《工業(yè)蒸汽鍋爐過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告》

1、?工業(yè)蒸汽鍋爐過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?課程設(shè)計(jì)報(bào)告專 業(yè)： 生產(chǎn)過程自動(dòng)化 班 級(jí)： 1 姓 名： 指導(dǎo)教師： 二0一一 年 十二 月 十三 日目 錄第一章 設(shè)計(jì)的意義 3第二章 鍋爐的工藝流程 3第三章 控制方案的選擇 4第四章 儀表的選型12第五章 結(jié) 論 13參考文獻(xiàn) 14附錄 14摘要：本文表達(dá)了工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的工作原理，具體闡述了鍋爐控制中的幾個(gè)重要的控制回路的控制算法，以及變頻器在鍋爐改造中的應(yīng)用，提出了鍋爐控制系統(tǒng)的根本設(shè)計(jì)思路和各個(gè)環(huán)節(jié)控制實(shí)現(xiàn)方法。 關(guān)鍵詞：工業(yè)蒸汽鍋爐 爐膛負(fù)壓 蒸汽壓力 變頻控制 水位三沖量 一、設(shè)計(jì)的意義 鍋爐微機(jī)控制，是近年來開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，它是微型計(jì)算

2、機(jī)軟件、硬件、自動(dòng)控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，我國現(xiàn)有中、小型鍋爐30多萬臺(tái)，每年耗煤量占我國原煤產(chǎn)量的1/3，目前大多數(shù)工業(yè)鍋爐仍處于能耗高、浪費(fèi)大、環(huán)境污染嚴(yán)重的生產(chǎn)狀態(tài)。提高熱效率，降低耗煤量，降低耗電量，用微機(jī)進(jìn)行控制是一件具有深遠(yuǎn)意義的工作。二、鍋爐的工藝流程常見的工業(yè)鍋爐系統(tǒng)如圖1所示。首先除氧水通過給水泵進(jìn)入給水調(diào)節(jié)閥，通過給水調(diào)節(jié)閥進(jìn)入省煤器，冷水在經(jīng)過省煤器的過程中被由爐膛排出的煙氣預(yù)熱，變成溫水進(jìn)入汽包，在汽包內(nèi)加熱至沸騰產(chǎn)生蒸汽，為了保證有最大的蒸發(fā)面因此水位要保持在鍋爐上汽包的中線位置，蒸汽通過主蒸汽閥輸出?？諝饨?jīng)過鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)入空氣預(yù)熱器，在經(jīng)過空氣預(yù)熱器的過

3、程中被由爐膛排出的煙氣預(yù)熱，變成熱空氣進(jìn)入爐膛。煤經(jīng)過煤斗落在爐排上，在爐排的緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)下煤進(jìn)入爐膛被前面的火點(diǎn)燃，在燃燒過程中發(fā)出熱量加熱汽包中的水，同時(shí)產(chǎn)生熱煙氣。在引風(fēng)機(jī)的抽吸作用下經(jīng)過省煤氣和空氣預(yù)熱器，把預(yù)熱傳導(dǎo)給進(jìn)入鍋爐的水和空氣。通過這種方式使鍋爐的熱能得到節(jié)約。降溫后的煙氣經(jīng)過除塵器除塵，去硫等一系列凈化工藝通過煙囪排出。 三、控制方案的選擇 鍋爐控制系統(tǒng)，一般有蒸汽壓力、汽包液位、爐膛負(fù)壓、除氧器水位、除氧器壓力等控制系統(tǒng)。鍋爐的燃燒控制實(shí)質(zhì)上是能量平衡系統(tǒng)，它以蒸汽壓力作為能量平衡指標(biāo)，不斷根據(jù)用汽量與壓力的變化調(diào)整燃料量與送風(fēng)量，同時(shí)保證燃料的充分燃燒及熱量的充分利用。 3

4、.1 鍋爐給水控制回路 給水自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水流量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，以維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。給水自動(dòng)調(diào)節(jié)的另一個(gè)任務(wù)是保持給水穩(wěn)定。在整個(gè)控制回路中要全面考慮這兩方面的任務(wù)。在控制回路中被調(diào)參數(shù)是汽包水位H，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是給水調(diào)解閥，調(diào)節(jié)量是給水流量W。 對(duì)汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)的因素有蒸發(fā)量D、爐膛熱負(fù)荷燃料量M，給水量W。 蒸發(fā)量D擾動(dòng)作用下水位對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 當(dāng)給水流量不變，蒸發(fā)量突然增加D時(shí)，如果只從物質(zhì)不平衡角度來看，那么反映曲線如圖2(a)中的H1(t)所示，但由于蒸發(fā)量增加時(shí)，汽包容積增加，水位將上升，水位的反映曲線如圖2(a)中的H2(t) 所示。H1(t)和H2(t)

