#300MW火力发电机组锅炉汽包水位仪表控制系

目录
第1节绪论.......................
错误！未定义书签。

1.1设计目的.............................................-
0 -
1.2设计内容.............................................- 1 -
第2节汽包水位调节对象的干扰分析..........错误！未定义书签。

第3节锅炉汽包水位的动态特性...................错误！未定义书签。

3.1汽包水位在给水量作用下的动态特 (3)
3.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 (4)
第4节控制方案设计 (6)
第5节控制系统各环节仪表的配置、选型及参数的确定 (7)
5.1 调节器的选型 (7)
5.2 执行器的选型 (9)
5.3 变送器的选型 (12)
5.4 传感器的选型 (14)
5.5 伺服放大器的选型 (15)
5.6 电动操作器的选型 (16)
5.7 显示仪表的选型 (18)
个人总结 (20)
致谢..................................21参考文献..................... ........................... .. (22)
附录....................... ........................... . (23)
教师批阅：
第1节绪论
1.1设计目的
锅炉是电厂和化工厂里常见的生产设备，锅炉控制是一个比较复杂的控制过程，为适应负荷的需要以及锅炉的运行安全，各个环节的工艺参数必须严格控制，为了使锅炉能正常运行，必须维持锅炉的水位在一定的范围内，这就需要控制锅炉汽包的水位。

汽包水位很重要，汽包水位是表征锅炉安全运行的重要参数，由于配置、安装、运行及维护不当的原因，
汽包水位测量系统存在测量值与实际值不符的情况，将
严重影响机组的安全稳定运行。

水位过高会影响汽水分离的效果，使蒸汽带液，损坏汽轮机叶片；如果水位过低会损坏锅炉，甚至引起爆炸。

可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。

本论文设计的是锅炉汽包水位控制系统，利用控制装置和被控对象组成了一个自动控制系统。

1.2设计内容
合理选择传感器、变送器、调节器和执行器根据要求设计总体方案，实现对高压加热器水位的控制。

被调量是汽包水位，调节量是给水量。

它主要考虑汽包内部物料平衡，使给水量适应锅炉的挥发量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内。

画出系统款图及接线图，设计调节器的组态。

教师批阅：
第2节、汽包水位调节对象的干扰分析
锅炉的汽水系统原理图如图1所示。

影响汽包水位变化的干扰因素有：给水量的干扰，蒸汽负荷变化，燃料量变化，汽包压力变化等。

汽包压力变化不是直接影响水位的，而是通过汽包压力升高时的“自凝结”和压力降低时的“自蒸发”过程引起水位变化的。

况且，压力变化的原因往往是出于热负荷和蒸汽负荷的变化所引起
的故这一干
扰可以放到
其他干扰中
考虑。

燃烧流量
的变化要经
过燃烧系统
变成热量，才
能为水吸收，
继而影响气
化量，这个干
扰通道的传
递滞后都比
较大。

蒸汽负
荷变化时按
用户需要量
而改变的不
可控因素。

剩
下的只有给
水量可作为
调节参数。

第3节、锅炉汽包水位的动态特性
3.1汽包水位在给水量作用下的动态特
教师批阅：
图2所示是给水量作用下，水位的阶跃响应曲线。

把汽包和给谁看做单容量无自衡过程，水位阶跃响应如图中H1线。

考虑到给水温度低于汽包内的饱和水温度，当它进入汽包后吸收了原来的饱和水中的一部分热量，使锅炉的蒸汽产量下降，水面以下的汽包总体积Vs也就相应减小，导致水位下降。

Vs对对水位的影响可以用图中的曲线H2表示。

水位H的实际响应曲线是H1和H2的总和。

从图可知，响应过程有一段迟延时间τ。

给水的过冷度越大，纯迟延时间也越大。

给水扰动下的传递函数可以近似表示为
K0——为响应速度，即给水流量作单位流量变化时，水位的变化速度，（mm/s）/(t/h)。

τ——时滞，秒。

3.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性
蒸汽流量扰动主要来自汽轮机的负荷变化，这是一个经常发生的扰动，属于调节系统的外扰。

在蒸汽流量D扰动左右下，水位的阶跃响应曲线如图3所示。

教师批阅：
当蒸汽流量突然增加时，由于虚假水位现象，在开始阶段水位不仅不会下降却反而先上升，然后下降（反之，当蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升）。

