武红涛DCS控制系统分解

课程设计用纸
教师批阅：
摘要
火力发电厂的热力除氧器是利用汽轮机的抽气加热锅炉
给水，使得锅炉的给水达到该压力下的饱和温度，以除去溶于
水中的氧气等气体，防止锅炉、汽轮机和管道等热力设备遭到
腐蚀；另一方面除氧器是汽水直接接触式的加热器，他是给水
加热系统中的一环，利用汽轮机的抽水加热锅炉给水，可以提
高电厂的效率，节省燃料。

除氧器是电厂重要的辅助设备之一，
是电厂热力系统中不可缺少的环节。

当除氧器内压力突然升高时，水温变化跟不上压力的变
化，水温暂低于升高后压力下的饱和温度，因而水中的含氧
量随之身高，待水升高至升高后压力的饱和温度时，水中的
溶解氧才会降至合格的范围；当氧气压力突然降低时，由于
水温高于该压力对应的饱和温度，除氧器内的凝结水会发生
自发沸腾现象。

严重时给水泵可能会发生汽蚀，导致重大事
故。

因此，在运行中应保持除氧器内压力的稳定。

关键字：
除氧器；饱和温度；组态
Abstract
The thermal deaerator of thermal power plant heat boiler feed
water by the gas pumped from turbine to make the boiler feed
water reach the saturation temperature corresponding to this
pressure to remove oxygen and other gases dissolved in the
water and prevent corrosion of thermal equipment such as boilers,
turbines and pipes. On the other hand, the deaerator is a direct-
contact heater. It is one part of the feedwater heating system. It
use the water pumped from turbine to heat boiler feed water,this
can improve the efficiency of the power plant and save fuel.
When the pressure in the deaerator sudden rise, the change
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of the water temperature can not keep up.The water temperature教师批阅：will temporarily lower than the saturation temperature under the
increased pressure, and thus the oxygen content of the water
thereupon rising until the water temperature was raised to the
saturation temperature corresponding to the elevated pressure, the
dissolved oxygen in the water will be reduced to qualified range;
When the oxygen pressure is suddenly reduced,as the water
temperature is higher than the saturation temperature
corresponding to the pressure,the condensation water inside
deaerator will spontaneously boiling.In serious condition,the
cavitation phenomenon of feedwater pump will resulting in a
major accident. Therefore we should maintain the stability of the
pressure within the deaerator in operation.
Key words:Deaerator;Saturation temperature;
Configuration
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摘要.......................................................................................................................................................................................... I..................... 教师批阅：Abstract .. (I)
1、课程设计任务和要求 (2)
2、除氧器的简介 (2)
2.1、热力除氧的原理 (4)
2.2、除氧器的类型 (4)
2.3、除氧器的连接系统 (5)
3、除氧器压力控制 (6)
3.1、除氧器压力控制系统方案 (6)
3.2 除氧器压力控制系统参数整定 (8)
3.3 除氧器压力控制系统仿真 (9)
4、除氧器压力DCS 控制系统 (10)
4.1 、控制总方案 (11)
4.2、一次仪表选型 (11)
4.3、一次仪表和DCS 接线 (13)
4.4、 DCS 硬件组态 (13)
4.5、 DCS 控制组态 (15)
4.6、人机界面 (16)
5、课程设计总结和体会 (17)
附录 I (17)
附录 II (17)
参考文献 (17)
教师批阅：
1、课程设计任务和要求
本课程设计是针对学生学习和运用专业知识的综合考核
和检查，使学生接受工程类基本训练的重要环节，是自动化
（热工）专业的《集散控制系统》专业课程学习的必修内容
之一。

本课程设计的特点是，内容所涉及的知识面较一般习
题广，有较强的系统性和综合性，在运算、绘图、编写设计
文本方面有较高的要求。

本课程实际应针对交通运算组织学课程涉及的相关理论
与方法，结合具体实践背景，解决实际问题。

要求能从数字
控制系统功能要求出发，制订或分析设计方案，合理地选择
控制系统硬件设备，确定软件需求。

能按工艺的控制要求，
选择相关模块，设计组态图。

能考虑控制系统安装与调整、
使用与维护、经济和安全等问题，对集散控制系统的安装技
术要求进行设计。

课程设计的题目是200MW机组除氧器压力控制系统，要
求将除氧器压力维持在最小值压力35Kpa。

同时每个学生应完
成：
总体方案图 1 张、接线图 1 张，组态图 3 张， SAMA图 1
张；设计说明书一份，说明书应包括：确定总体方案，选定
I/O 点，控制系统的组态图，SAMA图等内容。

