锅炉水位自动调节基础学习知识原理分析.doc

-* 锅炉水位自动调节原理分析 【摘要】随着科技的进步，船舶自动控制程度越来越高，锅炉作为船舶的重要设备，在很早之前就实现了自动化。锅炉能够生成大量的蒸汽，炉内压力、温度都会升高，它可以用来加热燃油、主机缸套冷却水等。当外界负荷发生变化时，锅炉能够通过供给合格的蒸汽，适应负荷的需求。然而，锅炉的液位控制系统很复杂，它并不是单一，线性的简单系统，而是多变量的不稳定系统。当汽包压力发生突变或者炉内热负荷增加或骤减时，容易产生“虚假液位”现象。锅炉水位对于锅炉的运行很重要，要确保锅炉水位处于合理位置。如果水位太高，锅炉产生的蒸汽容易带走水分，锅炉水会溢出，存在安全隐患；如果水位太低，锅炉蒸发更为迅速，当炉膛没有水，会有爆炸的危险。 【关键词】船用锅炉；汽包水位；原理 【Abstract】With the progress of science and technology, automatic control level is higher and higher, the boiler as an important equipment of ship, has achieved automation in long before .The boiler can generate a lot of steam which be used to heating fuel ,cylinder liner cooling water and the furnace pressure and temperature will rise. When the boiler is required to produce desirable steam to meet the change of the steam consumption. However, the liquid level control system of boiler is very complex, it is not a single, simple linear system, but the instability of fickle systems.When the steam drum pressure mutations or furnace heat load increase or drop, easy to produce the phenomenon “false level”.The operation of the boiler water level in boiler is very important, we must ensure the boiler water level in a reasonable position.If water level is too high, the steam which boiler produced is easy to take away water and the boiler water will overflow.It’s a safety hazard. If the water level is too low, the boiler evaporates more quickly. When the chamber without water, it will be a danger of explosion. 【Keywords】marine boiler;boiler water level;theory 目 录 摘 要 Abstract 一、绪论.............................................................2 （一）选题的目的及意义...............................................2 （二）背景知识.......................................................2 1.锅炉的基础........................................................2 2.船用锅炉的分类....................................................2 3.