锅炉汽包水位控制系统过程控制仪表课程设计.doc

过程控制仪表课程设计

题 目 锅炉汽包水位控制系统
指导教师 高飞燕
班 级 自动化071
学 号
学生姓名 丁滔滔

2023年1月5号

附录：仪表配接图………………………………………………………….20

锅炉汽包水位控制系统
1.系统简介：
控制系统一般由以下几部分组成

图1 自动控制系统简易图
锅炉水位系统如下图：

图2 单冲量控制系统原理图及方框图

其单位阶跃响应图如下：

图3 蒸汽流量干扰下水位阶跃曲线
通过电容式液位计将检测来的液位信号变送给成标准信号，再输送给控制器，调节器再通过执行机构和阀来控制进水量，从而达成自动控制锅炉水位。
2．锅炉控制系统：
2.1锅炉：
锅炉是火力发电厂中重要设备之一。它的作用是使燃料在炉膛中燃烧放热，井将热量传给工质，以产生一定压力和温度的蒸汽，供汽轮发电机组发电。电厂锅炉与其他行业所用锅炉相比，具有容量大、参数高、结构复杂、自动化限度高等特点。
2.2过热器和再热器：
蒸汽过热器是锅炉的重要组成部分，它的作用是将饱和蒸汽加热成为具有一定温度的过热蒸汽，并规定在锅炉负荷或其他工况变动时，保证过热气温的波动处在允许范围内。
提高蒸汽初压和初温可提高电厂循环热效率，但蒸汽初温的进一步提高受到金属材料耐热性能的限制。蒸汽初压的提高随可提高循环热效率，但过热蒸汽压力的进一步提高受到汽轮机排气湿度的限制，因此为了提高循环热效率及减少排气湿度，可采用再热器。通常，再热蒸汽压力为过热蒸汽压力的20%左右，再热蒸汽温度与过热蒸汽温度相近。
过热器和再热器内流动的为高温蒸汽，其传热性能差，并且过热器和再热器又位于高烟温区，所以管壁温度较高。如何使过热器和再热器管能长期安全工作是过热器和再热器设计和运营中的重要问题。
在过热器和再热器的设计及运营中，应注意下列问题:
⑴运营中应保持汽温的稳定，汽温波动不应超过±（5～10）℃。
⑵过热器和再热器要有可靠的调温手段，使运营工况在一定范围内变化时能维持额定的汽温。
⑶尽量防止和减少平行管子之间的偏差。
2.3省煤器和空气预热器：
省煤器和空气预热器通常布置在锅炉对流烟道的尾部，进入这些受热面的烟气温度已较低，因此常把这两个受热面称为尾部受热面或低温受热面。
省煤器是运用锅炉尾部烟气的热量来加热给水的一种热互换装置。它可以减少排烟温度，提高锅炉效率，节省燃料。在现代大型锅炉中，一般都运用汽轮机抽汽来加热给水，并且随着工质参数的提高，常采用多级给水加热器。
空气预热器不仅能吸取排烟中的热量，减少排烟温度，从而提高锅炉效率；并且由于空气中的预热，改善了燃料的着火条件，强化了燃烧过程，减少了不完全燃烧热损失，这对于燃用难着火的无烟煤及劣质煤尤为重要。使用预热空气，可使炉膛温度提高，强化炉膛辐射热互换，使吸取同样辐射热的水冷壁受热面可以减少。较高温度的预热空气送到制粉系统作为干燥剂，在磨制高水分的劣质煤时更为重要。因此空气预热器也成为现代大型锅炉机组中必不可少的组成部件。
综上所述，省煤器和空气预热器的应用，重要是为了减少排烟温度，提高锅炉效率，节省燃料。同时，也为了减少价格较贵的蒸发受热面积改善燃烧与传热效果。
锅炉控制系统流程图如图四所示

