过程控制仪表课程设计1

过程控制仪表课程设计题目：锅炉汽包水位控制系统学生姓名：刘永涛班级：自动化073班学号：20074460310指导老师：高飞燕，唐耀庚2010年12月25日1：系统简介锅炉是石油、化工、发电等工业企业必不可少的重要动力设备。它既是为工业生产各部门提供动力的关键设备，又是为工业生产各部门提供热源的关键设备。因此，为了安全的生产，就必须确保锅炉的安全运行，而对锅炉的相应控制是达到这一目的的有效手段。1.1汽包水位控制的重要性锅炉汽包水位是确保安全生产和提高优质蒸汽的重要变量。尤其是对于大型锅炉，其蒸发量明显要高，汽包容积相对较小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者缺水，甚至造成干锅。前者将使蒸汽带水，影响蒸汽的品质，且长期运行会使过热器结垢；后者会引起锅炉爆炸的危险。因此，汽包的水位必须严格控制在规定范围内。1.2锅炉水位变化的主要干扰因素锅炉汽包水位的主要干扰因素有供水量的变化，蒸汽负荷量的变化及炉膛热负荷的变化。锅炉的汽包水位系统原理图如图1所示。图1：锅炉汽包水位控制系统原理图1.2.1给水流量对水位的干扰据图一分析，在平衡状态突然加大给水量，虽然给水量大于蒸发量，但由于温度较低的给水进入水循环系统后，要从原有饱和汽水中吸取一部分热量，使得水面下汽包容积有所减少，进入水系统的水首先去填补汽水管路中汽包所让出的空间，只有当汽包容积不再变化时，水位才随给水量的增加呈线性上升。由上述分析，给水量扰动时，水位调节对象有一定的惯性与滞后。1.2.2蒸汽负荷对水位的干扰当蒸汽用户设备用气量突然增大，单从物料不平衡考虑，汽包中蒸发量大于给水量，但由于蒸汽负荷量突然增大时，汽包中压力减少，汽水循环管路中的汽化强度增加，蒸发而以下汽包容积增加，因而在蒸汽负荷量突然增大的起始瞬间，液位不会下降，反而上升。出现“虚假液位”现象，只有当汽包容积与负荷相应达到稳定后，水位才能反映出物料的不平衡，开始下降。因此，蒸汽流量扰动时，非但没有自平衡能力，而且存在“虚假现象”，在控制系统的设计中必须予以考虑。1.2.3○1炉膛热负荷对水位的干扰当燃料量突然增大时，传给锅炉的热量必然增加，上升管中的蒸发强度增大，蒸发面下的汽包膨胀，使得液位上升，因而带来了蒸汽量及汽包压力的增加，但此时给水量并未增加，因此，这种液位变化也属于“虚假液位”。但是热负荷由蒸汽压力控制系统来保证，因而它的影响是次要的。1.3锅炉汽包水位控制系统及使用范围目前较为成熟的锅炉汽包水位控制方案中有单冲量水位控制系统，双冲量水位控制系统及三冲量水位控制系统。锅炉水位的控制方案应根据锅炉系统的具体情况选择。1.3.1单冲量水位控制系统单冲量水位控制系统是典型的单回路调节系统，由被控对象，测量变送单元，调节器和执行器组成，通过给水流量调节汽包液位，这里指的单冲量即汽包液位。其控制方案如图2所示。图2：单冲量水位控制系统1.3.2双冲量水位控制系统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入控制系统，这样就可消除“虚假现象”对调节系统的不良影响，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所示图3：双冲量水位控制系统该控制方案依旧存在不能及时反映给水流量对水位调节的干扰，因此双冲量水位控制适用于负荷变化较频繁的小型低压锅炉，而不适用于给水母管压力经常有波动的锅炉系统。1.3.3三冲量水位控制系统一般情况下锅炉容量越大，汽包的相对水位容量就越小，允许的水位波动越小，如果给水中断，就可能在极短的时间内发生危险水位，这就要求水位的控制必须能够及时的反映给水流量对水位的干扰。为此，在双水位控制的基础上再引进一个给水流量变化的信号进行控制，就构成所谓的三冲量水位控制系统，其控制方案如图4所示。