船用锅炉的水位控制................................................3 二、锅炉汽水控制数学模型的建立及特性分析.............................3 （一）锅炉结构.......................................................3 1.汽包..............................................................4 2.联箱和水筒........................................................4 3.燃烧和烟气空间....................................................4 （二）锅炉液位控制系统原理概述.......................................4 （三）锅炉液位特性分析...............................................5 1.液位对象机理模型推导..............................................5 2.静态特性分析......................................................6 3.给水流量作用下的动态特性..........................................6 4.蒸汽流量扰动下的动态特性..........................................7 三、控制系统的研究..................................................8 （一）汽包水位单冲量控制系统.........................................8 （二）汽包水位双冲量控制系统.........................................9 （三）汽包水位三冲量控制系统.........................................9 （四）汽包水位三冲量串级控制系统....................................10 四、结 论.........................................................10 参考文献............................................................11 一、绪论 （一）选题的目的及意义 锅炉作为船舶的主要设备，其运行管理对远洋船舶航行的安全有着很重要的意义。然而，在维护保养中，因为锅炉的水位很不稳定，在管理上很难控制，是管理的一大难处。锅炉水位要能够在合理安全的水位位置，使得锅炉每蒸发多少水量就补给多少的水量，确保锅炉安全运行。在锅炉运行时，容易出现“虚假水位”现象，如何才能有效的避免是本文探讨的核心内容。因此，本文着重研究了锅炉水位控制的原理及各个水位控制系统。 （二）背景知识 1.锅炉的基础 锅炉是船舶关键的设备，它所产生的蒸汽必须满足外界负荷的需求，这就要求锅炉产生适量合理的蒸汽。因此，在制造锅炉时，锅炉每个环节都要严格审核，尤其是各参数要达到标准。由于水位的不稳定，锅炉是一种控制极其复杂，其主要输入对象是负荷，燃料量，锅炉给水，冷却水，送风等，其主要输出对象是蒸汽压力，汽包水位，过剩空气，过热蒸汽温度，炉膛负压等。锅炉的输出变量与输入变量密切相关，其中一个变量的变化就会致使另一变量的变化。如果蒸汽负荷发生了改变，一定会导致过热蒸汽温度，锅炉水位以及蒸汽压力等的改变。而燃料量的多少会引起蒸汽的压力改变，当然过热空气、温度，汽包压力和炉膛负压也会有很大的改变。因此，锅炉是多输入量和多输出量相关联的设备。 2.船用锅炉的分类 （1）按锅炉的构造分类 锅炉中主要受热面是管子，如果受热管外是水，而高温的烟气在受热管中流动，这样的锅炉我们称之为火管锅炉（也使用“烟管锅炉”和“辅锅炉”这两个术语）。与火管锅炉原理不同的水管锅炉，其燃烧产生的烟气是在受热面管外流动，而受热面管中流动的可以是水，也可以是汽水混合物。锅炉产生蒸汽的方式分为两个部分，在受热面管上，一些管束工作原理和水管锅炉一样，其他的管束跟火管锅炉一样，这样的锅炉我们称之为称为混合式锅炉。 （2）按水循环的方法分类 在水管锅炉中，水和汽水混合物连续不断地通过蒸发受热面循环流动，水管锅炉的水循环可以有两种方式：一种是自然循环锅炉，它是运用水和汽水混合物的密度差使它们经蒸发受热面不断流动；另一种是强制循环锅炉，它是借助外来的动力使汽水混合物流经受热面。 自然循环无需专门的循环泵，设备和管理都不会复杂。目前在船上绝大多数用的都是自然循环锅护，但是也不排除有的船舶会用强制循环锅炉，通常废气锅炉都采用这种锅炉。多次强制循环锅炉是强制循环锅炉的一种，它是指炉水需多次流经受热面才会完全蒸发成蒸汽的锅炉；还有一种叫直流锅炉，也属于强制循环锅炉，它是指炉水在管里一次流过就能完全蒸发的锅炉。 3.船用锅炉的水位控制 锅炉的水位控制非常关键，锅炉水位一旦发生变化，炉内的汽压和汽温有波动产生，严重时还会出现满水和缺水的事故。干烧对锅炉的危害很大，因此，对于燃油锅炉和废气锅炉都是不允许干烧的，尤其是燃油锅炉。锅炉给水泵需保持良好的工况，对于给水管路的阀门应定期研磨尤其是止回阀门，这样方能保证阀门紧闭无泄漏。通过触摸给水管路的方法可以对给水止回阀泄漏进行判断，如果给水管路的温度过高，并且越靠近锅炉温度越高，说明止回阀泄漏。此时必须采取有效的措施，否则会降低给水泵的效率甚至是损坏水泵。 船用锅炉必须有两只小水位计，在水位计上要标有安全水位的范围，还有危险水位的界限。锅炉正常工作时，汽包水位不稳定，会有不停的摇晃，致使水位计所指示的液面不能稳定，难以观察。如果水位计水面静止不动，可能是锅炉内有杂质堵住通水阀或连接管路，当蒸汽冷凝后会使水位计所显示的数值就不准确，产生了虚假水位；如果通水阀或水位计连接管路漏水，水位计下部压力降低，水位下降；如果通气阀或者水位计连接管路泥垢、水垢堵塞，水位计上部蒸汽也会不断凝结，导致水位上升；如果通气阀或其连接管路漏汽，水位计上部会由于压力降低而引起水位上升，水位计应经常冲洗，一般每四个小时一次。 通过冲洗水位计辨别锅炉内水位的情况是否正常。如果叫水时，水位计有读数，但是数值显示低于正常水位，则属于“轻微缺水”；如果叫水时，水位计没有数值显示，说明锅炉水位很低，锅炉在运行就很危险，这种情况就属于“严重缺水”。“轻微缺水”可以马上查明原因，排除故障，迅速使水位回到安全范围内。控制水位的电极棒污染经常会导致“轻微缺水”。如果锅炉已经出现了“严重缺水”的现象，应该立即停炉，禁止再补水，否则容易引起事故。水位低到什么程度很难判断，如果强加补水会因温度差过大使得热应力大大加强，损坏锅炉。如果锅筒或者炉胆被烧红，水会迅速蒸发，体积剧增，炉内压力突然升高，会造成汽包破裂或水冷壁爆管，严重时会引起锅炉爆炸事故。 二、锅炉汽水系统数学模型的建立 （一）锅炉结构 图2-1 D型水管锅炉结构图 由于锅炉外形和字母“D”很相似，这类的锅炉通常被叫做D型锅炉，其技术含量、性价比都比较高，而且其结构安排也比较人性化，所以这种锅炉发展迅猛，它能过到达各种蒸发量的要求。因此，其运用较广，在蒸汽船舶中，它能够当作主锅炉，在其他大型船舶中，也可以当作辅锅炉。其基本结构如图1所示。 D型锅炉主要是由汽包、水筒、联箱、水冷壁、蒸发管束、炉膛及燃烧器等组成，下面通过汽包、联箱和水筒、燃烧和烟气空间进行一一介绍。 1.汽包 在水管锅炉中，汽包可以储存一定的水量，水位减低时，汽包及时向锅炉补给水，一定程度上减轻了给水调节的负担，调节更有效、迅速。而且，由于水的比热容大，锅炉可以通过汽包内水的吸收或释放热能，实现输入和输出热量平衡，改善了燃烧调节。 2.联箱和水筒 联箱其实就是一个容器，为了较少热偏差，水冷壁管中的水先在联箱集合完后再流入下一集管路，形成了正常的循环。水筒具有储水能力，可以用它来联接水循环，是水管锅炉的重要组成部分。虽然它们都不是受热面，但是可以在排污方面起着很重要的作用。 3.燃烧和烟气空间 炉膛作为燃油燃烧的场所，烟气在里面的理论温度可达1700度左右。烟气从下部离开炉膛，然后通过隔板分隔的流道扫过蒸发管束。炉墙是炉膛和高温烟道处的锅炉外壳。它是由耐火层、隔热层和气密层叠加而成，要求有耐高温、抗侵蚀、隔热效果好的性能。 （二）锅炉液位控制系统原理概述 锅炉水位对锅炉工作影响很大，必须维持水位处于正常标准值。如果水位过低，尤其是低于最低危险水位时，很容易引起干烧等严重事故；如果水位过高，锅炉的炉水大量蒸发，蒸汽中带水会溢出的危险。所以，锅炉水位必须通过调节器严格控制，确保锅炉工作良好。 图2-2是锅炉水位控制系统的方框图。如图所示，被控对象是锅炉，其输出为被控参数水位。