图4 锅炉控制系统流程图
3.汽包水位的控制与调整：
维持锅炉汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运营的重要条件之一。
当汽包水位过高时，由于汽包蒸汽容积和空气高度减小，蒸汽携带锅水将增长，因而整齐品质恶化，容易导致过热器积盐垢，引起管子过热损坏；同时盐垢使热阻增大，引起传热恶化，过热气温减少。汽包严重满水时，除引起气温急剧下降外，还会导致蒸汽管道和汽轮机内的水冲击，甚至打坏汽轮机叶片。汽包水位过低，则也许破坏水循环，使水冷壁管的安全受到威胁。假如出现严重缺水而又解决不妥，则也许导致水冷壁爆管。
3．1影响水位的因素：
锅炉运营中，汽包水位是经常变动的。引起水位变化的因素一是锅炉外部扰动，如负荷变化；另一个是锅炉内部扰动，如燃烧工况的改变。出现外扰和内扰时，汽包物质平衡遭到破坏，即给水量与送气量的不平衡；或者工质状态发生变化（锅炉压力变化时，工质比体积和饱和温度随之改变），两者都能引起水位变化。水位变化的剧烈限度随扰动量增大、扰动速度加快而增强。
自然循环锅炉的汽包水位，一般定在汽包中心线下50～150㎜范围内，允许变动范围为±50㎜。对于强制循环汽包锅炉，汽包的低水位限制取决于循环泵的工作，但一般来说其水位波动的幅度没有自然循环锅炉规定那样严格。自然循环锅炉汽包的最高、最低水位，应通过热化学实验和水循环实验拟定。最高允许水位应当比临界水位稍低，以保证整齐品质；最低允许水位应不影响水循环安全。
3.2影响水位变化的重要因素:
锅炉运营中，汽包水位是经常变动的。引起水位变化的因素一是锅炉外部扰动，如负荷变化；另一个是锅炉内部扰动，如燃烧工况的改变。出现外扰和内扰时，汽包物质平衡遭到破坏，即给水量与送气量的不平衡；或者工质状态发生变化（锅炉压力变化时，工质比体积和饱和温度随之改变），两者都能引起水位变化。水位变化的剧烈限度随扰动量增大、扰动速度加快而增强。
4.仪表的选择：
控制仪表是自动控制被控变量的仪表，由各种不同的，互相关联的控制仪表构成的控制系统，是操纵一个或几个变量达成预定状态的系统。为了实现自动控制，除自动装置自身外，控制系统还涉及向自动装置提供信息的变送器和开关部件，以及执行自动装置控制指令的执行器等。
4．1变送器：
变送器在自动检测和控制系统中的作用，是对各种工艺参数，如温度，压力，流量，液位，成分等物理量进行检测，以供显示，记录或控制之用。无论是由模拟构成的系统，还是由计算机装置构成的系统，变送器都是不可缺少的，获取精确可靠的过程参数值是进行控制的基础。
串级控制系统在抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量方面有较好的性能,因此在复杂的工业过程控制中得到了广泛的应用.
产品简介：
UYZ－50系列电容物位计合用于工业生产过程中各种贮槽、容器内导电、非导电介质液位、粉状料料位的连续测量和指示。
仪表的输出电流0～10mA可以接电流表或DDZ－Ⅱ型显示控制仪表，回路中任何一点不得接地，否则必须配用隔离器以便与计算机输入端相匹配。UYZ－50系列电容物位计由以下六个部件构成：1.传感器转换部件，2.温度缓冲器，3.散热装置，4.安全火花型防爆栅，5显示仪表，6测量电极，其中1和5是仪表基本组成单元，再分别配以2,3,4,6则构成各种形式的产品。UYZ－50系列电容物位计工作原理图如图五。

图5 UYZ－50系列电容物位计工作原理
当被测物位发生变化时，传感电容量发生相应变化，经传感器前置线路转换成直流信号，再传送到显示仪表放大成标准电信号输出，并使电流表直接指示，显示仪表是通用的，表面上的直型条形给出相应的物位指示，同时有绿色指针供高低物料报警位置的整定。

