1、鍋爐汽包水位控制系統 概 述蒸汽鍋爐是企業重要的動力設備，其任務是供給合格穩定的蒸汽產品，以滿足負荷的需要。鍋爐是一個十分復雜的控制對象，為保證提供合格的蒸汽產品以適應負荷的需要，與其配套設計的控制系統必須滿足各主要工藝參數的需要。保持鍋爐汽包水位在正常范圍內是鍋爐運行的一項重要的安全性能指標，由于負荷、燃燒狀況及給水流量等因素的變化，汽包水位會經常發生變化。因此鍋爐汽包水位應當根據設備的運行狀況進行實時調節加以嚴格控制以保證鍋爐的安全運行。工業蒸汽鍋爐汽包水位控制的任務是控制給水流量使其與蒸發量保持動態平衡，維持汽包水位在工藝允許的范圍內，是保證鍋爐安全生產運行的必要條件，鍋爐汽包水位也是鍋

2、爐運行中一個重要的監控參數，它間接地體現了鍋爐負荷和給水之間的平衡關系。采用PLC控制技術，能實現對鍋爐運行過程的自動檢測、自動控制等多項功能。它的被控量是汽包水位，而調節量則是汽包給水流量，通過對汽包水位的實時檢測并進行反饋，PLC對反饋信號和給定信號進行比較，然后根據控制算法對二者的偏差進行相應的運算，運算結果輸出給執行機構從而實現給水流量的調節，使汽包內部的物料達到動態平衡，汽包水位變化在允許范圍之內。11 鍋爐汽包水位的控制方案鍋爐汽包水位控制系統采用三沖量控制系統，三沖量控制系統實際上是前饋一串級控制系統，它的主回路是一個定值調節系統，副回路是一個隨動調節系統，主調節器按照對象操作條

3、件及負荷情況而隨時校正副調節器的給定值，從而使副參數能隨時跟蹤操作條件或負荷的變化而變化，最終達到保持主參數恒定的目的。其中主變量是汽包液位，副變量是給水流量蒸汽流量信號作為前饋信號引入流程。（見圖1和圖2）。 圖1 汽包水位三沖量軟件控制系統框圖給水流量給定液位蒸汽流量給水流量調節器電機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節器 圖2 汽包水位三沖量硬件控制系統框圖2 一次儀表選型2.1PLC及相關模塊選型本設計PLC選用FX2N系列PLC。它是FX系列PLC中功能最強、速度最快的微型可編程控制器。本設計PLC的輸入信號有開始、關閉、最高水位、最低水位。需要的輸出

4、信號有正常運行信號、極限處理信號、報警信號。此外擴展模塊還需要占用PLC的一些輸入輸出點。選用32點的PLC即可滿足要求。晶閘管輸出方式可適用于交流負載。它的響應速度快（關斷變導通的延遲時間小于1ms，導通變為關斷的延遲時間小于10ms）。它可以滿足該系統要求，因此選用晶閘管輸出方式。綜合考慮各型號性能，本設計選用FX2N-32MS型號的PLC。該系統需要輸入與輸出的模擬量有：給水流量信號、水位信號、蒸汽流量信號、變頻器給定信號。因此需要選擇一個模擬量輸入模塊FX2N-4A/D、一個模擬量輸出模塊FX2N-2D/A，通過它們可以進行數字量與模擬量之間的相互轉換，從而PLC根據現場傳輸來的信息進

5、行算法控制。2.2電機的選型電機是鍋爐汽包供水的動力設備，電機的準確選型關系到汽包能否準確供水進而影響到汽包水位的穩定。控制的鍋爐蒸發量為：35t/h，汽包壓力0.5MP，管道直徑50mm因此可以對正常工作時電機的功率作如下估算： (3.1)由計算結果可以知道選用功率為100Kw的三相異步電動機完全可以滿足工作要求 YJTG三相變頻調速電機專門為變頻調速設計,可以根據技術要求設定其額定電壓為380V額定功率為100Kw。2.3變頻器的選型本設計選用三菱變頻器 FR-F740系列的變頻器。給變頻器可以輸入380V-480V 50/60Hz三相交流電，輸出380-480V三相交流電并通過控制信號控

6、制其輸出頻率，其容量是37KW220KW，可以滿足設備功率要求。該型號變頻器具有豐富靈活的控制接口，可以通過控制信號方便地改變變頻器的工作特性。內置PID，變頻器/工頻切換和多泵循環運行功能。內置獨立的RS485通訊口。帶有節能監控功能，節能效果一目了然。2.4水位傳感器的選型由于該設計的目的是控制水位穩定，而整個控制系統的基礎是對水位的準確測量，因此水位能否準確測量直接關系到控制質量的優劣。合理的選擇水位傳感器在水位控制系統的設計中有關鍵作用。知道汽包水位應該控制在30030mm，根據過程控制儀表量程選擇原則：儀表量程應該為被測量參數的4/33/2倍。因此所選傳感器的最大量程為:400450

