1、鍋爐汽包水位控制系統(tǒng) 概 述蒸汽鍋爐是企業(yè)重要的動(dòng)力設(shè)備，其任務(wù)是供給合格穩(wěn)定的蒸汽產(chǎn)品，以滿足負(fù)荷的需要。鍋爐是一個(gè)十分復(fù)雜的控制對(duì)象，為保證提供合格的蒸汽產(chǎn)品以適應(yīng)負(fù)荷的需要，與其配套設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)必須滿足各主要工藝參數(shù)的需要。保持鍋爐汽包水位在正常范圍內(nèi)是鍋爐運(yùn)行的一項(xiàng)重要的安全性能指標(biāo)，由于負(fù)荷、燃燒狀況及給水流量等因素的變化，汽包水位會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化。因此鍋爐汽包水位應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)加以嚴(yán)格控制以保證鍋爐的安全運(yùn)行。工業(yè)蒸汽鍋爐汽包水位控制的任務(wù)是控制給水流量使其與蒸發(fā)量保持動(dòng)態(tài)平衡，維持汽包水位在工藝允許的范圍內(nèi)，是保證鍋爐安全生產(chǎn)運(yùn)行的必要條件，鍋爐汽包水位也是鍋

2、爐運(yùn)行中一個(gè)重要的監(jiān)控參數(shù)，它間接地體現(xiàn)了鍋爐負(fù)荷和給水之間的平衡關(guān)系。采用PLC控制技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐運(yùn)行過(guò)程的自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制等多項(xiàng)功能。它的被控量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量則是汽包給水流量，通過(guò)對(duì)汽包水位的實(shí)時(shí)檢測(cè)并進(jìn)行反饋，PLC對(duì)反饋信號(hào)和給定信號(hào)進(jìn)行比較，然后根據(jù)控制算法對(duì)二者的偏差進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)給水流量的調(diào)節(jié)，使汽包內(nèi)部的物料達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，汽包水位變化在允許范圍之內(nèi)。11 鍋爐汽包水位的控制方案鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)采用三沖量控制系統(tǒng)，三沖量控制系統(tǒng)實(shí)際上是前饋一串級(jí)控制系統(tǒng)，它的主回路是一個(gè)定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，副回路是一個(gè)隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器按照對(duì)象操作條

3、件及負(fù)荷情況而隨時(shí)校正副調(diào)節(jié)器的給定值，從而使副參數(shù)能隨時(shí)跟蹤操作條件或負(fù)荷的變化而變化，最終達(dá)到保持主參數(shù)恒定的目的。其中主變量是汽包液位，副變量是給水流量蒸汽流量信號(hào)作為前饋信號(hào)引入流程。（見(jiàn)圖1和圖2）。 圖1 汽包水位三沖量軟件控制系統(tǒng)框圖給水流量給定液位蒸汽流量給水流量調(diào)節(jié)器電機(jī)汽包給水流量變送器蒸汽流量變送器蒸汽管道液位液位變送器變頻器液位調(diào)節(jié)器 圖2 汽包水位三沖量硬件控制系統(tǒng)框圖2 一次儀表選型2.1PLC及相關(guān)模塊選型本設(shè)計(jì)PLC選用FX2N系列PLC。它是FX系列PLC中功能最強(qiáng)、速度最快的微型可編程控制器。本設(shè)計(jì)PLC的輸入信號(hào)有開(kāi)始、關(guān)閉、最高水位、最低水位。需要的輸出

4、信號(hào)有正常運(yùn)行信號(hào)、極限處理信號(hào)、報(bào)警信號(hào)。此外擴(kuò)展模塊還需要占用PLC的一些輸入輸出點(diǎn)。選用32點(diǎn)的PLC即可滿足要求。晶閘管輸出方式可適用于交流負(fù)載。它的響應(yīng)速度快（關(guān)斷變導(dǎo)通的延遲時(shí)間小于1ms，導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷的延遲時(shí)間小于10ms）。它可以滿足該系統(tǒng)要求，因此選用晶閘管輸出方式。綜合考慮各型號(hào)性能，本設(shè)計(jì)選用FX2N-32MS型號(hào)的PLC。該系統(tǒng)需要輸入與輸出的模擬量有：給水流量信號(hào)、水位信號(hào)、蒸汽流量信號(hào)、變頻器給定信號(hào)。因此需要選擇一個(gè)模擬量輸入模塊FX2N-4A/D、一個(gè)模擬量輸出模塊FX2N-2D/A，通過(guò)它們可以進(jìn)行數(shù)字量與模擬量之間的相互轉(zhuǎn)換，從而PLC根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)傳輸來(lái)的信息進(jìn)

