1、除氧系統液位組態監控系統設計 內容提要除氧器是將溶解在水中的有害氣體尤其是水中的溶解氧從水中除去，以免這些有害氣體進入鍋爐系統造成熱力設備腐蝕，從而影響鍋爐系統的正常運作，所以除氧器在熱力發電廠中起到了很重要的作用。進而除氧器的水位控制對除氧器以及整個工業控制過程尤為重要，除氧器水位控制的不穩定，曾引起機組跳閘和一回路熱功率波動等嚴重后果。為了保證除氧器能達到很好的除氧效果，就需要采用先進的控制方法，應用自動化控制技術來控制除氧器的液位。本設計以除氧器為控制對象，采用PID控制技術，運用智能儀器和調節閥設計除氧器液位控制系統。并完成系統組態監控設計。關鍵詞：除氧器、液位、智能儀器、調節閥、組態

2、目 錄一設計目的意義1二設計內容1三控制方案33.1控制對象分析33.2控制系統原理介紹7四系統設計74.1系統硬件選擇74.2電氣接線94.3軟件設計描述9五系統組態仿真結果10六設計體會11七參考文獻12一設計目的意義大學期間，我們學習了過程控制這一門學科，貫穿于自動化專業，為了鞏固我們所學的理論知識，鍛煉我們的動手能力，使得了理論與實踐相結合，做了此次的課程設計。除氧系統液位組態監控系統設計，是對除氧器中的液位進行控制，應用各種方法更深入的了解自動控制的概念，并進行組態軟件的監控仿真，為以后的工作學習打下了基礎。二設計內容除氧器的主要作用是除去鍋爐給水中的氧氣和其它不凝結氣體，以保證給水

3、的品質。若水中溶解氧氣，就會使與水接觸的金屬被腐蝕，同時在熱交換器中若有氣體聚積，將使傳熱的熱阻增加，降低設備的傳熱效果。因此水中溶解有任何氣體都是不利的，尤其是氧氣，它將直接威脅設備的安全運行。除氧器水位控制主要是為了保證除氧器內有足夠的水提供給鍋爐，這是一個單閉環控制回路輸入參數，是除氧器水位輸出參數控制除氧器進水閥。在機組正常運行時，除氧器汽源來自汽輪機抽汽閥門全開的四段抽汽，除氧器汽源壓力和流量不受控制，而與被出洋的水溫、氣水接觸面積與除氧器水位有直接的關系。除氧器水位高，可能造成除氧水加熱不足，汽水接觸面積減少和水中溶解氧氣逸出困難而影響除氧效果；除氧器水位過高，可能造成汽封進水，抽

4、汽管道水淹，威脅汽輪機的安全運行；除氧器水位過低，除了影響給水泵安全運行之外，甚至會威脅鍋爐上水，造成斷水事故。因此，在機組運行中穩定除氧器水位，將其控制在最佳的高度具有非常重要的意義。動力除氧系統工藝流程如圖1所示：圖1如圖所示經處理的軟化水進入除氧器V1101上部的除氧頭，進行熱力除氧，軟化水流量為FI1106，溫度為常溫20，經由調節閥FV1106進入除氧器V1101頂部。除氧蒸汽分兩路，一路進入熱力除氧頭，管線上設有調節閥PV1101；另外一路進入除氧器下水箱，管線上設有開關閥XV1106。除氧的目的是防止鍋爐給水中溶解有氧氣和二氧化碳，對鍋爐造成腐蝕。熱力除氧是用蒸汽將給水加熱到飽和

5、溫度，將水中溶解的氧氣和二氧化碳放出。除氧器壓力為PI1106，除氧器液位為LI1101。軟化水在除氧器底部經由上水泵P1101泵出，出口流量FI1101，出口管線閥FV1101。因此此設計要控制除氧液位LI1101的液位，使得除氧器能夠更好的工作。三控制方案3.1控制對象分析1.測量部分：除氧器水位的測量的方法有多種，綜合分析在除氧器水位控制系統的設計中采用差壓式水位計測量。差壓式水位計是通過把液位高度變化轉換成差壓變化來測量水位的，因此其測量儀表就是差壓計。差壓式水位計準確測量水位的關鍵是水位與差壓之間的準確轉換,這種轉換是通過平衡容器實現的,正壓頭式從容器中引出,負壓頭是從置于寬容器中的

6、水側連通管中取得。寬容器中的水面高度是一定的，當水面增高時,水便通過汽側連通管溢流入除氧器；要降低時,由蒸汽冷凝水來補充。因此當寬容器中的水的密度一定時, 正壓頭為定值，負壓管與除氧器是連通的。因此,負壓管中輸出壓頭的變化反映了水位的變化。按照流體靜力學原理,當除氧器水位在正常水位(即零水位)時,平衡容器的差壓輸出為 其中：為除氧器汽空間密度；為對應壓力下的飽和水密度。當除氧器水位偏離正常水位變化時，平衡容器的差壓輸出為:，平衡容器的輸出差壓則是除氧器水位變化的單值函數。水位增高，輸出差壓減小。為了更好的控制除氧器水位，除了對除氧器水位進行測量，還需檢測給水流量和凝結水流量，以便對除氧器水位進

