312-陳曉峰-鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)

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1、UniversityofSouthChina過(guò)程控制儀表課程設(shè)計(jì)題目：鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)學(xué)生姓名：陳曉峰班級(jí)：自動(dòng)化073班學(xué)號(hào)：20074460312指導(dǎo)老師：高飛燕唐耀庚2010年12月23日1系統(tǒng)簡(jiǎn)介鍋爐是過(guò)程工業(yè)中必不可少的動(dòng)力設(shè)備。它所產(chǎn)牛的蒸汽不僅可以供牛產(chǎn)過(guò)程作為熱源，而且述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。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

2、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。鍋爐給水調(diào)節(jié)對(duì)象可以用如下所示圖1表示。給水母管給水需閥圖1鍋爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制給水量肌汽輪機(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

3、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。其中最突岀的一點(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。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。1.1給水?dāng)_動(dòng)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III。考慮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

4、，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)間丫。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g)=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Wo0圖2給水流量擾動(dòng)下水位階躍段響應(yīng)曲線1.2負(fù)荷擾動(dòng)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)象吋水位應(yīng)有的變化；另一方面，

5、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，使水而以下的蒸汽泡膨脹，總體積Vs增大，從而導(dǎo)致汽包水位的上升，如圖中112所示。汽包水位H的實(shí)際響應(yīng)過(guò)程是H二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。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H(s)Hi(s)kfki~D(s)D(s)CS+l式中，匕響應(yīng)速度，即裁汽流量變化單位流量時(shí)水位的變化速度，(mm/s)/(t/h);kl一一響應(yīng)曲線//丄的放大系數(shù);T：——響應(yīng)曲線//＜

6、的時(shí)間常數(shù):圖3汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)作用下的階躍響應(yīng)曲線2設(shè)計(jì)方案及儀表選型2.1設(shè)計(jì)方案從上面的分析可知，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)于大量的大屮型鍋爐來(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，水面以下的氣泡體積不占很大比重。因此給水容積遲延和假水位現(xiàn)彖不明顯，可以采用單沖

7、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。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。圖4鍋爐水位單沖量控制系統(tǒng)原理圖圖5鍋爐水位單沖量控制系統(tǒng)方框圖如上圖4所示為單沖量變量水位控制系統(tǒng)原理圖，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)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少。（2）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。③為安全運(yùn)行，可設(shè)置水位報(bào)警和連鎖控制系統(tǒng)。2.2儀表的選型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