[毕业设计精品]锅炉汽包水位控制系统设计.pdf
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1、 毕业设计毕业设计毕业设计毕业设计(论论论论文文文文)说说说说明明明明书书书书 毕业设计毕业设计毕业设计毕业设计(论文论文论文论文)题目题目题目题目 锅炉汽包水位控制系统设计 系 部:自动化与信息工程系 年级专业: 08 电气自动化二班 学生姓名: 学 号: 指导教师: 2011 年 5 月 18 日 毕 业 设 计 (论文) 任 务 书 姓名 专业 电气自动化技术 任 务 下 达 日 期 2011 年 2 月 21 日 设计(论文)开始日期 2011 年 2 月 28 日 设计(论文)完成日期 2011 年 5 月 18 日 设计(论文)题目: 锅炉汽包水位控制系统设计 A编制设计 B设计专
2、题(毕业论文) 指 导 教 师 系(部)主 任 2011 年 6 月 2 日 毕业设计(论文)答辩委员会记录 自动化与信息工程系电气自动化技术专业,学生 于 2011 年 6 月 12 日进 行了毕业设计(论文)答辩。 设计题目: 锅炉汽包水位控制系统设计 专题(论文)题目: 指导老师: 答辩委员会根据学生提交的毕业设计(论文)材料,根据学生答辩情况, 经答辩委员会讨论评定,给予学生 毕业设计(论文)成绩 为 。 答辩委员会 人,出席 人 答辩委员会主任(签字) : 答辩委员会副主任(签字) : 答辩委员会委员: , , , , , , , , , , , , 毕业设计(论文)评语 第 页 共
3、 页 学生姓名: 专业 电气自动化技术 年级 2008 毕业设计(论文)题目: 锅炉汽包水位控制系统设计 评 阅 人: 指导教师: (签字) 年 月 日 成 绩: 系(科)主任: (签字) 年 月 日 毕业设计(论文)及答辩评语: 摘摘摘摘 要要要要 锅炉汽包水位控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,当锅炉负荷变化或气 轮机用汽量变化时,通过给水调节系统保持锅炉的水位正常是保证锅炉和气轮机安全运 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离器的正常工 作,严重时会导致蒸汽带水增加,使过热器管
4、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化。水位过低,则会破坏正常水循环, 危及水冷壁受热面的安全。一般要求锅筒水位维持。 本设计是通过了解了锅炉汽包水位控制的发展并在具体分析其动、静特性的基础上 从单冲量控制到双冲量控制最后到三冲量控制的设计方案中择优选择了 “三冲量” 控制。 关键词关键词关键词关键词:锅炉汽包 三冲量 水位控制 设计 目录目录目录目录 引 言 . 7 0.1 设计的目的和意义 7 0.2 应解决的主要问题 7 0.3 国内外发展现状 7 0.4 指导思想 8 第 1 章 设计方案 . 10 1.1 单冲量水位控制系统 10 1.2
5、双冲量水位控制系统 11 1.3 三冲量水位控制系统 13 1.4 设计方案的确定 17 第 2 章 控制系统的设计 . 19 2.1 过程控制系统设计的一般要求及内容 19 2.2 控制系统方框图 19 2.3 锅炉三冲量控制系统工作原理及调节过程 . 19 2.4 串级控制系统的设计 20 第 3 章 控制系统各元器件选择 . 24 3.1 控制器的选择 24 3.2 控制阀选择 27 3.3 AI-808 型人工智能调节器 27 第 4 章 PID 控制器参数整定 . 29 4.1PID 控制的原理和特点 29 4.2PID 控制器的参数整定 29 结束语 . 32 参考文献 . 33
6、引引引引 言言言言 0.10.10.10.1 设计的目的和意义设计的目的和意义设计的目的和意义设计的目的和意义 锅炉烧水产生高温高压的蒸汽,蒸汽温度可以达到 1000 多度,用这样的蒸汽可以 用来消毒,煮饭,烧开水等。现在学校,工厂的食堂烧水做饭就是用锅炉烧水产生的蒸 汽做的。 锅炉汽包水位控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,当锅炉负荷变化或气 轮机用汽量变化时,通过给水调节系统保持锅炉的水位正常是保证锅炉和气轮机安全运 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离器的正常工 作,严重时会
