工業(yè)蒸汽鍋爐過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(共11頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上工業(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)： 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 班 級： 09計(jì)算機(jī)控制1班 姓 名：陳文濤 高健 于野 魏玉鋒 指導(dǎo)教師： 邢滿榮 2011 年 6 月 20 日前言當(dāng)前，節(jié)約資源、提高熱能利用率已為各方面所重視及關(guān)心。鍋爐是石油化工、發(fā)電等工業(yè)過程必不可少的重要?jiǎng)恿υO(shè)備，它所產(chǎn)生的高壓蒸汽既可作為驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力源，又可作為精餾、干燥、反應(yīng)、加熱等過程的熱源。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，作為動(dòng)力和熱源的鍋爐，也向著大容量、高參數(shù)、高效率的方向發(fā)展。在我國，工業(yè)鍋爐是能源轉(zhuǎn)換和耗能的主要設(shè)備之一，耗能量約占全國原煤產(chǎn)量的三分之一，鍋爐由于設(shè)計(jì)、制造不合理

2、，尤 其是使用管理不當(dāng)，導(dǎo)致事故的頻率很高。據(jù)日本 20 世紀(jì) 70 年代的調(diào)查披露，日本當(dāng)時(shí)運(yùn) 行的十萬余臺鍋爐，在十年間共發(fā)生事故 355 次，其中由于管理不善而發(fā)生的事故有 243 次，占事故總數(shù)的 708。多年來鍋爐的安全工作一直受到國家勞動(dòng)部門的重視，相繼頒 發(fā)了許多安全和勞動(dòng)保護(hù)工作的法令、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，收到了顯著效果。解決普遍存在的控制系統(tǒng)落后、運(yùn)行效率低、環(huán)境環(huán)境污染嚴(yán)重等問題已是刻不容緩。為此，如何提高工業(yè)鍋爐運(yùn)行效率，降低能源消耗，實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化節(jié)能和環(huán)保的要求已成為亟待解決的問題。1、 工藝流程1.1 鍋爐設(shè)備介紹鍋爐生產(chǎn)過程是一個(gè)多變量多參數(shù)相互耦合的復(fù)雜過程，其汽水，燃燒

3、過程非常復(fù)雜，受多重因素的影響，燃燒系統(tǒng)內(nèi)部一次風(fēng)、二次風(fēng)，輸煤，一次返料，二次返料耦合性很強(qiáng)，燃燒與汽水之間也有極其復(fù)雜的相互作用關(guān)系，同時(shí)過程的非線性，滯后性也導(dǎo)致控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，無法采用有效的預(yù)估補(bǔ)償措施。鍋爐設(shè)備根據(jù)用途、燃料性質(zhì)、壓力高低等有多種類型和稱呼，工藝流程多種多樣，常用的鍋爐設(shè)備的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)是由給水泵、給水控制閥、省煤器、汽包及循環(huán)管等組成，常見鍋爐設(shè)備工藝流程如圖1。燃料與空氣按照一定比例送入鍋爐燃燒室燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽，形成一定氣溫的過熱蒸汽，在匯集到蒸汽母管。過熱蒸汽經(jīng)負(fù)荷設(shè)備控制，供給負(fù)荷設(shè)備用，于此同時(shí)，燃

4、燒過程中產(chǎn)生的煙氣，除將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐給水和空氣預(yù)熱器預(yù)熱空氣，最后經(jīng)引風(fēng)送往煙囪，排入大氣。圖1 常見鍋爐主要設(shè)備工藝流程鍋爐設(shè)備的控制任務(wù)是根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的需要，供應(yīng)一定壓力或溫度的蒸汽，同時(shí)要使鍋爐在安全、經(jīng)濟(jì)的條件下運(yùn)行。按照這些控制要求，鍋爐設(shè)備將有如下主要的控制系統(tǒng)： 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)：主要是保持汽包內(nèi)部的平衡，使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸汽量，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內(nèi)； 鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制：其控制方案要滿足燃燒所產(chǎn)生的熱量，適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要，使燃料與空氣量保持一定的比值，保證燃燒的經(jīng)濟(jì)型和鍋爐的安全運(yùn)行，使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，保持爐膛負(fù)壓在一定范