2、除氧器的简介
除氧器的主要作用是除去给水中的氧气, 保证给水的品
质。

水中溶解了氧气, 就会使与水接触的金属腐蚀; 在热交换
器中若有气体聚集就会妨碍传热过程的进行, 降低设备的传
热效果。

因此水中溶解有任何气体都是不利的, 尤其是氧气 ,
它将直接威胁设备的安全运行。

教师批阅：
图 2-1除氧器工艺流程图
除氧器本身又是给水回热系统中的一个混合式加热器 , 同时
高压加热器的疏水、化学补水及全厂各处水质合格的疏
水、排气等均可通入除氧器汇总并加以利用 , 减少发电厂的汽水
损失。

当水和某种气体混合物接触时 , 就会有一部分气体融解到
水中去。

气体的溶解度就是表示气体溶解于水中的数量 , 以毫克
/ 升计值 , 它和气体的种类以及它在水面的分压力、和水的温度
有关。

在一定的压力下 , 水的温度越高 , 气体的溶解度就越小；
反之 , 气体的溶解度就越大。

同时气体在水面的分压力越高 , 其
溶解度就越大 , 反之 , 其溶解度也越低。

天然水中常含有大量溶
解的氧气 , 可达 10 毫克 / 升。

汽轮机的凝结水可能融有大量氧
气 , 因为空气能通过处于真空状态下的设备不严密部分渗入进
去 . 此外 , 补充水中也含有氧气及二氧化碳等其他气体。

液面上
气体混合物的全压力中 , 包括有液体蒸汽的分压力和液面上的全
压力。

将水加热时 , 液面附近水蒸气的分压力就会增加 , 相应的
液面附近其他气体的分压力就会降低 . 当水加热到沸点时 , 蒸汽
的分压力就会接近液面上的全压力 ,
此时液面上其他气体的分压力几乎接近于零 , 于是这些气体将
完全自水中清除出去。

除氧器的工作原理即利用蒸汽对水进行
加热 , 使水达到一定压力下的饱和温度 , 即沸点。

这时除
氧器的空间充满着水蒸汽, 而氧气的分压力逐渐降低为零, 溶教师批阅：解于水的氧气将全部逸出, 以保证给水含氧量合格。

高参数的
锅炉给水温度一般为230~250 摄氏度。

采用高压除氧器 , 在机
组高压加热器故障停用时, 进入锅炉的给水温度仍可以维持
在 150~160 摄氏度 , 这样对锅炉的运行影响就可以小一点。

此
外 , 提高锅炉除氧器的压力 , 可以避免凝结水进入除氧器时产生
沸腾现象 , 后者会使水泵进口产生汽蚀 , 这对水泵是不允许的。

2.1 、热力除氧的原理
1.亨利定律
描述：单位体积中溶解的气体量 b 与水面上该气体的分压力P
气体成正比。

推论：如 P 气体→0，则 b →0。

2.道尔顿定律
描述：混合气体的全压力 P 全等于各组成气体的分压力
之和。

P＝ΣP 气体+P水蒸汽
推论：若 P →P水蒸汽，则ΣP 气体→0。

2.2 、除氧器的类型
1.真空式除氧器
描述：凝汽器内具备除氧的必要条件，在凝汽器底部两
侧加装适当的除氧装置（如淋水盘、溅水板、抽气口等）即
可除氧。

特点：系统简单，但除氧效果达不到给水控制指标。

2.大气式除氧器
描述：工作压力0.118MPa，略高于大气压力以便于排出教师批阅：气体。

特点：与高压除氧器相比无优势，常用于热电厂作为第
一级除氧。

3. 高压除氧器
描述：工作压力一般为0.343 ～0.784MPa。

特点：（ 1）除氧器给水温度较高，可减少高压加热器的
台数；（ 2）高加切除时，锅炉给水温度变化幅度小，改善锅炉
的运行条件；（3）工作温度高，给水中气体的溶解度降低，有
利于提高除氧效果。