7、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化。水位过低,则会破坏正常水循环, 危及水冷壁受热面的安全。一般要求锅筒水位维持。 在水位控制系统中,主要采用“三冲量控制”方案来实现锅炉汽包水位控制更是重 中之重。 本设计是通过了解了锅炉汽包水位控制的发展并在具体分析其动、静特性的基础上 从单冲量控制到双冲量控制最后到三冲量控制的设计方案中择优选择了 “三冲量” 控制, 具体的方案设计存在的优缺点详见下文解析。 0.20.20.20.2 应解决的主要问题应解决的主要问题应解决的主要问题应解决的主要问题 本设计主要解决传感器的选择(温度
8、,压力,水位) ,输出道的设计和软件程序的 设计。其所能达到的技术指标为: (1)可以对锅炉水位,蒸汽量和给水量分别采集 (2)通过单片机控制,使锅炉汽包水位维持在正常的范围内 (3)具有键盘显示功能 (4)具有报警功能当水位超过上限或下限时,能及时报警, 0.30.30.30.3 国内外发展现状国内外发展现状国内外发展现状国内外发展现状 目前在国内外随科学技术的发展,都采用三冲量水位自动调节系统,该控制引进蒸 汽流量和给水流量信号作为控制信号,系统动作及时,有较强的抗干扰能力,因此得到 广泛的应用。 主要用微型计算机控制系统来控制锅炉。微型计算机控制系统的特点是,其控制功 能要通过内部的控制
9、程序来实现,人们只需要改变这些程序,就可以更改锅炉设备的控 制功能,以适应新的控制要求而不需要改动硬件系统。这种灵活性在硬联逻辑系统中是 没有的。因此,掌握微型计算机应用系统的设计和研制技术,是开发微型计算机应用的 一个重要课题。 在国内主要有单,双,三冲;量控制系统来控制锅炉汽包水位。 单冲量控制系统以锅炉锅筒水位为唯一信号的锅炉给水连续调解。该系统由水位变 送器,伺服放大器,执行器和给水调节阀组成。水位变送器将水位信号送到调节器,调 节器根据实测水位和给定值的偏差,经过运算放大后输出调解信号,驱动执行器改变调 节阀的开度,改变锅炉上水量,使水位控制在容许范围呢。 在单冲量水位自动调节的基础
10、上,加上蒸汽流量作为前馈信号,使构成所谓的双冲 量水位自动调节系统。前馈控制的主要特点是根据扰动的大小直接调节,使调节作用在 扰动发生的同时起作用,从而减少扰动造成的被控参数的变化。引入蒸汽流量前馈信号 可以消除虚假水位对水位控制的不良影响,减少或抵消由于虚假水位现象而造成的调节 误动作。 在双冲量水位自动调节的基础上,为解决给水压力不稳而造成调节性下降的问题, 引入给水流量作为调节器的反馈信号。它采用蒸汽流量作为前馈信号,克服负荷变化引 起的外扰动, 减少假水位引起的调节器误动作, 用给水量作为反馈信号, 克服内扰影响, 稳定给水量,可以进一步改善给水调节质量。由常规仪表和调节仪表构成的模拟
11、控制系 统,虽然具有可靠性高,成本低,易于维护和操作等优点,并在大中小企业中得到了广 泛的应用,解决了不少自动化方面的问题。但是随着生产向大型化连续化发展,对自动 化技术的要求越来越高,模拟自动化控制系统越来越表现出它的局限性。例如它难以实 现多变量控制,复杂控制规律的控制,最优控制,自适应控制,以及时变控制等,模拟 控制屏越来越长,难以实现集中控制,各系统之间不便进行通讯联系,难以实现多级控 制,控制方案的修改比较麻烦。如果采用计算机作为自动化工具的过程控制系统,就能 很好地解决模拟控制系统存在的上述问题。 随着生产的发展,锅炉日益广泛的用于工业生产的各个领域,成为发展国民经济的 重要热力设
12、备之一。在现在化建设中,能源的需求量非常大的,然而我国能源利用率极 低,所以提高锅炉的热效率,有这极为重要的实际意义。此外,是锅炉能以地制宜地有 效地染用地方燃料,并为满足环境保护的需求而努力解决烟尘污染问题,以提高才做管 理水平,减轻劳动强度,保证锅炉额定运行及运行效率,安全可靠地供热等问题。 0.40.40.40.4 指导思想指导思想指导思想指导思想 采用三冲量水位控制系统,以锅炉水位为主控信号,蒸汽流量为前馈信号,给水量 为控制器的反馈信号来控制给水量。其目的是通过单片机的控制,使锅炉汽包水位维持 在正常的范围内,当水位超过上限或下限时,能及时报警并采取相应措施。充分体现三 冲量控制系统
13、的优越性,系统功能完善,结构先进合理,能耗小,扩展灵活,便于维护, 并且可靠性高,而且还极大地提高了企业的生产效率和经济效益。该系统系动画程度较 高,大大降低了操作者劳动强度,综性性强,适用性好,保障锅炉正常运行。 第第第第 1 章章章章 设计方案设计方案设计方案设计方案 工业锅炉汽包水位的自动控制,根据锅炉容量大小,供给蒸汽(或热水)的使用要 求不同,通常有单冲量自动控制系统,双冲量自动控制系统和三冲量自动控制系统三种 形式。 1.11.11.11.1 单冲量水位控制系统单冲量水位控制系统单冲量水位控制系统单冲量水位控制系统 单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号即水位测量信
