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：2008-3指导教师： 2011 年 9 月 8 日内蒙古科技大学课程设计论文I目录目录第一章 引 言1 1.1 背景.1 1.2 锅炉汽包水位调节的必要性.1 1.3 锅炉的工作过程简介.1 第二章 影响锅炉汽包水位变化的因素和锅炉汽包水位特性2 2.1 虚假水位3 2.2 影响锅炉汽包水位变化的因素.3 2.2.1 影响锅炉汽包水位变化的几个主要因素.3 2.2.2 其它影响因素.4 2.3 锅炉汽包水位特性.4 2.3.1 汽包水位在给水流量 W 作用下的动态特性.4 2.3.2 汽包水位在蒸汽流量 D 扰动下的动态特性.5 2.3.3 燃料量 B 扰动下汽包水位的动态特性.6 第三章 汽包水位控制系统的选择和分析63.1 汽包水位控制系统分析.63.2 单冲量控制方式.7 第四章 仪表的选型8 4.1 液位变送器的选择8 4.3 显示仪表的选择10 4.4 执行器的选择.11 第五章 课程设计体12 参考文献13内蒙古科技大学课程设计论文1第一章第一章 引言引言1.11.1 背景背景 我国北方冬季都很冷,温度很低,人体不能适应低温环境,供暖便成为日常生活中不可缺少的部分。供暖厂在北方很多。在供暖厂工艺中，锅炉汽包水位的控制是重点，又是难点。维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。1.21.2 锅炉汽包水位控制的必要性锅炉汽包水位控制的必要性 汽包水位是锅炉正常运行中重要参数之一。水位过高，蒸汽空间缩小将会引起蒸汽带水，使蒸汽品质恶化，以致在过热器管内产生盐垢沉积，使管子过热，金属强度降低而发生爆破；满水时蒸汽大量带水，将会引起管道和汽机内产生严重的水冲击,造成设备的损坏。水位过低，将会引起水循环的破坏，使水冷壁管超温过热；严重缺水时，还可能造成更严重的设备损坏事故。因此加强对水位的监测和调整至关重要。1.31.3 锅炉的工作过程简介锅炉的工作过程简介锅炉由锅炉的汽水系统和锅炉的燃烧系统两部分组成。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。锅炉的给水打入省煤器，水吸收烟气的热量，使温度升高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，又回入汽包。水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，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，参加循环，汽则成为合格蒸汽送入蒸汽母管。内蒙古科技大学课程设计论文2V-1 燃 烧 室12345678燃料空气图 1.1 锅炉的汽水系统锅炉的燃烧系统由炉膜、烟道、喷燃器、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，通过空气预热器，在空气预热器中吸收烟气热量，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。锅炉汽包水位调节的意义 将锅炉汽包水位控制在一个允许范围内，是锅炉安全运行的一个重要指标，也是锅炉能提供符合质量要求得蒸汽负荷的必要条件。锅炉汽包水位过高，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，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。第二章第二章 影响锅炉汽包水位变化的因素和锅炉汽包水位特性影响锅炉汽包水位变化的因素和锅炉汽包水位特性2.12.1 虚假水位虚假水位控制汽包水位在要求的值的一个首要条件是必须得到真实的汽包水位测量内蒙古科技大学课程设计论文3值。但是，汽包水位控制中存在着明显的“虚假水位”现象。从工程应用中我们可以看出，当蒸汽量加大时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始，水位不仅不下降反而迅速上升，然后下降。这种现象称之为“假水位 ” 。从控制上来讲， “虚假水位”实际上就是非最小相位系统。我们以蒸汽流量的增加对汽包的影响为例进行分析。在给水不变的情况下，负荷提升，导致蒸汽流量增加，如果不考虑其它因素的影响，则汽包水位由于蒸汽流量大于给水流量而直线下降。蒸汽量增大初期，因水中气泡容积增大导致水位暂时先上升，由于气泡容积只能增大到汽包压力水平，故这种上升是有限的，一段时间后，汽包压力就达到稳定，水位也不再变动。2.22.2 影响锅炉汽包水位变化的因素影响锅炉汽包水位变化的因素锅炉在运行中，水位是经常变化的。引起水位发生变化的原因主要是锅炉的外扰和内扰。当出现外扰和内扰时，将使蒸发设备的物质平衡关系(即蒸发量与给水量之间的平衡关系)发生破坏，或者工质状态发生变化(当锅炉压力变化时，水和蒸汽的比容发生变化)，从而造成汽包水位发生变化。汽包水位变化的剧烈程度，不仅与扰动量的大小有关，而且还与扰动速度有关。2.2.12.2.1 影响锅炉汽包水位变化的几个主要因素影响锅炉汽包水位变化的几个主要因素(1)锅炉负荷变化的影响汽包水位的变化与锅炉负荷(蒸发量)的变化有密切关系，因为蒸汽是从给水进入锅炉以后逐渐受热汽化而产生的。当负荷变化时，蒸发受热面中水消耗量发生变化，必然引起汽包水位的变化。当负荷增加时，如果给水量不变或增加不及时，则蒸发设备中的水量逐渐被消耗，其最终结果将使水位下降；反之，水位上升。所以，当负荷骤变时，必须严密监视水位，预防水位事故的发生。(2)燃烧工况变化的影响燃烧工况的改变对水位的影响也很大。在外界负荷及给水量不变的情况下，当燃料量突然增加，水位暂时升高而后下降；燃料突减，水位暂时降低而后升高，这是由于燃烧工况的改变使炉内放热量改变，而引起工质状态发生变化的缘故。