（ 4）工作压力提高，给水在除氧器内的
温升也提高，可避免除氧器的自生沸腾。

（5）给水泵工作条
件恶劣。

2.3 、除氧器的连接系统
图 2-2除氧器连接图
1．单独连接
特点：抽汽管上装设压力调节阀，低负荷时切换到高一
级抽汽。

正常运行时存在节流损失，低负荷切换到高一级抽
汽时，节流损失更为严重。

分析：加热蒸汽经过压力调节阀产生节流压降，除氧器
给水温度低于抽汽口压力下的饱和温度，加热不足部分转移
到相邻高压加热器，减少了本级较低压力抽汽，增加了相邻
较高压力抽汽，热经济性下降。

当抽汽切换到高一级抽汽时，
压降更大，节流损失更大，并导致停用一段回热抽汽。

2．前置连接教师批阅：
特点：单独连接改进型。

增加一台高压加热器与除氧
器共用一段抽汽，该高压加热器出水温度不受压力调节阀的
影响，无节流损失。

分析：前置连接既没抽汽量减少，也没导致低压抽汽
量减少，故不存在节流损失。

压力调节阀只起蒸汽流量分配
作用。

3.滑压运行连接
描述：除氧器滑压运行指除氧器压力随机组的负荷与
抽汽压力的变动而变化。

特点：（ 1）无节流损失；（ 2）低负荷时不用切换高一级抽
汽和停用本级抽汽； (3) 回热加热分配更接近等温升分配。

（ 4）负荷突然变化时存在除氧效果恶化和给水泵汽蚀问题。

说明：定压运行除氧器在机组低负荷时，除氧器出水温
度不变，而前级低加出水温度下降，除氧器加热温升增大。

同时，相邻高加出水温度下降，而进水温度不变，相邻高加
的加热温升减少。

二者都导致回热分配偏离等温升。

3、除氧器压力控制
3.1 、除氧器压力控制系统方案
图 3-1除氧器压力控制方案图
由图 3-1 可知，这是一个简单的单回路控制系统，通过教师批阅：除氧器压力调整门调整蒸汽量来控制除氧器压力。

其原理图
如下：
凝结水
除氧器
汽轮机抽气
P1
-
PID
+P0图 3-2除氧器压力控制原理图
其中， P1—除氧器压力， P0—除氧器压力设定值
由上述的原理图对应可以画出除氧器压力控制系统的SAMA 图，具体的图见附录I 。

并且由图可知：
除氧器压力经过三个变送器测量得到的信号PT ，经过SELM 三选的选择后经过质量判断QC ，如果是坏的点，则报警 AL ，同时在 CRT 上有显示 I 。

进过选择器选择的信号输出至 PID 调节器入口，同时做高低幅值报警输出。

在调解器入口与手动设置 A 模块的设定值进行比较，其偏差值送到 PID
调节器进行比例、积分、微分运算后作为调节器的输出信号，
这个信号在手动切换模块T 通过 M/A 进行选择，如果切换为手动则选择 A 手动设定一个值，如果不切换手动则向下进行
另一个手动切换模块T，通过强制关闭除氧器压力提哦接法来
选择，如果没有这个信号则向下经过AO ，自动信号送到除氧器压力调节阀进行调节，此调节回路为单回路调节系统，而
且没有前馈信号。

除氧器压力信号调节阀的阀位信号如果与
调节发出的阀位指令偏差则自动切换为手动。

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3.2 除氧器压力控制系统参数整定教师批阅：
单回路控制系统主要由调节器和被控对象构成，通常被
控对象的动态特性是无法轻易改变的，要得到满意的调节效
果，就要合理的设置调节器的参数。