14、号经 变送器送到水位调节器,调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制调节阀,改 变给水量来保持汽包水水位在容许的范围内。单冲量水位自动控制系统,是汽包水位自 动控制中最简单最基本的一种形式。对于中小型锅炉在蒸汽负荷变化不大的情况下,水 位受到扰动后的反应速度比较慢, “虚假水位”现象也不严重,采用单冲量控制系统, 一般采用比例调节就能满足生产上的要求,如果采用 PI 调节器,将得到更满意的效果。 其原理框图见图 1.1-1,方框图见 1.1-2. ?1.1-1? ? X e pq y 1.1-2 !“#$% 输入变量为给定常值水位。锅炉温度用热电偶测量,代表炉温的热电动势与给定电压相 比较
15、,两者的差值电压经过功率放大后用来驱动相应的执行机构进行控制。 在反馈控制系统中,不管出于什么原因(外部扰动或系统内部变化) ,只要被控制 量偏离规定值,就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此,它具有抑制干扰的能力, 对元件特性变化不敏感,并能改善系统的响应特性。 反馈控制系统是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理,就是根据系统 输出变化的信息来进行控制,即通过比较系统行为(输出)与期望行为之间的偏差,并 消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中,既存在由输入到输出的信号前向 通路,也包含从输出端到输入端的信号反馈通路,两者组成一个闭合的回路。因此,反 馈控制系统又称为闭环控制系
16、统。反馈控制是自动控制的主要形式。在工程上常把在运 行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统,而把用来精确地跟 随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。 同开环控制系统相比,闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中,不管出于什 么原因(外部扰动或系统内部变化) ,只要被控制量偏离规定值,就会产生相应的控制 作用去消除偏差。因此,它具有抑制干扰的能力,对元件特性变化不敏感,并能改善系 统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性,而且增益选择不当时会引起系 统的不稳定。 为提高控制精度, 在扰动变量可以测量时, 也常同时采用按扰动的控制 (即 前馈控制)作为反
17、馈控制的补充而构成复合控制系统。 1.2.2 双冲量水位控制系统的特点双冲量水位控制系统的特点双冲量水位控制系统的特点双冲量水位控制系统的特点 从本质上看,双冲量控制系统是一个前馈(蒸汽流量)与单回路反馈控制系统的复 合控制系统。双冲量汽包水位控制,能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位控制 任务。在给水压力比较平衡时,采用双冲量控制是能够达到控制要求的。 双冲量汽包水位控制存在的问题是:控制作用不能及时反应给水方面的扰动,当给 水量扰动时,控制系统等于单冲量的控制。因此,如果给水母管压力经常波动,给水调 节阀前后压差不易保持正常时,不宜采用双冲量控制。 1.31.31.31.3 三冲量水位
18、控制系统三冲量水位控制系统三冲量水位控制系统三冲量水位控制系统 1.3.1 结构原理结构原理结构原理结构原理 双冲量系统还有两个弱点,即调节阀的工作特性不一定是线性,这样要做到静态补 偿不是很难;同时给与给水系统的扰动不能直接补偿。为此,将给水量流量信号引入, 构成三冲量控制。在双冲量水位自动调节的基础上,为解决给水压力不稳而造成调节性 下降的问题,引入给水流量作为调节器的反馈信号。它采用蒸汽流量作为前馈信号,克 服负荷变化引起的外扰动, 减少假水位引起的调节器误动作; 用给水流量作为反馈信号, 克服内扰影响,稳定给水量,可以进一步改善给水调节质量。 针对上述情况,为了把水位控制平衡,在双冲量