图4：三冲量水位控制系统该系统中，汽包水位是被控量，是主冲量信号，而蒸汽流量和给水流量是2个辅助冲量信号，通过2个辅助冲量的引入，既克服了“虚假现象”对控制质量的影响，又能及时反映出给水量对水位的干扰，克服了控制过程中的滞后现象。因此，对于大中型高中压锅炉采用三冲量水位控制系统较为适宜。1.4锅炉汽包水位控制应注意的几个问题○1从安全角度考虑，正确选择给水调节阀的气开，气闭形式。○2水位变送器若选用差压式，为使仪表与水位高低趋向一致，应考虑带负迁移机构。○3引入蒸汽质量的反馈补偿，应注意前反馈放大系数不能过大，以便照顾到水位控制的要求。2：设计方案及仪表选型2.1设计方案从上面的分析可知，给水量扰动下水位响应过程具有纯延迟；负荷扰动下水位响应过程具有虚假水位现象；从反馈控制的思想出发，可以以水位信号作为被调量，给水流量作为调节量，构成单回路反馈系统（通常称为水位单冲量系统）。然而对于大量的大中型锅炉来说，因为耗气量改变所产生的虚假水位将引起给水调节机构的误动，致使汽包水位激烈地上下波动，严重地影响设备的寿命和安全而不能满足要求，但对于小容量锅炉来说，它的蓄水量较大，水面以下的气泡体积不占很大比重。因此给水容积迟延和虚假水位现象不明显，可以采用单冲量控制系统。因此，本次设计针对小容积锅炉，采用单冲量水位控制方案。图5单冲量水位控制系统图6单冲量控制系统方框图如上图5所示为单冲量变量水位控制系统，图6为单冲量变量水位控制系统方框图。此系统有如下特点：○1结构简单，投资少。○2适用于汽包容量较大，虚假水位不严重，负荷较平稳的场合。○3为安全运行，可设置水位报警和连锁控制系统。2．2仪表的选型在汽包水位控制系统设计中，所需使用的仪表有变送器、显示仪表、调节器、伺服放大器、电动操作器、执行器。其选型如下：2.2.1变送器的选择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、纪录或控制用。控制系统中所选用的变送器型号为：CR-6031智能锅炉汽包液位计。2.2.1.1CR-6031的工作原理：CR-6031智能锅炉汽包液位计采用断层扫描技术,通过特制的传感器动态扫描并分析液位计中液相、气相的介电常数和温度，进行动态补偿。经过系统软件对比运算后，输出与锅炉液位成正比的4～20mA标准电流信号及四组SPST固态继电器开关信号。2.2.1.2CR-6031的技术特点：○1两线制电流环，测量系统与电流环隔离；○2具有全工况条件（锅炉启、停、排污、事故工况等）下液位准确连续测控功能；○3采取断层扫描技术，能够对液相介质介电常数变化、汽相介质介电常数变化和温度变化同时进行精确补偿，任何情况下无需重新标定；○4高精度、高稳定性，分辨率达到0.01mm，年漂移量不超过0.5mm；○5经CE认证的良好的电磁兼容特性；○6耐高温、高压、长寿命；○7不存在“假水位”测量；○8操作软件为中文操作环境，轻松整定，带自诊断；2.2.1.3CR-6031的主要技术指标：○1工作电压：最大：36V最小：9V○2电流环：两线制4.00mA～20.00mA（±0.2%）○3防爆等级：ExiaIICT6（-40℃～70℃）ExiaIICT1-5（-40℃～85℃）○4防爆参数：Ui=30V,Ii=100mA,Pi=0.75WCi=100pF,Li=10uH固态继电器（每组）：Ui=30V,Ii=100mA,Pi=0.75WCi=150pF,Li=10uH○5测量范围：0～2200mmMax○6测量周期：0.5秒○7分辨率：0.01mm○8温度漂移：±0.05mmMax(-40℃～85℃)○9工作压力：40MPaMax○10线性偏差：±(1+0.05%FS)mm○11介质温度：450℃Max.○12环境温度：-40℃～85℃（ExiaIICT1-T5）○13存储温度：-55℃～100℃○14防护等级：IP67○15固态继电器：配置：四组SPST（NO）固态继电器负载电压：220VAC/300VDC(非防爆场所)30VDC/AC(防爆场所)负载电流：500mA报警模式：“开、关报警”可选五种报警模式独立可选延时：1～60秒，可独立编程2.2.1.4CR-6031的端子接线图：图7：变送器CR-6031端子接线图2.2.2显示仪表的选择显示仪表就是将生产过程中各种参数进行指示、记录或累积的仪表。