循环流化床锅炉汽包水位控制系统的设计

目录

摘要 ................................................................................................................................................ III

Abstract ........................................................................................................................................... IV 第一章 绪论 ............................................................................................................................... 1

1.1 设计的目的和意义 ......................................................................................................... 1 1.2 循环流化床锅炉简介及其发展概况 ............................................................................... 1 1.3 循环流化床锅炉的结构及工作流程 ............................................................................... 3

1.3.1 循环流化床锅炉的结构 ....................................................................................... 3 1.3.2 循环流化床锅炉的工作流程 ............................................................................... 5

第二章 循环流化床锅炉控制系统 ............................................................................................. 6

2.1 循环流化床锅炉燃烧控制系统 ........................................................................................ 6

2.1.1 燃料量控制 ........................................................................................................... 6 2.1.2 送风量（一、二次风）量的控制 ..................................................................... 6 2.1.3 床温的控制 ............................................................................................................. 7 2.1.4 引风量的控制 ......................................................................................................... 7 2.2 过热蒸汽温度控制系统 ................................................................................................... 7 2.3 锅炉汽包水位控制系统 .................................................................................................... 8

2.3.1 “虚假水位”现象产生原因和解决的办法 ......................................................... 9

第三章 汽包水位控制系统 ......................................................................................................... 10

3.1 汽包水位控制对象的动态特性分析 ............................................................................. 10

3.1.1 给水流量扰动下汽包水位的动态特性 ............................................................... 11 3.1.2 蒸汽流量扰动下的汽包水位动态特性 ............................................................. 12 3.2 汽包水位的控制方案 ...................................................................................................... 13

3.2.1 单冲量控制系统 ................................................................................................... 13 3.2.2 双冲量控制系统 ................................................................................................. 15 3.2.3 串级三冲量控制系统 ......................................................................................... 16 3.3 汽包水位控制系统的选定 ............................................................................................ 18 3.4 设计方案的分析 ............................................................................................................ 18

3.4.1 三冲量控制系统原理及方框图 ........................................................................... 19 3.4.2 控制系统的传递函数 ........................................................................................... 20 3.4.3 控制系统的稳定性分析 ....................................................................................... 23

第四章 循环流化床锅炉汽包水位控制系统硬件选择 ............................................................... 25

4.1测量变送器的选择 ........................................................................................................... 25

4.1.1流量测量变送器的选择 ........................................................................................ 25 4.1.2液位测量变送器的选择 ........................................................................................ 26 4.2调节器的选择 ................................................................................................................... 27 4.3执行器的选择 ................................................................................................................... 28 第五章 循环流化床锅炉汽包水位控制系统的软件设计 ........................................................... 30

5.1 循环流化床锅炉汽包水位控制软件系统结构 .............................................................. 30 5.2 CPU222和EM235的I/O地址分配与接线 .................................................................... 31 5.3 控制系统程序框图设计 .................................................................................................. 33 第六章 总 结 ........................................................................................................................... 34 参考文献......................................................................................................................................... 35 致谢 ................................................................................................................................................ 36

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75T/H循环流化床锅炉汽包水位控制系统设计

摘要

在循环流化床锅炉运行过程中，汽包水位是一个很重要的参数，锅炉水位过高会影响汽水分离的效果，产生蒸汽带液的现象，降低蒸汽的品质；液位过低则会破坏锅炉的汽水循环，情况严重的会烧坏锅炉，造成事故；因此，维持汽包水位稳定在设定值是保证锅炉稳定运行的必要条件。

本次设计共计六章，第一章简单介绍了循环流化床锅炉的发展及其工作流程等。第二章介绍了循环流化床的三大控制系统：燃烧控制系统、水位控制系统和过热蒸汽温度控制系统。第三章介绍了本次设计的重点汽包水位控制系统，分别讨论比较了三种控制方案：单冲量控制、双冲量控制和三冲量控制，并最终选择了三冲量控制方案来实行本次设计。第四、五章是对控制系统所需要的其他的硬件和软件进行分析和选型，最终达到完善控制的目的。第六章是对整个设计的总结。

关键词：循环流化床锅炉，汽包水位控制，单冲量，双冲量，三冲量

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The design of 75T/H circulating fluidized bed

boiler drum water level control

Abstract

The control of drum level is a very important parameter,high level will affect the moisture separator in the coal-fired boiler operation,and phenomenon with liquid to generate and reduce the quality of steam.low level will break the water cycle,even burning boilers.So maintaining the stability of the drum is the necessary to keeping the important safety operation of boilers.

The design of a total with six chapters.The first chapter introduces the development of the circulating fluidizde bed boiler and it is working process and so on. The second chapter describes the circulating fluidized bed boiler three main blocks of the control system:combustion control, water level control, thermal steam control.Chapter three focuses on analysis the control design of circulating fluidized bed boiler water level,besides,analysed its dynamic properties and level control options specifically:single impulse control, dual-impulse control,three impulse control, and we analyzed the reason why selected the three impulse from these options. The fourth and fifth chapter is about of the other hardware and software of control system need analysis selection,and achieve the purpose the purpose so perfecting the control in finally. The sixth chapter is a summary of the whole design.

Keywords: circulating fluidized bed boiler，drum level control，single impulses,

double impulses,three impulses.

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第一章 绪论

1.1 设计的目的和意义

本次设计的目的主要是通过对书本上知识的理解和对所查询资料的分析及

对循环流化床锅炉的了解与认识，将所得到的知识与这次毕业设计相结合，设计出一套功能较完善的循环流化床锅炉汽包水位控制系统。加强理论知识与实际生产相结合，做到一切以安全为主，生产为辅。同时在完成设计的过程中也对我们处理问题的思维能力和空间想象能力进行了锻炼，也复习和巩固了之前的学习知识，为将要步入工作岗位的我们打下一定的基础

这次设计的意义在于分析认识到锅炉汽包水位控制系统是一种自动控制系统，它有效的节省了人力资源去对其直接操控的环节，而且操控较为准确、实时和安全。循环流化床研究的价值主要体现在一方面它缓解了化工生产所带来的环境污染问题，另一方面它还缓解了世界能源短缺的问题。只有我们把循环流化床锅炉中的每一个控制点都做好了，锅炉的完整性和可执行性才可以体出来，只有将燃烧、水汽、烟气和煤渣等系统有机的结合起来，一台锅炉才能稳定的运行。

1.2 循环流化床锅炉简介及其发展概况

从我们国家的资源结构形式来看，中国是一个富煤、少气和贫油的国家，其中煤炭为几种能源类型中最主要的一种。煤的利用对于我们国家乃至世界都是一把双刃剑，首先是煤作为主要能源为人类的经济发展做出了巨大的贡献，但是煤在加工和利用过程中会产生大量的氮氧化物、硫氧化物、细颗粒物和重金属及CO2，正是由于这些污染物的大量产生，才导致了目前全球性的四大公害的产生，即大气烟尘、酸雨、温室效应、臭氧层薄弱[1]。所以煤炭资源给人类带来贡献的同时也破坏着人类赖以生存的环境。而煤炭本身又是不可再生资源，它的利用要做到高效、节约。这样一来清洁、高效的利用煤炭资源是现如今的主要发展方向。 循环流化床锅炉（Circulating Fludized Boiler,简称CFB锅炉）产生就很好的解决了这个问题。CFB锅炉的独特燃烧技术成为一种新型的清洁燃烧技术在迅速地发展和推广，是由于它的燃料来源性广，可以燃用劣质燃料、污染物的排放容

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易控制等优于其他锅炉的特点，使得它在国内外产汽设备中具有明显的地位。特别是我们国家的煤炭资源所具有的煤种的多样性、含硫高以及劣质煤量大等特点，让CFB锅炉技术在我国使用和发展就变得十分的重要。

