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1、武汉理工大学调节仪表与过程控制系统课程设计说明书目 录摘要11.概述21.1锅炉汽水系统介绍21.2汽包水位控制的难点22设计意义与要求32.1设计意义32.2设计要求33.汽包水位特性及其控制43.1汽包水位特性43.1.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性43.1.2汽包水位在蒸汽流量的作用下的动态特性53.2汽包水位控制方式64仪表选择74.1压力变送器的选择74.2液位变送器的选择74.3控制器的选择94.4执行器的选择94.4.1执行机构94.4.2调节机构104.4.3YHR电动执行器105.参数整定105.1PID各环节对系统控制的作用105.2PID参数整定方法115.2.1稳
2、定边界法115.2.2衰减曲线法125.2.3响应曲线法125.2.4经验法125.3参数整定及其仿真126心得体会157参考文献1615武汉理工大学调节仪表与过程控制系统课程设计说明书摘要蒸汽锅炉是厂矿重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。为此，锅炉生产过程的各个主要参数都必须严格控制。而利用余热气体作为热交换介质的余热锅炉在全国占有很大的比例，其节能降耗效果尤为明显。某化工厂硫酸余热锅炉就是利用余热锅炉副产品中压蒸汽供给各生产分厂使用，既保证料生产需要也达到了节能降耗的目的。锅炉是一个较为复杂的调节对象，为保证提供合格的蒸汽以适应负荷的需要，与其配套设计的控制系统必
3、须满足各主要工艺参数的需要。汽包水位是锅炉运行的主要指标。保持的水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。因为水位过高，会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸气带水过多，是过热器管壁结垢并损坏，同时使过热蒸汽的温度急剧下降。如果该带液蒸汽被用户用来带汽轮机，将会损坏汽轮机的叶片。水位过低，由于汽包内的水量较少，而负荷很大时，水的汽化速度加快，惹不及时加以控制，将使汽包内的水全部汽化，导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。因此必须对锅炉汽包水位进行严格控制.汽包水位自动调节的任务是给水量与锅炉蒸发量相平衡，并维持汽包水位在工艺规定的范围内。保持锅炉汽包水位在一定范围是锅炉稳定安全运行的主要指标。在参考了多种
4、设计方案后，本系统设计一种双冲量水位控制系统，能够很好补偿扰动产生的“假水位”现象,有利服务于现实生产。锅炉汽包水位双冲量控制系统的设计1.概述1.1锅炉汽水系统介绍如图1所示，经过处理后的水通过给水母管在给水调节器作用下，流经省煤器被加热后送入汽包，然后在汽包和管束系统中进行自然对流交换，汽包产生的蒸汽在上汽包中分离，从主汽管流出，在过热器中进行一步加热形成过热蒸汽后流向分汽缸，以便与工业生产以及其他用它用途。图1锅炉汽包系统图1.2汽包水位控制的难点水位的控制技术是通过控制进水和出水阀的开度，改变水流量来实现到。锅炉汽包水位的控制是锅炉控制系统较为重要和比较难控制的一项。由于锅炉在运行过程
5、中存在进水量和出水量的变化，所以很难通过调整PID参数来满足所以的运行条件，获得理想的效果。调节过量会导致流量回路动作频繁，从而给下游设备带来了额外的干扰，这样就倒是水位通常出于欠调整状态允许液位在一定范围内波动，以减小出水量的变化。然而欠调整的PID不能及时的抑制打扰动，这就可能引起锅炉运行的安全问题。此外，液位的波动也会破坏锅炉运行过程的稳定，使得整齐输送等不容易控制。影响锅炉汽包水位的关键量有给水流量，蒸汽出口流量和混合燃料的进料口。各变量都有各自不同的扰动。较冷的给水造成的相应的纯滞后。蒸汽流量的突然增加导致了典型的虚假水位现象，使得过程暂时改变了方向，容易发生误操作而导致发生事故。2