因而，单回路控制系统
的整定实际上就是调节器的参数整定。

调节器的参数主要有
三个，即比例调节规律的比例带、积分调节规律的积分时间
和微分调节规律的微分时间。

而对于除氧器压力控制的单回路控制系统，从资料
G s9.4 e 4
得知被控对象的传递函数为： 4.6s 1变送
器的测量变送单元为10.1而执行器和调节阀的传递函
数是K
Z
K1
，由响应曲线法根据被控对象的传递
函数求得对象的一组特征参数ε、ρ、τ（有自平衡能力的对象），然后按表 3 － 1 公式计算调节器的整定参数。

表 3-1衰减曲线法整定参数计算表（ψ ＝0.75）
3.3 除氧器压力控制系统仿真教师批阅：
在除氧器的压力控制中我采用的是PI 控制器，在经过一
系列的计算得出控制器的参数为：
P=1/13.13I=3.68
根据前面的控制系统原理图和得出的参数在 MATLAB中可
以画出除氧器压力控制系统的 Simulink 图如图 3-3 下：
图 3-3 除氧器控制 Simulink 仿真图
仿真可以得到响应曲线如下：
图 3-4仿真响应曲线图
由响应曲线图 3-4 可以得到系统的上升时间只有 150S左右，
也就意味着控制系统能够很快的达到给定值，并且稳定下来。

在有内绕的情况下，控制系统的 Simuink 图和响应曲线依
次如图 3-5 ：
教师批阅：
图 3-5 带内扰的 Simulink 仿真图
运行仿真可以得到带内扰的响应曲线如图3-6 ：
由上图可知，即使在有内绕的情况下，控制系统的超调
亮只有 8% ，在 100S 左右就会达到稳定，所以说，这个控制
系统满足实际的要求。

4、除氧器压力DCS 控制系统
随着计算机过程控制技术的发展和国内电力企业自动控
制水平的提高，集散控制系统DCS在电厂得到了广泛的应用。

DCS的使用大大提高了机组运行的安全稳定性，改变了生产过
程中传统的操作方式和管理现状，带来了显著的经济效益。

随着计算机过程控制技术的发展和自动化控制水平的提
高，集散控制系统DCS在现代化企业的生产过程中得到了广
泛的应用。

二十年来，我国电力企业DCS的应用工作取得了
可喜成绩，企业自动化水平显著提高。

应用DCS的生产流程
越来越多，领域不断拓宽， DCS技术的应用使过程控制发生了
质的变化，保证了机组安全稳定运行，大大提高了生产自动
化水平，同时为企业带来了良好的经济效益。

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本文介绍的是美国Focboro 公式自 1987 年推出的第三代教师批阅：集散控制系统I/A S智能自动化系统集散控制系统在除氧器
压力控制中的应用。

4.1 、控制总方案
图 4-1除氧器控制总体方案图
4.2 、一次仪表选型
压力变送器
型号： HQ-3051
测量介质 : 液体、气体和蒸汽
量程范围 : 差压： 0~0.16kPa 至 0~10MPa
工作电压： 12V~45V DC(一般使用 24V DC)
输出信号： 4mA~20mA DC温度范围：环境温度-20 ℃~70℃
精度： 0.075 级相对湿度： 0~100%RH
现场指示表： LED数码显示
电源变化影响：小于输出量程的0.0059%/V
振动影响：在任意轴上，频率为 200Hz，引起的最大误差为量
程的± 0.05%/g
介质温度： -40 ℃~100℃
贮存温度： -40 ℃~100℃
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动阀门教师批阅：公称通径
15-200
DN(mm)
公称压力
1.6
2.5 4.0
PN(MPa)
强
度
2.4
3.8 6.0
试
公称压验
力
PS(MPa)
密
封
1.8
2.8 4.4
试
验
材料\材料代号
阀
体
球
体
阀主要零
杆
件
密
封
圈
填
料
适
用
介适用工质
况适
用
温
度气动装型
置号
C P R
WCB ZG1Cr18Ni9Ti ZG1Cr18Ni12Mo2Ti
2Cr131Cr18Ni9Ti1Cr18Ni12MoTi
2Cr131Cr18Ni9Ti1Cr18Ni12MoTi
增强聚四氟乙烯对位聚苯
聚四氟乙烯柔性石墨
水、蒸汽、油品硝酸类醋酸类
-28 ℃ -300℃
OBD系列、 AW 系列等
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4.3 、一次仪表和DCS 接线教师批阅：
详细的接线图见附录II
4.4 、DCS 硬件组态
图4-2 控制系统组态图表
4-1 DCS 模块配置表
IO可用的
模块名数据模DCS信号
型号模块地 IO 通道
称块地址转接板端子号
址地址
机柜SP221
SP243
I/O 机笼
X
数据转
SP233 00
发卡
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主控制教师批阅：SP000
卡
电源箱
SP3130002,03NAI3,NAI4
机笼
00,01,0NAI5,NAI6,
电源SP31301
2,03NAI7,NAI8
电源指00,01,0NAI9,NAI10,
SP31302
示卡
2,03NAI11,NAI12
电流信
号输入 SP000
卡
电压信
号输入 SP3160204
卡
模拟信
SP316030500,01Pt-3,PT-4
号输出
工程师
SP316040600,01Pt-5,Pt-6
站
操作员
SP00005
站
教师批阅：集线器 SP3350803P4
Scnet 网
SP3220903NAO4
卡
4.5 、DCS 控制组态
使用 AIN 模拟量输入模块， PID 调节模块和 AOUT模拟量
输出模块构成但参数调节回路， AIN 模块将 FBM来的测量信号
进行修正，标度，报警等处理，其输出被连到PID 模块的测
量输入参数 MEAS。