在上个世纪60年代中期，以燃烧煤为主要燃料的鼓泡流化技术得到了飞速的发展和应用，世界各国都先后投运了很多燃煤鼓泡流化床锅炉。但是由于鼓泡流化床本身的结构所带来的埋管受热面磨损严重、燃料燃烧的效率普片偏低、结构庞大等问题的影响，在20世纪80年代初，目标在解决鼓泡流化床所存在问题的循环流化床技术开始得到应用，并得到迅速发展，于是具有明显优势的CFB锅炉就开始慢慢地取代了有众多缺陷的鼓泡流化床锅炉，成为现在最受欢迎的产汽装置。在类型各异、特点不一的工业锅炉中，它只是其中运用最多的一种。所谓循环，是指在燃料（这里主要指煤）在炉膛燃烧的过程中不一定完全燃尽，没有完全燃烧完的煤粉随着烟气流动，在流经旋风分离器时经分离作用回到炉膛继续燃烧的过程；从根本上来说，循环流化床锅炉的前身就是鼓泡床沸腾炉,但是它有着鼓泡床沸腾炉的许多优点而自身又有鼓泡床沸腾炉所不具备的一些优点；CFB锅炉在运转中的具体工作原理是:先将燃料（大多指煤）在煤场通过碎煤机破碎到0～10 mm的颗粒后一般采用皮带运送的方式运送到储存室，在储存室中按所需的量送入锅炉炉膛,炉膛内先放置数量较多炉渣或者石英砂作为床料，好让燃料在床料上存放而不至于掉下炉膛；在炉膛下部有许多排列好的风帽，供煤粉颗粒流化和燃烧的风经风帽送到炉膛,使得已经预先被加工成颗粒状的燃料在炉膛中像液体流动一样呈“流态化”方式燃烧,燃烧过程中产生的烟气往往会夹带部分煤粉颗粒由炉膛上部的烟气出口排出，为了避免这些还可以燃烧的颗粒直接排出锅炉，设计者想到了在炉膛上端烟气出口处安装上气固分离器，该处的分离器一般为旋风分离器，有了这个分离设备，就能在烟气排出的过程中对其夹杂着的固体颗粒进行分离，再通过返料装置的作用将分离下来的固体颗粒送入炉膛继续燃烧。这个过程保证了燃料的燃烧利用率，使得燃料的燃烧变得更加的充分，能够最大限度的放出更多的热量，这样就极大的提升了燃料的燃烧率和有效地节约了资源。而所谓的流化是指在一次风的作用下使燃料煤像液体一样具有流动性，使其悬浮在炉膛中，呈出流态化，让其燃烧得更加的充分、完全；这样也能够到达提高燃料的利用效率和节约能源的目的。由于燃料（一般指煤）在炉膛中“流态化”并且在炉膛内能够进行多次循环燃烧,为其提供了更多的燃烧时间，

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经过这样一个过程使得排出的灰分中含碳量大大下降，做到将燃料充分燃烧的目的。经生产统计和实验分析，运行良好的CFB锅炉的生产效率可达98%～99%[2]。回顾我国循环流化床的发展历程，再看看它在世界工业产业中的重要地位和发展趋势,了解循环流化床锅炉发展得如此迅速的缘由,这样对我们的循环流化床锅炉技术的发展具有非常重大的意义。

循环流化床工艺在工业上的发展有着悠久的历史，在上世纪20～30年代国外先进的工业国家就在实验室做出来一些成果,之后的一段时间内,循环流化床工艺被很好的运用于实际生产之中，尤其突出的是在化工工业和冶金工业。世界上最早的循环流化床工艺产生于上世纪60年代,而在十多年后的一段时间内得到了迅速运用, 最有代表性的是德国鲁奇(Lurgi)公司生产的50 t/h循环流化床锅炉和芬兰奥斯龙(Ahlstrom)公司所生产的的20 t/h循环流化床锅炉相继投运,正式拉开了以煤为主要能源的循环流化床锅炉作为产能设备的序幕[3]。在随后的几十年里，循环流化床锅炉工艺在全世界都得到了迅速的推广和发展，通过一代又一代人的努力和奋斗，使得CFB锅炉的性能更加的完善，效率也变得更好。而在我们所处的这个新中国循环流化床锅炉会向着大型化、超临界以及深度脱硫、脱硝等方向发展[4]。我想，这只是一个时代的开始，在今后的时间里，循环流化床锅炉的性能和稳定性等等各个性能指标会变得越来越完美。在另一方面，自动控制理念的发展和运用在循环流化床锅炉上也会变得更加的准确和完善。而作为循环流化床锅炉中不可缺少的汽包水位的控制，也是非常重要的一个环节，它决定着锅炉的蒸汽产值和运行的平稳性。所以说针对于汽包水位自动控制课题的研究，也是以门极为重要的技术。

1.3 循环流化床锅炉的结构及工作流程

对循环流化床的发展历史和发展趋势做了了解，我们想要对其做进一步的分析和认识，就得从它的结构及工作流程说起。

1.3.1 循环流化床锅炉的结构

这部分我想从三方面来阐述，其实也就是整个锅炉的三大系统：烟气、水汽和燃料系统。先从与燃料有关的结构部件来看，首先是进料装置，其中有煤仓、

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运输设备等等；燃料运输到锅炉的炉膛，在锅炉炉膛内呈“流态化”燃烧，燃烧后产生的的炉灰由炉膛下部的排渣口排出；产生的烟气出炉膛上部排出，其中夹杂着的煤粉由返料装置返会炉膛再一次的燃烧，返料装置的主体是旋风分离器，再加上一些管道组成；接下来就是与烟气相关的结构来，一开始空气经空气预热器预热后由一次风机、二次风机送入炉膛，参与燃料的燃烧后由炉膛上部的烟气管道后经空气预热器、省煤器、过热器利用之后经除尘设备和脱硫设备后从烟囱排出。接下来就是与汽水相关的结构来，水由外部自来水给水，在输送的过程中经过省煤器预热到一定温度后进到汽包，汽包中未被汽化的水沿着下降管不断下降到水冷壁被加热，水加热汽化后变成水蒸汽还是由下降管上升回到汽包中，汽包中的水蒸气被送入蒸汽集箱，经过热器再度加热变成过热蒸汽检测合格后被送至用气单位。锅炉中最为重要的结果就是汽包和炉膛，汽包由承压好，耐腐蚀的材料制成；炉膛是燃料燃烧放热和吸热的地方。由于其独特的燃烧方式，循环流化床锅炉的炉膛按其位置和炉膛内物质的量可分为上部稀相区和下不密相区两大部分；上部密相区由水冷壁、二次风口、炉内受热面和炉膛出口等结构组成，下部密相区由布风装置、给料口、返料口、敷设耐火材料的炉墙及二次风口等所组成[5]。如图1.1所示（图中一些结构未画出）。

图1.1 循环流化床锅炉示意图

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1.3.2 循环流化床锅炉的工作流程

对于循环流化床锅炉来说，最终的目地就是把水变成水蒸气，水蒸汽再加热变为过热蒸汽以备使用。我对工作流程的介绍，主要是从我们到天福化工责任有限公司进行毕业实习过程中得出的，对其他的不同产量不同型号的CFB而言，其工作流程大体相同，不同的只是它的一些参数或者细小结构。天福化工拥有的循环流化床锅炉每台蒸汽产量为130T/H，而我所设计的这次设计为75T/H，从产量上来说它们存在着差别，除此之外它们在工艺参数上也会有所不同。 从天福化工有限责任公司热电区中的四台循环流化床锅炉整体结构来看，首先是煤渣部分，煤由煤场经皮带运输至煤仓，在煤仓出按一定的给煤量由给煤机送至炉膛以供燃烧，煤在从炉膛底部送入的一次风作用下在炉膛内呈流态化，在一二次风的助燃下燃烧放热，以供加热使用；炉膛上部出烟气，下部出炉渣。有了热量，接下来便是将水送至汽包加热，水由给水泵给水，使其经过省煤器的预热其将其预热至两百多摄氏度，预热过的水送至汽包；汽包中的水先由下降管下降至集箱，集箱周围按一定规律排布有水冷壁，一部分水由于水冷壁加热后变成水蒸气，水蒸气从下降管上升至汽包，于是就完成了由水到水蒸气的这个过程；由于密度原因经其水分离水蒸气的从汽包上部蒸汽出口进入高、低温过热器，经高、低温过热器进行第二、三次加热后的水蒸气变成了过热蒸汽，被送至过热蒸汽集箱，过热蒸汽在过热集箱检测合格后从过热集箱出口被送至过热蒸汽母管，就这样被送至用气区供给使用。这就是CFB锅炉的大致工作流程，在这个工作流程中我们要控制其中的很多重要的参数，比如锅炉汽包的水位，过热蒸汽的温度，还有燃料的燃烧控制等等，这些参数的控制，就构成了熏黄流化床锅炉的控制系统，只有有效的、合理的对这些控制系统进行很好的控制，才能够确保锅炉平稳、安全的运行，达到最终的效率。