5、相結(jié)合，實(shí)際的水位階躍反響曲線如圖2(a)中的H(t)所示。 爐膛負(fù)荷擾動(dòng)燃料量M擾動(dòng)時(shí)水位對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 燃料量增加M時(shí)，蒸發(fā)量大于給水量，水位下降。但開始是由于有虛假水位存在，水位線上升，然后再下降。如圖2(b)中所示。 給水流量W擾動(dòng)時(shí)的水位對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 當(dāng)蒸發(fā)量不變，而給水量階躍擾動(dòng)時(shí)。汽包水位如圖2(c)所示。在開始階段。由于剛進(jìn)入得水水溫較低。使汽水混合物中的汽泡吞量減少。水位下降，如圖2(c)中的H1(t)所示。而H2(t)反映了物質(zhì)不平衡引起的水位變化，H1(t)和H2(t)相加得到了總的給水量擾動(dòng)的階躍反響曲線H(t)。 由于給水調(diào)節(jié)對(duì)象沒有自平衡能力，又存在滯后。因此在一

6、般鍋爐控制系統(tǒng)中汽包液位回路采用閉環(huán)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。所謂三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)就是把給水流量W，汽包水位H，蒸汽流量D三個(gè)變量通過運(yùn)算后調(diào)節(jié)給水閥的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。具體調(diào)節(jié)過程方框圖如圖3所示。 先通過蒸汽流量變送器和給水流量變送器取得各自的信號(hào)乘以相應(yīng)的比例系數(shù)，通過比例系數(shù)可以調(diào)節(jié)蒸汽流量或給水流量對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響力度。通過差壓變送器取得水位信號(hào)作為主調(diào)節(jié)信號(hào)H。如果水位設(shè)定值為G，那么在平衡條件下應(yīng)有D*Dk-W*Wk+H-G=0的關(guān)系式存在。其中Dk為蒸汽流量系數(shù) Wk為給水流量系數(shù)。如果再設(shè)定時(shí)，保證在穩(wěn)態(tài)下D*Dk=W*Wk那么就可以得到H=G。此時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出就與符合對(duì)應(yīng)，給水閥停在某一位置上

7、。假設(shè)有一個(gè)或多個(gè)信號(hào)發(fā)生變化，平衡狀態(tài)被破壞，PI調(diào)節(jié)模塊的輸出必將發(fā)生變化。當(dāng)水位升高了，那么調(diào)節(jié)模塊的輸出信號(hào)就減小，使得給水調(diào)節(jié)閥關(guān)小。反之，當(dāng)水位降低時(shí)，調(diào)節(jié)模塊的輸出值增大，使給水閥開大。實(shí)踐證明三沖量給水單極自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)能保持水位穩(wěn)定，且給水調(diào)節(jié)閥動(dòng)作平穩(wěn)。 3.2 鍋爐燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng) 燃燒過程自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的選擇雖然與燃燒的種類和供應(yīng)系統(tǒng)、燃燒方式以及鍋爐與負(fù)荷的聯(lián)結(jié)方式都有關(guān)系，但是燃燒過程自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)都是一樣的。歸納起來，燃燒過程自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)有三大任務(wù)： 維持汽壓恒定。汽壓的變化表示鍋爐蒸汽量和負(fù)荷的耗汽量不相適應(yīng)，必須相應(yīng)地改變?nèi)剂狭?，以改變鍋爐的蒸汽量。 保證燃燒過程的經(jīng)

8、濟(jì)性。當(dāng)燃料量改變時(shí)，必須相應(yīng)地調(diào)節(jié)送風(fēng)量，使它與燃料量相配合，保證燃燒過程有較高的經(jīng)濟(jì)性。 調(diào)節(jié)引風(fēng)量與送風(fēng)量相配合，以保證爐膛壓力不變。 燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般有三個(gè)被調(diào)參數(shù)，汽壓p、煙氣含氧量a和爐膛負(fù)壓pt。一般有3個(gè)調(diào)節(jié)量，他們是燃料量M，送風(fēng)量F和引風(fēng)量Y。燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對(duì)象對(duì)于燃料量，根據(jù)燃料種類的不同可能是爐排電機(jī)，也可能是燃料閥。對(duì)于送風(fēng)量和引風(fēng)量一般是擋板執(zhí)行機(jī)構(gòu)或變頻器。 燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)多參數(shù)變量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)通常把它簡化成互相聯(lián)系，密切配合但又相對(duì)獨(dú)立的3個(gè)單變量系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。為便于分析，下面我們按3個(gè)系統(tǒng)來分別分析。這三個(gè)系統(tǒng)分別是以燃料量維持鍋爐壓力恒定的蒸

