除氧系统液位组态监控系统设计分解.docx

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除氧系统液位组态监控系统设计分解

除氧系统液位组态监控系统设计

内容提要

除氧器是将溶解在水中的有害气体尤其是水中的溶解氧从水中除去，以免这些有害气体进入锅炉系统造成热力设备腐蚀，从而影响锅炉系统的正常运作，所以除氧器在热力发电厂中起到了很重要的作用。

进而除氧器的水位控制对除氧器以及整个工业控制过程尤为重要，除氧器水位控制的不稳定，曾引起机组跳闸和一回路热功率波动等严重后果。

为了保证除氧器能达到很好的除氧效果，就需要采用先进的控制方法，应用自动化控制技术来控制除氧器的液位。

本设计以除氧器为控制对象，采用PID控制技术，运用智能仪器和调节阀设计除氧器液位控制系统。

并完成系统组态监控设计。

关键词：

除氧器、液位、智能仪器、调节阀、组态

目录

一．设计目的意义1

二．设计内容1

三．控制方案3

3.1控制对象分析3

3.2控制系统原理介绍7

四．系统设计7

4.1系统硬件选择7

4.2电气接线9

4.3软件设计描述9

五．系统组态仿真结果10

六．设计体会11

七．参考文献12

一．设计目的意义

大学期间，我们学习了过程控制这一门学科，贯穿于自动化专业，为了巩固我们所学的理论知识，锻炼我们的动手能力，使得了理论与实践相结合，做了此次的课程设计。

除氧系统液位组态监控系统设计，是对除氧器中的液位进行控制，应用各种方法更深入的了解自动控制的概念，并进行组态软件的监控仿真，为以后的工作学习打下了基础。

二．设计内容

除氧器的主要作用是除去锅炉给水中的氧气和其它不凝结气体，以保证给水的品质。

若水中溶解氧气，就会使与水接触的金属被腐蚀，同时在热交换器中若有气体聚积，将使传热的热阻增加，降低设备的传热效果。

因此水中溶解有任何气体都是不利的，尤其是氧气，它将直接威胁设备的安全运行。

除氧器水位控制主要是为了保证除氧器内有足够的水提供给锅炉，这是一个单闭环控制回路输入参数，是除氧器水位输出参数控制除氧器进水阀。

在机组正常运行时，除氧器汽源来自汽轮机抽汽阀门全开的四段抽汽，除氧器汽源压力和流量不受控制，而与被出洋的水温、气水接触面积与除氧器水位有直接的关系。

除氧器水位高，可能造成除氧水加热不足，汽水接触面积减少和水中溶解氧气逸出困难而影响除氧效果；除氧器水位过高，可能造成汽封进水，抽汽管道水淹，威胁汽轮机的安全运行；除氧器水位过低，除了影响给水泵安全运行之外，甚至会威胁锅炉上水，造成断水事故。

因此，在机组运行中稳定除氧器水位，将其控制在最佳的高度具有非常重要的意义。

动力除氧系统工艺流程如图1所示：

图1

如图所示经处理的软化水进入除氧器V1101上部的除氧头，进行热力除氧，软化水流量为FI1106，温度为常温20℃，经由调节阀FV1106进入除氧器V1101顶部。

除氧蒸汽分两路，一路进入热力除氧头，管线上设有调节阀PV1101；另外一路进入除氧器下水箱，管线上设有开关阀XV1106。

除氧的目的是防止锅炉给水中溶解有氧气和二氧化碳，对锅炉造成腐蚀。

热力除氧是用蒸汽将给水加热到饱和温度，将水中溶解的氧气和二氧化碳放出。

除氧器压力为PI1106，除氧器液位为LI1101。

软化水在除氧器底部经由上水泵P1101泵出，出口流量FI1101，出口管线阀FV1101。

因此此设计要控制除氧液位LI1101的液位，使得除氧器能够更好的工作。

三．控制方案

3.1控制对象分析

1.测量部分：

除氧器水位的测量的方法有多种，综合分析在除氧器水位控制系统的设计中采用差压式水位计测量。

差压式水位计是通过把液位高度变化转换成差压变化来测量水位的，因此其测量仪表就是差压计。

差压式水位计准确测量水位的关键是水位与差压之间的准确转换,这种转换是通过平衡容器实现的,正压头式从容器中引出,负压头是从置于宽容器中的水侧连通管中取得。

宽容器中的水面高度是一定的，当水面增高时,水便通过汽侧连通管溢流入除氧器；要降低时,由蒸汽冷凝水来补充。

因此当宽容器中的水的密度一定时,正压头为定值，负压管与除氧器是连通的。

因此,负压管中输出压头的变化反映了水位的变化。

按照流体静力学原理,当除氧器水位在正常水位（即零水位）时,平衡容器的差压输出为

其中：

为除氧器汽空间密度；

为对应压力下的饱和水密度。

当除氧器水位偏离正常水位变化

时，平衡容器的差压输出

为:

