表型號(hào)清單</b></p><p>　　表2 儀表型號(hào)及清單</p><p><b>　　5 參考文獻(xiàn)<

47、/b></p><p>　　[1] 周澤魁．控制儀表與計(jì)算機(jī)控制裝置 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.</p><p>　　[2] 金以慧，方崇智．過(guò)程控制[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1993.</p><p>　　[3] 張毅.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009．</p><p>　　[4] 何