9、汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以送風(fēng)量維持鍋爐經(jīng)濟(jì)燃燒的送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以引風(fēng)量維持爐膛負(fù)壓穩(wěn)定的爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 蒸汽壓力調(diào)節(jié)對(duì)象的特性 引起蒸汽壓力變化的主要原因是燃料量和用汽負(fù)荷發(fā)生變化。其動(dòng)態(tài)特性如下。 燃料量擾動(dòng)下的汽壓變化特性 在用汽負(fù)荷不變的情況下，如鍋爐燃料量(B)發(fā)生B的階躍擾動(dòng)，此時(shí)汽壓的飛升曲線如圖4(a)所示。此時(shí)對(duì)象沒有自平衡能力，具有較大的遲滯和慣性。但如果鍋爐出口的用汽閥門開度不變，那么由于汽壓因燃料量擾動(dòng)而發(fā)生變化時(shí)，蒸汽流量也將發(fā)生變化。由于汽壓變化時(shí)，蒸汽流量增大自發(fā)地限制了汽壓的變化，因此對(duì)象有平衡能力。此時(shí)汽壓的飛升曲線如圖4(b)所示。 用汽負(fù)荷擾動(dòng)下的汽壓變化特性

10、 負(fù)荷階躍擾動(dòng)下，汽壓變化的動(dòng)態(tài)特性也有以下兩種情況：當(dāng)用汽閥門階躍擾動(dòng)時(shí)，對(duì)象表現(xiàn)出具有自平衡能力，沒有延遲，但有較大的慣性，并有一個(gè)與閥門變化成比例的啟始飛躍，飛升曲線如圖4(c)所示；當(dāng)用汽量階躍擾動(dòng)時(shí)，其飛升曲線如圖4(d)所示，此時(shí)對(duì)象沒有自平衡能力，如果不及時(shí)增加進(jìn)入鍋爐的燃料量，那么，汽壓將一直下降。 送風(fēng)自動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)象的特性 送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作好壞，直接影響爐膛的空氣過剩系數(shù)的變化也就是排出煙氣的含氧量。引起空氣過剩系數(shù)變化的主要擾動(dòng)是燃料量和送風(fēng)量配比。風(fēng)量擾動(dòng)下對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性具有較大的自平衡能力，幾乎沒有延遲和慣性，近似為一比例環(huán)節(jié)。而燃料量擾動(dòng)時(shí)，需經(jīng)過輸送和燃燒過程而略有

11、延遲。由于送風(fēng)系統(tǒng)幾乎沒有延遲和慣性。所以在燃料充足的情況下送風(fēng)量的大小將比擬直接的反響在鍋爐的蒸汽壓力上。那么怎樣才能保證股風(fēng)量和燃料量的搭配適宜，這里我們引入了風(fēng)煤比這個(gè)概念。風(fēng)煤比就是在當(dāng)前風(fēng)量下所能燃燒的煤的最大值。在控制作用中風(fēng)煤比主要是根據(jù)當(dāng)前風(fēng)量來限制爐排的轉(zhuǎn)速，防止由于風(fēng)量不夠?qū)е旅翰荒艹浞秩紵Ｔ搮?shù)對(duì)節(jié)煤和環(huán)保都有很大意義。因?yàn)槿绻荒艹浞秩紵龑?huì)導(dǎo)致煤渣的含炭量增高，這樣比擬浪費(fèi)煤，同時(shí)還會(huì)造成煙氣含炭量增高影響排放。 蒸汽過熱控制蒸汽過熱系統(tǒng)的控制蒸汽過熱系統(tǒng)那么是鍋爐系統(tǒng)安壘正常運(yùn)行，確保蒸汽品質(zhì)的重要局部。本設(shè)計(jì)主要考慮的局部是鍋爐過熱蒸汽系統(tǒng)的控制。蒸汽過熱系統(tǒng)包

