锅炉汽包水系统设计

目录
目录 (1)
第1章绪论 (2)
1.1 概述 (2)
1.2 锅炉的工作过程简介 (2)
第2章锅炉汽包水位动态特性分析 (3)
2.1汽包水位在给水流量W作用下的动态特性 (3)
2.2汽包水位在蒸汽流量D扰动下的动态特性 (4)
第3章锅炉汽包水位的控制方案 (5)
3.1单冲量控制方式 (5)
3.2双冲量控制方式 (5)
3.3我选择的控制方式 (7)
第4章仪器仪表的选择与参数的整定 (7)
4.1液位变送器的选择 (7)
4.2 控制器的选择 (8)
4.3 执行器的选择 (9)
4.4 控制器的作用方式 (10)
4.5 阀的开闭选择形式 (10)
4.6工程整定 (10)
参考文献: (14)
第1章绪论
1.1 概述
汽包水位是锅炉运行的重要指标，是一个非常重要的被控变量。

维持水位在一定范围内是保障锅炉安全运行的首要条件，液位过高, 会使蒸汽带水过多, 汽水分离差, 使后续的过热器管壁结垢, 传热效率下降, 过热蒸汽温度下降, 严重时将引起蒸汽品质下降, 影响生产和安全; 水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环, 引起水冷壁局部过热而损坏, 严重时会发生锅炉爆炸。

因此, 在锅炉运行中, 保证汽包水位在正常范围是非本设计是锅炉汽包水位控制系统的设计，锅炉汽包水位的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。

经分析后采用二冲量的控制方式。

1.2 锅炉的工作过程简介
锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变化，输送一定质量(汽压、汽温)和相应数量的蒸汽。

它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供热源，而且还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。

锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。

“锅”就是锅炉的汽水系统，如图所示。

由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水调节阀2、给水母管1及蒸汽母管6等组成。

锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水然后引入汽包。

汽包中的水经下降管进入锅炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。

水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。

汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水和给水一起再进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。

“炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、喷燃器、空气预热器等组成。

锅炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器，在空气预热器中吸收烟气热量，成为热空气后，与燃料按一定的比例进入炉膛燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。

然后经过过热器，形成一定的过热蒸汽，汇集到蒸汽母管。

具有一定压力的过热蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。

与此同时，燃烧过程中产生的烟气，其中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还预热锅炉给水和空气，最后经烟囱排入大气。

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图1 锅炉的汽水系统
第2章 锅炉汽包水位动态特性分析
2.1汽包水位在给水流量W 作用下的动态特性
图2.1是锅炉汽包水位在给水流量作用下，水位的阶跃响应曲线。

把汽包水位看作单容
量无自衡过程，水位的阶跃响应曲线如图中的Hl 线。

t W H1
H
t
H
图2给水流量作用下水位阶跃响应
但是由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水流量增加后，从原有饱和水中吸
收部分热量，这使得水位下汽泡容积有所减少，当水位下汽泡容积的变化过程逐渐平衡时，水位的变化就完全反映了由于汽包中储水量的增加而逐渐上升。

因此，实际水位曲线如图中的弯线，即当给水量作阶跃变化后，汽包水位一开始不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。

用传递函数表示时
n
S T S k s W s H S G )1()()()(111+== 2-1 式中K1—反应速度，即给水流量改变单位流量时水位的变化速度，单位为毫米/秒或(吨
/小时)。

从式2-1可知，汽包水位在给水流量作用下的动态特性由一个积分环节和一个滞后环节
所组成，K1、T1的数值可通过实验测试求得，数值的大小同锅炉的结构有关。

有些锅炉当给水量增加时，在较长的一段时间里，汽包水位并不增加，有一较长的起始惯性段，对于这种锅炉用式2-2来表示它的动态特性，误差较大，这时可选用下面近似计算：
s e S
k s W s H τ-=0)()( 2-2 式中，τ —给水量扰动后的纯滞后时间，对非沸腾式省煤器的锅炉，τ 这时为30至
100秒;对于沸腾式省煤器的锅炉，τ 为100至200秒;K0一水位的反应速度。

给水温度越低，时滞τ 亦越大。

总之，汽包水位调节对象在给水量作用下，具有纯迟延和惯性，无自衡能力。

具体特性
可用二种形式来描述，究竟采用何种形式，可根据锅炉结构和汽化强度来定。

2.2汽包水位在蒸汽流量D 扰动下的动态特性
在蒸汽流量刀扰动作用下，水位的阶跃响应曲线如图2.1所示。

当蒸汽流量突然增加，
从锅炉的物料平衡关系看，蒸汽流量D 大于给水量，水位应下降，如图中曲线H1。

但实际并非如此，由于蒸汽用量增加，瞬间导致汽包压力的下降。

汽包内水的沸腾突然加剧，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容积增加而使水位变化的曲线如图中的H2线。