所设计的控制系统所选用的显示仪表为DY2000-G。2.2.2.1DY2000-G的工作原理：光柱型显示仪表一般由输入电路、低通滤波器、光柱驱动器和平面光柱显示器等几个部分组成。工作过程如下：根据输入信号的不同，配置合适的输入电路，将输入的非电量信号转换成适合光柱显示器所需要的电信号，经低通滤波器去除迭加在信号上的干扰波，加于光柱驱动器电路上，并点亮与之相连接的光柱显示器。光柱驱动电路一般多采用动态扫描方式，使电路较为简单。2.2.2.2DY2000-G的主要技术参数：○1使用条件：环境温度0～50℃；相对湿度≤85％工作电压交流220V或直流24V；电源频率(50±2.5)Hz○2基本误差：光柱显示为1％F.S±scale○3输入特性：0～10mA，(4～20)mA：Ri≤250Ω；(1～5)V，0～5V：Ri≥500k○4输出特性：继电器输出，常开触点3A/220VAC或3A/24VDC；常闭触点1A/220VAC或1A/24VDC○5显示方式：101线LED光柱○6外形尺寸：横形（160×80×80）mm；竖形（80×160×80）mm○7开孔尺寸：横形（152+0.63×76+0.46）mm；竖形（76+0.46×152+0.63）mm○8安装方式：装盘和机芯采用全卡入式○9重量：约0.5Kg○10功耗：5W2.2.2.3DY2000-G的端子接线图：图8：显示仪DY2000-G的端子接线图2.2.3调节器的选择本系统所选调节器型号为DY2000-GJ。2.2.3.1DY2000-GJ的工作原理方框图如图9所示图9：DY2000-GJ的工作原理方框图2.2.3.2DY2000-GJ的主要技术参数：○1使用条件：环境温度0～50℃；相对湿度≤90％电源电压AC:85V～265V频率50Hz/60Hz；或DC:24V±10％○2基本误差：δ＝±（0.5％F.S+1dig）○3输入特性：标准电流型：输入阻抗＝250Ω；标准电压型：输入阻抗≥800KΩ○4输出特性：继电器常开触点容量为交流5A/240V或直流5A/24V。电流信号：(4～20)mA负载电阻＜750Ω；电压信号：(1～5)V负载电阻＞250kΩ○5直流电源输出：DC:24V，最大电流50mA，直接配接二线制变送器○6功耗：＜5W2.2.3.3DY2-2000GJ的端子接线方式：图10：DY2000-GJ的端子接线图2.2.4伺服放大器的选择伺服放大器也叫伺服驱动器，是用来控制伺服电机的一种控制器。其作用类似于变频器作用于普通交流马达。主要应用于高精度的定位系统。所选用的伺服放大器型号为DFC-2100架装式Ⅲ型2.2.4.1DFC-2100Ⅲ型的工作原理：伺服放大器由输入隔离级、磁放大器电路、比较放大电路、功率输出电路、信号断失判别控制电路、报警触点输出电路和状态显示等部分组成。伺服放大器的输入信号一般有两路，一路为控制信号Ic，由调节器或其它控制器提供，另一路为位置反馈信号If，由电动执行机构的位置发送器提供。伺服放大器的输出电有两路，可分别控制伺服电动机正、反转。当Ic-If0(且超过死区)时，伺服放大器有正向输出，当Ic-If0(且超过死区)时，伺服放大器有反向输出，当Ic-If=0(或不超过死区)时，伺服放大器无输出。2.2.4.2DFC-2100Ⅲ型的主要技术指标：○1输入信号：4～20mADC。○2输入通道：三个○3输入通道阻抗：Ⅱ型200Ω；Ⅲ型250Ω。○4死区可调节范围：1%～3%○5断信号识别：＜2mADC○6电源：单相电压～220V50Hz○7使用环境：温度：0～50℃相对湿度：85%大气压力：86～106KPa、周围空气中无腐蚀性介质。2.2.4.3DFC-2100Ⅲ型的端子接线图：图11：DFC-2100架装式Ⅲ型伺服放大器的端子接线图2.2.