扰动是指锅炉给水时，压力发生了改变从而导致了锅炉内外不稳定；测量变送器是指压差变送器，它可以对水位进行测量，然后将所测的结果转变成电信号传送给调节器；调节器在反馈系统中是最重要的组成单元，一般有电动、气动等形式，还有还有一种调节器作用规律是通过软件编程实现的，这种调节器称为数字PID调节器。调节器是把锅炉水位进行测量，得到一个值，再与锅炉原先设定的值对比，得到一个偏差值，通过分析偏差值正负大小判断水位高低，再通过某种控制规律，一般指PID控制（比例，比例积分，比例微分，比例微分积分作用规律等）产生对应的电信号，当调节阀接受信号后，会根据实际情况发生动作，从而实现调节的目的；调节阀属于执行机构，它可以所接受的控制信号转换为机械位移。该系统中，锅炉的给水量是调节阀的作用对象，它的动作取决于调节器发出的信号，就好比调节器是人的大脑，调节阀是人的手，手接受大脑的信号发生动作。阀门发生怎样的动作取决于其特性，它与接受的信号可以是正相关也可以是一种曲线或者函数关系。在船舶机舱中，如果调节阀用的是电动调节器，就应该安装有电-气转换器，否则无法工作，不过大多数的调节阀都以气动薄膜调节阀为主。在气动调节器中，有气开式和气关式之分，如果输入的控制信号增大时，调节阀的开度也增大，这种调节阀称为气开式调节阀；相反，如果输入的控制信号增大时，调节阀的开度反而减小，这种调节阀称为气关式调节阀。控制系统采用哪种调节阀要根据实际情况及调节阀的作用形式来决定。 图2-2锅炉水位控制系统方块图 （三）锅炉液位特性分析 1.液位对象机理模型推导 锅炉具有非线性、多变性的特点，作为这样一个控制对象，建立其数学模型和物理模型非常困难。但是，在人们不懈的努力和一次次的实际后，就如何控制锅炉水位这方面的技术越来越成熟，在锅炉水位数学模型的创建中有很重要的指导性意义。 给水流量、燃料供给和蒸汽流量是会对锅炉汽包水位产生很大的的影响。锅炉的液位的多少和储水量密切相关，因为在炉水中存有很多蒸汽，这些蒸汽的气泡数量和汽泡大小会很大程度上影响水位。在锅炉中，汽泡数量越多，导致汽泡占用的体积越大，锅炉液位就会越高。锅炉的负荷强度和给水量对于蒸汽的汽泡有很大关系，不一样的影响创建的动态特性分析也不一样。 2.静态特性分析 对于一台已经设计好的锅炉汽包，它的容量是固定的，锅炉的给水量和蒸汽量都保持不变。在汽包和蒸发管道中，水、蒸汽的储存量是通过汽包水位H来表示的。把汽包的蒸汽量作为其流出量，汽包的流入量作为给水量，如果输入的量刚好与输出的量一样，锅炉液位不会发生变化。如果输出量和输入量存在偏差，那么根据质量守恒定律，锅炉液位就必定将有下降或者上升的趋势。 系统在输出与输入二者存在一种静态关系，这个关系式可以表示为： H = f (W, D) （2-1） H表示汽包； W表示给水流量； D表示蒸汽流量； 稳态时,系统的输出量和输入量二者保持平衡, 因此汽水的容积没有发生变化,那么锅炉液位也就维持恒定，此时∆H=0。 3.给水流量作用下的动态特性 在锅炉中，输入量是给水量,要是蒸汽的负荷未改变,当给水量改变,此时，锅炉水位方程可能够这样表示： （2-2） 那么可以得出锅炉液位在给水流量作用下的函数关系式： (2-3) 的数值一般很小，可以忽略不计在给水流量加大的很长一段时间内，锅炉液位无法得到增加，在某段时间内，它会有一定的起始惯性。下式可以近似的表示： (2-4) 图2-3给水流量扰动下汽包水位的反应曲线 如图2-3所示，在给水流量的阶跃输入作用下，蒸汽流量保持恒定，如果增加给水量，这时蒸汽量小于给水量，温度比较低的水进入水环系统使得原来的饱和蒸汽被回收一定的热量，导致了汽水管路中热量损失。对汽包进行补水时，应当先补给蒸汽管路中由于蒸汽减少时所让出的空间，此时给水量突然的增加，并不会马上导致水位的变化，此时水位基本上保持不变。当液面下汽包体积逐渐稳定，不在发生改变，此时，锅炉液位就会伴随储水量的增加而升高。 4.蒸汽流量扰动下的动态特性 在给水量不变时,当负荷蒸汽量发生阶跃变化时,蒸汽流量的扰动特性可以用下式表示： (2-5) 图2-4蒸汽流量扰动下汽包水位的反应曲线 如图2-4所示，蒸汽流量扰动下的锅炉液位特性曲线h可以分作h1和h2，在图中h只是单纯从给水量和蒸汽量不平衡，导致锅炉液位水位发生改变这方面考虑，图中的h2在蒸汽流量的扰动下，从而使得锅炉汽压发生了变化，导致了“虚假水位”的产生。对于大多数调节对象来说，系统的物料或者能量的不平衡是导致平衡遭受破坏的两大因素。假设供热量能够及时跟上蒸汽负荷的变化，如上图所示，当蒸汽负荷突然加大△D时，如果只从物料不平衡方面考虑，此时给水量比蒸发量小，从锅炉储水量来说，锅炉液位理论上要降低，正如图中h1直线成下降状。