因此，实际的水位曲线为H1+H2，即为图中的H 。

从图中可以看出，当蒸汽负荷增加时，水位不仅不下降反而上升，然后再下降(反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后再上升)，这种现象称之为“虚假水位”。

当汽水混合物中汽泡容积与负荷相适应达到稳定后，水位才反映出物料的不平衡，开始下降。

应该指出，当负荷阶跃改变时，水面下汽泡容积变化引起的水位变化是很快的，图2.3中H2的时间常数只有10~20秒。

蒸汽流量扰动时，水位变化的动态特性可表示为:
n
f S T k S k s D S H s G )1()()()(222++-== 2-3
式中，Kf 响应速度，即蒸汽流量变化单位流量时，水位的变化速度，单位为毫米/秒或(吨
/小时)。

K 响应曲线玩的放大系数
T2 响应曲线的时间常数
H
H1
H2
H
t
图3 蒸汽流量扰动下水位阶跃响应
“虚假水位”变化的幅度与锅炉的汽压与蒸汽量有关，对于一般100一230吨/小时的中
高压锅炉，如负荷阶跃变化10%时，“虚假水位”现象可使水位变化达30一40毫米。

由于“虚假水位”现象属于反向特性，其出现的水位最大偏差很难依靠调节来克服，如果要求水位波动不能太大，只有限制负荷D 的变化速度或限制负荷一次变化量。

由此可见，汽包水位调节对象在蒸汽流量扰动下，非但没有自平衡能力，而且存在着“虚
假水位”现象，“虚假水位”的变化速度很快，变化幅度与蒸发量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，在设计调节系统时必须考虑。

第3章锅炉汽包水位的控制方案
3.1单冲量控制方式
单冲量水位控制方式原理图及方框图如图4所示它是汽包水位自动调节中最简单、最基本的一种形式。

它引入汽包水位作为反馈量，是典型的单回路定值控制系统。

当蒸汽用量突然增加时，应该加大给水量以满足负荷需求；但是由于假水位现象，导致控制器会先减小给水量来抑制瞬间的水位升高，随着假水位消失，汽包水位会在负荷增加和给水量减少的双重作用下，产生严重的水位下降，甚至发生危险。

对于小型锅炉，由于蒸汽负荷变化时假水位的现象不明显，如果再配上一些联锁报警装置，这种单冲量控制系统能满足要求。

但是对于600MW发电机组汽包水位负荷变动较大单冲量控制系统不能保证水位稳定，难以满足水位控制要求和生产安全。

因此，该控制方案不适用于负荷变动较大的情况。

图4 单冲量控制控制系统框图
3.2双冲量控制方式
汽包水位的主要扰动是蒸汽流量变化，如果系统除了汽包水位控制外还能利用蒸汽流量变化信号对给水流量进行补偿控制，就可以消除或减小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 A 所示系，统框图如图B所示双冲量控制系统实质是一个前馈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情况进行给水流量补偿，而其他干扰对水位的影响由反馈控制回路克服。

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。

系统方框图见图5
蒸汽
图5 原理图
图6 双冲量控制控制系统框图
图5中的加法器，将控制器的输出信号和蒸汽流量变送器的信
号求和后，控制给水调节阀的开度，调节给水流量。

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假水位现象的影响，而及时达到平衡。

这样就克服了由于蒸汽流量变化引起假水位变化所造成的汽包水位剧烈波动。

加法器具体运算如下：
I I C I C F C I 021±+=
式中, I 为控制器的输出; I C 为水位控制器的输出; I F 为蒸汽流量
变送器(一般经开方)的输出; C C 21为加法器系数; I 0为初始偏置值.现在分析这些系
统的设置。

C 2 是取正还是负是根据调节阀是气开还是气关而定，确定的原则是蒸汽流量增加，
气关式调节阀取负号气开式调节阀取正号，C 2 数值的确定还要考虑到静态补偿。

将C 2调整到只有蒸汽流量扰动时，汽包水位基本不变即可。

C 2 的设置比较简单，可取 1 也可以取小于1。

设置初始偏置的目的是为了在正常蒸汽流量的情况下，控制器和加法器的输出都有一个适中的数值，最好在正常负荷下I 0值与I C F 2相抵消。

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, 而且能使给水调节
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, 若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。

