课程设计（论文）汽包水位控制系统.doc

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1、第1章 绪 论3第2章 锅炉的变工况特性42.1 汽包的静态特性52.1.1 对锅炉效率的影响52.1.2 汽包的动态特性6第3章 汽包水位的三种控制方式73.1 单冲量控制方式73.2 双冲量控制方式83.3 三冲量控制方式9第4章 仪器仪表的选择11第5章 汽包锅炉内防垢处理135.1 水垢和水渣的性质及危害135.1.1 水垢135.1.2 水渣135.1.3 水垢、渣的危害145.2 锅炉的化学清洗14第6章 心得体会14第7章 参考文献15第1章 绪 论工业锅炉是工业生产的重要设备。它们往往影响生产的正常进行和产品的产量、质量和成本,而汽包是锅炉的重要组成部分，保持汽包水位范围汽包水

2、位是工业锅炉正常运行的主要指标。水位过高会影响汽水分离，产生汽带水现象;水位过低会影响汽水循环，使金属局部过热而爆管，导致重大事故。因此，必须对汽包水位进行自动调节，是水位严格控制在规定范围内。锅炉汽包给水自动控制的任务是维持汽包水位在一定的范围内变化。汽包水位是锅炉运行中的一个重要的监控参数，它间接地表示了锅炉负荷和给水的平衡关系。维持汽包水位是保持锅炉安全运行的重要条件。锅炉汽包水位过高，影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽中水分过多，直接影响蒸汽的质量，汽包水位过低，则可能使锅炉水循环工况破坏，造成水冷壁管供水不足而烧坏。锅炉汽包水位控制系统的目的是调节进入汽包给水的流量，以维

3、持水位在给定要求的上下限之间，适应锅炉蒸发量的变化。工业锅炉起包水位是确保安全生产和提供优质的重要参数。水位过高，会影响汽水分离的正常工作，易使蒸汽带水并有溢出危险；水位过低，则会破坏蒸汽正常循环，以致烧坏受热面，易烧干锅而发生严重事故。所以维持汽包水位在给定值范围内是保证安全生产的必要条件，因此设计和改造锅炉给水控制系统有重要意义。锅炉可分为蒸汽锅炉与热水锅炉两种。本课题研究的是蒸汽锅炉。蒸汽锅炉依其蒸发量的大小又分为三类：蒸发量在10t/h以下的锅炉称为小型锅炉；蒸发量大于10t/h、小于75t/h的锅炉属于中型锅炉；蒸发量大于75T/h的锅炉属于大型锅炉。根据使用燃料不同，锅炉又可分为燃

4、油锅炉、燃煤锅炉和燃气锅炉等。它们的区别只是燃烧装置和燃料供给的方式不同，其它结构都大致一样。锅炉最基本的构成是汽锅和炉膛两大部分。燃料在炉膛里进行燃烧，将其化学能转化为热能；燃烧产物高温烟气，通过汽锅受热面将热量传递给汽锅内温度较低的水，水被加热，进而沸腾汽化，生成蒸气。所以，锅炉的工作过程概括起来应包括三个同时进行着的过程：燃料的燃烧过程、烟气向水的传热过程和水的汽化过程。第2章 锅炉的变工况特性锅炉运行条件的集合称为运行工况（简称工况）。正常运行的锅炉，其工况总是处于不断的变化之中。例如锅炉的负荷、给水温度、煤粉细度及烟道漏风等、都不可能始终维持设计值。任何工况的变动都会引起锅炉参数和运

5、行指标的相应变化。这些变化的方向和大小可由锅炉的运行特性加以描述。运行特性包括静态和动态两个方面。锅炉在某一稳定工况下，各状态参数具有确定的数值，从一个稳定的工况变动到另一个稳定工况，这些数值也随之变化成另一些稳定的值。各参数与锅炉工况的对应关系称为静态特性。例如，不同的燃烧工况（燃料量、煤质、过量空气系数及漏风等）就有相应的蒸汽流量、炉膛出口烟温、气温和气压、锅炉从一个工况变动到另一个工况时，状态参数从一个稳定值过渡到另一个稳定值的具体历程，及参数变量与时间的关系，称为动态特性。动态特性着眼于变化的过程，而静态特性则着眼于变化的结果。对于锅炉的静态和动态特性，运行人员必须心中有数，以便在监盘

