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自动化课程设计----锅炉汽包水位控制系统
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: 陈 晓 峰
班 级: 自动化073班
学 号:
指导老师:
2010年 12 月 23日
系统简介
锅炉是过程工业中必不可少的动力设备。它所产生的蒸汽不仅可以供生产过程作为热源,而且还可以作为蒸汽透平的动力源。随着工业生产过程规模的不断扩大,生产过程不断强化,作为全厂动力和热源的锅炉设备,亦向大容量、高参数。高效率方向发展。为确保锅炉生产的安全操作和稳定运行,对锅炉设备的自动控制也提出了更高的要求。
锅炉控制装置,其主要的任务是保证锅炉的安全、稳定运行,同时减轻工作人员的劳动强度,确保人员的人身安全。锅炉的汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数。水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热器内结垢,影响传热效率,严重的将引起过热管爆管;水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环,引起水冷壁局部过热而爆管。尤其是大型锅炉,例如,30万kW机组的锅炉蒸发量为1024t/h,而汽包容积较小,一旦给水停止,则会在十几秒内使汽包内的水全部汽化,造成严重的事故。
锅炉给水调节对象可以用如下所示图1表示。
图1 给水调节对象
给水调节机构控制给水量W。汽轮机耗气量D是由汽轮机来控制的。水冷壁 与汽包存在水部分构成了水循环系统。初看起来,汽包水位的动态特性似乎与单容水槽一样,但是实际情况要复杂得多。其中最突出的一点是水循环系统中充满了夹带大量蒸汽气泡的水,而蒸汽泡的总体积Vs是随着汽包压力和炉膛热负荷的变化而改变的。如果有某种原因使蒸汽泡的总体积改变了,即使水循环系统中的总水量没有变化,汽包水位也会随之发生变化。
影响汽包水位H的主要有给水量W,汽轮机的耗汽量D等 两个主要因素。
1.1 给水扰动
在给水量W的阶跃扰动下,水位H的响应曲线可以用图2来说明。如把汽包及水循环系统当作单容量水槽,水位的响应曲线应该 如图中的直线H1。考虑到给水温度低于汽包内的饱和水温度,当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量,使锅炉的蒸汽量下降,水面以下的汽包总体积Vs也相应减小,导致水位下降。Vs对水位的影响可以用图中的曲线H2表示。水位H的实际响应曲线是H1和H2的总和。从图中可知,响应过程有一段迟延时间τ。给水的过冷度越大,纯迟延时间也越大。给水扰动 下的传递函数可以近似表示为
式中Ko为响应速度,即给水流量变化单位流量时,水位的变化速度。
1.2 负荷扰动
在耗气量D的阶跃扰动下,水位H的响应过程可以用图2来说明。当耗气量D突然阶跃增加时,一方面改变了汽包内的物质平衡状态,使水位下降,图中H1表示把汽包当作单容对象时水位应有的变化;另一方面,由于耗气量D的增加,迫使锅内汽包增多;同时由于燃料量维持不变,汽包压力Pd下降,使水面以下的蒸汽泡膨胀,总体积Vs增大,从而导致汽包水位的上升,如图中H2所示。汽包水位H的实际响应过程是H=H1+H2.对于大中型锅炉来说,后者的影响要大于前者,因此在负荷阶跃增加后的一段时间内不但不下降,反而上升。这种反常现象通常称为“假水位”现象。
负荷扰动下汽包水位的传递函数可以近似地表示为
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假水位现象;从反馈控制的思想出发,可以以水位信号H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)。算然对于大量的大中型锅炉来说,因为耗气量改变所产生的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假水位现象不明显,可以采用单冲量控制系统。对于大型超高压(接近临界压力)锅炉也可以采用这种控制对象,因为在超高压下气和水的密度相差不大,假水位现象并不显著。
因此,本次设计针对小容积锅炉和大型超高压锅炉,采用单冲量水位控制方案。
图4 单冲量水位控制系统 图5 单冲量控制系统方框图
如上图4所示为单冲量变量水位控制系统,图5为单冲量变量水位控制系统方框图。此系统有如下特点:
结构简单,投资少。
适用于汽包容量较大,虚假水位不严重,负荷较平稳的场合。
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
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