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1、锅炉汽包水位限制系统的设计目录1引言-1 -1.1 论文选题背景、目的和意义-1-1 . 1. 1 电厂热工自动化限制的发展-2-2 .1.2自动限制理论的发展-2-1.2 限制系统规模、组成结构和硬件的发展-3-1.2.1 1 初级阶段-3-1.2.2 常规仪表阶段-3-1.2.3 大型自动化阶段-3-1 . 3 国外一些主要的DCS系统-4 -2 汽包锅炉工艺-4-2 . 1汽包锅炉简介-4-3 .2 汽包水位限制系统-5-4 .3 汽包水位的动、静态特性-5-2. 3. 1汽包水位在给水流量作用下的动态特性-6-3. 3.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性-7-4. 3.3 燃料量扰
2、动下汽包水位的动态特性-8-5. 3. 4水位对象静态特性分析-9 -3目前主要存在单冲量水位限制系统、双冲量限制系统、三冲量系统-9-6. 1单冲量水位限制方案-9-7. 2双冲量限制方案-10-8. 3三冲量限制系统-13-3. 3. 1三冲量限制方案之一-13 -4. 3.2 三冲量限制方案二-15-5. 3.3 三冲量限制方案三-16-1.4 几种限制方案的比较-18-1.5 最优方案解析-19-1.6 三冲量限制系统的工程整定-21-1.6.1 输入信号之间的静态协作-21-3. 6. 2 限制系统动态整定-23 -4工程中须要留意的问题-25-4.1关于汽包水位测量的问题-25-4
3、. 2给水阀的选择问题-25 -4. 2.1关于给水调整阀的气开气关的选择。-25-4. 2. 2关于给水调整阀型号的选择0 -25-4.3给水流量蒸汽流量-26-5. 结束语-26 -参考文献-26-致谢-27-水位对象静态特性分析对于一台固定容量的汽包锅炉，当设计完成后，其汽包、蒸发管道容量是固定的。汽包及蒸发 管道系统中贮藏着蒸汽、水，贮藏量的多少，是以汽包水位H表征的，其大小受到汽包的流入量（给 水量），流出量（蒸发量）之间平衡关系的影响，同时还受到在给水循环、管道中汽水混合物内汽水 容积变更的影响。系统输入输出之间的静态关系式为：H=f （W, D）其中：H汽包水位；W给水流量；D蒸
4、汽流量；系统在稳态时，给水量和蒸发量之间保持平衡，汽水容积也保持不变，水位H保持稳定4 H=0o3目前主要存在单冲量水位限制系统、双冲量限制系统、三冲量系统3.1 单冲量水位限制方案汽包A蒸汽图5单冲量水位限制系统如图5所示是单冲量变量水位限制系统。单冲量即汽包水位。这种限制结构简洁，是单回路定 制限制系统，在汽包内水的停留时间较长，负荷又比较稳定的场合下再配上一些锁报警装置就可以平安操作。然而，在停留时间较短，负荷变更较大时，采纳单冲量水位限制系统就不能适用。这是由于： 负荷变更时产生的“虚假水位”将使调整器反向错误动作，负荷增大时反向关小给水调整阀，一 到闪急汽化平静下来，将使水位严峻下降
5、，波动厉害，动态品质很差。负荷变更时，限制作用缓 慢。即使”虚假水位“现象不严峻，从负荷变更到水位下降要有一个过程，再有水位变更到阀动作 已滞后一段时间。假如水位过程时间常数很小，偏差必定相当显著。给水系统出现扰动时，动作 缓慢。假定给水泵的压力发生变更，进水流量马上变更，然而到水位发生偏差而使调整阀动作，同 样不够刚好；为了克服上述这些冲突，可以不仅依据水位，同时也参考蒸汽流量和给水流量的变更，则可用 双冲量或三冲量限制系统来限制给水调整阀，能收到很好的效果。从反馈限制的思想动身，很自然地会以水位信号H作为被调量，给水流量作为调整量，构成单 回路反馈系统。这是一个基本的限制方案。对于小容量锅