5、行算法控制。2.2電機(jī)的選型電機(jī)是鍋爐汽包供水的動(dòng)力設(shè)備，電機(jī)的準(zhǔn)確選型關(guān)系到汽包能否準(zhǔn)確供水進(jìn)而影響到汽包水位的穩(wěn)定?？刂频腻仩t蒸發(fā)量為：35t/h，汽包壓力0.5MP，管道直徑50mm因此可以對(duì)正常工作時(shí)電機(jī)的功率作如下估算： (3.1)由計(jì)算結(jié)果可以知道選用功率為100Kw的三相異步電動(dòng)機(jī)完全可以滿足工作要求，由于使用變頻調(diào)速不必選用繞線型異步電動(dòng)機(jī)，選用鼠籠型電機(jī)就可以滿足要求。 YJTG三相變頻調(diào)速電機(jī)專門為變頻調(diào)速設(shè)計(jì),可以根據(jù)技術(shù)要求設(shè)定其額定電壓為380V額定功率為100Kw。2.3變頻器的選型本設(shè)計(jì)選用三菱變頻器 FR-F740系列的變頻器。給變頻器可以輸入380V-480V

6、 50/60Hz三相交流電，輸出380-480V三相交流電并通過(guò)控制信號(hào)控制其輸出頻率，其容量是37KW220KW，可以滿足設(shè)備功率要求。該型號(hào)變頻器具有豐富靈活的控制接口，可以通過(guò)控制信號(hào)方便地改變變頻器的工作特性。內(nèi)置PID，變頻器/工頻切換和多泵循環(huán)運(yùn)行功能。內(nèi)置獨(dú)立的RS485通訊口。帶有節(jié)能監(jiān)控功能，節(jié)能效果一目了然。2.4水位傳感器的選型由于該設(shè)計(jì)的目的是控制水位穩(wěn)定，而整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是對(duì)水位的準(zhǔn)確測(cè)量，因此水位能否準(zhǔn)確測(cè)量直接關(guān)系到控制質(zhì)量的優(yōu)劣。合理的選擇水位傳感器在水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有關(guān)鍵作用。知道汽包水位應(yīng)該控制在30030mm，根據(jù)過(guò)程控制儀表量程選擇原則：儀表量程

7、應(yīng)該為被測(cè)量參數(shù)的4/33/2倍。因此所選傳感器的最大量程為:400450 mm。而且汽包水位應(yīng)該控制在30030 mm，因此所選水位傳感器的精度應(yīng)該高于10/450=6.7%FS。CR-6031型智能鍋爐汽包液位計(jì)，采用獨(dú)特結(jié)構(gòu)，耐高溫、高壓，其中變送器利用液位變化與其對(duì)測(cè)量探極產(chǎn)生的電容變化之間的關(guān)系，通過(guò)專用模式系統(tǒng)軟件將檢測(cè)的電容變化經(jīng)各種補(bǔ)償計(jì)算后輸出與物位成正比的4-20maDC 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。選擇測(cè)量圍為：100500mm，測(cè)量精度在1%FS的型號(hào)可以滿足控制要求。該型號(hào)的傳感器主要技術(shù)參數(shù)如下：量程：100500mm(水位高/深度)綜合精度: 1.0%FS 輸出信號(hào): 420ma(

8、二線制)、05V、15V、010V(三線制) 供電電壓: 24DCV(936DCV) 負(fù)載電阻: 電流輸出型：最大800；電壓輸出型：大于50K 絕緣電阻: 大于2000M (100VDC )密封等級(jí): IP68 長(zhǎng)期穩(wěn)定性能: 0.1%FS/年 振動(dòng)影響: 在機(jī)械振動(dòng)頻率20Hz1000Hz內(nèi)，輸出變化小于0.1%FS 電氣接口(信號(hào)接口): 緊線防水螺母與五芯通汽電纜連接機(jī)械連接(螺紋接口): 投入式使用時(shí)可以采用24V直流電源為水位傳感器供電保證其正常工作，將15V電壓信號(hào)作為反饋量引入PLC模擬量輸入端口進(jìn)行控制運(yùn)算。2.5流量傳感器的選型根據(jù)控制方案可以知道流量傳感器用于測(cè)量給水流量

9、和蒸汽流量，這兩個(gè)信號(hào)可以有效地改善控制質(zhì)量，因此合理的選擇流量傳感器能夠有效的改善整個(gè)系統(tǒng)的控制質(zhì)量。知道所要控制的是35t/h鍋爐的汽包水位，即該鍋爐正常工作時(shí)每小時(shí)蒸發(fā)35t蒸汽也就是有35t水被蒸發(fā)成為蒸汽，水位穩(wěn)定時(shí)供水量為：35 m3/h 。LUGB-99型渦街流量計(jì)是一種基于卡門渦街原理流體振動(dòng)式新型流量計(jì)，它具有測(cè)量范圍廣、壓損小、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高和安裝、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于封閉工業(yè)管道中液體、汽體和蒸汽介質(zhì)體積和質(zhì)量流量的測(cè)量。該流量計(jì)的技術(shù)參數(shù)如下：（1）測(cè)量介質(zhì)：蒸汽、汽體、液體（2）傳感器的感應(yīng)元件不直接與被測(cè)介質(zhì)接觸，性能穩(wěn)定、可靠性高（3）傳感器內(nèi)無(wú)可動(dòng)部件