，平衡容器的输出差压

则是除氧器水位变化

的单值函数。

水位增高，输出差压减小。

为了更好的控制除氧器水位，除了对除氧器水位进行测量，还需检测给水流量和凝结水流量，以便对除氧器水位进行三冲量控制。

现采用差压式流量计对流量进行测量。

差压式流量计主要由节流装置、压差信号管路和显示仪表三部分组成。

在管道内装入节流件，流体流过节流件时流束收缩，于是在节流件前后产生差压。

对于一定形状和尺寸的节流件，一定的测压位置和前后直管段情况、一定参数的流体以及其他条件下，节流件前后产生的差压值随流量而变，两者之间有确定的关系，因此可通过测量差压来测量流量。

2.变送部分：

为了对除氧器水位进行校正，需利用除氧器压力进行运算，故利用差压变送器将压力取出来以便使用。

现采用电容式差压变送器对压力进行转换。

电容式压力变送器中，以测压弹性膜片为电容器的可动极板，它与固定极板之间形成一可变电容。

随被测压力的变化，膜片产生位移使电容器的可动极板与固定极板之间的距离改变，从而改变了电容器的电容量，这样就完成了压力信号与电容量之间的变换。

变送器的变换过程示意如图2所示：

图2

锅炉从启动到正常运行的过程中，蒸汽参数和负荷在很大范围内变化，这就使得水位、给水流量和蒸汽流量的测量准确性受到影响。

为了实现全程调节，首先必须保证在各种工况下都能得到正常的水位信号和给水流量信号，所以需要对这些测量信号进行压力、温度变化的校正。

测量信号自动校正的基本方法是先推导出被测参数随温度、压力变化的数学模型，然后运用功能组件进行校正运算，便可以实现信号的自动校正。

3.控制部分

除氧器水位调节系统有三种基本结构：

单冲量调节系统结构、单级三冲量调节系统结构、串级三冲量调节系统结构。

要兼顾低负荷阶段和高负荷阶段的调节，采用给水全程控制方式。

这时不再是单一的单冲量系统或三冲量系统，而是单冲量和三冲量系统的有机结合并配有完善的方式自动切换与连锁逻辑。

单冲量控制用于给水流量小于500T时的工况。

控制器仅接受除氧器水位H信号，与给定值进行比较得出偏差，再按照一定的控制规律输出信号去执行器，控制除氧器水位。

单冲量除氧器水位控制系统如图3所示：

图3

在给水流量大于500T时除氧器的水位控制可采用单级三冲量调节系统。

除氧器水位调节接受除氧器的水位和主凝结水流量、总给水流量三个信号再按照一定的控制规律输出信号去执行器，控制除氧器水位。

单级三冲量除氧器水位控制系统如下图4所示：

图4

在给水流量大于500T时除氧器的水位控制是一个典型的串级三冲量控制系统。

与单冲量调节系统相比，其调节任务由两个调节器来完成。

主调节器才有PI调节规律，以保证水位无静态偏差，主调节器的输出信号和主凝结水流量、总给水流量信号都作用在负调节器。

一般串级调节系统的负调节器可采用比例调节器，以保证副回路的快速性。

串级三冲量调节系统如图5所示：

图5

调节器均可采用PI节器，单冲量、三冲量调节的主调节器。

三冲量的副调节器也可采用PI调节器构成串级调节系统，主调节器的输出信号与蒸汽流量信号相加后作用于副调节器作为给定信号，而副调节器的被调量是给水流量信号。

上述两套调节系统，低负荷时用单冲量，高负荷时用三冲量，两调节系统的切换是根据蒸汽流量信号的大小进行控制的。

4.执行器部分：

执行机构：

选用齿轮齿条式具有有结构简单，动作平稳可靠，并且安全防爆等优点，故常选用它。

调节机构：

此课程设计中除氧器水位调节阀采用一个主调节阀和一个副调节阀并联进行调节的方式，在控制过程中先开副调节阀，等副调节阀全开后再开主调节阀，关闭时的控制刚好相反。

采用两个调节阀的目的是为了更好地实现调节与凝结水流量之间的线性关系。

3.2控制系统原理介绍

本课程设计控制系统有测量变送、控制器、执行器三个部分组成。

其中测量与变送部分包括除氧器水位，给水、凝结水流量分别采用平衡容器、电容式差压变送器差压流量计方案。

其中控制部分包括低负荷时和高负荷时，分别采用串级三冲量和单冲量方案，并能够根据实际情况进行单冲量和三冲量的切换。

其中执行部分包括执行机构和调节机构，分别采用气动执行机构和直通型调节阀方案。

四．系统设计

4.1系统硬件选择

1.变送器的选择：

变送器是将各种被测参数如温度、压力、流量、液位等物理量转换成0~10mA或4~20mA直流统一标准信号，传送到指示、记录、调节等仪表或巡回检测装置、控制计算机，以实现对生产过程的自动检测和控制。