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第二章 循环流化床锅炉控制系统

循环流化床锅炉的控制系统，就是在保证循环流化床锅炉安全、稳定运行的前提下，达到工作指标，这里工作指标指的是工作的蒸汽产量，并减少排放物对环境所造成的污染[6]。这里说的循环流化床锅炉的控制系统主要包括燃料燃烧控制系统、过热蒸汽温度控制系统和汽包水位控制系统[7]。其中汽包水位控制系统将会作为本次设计的重点，会较为详细的做出设计。

2.1 循环流化床锅炉燃烧控制系统

对于CFB锅炉的燃烧控制系统来说，控制最基本的任务就是使炉膛中燃料燃烧后所提供的热量能够适应蒸汽负荷的需要，同时又保证了燃料燃烧的经济性和锅炉运行的安全稳定性。它的燃烧自动控制系统主要包括燃料量控制、送风量控制、床温控制和引风量控制等几个方面内容[8]。

2.1.1 燃料量控制

在锅炉运行的过程中，通常根据用气设备的运转负荷对锅炉蒸汽负荷需求，而蒸汽负荷又是从锅炉的能量而来，就这样一步一步计算得到锅炉的负荷指令，该指令信号就直接表示了在不同的工作情况下用汽设备对锅炉的能量需求。锅炉的负荷指令通过变送成信号被分别送到燃料控制系统和风量调节系统，通过进入锅炉的燃料量与进入炉膛的风量相适应，改变燃料的燃烧程度，使其放出的热量与用气设备需要的能量相吻合。在控制系统中，将锅炉蒸汽蒸汽运输母管中的压力来评定锅炉的燃料和锅炉外部所需求的能量之间的平衡标准。当锅炉的蒸汽负荷与外部用气设备的蒸汽量消耗相互不适应时，则需同时改变相应的进料量与送风量，以便于使得燃料燃烧所释放的能量能够被充分的利用，做到高效节能，不浪费。

2.1.2 送风量（一、二次风）量的控制

循环流化床的燃烧控制系统可以在改变燃料投入量的同时，随之相应的调节

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送风量，使送风量与燃料量相匹配，这里说的相匹配就是指送风量能够使燃料量最大限度的燃烧，即是使送风量与燃料投入量成一定的比例，这样也就提高燃料的燃烧效率，也就提高了锅炉的运行效率，保证锅炉燃烧的经济性。而在送风过程中一次风量与二次风量之间的比例能够直接影响到锅炉的床温，锅炉的床温又与炉膛中燃料的燃烧相关，从这个层面来看，送风量对CFB锅炉也是个对燃料的燃烧是个非常重要的因素。

2.1.3 床温的控制

CFB锅炉的床温室是表征其能否连续稳定运行的一个非常重要的参数，而床温的高低对锅炉的脱硫效率、运行效率以及在燃料燃烧过程中所产生的氮氧化物的含量。当床温温度过低时会造成燃料燃烧的稳定性，从而导致整个锅炉的效率值下降；而当床温太高时会让锅炉脱硫下降，污染物的产生量升高，严重情况下导致床层熔化、结焦，使床料无法再以“流态化”方式燃烧。因此对于循环流化床来说床温是一个不可缺少的重要参数。

通常情况下，影响床温的因素除上节讲到的一、二次风风量的比例之外，还有锅炉的排废渣量、加入脱硫的石灰量以及燃烧后所产生的烟气量。不同类型的锅炉对自身床温控制的方法也会有所差异，主要具有代表性的有调整一、二次风量之间的比例，控制床料的循环量和控制锅炉的排渣量等等。

2.1.4 引风量的控制

在锅炉运行过程中，炉膛压力的高低也直接关系着循环流化床锅炉的安全性经济性。在生产实际过程中，为了更好的确保炉膛压力的在工艺和安全要求的范围之内，锅炉的引分量需要与锅炉的排风量相互适应，达到最优效果。 综上所述，为实现锅炉燃烧的控制，需要对以上四个量进行控制，得到的信号在在控制系统的作用下以一定的控制规律下对炉膛的燃烧进行控制。

2.2 过热蒸汽温度控制系统

过热蒸汽温度是锅炉运行质量的一个重要指标，它必须严格地控制在工艺要求的范围之内，否则将会严重的影响到用气区的稳定性及工作效率[9]。温度过高

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会导致过热器一些部件被损坏，也给蒸汽的运输带来很大的麻烦；温度过低时又达不其他设备运行的负荷，浪费了资源，直接降低了厂区的生产效率。因此，锅炉的过热蒸汽温度自动控制系统的最根本的任务，就是通过控制器控制其他扰动变量来维持过热器出口处的蒸汽温度在工艺允许的范围之内，同时也使过热器壁管温度不高过其规定的范围，从而保护好过热器不会由于温度的原因而损坏。蒸汽温度过热系统，就是指从锅炉汽包出来的蒸汽经过烟道气进行低温过热，在经过炉膛时通过锅炉的高温过热器进行加热，同时在过热器后通过减温水的作用，使得过热蒸汽达到用气所需要的温度。过热系统中主要的参数为减温水、二次风量和蒸汽流量；三个参数共同影响着过热蒸汽的温度。

常用的过热蒸汽温度控制往往是一个比较常见和标准的串级调节系统。它主要是通过调节一、二级减温水的流量来对锅炉的过热蒸汽的温度进行控制。采用两级调节器来对过热温度进行调节；串级控制中主调节器依据蒸汽在出口温度的工艺设定值与生产实际中的测量值相比较，分析它们之间的偏差得出准确的调节信号，该信号被作副调节器的设定值，副调节器再这个值和减温水出口处的温度偏差信号进行调节，最终控制减温水的流量来调节其温度[10]。由于温度的调节具有不可避免的滞后性，所以单单根据蒸汽温度与设定值之间的差异来减温水的量是达不到工业要求的，因此以过热蒸汽流量当做前馈信号加到控制系统中去，当蒸汽流量产生扰动的情况后，当过热蒸汽的温度还没来得及发生较为显著的变化就对其进行了调节，能够迅速的消除其他因素对蒸汽温度的影响，以至于能够很好的控制好过热蒸汽的温度。

2.3 锅炉汽包水位控制系统

锅炉在运转的过程中必须严格地监控着汽包的水位，作为如此重要的一个参数，保持锅炉汽包水位在其工艺设定值就是保证锅炉机组安全运行的必要条件。当锅炉汽包水位没有在要求的设定值时可能导致锅炉满水或缺水，不能满足蒸汽负荷的需求同时也给机组安全稳定运行带来很大隐患。当锅炉汽包在满水状态运行时会是蒸汽中夹带大量的水位和造成汽水管道被水严重冲击，而缺少严重时会使水循环异常甚至干锅烧坏炉壁管道等等[11]。而选择一种合理的控制系统和好的控制思路，又是保证水位的前提，因此，选择控制系统是个关键的步骤，我们必

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须走好这一步，才能进一步在汽包水位控制环节研究中走得更远、更好。

一般情况下，锅炉在运行过程中的水位是在某个值上下范围内做轻微振荡的。其水位高度的就是汽包内蒸发面的高低。通常来说，稳定运转中运行中液位正常值应该在汽包中心线上下50mm之间。汽包的水位与蒸汽负荷的变化之间有着非常密切的联系，所以在考虑汽包液位变化所引起的原因时候应该将蒸汽负荷变量也算成一个扰动。特别是在用气设备（多指汽轮机组）在启动或者是停止运转的时候，都会出现较大的蒸汽负荷变化的现象，这时候就需要对锅炉汽包的水位进行严格的控制，保证锅炉正常启动和运转。