蒸汽流量D突然增加时，实际水位的变化H是不考虑水面下汽包容积变化时的水位变化H1与只考虑水面下汽包容积变化所引起水位变化H2的叠加，即
F=（1+K4）F F
用传递函数来表述为
式中，
K f- ---响应速度，即蒸汽流量变化单位流量时水位的变化速度，（mm/s）/（t/h）
K2---响应曲线H2的放大系数
T2---响应曲线H2的时间常数
“虚假水位”变化大小与锅炉的工作压力和蒸发量有关，如一般100～230T/h的中、高压锅炉，当负荷突然变化10%时，“虚假水位”可达30～40mm。

“虚假水位”变化属于反响特性，其变化与锅炉的压力和蒸发量的大小有关，而与给水量无关。

教师批阅：
第4节、控制方案设计
目前较为成熟的锅炉汽包水位控制方案有单冲量控制系统、双冲量控制系统及三冲量控制系统。

(1)单冲量控制系统。

即汽包水位的单回路水位控制
系统；
(2)双冲量控制系统。

即在单冲量系统的基础上引入
了蒸汽流量信号；
(3)三冲量控制系统。

是在双冲量系统的基础上再引
入给水流量信号而构成。

本次方案采用三冲量控制系统。

三冲量控制系统：
三冲量简单地说就是三参数调节一般应用在蒸汽锅炉液位控制利用液位、蒸汽流量和给水流量三个参数进行液位控制。

在这个控制系统中，汽包液位是被控量，是主冲量信号；蒸汽流量、给水流量是两个辅助冲量信号。

该控制系统实质上就是前馈加反馈控制系统，它能有效地克服假液面和给水干扰对控制系统的影响
系统框图为图4所示。

图4 三冲量控制系统框图
控制方案如图5所示。

图5 三冲量水
位控制系统
教师批阅：
从系统框图可以看出，单级三冲量控制系统有两个闭合回路：一个是由给水流量W、给水变送器、调节器和调节阀组成的内回路；另一个是由汽包水位对象和内回路构成的主回路。

蒸汽流量D及其蒸汽变送器未包含在这两个闭合回路之内。

但它的引入可以改善控制质量，且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反馈
的控制系统。

三冲量汽包水位调节的优点是：
相对单冲量和双冲量控制系统，其控制品质最好，能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求，能有效地避免“虚假水位”现象。

第5节、控制系统各环节仪表的配置、选型及参数的确定
在汽包水位控制系统设计中，所需使用的仪表有调节器、执行器、变送器、传感器、伺服放大器、电动操作器、显示仪表。

其选型如下
5.1 调节器的选型
所选调节器的型号为DTZ－2100
（1）DTZ－2100工作原理
DTZ—2100全刻度指示调节器是调节单元的一个基型品种，对被控值与给定值之差进行比例、微分、积分运算输出，4～20mA直流信号送至执行机构，实现对温度、压力、液面、流量等到工艺参数的自动调节。

全刻度指示调节器前面板有一双针或双光柱，全刻度指示表，在同一刻度标尺上同时指示测量值及给定值。

由二指针的示差直接读出偏差量，指示醒目，容易观察调节结果，手动和自动之间的切换是无平衡无扰动的，操作方便。

全刻度指示调节器，还具有前馈功能，和抗积分、饱和功能，前馈调节器，可以克服滞后现象，提高调节质量。

抗积分饱和调节在工艺过程异常，情况下能迅速教师批阅：
关闭或打开安全阀，不致使被调参数进入非安全值区域，常用于化工设备的放空系统，或后缩机的防喘系统。

（2）技术参数
○1输入信号：1-5V,DC
○2内给定信号：1～5V.DC
○3外给定信号：4～20mA.DC
○4调节作用：比例+积分+微分
比例带：2～500%
积分时间：0.01～2.5分0.1～25分
微分时间：0.04～10分（可切除）
○5输入，给定指示表：指示范围：0～100%，误差：±1%
○6输出指示表：指示范围0~100%，误差±2.5%
○7输出信号：4～20mA，DC
○8切换特性：属于无平衡无扰动切换。