在给水压力比较平稳时, 采用双冲量控制就能达到控制要求。

汽包水位的主要扰动是蒸汽流量变化，如果系统除了汽包水位控制外还能利用蒸汽流量变化信号对给水流量进行补偿控制，就可以消除或减小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 5 所示系，统框图如图6所示双冲量控制系统实质是一个前馈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情况进行给水流量补偿，而其他干扰对水位的影响由反馈控制回路克服。

双冲量水位自动调节系统的特点是：
(1) 引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对调节的不良影响，当蒸汽量变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的误动作，使调节阀开始就向正确的方向移动。

因而大大减小了给水量和水位的波动，缩短了过渡过程的时间。

双冲量水位自动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, 要等到汽包水位信号变化时才能通过调节器操作执行调节, 滞后时间长, 水位波动大。

二是调节阀的工作特性不是完全线性的, 因此, 要做到静态补偿就比较困难。

3.3我选择的控制方式
我选三冲量的控制方式作为本次设计控制方式。

三冲量控制系统具有如下优点: 一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。

二是能有效地避免“虚假水位”现象。

第4章仪器仪表的选择与参数的整定
4.1液位变送器的选择
选则1151/3351DP差压变送器
1151/3351DP差压变送器的关键原材料、元器件和零部件均源自进口或合资生产，整机经过严格组装和测试。

该产品具有设计原理先进、品种规格齐全、安装使用简便等特点。

由于该机型外观上完全融合了目前国内最为流行，并被广泛使用的两种变送器（罗斯蒙特3051与横河EJA）的结构优点，让使用者有耳目一新的感觉，并具有很强的通用性和替代能力。

为适合国内自动化水平的不断提高和发展，该系列产品除设计小巧精致外，更推出具有HART 现场总线协议的智能化功能。

产品特点：
超级的测量性能，用于压力、差压、液位、流量测量
精度高：数字精度+（-）0.05%；模拟精度+（-）0.5%~+（-）0.1%F.S
量程、零点外部连续可调，量程比100：1
正迁移可达500%、负迁移可达600%
稳定性能好，稳定性：0.25% 60个月
耐过压
固体传感器设计
全系列统一结构、互换性强
接触介质的膜片材料可选
低压浇铸铝合金壳体
测量速率：0.2S
小型化（2.4kg）全不锈钢法兰，易于安装
过程连接与其它产品兼容，实现最佳测量
采用16位计算机的智能变送器
标准4-20mA，带有基于HART协议的数字信号，远程操控
支持向现场总线与基于现场控制的技术的升级
图7 1151/3351DP差压变送器
4.2 控制器的选择
采用上海龙瑞斯电子科技有限公司生产的XMT 系列数字显示控制器，主要选用
XMT F 800 01 A12 T2型控制器。

一、主要技术指标
测量范围：－1999～9999 字分辨率：1、0.1、0.01、0.001 字
测量精度：0.5%FS 可选0.2%FS 供电电源：220V AC 可选24VDC 或110V AC
输入信号：4-20mA,1-5V,0-20mA,0-5V,Pt100,0-3kHz,B,S,E,K,J,T,R,N 等多种
输出信号：4-20mA,1-5V, 继电器等工作温度：－20～＋65℃
安装方式：卡入式支架顶压安装消耗功率：≤5W
指示方式：LED 数字显示报警设置：报警数值用户可任意设定
仪表尺寸：160×80×150,80×160×120,96×96×150,96×48×110,48×96×110,72×72×110 单位mm
开孔尺寸：152±1×76±0.7、76±0.7×156±1、92±0.8×92±0.8、92±0.8×44±0.8、68，±0.6×68±0.8单位mm
仪表菜单及参数设定
菜单提示符提示符含义说明设定范围
ALM1 上限报警数值如总深5米，要求4米高报警，则设4米－1999～9999 ALM2 下限报警数值如总深5米，要求1米低报警，则设1米－1999～9999 Hy-1 系统保留固定值9999 禁止改变
Hy-2 系统保留固定值9999 禁止改变
Hy 回差上限、下限报警的回差值如设定为0.1 米0～2000
At 系统保留固定值0 禁止改变
I 备用项无意义数据可以任意0-9999
P 备用项无意义数据可以任意0-9999
dt 系统保留固定值0 禁止改变
Sn 产品功能代码由订货选型时决定，不可更改禁止改变
dP 小数点位置显示几位小数如要求2 位小数，则dP=2 0-3
P-SL 显示值零位要求PV 窗口显示值的最低点－1999～9999
P-SH 显示值满位要求PV 窗口显示值的最高点－1999～9999
Pb 仪器修正值PV 窗口显示值=测量值+Pb 数值－1999～4000
oP-A 系统保留固定值1 禁止改变
outL 系统保留固定值0 禁止改变
outH 系统保留固定值200 禁止改变
图8 XMT显示控制器
4.3 执行器的选择
选择AT65气动执行器
AT65气动执行器结构特点
1）挤压成型的铝合金缸体，经硬质氧化处理，表面质地坚硬，耐磨性强。