2.3.1 “虚假水位”现象产生原因和解决的办法

在控制汽包水位的时候，有时会出现控制水位与真实水位不一样的现象，在过程控制过程中这样的现象叫做‘虚假水位’水位现象[12]。循环流化床运行过程中，假如在燃烧率不变的条件下，由于其他因素导致锅炉蒸汽流量发生波动时，锅炉的汽包水位也会受到扰动而随着波动。当锅炉的蒸汽流量忽然受到扰动而变大时，更多的水蒸发变成水蒸汽使蒸汽的流量大于汽包的给水流量，按理来说汽包的水位应该随即上升，然而在开始阶段的水位不仅不会下降，而是在一小段时间内呈快速上升的趋势；反过来锅炉负荷减小时，汽包的水位不会马上升高而是先下降。这是由于在蒸汽流量变化的最初阶段影响汽包水位的主要因素是液面下的汽包容积的变化，而这时候的汽包水位随之气泡容积的变化而变化；当然，这个变化过程的时间是较为短暂的；在一小段时间后当水下气泡的容积和汽包内的压力达到平衡之后，气泡容积不再快速发生变化，这时候汽包的水位就与气泡容积无关只由汽包的储水量来决定，也就是水位随着给水流量的变化而变化[13]。为了解决这个问题，汽包水位的控制系统经历从简单的单冲量控制系统到较为复杂的功能较完善的双冲量控制系统，最终发展到现在广泛使用且功能最多、控制质量最好的串级三冲量控制系统。

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第三章 汽包水位控制系统

3.1 汽包水位控制对象的动态特性分析

CFB锅炉的汽包水位控制对象的动态特性，就是指所有的引起汽包水位变化的各种干扰因素与汽包水位之间的动态关系。

循环流化床锅炉汽包水位控制对象的简要结构示意图如下图3.1，我们知道汽包水位是由它本身储水量体积和汽包内水面下的气泡容积两个部分所组成，所以只要是能够导致汽包中储水量体积变化或者是影响到汽包液面下气泡容积的变化均是对汽包水位控制的干扰。

图3.1 汽包水位控制对象结构示意图

对本次设计而言，影响CFB锅炉汽包水位的主要因素有给水流量W、锅炉的蒸汽流量D、炉膛负荷、汽包压力P及一次风等等。本次毕业设计只是考虑了给水流量和蒸汽流量对汽包水位的影响,这两个扰动变量对汽包水位的影响特性用下列等式来表示：

dudud2hdhT1T22T1(TWwkwuw)(TDdkDuD)

dtdtdtdt

式中：h为汽包水位的高度;

TW为给水流量对象时间常数； TD为蒸汽流量对象的时间常数；

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kD为蒸汽流量对象的放大系数； kw为给水流量对象的放大系数； T1、T2为等效时间常数；

3.1.1 给水流量扰动下汽包水位的动态特性

给水流量扰动下汽包水位的阶跃响应曲线如图3.2所示

图3.2 给水流量阶跃扰动下的水位响应曲线

当汽包的给水量在稳定情况下突然单位阶跃增加△W后，锅炉汽包水位随之响应情况如图3.2中的曲线2。由于水位控制具有延迟性无自衡性，在出现给水流量增加以后，一方面进入汽包的给水流量要大于锅炉汽包中水的蒸发量，从物质量的多少的角度上来说是进入汽包的水量大于从汽包蒸发出的水的量，由于进入汽包的水的量不平衡才导致了水位的上升；从另一个角度来说刚补充到汽包的水的温度明显低于汽包中原有的水的温度，由于存在有温度查，水混合后温度见底使液面下气泡的容积减小，在两种情况的共同作用下，汽包水位在扰动产生初始时不会马上上升。随着时间的推移，当汽包里的水混合均匀达到温度平衡后，水面下气泡不在发生变化，从这之后汽包的水位会随着给水的继续呈直线上升。 图3.2中是在只考虑汽包中水量的假设情况下水，给水流量阶跃扰动后汽包水位的响应曲线，可以看为积分环节。曲线3是假设只有水下气泡容积变化而水量没有变化的情况下的水位响应曲线，我们可以将它看成是惯性环节。曲线2

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是在两种情况都考虑时的曲线1、3的合成，它表现力在真实情况之下汽包水为在给水流量阶跃扰动下的响应曲线。

所以在给水流量扰动下汽包的水位变化动态特性可以用以下传递函数来表示：

GHW(s)H(s) -W(s)s1ss(1s)式中：为响应延迟的时间；为汽包水位响应速度；它们的单位分别是S、（mm·s-1）/(t·h-1)。

3.1.2 蒸汽流量扰动下的汽包水位动态特性

蒸汽流量D的扰动主要来自于用气场所的负荷变化（对于化工企业来说一般指汽轮发电机组的负荷变化）。在阶跃的蒸汽流量干扰下所引起的汽包水位响应曲线如图3.3。当锅炉的蒸汽负荷突然阶跃增大，即是蒸汽流量D也随之阶跃增大时，汽包的水位具有无自平衡能力，因此在这种情况下汽包的水位H 应该按积分规律下降，水位响应曲线如图3.3中曲线1所示[14]。在锅炉的蒸汽流量增加，就有要求汽包中水的蒸发量迅速增大，也就导致了液下气泡的容积增大，最终使得水位高度H上升。由于汽包中水的蒸发强度有一个上限，水下气泡容积不可能无限增大。因为液面下气泡的容积增大所引起的锅炉汽包水位的变化可由惯性特性来描述，如图中曲线3所示，在蒸汽流量扰动的情况下实际的水位变化响应曲线是由曲线1和曲线3合成的，即是图3.3中的曲线2。

图3.3 蒸汽流量阶跃扰动下的水位响应曲线

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从图中可以看出来，在燃烧率不变的条件下，由于其他因素使锅炉蒸汽负荷阶跃变化的情况下，在变化一开始是汽包水位的变化跟蒸汽流量变化为相反方向的，流量升高，液位先下降再升高；流量减小，汽包液位反而先升高在减小，汽包水位出现失真情况。

蒸汽流量下水位的响应特性可以用下面近似传递函数来描述，即

GHD（s）H（s）K2（-K2-T2）s -D（s）1T2sss（1T2s） 式中：T2为真实情况下水位响应曲线2的时间常数；K2为曲线2（即是真实

情况下）的放大系数。为曲线2 的响应速度。

由于该逆向响应特性出现在扰动侧，它使水位控制系统在调节过程中的超

调量变大，影响其调节的质量，而不改变控制系统的稳定性。

3.2 汽包水位的控制方案

汽包水位控制的发展是一个循序渐进的过程，从一开始的人工控制到自动

控制、智能控制，经历了很大的转变。自动控制中按影响变量的数量的多少又分为很多，而在循环流化床锅炉汽包水位的控制系统中，一般情况下汽包水位控制系统有单冲量控制、双冲量控制和三冲量控制系统。这次设计就将介绍这三种控制方式，选择其中最适合的一种来作为最终的控制方式。

3.2.1 单冲量控制系统

这里所说的单冲量控制系统即是指只以汽包的水位作为变量来对汽包的液位进行控制，该系统有着结构简洁、易以让人理解的优势，它的设计方案就是明显的单回路控制系统。控制系统中，锅炉水在汽包里循环的时间比较长，倘若在相对稳定的蒸汽负荷工况下运行，只需要加上一些连锁报警装置就能够完成对汽包的水位控制任务[15]。它的系统方框图和原理图如图3.4、3.5。

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图3.4 汽包水位单冲量控制系统方框图

图3.5 汽包水位单冲量控制系统原理图

由于单冲量控制具有比较简单的特点，所以该控制形式直接将控制对象也就是汽包的水位作为反馈信号引入回路中，构成一个单回路控制系统。该控制形式把实时监测得到的水位信号传送到调节器，调节器根据测量值与设定值间的偏差运算后得到控制信号，该控制信号作用在执行器，也就是给水流量调节阀上，对调节阀的开度进行调节，这样就改变了给水流量，完成对汽包水位的控制。

总体看来，单冲量控制系统相比于其他控制系统虽然在结构简单但还是具备了很多优点的，比如使用在控制系统控制直接、仪表要求不高，需要较慢的响应速度的场合。但是在控制要求复杂，响应速度快的控制系统中就不适合使用了，这时我们就要选用其他的种类的控制系统了。