6、设计意义与要求2.1设计意义蒸汽锅炉是厂矿重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。为此，锅炉生产过程的各个主要参数都必须严格控制。而利用余热气体作为热交换介质的余热锅炉在全国占有很大的比例，其节能降耗效果尤为明显。某化工厂硫酸余热锅炉就是利用余热锅炉副产品中压蒸汽供给各生产分厂使用，既保证料生产需要也达到了节能降耗的目的。锅炉是一个较为复杂的调节对象，为保证提供合格的蒸汽以适应负荷的需要，与其配套设计的控制系统必须满足各主要工艺参数的需要。汽包水位是锅炉运行的主要指标。保持的水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。因为水位过高，会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸气带水过
7、多，是过热器管壁结垢并损坏，同时使过热蒸汽的温度急剧下降。如果该带液蒸汽被用户用来带汽轮机，将会损坏汽轮机的叶片。水位过低，由于汽包内的水量较少，而负荷很大时，水的汽化速度加快，惹不及时加以控制，将使汽包内的水全部汽化，导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。因此必须对锅炉汽包水位进行严格控制。2.2设计要求初始条件：锅炉汽包水位自动调节的任务是给水量与锅炉蒸发量相平衡，并维持汽包水位在工艺规定的范围内。汽包水位自动调节很重要，汽包水位过高，会影响汽水分离效果，使蒸汽带液，如果水位过低，会损坏锅炉，甚至引起爆炸。该对象的只要扰动是蒸汽负荷的变化。设计一控制系统，使汽包水位维持在1000.5，并能对蒸汽负
8、荷的扰动能及时克服。要求任务: 1、了解锅炉生产蒸汽工艺设备及其工作流程2、基于对象特点分析，绘制液位蒸汽双冲量控制系统方案图3、确定系统所需检测元件、执行元件、控制器技术参数4、撰写系统调节原理及调节过程说明书5、对该双冲量控制系统进行数值仿真6、总结课程设计的经验和收获3.汽包水位特性及其控制3.1汽包水位特性汽包和蒸发管系统中储藏着蒸汽和水，储存量的多少是以被控制量水位来表征的。汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量的时候，汽包水位就能恒定不变，引起水位变化的主要是蒸汽量的变化和给水量的变化。如果只考虑主要扰动，那么汽包水位对象的动态特性方程可以表示为： （1）式子中，
9、T1，T2为时间常数，为给水流量项时间常数，为蒸汽流量项时间常数，为给水流量项的放大系数，为蒸汽流量项的放大系数。3.1.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性给水量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变，那么给水量发生变化的时候，汽包水位的微分方程可以表示为： （2）从而可以得到汽包水位在给水量的作用下的传递函数： （3）的数值一般很小常常可以忽略不计，对于一些锅炉，在给水量增加较长时间里，汽包水位并不增加，存在较长一段时间的起始惯性。可以用以下式子近似表示; （4）由于要得出此动态数学模型必须通过现场数据采集和数据分析处理，最后可以得到锅炉汽包水位在给谁流量作用下的数学动态模型，在本次课设中，我查