2）紧凑的双活塞齿轮、齿条式结构，啮合精确，传动平稳，安装位置对称，输出扭矩恒定。

3）活塞、齿条和输出轴的活动部位均安装F4导向环，实现低摩擦，长寿命，避免金属间的接触。

4）缸体、端盖、输出轴、弹簧、紧固件等均经防腐处理。

5）单气控型执行器的弹簧经预压后安装，可安全、方便的拆卸和组装。

6）AT65气动执行器在全开和全关位置均可进行0度和90度正负5度的双向行程调节。

7）安装连接尺寸符合ISO5211、DIN3337和VD1／VDE3845以及NUMAR标准，确保AT65气动执行器间的互换性和方便安装电磁阀、限位开关等附件。

8）输出轴的安装连接孔有多种形状（四方孔、轴键孔、扁孔）供选择
9）外形美观而精巧，重量轻，具有防水密封结构。

10）有常温型、高温型、低温型。

在常温工作条件下使用丁腈橡胶，在高温或低温时采用氟橡胶或硅橡胶。

图9 RZXP型新系列气动调节阀
4.4 控制器的作用方式
当设定值不变时，随着测量值的增加，调节器的输出也增加，则称为“正作用”方式；当测量值不变时，设定值减小时，调节器输出也增加，称为“正作用”方式；如果测量值增加或设定值减小时，调节器输出减小，则称为“反作用”方式。

经分析此系统为正作用方式。

4.5 阀的开闭选择形式
关于给水调节阀的气开气关的选择，一般都是从安全角度考虑的，人员安全、生产安全、系统设备安全的需要为首要依据。

由于工业生产过程的调节阀绝大部分为气动调节阀，所以要选择调节阀的气开气关方式。

锅炉给水调节阀一般采用气关式，一旦事故发生，系统失控，供水调节阀处于全开位置，是锅炉不致因给水中断烧坏，避免爆炸等事故的发生。

4.6工程整定
采用两步整定法进行整定
所谓两步整定法就是整定分两步进行，先整定付环，在整定主环
⑴求取副调节器的δ2S 和T2S（闭合主、副回路，两个调节器都置于纯比例、自动；置δ1＝100％；用衰减曲线法求取副调节器的δ2S 和T2S）。

⑵求取主调节器的δ1S 和T1S（闭合主、副回路，两个调节器都置于纯比例、自动；置δ2＝δ2S ；用衰减曲线法求取主调节器的δ1S 和T1S）。

⑶计算调节器参数（依据以上求得的δ1S 、T1S 和δ2 、T2S ；主、副调节器的选型以及衰减曲线法相关公式，求取主、副调节器的相关参数）。

⑷将计算参数置于调节器；将副调节器置串级，主调节器投自动
设计如图10所示的双冲量控制系统，调节器采用工程中常用的PID调节，PID参数采用试凑法和逐步逼近法进行整定
图10 PID 控制的双冲量控制系统原理图
根据经验获得下列近似传递函数及系数：
（1）给水流量的传递函数：
)130(037
.0)(+=S S s G P
（2）蒸汽流量的传递函数：s s s G D 037.015.16.3)(-+=
（3）变送器的比例系数： 水位变化范围为80mm ，水位变送器的电流变化为0-10mA ，所以水位变送器的比例系数为：00625.080
*21==K H 水流量和汽流量变送器的比例系数为：
cew 00625.0==K K W D
（4）通过估算给水流量信号和汽流量信号的分流系数为：0.21。

PID 控制器的参数采用试凑法和逐步逼近法相结合的方式，通过Simulink 仿真得到控制器的PID 参数为: 35.0=K P ，002.0=K I ，001.0=K D
若汽包水位采用双冲量单级PID 控制系统，采用Simulink 对控制系统进行仿真设计，仿真设计如图下所示。

图11 双冲量控制系统仿真图
双冲量PID控制系统分别在无、有干扰情况下进行仿真。

如图12为在无干扰的情况下系
统的单位阶跃响应，在500s时加入蒸汽流量扰动的系统阶跃响应如图13所示
图12 水位给定值阶跃跟踪响应时的仿真结果
图13 在500s加入蒸汽流量扰动时的仿真结果
由仿真所得的系统响应可知，该PID控制器可实现系统稳定性和精度的要求。

参考文献:
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