12、括一級(jí)過熱器、減溫器、二級(jí)過熱器?？刂迫蝿?wù)是使過熱器出口溫度維持在允許范圍內(nèi)，并保護(hù)過熱器時(shí)管壁溫度不超過允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度過高或過低，對(duì)鍋爐運(yùn)行及蒸汽用戶設(shè)備都是不利的，過熱蒸汽溫度過高，過熱器容易損壞，汽輪機(jī)也因內(nèi)部過度的熱膨脹而嚴(yán)重影響平安運(yùn)行；過熱溫度過低，一方面使設(shè)備的效率降低，同時(shí)使汽輪機(jī)后幾級(jí)的蒸汽濕度增加，引起葉片磨損，所以必須把過熱器出口蒸汽的溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)。鍋爐過熱蒸汽系統(tǒng)主要由一級(jí)過熱器、減溫器和二級(jí)過熱器組成， 在鍋爐生產(chǎn)過程中，過熱蒸汽溫度是整個(gè)汽水通道中最高的溫度。過熱器溫度過高將導(dǎo)至過熱器損壞，同時(shí)還會(huì)危及汽輪機(jī)的平安運(yùn)行。過熱器溫度過低那么將使設(shè)

13、備效率降低，影響經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。影響過熱蒸汽溫度的因素很多，其中主要的有：過熱器是一個(gè)多容且延遲較大的慣性環(huán)節(jié)，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制要求存在假設(shè)矛盾，各種擾動(dòng)因素之聞相互影響，如蒸汽量、燃燒工況、鍋爐給水溫度、進(jìn)入過熱蒸汽的熱焓，流經(jīng)過熱器的煙氣溫度及流速的變化等。而對(duì)各種不同的擾動(dòng)，過熱蒸汽溫度的動(dòng)態(tài)特性也各不相同。因此，過熱蒸汽溫度控制的主要任務(wù)就是：(1) 克服各種干擾因素，將過熱器出口蒸汽溫度維持在規(guī)定允許的范圍內(nèi)，從而保持(2) 保護(hù)過熱器管壁溫度不超過允許的工作溫度。本設(shè)計(jì)主要以控制減溫水流量的變化來闡述對(duì)過熱蒸汽溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)?？刂圃砗喗殡S著控制理論的開展，越來越多的智能控制技術(shù)，如自

14、適應(yīng)控制、模型預(yù)測(cè)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，被引入到鍋爐過熱蒸汽溫度控制中。但這些控制技術(shù)主要是為了改善和提高控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)，并沒有從引起過熱蒸汽溫度波動(dòng)的源頭入手。通常，煙氣溫度過高是引起過熱蒸汽溫度過高的主要原因。一般，過熱蒸汽溫度在煙氣擾動(dòng)下延遲較小，而在減溫水量擾動(dòng)下延遲較大，這種特性將使過熱蒸汽溫度的控制滯后?？刂品桨高x擇單回路控制方案在運(yùn)行過程中。改變減溫水流量，實(shí)際上是改變過熱器出口蒸汽的熱焙，亦改變進(jìn)口蒸汽溫度，如以下圖所示。從動(dòng)態(tài)特性上看，這種調(diào)節(jié)方法是最不理想的，但由于設(shè)備簡單，因此，應(yīng)用得最多。減溫器有外表式和噴水式兩種。減溫器應(yīng)盡可能地安裝在靠近蒸汽出口處，但一定

15、要考慮過熱器材科的平安問題，這樣能夠獲得較好的動(dòng)態(tài)特蛀。但作為控制對(duì)象的過熱器，由于管壁金屬的熱容量比擬大，使之有較大的熱慣性。加上管道較長有一定的傳遞滯后，如果用以下圖所示的控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器接受過熱器出口蒸汽溫度t變化后，調(diào)節(jié)器才開始動(dòng)作，去控制減溫水流量w .w的變化又要經(jīng)過一段時(shí)向才能影響到蒸汽溫度t這樣，既不能及早發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)，又不能及時(shí)反映控制的效果，將使蒸汽溫度t發(fā)生不能允許的動(dòng)態(tài)偏差。影響鍋爐生產(chǎn)的平安和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。圖2-1 改變減溫水量控制蒸汽溫度系統(tǒng)實(shí)際中過熱蒸汽控制系統(tǒng)常采用減溫水流量作為操縱變量，但由于控制通道的時(shí)間常數(shù)及純滯后均較大，組成單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)的要求。