PID 模块根据测量值与设定值 SPT的偏差
信号和 P、 I 、 D 整定参数的设置进行运算，其输出被连接到
AOUT模块的输出 MEAS。

AOUT模块对信号进行输出修正后送
到FBM的输出点。

图 4-3控制组态图
4.6 、人机界面教师批阅：
MCGS是一套基于 Windows平台的，用于快速构造和生成
上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集
与监测、前端数据的处理与控制。

组态控制技术构成的计算
机测控系统与一般的计算机测控系统在结构上没有本质的区
别，他们由被控对象、传感器、I/O 接口、计算机和执行结构
几部分组成。

具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突
出特点。

通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便
的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。

用户只
需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可
以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无
人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。

图 4-4除氧器控制界面图
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5、课程设计总结和体会教师批阅：
两周的课程设计在不知不觉中已经将近结束，这两周
我感觉过的特别的充实。

在接到这个题目的时候我感觉不是
太好做，因为在集散控制系统结束后我并没有对 DCS有很大的
了解。

听过几天查阅相关的资料，虽说还有很多不明白的
地方，但是确实有了很大的进步，而这次的经历也让我深深的
体会到了“书到用时方恨少” 。

希望在下学期的毕业设计不再
出现这种情况。

当然课程设计的收获也有很多。

首先，在课程设计之初，
我查阅了很多的资料，图书馆、网上还有就是同学之间的互相
讨论和共同研究；其次，我对除氧器的工作原理和结构也有了
更近一步的了解；最后，加深了我对集散控制系统的理
解，而为了做出界面图，我还专门了解了MCGS组态软件，为
了做控制系统的仿真，我使用Simulink 做仿真的能力更加的熟
练了。

总之感谢课程设计之中谢老师对我的指导，在这里也祝
福老师新年快乐，阖家幸福，工作顺利。

同时感谢钟、陈同
学在其中对我的帮助。

附录 I
附录 II
参考文献
[1]何衍庆、黄海燕、黎冰编 . 集散控制系统原理及应用（第
三版） [M]. 化学工业出版社， 2009
[2]印江、冯江涛编 . 电厂分散控制系统[M]. 中国电力出版社，
2006
[3]周荣富、陶文英编 . 集散控制系统 [M]. 北京大学出版
社， 2011
[4]于海生，攀松峰等 . 微型计算机控制技术 [M]. 北京：清
课程设计用纸
华大学出版社， 1999.205 —— 274教师批阅：
[5]王再英，刘淮霞，陈毅静．过程控制系统与仪表 [M] ，北京：
机械工业出版社， 2006．72—106，309-329
[6]30 ．杨学熊．热电厂自动控制技术及发展趋努 [J] ．中国仪
器仪表， 2001， (1) ：28— 30。