图6 UYZ-50接线图
1，2输入，3,4输出 5,6，7是上限报警 8，9，10是下限报警 11是显示单元电源 16接地 18—20是交流电
参数与规格：
精度：非防爆型±1％
防爆型±1.5％
测量范围：0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0m（UYZ－561B型的测量范围可为3.0，4.0，6.0，10m四档）。
负载电阻：1.5kΩ
输出信号：0～10mADC
供电电源：220VAC（+10%/-15%）50Hz
介质压力：2.5Mpa
工作环境：传感器温度－40～＋85℃，相对湿度10～95%
显示仪表温度0～45℃，相对湿度10～90%
高低位报警定点误差：±2.5％
高低位报警设定点范围：0～100%全量程内任意给定
高低位报警触点容量：220VAC　3A
防爆型选用防爆栅型号：DFA－3100型检测端齐纳安全栅
防爆型仪表防爆等级：iaⅡCT6
型号表达
表1 UYZ－5□□□□
5系列代号
□测量电极形式
□介质温度范围
□迁移
□防爆等级
1）绝缘式
2）同轴裸极式
3）裸极式
4）同轴绝缘式
5）分离式
6）绝缘绳式
1）标准：－40～＋85℃
2）高温：85～200℃
3）低温：Ⅰ－100～－40℃
4）低温：Ⅱ－156～－100℃
5）低温：Ⅲ－200～－156℃
A）微电容6～50pF
B）中电容30～1300pF
iaⅡCT6
4.2控制器
控制器在自动控制系统中起控制作用。它将来自变送器的测量信号与给定值相减以得到偏差信号，然后对偏差信号按一定的控制规律进行运算，运算结果为控制信号，输送至执行器。单元组合式仪表和单个仪表形式的控制器习惯上称为调节器，常用的有DDZ-Ⅱ型电动调节器，DDZ-Ⅲ型调节器和可编程调节器。
对于液位控制器，阀气闭为，变送器为⊕，对于研究对象当控制信号增大时液位将相应减小，故为，液位控制器LC为⊕，为反作用。
对于流量控制器，阀气闭为，变送器为⊕，当控制信号增大时给水流量将相应增大，故为⊕，流量控制器为，为正作用。
产品概述：
DTL型调节器是DDZ-Ⅱ型系列仪表中的一个重要单元。它接受从变送器或转换器来的0～10mA DC测量信号，并与内给定值或外给定值比较，它们的差值经调节器比例积分、微分运算输出0～10mA DC信号至执行机构。仪表分二类：DTL-221A、321A、121A型重要为石油化工服务，该类仪表有二个输入通道，一个主通道、一个付通道（可接受微分信号）。面板部分带有一个偏差显示表头、内给定带刻度拨盘、软硬手动、自动切换、带刻度的手操作拨盘，单针0～10mA DC 输出电流指示表。另一类DTL-331A、231A、154A型重要为电厂服务，输入通道数达4～5通道，都不带手动操作。
当被测物位发生变化时，由变送器传送而来的电信号发生相应变化，经传感器前置线路转换成直流信号，再传送放大成标准电信号输出，并使执行器发生动作。
DTL-221A、321A、231A、331A为大偏差表，指示调节器。

图7 DTL-231接线图
1，2是出入Ⅰ 3,4是输入Ⅱ 5,6是输入Ⅲ 7,8是输入Ⅳ 11,13输出 14,15外部手操 18接地 19,20电源
技术参数
输入信号：DC 0～10mA
输出信号：DC 0～10mA
负载电阻：0～1.5KΩ    ⑾ ⑿端
0KΩ～3 KΩ  ⑾ ⒀端
独立微分增益：K（D）=0－10倍可调（DTL-154A、331A）
积分增益：K1≥180倍（P=100%时）
干扰系数：1+2TD/TI微分独立运算
内给定值稳定度：±0.25%
内给定值刻度误差：±2.5%
工作条件：环境温度：0～45℃
相对湿度：≤85%
工作振动：频率≤25Hz
振幅≤0.1mm（双向）
供电电源;220V 50Hz
消耗功率：≤6W
结构型式：面板嵌入式
表2  型号规格
型号
T1S
TDS独立微分
P%
TDS独立微分
操作
通道数
偏差表型式
DTL-121A
6～1200
3～300
1～200

带
2
小
DTL-154A
6～600
3～300
1～200
3～300
不带
5
/
DTL-221A
6～600

1～500

带
2
大
DTL-321A
6～1200
3～300
1～200

带
2
大
DTL-331A
6～1200
3～300
1～200
3～300
不带
5
大
DTL-231A
6～600

1～500

不带
4
大
4.3执行器：
执行器再自动控制系统中的作用是接受来自控制器的控制信号，通过其自身开度的变化，从而达成控制流量的目的。因此执行器是自动控制系统中的一个重要的，必不可少的组成部分。
执行器的构成如下：
P0 I0 执行机构 调节机构 被控介质流量