19、水位控制的基础上引入了给水流量 信号,这时调节器接受三个输入信号:汽包水位是被调量,是主冲量信号,蒸汽流量是 前馈信号,给水流量是反馈信号,这就是汽包水位的三冲量控制系统。 工业锅炉采用三冲量控制系统时,当蒸汽负荷突然发生变化,蒸汽流量信号使给水调节 阀一开始就向正确方向移动,即蒸汽流量增加,给水调节阀开大,抵消了由于“虚假水 位”引起的反向动作,因而减小了水位和给水流量的波动幅度。当由于水压干扰使给水 流量改变时,控制器能迅速消除干扰。如给水流量减少,控制器立即根据给水流量减少 的信号,开大给水阀门,使水流量保持不变。另外,给水流量信号也是控制器动作后的 反馈信号, 能使控制器及早知道调节的
20、效果, 所以三冲量给水调节系统, 控制器动作快, 还可以避免调节过头,减少波动和失调,这样汽包水位就很少受到影响。 :1.3.1-1 ;?ABCDEFGHIJ: 从三冲量水位控制系统的原理框图可以看出,它由两个闭合回路组成: 1.是由给水量,调节阀,控制器组成的内回路; 2.由汽包水位对象和内回路构成的主回路,蒸汽流量和分流器均在闭合回路之外, 它的引入可以改善调节质量,但不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲量控制的实质 是前馈加串级的控制系统。 三冲量控制对单、双冲量控制方案取长补短,极大地提高了水位控制质量。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暂时升高, 它使
21、调节阀错误 地指挥调节机构增加给水量。另一方面。D 的增大又通过双冲量控制作用指挥调节阀机 构增加给水量。实际给水量是增大还是减少,取决于系统系数的整定。当假水位现象消 失后,水位个蒸汽信号都能正确的指挥调节机构动作,只要参数整定合适,当系数恢复 平衡后,给水量必然等于蒸汽流量。水位 H 也会维持在设定值。 总之, 三冲量汽包水位控制系统, 由于引进蒸汽流量和给水流量信号作为控制信号, 系统动作及时, 有较强的抗干扰能力, 在较大的阶跃扰动时都能有效地控制水位的变化, 因而得到了广泛的引用。 1.3.2三冲量控制方案三冲量控制方案三冲量控制方案三冲量控制方案 1.方案之一 图 1.3.2-1
22、所示是三冲量控制方案之一。该方案实质上是前馈(蒸汽流量)加反馈 控制系统。这种三冲量控制方案结构简单,只需要一台多通道调节器,整个系统亦可看 作三冲量的综合信号被控变量的单回路控制系统,所以投运和整定与单回路一样,但是 如果系统设置不能确保物料平衡,当负荷变化时,水位将有余差。如图 1.3.2-1,为方案 一的原理图 K1.3.2-1LMNOPQRK 2.方案之二 该方案与方案一相类似,仅是加法器位置从调节器前移至调节阀后。该方案相当于 前馈串级控制系统,而副回路的调节阀比例度为 100%,该方案不管系数如何设置, 当负荷变化时,液位可以保持无差。如图 1.3.2-2 为原理图: K1.3.2
23、-2LMNSPQRK 3.方案之三 如图 1.3.2-3 所示为三冲量控制方案之三,这是一种前馈(蒸汽流量)与串级控制 组成的复合控制系统。在汽包停留时间较短, “虚假水位”严重时,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, 以避免由于负荷突然增加或减少时,水位偏离设定值过高或低而造成锅炉停车。 K1.3.2-3 TUVWXYPZ_QRK 1.3.3 几种控制方案的比较几种控制方案的比较几种控制方案的比较几种控制方案的比较 单冲量水位控制是汽包水位自动化控制中最简单最基本的一种形式,是典型的单回 路定值控制系统,但它不能克服“虚假水位
24、”的影响,而且没有给水量信号的反馈,所 以水位波动较大。双冲量水位控制系统是在单冲量控制的基础上,引进蒸汽流量作为前 馈信号。该控制系统的特点是:引入的蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对调节 品质的不良影响。当蒸汽流量变化时,就有一个给水量与蒸汽量向同方向变化的信号, 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化的误动作,使调节 阀从一开始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,缩短调节的时 间,而且引入的蒸汽流量的前馈信号,能该少调节系统的静特性,提高调节质量。双冲 量水位控制系统适用于小型低压而且给水压力较稳定的锅炉。当给水压力经常有波动 时,给水调节阀前
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