7、行三沖量控制。現采用差壓式流量計對流量進行測量。差壓式流量計主要由節流裝置、壓差信號管路和顯示儀表三部分組成。在管道內裝入節流件，流體流過節流件時流束收縮，于是在節流件前后產生差壓。對于一定形狀和尺寸的節流件，一定的測壓位置和前后直管段情況、一定參數的流體以及其他條件下，節流件前后產生的差壓值隨流量而變，兩者之間有確定的關系，因此可通過測量差壓來測量流量。2.變送部分：為了對除氧器水位進行校正，需利用除氧器壓力進行運算，故利用差壓變送器將壓力取出來以便使用。現采用電容式差壓變送器對壓力進行轉換。電容式壓力變送器中，以測壓彈性膜片為電容器的可動極板，它與固定極板之間形成一可變電容。隨被測壓力的變

8、化，膜片產生位移使電容器的可動極板與固定極板之間的距離改變，從而改變了電容器的電容量，這樣就完成了壓力信號與電容量之間的變換。變送器的變換過程示意如圖2所示：圖2鍋爐從啟動到正常運行的過程中，蒸汽參數和負荷在很大范圍內變化，這就使得水位、給水流量和蒸汽流量的測量準確性受到影響。為了實現全程調節，首先必須保證在各種工況下都能得到正常的水位信號和給水流量信號，所以需要對這些測量信號進行壓力、溫度變化的校正。測量信號自動校正的基本方法是先推導出被測參數隨溫度、壓力變化的數學模型，然后運用功能組件進行校正運算，便可以實現信號的自動校正。3.控制部分除氧器水位調節系統有三種基本結構：單沖量調節系統結構、

9、單級三沖量調節系統結構、串級三沖量調節系統結構。要兼顧低負荷階段和高負荷階段的調節，采用給水全程控制方式。這時不再是單一的單沖量系統或三沖量系統，而是單沖量和三沖量系統的有機結合并配有完善的方式自動切換與連鎖邏輯。單沖量控制用于給水流量小于500T時的工況。控制器僅接受除氧器水位H信號，與給定值進行比較得出偏差，再按照一定的控制規律輸出信號去執行器，控制除氧器水位。單沖量除氧器水位控制系統如圖3所示：圖3在給水流量大于500T時除氧器的水位控制可采用單級三沖量調節系統。除氧器水位調節接受除氧器的水位和主凝結水流量、總給水流量三個信號再按照一定的控制規律輸出信號去執行器，控制除氧器水位。單級三沖

10、量除氧器水位控制系統如下圖4所示：圖4在給水流量大于500T時除氧器的水位控制是一個典型的串級三沖量控制系統。與單沖量調節系統相比，其調節任務由兩個調節器來完成。主調節器才有PI調節規律，以保證水位無靜態偏差，主調節器的輸出信號和主凝結水流量、總給水流量信號都作用在負調節器。一般串級調節系統的負調節器可采用比例調節器，以保證副回路的快速性。串級三沖量調節系統如圖5所示：圖5調節器均可采用PI節器，單沖量、三沖量調節的主調節器。三沖量的副調節器也可采用PI調節器構成串級調節系統，主調節器的輸出信號與蒸汽流量信號相加后作用于副調節器作為給定信號，而副調節器的被調量是給水流量信號。上述兩套調節系統，

11、低負荷時用單沖量，高負荷時用三沖量，兩調節系統的切換是根據蒸汽流量信號的大小進行控制的。4.執行器部分：執行機構：選用齒輪齒條式具有有結構簡單，動作平穩可靠，并且安全防爆等優點，故常選用它。 調節機構：此課程設計中除氧器水位調節閥采用一個主調節閥和一個副調節閥并聯進行調節的方式，在控制過程中先開副調節閥，等副調節閥全開后再開主調節閥，關閉時的控制剛好相反。采用兩個調節閥的目的是為了更好地實現調節與凝結水流量之間的線性關系。3.2控制系統原理介紹本課程設計控制系統有測量變送、控制器、執行器三個部分組成。其中測量與變送部分包括除氧器水位，給水、凝結水流量分別采用平衡容器、電容式差壓變送器差壓流量計

12、方案。其中控制部分包括低負荷時和高負荷時，分別采用串級三沖量和單沖量方案，并能夠根據實際情況進行單沖量和三沖量的切換。其中執行部分包括執行機構和調節機構，分別采用氣動執行機構和直通型調節閥方案。四系統設計4.1系統硬件選擇1.變送器的選擇：變送器是將各種被測參數如溫度、壓力、流量、液位等物理量轉換成010mA或420mA直流統一標準信號，傳送到指示、記錄、調節等儀表或巡回檢測裝置、控制計算機，以實現對生產過程的自動檢測和控制。選用EJA系列智能變送器，其采用單晶硅諧振式傳感器，在單晶硅芯片上采用微電子機械加工技術分別在其表面的中心和邊緣作為兩個形狀、大小完全一致的H形狀諧振梁，由于處于微型真空