6、炉来说，它的蓄水量较大，水面以下的汽 包体积不占很大比重。因此，给水容积延迟和假水位现象不明显，可以采纳单冲量限制系统。对于 大型超高压（接近临界压力）锅炉也可采纳这种限制对象，因为在超高压汽和水密度相差不大，假 水位现象不显著。但是，对于大量的大中型锅炉来说，这种系统不能满意要求。因为汽机耗气量变 更所产生的假水位将引起给水调整机构的误动作，致使汽包水位激烈地上下波动，严峻的影响设备 的寿命和平安。所以对大中型锅炉不能采纳单冲量限制系统，必需寻求其他解决方法。3.2 双冲量限制方案厂）（a）原理图r（b）方框图图6 双冲量限制系统在汽包的水位限制中，最主要的扰动是负荷的变更。用双冲量限制系统
7、不但可以引用蒸汽量来 效正，而且可以补偿“虚假水位”所引起的误动作，使给水调整阀的动作刚好。其限制系统如图6 所示从本质上看，双冲量限制系统是一个前馈（蒸汽流量）加单回路反馈限制系统的复合限制系统。 这里前馈仅为静态前馈，若须要考虑两条通道在动态上的差异，需引入动态补偿环节。图6所示连接方式中，加法器的输出I是：I =C/c土。2乙/式中/c水位调整器的输出；/ 蒸汽流量变送器（一般经开放器）的输出；-L r/。一 一初始偏置值；c 加法器的系数。C2是取正号还是负号，即进行加法还是减法，要由调整阀的气开或气关形式来确定。一般从平 安的角度选用调整阀的气开和气关的。假如高压蒸汽是供应蒸汽透平机
8、等，那么为爱护这些设备以 选用气开阀为宜；假如蒸汽作为工艺生产热源时，为爱护锅炉设备以采纳气关阀，I应减小即C2应取负号；假如采纳气开阀，I应增加即C2应取正号。C2的数值应当考虑达到静态补偿。倘使现场试凑，那么应当在只有负荷的状况下调整到水位基 本不变，倘使有阀门特性数据，它的放大系数人是:式中A/阀门输入信号变更量;AW给水流量变更量。在测量方面，假设为线性，则A =-（7-7 ）-l Fmax Z-/ minz文，max式中，A/尸一蒸汽流量变送器的输出变更量;AQ一蒸汽流量变更量;D一蒸汽流量变送器量程，从零起先;1- max(ZmaxZmiJ变送器输出的最大变更范围。要达到静态补偿，
9、应保持物料平衡，即有:AW = aAD上式中a是一个系数。假如给水流量和蒸汽流量用体积来表示，a明显不等于1。即运用重量来表 示，由于排污要放出一部分水，进水重量要稍大于蒸汽量，即要求al。由于加法器的作用，在负荷变更 If时，给水量的变更是:W = KM = KCIf= K-G 景（ZmZmin）a=kv max ZmiJ有些装置中，由于水位上升与蒸汽流量增加时，阀门动作方向相反，信号肯定相减；而采纳另 一种接法，即将加法器放在调整器之前。如图7 (a)所示:(a)(b)图7双冲量限制系统的其它接法这样的接法的好处是运用的仪表少，因为一台双通道调整器就可以实现加减和限制的功能。 (假如水位调