自动／软手动切换扰动量小于满度的±0.25%
硬手动／软手动或自动切换扰动量小于满度的±0.25%
软手动／硬手动切换扰动量小于
满度的±5%
○9负载阻抗：250Ω～750Ω
○10最大工作电流：约200mA
○11功耗：6W
○12电源: 24V.DC
○13重量：6 kg
○14工作条件：
周围环境温度：0—40℃
教师批阅：
相对湿度：≤85%
工作振动：频率≤ 25HZ 全振幅≤ 0.1mm
○15前馈信号：1～5V.DC 4～20mA.DC（适用于前馈调节器）
○16前馈系数：0.8～1.2（适用于前馈调节器）
○17刻度误差：±0.5%（适用于前馈调节器）
○18限制范围：
高限：75～105%（适用于抗饱和调节器）
低限：-5～25%（适用于抗饱和调节器）
刻度误差：±0.5%
（3）端子接线图
图6 DTZ－2100端子接线图
5.2 执行器的选型
执行器在自动控制系统中的作用是接受来自控制器的控制信号，通过其本身开度的变化，从而达到控制流量的目的。

本系统所选用的执行器为ZAZN 电动双座调节阀
（1）概述
ZAZN电动双座调节阀，由DDZ 型直行程电动执
行机构和直通双
座阀两部分组成。

以单项交流220V 电源为动力，接受0～10或mA或4～20mA直流信号，
教师批阅：
自动地控制调节
阀开度，达到对管道内流体的压力、流量、温度、液位等工艺参数的连
续调节。

座阀有
上、下两个阀芯球，流体作用在上、下阀芯上的推力，其方向相反而大小接近，不平衡力很小，允许压差大，额定流量系数比同口径的单座阀大，但该阀的泄漏较单座阀大。

适用于对泄露量要求不严格，阀前后压差较大的干净介质场合。

（2）阀体
○1型式：直通双座铸造球型阀
○2公称通径：25、32、40、50、65、80、100、
125、150、200、250、300mm ○3公称压力：PN1.6、4.0、6.4MPa
○4法兰标准：JB/T79.1-94、79.2-94等
○5材料：铸钢（ZG230-450）、铸不锈钢
（ZGlCrl8Ni9Ti、ZGlCrl8Nil2Mo2Ti）等○6上阀盖：标准型-17～+230℃、散热型+230～
+450℃、低温型-60～-196℃、波纹管密
封-40～+350℃
（3）阀内组件
○1阀芯型式：双座柱塞型阀芯
○2流量特性：等百分比特性和线性特性
（4）执行机构
○1型号：电动执行器DKZ-410
○2技术参数：
教师批阅：
表1 DKZ-410技术参数
项目名称DKZ标准型
控制机构输入信号4-20mA或0-10V·DC
反馈信号0—
10mAdc
死区0．4％
基本误差±2．
回差≤1．
限位开侧
开度检测精密导电塑动力
动力220V
驱动电机伺服附属机构
加热器选择
手动机构手安装条件
环境温度无加热器—
相对湿度<9
环境气体无腐蚀
接线口十四线
防护等级
○3端子接线
图
图7 DKZ-410
接线图
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5.3 变送器的选型
变送器在自动检测和控制系统中的作用，是对各
种工艺参数，如温度、压力、流量、液位、成分等物理量进行检测，以供显示、纪录或控制只用 。

控制系统中所选的变送器的型号为CR-604，为锅炉
专用液位计。

（1） CR-604概述
CR-604 锅炉专用分体式液位计，采用独特结构，
将抗高温、耐高压、抗腐蚀性能集于一身，变送部分利用军工器件，使信号输出更加稳定、可靠，并可与计算机联网使用，专用于锅炉液位的线性测量及自控，安装极其方便，维护量很小，大大降低了使用、维护人员的工作量。

（2） CR-604的工作原理
电容式液位测控仪均采用电容原理，即电容两极间
介质量的变化可引起电容量的变化。

其原理模拟图如图8所示，把一根外包绝缘层的金属棒插入装有导电介质的金属容器，金属棒和容器内壁之间形成电容，其填充介质的变化量△H
与形成的电容变化量△Cx 关系如下
式：
教师批阅：
图8
CR-604的工作原理模拟图
当被测介质液位变化时，传感器电容量Cx 也随之发生变化，电容变化增量△Cx 通过变送器电路转换
为与液位成正比例的标准电流信号。