13、腔中，不與充灌液接觸，因而確保振動時不受空氣阻尼的影響。諧振梁分別將壓力、差壓信號轉換成頻率信號，送到脈沖計數器，再將兩頻率之差直接傳遞到CPU(微處理器)進行數據處理，經D/A轉換器轉換為與輸入信號相對應的420mA DC的輸出信號，并在模擬信號上疊加一個BRAIN/HART數字信號進行通信。2.控制器的選擇：控制器也稱之為調節器，可以分為兩大類，即模擬式和數字式。模擬式調節器一般主要有三個部分組成，即比較環節、放大器和反饋環節。比較環節的作用是把給定信號r(t)與測量信號y(t)做比較，得出偏差信號e(t),e(t)=r(t)-y(t)。放大器一般是一個穩態增益很大的比例環節。利用負反饋來

14、實現P，PI等各種控制規律。控制器將來自變送器的測量值與給定值進行比較后產生的偏差進行運算后輸出統一信號去控制執行器動作。調節器將被調量與給定值進行比較，對其偏差進行比例、積分、微分運算，并把結果以010mA或420mA直流統一標準信號輸送至執行單元。即選用智能PID調節器有如下特點：比例調節規律具有調節及時的特點，但比例調節為有差調節，因此調節過程結束時存在穩態偏差。通過減小調節器的比例帶可減小穩態偏差，但會使系統的穩定性下降；積分調節規律能消除穩態偏差，所以能最終消除擾動對被調量的影響，實現無差調節。但積分作用的調節不及時，又使調節過程的動態偏差加大，過渡過程時間加長，因此，在積分作用引入

15、到比例調節器后，調節器的比例帶應適當加大，以彌補積分作用對控制過程穩定性的影響；微分調節是一種超前調節方式，其實質是阻止被調量的一切變化。適當的微分作用可收到減小動態偏差，縮短調節過程時間的效果，這樣在采用比例積分微分調節器時，又可適當減小比例帶和積分時間。3.執行器的選擇：執行器由執行機構和調節機構組成。執行機構指產生推力或位移的裝置，調節機構指直接改變能量或物料輸送量的裝置，通常稱為控制閥（調節閥）。執行機構的選型主要是對氣動執行機構和電動執行機構的選擇。本設計選用氣動執行機構，其中薄膜式氣動執行機構的輸出力一般能滿足控制閥的要求，所以大多均選用它。但當所選用的控制閥口徑較大或差壓較高時，

16、要求執行機構具有較大的輸出力，因此可考慮選用活塞式執行機構，當然也可以選用薄膜式執行機構再配以閥門定位器。如選用上海沃中閥門制造有限公司ZJHP-16F46P氣動薄膜襯四氟單座調節閥。它由氣動薄膜執行機構和直通單座襯氟塑閥兩部份組成。在選用氣動執行機構時，還必須考慮氣動執行器的作用方式時氣開式還是氣關式。有壓力信號時閥關，無壓力信號時閥開為氣關式執行器，反之為氣開式執行器。考慮的原則是：信號壓力中斷時，應保證設備和工作人員的安全。調節機構的選擇：由于生產過程中，被控介質的特性千差萬別，有高壓的、高黏度的、強腐蝕的；流體的流動狀體也各不相同。因此，必須根據流體性質、工藝條件和過程控制要求，并參照

17、各種閥門結構的特點進行綜合考慮，同時兼顧經濟性來最終確定合適的結構形式。4.2電氣接線系統電氣接線圖見附件圖1。4.3軟件設計描述本課程設計運用組態王軟件進行監控仿真，對各個參數進行實時檢測，實現控制系統整個啟停工作，顯示屏上有數字和曲線兩種顯示方式。組態王開發監控系統軟件，是新型的工業自動控制系統，它以標準的工業計算機軟、硬件平臺構成的集成系統取代傳統的封閉式系統。它具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短等優點。通常可以把這樣的系統劃分為控制層、監控層、管理層三個層次結構。其中監控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現對現場的實時監測與控制，且在自動控制系統中完成上傳下達、組態開發的重要作用。使用組態王實現控制系統實驗仿真的基本步驟有：（1）圖形界面的設計 。圖形,是用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業現場和相應的工控設備。（2）構造數據庫 。數據,是創建一個具體的數據庫,并用此數據庫中的變量描述工控對象的各種屬性，此設計中如液位量。（3）建立動畫連接。連接,就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現場設備的運行,以及怎樣讓操作者輸入控制設備的指令。（4）運行和調試。五系統組態仿真結果系統組態仿真結果見附件圖2、圖3七參考文獻1 葉江祺，熱工測量和控制儀表的安裝，中國電力出版社。2 劉自放, 熱工檢測與自動