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1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学过程控制过程控制 课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目： 锅炉汽泡水位控制系统设计锅炉汽泡水位控制系统设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 自动化自动化092092班班 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 起止时间：起止时间： 本科生课程设计（论文）1课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 学 号09030学生姓名专业班级自动化课程设计（论文）题目锅炉汽包水位控制系统设计课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能课题完成的
2、设计任务及功能、要求、技术参数实现功能在工业生产中经常要对锅炉汽包的液位进行控制，为了能够精确控制液位高度，保证 正常生产，要求设计液位闭环反馈控制系统，能抑制流量波动，且系统无余差。本设计要 求设计一个锅炉汽包液位闭环反馈控制系统，采用适合的控制算法，输入设定水位值，并 实时显示当前水位。设计任务及要求设计任务及要求1、确定控制方案并绘制 P&ID 图、系统框图； 2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数； 3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；4、若设计由计算机实现的数字控制系统，应给出系统硬件电气连接图及程序流程图；5、在实验室进行计算机软件仿真，并给出仿真结
3、果；6、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在 4000 字以上技术参数：技术参数：测量范围：20100cm ；控制精度：0.5cm ；控制液位：80cm；最大偏差：1cm。进度计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。 （2 天，分散完成）2、确定系统的控制方案，绘制 P&ID 图、系统框图。 （1 天，实验室完成）3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数。 （2 天，分散完成）4、确定控制器的控制规律、控制器正反作用方式以及保证系统无余差。 （实验室 1 天）5、仿真分析或实验测试、答辩。 （3 天，实验室完成）6、撰写、打印设计说明书（1天
4、，分散完成）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日本科生课程设计（论文）2注：成绩：平时 20% 论文质量 60% 答辩 20% 以百分制计算本科生课程设计（论文）3摘要锅炉是生产过程中必不可少的设备。它所生产蒸汽不紧供生产过程作为热源，而且还作为蒸汽透平热力源。锅炉控制装置其主要作用是保障锅炉的安全，稳定运行准则。因此，在设计控制系统时要求供给蒸汽量应适应负荷变化需要或保持给定负荷，蒸汽压力，过热蒸汽温度，气泡水位，炉膛负压都应保持在一定范围内。本设计的被控变量为气泡水位，操纵便能量为给水量，给水量的高低直接影响着锅炉和汽轮机的安全运行，过高会影响
5、汽水分离机的正常运行，过低会破坏正常水循环。所以过高过低都是不允许的。本设计是针对锅炉气泡水位做出合理的设计方案，使气泡水位维持在一定的范围内，以保证锅炉设备的安全稳定运行。关键词：锅炉汽泡；水位控制；蒸汽流量本科生课程设计（论文）4目 录第 1 章 绪论 .1第 2 章 课程设计的方案 .22.1 概述 .22.2 虚假水位的行程及对策 .22.3 汽泡水位的影响因素 .22.4 汽泡水位控制方案设计 .3第 3 章 硬件设计 .73.1 液位传送器选型.73.2 流量传送器选型.73.3 执行器选型.83.4 控制器器选型.9第 4 章 锅炉汽泡水位的模型及仿真 .114.1 仿真分析 .
6、114.2 仿真分析.12第 5 章 课程设计总结 .15参考文献 .16本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论锅炉烧水会产生高温高压的蒸汽，其温度可以达到 1000 多度，这样的蒸汽可以作为强大的动力源，蒸汽锅炉的作用是供给稳定的蒸汽产品，为保证提供合格的蒸汽产品来适应负荷的需要，与其配套的控制系统必须满足各工艺参数。保持锅炉汽泡水位在一个规定的范围内变化，对于锅炉的安全运行是非常重要的，由于锅炉的水位同时受到锅炉侧，汽轮机侧，燃烧状况及给水量等因素的干扰，而使其水位经常变化。因此锅炉气泡水位应根据设备的运行状况进行实时调整，以严格保证设备的安全运行。工业锅炉气泡水位控制的任务是让生产的蒸