转换过程可用图7所示的方框图示意：
图9 转换过程方
框图
（3） 技术参数
工作电压： 最大：40V 最小： 6.5V 电 流 环：两线制4.00mA ～
20.00mA（±0.5%）防爆等级：ExiaIICT6 （-40℃～70℃）
ExiaIICT1~5 （-40℃～85℃）防爆参数：Ui=30V,Ii=100mA ,Pi=0.75W
Ci=100pF,Li=10uH
测量范围：0～2200mm Max
测量周期：0.5秒
分辨率：0.02mm
温度漂移：±0.5mm Max (-40℃～85℃)
工作压力：40MPa Max
线性偏差：±(1+0.05%FS) mm
介质温度：300℃ Max.
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环境温度：-40℃～85℃（ExiaIICT1-T5）
存储温度：-55℃～100℃防护等级：
IP67
（4）端子接线图
图10 端子板接线图
5.4 传感器的选型
液位传感器（静压液位计／液位变送器／液位传感器／水位传感器）是一种测量液位的压力传感器．静压投入式液位变送器（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为4～20mA／１～５ＶＤＣ）。

分为两类：一类为接触式，包括单法兰静压/双法兰差压液位变送器，浮球式液位变送器，磁性液位变送器，投入式液位变送器，电动内浮球液位变送器，电动浮筒液位变送器，电容式液位变送器，磁致伸缩液位变送器，侍服液位变送器等。

第二类为非接触式，分为超声波液位变送器，雷达液位变送器等。

静压投入式液位变送器（液位计）适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。

精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。

4～20mA、0～5v、 0～10mA 等标准信号输出方式根据需要任选。

利用流体静力学原理测量液位，是压力传感器的一项重要应用。

采用特种的中间带有通气导管的电缆及专门的密封技术，既保证了传感器的水密性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。

是针对化工工业中强腐蚀性的酸性液体而特制，壳体采用聚
四氟乙烯材料制成，采用特种氟胶
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电缆及专门的密封技术进行电气连接，既保证了传感器的水密性、耐腐蚀性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。

工作原理：
用静压测量原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：Ρ = ρ .g.H + Po式中：
P ：变送器迎液面所受压力
ρ：被测液体密度
g ：当地重力加速度
Po ：液面上大气压
H ：变送器投入液体的深度
同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压 Po 与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的 Po 。

使传感器测得压力为：ρ.g.H ，显然 , 通过测取压力 P ，可以得到液位深度。

⊙选用美国进口的高精度、隔离式敏感组件，性能可靠
⊙表压或绝压测量
⊙量程宽：1mH2O～200mH2O
⊙输出：4～20mA或0～5V
⊙电源电压：24VDC(12～36VDC)，mV 输出型为恒流1.5mADC 或恒压12VDC 供电
⊙精度高，优于0.2%F.S
⊙100%防水防潮，防护等级IP68
⊙完备的电路功能，调校方便
5.5 伺服放大器的选型
所选用的伺服放大器型号为ZP E—2031JⅢ（！）工作原理
伺服放大器的输入信号来自于变送。

调节等单元的标准信号。

与执行机构反馈来的位置信号。

在放大器的前级进行比较（即代数相减），比较后的信号差值大于
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放大器的灵敏限时，电动执行器功率出带动阀门，完成各种自控调节，阀门的开启方向也就是电动机的转动方向，取决于输入信号的量值，电动机总量朝着减小和反馈信号差值方向转动。

( 2 ) 技术参数
○1输入信号：4-20mA. DC
○2输入通道：1个
○3输入电阻：250欧姆
○4输出：输出电压降小于2V
电流5A
○5死区：0.8-8%（连续可调）
○6电源：电压220V. AC 允差+10%，-15%
频率50Hz 允差
+1%，-1%
○7报警触头容量：110V.AC 0.5A/28V. DC . 1A
○8使用环境：温度0-50℃
相对湿度 10%-70%
周围空气中无起腐蚀作用的介质
大气压力 86-106Kpa
（3）端子接线图
图11 ZP E—2031JⅢ伺服放大器接线端子图
5.6 电动操作器的选型
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控制系统所选的电动操作器的型号是DFD-1000 （1）工作原理
DFD-1000型电动操作器，采用“开关操作制”原理进行“手动”与“自动”的切换和操作。