当燃烧强化时，炉水吸热量增加，汽泡增多，体积膨胀，而使水位暂时升高。由于产生的蒸汽量不断增加，使汽压上升，饱和温度也相应地提高了，内蒙古科技大学课程设计论文4炉水中汽泡数量又随之减少，水位又下降。因此水位波动的大小，取决于燃烧工况改变的强烈程度以及运行调节的及时性。(3) 给水压力的变化给水压力变化时，将使给水流量发生变化，从而破坏了给水量与蒸发量的平衡，引起水位变化。当给水压力增加时，给水流量增大，水位上升；给水压力下降时，给水流量减少，水位下降。2.2.22.2.2 其它影响因素其它影响因素影响锅炉汽包水位变化的因素很多，除上述所列之外，还有其他的一些原因。比如，锅炉汽水管泄漏或排污阀不严密，炉内水品质对水位变化的影响， 包水位计不准确，给水自动失灵运行人员手动调节不及时等。这些因素对锅炉汽包水位造成的影响较小，或发生的可能性较低，在此不做一一列举。2.32.3 锅炉汽包水位特性锅炉汽包水位特性2.3.12.3.1 汽包水位在给水流量汽包水位在给水流量 W W 作用下的动态特性作用下的动态特性汽包水位在给水流量作用下的动态特性，即控制通道的特性。如图 1-2-1是在给水流量作用下水位变化的阶跃响应曲线。如果吧汽包和给水看作单容量无自衡对象，水位阶跃响应曲线将如图中的线。1图 1-1 给水流量作用下水位阶跃响应曲线由于给水温度要比汽包内饱和水温度低，所以给水流量增加后，需从原有饱和 水中吸取部分热量，时水位下汽包容积减少。当水位下汽包容积的变化过程逐 渐平衡时，水位将因出水量大的增加而上升。最后当水位下汽包容积不再变化 时，水位变化就完全反映了因储水量的增加而直线上升。所以图中 H 线是水位 的实际变化曲线。在给水量作阶跃变化后，汽包水位不马上增加，而呈现一段 起始惯性。2.3.22.3.2 汽包水位在蒸汽流量汽包水位在蒸汽流量 D D 扰动下的动态特性扰动下的动态特性汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性，即干扰通道的动态特性。在蒸汽内蒙古科技大学课程设计论文5流量干扰作用下，水位变化的阶跃响应曲线如图 1-2 所示。图 1-2 蒸汽流量扰动作用下的水位相应曲线当蒸汽流量 D 突然增加，在燃料不变的情况下，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量 D 大于给水量 W，水位变化应如图 1-2-3 中的曲线。但实际情况1并非如此，由于蒸汽用量突然增加，瞬间必导致汽包压力的下降。汽包内水沸腾突然加剧，产生闪蒸，水中气泡迅速增加，因汽包容积增加，而使水位变化的曲线如图 1-2-3 中的。而实际显示的水位响应曲线 H H 为和的叠加。即212。从图中可以看出，当蒸汽量加大时，虽然锅炉的给水量小于蒸发 = 1+ 2量，但在一开始，水位不仅不下降反而迅速上升，然后下降。出现“假水位 ” 。蒸汽流量扰动时，水位变化的动态特性可用传递函数表示为：(1-2)式中 -飞升速度，即在蒸汽流量变化单位流量时水位的变化速度，-响应曲线的放大系数；22-响应情绪的时间常数。2H22.3.32.3.3 燃料量燃料量 B B 扰动下汽包水位的动态特性扰动下汽包水位的动态特性在锅炉水位的诸多因素中，以锅炉蒸发量 D 和给水流量 W 为主。所以，对于燃料量 B 扰动下汽包水位的动态特性在此只做简单介绍。汽包水位在燃料量 B 扰动下的响应曲线如图 2.3 所示。当燃料量增加时，内蒙古科技大学课程设计论文6锅炉的吸热量增加，蒸发强度加大。如果负荷的用汽量不加调节，则随着汽包压力的增加，汽包输出蒸汽量也将增加，于是蒸发量大于给水量，暂时产生了汽包进出口工质流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容积增大，此时也会出现虚假水位现象，但由于燃烧率的增加也将同时导致汽包压力上升，它会使汽泡体积减小，另外由于热惯性，燃料量的增加只使蒸汽量 D 缓慢增加，故虚假水位现象要比蒸汽扰动下缓和的多。图 2. 3 燃料量扰动下水位阶跃响应第三章第三章 汽包水位控制系统的选择和分析汽包水位控制系统的选择和分析3.13.1 汽包水位控制系统分析汽包水位控制系统分析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。单冲量控制系统，即汽包水位的单回路水位控制系统;双冲量控制系统，即在单冲量系统的基础上引入了蒸汽流量信号；三冲量控制系统，是在双冲量系统的基础上再引入给水流量信号而构成。这次方案采用单冲量控制系统。3.23.2单冲量控制方式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 2-1(a) 、(b)所示。内蒙古科技大学课程设计论文7控 制 器 GC调 节 阀 GV汽 包 对 象GI水位变送器-设定值V-1省煤器汽 包LTLC蒸汽（a）单冲量水位控制方式原理图 (b) 单冲量水位控制方式方框图 图 2-1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。此方式将水位测量信号经变送器送到水位调节器，水位调节器根据水位测量值与给定值的偏差去控制给水阀门，改变给水量来保持汽包水位在允许的操作范围内。这种控制方式，在停留时间较长，负荷也比较稳定的场合，再配上一些联锁报替装置，也可以保证安全操作.但在停留时间较短，负荷变化较大时，采用此方式就不合适。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，减少给水量。 “虚假水位”消失时，将使水位严重下降，波动很大，动态品质不好。(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