7、 mm。而且汽包水位應該控制在30030 mm，因此所選水位傳感器的精度應該高于10/450=6.7%FS。CR-6031型智能鍋爐汽包液位計，采用獨特結構，耐高溫、高壓，其中變送器利用液位變化與其對測量探極產生的電容變化之間的關系，通過專用模式系統軟件將檢測的電容變化經各種補償計算后輸出與物位成正比的4-20maDC 標準信號。選擇測量圍為：100500mm，測量精度在1%FS的型號可以滿足控制要求。該型號的傳感器主要技術參數如下：量程：100500mm(水位高/深度)綜合精度: 1.0%FS 輸出信號: 420ma(二線制)、05V、15V、010V(三線制) 供電電壓: 24DCV(93

8、6DCV) 負載電阻: 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: IP68 長期穩定性能: 0.1%FS/年 振動影響: 在機械振動頻率20Hz1000Hz內，輸出變化小于0.1%FS 電氣接口(信號接口): 緊線防水螺母與五芯通汽電纜連接機械連接(螺紋接口): 投入式使用時可以采用24V直流電源為水位傳感器供電保證其正常工作，將15V電壓信號作為反饋量引入PLC模擬量輸入端口進行控制運算。2.5流量傳感器的選型根據控制方案可以知道流量傳感器用于測量給水流量和蒸汽流量，這兩個信號可以有效地改善控制質量，因此合理的選擇流量傳感器能夠

9、有效的改善整個系統的控制質量。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每小時蒸發35t蒸汽也就是有35t水被蒸發成為蒸汽，水位穩定時供水量為：35 m3/h 。LUGB-99型渦街是一種基于卡門渦街原理流體振動式新型，它具有測量范圍廣、壓損小、性能穩定、準確度高和安裝、使用方便等優點，廣泛應用于封閉工業管道中液體、汽體和蒸汽介質體積和質量流量的測量。該流量計的技術參數如下：（1）測量介質：蒸汽、汽體、液體（2）傳感器的感應元件不直接與被測介質接觸，性能穩定、可靠性高（3）傳感器內無可動部件，結構簡單而牢固，壓損小維擴量小、使用壽命長（4）范圍度寬達10：115：1（5）測量

10、范圍：正常工作范圍，雷諾數為20，0007，000，000；輸出信號不受液體溫度、壓力、粘度及組份影響。測量可能范圍，雷諾數8，0007，000000（6）精度等級：液體，指示值的1.0%；蒸汽，指示值的1.5%（7）輸出信號：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）規格：(管道內徑)20、25、32、40、50、65、80、125、150、200、 250、300(大于DN300 口徑為插入式)根據過程控制儀表量程選擇原則儀表量程應該為被測量參

11、數的4/33/2倍，流量計應當能夠檢測的最大流量為：46.552 m3/h，因此汽包送水管道直徑選用50 mm并用LUGB-99型渦街檢測流量可以檢測的流量范圍是350 m3/h，可以滿足設計要求進行檢測汽包給水流量信號。由于LUGB-99型渦街既可用于液體流量檢測也可用于蒸汽流量檢測，因此還可以選擇該流量計作為汽包負荷蒸汽流量的檢測傳感器。正常工作時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，根據過程控制選擇儀表量程原則儀表量程應該為被測量參數的4/33/2倍，流量計應當能夠檢測的最大流量為：17.219.2 m3/h因此汽包蒸汽管道直徑選用20 m

12、m，并用LUGB-99型渦街檢測流量可以檢測的流量范圍是880 m3/h，可以滿足設計要求進行檢測蒸汽流量信號。2.6設備清單綜上所述可以得到硬件設備的清單如表2.1所示。表2.1硬件設備清單設備名稱型號額定電壓額定電流額定功率數量三相電機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數字量輸出模塊FX2N-2D/A1變壓器SA-100-24型24VDC200W1接觸器HLC-3X型380VAC5熔斷器XRNT-12型200A3水位傳感器C

13、R-6031型24DCV3流量傳感器LUGB-99型24DCV2DCS系統選型 該系統采用日本橫河的CENTU CS3000系統，CENTU CS3000系統是由控制站、操作站、現場接口站、高速通信網、網關以及集散式控制系統軟件和應用軟件所構成的分布式集散控制系統。使用CENTU CS3000控制系統的一個最大優點是方便直觀的控制組態功能，能夠根據生產需要隨時在控制站在線修改組態、報警參數及PID調節參數，修改后保存下裝即可。這一特點非常有利于控制組態方案的修改與優化，自開車以來已多次對該系統進行了優化改動，取得了很好的效果。 DCS系統在鍋爐汽包水位控制中的應用3.1 系統組態鍋爐汽包水位控制系統的系統組態主要是在DCS控制系統中的控制站FCS上通過各種模塊組態實現的，主要包括顯示模塊 調節器模塊和計算模塊等組態工具。其控制系統組態圖(見圖3)。圖3 系統組態圖總結4.1 控制功能 本系統能夠自動控制汽包水位。穩定精度為設定水位的196294 Pa。可以無平衡無擾動地實現自動一手動控制方式的相互切換。4.2 檢測顯示功能 本系統能自動地將各類運行參數(汽包水位、主蒸汽流量