10、整器采纳单比例，则这种接法与图6可以等效转换，差别不大)。但是，水位调整器采纳PI作用，而测量值又是水位与蒸汽流量之差，结果明显不能保证水 位无差。除非流量参数经过微分，而且不引入固定重量，见图7 (b)o等效转换后其等式项是：1TTd、Kc(i+节)L = Kc 旁+ 1,加I id11只有对流量信号不起积分作用，才可保证水位无余差。3.3三冲量限制系统双冲量限制系统还有两个弱点，即调整阀的工作特性不肯定是线性，这样要做到静态补偿不是 很准；同时对于给水系统的扰动不能干脆补偿。为此，将给水流量信号引入，构成三冲量限制。3. 3. 1三冲量限制方案之一图8所示是三冲量限制方案之一。该方案实质上
11、是前馈(蒸汽流量)加反馈限制系统。这种三 冲量限制方案结构简洁，只须要一台多通道调整器，整个系统亦可看作三冲量的综合信号为被控变 量的单回路限制系统，所以投运和整定与单回路一样，但是假如系统设置不能确保物料平衡，当负 荷变更时，水位将有余差。(a)原理图(b)方框图图8三冲量限制方案之一依据这条原则，可以确定二。和的比值，详细是这样设置的:蒸汽流量的变更量与其变送器(线性)的关系是:maxD min给水流量的变更量与其变送器(线性)的关系是:w =/cWmaxmin由物料平衡关系可得:/cWmax /Dmax而 aDAlF = awAIc所以，由上两式比较可得：为=忆海aDa D.ax其次是用
12、来确定前馈作用的强弱，因为上式仅知道y。和Ow的比值，其大小依据过程特性确 定，其大小反映了前馈作用的强弱。ao越大其前馈作用越强，则扰动出现时，调整阀开度的变更 亦越大。3. 3.2三冲量限制方案二三冲量限制方案二如图9所示，该方案与方案一相类似，仅是加法器位置从调整器前移至调整 器后。该方案相当于前馈一串级限制系统，而副回路的调整器比例度为100%,该方案不管系数1。和 a卬如何设置，当负荷变更时，液位可以保持无差。(a)原理图(b)方框图图9三冲量限制方案之二三冲量限制方案三图10所示是三冲量限制方案之三，这是一种前馈(蒸汽流量)与串级限制组成的复合限制系统。在汽包停留时间较短，“虚假水
13、位”严峻时，需引入蒸汽流量信号的微分作用，如图中虚线所示。这种微分作用应是负微分作用，起一个动态前馈作用，以避开由于负荷突然增加或削减时，水位偏 离设定值过高或过低而造成锅炉停车。(a)原理图Fd(b) 方框图图10三冲量限制之三对图10中方框图进行分析。假如副回路跟踪很好，近似为1： 1的环节，则前馈补偿模型为:GqG/S)由前述动态特性可知:KfG玲Gi =K。、K?S 725 + lKsK7;s + i假设K产Ko, & = K T? = Tj事实上不行能得到e因此前馈补偿模型可近似为: K。GQi 一KN兀s+i所以蒸汽流量信号引入负微分（无恒定重量）后，可以满意上式，这样动态补偿可以
14、获得较好的效果。三冲量限制对单、双冲量限制方案取长补短，极大地提高了水位限制质量。例如，当耗气量 D突然阶跃增大时，一方面由于假水位现象水位会短暂上升，它使调整器错误地指挥调整机构增 加给水量。另一方面，D的增大又通过双冲量限制作用指挥调整机构增加给水量。实际给水量是 增大还是削减，取决于系统系数的整定。当假水位现象消逝后，水位和蒸汽信号都能正确地指挥 调整机构动作。只要参数整定合适，当系数复原平衡以后，给水量必定等于蒸汽流量，水位H也 就会维持在设定值。3.4几种限制方案的比较单冲量水位限制是汽包水位自动限制中最简洁最基本的一种形式，是典型的单回路定值限制系 统，但它不能克服“虚假水位”的影