10、阅相关资料了选取了一个实例的动态数学模型： （5）在给水流量的阶跃输入作用下，当突然加大给水量（蒸汽量不变）是给水量大于蒸汽量，但是因为温度较低的给多水进入了水环系统，使他从原有的饱和汽水中吸取了一部分热量，汽包和汽水管路中由于热量的损失，汽包减少。经省煤器进入汽包给水，首先必须填补由于汽水管路中蒸汽减少让出的空间，这时虽然给水量增加，但是水位还是基本保持不变。但水面下汽包的体积变化过程逐渐平静时，汽包水位才由于储存量的增加而逐渐上升。当水面下汽包体积不再变化，完全稳定下来时，水位就随着存水量的增加而上升。3.1.2汽包水位在蒸汽流量的作用下的动态特性汽包水位在蒸汽流量扰动的动态特性可以用下面
11、式子表示; （6）在其它条件不变的情况下，蒸汽用量突然增加，瞬时间必然会导致汽包压力下降，汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，气泡体积增大，使汽包水位升高（水量实际上在减少）。这种压力下降而非水量增加导致的汽包水位上升的现象成为“虚假水位”现象，图2给出了在蒸汽流量扰动作用下，汽包水位的阶跃响应曲线。图2其蒸汽流量阶跃扰动作用下的汽包水位相应曲线当蒸汽流量D突然增加时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽大于给水量，水位应下降，如图曲线，实际上，由于蒸汽流量的增加瞬时间必然导致汽包压力下降。汽包内的沸腾突然增加，水中气泡迅速增加，由于气泡的体积增加使水位的响应曲线如图中/,而实际显示的水位曲线
12、应该是为和的叠加，即。从图中可以看出蒸汽用量增加，在开始阶段水位不会下降反而会先上升，然后再下降，这个现象称为“虚假水位”蒸汽扰动时。水位的变化的动态特性用传递函数表示为： （7）式中为蒸汽流量变化的单位流量时水位的变化速度，为响应曲线的放大倍数，为响应曲线的时间常数。造成虚假液位的原因：一是锅炉蒸汽负荷增加使炉管和汽包中汽水混合物的汽水比例发生变化（汽容积增加)而引起汽包水位上升，这是引起汽包虚假液位的主要原因。二是蒸汽流量增加，汽包气压下降，泸水沸点下降，由于锅炉水位饱和水的汽化，是汽包水位随压力下降而升高。虚假水位变化的大小与锅炉的工作压力和蒸发量有关。一般蒸发量为100230t/h的高
13、压锅炉中，当负荷变化10%时，假水位可以达到3040mm.所以克服虚假水位现象带来调节的误动作变得很有必要。查阅一个实例的汽包水位在蒸汽流量作用下的动态数学模型： （8） 3.2汽包水位控制方式汽包水位控制的目的是要克服锅炉负荷变化引起的虚假液位的影响和各种干扰对水位的影响，维持汽包水位在允许的范围内变化。在工业汽包水位的自动控制中，针对不同的控制信号有单冲量控制系统，双冲量控制系统和三冲量控制系统。按照此次课设的方案是设计双冲量控制系统。双冲量控制系统是以锅炉汽包水位测量信号作为主控信号，以蒸汽流量信号作为前馈信号构成的“前馈反馈”控制系统。汽包水位的主要扰动是蒸汽流量的变化，如果系统除了汽
14、包水位控制外，还能利用蒸汽流量变化对水流量进行补偿控制，就可以消除或减小虚假水位现象对汽包水位的影响，而且使给水调节阀的调节及时，这就构成了双冲量控制系统，如图3所示。双冲量控制系统实质是一个前馈控制（蒸汽流量)加单回路反馈控制的前馈-反馈控制系统，当蒸汽流量变化时，调节阀及时按照蒸汽流量的变化变化进行给水流量补偿，而其他干扰对水位的影响由反馈控制回路克服。图3双冲量控制系统框图途中加法器将控制器的输出信号和蒸汽流量变送器的信号求和后，控制调节阀的开度，调节给水量。当蒸汽流量变化时，通过前馈补偿直接控制给水调节阀。使汽包进出水量不受虚假水位的影响而及时达到平衡，这样就克服了由于蒸汽流量变换引起假水位变化所造成的汽包水位剧烈波动。引入蒸汽流量来校正不仅可以补偿“虚假水位”所引起的误动作，而且还能是给水调节阀的动作及时从而提高控制质量。但这里的前馈仅为静态前馈，如果要考虑两条通道在动态上的差异则还需要引入动态补偿环节。在给水量压力比较平稳时，采用双重量控制就能够达到控制要求。双冲量水位控制系统存在的问题有：一是对于给水系统的扰动不能直接补偿。当给水量发生扰动时，要等到汽包水位