6、时能随时分析、正确判断并及时调整。此外，锅炉设备的某些故障和设备缺陷的原因，也往往需要借助对锅炉运行特性的通晓加以探求。因此，即使是近代的自动控制系统，也不能取代运行人员。2.1 汽包的静态特性锅炉运行中，其负荷必须跟随电网要求不断变化，燃料量则与负荷成比例。下面分析负荷或燃料量变化对锅炉效率的影响。2.1.1 对锅炉效率的影响 锅炉效率的变化，可以从燃烧和传热两个方面进行分析。 燃烧方面，随着燃烧量的增加，一方面炉内温度水平升高，另一方面燃料在炉内的停留时间缩短，二者对燃料量的增加（）的影响恰好相反。负荷较低时炉温低，炉温的影响起主要作用。因此，随着负荷的增加，燃烧效率是提高的。当然，炉内气

7、流混合扰动情况的改善也起了重要作用。但当负荷很高时，燃料停留时间已很短，因此停留时间的影响逐渐变为支配作用，燃烧效率转而降低。如果高负荷时氧量提不起来，锅炉效率会因燃烧损失骤增而大幅下降。传热方面，随着燃料量的增加，锅炉从水冷壁、过热器、再热器、省煤器直至空气预热器的全部受热面的传热状况也会发生变化。1kg煤在锅炉内的传热量与排烟温度相对应。总的规律是：随着燃料量的增加，炉温及炉膛后沿途各处的烟温均升高，排烟温度和损失升高，即1kg燃料燃烧释放的热量中，传给工质的少了。然而，负荷高时，散热损失却减少。将以上燃烧和传热情况与负荷的关系曲线绘在图2-1中。由图可见，从较低负荷开始，随着负荷（燃料量

8、）的增大，上升的幅度小于降低的幅度，故锅炉效率升高；后来，燃烧效率已接近极限，再提高不易，故的上升幅度大于降低的幅度，锅炉效率下降。随着负荷的增加，锅炉效率呈先升高、后降低的趋势。锅炉最高效率所对应的负荷称经济负荷。低限适用于大于容量锅炉或者燃用高挥发分煤的锅炉。在这些锅炉内，飞灰可燃物形成的损失与损失相比要小得多。锅炉效率在低负荷下降低很快，其原因除以以上分析外，还在于锅炉低负荷时都采用较大的过量空气系数，致使损失可能并不减少甚至略有增加。图2-1 锅炉效率-负荷曲线2.1.2 汽包的动态特性 动态特性是热工对象从一个平衡状态到另一个平衡状态的过渡特性。对锅炉来说，是指锅炉在受到扰动（包括施

9、加某一操作）时，汽包或受热面中各参数随时间变化的规律。根据锅炉的这些变化规律，就可了解锅炉对运行中可能产生的扰动的反应，确定在各种不同扰动下操作的极限允许值，从而认识锅炉变工况时的调节规律。因此，掌握锅炉动态特性对提高锅炉运行水平，分析处理异常工况，都很有意义。工业锅炉的汽包水位是正常运行的主要指标之一，汽包水位是一个十分重要的被控参数，保持汽包水位在一定的范围内变化是保证锅炉安全运行的重要条件。工业锅炉汽包水位调节的任务是使给水量与锅炉的蒸发量相平衡，并维持汽包中的水位在工艺允许的范围内。图2.2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

10、应曲线如图中的Hl线。图2.2 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万线，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，它近似于一个积分环节和时滞环节的串联。系统特性可表示为: 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。第3章 汽包水位的三种控制方式给水控制的任务是维持汽包中水位在工艺允许范围内。由

11、于影响汽包水位的几个因素中，燃料量的扰动影响较小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位为被控变量，以调节给水流量为控制手段。同时，由于汽包水位不仅受锅炉侧的影响，也受到汽轮机侧的影响，当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时，给水控制都应能限制汽包水位只在给定的范围内变化。常用的汽包水位控制方式有单冲量、双冲量及三冲量控制。这里的冲量指的是变量。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3.1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。此方式将水位测量信号经变送器送到水位调节器，水位调节器根据水位测量值与给定值