15、响，而且没有给水流量信号的反馈，所以水位波动较大。双冲 量水位限制系统是在单冲量限制的基础上，引进蒸汽流量作为前馈信号。该限制系统的特点是：引 入的蒸汽流量前馈信号可以消退“虚假水位”对调整品质的不良影响。当蒸汽流量变更时，就有一 个给水量与蒸汽量向同方向变更的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”引起的给水量与蒸汽量 反方向变更的误动作，使调整阀从一起先就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量与水位的波 动，缩短调整的时间。而且引入的蒸汽流量的前馈信号，能改善调整系统的静特性，提高调整质量。 双冲量水位限制系统适用于小型低压而且给水压力较稳定的锅炉。当给水压力常常有波动，给水调 整阀前后压差不
16、易保持正常时，不宜采纳双冲量限制；另外在大型锅炉的限制中，锅炉容量越大， 压力越来越高，汽包的相对容水量就越小，允许波动的储水量就更少。为了把水位限制平稳，在双 冲量水位调整的基础上引入了给水流量信号，由水位蒸汽流量和给水流量就构成了三冲量水位限制 系统，在这个系统里，汽包水位是被控变量，是主冲量信号，蒸汽流量 给水流量是两个协助冲量信 号。三冲量水位限制系统抗干扰实力强，适用于大中型中压锅炉。三冲量限制方案一：方案一宜作为一般锅炉水位的限制方案，其特点是运用的设备少，整定方 文 摘本文在详细分析了一些影响汽包水位对象限制主要因数的基础上，探讨了目前通常采纳的限制方法,深化分 析了水位对象模型
17、的动静特性。首先从锅炉汽包内水的热平衡、物质平衡原理动身，推导出了用来描述锅炉水位对 象的通用机理限制模型，通过对几种限制方案的分析、探讨与比较，选三冲量系统作为最佳限制方案，并着力探讨 三冲量系统的特点。随后对其在PID的参数整定方面也进行了必要的分析，并略述了工程中须要留意的问题。在此 基础上，我们可以了解到汽包水位限制系统的新发展。关键词锅炉汽包；水位限制；三冲量限制系统；PID；参数整定；最佳方案1引言1.1论文选题背景、目的和意义随着电子产品的降价及自动化生产线工艺限制连续稳定优势的凸现，越来越多的企业打算将自己 的核心生产线改成全自动化生产线或者对个别关键工艺参数采纳自动限制。工业
18、应用自控技术在中 国的推广运用较晚，但近年来发展较快。国内现在做汽包水位自动限制系统方面的设计公司许多， 但由于能够集工艺要求、自动化技术和电气技术三者于一体的设计不多，所以人们清晰地相识到自 动限制技术在工业应用中的重要地位和作用，在水位限制系统中，主要采纳“三冲量限制”方案来 实现锅炉汽包水位限制更是重中之重。本设计是通过了解了锅炉汽包水位限制的发展并在详细分析其动、静特性的基础上从单冲量限 制到双冲量限制最终到三冲量限制的设计方案中择优选择了 “三冲量”限制，详细的方案设计存在 的优缺点详见下文解析。本课题的目的及意义：锅炉汽包水位限制是维持锅筒水位在允许的范围内，使锅炉的给水量适 应锅
19、炉的蒸发量。由于锅炉的水位同时受到锅炉侧和气轮机侧的影响，因此，当锅炉负荷变更或气 轮机用汽量变更时，通过给水调整系统保持锅炉的水位正常是保证锅炉和气轮机平安运行的重要条 件。水位过高或过低，都是不允许的。水位过高会影响汽水分别器的正常工作，严峻时会导致蒸汽 带水增加，使过热器管壁和气轮机叶片结垢，造成事故；锅炉出口蒸汽带水过多还会使过热蒸汽温 度产生急剧变更。水位过低，则会破坏正常水循环，危及水冷壁受热面的平安。一般要求锅筒水位 维持在设计值75 100mm范围内。法比较简洁，调整机构动作比较平稳。三冲量限制方案二：与方案一比较，其加法器从调整器前移至调整器后，即使出现物料不平衡 的现象，只