16、因此常采用串級(jí)控制系統(tǒng)，減溫器出口溫度為副參數(shù)，以提高對(duì)過熱蒸汽溫度的控制質(zhì)量。串級(jí)控制方案過熱器出口蒸汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖如以下圖所示。采用兩級(jí)調(diào)節(jié)器，這兩級(jí)調(diào)節(jié)器串在一起，各有其特殊任務(wù)，調(diào)節(jié)閥直接受調(diào)節(jié)器1的控制，而調(diào)節(jié)器1的給定值受到調(diào)節(jié)器2的控制，形成了特有的雙閉環(huán)系統(tǒng)，由副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器和減溫器出口溫度形成的閉環(huán)稱為副環(huán)。由主調(diào)節(jié)器和主信號(hào)出口蒸汽溫度，形成的閉環(huán)稱為主環(huán)，可見副環(huán)是串在主環(huán)之中。圖2-2 過熱蒸汽溫度串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖調(diào)節(jié)器2稱主調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器1稱為副調(diào)節(jié)器。將過熱器出口蒸汽溫度調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，不是用來控制調(diào)節(jié)閥而是用來改變調(diào)節(jié)器2的給定值，起著最后校正作用

17、。串級(jí)系統(tǒng)是一個(gè)雙回路系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是把兩個(gè)調(diào)節(jié)器串接起來，通過它們的協(xié)調(diào)工作，使一個(gè)被控量準(zhǔn)確地保持為給定值。通常串級(jí)系統(tǒng)副環(huán)的對(duì)象慣性小，工作頻率高，而主環(huán)慣性大，工作頻率低。為了提高系統(tǒng)的控制性能，希望主副環(huán)的工作頻率相差三倍以上，以免頻率相近時(shí)發(fā)生共振現(xiàn)象面破壞正常工作。串級(jí)控制系統(tǒng)可以看作一個(gè)閉合的副回路代替了原來的一局部對(duì)象，起了改善對(duì)象特征的作用。除了克服落在副環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)外，還提高了系統(tǒng)的工作頻率，加快過渡過程串級(jí)控制由于副環(huán)的存在，改善了對(duì)象的特性，使等效副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)減小，系統(tǒng)的工作頻率提高。同時(shí)，由于串級(jí)系統(tǒng)具有主、副兩只控制器，使控制器的總放大倍數(shù)增大，系統(tǒng)的抗干擾能力增

18、強(qiáng)，因此，一般來說串級(jí)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量要比單回路控制系統(tǒng)高。在爐溫過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中，為了獲得更好的控制精度，所以采用串級(jí)控制系統(tǒng)以得到良好的控制特性。四、儀表的選擇1口徑大小的選擇；2開、閉形式的選擇；3流量特性的選擇；4結(jié)構(gòu)形式的選擇?？趶酱笮〉倪x擇尤為重要，根據(jù)控制閥流量C值的計(jì)算來確定閥座通徑。42電氣閥門定位器電氣閥門定位器又稱：氣動(dòng)閥門定位器式調(diào)節(jié)閥的主要器件，通常與氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥配套使用，他接受調(diào)解器的輸出信號(hào)，然后以它的輸出信號(hào)去控制氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，當(dāng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作后，閥桿的位移又通過機(jī)械裝置反響到閥門定位器，閥位狀況通過電信號(hào)傳給上位系統(tǒng)。電氣閥門定位器的工作原理：電氣閥門定位器是控制閥的主要附件。它將閥桿位移信號(hào)作為輸入的反響測(cè)量信號(hào)，以控制器輸出信號(hào)作為設(shè)定信號(hào)進(jìn)行比擬，當(dāng)兩者有偏差時(shí)，改變其到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號(hào)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，建立了閥桿位移倍于控制器輸出信號(hào)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，閥門定位器組成以閥桿位移為測(cè)量信號(hào)，以控制器輸出為設(shè)定信號(hào)的反響控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的操縱變量是閥門定位器去執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號(hào)。此壓力表安裝在現(xiàn)場，在該控制系統(tǒng)那么用來顯示控制系統(tǒng)服輸管道流量的儀表。一般選用模擬儀表就可以滿足要求。閥前壓力和壓力儀表量程的選擇條件：最小不應(yīng)小于量程的1|3；在壓力波動(dòng)較大時(shí)，最大不應(yīng)超過量程的2|3；在壓力較為穩(wěn)定的情況下，最大