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3.2.2 双冲量控制系统

所谓的双冲量控制系统，是在只以汽包水位为变量的单冲量控制系统的基础上，引入了锅炉的蒸汽流量也做为变量，通过对两个变量的分析和控制来实施控制。其控制原理也相对简单，比单冲量控制系统多出一个蒸汽流量，多出的蒸汽流量作为前馈信号加入到控制当中，这样两个信号的综合作用来控制汽包的水位。锅炉的蒸汽流量为前馈信号的引入，具有他独特的作用，它能够有效地消除“虚假水位”现象,由此来减小虚假水位对控制系统带来的不良影响，缩短了汽包内压力与液面下气泡平衡的时间,加快了响应的速度，前馈信号的引入在很大程度上提高了控制质量。双冲量控制系统能够在负荷变化较频繁的工况之下完成对汽包液位控制任务。但是也存在着明显的缺点，就是在给水侧发生扰动时调节作用不能够迅速做出反应，从而使控制效率下降[16]。由此我们可以知道当锅炉的给水母管侧经常出现压力波动的情况，出现在给水阀前后压力不均衡稳定时，汽包的水位不适合使用双冲量控制系统来控制。遇到这样的工况环境，我们就得运用其他的控制方法来达到目的，我们将要介绍的串级三冲量控制系统正好能够很好的解决这个问题。

图 3.6 汽包水位双冲量控制系统原理图

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图 3.7 汽包水位双冲量控制系统方框图

3.2.3 串级三冲量控制系统

串级三冲量给水控制系统，在控制原理上就是比双冲量给水控制系统多出来一个控制变量，那就是给水流量。控制系统的调节器接受了三个输入信号来综合完成调节作用，它们分别是主信号为汽包水位测量变送的信号、前馈信号为蒸汽流量测量变送的信号和反馈信号给水流量测出的流量变送信号[17]。串级三冲量汽包水位控制系统原理如图3.8。从图3.8中可以明显看出串级三冲量控制系统是在以水位为被调量的单回路的控制系统的基础上，引入以测量出来的锅炉蒸汽流量做为前馈信号，再将流量计测量出来的汽包给水流量给水流量作反馈信号，同时采用了主、副（PI1、PI2）两个调节器来对汽包水位的调节进行了控制，PI1使用了比例积分控制规律运行，它起到校正水位偏差的作用；PI接收录来自主调节器的输出信号和给水流量、蒸汽流量信号，经比例积分调节规律调节后输出信号至给水流量调节阀，产生调节作用。副调节器的作用是消除由于给水压力波动等因素引起的给水流量内部所引起的扰动，同时在当蒸汽负荷改变的情况下能够迅速地调节给水，通过这样的方式保证了给水流量和蒸汽流量的平衡；调节系统处于运行状态的时候，若蒸汽流量忽然改变，则控制信号驱动给水流量调节阀，使其朝着对的方向旋转。当蒸汽负荷增大时，由于控制作用是给水阀开度增大而补偿汽包的水量，平息了扰动，降低汽包水位和给水流量振荡频率。同样，当流量计在进行流量监测的过程中检测到给水流量在减小时，调节器会马上根据给水流量信号做出调节，执行器在接受到加大给水的信号后，阀体执行信号加大开度以增加给水流量，始终维持着汽包内的水量不变。所以三冲量调节系统相对于其

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他控制系统来说反应速度较快，自身就有较强的抗各种因素扰动的能力，从整体上明显地提高了控制系统的性能[18]。

图3.8 汽包水为串级三冲量控制系统原理图

图 3.9汽包水位串级三冲量控制系统方框图

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3.3 汽包水位控制系统设计的选定

从以上几种控制系统性能来看，综合考虑，个人认为对于我们所要设计的

CFB锅炉而言，采用串级三冲量控制系统来控制其汽包水位会更加的合适，它能很好的适应各种因素下产生的水位的波动，也能够很好的克服“虚假水位”现象所产生负面效果，并且反应迅速，适应性较广，功能较为完善。在汽包管道流程图中配上三个变量进行测量与变送，也就对整个汽包水为进行了控制，其简单的管道仪表示意图见图3.10。

图 3.10 汽包水位控制管道仪表流程示意图

3.4 设计方案的分析

从前面的控制系统的分析与比较的过程中，在蒸汽产量为75T/H的CFB锅炉汽包水位控制系统中，串级三冲量控制系统为最佳的选择。再配合着用PLC可编程系控制器来进行调控，以CFB锅炉汽包的水位为主信号，将CFB锅炉的蒸汽流量信号作为前馈信号，汽包的给水流量大小反馈信号，同时采用主、副两个调节器来完成锅炉汽包的水位控制任务。

本次设计主要的技术指标：

1. 对锅炉水位，蒸汽量和给水量分别进行信号采集

2. 现场自动控制仪表对生产中的各个参数进行自动，连续检测 3. 通过下水位机的控制，使锅炉汽包水位维持在正常的范围内

4. 当水位超过上线下时，系统能及时报警，根据实际情况可以初定锅炉的

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汽包水位高度为 200mm，水位上下线分别为 250mm 和 150mm。

3.4.1 三冲量控制系统原理及方框图

通过上一节我们在不同扰动下对汽包水位调节对象动态特性的研究，我们

了解到了锅炉汽包水位的调节具有一定的延迟和惯性的特点，也就是当锅炉蒸发量D、给水流量W等发生阶跃变化时，作为控制对象的汽包水位H不能立即随着变量的变化而做线性变化；特别是当锅炉的蒸汽流量D发生了阶跃干扰情况下，会产生操作过程中最不愿意出现的“虚假水位”现象。本次设计的控制系统从整体的结构上来说是一个前馈—-串级控制系统，图3.11就是该控制系统的控制原理及方框图。

图3.11 串级三冲量控制系统控制原理图和方框图

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从图3.11中串级三冲量汽包水位控制原理图可以得出控制的结构，串级三冲量控制系统由主回路、前馈调节回路和副回路三个回路所组成。从图中可以得出主调节回路是以检测到的锅炉汽包水位信号来作为主控制信号构成的；测量得到的蒸汽流量信号作为前馈信号构成了前馈调节回路；从汽包的给水流量信号作为串级信号构成副调节回路；这三个回路就共同构成锅炉汽包水位的串级三冲量控制系统[19]。锅炉汽包的给水流量作为反馈信号通过给水流量变送器、副调节器PI2、给水流量调节阀组成内回路，内回路的主要功能是消除在给水调节阀前后出现压力不稳定时对给水流量产生的扰动，同时在锅炉蒸汽流量变化时也能起到相应的调节作用。外回路由内回路和主调节器PI1和汽包液位测量变送器组成，主要的任务是通过测量得到的水位信号与设定的水位信号相比较，通过它们之间的偏差来校正汽包水位，前馈信号的引入加快了水位调节的反应速度，避免了由于“虚假水位”现象所引起的调节器错误的调节以及所产生的水位较大的振荡现象。

3.4.2 控制系统的传递函数

从串级三冲量控制系统的设计方案的方框图和控制系统的特点我们可以得

知本方案的传递函数结构图如图3.12：

图3.12 串级三冲量控制系统传递函数结构图

1、副回路分析

控制系统的副回路控制方框图如图3.13.

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图3.13 副回路控制方框图

从我们的控制方案和控制系统方框图可以知道，副回路由副调节器PI2、给水调节结构K0、给水流量W及给水流量变送器K1组成。根串级控制系统的优势要求，需要副回路能够根据系统的调节快速作用，如此一来副回路就能够迅速消除系统内部所产生的扰动。往往副调节器选择采用比例控制规律，就让副回路就具备料比例调节规律性能，其执行器、调节阀、检测变送器和给水反馈装置都可以近似为比例环节。

①控制系统的副调节器采用的是PI调节规律来进行调节的，其传递函数为：

G（K（2s）211 ）T2s式中：K2为积分速度；T2为积分时间。

② 给水调节机构可以近似看为比例环节，其传递函数为：

GK0（s）K0

③ 给水流量变送器可近似为比例环节，其传递函数为：

H（K1 1s）则副回路的传递函数为：

GC2（s）G（2s）K0

1G（2s）K0K11）T2s

1·1K0K1K（）21T2s·K0K（11

2、主回路分析

主回路的传递函数结构方框图如图3.14。

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图3.14主回路传递函数结构方框图

由主回路方框图可以看出主回路由主调节器PI1、副回路、被控制对象、水位变送器K2等对象和环节所构成。

① 控制系统的主调节器使用了比例积分调节规律来运行，其传递函数为：

G（s）K（1111 ）T1sK式中：1为积分速度；T1为积分时间。

② 被控对象的传递函数即汽包在给水流量扰动下的传递函数：

G（3s） s（1s）式中： 为响应速度； 为延迟时间。

③ 汽包水位的变送器在其工作方式上看可以近似为比例环节，传递函数为：

H（K2 2s） 这样，主回路的传递函数就可以表示为：

GC1(s)K0G1(s)G2(s)G（3s）

1K0K1G（K0K2G1(s)G2(s)G（2s）3s）11)(1)()T1sT2ss(1s) 1111K0K1K)K0K1K2K)(1)()2(12(1T2sT1sT2ss(1s)K0K1K2(13. 前馈回路的分析