由于锅炉液位降低有个滞后时间，所以在蒸发量与给水量不平衡的初始阶段，汽包的实际液位不是h1，，而是曲线h1。而当蒸汽负荷突然加大时，扰动作用下的初始瞬间液位并不会因为蒸发量大于给水量而降低，相反会迅速升高，我们将这种现象叫做“虚假水位 ”现象。 三、锅炉水位控制系统的研究 （一）汽包水位单冲量控制系统 如果只是通过锅炉的液位来控制给水阀，这样的系统叫做单冲量水位控制系统。它将锅炉液位作为唯一的测量标准，产生一种信号，即测量后的信号经过变送器传送水位调节器，调节器再根据锅炉液位的测量值与设定值的偏差值，进行内部分析，然后对给水调节阀的开度进行控制，控制给水量的大小以始终维持锅炉液位在合适的范围内。 图3-1 汽包水位单冲量控制系统方框图 单冲量水位控制系统主要是由变送器、调节阀、汽包、调节阀等构成。 单冲量水位控制系统的优点有：结构简单，运行可靠，对汽包容量要求比较大，而且汽包水位在受到扰动后，反应速度也比较慢。所以，这种控制系统适用于飞升速度较小，负荷变化不大，水容量大且控制质量要求比较低的小容量系统。对于“虚假水位”现象比较严重的锅炉，不适宜采用单冲量水位控制系统。 （二）汽包水位双冲量控制系统 所谓的汽包水位双冲量控制系统是指将锅炉液位测量后的信号作为主控制信号，并且将蒸汽流量当作前馈信号，共同组成锅炉的控制系统。其组成方框图如图3-2所示。 汽包水位双冲量的控制系统的优点：由于前馈信号的引进较大的减轻“虚假水位”的现象，因为当蒸汽负荷改变时，系统就会输入补偿信号，这个信号和蒸汽量变化同向，这样便能够减少或者抵消系统的错误动作。因此，液位的晃动减小，控制过程时间较短，有效的改善了系统的静态特性，控制质量也能到了明显的提升。对于这样的汽包水位双冲量控制系统，当给水量变化不是很频繁，变化量不是很大的系统中，就算是蒸汽负荷变化比较大，仍然可以有比较好的控制效果。 图3-2汽包水位双冲量控制系统 （三）汽包水位三冲量控制系统 在锅炉水位三冲量系统中，蒸汽流量属于前馈控制，它能够根据蒸汽负荷的大小调节给水阀。要是蒸汽负荷改变时，给水调节阀就会根据蒸汽流量所给的信号往正确方向移动。此时，增大了给水调节阀的开度，“虚假水位”现象导致的反向动作被消除，液位和给水流量的波动也会大大减低了。要是因为水压的干扰造成了给水流量的变化，调节器将迅速动作使得干扰被消除。如给水流量的减少会产生一个信号，促发调节器增大给水阀门的开度，达到动平衡，保持水位稳定。而且，调节器动作完后，给水流量的信号还会反馈系统，使得调节器能够及时调节，达到了有效及时的效果。因此，在锅炉水位三冲量控制系统中，调节器动作迅速，调节合理，真正减少了水位的波动和失控，正因如此，锅炉液位能够保持稳定。 图3-3汽包水位三冲量控制系统 如图3-3所示，汽包水位三冲量控制系统存在两个闭合回路。内回路与汽包水位构成了主回路，而在闭合回路外设有蒸汽变送器和蒸汽流量，二者的引进控制质量得以有效的提升，并且不会对闭合回路造成干扰。因此，汽包水位实际上是在前馈基础上再加进反馈的控制系统。对比汽包水位单冲量系统和汽包水位双冲量系统，其控制效果最佳，具有准确、迅速、稳定的特点，是一种有效解决“虚假水位”的系统。当然，该系统也存在不足之处，因为系统成本很高，而且系统过于复杂，不好对各个参数整定。 （四）汽包水位三冲量串级控制系统 图3-4汽包水位三冲量串级控制系统 如图3-4所示，其实汽包水位三冲量串级控制系统就是在三冲量控制系统中多加了一个调节器，这个调节器作为整个系统的主调节器，它的工作原理是比例积分调节，而原来系统中的调节器作为副调节器，它的工作原理是比例积分微分调节。主调节器是在前馈环节之前，其输入信号不再复杂，只传递液位偏差信号，相比于上一个系统，有效的解决了控制失衡弊端，使信号更加稳定，系统就不易出现混乱现象。而且，调节器分开运行，可以对其PID参数分别设置，调节器稳定运行，有效的提高了对锅炉水位的控制。 四、总 结 本文在阅读大量资料下，结合所学知识，详细介绍了船用锅炉结构，创建了船舶锅炉汽水系统的数学模型并分析了水位对象的基本特性，指出了各种锅炉水位控制系统的原理及特点。文章围绕锅炉水位自动调节原理分析展开描述，对锅炉水位自动控制起到了引导性作用。 参考文献 [1]丛日起. 船用锅炉液位控制系统的研究与仿真[D].大连海事大学,2014. 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