12、的偏差去控制给水阀门，改变给水量来保持汽包水位在允许的操作范围内。这种控制方式，在停留时间较长，负荷也比较稳定的场合，再配上一些联锁报替装置，也可以保证安全操作.但在停留时间较短，负荷变化较大时，采用此方式就不合适。图3.1汽包水位单冲量控制原理图及方框图3.2 双冲量控制方式在汽包水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化。如果引入蒸汽流量来校正，就构成了双冲量控制系统。这样不仅可以补偿“虚假水位”的引起的误动作，而且使给水调节阀的动作及时，如图3.2所示。图中，cl、q为加法系数，G2为蒸汽流量扰动下，汽包水位的传递函数。 图3.2汽包水位双冲量控制原理图及方框图从本质上看，双冲量控制系统是一个

13、前馈加单回路反馈控制系统的复合控制系统。这种调节系统的特点是: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，使调节阀一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。2)引入了蒸汽流量前馈信号，能够改善调节系统的静态特性，提高调节质量。当C1、C2选择匹配时，系统的静态特性是无差的。双冲量调节由于有以上特点，所以能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位调节任务。在给水压力比较平稳时，采用双冲量调节是能够达到调节要求的

14、。双冲量调节存在的问题是:调节作用不能及时反映给水侧的扰动，当给水量扰动时，调节系统等于单冲量调节。因此，如果给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量调节。同时调节阀的工作特性不一定是线性的，这样要做到静态补偿就比较困难。3.3 三冲量控制方式目前锅炉都向大容量高参数的方向发展，一般讲锅炉容量越大，汽包的容水量相对就越小，允许波动的蓄水量就更少。如果给水中断，可能在10-20秒内就会发生危险水位;如仅是给水量与蒸发量不相适应，在一分钟到几分钟内也将发生缺水或满水事故。这样对水位控制要求就更高了。锅炉给水量在运行中经常会有自发性的变化，当几台锅炉并列运行时，还可能

15、发生几台锅炉的水位调节互相干扰的现象。当某一台锅炉负荷和给水量改变时，引起给水母管压力波动，而使其它锅炉的给水量受到扰动。在双冲量水位调节中，对于给水量这种自发变化不能及时反映出来，要经过一定的迟延时间之后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化而被发觉，此后在克服扰动时，几台锅炉的水位调节又互相影响，使得调节过程非常复杂。针对上述情况，为了把水位控制平稳，在双冲量水位调节基础上引入了给水流量信号，由水位H、蒸汽流量D和给水流量W组成了三冲量汽包水位调节系统，汽包水位H是被调量，是主冲量信号，蒸汽流量D、给水流量W是两个辅助冲量信号。图3.3汽包水位三冲量前馈一反馈控制原理图及方框图1)前馈一反馈

16、控制方式前馈一反馈控制方式的原理图及方框图如图3.3所示，从方块图上可以看出，这个系统有两个闭合回路:(1)是由给水流量W、给水分流器aw、调节器Gc。、调节阀Gv组成的内回路。(2)由水位调节对象G1和内回路构成的主回路。蒸汽流量D、分流器aD、对象G2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。所以该系统的实质是前馈加反馈的调节系统。为了确保当负荷变化时水位无余差，必须保证物料平衡，由此确定分流系数aw，aD的值。2)前馈一串级控制方式前馈一串级控制方式的原理图及方框图如图3.4所示，该方案与前馈一反馈控制方式相似，仅是加法器位置从调节器前移至调节器后。此方案

17、不管系数如何设置，当负荷变化时，液位可以保持无差。图3.4汽包水位三冲量前馈一串级控制原理图及方框图第4章 仪器仪表的选择几种汽包水位测量仪表应用介绍 目前，余热锅炉的汽包水位测量仪表主要有以下3 种：双色水位计、差压式水位计和电极式水位计。 4.1 双色水位计 采用连通器原理制成，通过光学原理所显示的锅炉水汽部分都是有色的，汽呈红色，水呈绿色。这种水位计属于锅炉的附属设备，就地安装。直接观测水位，汽红水绿，汽满全红，水满全绿，随水位变化自动而连续。在锅炉启、停时用以监视汽包水位和正常运行时定期校对其他型式的水位计。双色水位计观测明显直观，但在实际运行中，由于锅炉加药腐蚀和水汽冲刷，运行一段时