本设计所使用的前馈控制属于一种附加的扰动输入补偿对控制系统中的给水量起到一个监控作用，主要具有对蒸汽流量负荷扰动起到“防患未然”的效果。在该控制系统中，主调节器对汽包液位与设定液位之间的偏差进行了校正，使汽

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包的被校正和调节后的水位值等于我们所设定的汽包水位安全值。 4. 整个控制系统分析

汽包水位串级三冲量控制系统是由主调节器和副调节器所组成的；其中主调节器PI1依据所得到的汽包水位信号作反馈信号去对副调节器进行调节，副调节器接收主调节器的输出信号外还接收给水流量反馈信号和蒸汽流量前馈信号，这样他们就组成了一个串级三冲量控制系统，两调节器分工明确，副调节器蒸汽流量信号和主调节器的输出信号对汽包给水流量进行调节，同时还迅速地消除有给水测压力波动所带来的扰动[20]。主调节器PI1通过计算水位的偏差信号传递给PI2在通过综合调节来校正汽包的水位，通过两个调节器的作用使锅炉汽包的水位维持到设定值，保证汽包的正常工作。

3.4.3 控制系统的稳定性分析

控制系统的稳定性，是指控制系统在扰动产生后又恢复平衡状态的一种能力。假如系统处于某一起始平衡状态，由于遇到扰动的作用而使系统偏离了原来的平衡状态，当扰动消失后，经过足够长的时间，系统恢复到原来的起始平衡状态，则这样的系统是就是稳定的。否则，系统是不稳定的。 由前面我们可以知道，整个系统的传递函数：

（1）在控制输入下的闭环函数 令 N(S)O 有

G（c1s）G（（1s）G2s）K0G3(s)

1G（s）KKG（s）G（s)G（s）KK2011230211)(1)()T1sT2ss(1s)

1111K0K1K)K0K1K2K)(1)()2(12(1T2sT1sT2ss(1s)K0K1K2(1 （2）有扰动输入下的传递函数

根据不变性原理可以控制前馈控制器，当达到完全补偿时有

CN(s)0

（3）整个系统的传递函数如下

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C（s）G（（1s）G2s）K0G3(s) R（s）1G（（（（2s）K0K1G1s）G2s)G3s）K0K211)(1)()T1sT2ss(1s)=

1111K0K1K2(1)K0K1K2K2(1)(1)()T2sT1sT2ss(1s)K0K1K2(1K0K1Kε[1(T1T2)sT1T2s2]2(T1T2τK0K1KT1T2τ)s4[T1T2K0K1K2'T1(T2τ)]s3(K0K1KT1K0K1KK2T1T2ε)s2K0K1KK2(T1T2)εsK0K1KKε22222它的闭环特征方程式为

(T1T2τK0K1KT1T2τ)s4[T1T2K0K1K2'T1(T2τ)]s3(K0K1KT1K0K1KK2T1T2ε)s2K0K1KK2(T1T2)εsK0K1KKε022222 由此可知，这是一个分母为四阶，分子为二阶的高阶系统，为计算方便我们可以出如下假设：

令：a0T1T2τK0K1KT1(T2τ) T1T2τ a1T1T2K0K1K22 a2K0K1K2T1K0K1KK2T1T2ε a3K0K1KK2(T1T2)ε 22 a4K0K1K2Kε 可以写出劳斯行列式表：

S4 a0 a2 a4 S3 a1 a3 S2 b1 b2 S1 c1 S0 e1 则有，b11a0a1a1a2a3， b21a0a1a1a4a5，c11a1a3

b1b1b2 经分析，要使系统稳定，则只需要劳斯行列式的第一列大于零即可，由于此时的参数a0、a1、e1均大于零，只要求b1和c1大于零系统就是稳定的。也就是让

-1(a0a3a2a1)＞0和-1(aaab)＞0。所以只要选择的设备参数达到这两条

1312a1b1件就保证了系统的稳定。

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第四章 循环流化床锅炉汽包水位控制系统硬件选择

设计方案及控制系统已经选择出来了，接下来就是要选择一些硬件设施，将

整个控制系统有机的结合起来。本次设计所涉及到的硬件主要有汽包给水流量测量变送器、蒸汽流量测量变送器、液位测量变送器、调节器和执行器等等[20]。我就将这些硬件设施的选择与分析介绍一下。

4.1测量变送器的选择

测量变送器顾名思义就是将所需被测工艺参数通过其传感元件检测，再由转

换部件的放大和变换，输出一个一一对应的电气或电流信号，再传到指示记录仪、运算器和调节器，供给系统指示、记录以及调节作用。本次设计的测量变送器主要包括给水流量测量变送器、蒸汽流量测量变送器和液位测量变送器。

4.1.1流量测量变送器的选择

对于CFB锅炉汽包水位控制系统而言，流量的控制需要测量对比后进行，所以它是需要测量的一个参数之一。它通过测量汽包的给水流量，直接反映了给水量的多少；而给水量的大小又能够直接影响到汽包水位，所以流量测量变送计的选择是非常重要的。

所谓的流量，就是是指在单位时间内流过某一截面积的流体数量的多少。这里直接指的是在单位时间内留给锅炉汽包给水管道截面积的水的量。化工工业中的流量计按测量原理不同主要有三种类型的流量计：节流式流量计、转子式流量计、电磁式流量计、涡轮流量计、涡街流量计和超声波流量计等等。综合本次设计的情况和给水管道的设定，本次设计选择涡街流量计最为合适，因在测量过程中具有不会受测量介质的流体压力、温度、黏度、密度和电导率等因素的影响，且它的测量范围比较宽，测量的介质温度高，适合用来测量本次设计中的高温蒸汽流量。此外涡街流量计受流动状态的影响很小，测量中压降较小，不会对流量造成损失，这一点是非常重要的，它保证了在给水过程中流量的稳定性和准确性，对控制系统来说又大大地减少了干扰，使得控制更加的准确。综合考虑，这次设计我选择江苏中环自动化仪表有限公司所生产的LUGB涡街流量计。

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LUGB涡街流量计的技术参数

① 适应的测量介质：气体、液体、蒸汽。

② 使用的测量范围：液体测量范围1.2m3/h～2000m3/h；气体测量范围5m3/h～11000m3/h。

③ 仪表口径 15mm、20mm、25mm、32mm、40mm、50mm、65mm、80mm、100mm、125mm、150mm、200mm、250mm、300mm。

④公称压力：一般在1.6mpa、2.5mpa和4.0mpa，其他公称压力值可直接定制。

⑤精度等级：测量介质为液体时精度为±1%；测量介质为气体或者蒸汽时精度等级为±1.5%、±1%。

⑥使用条件：介质温度 -40℃～+250℃、-40℃～+320℃；环境温度 -20℃～+60℃；相对湿度 5%～95%；大气压力 86kpa～106kpa。

⑦传感器材质：304不锈钢、316（L）不锈钢等等。 ⑧信号输出功能：脉冲信号、4～20mA电流信号。

⑨工作电源：外电源34VDC±5%,适用于4～20mA输出、脉冲输出等等； 测量变送器内部电源为一组3.1V10AH的锂电池，电池电压在2.0V～3.0V区间都能够正常工作。

综合上述对LUGB涡街流量计的技术参数分析我选择的流量变送器情况如下：

给水流量变送器型号：LUGB-C型涡街流量计，可以测量到的给水流量范围为10～100m3/h之间，有显示器，无温度补偿，仪表口径为DN80mm，安装方式为法兰安装，可以测量的介质温度范围在-40～+350℃，24V供电，4～20mA信号输出。