选用EJA系列智能变送器，其采用单晶硅谐振式传感器，在单晶硅芯片上采用微电子机械加工技术分别在其表面的中心和边缘作为两个形状、大小完全一致的H形状谐振梁，由于处于微型真空腔中，不与充灌液接触，因而确保振动时不受空气阻尼的影响。

谐振梁分别将压力、差压信号转换成频率信号，送到脉冲计数器，再将两频率之差直接传递到CPU（微处理器）进行数据处理，经D/A转换器转换为与输入信号相对应的4～20mADC的输出信号，并在模拟信号上叠加一个BRAIN/HART数字信号进行通信。

2.控制器的选择：

控制器也称之为调节器，可以分为两大类，即模拟式和数字式。

模拟式调节器一般主要有三个部分组成，即比较环节、放大器和反馈环节。

比较环节的作用是把给定信号r（t）与测量信号y（t）做比较，得出偏差信号e（t）,e（t）=r（t）-y（t）。

放大器一般是一个稳态增益很大的比例环节。

利用负反馈来实现P，PI等各种控制规律。

控制器将来自变送器的测量值与给定值进行比较后产生的偏差进行运算后输出统一信号去控制执行器动作。

调节器将被调量与给定值进行比较，对其偏差进行比例、积分、微分运算，并把结果以0~10mA或4~20mA直流统一标准信号输送至执行单元。

即选用智能PID调节器有如下特点：

比例调节规律具有调节及时的特点，但比例调节为有差调节，因此调节过程结束时存在稳态偏差。

通过减小调节器的比例带可减小稳态偏差，但会使系统的稳定性下降；

积分调节规律能消除稳态偏差，所以能最终消除扰动对被调量的影响，实现无差调节。

但积分作用的调节不及时，又使调节过程的动态偏差加大，过渡过程时间加长，因此，在积分作用引入到比例调节器后，调节器的比例带应适当加大，以弥补积分作用对控制过程稳定性的影响；

微分调节是一种超前调节方式，其实质是阻止被调量的一切变化。

适当的微分作用可收到减小动态偏差，缩短调节过程时间的效果，这样在采用比例积分微分调节器时，又可适当减小比例带和积分时间。

3.执行器的选择：

执行器由执行机构和调节机构组成。

执行机构指产生推力或位移的装置，调节机构指直接改变能量或物料输送量的装置，通常称为控制阀（调节阀）。

执行机构的选型主要是对气动执行机构和电动执行机构的选择。

本设计选用气动执行机构，其中薄膜式气动执行机构的输出力一般能满足控制阀的要求，所以大多均选用它。

但当所选用的控制阀口径较大或差压较高时，要求执行机构具有较大的输出力，因此可考虑选用活塞式执行机构，当然也可以选用薄膜式执行机构再配以阀门定位器。

如选用上海沃中阀门制造有限公司ZJHP-16F46P气动薄膜衬四氟单座调节阀。

它由气动薄膜执行机构和直通单座衬氟塑阀两部份组成。

在选用气动执行机构时，还必须考虑气动执行器的作用方式时气开式还是气关式。

有压力信号时阀关，无压力信号时阀开为气关式执行器，反之为气开式执行器。

考虑的原则是：

信号压力中断时，应保证设备和工作人员的安全。

调节机构的选择：

由于生产过程中，被控介质的特性千差万别，有高压的、高黏度的、强腐蚀的；流体的流动状体也各不相同。

因此，必须根据流体性质、工艺条件和过程控制要求，并参照各种阀门结构的特点进行综合考虑，同时兼顾经济性来最终确定合适的结构形式。

4.2电气接线

系统电气接线图见附件图1。

4.3软件设计描述

本课程设计运用组态王软件进行监控仿真，对各个参数进行实时检测，实现控制系统整个启停工作，显示屏上有数字和曲线两种显示方式。

组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。

它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。

通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。

其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。

使用组态王实现控制系统实验仿真的基本步骤有：

（1）图形界面的设计。

图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。

（2）构造数据库。

数据,是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性，此设计中如液位量。

（3）建立动画连接。

连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。

（4）运行和调试。

五．系统组态仿真结果

系统组态仿真结果见附件图2、图3

七．参考文献

[1]叶江祺，《热工测量和控制仪表的安装》，中国电力出版社。

[2]刘自放,《热工检测与自动控制》，中国电力出版社。

[3]卢胜利,《智能仪器设计与实现》,重庆大学出版社。

[4]吴勤勤，《控制仪表装置》，第三版，化学工业出版社。

[5]罗万金，《电厂热力过程自动调节》，东北电力学院。

[6]冯宗杭，除氧器水位控制中的调节阀自动切换逻辑。

[7]程金涛，造成水位测量偏差的原因分析及处理方法。

[8]崔富君，用变比例带和三冲量调节的方法实现的除氧器水位控制系统分析。

[9]周泽魁,《控制仪表与计算机控制装置》，化学工业出版社。

[10]边立秀,《热工控制系统》，中国电力出版社。

[11]张清,《检测技术与系统设计》，中国电力出版社。

[12]张清华,《一种带智能积分的自调整因子模糊控制器》,自动化与仪器仪表。