20、要水位有偏差，调整器的积分作用就能消退偏差。三冲量限制方案三：采纳这种限制方案，在负荷变更时给水流量会刚好做出相应变更，调整时 间也比较短，对于克服“虚假水位”的动态偏差有进一步的好处。方案三适用于大容量高压锅炉， 而且要求水位限制严格的场合。3.5最优方案解析图11锅炉汽包水位的三冲量调整系统流程图从前面的分析、比较，我认为三冲量限制系统是最优限制。下面探讨一种常见的三冲量调整系 统:蒸汽流量和给水流量前馈与汽包水位反馈所组成的三冲量系统。图11中所示的三冲量系统，汽包水位是被控变量，是主冲量信号,蒸汽流量和给水流量是协助 冲量信号。系统将蒸汽流量和给水流量前馈到汽包水位调整系统中去,一旦蒸
21、汽流量或给水流量发生 波动，不是等到影响到水位才进行调整,而是在这两个流量变更之时就能通过加法器马上去变更调 整阀开度进行校正，故大大提高了水位这个被调参数的调整精度。在稳定状态下，水位测量信号等于给定值,水位调整器的输此蒸汽流量及给水流量等三个信号, 通过加法器得到的输出电流为：I。二 Ki I-K2 I2+ K3 I3式中，L为液位调整器的输出电流；12为蒸汽流量变送器的电流;L为给水流量变送器的电流;K、K2、人分别为加法器各通道的衰减系数。设计 K2 12 K3 I3此时I。正是调整阀处于正常开度时所须要的电流信号（为了平安调整阀必需用气关阀）。假定 在某一时刻，蒸汽负荷突然增加，蒸汽
22、流量变送器的输出电流12相应增加，加法器的输出电流Io就 削减，从而开大给水调整阀。但是与此同时出现了假水位现象,水位调整器输出电流11将增大。由 于进入加法器的两个信号相反，蒸汽流量变送器的输出电流12会抵消一部分假水位输出电流L , 所以，假水位所带来的影响将局部或全部被克服。待假水位过去，水位起先下降,水位调整器输出电流L起先减小，此时，它与蒸汽流量信号变 更的方向相反，因此加法器的输出电流Io减小，意味着要求增加给水量，以适应新的负荷须要并 补充水位的不足。调整过程进行到水面重新稳定在给定值，给水量和蒸发量达到新的平衡为止。当 蒸汽负荷不变,给水量本身因压力波动而变更时,加法器的输出相
23、应变更,去调整阀门开度,直至给水 量复原到所需的数值为止。由于引进了蒸汽流量和给水流量两个协助冲量,起到了 “超前信夕的作 用，使给水阀一起先就向正确的方向移动，因而大大减小了水位的波动幅度，抵消了虚假水位的影响, 并缩短了过渡过程时间。图12为三冲量水位调整方案图，图13为三冲量水位调整方框图。图12三冲量水位调整方案图13三冲量水位调整方框图由上面对三冲量系统的一些探讨的同时我们不能忽视其整定的重要性，下面就小论其工程整定问题。3.6三冲量限制系统的工程整定众所周知，要使限制系统具有良好的限制性能，除了必需正确设计以外，还必需正确、细致的 整定。三冲量限制系统的工程整定方法比较特别，这里主
24、要结合图14所示的系统探讨三冲量限制系 统的工程整定问题。三冲量给水限制系统图如图14所示。图14三冲量给水限制系统3. 6.1输入信号之间的静态协作对于单冲量系统来说，只要调整器是比例积分动作的，那么，在限制过程结束以后被调量就没 有静态偏差。对于三冲量系统则不然，即使采纳比例积分调整器，也不肯定能保证无差，还必需解 决一个输入信号系统的静态协作问题。现在把图14所示的限制系统以传递函数方框图的形式重画成图15图15三冲量限制系统的方框图图中各符号的意义如下：Kh，Th，Tw，Kq，Tn分别为水位、给水流工4 HW 4 d D AD量和蒸汽流量的一次测量仪表及变送器的传递系数和时间常数o，w