“自动跟踪”是在“手动”工况，将执行器位置反馈电压1-5V.DC，加到调节器的积分电容两端，使调节器输出电流，始终跟踪位置反馈电流，并保持相等。

（2）技术参数
○1、电源电压：220V，50~602Hz
○2、开关触头额定容量：主回路500V 15A 信号回路110V 2A
○3跟踪电压1--5V DC
○4工作条件
a、环境温度0~45℃
b、相对湿
度≦85% ○5仪表重量约3Kg
○6外形尺寸（长×宽×高）295×80×160（mm）
（3）端子接线图
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图12 DFD-1000接线端子图
5.7 显示仪表的选型
所设计的控制系统所选用的显示仪表为DXZ-1011
（1）DXZ-1011工作原理
本仪表能将1-5V直流电压直接并到表头指示。

表头采用动圈式张丝结构。

磁路系统由扇形磁铁、导磁体及由它们组成的平面气隙构成的，磁场均匀。

当电流流过动圈时在气隙、磁场的作用下产生作用力矩，当该力矩和由张丝转角变形所形成产生的反作用力矩相平衡
时，转轴另一端的指针所指示的位置即表示被测量的大小。

（2）技术参数
○1型号与规格：DXZ-1011,单针，重量6kg
○2输入信号：1~5V DC
○3内阻，小于20Ω
○4指示精度：±1%
○5工作环境1）环境温度为0~50℃
2）相对湿度<85%
3)工作振动频率：f≤25Hz，
全振幅≤0.1mm
○6结构型式：盘装式
○7外形尺寸：80×160×630mm
○8电源电压：24V.DC
○9功耗：2W
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（3）端子接线图图13 DXZ-1011端子接线图
．仪表型号清单
仪表型号及清单
序号名称型号个数
1 调节器DTZ－2100 1
2 执行机构DKZ-410 1
3 变送器CR-60
4 1
4 伺服
放大器
ZP E—2031JⅢ 1
5 电动
操作器
DFD-1000 1
6 执行器ZAZN 1
7 显示仪表DXZ-1011 1
教师批阅：
个人总结
在老师的耐
心指导和同学的
帮助下，我成功地
完成了这次300mw
火力发电机组锅炉汽包水位仪表控制系统设计的课程设计。

在这两周中，我能根据计划进度的安排，在老师的指导和与同学得互相讨论当中，按时按量的完成自己的设计任务。

在此期间，我重新温习了《控制仪表及装置》、、《热工过程控制仪表》、《热力设备运行》、等相关基础知识，并研读了《热工控制系统》、《检测技术与系统设计》等规范。

在设计中，我通过所学的基本理论、专业知识和基本技能进行了锅炉汽包水位的控制设计。

课程设计是对控制仪表专业知识的一次综合应用、深化和提高，也是将学到理论运用于设计的一次锻炼。

通过这次对规范的学习和了解，深知自己的不足，但只要通过自己的努力及老师的艰辛指导，在设计中要求自己时刻查询规范，严格按照规范要求来做，我想自己一定能把这次设计做得更好！通过这次课程设计，我加深对以前说学的专业知识的了解，也发现了自己的不足之处。

通过老师和同学的帮助，收获很大。

学会了结构设计的基本要点和思想，相信在以后的工作和学习中会有很大的帮助。

教师批阅：
致谢
本课程设计是在王鸿懿老师的亲切关怀和悉心指导下完成的，她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。

从选择课题到设计的最终完成，王老师都始终给予我们细心的指导和不懈的支持。

在此谨向王老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

在此，我还要感谢在一起愉快的度过此次课程设计的各位同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本课程设计的顺利完成。

在课程设计即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到设计的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 谢谢你们！学生签名：刘欢
日期：
教师批阅：
参考文献
1.《控制仪表及装置》，化学工业出版社，上课教材
2.《控制仪表与计算机控制装置》，化学工业出版社，周泽魁主编
3.《热工控制系统》，中国电力出版社，边立秀等编著
4.《检测技术与系统设计》，中国电力出版社，张清等编著
5.《热工测量和控制仪表的安装》，中国电力出版社，叶江祺主编
6.《自动化仪表与过程控制》，电子工业出版社,施仁，刘文江等编著
7.《工业生产过程控制》，化学工业出版社，何衍庆主编
8.《过程控制》，清华大学出版社，金以慧，方崇智编著
9.《自动化及仪表技术基础》，化学工业出版社,薄永军主编教师批阅：
附录
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