7、汽量与给水量形成一个平衡，这样既保证了蒸汽产品的供应量与质量，又使整个系统得以安全运行，同时锅炉气泡水位也间接的体现了锅炉负荷与给水量之间的平衡关系。以前的工作的过程是以各分立元件做基础，利用各个检测器件对被控参数进行检测与反馈，反馈信号经控制器运算输出到执行器来改变各量，使系统恢复正常与稳定。达到自动控制的目的，但是这种方法分立器件多，系统反馈回路相对复杂，受分立器件性能影响大，系统内部各部分的影响也较大，使自动控制能力下降。液位控制是通过控制阀改变开度影响给水量控制的，而水温的控制是通过调节加热的功率实现的。由于锅炉运行过程中存在进水量和出水量的变化，很难通过调节 PID 控制参数来满足所
8、有的运行条件，而获得理想的控制结果。给水量，蒸汽的出口流量和燃料的进料量是使液位变化的主要扰动量，其扰动影响各不相同。本设计的主要工作有：设计锅炉气泡水位的控制方案从水位的的动态变化入手，找出影响液位的主要原因，选择合适的操纵变量使水位在干扰作用下得到稳定的调节，来恢复平衡。硬件设备的选择在选择硬件设备时一定要选择参数与你设计的控制系统基本吻合的，这样可以减少系统内部各部分别的影响，提高系统的稳定性与安全性。PID 参数PID 参数设置一定要合理，这样才能使液位得到很好的调整。本科生课程设计（论文）2第 2 章 课程设计的方案2.1 概述本次设计是综合运用所学知识，设计锅炉汽泡液位控制系统，并
9、在实践的基础上提高对知识的理解，提高综合运用过程控制知识的能力，并初步掌握小系统的过程设计方法。应用场合：应用于锅炉液位控制系统，控制系统，通过检测器，控制器，执行器等器件，完成对液位的控制。系统功能介绍：能显示系统实时液位数值，扰动进入系统后，不需要任何人工参与便可回到稳态值，实现了液位的自动控制，确保了系统安全稳定的运行。2.2 虚假水位的行程及对策虚假水位是锅炉运行时不真实的水位，气泡压力突降时，炉水饱和温度下降到压力较低时的饱和温度，使炉水大量放热蒸发，使炉水内的气泡增加，汽水混合物体积膨胀，使水位很快上升形成虚假水位，当气泡压力突增时，饱和温度升高，部分炉温被用于加热炉水，相应的蒸发
10、露水的热量减少，炉水气泡减少，炉水体积收缩，形成虚假水位。此外锅炉内外负荷增加或骤减时，水的比热容增大或减小，也会形成虚假水位。在输入端引入蒸汽流量信号，设置水位系统的前馈调节，当蒸汽流量增大或减小时，给水量也会相应增大或减小，给水量增多或减小使温度下降或升高，反之当给水量增大或减小时，蒸气流量也会相应的增加或减小，蒸汽流量增加或减小使炉温升高或下降，有利于克服“虚假水位”的影响。2.3 汽泡水位的影响因素在控制系统中，扰动量有，蒸汽流量，给水流量等，当蒸汽流量增加时，气泡温度上升，气泡压力减小，气泡蒸发变快气泡增多，出现虚假水位现象，反之也同样会有虚假水位的现象，虚假水位打破了系统原有的平衡
11、状态，破换了洗头的稳定性，如果调解不及时，严重者会导致干锅现象，损坏锅炉设备，降低了谁把诶诶的寿命。本科生课程设计（论文）3当给水量增加时液位升高，导致液位温度下降，造成蒸发温度低，出现蒸汽带液，供给动力不足，设备生产效率降低，同时由于温度降低气泡内压力增大，使用于蒸发水的热量减小，气泡减少，炉水体积收缩，产生虚假水位现象。此外他是一个具有延时时间的积分环节，水的温度越低延时时间就会越长，系统衰减比增大，俞差为零，最大偏差减小，系统达到稳态的时间变长，控制作用下降。此外还有汽轮机耗气量的多少，汽轮机耗气量变大时，使供给炉水加热的温度减小，打破了系统原有的物料平衡，还会导致虚假野味的现象产生。由
12、以上分析可知，给水量扰动下的水位相应有迟滞性，负荷扰动下的水位有“假水位”现象，这些特性使得气泡水位的变化受到多种因素的影响，因而对他的控制就变得比较复杂。2.4 汽泡水位控制方案设计（1）方案一单冲量控制系统从反馈与自动控制的角度出发，很容易想到气泡水位作为被控对象，给水量作为操纵变量构成单回路自动控制系统，即水位单冲量控制系统，如图 2.1 所示，这是一个最基本的控制方案，其方框图为 2.2，其特点为：结构简单，投资少，适用于气泡容量较大，虚假水位不严重，负荷较平稳的场合。该过程具有虚假水位的反向特性，因此，当符合变化较大时，会造成控制器输出误动作，严重影响设备的运行寿命和安全，影响控制系
13、统的控制品质。蒸汽负荷变化后，要在引起水位变化后才改变给水量，因此控制不及时。（2）方案二双冲量控制系统从物质平衡的角度出发，保证给水量永远等于蒸发量就可以保证汽泡水位大致不变。故应在单冲量控制基础上引入蒸汽流量作为前馈信号构成双冲量水位自动控制系统。这种控制方式的优点是：蒸汽流量为前馈控制信号，可以消除“虚假水位”对控制系统的不良影响。当蒸汽流量变化时给水量也会同方向跟随蒸汽量变化，这就消除了由于“虚假水位”产生的误动作，因而大大减小了给水和水位的波动，能够改善控制系统的静态特性，提高控制品质，其原理图和方框图见图 2.3 和 2.4由于过程控制系统总有滞后特性，总是在扰动量引起被控变量变化后很总是在扰动量引起被控变量变化后很长一段时间才会得到调节，因此控制器参数要达到新的稳定状态就要经历相当长的时间，滞后时间越长控制器参数变化的幅度就越大，偏差持续的时间就越长，为了解决这一问题，需要将扰动量前馈，这样扰动一产生，前馈控制器就有输出，在被控变量变