图8 变送器的基本组成
4.3.2执行机构：
执行器常直接与介质接触，经常在高压，高温，深冷，高粘度，易结晶，闪蒸，汽蚀，高压差等情况下工作。使用条件恶劣，因此，它是控制系统的薄弱环节。假如执行器选择使用不妥，往往给生产过程自动化带来困难。在许多场合下，会导致自动控制系统的控制质量下降，控制失灵，甚至因介质的易燃易爆，有毒，而导致生产事故。
执行器分为气动执行器、电动执行器、液动执行器3大类。
气动执行器按其执行机构形式分为薄膜式、活塞式和长行程式。近年来还研制了增力型薄膜调节阀。
电动和液动执行器按执行机构的运动形式分为直行程和角行程两类。
4.3．1执行机构：
由于我们采用的是DDZ－Ⅱ型的0—10mA信号，故选择DDZ－Ⅱ型仪表。DKJ角行程、DKZ直行程是我国最早的、唯一生产的电动执行器，它是我国计划经济时期，全国联合统一设计的产品。
随着现代工控计算机管理的发展，今天，我们的 DKJ、DKZ系列与以前相比，有了2大实质性改善， ① 生产出直接受计算机控制的智能电子式型、户外型、隔爆型等改善型产品 ② 将电路控制部分灌封在一个小型塑料盒中，俗称模块，形成了便于维护的即插即用型，调节精度更高、使用寿命更长。 DKJ/ZKJ 型角行程电动执行机构 DKZ/ZKZ 型直行程电动执行机构 ZKJ/DKJ-210
DKJ电动执行机构由伺服放大器、伺服电动机、减速器、位置发信器和电动操作器组成。其工作原理如图十所示。

图9 DKJ电动执行机构原理图
来自调节器的输入信号，在伺服放大器内与位置反馈信号相比较，其偏差经伺服放大器放大后，去驱动伺服电动机旋转，然后经减速器输出角位移。位置发信器将执行机构输出轴角位移转换成与输入信号相相应的直流信号(0-10mA或4-20mA)，作为位置反馈信号。执行机构的旋转方向决定于偏差信号的极性，而又总是朝着减小偏差的方向转动，只有当偏差信号小于伺服放大器的不灵敏区时，执行机构才停转，因此执行机构的输出位移与输入信号始终成正比关系。配用电动操作器可实现自动调节系统的自动-手动无扰动切换。手动操作时，由操作开关直接控制电动机电源，使执行机构在全行程转角范围内操作。自动调节时，两相伺服电动机由伺服放大器供电，输出轴转角随输入信号而变化。
重要技术参数：
* 输入信号：0--10mA DC
* 出轴有效转角：0--90度
* 输入电阻：200Ω(Ⅱ)、250Ω(Ⅲ)
* 输入通道：3个隔离通道
* 电源电压：AC 220V 50Hz
* 使用环境温度： -10 -- +55℃
* 使用环境湿度：≤95%
图10 DKJ执行器 安装图

图11 DKJ接线图
1脚接位置发送器正电；2脚接位置发送器反负；3－4－5可以连一起做电机正转接DTL-231 11脚；8－9－10可以连一起做电机反转接DTL-231 13脚；13－6脚连一起接交流N；14－7脚连一起接交流L；12接地，其他的不需要接或者内部已经接好
表3 DKJ、DKZ系列电动执行器规格及参数
规格型号
Ⅱ型 Ⅲ型
输出力矩(N.m)
每转时间(S)
消耗功率(VA)
重量(Kg)
ZKJ/DKJ-210
ZKJ/DKJ-2100
100
100
110
31
ZKJ/DKJ-310
ZKJ/DKJ-3100
250
100
140
48
ZKJ/DKJ-410
ZKJ/DKJ-4100
600
100
270
86
ZKJ/DKJ-510
ZKJ/DKJ-5100
1600
100
490
145
ZKJ/DKJ-610
ZKJ/DKJ-6100
4000
100
1400
255
ZKJ/DKJ-710
ZKJ/DKJ-7100
6000
100
1800
500
4.3.2调节阀：
调节机构是执行器重要部分，在执行机构的输出力F(输出力矩M)和输出位移作用下，调节机构阀芯的运动，改变了阀芯和阀座之间的流通截面积，即改变了调节阀的阻力系数，使被控介质流体的流量发生相应变化。
KVGD9113-1P型电动双水冷式超高温蝶阀概述：