18、间以后，石英玻璃管内壁磨损严重，引起汽水分界不明显。尤其现在一般采用工业电视监视，现场摄像头受光线变化影响使水位显示更加模糊不清，另外由于水位计处于汽包上，环境温度高，使水位计的照明维护工作量明显增加。 4.2 差压式水位计 根据液体静力学原理，通过测量变动水位和恒定水位之间的静压差，将差压值转换为水位值，再通过差压变送器将汽包水位转换为随水位连续变化的电信号，作为自动给水控制系统中的重要参数。 实际应用中差压式水位计存在的问题是：测量锅炉汽包水位时，汽包压力变化使得“水位3 差压”的关系也发生变化，因而给测量带来很大的误差。现在普遍采用具有汽包压力补偿作用的平衡容器测量方法，但其准确度仍受到

19、很大限制。因为设计计算的平衡容器补偿装置是按水位处于零水位情况下得出的，而运行中锅炉水位偏离零水位时，就会引起测量误差。当蒸汽压力突然下降时，正压容器内的凝结水被蒸发掉还会导致仪表指示失常。这些都给锅炉运行操作造成很大困难，尤其投入自动给水调节时将产生错误动作，导致锅炉事故发生。差压式水位计比较适合于锅炉稳定运行时的水位测量，当运行参数变化很大时误差也就很大。因此在实际运行中尽量避免在差压测量系统上工作( 例如排污、校验时等) 。如必须工作时，须与锅炉操作人员联系好，尽量减少对差压测量的影响，例如，在2号窑余热锅炉运行初期，曾因在差压水位计的平衡容器上拆除保温引起汽包水位指示错误产生了锅炉事故

20、( 因未与锅炉运行人员事先联系，自动给水系统未解除) 。 4.3 电极式水位计 利用饱和蒸汽与饱和蒸汽凝结水的电导率的差异，将非电量的锅炉水位变化转换为电信号，并由二次仪表远距离地显示水位。电极式水位计基本上克服了汽包压力变化的影响，可用于锅炉启停及变参数运行中。电极式水位计离汽包很近，电极至二次仪表全部是电气信号传递，所以这种仪表不仅迟延小而且误差小，不需要进行误差计算与调整，使得仪表的检修与校验大为简化。 在实际应用中，电极式水位计水位的测量是断续的，并且对与汽包连通的水位容器选择必须适当，以减小测量误差。综上所述，双色水位计作为就地仪表在锅炉启、停时监视汽包水位和正常运行时定期校对其他型

21、式的水位计；差压式水位计用于稳定参数运行时的水位指示，并且适用于给水的自动调节；电极式水位计比较适应锅炉变参数运行，准确度好，是对差压式水位计测量的监视和补充。因此，在锅炉汽包水位测量上一般同时采用这3种仪表。 4.4 实际应用中的注意事项 锅炉汽包水位决定于汽包中的贮水量和水面下的汽泡容积，引起汽包中贮水量和水面下汽泡容积变化的因素很多，如锅炉的蒸汽负荷、给水流量和炉膛热负荷等。在实际中，如当蒸汽流量增大( 负荷增加时) ，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但水位不仅不下降，反而迅速上升；反之，当负荷减小时，水位反而先下降，这就是“虚假水位”现象。原因就是负荷增加( 减少) 时，水面下汽泡容积增加

22、( 减少) 得很快而造成的。而双色水位计、电极式水位计、差压式水位计不能克服“虚假水位”的影响。因此在锅炉运行中监视汽包水位指示时，必须同时严密监视蒸汽流量、给水量等参数的变化，及时掌握汽包水位的实际状况，保证锅炉的稳定安全运行。第5章 汽包锅炉内防垢处理5.1 水垢和水渣的性质及危害附着物，这些附着物称为水垢。如果析出的固态附着物在炉水中呈悬浮状态，或沉积在汽包和下联箱底部的水流缓慢处，这些附着物称为水渣。他们都会影响热力设备的安全运行。5.1.1 水垢热力设备投运以后，在某些条件下，就会在受热面与水接触的金属表面上生成一些坚硬的固态水垢往往不是单一的化合物，而是由许多化合物组成的混合物。其