蒸汽流量变送器型号：LUGBS-D型涡街流量计，能够测量到的给水流量范围在10～100m3/h，有显示器，无温度补偿，仪表口径为DN80mm，安装方式为法兰安装，测量的介质温度一般在-40～+350℃，24V供电，4～20mA信号输出。

4.1.2液位测量变送器的选择

在此次汽包水位控制系统中，目的就是要做到汽包的水位自动进行控制，而

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锅炉汽包水位的高低，则要由液位计来测量的。液位是指容器内液体介质液面的高低，这里指的是CFB锅炉汽包内液面的高低。本次测量的目的是测知汽包内液体的高度，使之在工艺规定范围之内，以便于锅炉能够正常平稳地运行。如果汽包液位太高的话，被蒸汽夹带出的液体的量就会增加，这样就会使锅炉蒸汽的品质下降，长时间还会导致过热结垢，对锅炉的安全造成极大的隐患；汽包水位低于给定值，则会对锅炉的生产效率造成影响，也容易发生干锅现象，直接威胁着锅炉安全运行。按工作原理可分为直读式、浮力式、静压式、电容式、光纤式、激光式、核辐射式等等。

本次设计我所选择的是江苏中环自动化仪表有限公司生产的ZLUL智能雷达物位计。它的工作原理是利用物位计本身所带的天线发射极窄的微波脉冲，发射出的微波在测量区域里以光一样的速度传播，当它在这个过程中遇到介质就会在介质的表面被反射回来，反射回来的微波信号在被物位计捕获。由于在发射过程中微波的速度在短距离之内是不会变化的，所以从微波在发射与接收之间的时间就能够通过该物位计的计算方式计算出它的传播距离，从而得出天线到介质表面之间的距离，完成对物位的测量。

该设计所选用的具体型号为ZH-ZLUL803，该型号的物位计能够测量的量程为35m，采用法兰连接，测量的过程温度可达-40～+250℃，精度可达0.1%以下，有较为灵活的公称压力，它可以按照需要的工艺来定制；它的供电为24V，输出信号为4～20mA电平输出或4～20mA输出；仪表口径有15mm、20mm、25mm、32mm、40mm、50mm、65mm、80mm、100mm、125mm、150mm、200mm、250mm、300mm规格；传感器主要由304不锈钢和316（L）不锈钢等材质制成。

4.2调节器的选择

调节器也叫做控制器，它的作用是将来自于测量变送器输出的测量信号与设

定值相比较所产生的偏差来进行PID运算，并将得到的结果输出至执行器，执行器按信号工作，完成整个控制过程。调节器主要有模拟调节器和数字式调节器两种类型，本次设计所采用的PLC可编程序控制器就是属于后者。

最初的可编程序控制器最早诞生于上世纪六十年代后期，当时的它仅仅是用来取代继电器，用于简单的切断功能设备；随着微机技术的发展和运用，研究者

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将微机技术运用到PLC中，使得PLC具备了计算机的许多功能，并且成为了一种独特的工艺控制设备，被广泛的运用于石油、化工、能源等很多行业。

此次设计采用的PLC可编程序控制技术，通过测量变送器与执行器的共同作用，来对汽包的水位进行检测及控制。在整个系统中被控对象为汽包的水位，它通过控制给水调节阀开度的变化来进行给水流量大小的调节；控制器根据测量得到的液位与设定液位之间的偏差信号来运算，得到控制信号，该控制信号通过一定的方式被传递到执行器，执行机构根据信号对给水量进行调节，最终实现水位的控制的目的。其中主调节器通过运算后的输出信号与汽包给水流量信号和蒸汽流量信号作用到副调节器进行叠加运算，副调节器输出的信号对执行器进行控制，达到对给水流量自动控制的目的，以维持汽包水位的平衡。

本设计采用的PLC S7-200系列的可编程序控制系统主要由基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等部件组成。

4.3执行器的选择

在一个自动控制系统中，执行器有着它不可动摇的地位，是必要构件，其主要作用就是在自动控制系统中起到接收来自调节器控制信号的作用，在控制信号的作用下按一定规律调节执行器中调节阀的开度，调节了流量。

在执行器工作的过程中，执行器往往都是与介质直接接触的，它的工作环境大都是高温、深冷、高压、易结晶、汽蚀的地方，可以说执行器是所有构件中的最薄弱的一种，这样一来，执行器的选择就变得十分的重要了，倘若执行器的选择或者是其使用不当的话，会给生产的自动化带来困难，对变量的控制失效，直接影响到控制的质量，有甚者造成严重的生产事故，降低生产效率，产生额外的损失。执行器包括执行机构和调节机构。按照其使用的能源形式不同，执行器可以分为气动执行器、液动执行器和电动执行器，本次设计执行器采用电动执行器。

结合本次设计的执行器执行能力及控制范围，再根据它的选择原则，最终选择ZDJV电子式电动V型调节球阀，并配用PSQ系列电动执行机构。

ZDJV型电动调节阀是当前应用最广泛的调节阀之一，控制信号为为4～20mA或1～5A的电平信号，也可以是单相电源信号。调节信号的输入最终实现对流量、液位等参数的调节。阀芯上开的V型缺口与阀座相对转动时所产生的剪切力可以

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将纤维切断，有效地防止了阀芯被卡死。该电动调节阀还具有调整精度高，密封性能好，重量轻和流通性能好等特点，适用于许多流体介质的控制，被广泛运用于化工、冶金、造纸等工业控制中。

PSQ系列角电子式一体化电动执行机构具有体积小、重量轻、力矩大和精度高等特点，它可以直接控制器发出的4～20mA电平的控制信号，输出4-20mA或1-5VDC阀位反馈信号。同时它还有较强的自我诊断和保护功能，可以有效地避免因阀门开度转矩过大而造成阀杆损坏。

综合可以知道本次设计选择的执行器型号为：ZDJV941F64P

Z：自控阀门 D：以PSQ系列为执行机构 J表示角行程 V表示V形球阀 9：以电动形式传动 41表示法兰连接 F：四氟乙烯密封 64表示公称压力 6.4MPa P：不锈钢阀体材料。

该型号的执行器其公称通径可在25-300mm之间

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第五章 循环流化床锅炉汽包水位控制系统的软件设计

5.1 循环流化床锅炉汽包水位控制软件系统结构

在前面的一章中我们选择了PLC可编辑程序控制器来对系统进行控制，经过对比后我认为本设计控制器的具体型号选择是西门子PLC S7-200CPU222作为控制器来进行控制。主要是依据锅炉汽包水位与设定值之间的波动来对给水阀的开度进行操控，运用PLC调节器按照其所具有的调节规律对锅炉汽包的水位进行调节；然后利用仪表本身具有的远程信号传输功能，将循环流化床锅炉汽包水位的信号转化成为标准信号传到监控主机上，再循环流化床锅炉汽包的水位进行调节、监控和保护。

从本次设计的控制系统来看，我会将控制的核心选择为西门子PLC S7-200CPU222，按照控制要求扩展两个模块，它们分别是EM235模拟量输入模块及CP243-1以太网模块。采样速度25μs，变送器的输出信号经过调节器放大处理后，成为0-5V或4-20mA的标准信号，EM235模块自动完成A/D转换。PLC通过检测锅炉的汽包水位来给出控制信号去控制阀门等输出设备，同时还增加了一块TD200型号的触摸式显示屏，多出来变量图形的显示、控制过程参数的修改等许多人机直接对话功能。TD200是西门子公司专门针对S7200所设计的一个人机界面。操作者可以根据工艺需求直接读取或者设置控制的参数，直观地了解到汽包的水位等等。而以太网模块的扩展，使得控制数据能够通过网络进行快速传递，无论传播距离有多远都能达到传播的目的。 S7-200CPU222技术参数如下：