图12 KVGD9113-1P结构示意图
KVGD9113-1P型电动双水冷式超高温蝶阀系我厂95年度通过国家科委鉴定,并荣获国家级新产品证书,广泛地应用于冶金、化工、建材、电站等行业中的超高温气体管道中,作为高温气体介质流量调节或切断装置,可与各种执行器配套使用组成不同性能设备。
该阀中的阀体采用优质碳钢和不锈钢内腔通水冷却,阀板采用双层优质耐热钢,内腔和轴通水冷却,并在阀出口处设有流量开关报警功能,同时在进出口设有二个流量调节阀。具有耗水量少、耐温高、体积小、转动灵活、使用寿命长、操作维护方便等优点。
公称压力：0.1MPa
额定转角：0～90°
普通型泄漏率：≤5% 后座型低泄漏：≤1%
工作温度：P9 t≤950℃；P10 t≤1050℃；P11 t≤1150℃；P12 t≤1150℃；
P13 t≤1350℃ （瞬间最高温度：≤1400℃）
合用介质：高温烟气或其它含尘高温气体；
调节型：（KVGD9113a-1）配ZKJ型电动执行机构（或根据用户选定执行机构）
电压：根据用户选定的执行机构而定220（或380）V AC；
输入信号：0～10（4～20）m A DC（用户自定）；
两位开关型：（KVGD9113b-1）配Z型电动装置，本阀可水平或垂直安装，但阀轴应处在水平位置安装
4.4操作器：
DFD-07型电动操作器是DDZ-Ⅱ型电动单元组合仪表中的一个辅助单元。合用于由DDZ-Ⅱ型变送单元、调节单元与电动执行机构所组成的自动调节系统。应用DFD-07型电动操作器可实现自动调节系统由“自动到手动（或手动到自动）”工作状况的无扰动切换。
1．电源电压：220V  50～60Hz
2．开关触关额定容量：主回路：L500V  15A
3．信号回路：110V   2A
4．跟踪电压：0～10V  DC
5．环境温度：0～45℃
6．相对湿度：≤85%
7．重量：3㎏
8．外形尺寸：295×80×160（mm）
9．开孔尺寸：75+1×153+1（mm）

图13 DFD-07操作器接线图
5．仪表配接图及说明：
配接图见附录，各仪表之间说明如下：
UYZ－50系列电容物位计有测量和变送物位的功能，输出0～10mA DC电流信号，其中1，2脚接测量电极至于锅炉中，3，4脚分别接调节器的1，2脚，5---7接上限报警电路，8---10接报警电路的下限，11脚接自带显示仪表部分工作电源+18V或者+24V，16脚接地，18和20接220V交流工作电源，其他引脚不要接或内部已经接好。
DTL-231调节器1脚接来自UYZ-50变送器3脚的0～10mA DC电流信号，2脚接来自UYZ-50变送器4脚的0～10mA DC电流信号，11脚输出至DJK-210 执行机构8脚，13脚输出至DJK-210 4脚假如需要外加手操再分别接14,15脚，18脚接地，19和20接220V交流工作电源，其他引脚不需要接内部已经接好。
DFD-07操作器3和4脚接DKJ-210执行器1和2脚位置接受信号（输入），9和10脚接KVGD9113b-1的1和2脚，11和12分别接DKJ-210执行器1和2，18接地，19，20接220V交流电。
DKJ-210执行机构1脚接DFD-07操作器5脚；2脚接位置DFD-07操作器6脚；3－4－5可以连一起DFD-07操作器 11脚控制伺服电机反转；8－9－10可以连一起接DFD-07操作器 13脚控制伺服电机正转；13－6脚连一起接交流N；14－7脚连一起接交流L；12接地，其他的不需要接或者内部已经接好
6.仪表清单：
表4 仪器清单
仪表名称
仪表数量
变送器UYZ-50同轴式电容物位计
1
调节器DTL-231A
1
角行程执行器DKJ-210
1
操作器DFD-07
1
调节阀KVGD9113b-1
1
7.参考文献：
1 叶江祺. 热工测量和控制仪表的安装. 北京：中国电力出版社，1998
2 周泽魁. 控制仪表与计算机控制装置. 北京：化学工业出版社，2023
3 金以慧. 过程控制. 北京：清华大学出版社，1993
4 张宝芬. 自动检测技术及仪表控制系统. 北京：化学工业出版社，2023
5 杨献勇. 热工过程自动控制. 北京：清华大学出版社，2023
6 吴秋峰. 自动化系记录算机网络. 北京：机械工业出版社，2023