25、，nD分别为水位，给 水流量和蒸汽流量的分流系数0 v n Honeywell Tayler Foxboro；以及日本的横河北辰、日立、东芝；德国的Siemens等多跨国公司。这些成熟的DCS系统都有牢靠的性能，都有对于特地的生产过程发展的DCS系统，可以 很便利、随意的组态，里面都包含了几乎全部的限制算法，用户可以依据现场状况实现自己的限制 策略。由于这些系统的良好的开放性，用户可以在此基础上作二次开发，把最新的技术应用到自己 的系统中来，增加原系统的功能。2汽包锅炉工艺2.1 汽包锅炉简介在设计锅炉汽包水位限制的过程中首先从汽包锅炉入手，汽包锅炉有自然循环方式和强制循环 方式两种，汽包锅炉
26、自动限制的任务与直流锅炉几乎一样，也是主要包括四个方面：（1）保证系统 平安运行；（2）保持燃烧的经济性；（3）保持炉膛负压在肯定范围内；（4）运行中保证气轮机所需 的蒸汽量，过热蒸汽压力和蒸汽温度的恒定。无论上一自然循环还是强制循环锅炉，其给水限制的 任务都是为了保证锅炉负荷和给水的平衡关系。但是，汽包锅炉由于有了汽包的存在，使锅炉的运 行方式、锅炉的结构、工作原理与直流锅炉不同，这就使实现限制的方式，采纳被调量都有所区分。汽包锅炉的工作原理：汽包锅炉的蒸发系统有汽包、下降管、安排水管、下联箱、上升管、 上联箱、上升管、上联箱、汽水引出管、汽水分别器组成，这种与直流锅炉结构的不同的最大优点
27、是：这个蒸发系统是闭合的，工质在全部时候都在这个闭合的蒸发管道系统中不断循环。锅炉的蒸 发受热面是有比较明显的分界线的。无论是自然循环还是强制循环汽包锅炉只是工质的循环方式不 同，并不变更汽包锅炉的工作原理。这主要是由锅炉运行参数确定的，而且没有很严格的规定，当 锅炉压力工作在9.8MPa18.6MPa范围内时，汽水密度差可以自行推动工质流淌，因此可以采纳自然 循环；当锅炉工作压力三16MPa时，一般可以采纳强制循环。调整过程特点：汽包水位成为给水限制的唯一标记，因此汽包水位：（1）反映了锅炉负荷与给 水的平衡关系；（2）汽包水位影响蒸发面的变更，影响锅炉的平安运行。因此在汽包锅炉中，给水 限
28、制比直流锅炉的给水限制简洁，其对象可以看成是带有可测扰动的两输入输出系统，其指标是单 一的，也即把水位维持在一个范围内即可。2.2 汽包水位限制系统众所周知，工业过程限制系统的平安性、稳定性、精确性和经济性是企业考虑的重中之重， 是衡量系统是否牢靠的重要指标。随着工业自动化整体水平的提高，方案的选择范围增多，但据不 同的要求和不同的侧重点，最优方案始终是我们的首选。下面以汽包水位限制系统的设计为例，对 几种方案略解。汽包水位是锅炉运行的主要指标之一，是一个特别重要的被控量。维持水位在肯定范围内是保 证锅炉平安运行的首要条件，这是因为：水位过高会影响汽包内汽水分别，饱和水蒸气温度急剧 下降，该过热蒸汽作为气轮机动力的话，将会损坏气轮机叶片，影响运行的平安性和经济性。水 位过低，则由于汽包内的水量转少，而负荷很大时，如不刚好调整就会使汽包内的水全部液化，导 致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。因此，锅炉汽包水位必需严加限制。2.3 汽包水位的动、静态特性 1一给水母管1 |二一/专2一给水调整阀I e,3_省煤器4一