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表5.1 S7-200CPU222技术参数

CPU型号 CPU222 PLC结构类型

最大可连接开关量I/O点总数 最大可连接模拟量I/O点总数 基本单元集成的I/O点数 可增加的扩展模块数 编程软件 通信接口

EM235主要参数如下

表 5.2 EM235主要参数 型号

名称

主要参数 4输入/1输出

EM235

模拟量输入/输出混合模块

电源与集成I/O点

DC24V电源，DC24V输入，DC24V晶体管输出

基本单元+扩展型

78 10 14（8/6）

2

Step7-Micro/WIN 1个，RS-485

DC0～10V/0～20mA输入； DC-10V～+10V/0～20mA输出

5.2 CPU222和EM235的I/O地址分配与接线

表5.3 输入/输出地址

输入

序号

名称

地址

信号

序号

1 2

高Ⅰ水位 低Ⅰ水位

I0.0 I0.1

4～20mA 4～20mA

名称

输出

地址

信号

1 紧急放水阀门 Q0.1 4～20mA

2 最高安全水位报警 Q1.0 4～20mA

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3 4 5 6

正常水位 水位测量变送 给水流量变送 蒸汽流量变送

I1.0 AIW0 AIW2 AIW4

4～20mA 4～20mA 4～20mA 4～20mA

3 最低安全水位报警 Q1.1 4～20mA 4 给水调节阀

AQW0 4～20mA

EM235接图如下

图5.1 EM235接线图

EM235的DIP开关选择如表5.2:

表5.4 EM235的DIP开关选择

单极性

SW1 NO

SW2 OFF

SW3 OFF

SW4 OFF

SW5 OFF

SW6 ON

满量程输入 0-20mA

分辨率 5μA

CPU222与EM235接线如下：

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图5.2 接线图

5.3 控制系统程序框图设计

控制程序采用STEP7-Micro/WIN软件常常编写为梯形图的方式来进行，程序将运行方式为：系统开机初始化完毕试，首先检测锅炉水位，如果检测水位在最低安全水位和最高安全水位就显示紧急报警并立刻停机，如果测量出来的水位在设定值的最低安全位置时，显示报警，并开动给水调节阀对锅炉进行注水，当水位超最低安全水位位置时，启动锅炉正常运行；如果检测水位在最高安全水位位置，显示报警，并开动紧急放水阀门进行放水，最高安全水位位置时，锅炉加热正常运行；当注水当达到锅炉设定的液位时。然后在通过PLC调节器做出的相对调节信号，实现自动调控，让其水位在设定的值处达到平稳状态。锅炉平稳工作时，程序对汽包的水位实时进行测量，测量的结果利用以太网模块传输到总的监控室，进行管理和控制。程序具有报警功能，报警值有最高安全水位、最低安全水位，其中水位高低由水位变送器给出。对于整个CFB锅炉的控制系统来说，水位控制与燃烧、过热温度等控制系统会有一个连锁反应，它们会依据相互的变化做出适当的调整，并最终维护好锅炉的运行。而单单对于汽包水位控制，其主程序图如下：

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图5.3 主程序流程图

第六章 总 结

在了解和查阅到现代大、中型循环流化床锅炉的控制系统中的水位控制部分，从最初的人工控制发展到自动控制，自动控制中有单冲量控制、双冲量控制和串级三冲量控制。从这三种控制系统来看，每种控制系统都具有各自的优点和缺点。由于现代热电锅炉蒸汽负荷的变化比较复杂，所以要求对汽包水位控制较为迅速，要求的控制质量比较高，“虚假水位”现象出现较为严重，为了避免这种现象对控制系统的影响，因而许多企业都采用串级三冲量控制系统来对汽包的水位进行调节控制，来实现对汽包水位的控制。

在选择仪器、仪表的过程中需要了解控制或者测量对象的动态特性，找准控制点和最终的控制目标。并对所需材料进行分析，做出设计预算，对设计做一个较为全面的经济性评估，达到利用最合适资源做出最好的设计的目的。

在这短暂几个月的设计过程中，我能够真切的感受到了控制技术的重要性，同时还有基本知识的和课外文章的必要性。在设计过程中我们遇到了很多的难题，也尝试过用各种方法去解决、去思考，正是在这样的历练中我们的思维得到

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了扩展，动手能力和寻找办法的能力得到了加强，为我们今后的工作打下了可贵的基础。在这之中也存在着许多的遗憾，一方面是对控制系统的软件了解的不多，对系统的稳定部分把握得不好，其次就是在设计的某些环节上考虑欠佳。总的来说，我本人还是从这次设计中学到了很多的东西，在心理上也算是得到了一次不可多得的历练吧。

参考文献

[1] 刘祥玲,许思龙,刘寿忠.循环流化床锅炉的运用和发展[J].热机技

术,2006,93(4):42-48.

[2] 周一工.循环流化床锅炉在中国的发展与问题[J].上海电力，2004，11（4）： 374～390.

[3] 骆仲泱,何宏舟,王勤辉,岑可法. 循环流化床锅炉技术的现状及发展前景[J].动力工程，2004,24（6）：762—767.

[4] 王善武.中国工业锅炉行业现状分析前景展望[J].工业锅炉,2004,(1):1～9.

[5] 车得福，庄正宁，李军，等。锅炉[M].西安：西安交通大学出版社，2008.188～190. [6] 黄伟.工业锅炉汽包水位自动控制系统设计[J].自动化与仪器仪表,1999，6:14～17. [7] 杨景祺,赵伟杰,郭荣,章伟杰，等循环流化床锅炉控制系统的分析与设计[J].动力工程,2005,25(4):520～522.

[8] 赵伟杰,王勤辉，张文震，等.循环流化床锅炉控制系统的设计和应用[M].北京:中国电力出版社,2009.57～58.

[9] 白云飞.关于锅炉过热蒸汽温度控制系统研究[J].民营科技，2013，1（8): 20～22.

[10] 钱敏.汽包锅炉过热蒸汽温度自动控制系统[J].设备管理，2004，（1）：22～24. [11] 马璟,朱华. 300ＭＷ循环流化床锅炉汽包水位控制探讨[J]. 锅炉制造，2 010.19～24. [12] 程晓婷，郑玉平，陈德磊.锅炉虚假水位的产生与处理方法[J].冶金动力，2013，4（11）：59～62.

贵州大学毕业论文（设计） 第 36 页

[13] 朱泽江. 300MW循环流化床锅炉汽包虚假水位产生的原因及预防措施[J].锅炉制造，

2013，2（5):16～17.

[14] 张丽萍,彭桂力.基于PLC的集中供热锅炉汽包水位保护控制[J].微计算机信息,2009,25(13):1～5.

[15] 张建娟.锅炉汽包水位控制系统的设计[D].四川:攀枝花学院电气信息工程学院,2006. [16] 王卓,付冬梅,刘德军.锅炉汽包水位控制系统的研究[J].工业锅炉，2001，4（8）：25～27.

[17] 程线，李太福，范斌，邓仁明. 基于HSIC的串级三冲量锅炉汽包水位控制系统[N].东南大学学报，2005.232～235.

[18] 张保盛，曹莉. 锅炉汽包水位三冲量控制系统的设计[J]. 机械工程与自动化，2012.154~156.

[19] 闫丽英.浅谈汽包三冲量给水控制调节系统不稳定原因分析及处理措施[Z].河北唐山：闫丽英，2013.

[20] 杨丽明，张光新.化工自动化及仪表[M].北京：化学工业出版社，2004.

[21]龚仲华.S7-200/300/400PLC应用技术—通用篇[M].北京:人民邮电出版社,2007.

致谢

本文的全过程是在我的指导老师王广莉老师的悉心指导下完成的，在此过程中，由于我们之前对控制系统的了解相对较少，王老师花费了大量的精力和心血为我们讲解控制系统的内容，还为我们提供了许多的资料，在此对王老师表示深切的谢意！

我们即将离别学校，这次设计是我们在人生第一段路上的最后一份答卷，也是第二段人生开始的答卷，对我们意义非凡，所以我努力搞好这次设计，不仅给自己的第一段人生路来个辉煌的退场，也给第二段一个精彩的开始。虽然设计中还会有诸多不足，但我确实尽我最大努力去做了，而且我也从设计中得到了很大的收获，所以我们心眼里感谢这次设计。

在这之中也存在着许多的遗憾，一方面是对控制系统的软件了解的不多，对系统的稳定部分把握得不好，其次就是在设计的某些环节上考虑欠佳。希望各位

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指导老师能够加以指正。

在这里，感谢这次不可多得的机会，更要感谢的是王老师，同时感谢贵州大学对于此毕业设计所给予的帮助与支持。没有你们，这次设计会无比的困难，而大家之间的相互鼓励与探讨，这样我才完成了本次设计，再一次谢谢！