23、外观、物理特性及化学组分因水质不同、生成的部位不同而有很大差别。直接使用天然水或自来水作为锅炉补给水的 设备，其水垢的主要才化学组分为钙、镁的碳酸盐和其氧化物；以一级钠离子交换软化水为作为锅炉补给水的热力设备，其水垢的主要化学组分为碳酸钙、硫酸钙、硅酸钙等；以二级钠离子交换软化水作为锅炉补给水的热力设备，其锅炉水壁管内的水垢化学组分常以复杂的硅酸盐为主；以除盐水我作为锅炉补给水的热力设备，其水垢的主要化学组分主要是铁、铜的氧化物。5.1.2 水渣 水渣与水垢一样，也是一种含有许多化合物的混合物，而且随水质不同而差异很大。在以除盐水为锅炉补给水的锅炉中，水渣的主要组分为一些金属的腐蚀产物，有时水

24、渣中还含有一些随给水带人的悬浮物。 由于各种水渣的化学组分和形成过程不同，有的水渣不易黏附于锅炉金属的受热面上，在炉水中呈悬浮状态，这种水渣可借锅炉排污出炉外。5.1.3 水垢、渣的危害 水垢的结成对锅炉的安全、经济运行危害很大，主要表现在以下几个方面。（1）降低锅炉的热经济性 ( 2 ) 引起受热面金属过热 （3）破坏正常的炉水循环 （4）增加锅炉的检修量水渣的危害炉水中的水渣过多，一方面会影响锅炉的蒸汽品质，另一方面会堵塞炉管，甚至于会转化为水垢。所以，必须通过锅炉排污的办法及时将水渣排出锅外。5.2 锅炉的化学清洗锅炉的化学清洗，就是用某些化学药品的水溶液来清除锅炉水汽系统中的各种沉积物

25、，并使金属表面上形成良好的腐蚀保护膜。锅炉的化学清洗一般包括碱洗、酸洗、漂洗和钝化等几个主要工艺过程。随着锅炉参数和容量的日益增高，对受热面清洁度和汽包内水质的要求更加严格，加之重要措施之一。目前，新建锅炉在启动前一般都应进行化学清洗，已经投入运行的锅炉也应在必要时进行化学清洗。第6章 心得体会心得体会：非常感谢左老师关于这次过程控制系统设计的指导，包括在文章的选题，材料查找和分析，以及设计方面的知识介绍等，两周的时间过得那么充实与快乐，给我带来了从没有过的设计与体验，由于我的知识水平有限，有很多不如意的地方，在老师的审阅下予以批评和指导，我会全力以赴去完成这次过程课程系统的设计。作为大四的我

26、既感到紧张又感到快乐，开学的前两周是课程设计，一想到这里就会有意想不到的收获，我们通过图书馆和网络查找了大量有关设计方面的资料，让我们了解到了更多在专业课可能无法学到的知识，看到了现在发展多么的快，高科技人才的想象力多么丰富，需要我们学习还有很多，一篇文章就像一条道路，你步走到头就会感觉前面有想要的东西在等着你，这既是好奇与兴趣的结晶，你读的越多就会发现它涉及的范围越广，同时你理解的也会越多，老师在经常提到其他国家的设备和发展同时也看到了我们应该向那些在我们前面的国家学习，有句话说的好，知识就是力量。这次课程设计看到了同学们的爱创造精神，每天都很辛勤的努力，他们对知识的渴望就好像一个人在水里对

27、空气的追求，同学们彼此的探讨知识毫无保留，互相帮助，给予真诚的支持与鼓励，更加体现了同学们的真挚感情，让我看到了多个朋友多条路的道理。课程设计给了我们前所未有的收获，我非常感谢学校给了我们这样的机会。也再次向所有的参与教师表示真诚的感谢。第7章 参考文献参考文献: 黄新元 电站锅炉运行与燃烧调整 北京 中国电力出版社 2007 国电太原第一热电厂 锅炉及辅助设备 北京 中国电力出版社 2005 王淑勤 赵毅 电厂化学技术 中国电力出版社 2006 王晴 电气设备与电力线路典型操作票 中国电力出版社 2005 华中电网有限公司培训中心 火电机组集控运行 中国电力出版社 2005 汪永华 工厂供电 机械工业出版社 2007 白焰 热工自动控制技术及应用 中国电力出版社 2008 夏洪亮 大型电站锅炉 化学工业出版社 2007 中国航空工业规划设计研究院 热电厂建设及工程 化学工业出版社 2006 王博 电力系统自动化 中国林业出版社 2006