10、，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而牢固，壓損小維擴(kuò)量小、使用壽命長(zhǎng)（4）范圍度寬達(dá)10：115：1（5）測(cè)量范圍：正常工作范圍，雷諾數(shù)為20，0007，000，000；輸出信號(hào)不受液體溫度、壓力、粘度及組份影響。測(cè)量可能范圍，雷諾數(shù)8，0007，（6）精度等級(jí)：液體，指示值的1.0%；蒸汽，指示值的1.5%（7）輸出信號(hào)：a.電壓脈沖低電平：0-1V；高電平：大于4V；占空比為 50% b .電流: 420ma(三線制) （8）電源電壓： 24DCV（9）殼體材料：碳鋼；不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)（10）規(guī)格：(管道內(nèi)徑)20、25、32、40、50、65、80、125、150、200、 250、300(大于D

11、N300 口徑為插入式)根據(jù)過(guò)程控制儀表量程選擇原則儀表量程應(yīng)該為被測(cè)量參數(shù)的4/33/2倍，流量計(jì)應(yīng)當(dāng)能夠檢測(cè)的最大流量為：46.552 m3/h，因此汽包送水管道直徑選用50 mm并用LUGB-99型渦街流量計(jì)檢測(cè)流量可以檢測(cè)的流量范圍是350 m3/h，可以滿足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行檢測(cè)汽包給水流量信號(hào)。由于LUGB-99型渦街流量計(jì)既可用于液體流量檢測(cè)也可用于蒸汽流量檢測(cè)，因此還可以選擇該流量計(jì)作為汽包負(fù)荷蒸汽流量的檢測(cè)傳感器。正常工作時(shí)汽包蒸汽壓力大約是0.5MP，由蒸汽密度表可以查到蒸汽密度大約是2700Kg/ m3，根據(jù)過(guò)程控制選擇儀表量程原則儀表量程應(yīng)該為被測(cè)量參數(shù)的4/33/2倍，流量

12、計(jì)應(yīng)當(dāng)能夠檢測(cè)的最大流量為：17.219.2 m3/h因此汽包蒸汽管道直徑選用20 mm，并用LUGB-99型渦街流量計(jì)檢測(cè)流量可以檢測(cè)的流量范圍是880 m3/h，可以滿足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行檢測(cè)蒸汽流量信號(hào)。2.6設(shè)備清單綜上所述可以得到硬件設(shè)備的清單如表2.1所示。表2.1硬件設(shè)備清單設(shè)備名稱型號(hào)額定電壓額定電流額定功率數(shù)量三相電機(jī)YJTG型380VAC61A100Kw2變頻器FR-F740型380VAC100Kw1功率三極管I3DD5686型2PLC CPU模塊FX2N-32MS型220VAC1模擬量輸入模塊FX2N-4A/D1數(shù)字量輸出模塊FX2N-2D/A1變壓器SA-100-24型24V

13、DC200W1接觸器HLC-3X型380VAC5熔斷器XRNT-12型200A3水位傳感器CR-6031型24DCV3流量傳感器LUGB-99型24DCV2DCS系統(tǒng)選型 該系統(tǒng)采用日本橫河的CENTU CS3000系統(tǒng)，CENTU CS3000系統(tǒng)是由控制站、操作站、現(xiàn)場(chǎng)接口站、高速通信網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)以及集散式控制系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件所構(gòu)成的分布式集散控制系統(tǒng)。使用CENTU CS3000控制系統(tǒng)的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)是方便直觀的控制組態(tài)功能，能夠根據(jù)生產(chǎn)需要隨時(shí)在控制站在線修改組態(tài)、報(bào)警參數(shù)及PID調(diào)節(jié)參數(shù)，修改后保存下裝即可。這一特點(diǎn)非常有利于控制組態(tài)方案的修改與優(yōu)化，自開(kāi)車以來(lái)已多次對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改動(dòng)，取得了很好的效果。 DCS系統(tǒng)在鍋爐汽包水位控制中的應(yīng)用3.1 系統(tǒng)組態(tài)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的系統(tǒng)組態(tài)主要是在DCS控制系統(tǒng)中的控制站FCS上通過(guò)各種模塊組態(tài)實(shí)現(xiàn)的，主要包括顯示模塊 調(diào)節(jié)器模塊和計(jì)算模塊等組態(tài)工具。其控制系統(tǒng)組態(tài)圖(見(jiàn)圖3)。圖3 系統(tǒng)組態(tài)圖總結(jié)4.1 控制功能 本系統(tǒng)能夠自動(dòng)控制汽包水位。穩(wěn)定精度為設(shè)定水位的196294 Pa?？梢詿o(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)一手動(dòng)控制方式的相互切換。4.2 檢測(cè)顯示功能 本系統(tǒng)能自動(dòng)地將各類運(yùn)行參數(shù)(汽包水位、主蒸汽