5、圍內(nèi)。 過熱蒸汽系統(tǒng)控制：主要使過熱器出口溫度保持在允許范圍內(nèi)，并保證管壁溫度不超過工藝允許范圍； 鍋爐水處理過程：主要使鍋爐給水的水性能指標(biāo)達(dá)到工藝要求。1.2 設(shè)計(jì)介紹與構(gòu)想該鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽有兩部分用途：一部分作為汽輪機(jī)的動(dòng)力源，蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)生產(chǎn)線上的其他生產(chǎn)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，使生產(chǎn)順利進(jìn)行；另一部分蒸汽用作熱源，供其他車間生產(chǎn)線提供熱源，如原料加熱車間、脫水車間、烘烤車間等。此外，在天氣嚴(yán)寒的季節(jié)里，該鍋爐生產(chǎn)的蒸汽還要為整個(gè)工廠和企業(yè)的所有辦公室、車間、職工宿舍等提供熱源暖氣，供御寒之用。因此，過路的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，對工廠、企業(yè)的正常運(yùn)行和員工的生活、工作、學(xué)習(xí)等具有重

6、大意義。 A、鍋爐給燃料氣介紹：燃料氣煤來源于工廠的儲灌，由于儲罐的壓力不穩(wěn)，燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量變化也就很頻繁。因此設(shè)計(jì)的燃燒控制系統(tǒng)要能及時(shí)地消除由于燃料氣壓力變化不均等因素所引起的燃料方面的擾動(dòng)，而應(yīng)用所學(xué)知識，采用壓力信號的燃燒控制系統(tǒng)可以有效滿足上述要求。 B、鍋爐給水介紹：該工廠的給水來自于工廠的自備水庫，通過給水泵將水從水庫里抽出，由給水管道，經(jīng)給水閥門沿給水管道進(jìn)入鍋爐的汽包中。由于給水泵是三相電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)水泵運(yùn)行，而工廠一帶的電網(wǎng)電壓、頻率波動(dòng)較大，為了維持汽包水位穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)，需對汽包水位控制系統(tǒng)進(jìn)行精密設(shè)計(jì)，使控制信號驅(qū)動(dòng)給水電磁閥門和給水泵，使二者協(xié)調(diào)工作，維持正常的安全

7、水位。 C、鍋爐減溫水介紹：用作鍋爐過熱蒸汽的減溫水來自于該工廠的某一生產(chǎn)線產(chǎn)生的清潔溫水，約20左右，由于生產(chǎn)線溫水儲備箱中的溫水由減溫水泵抽出，通過減溫水電磁閥門，沿減溫水管道進(jìn)入減溫器，對過熱蒸汽減溫。同樣，由于工廠附近的電壓、頻率擾動(dòng)，對減溫水的流量造成擾動(dòng)，另外，由于蒸汽經(jīng)過過熱器會造成時(shí)間上的延遲，因此要及時(shí)有效的控制蒸汽溫度，必須克服減溫水泵的轉(zhuǎn)速擾動(dòng)和過熱器的時(shí)間延遲。結(jié)合所學(xué)理論知識，經(jīng)過分析，用串級控制系統(tǒng)對蒸汽溫度進(jìn)行控制能滿足要求。 D、本鍋爐控制系統(tǒng)的控制任務(wù)：穩(wěn)定過熱蒸汽的溫度、維持汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)、穩(wěn)定爐膛壓力、維持經(jīng)濟(jì)燃燒。 2、控制方案的選擇2.1鍋爐水

8、位控制系統(tǒng)圖2 鍋爐水位控制系統(tǒng)2.2汽包三沖量水位控制系統(tǒng)原理圖及框圖圖3 三沖量水位控制系統(tǒng)原理圖蒸汽D給水G圖4 汽包三沖量水位控制系統(tǒng)框圖 選用三沖量控制系統(tǒng)的原因：單沖量控制系統(tǒng)是以汽包水位測量信號為唯一的控制信號，該方法結(jié)構(gòu)簡單，但克服不了“虛假水位”的影響;雙沖量控制系統(tǒng)引入蒸汽流量作為前饋信號，減少了由于“虛假水位”帶來的變化影響，但控制作用不能及時(shí)克服給水流量的擾動(dòng)，當(dāng)給水發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，要等到汽包水位信號變化時(shí)才能調(diào)節(jié)執(zhí)行器，滯后時(shí)間較長。因此本設(shè)計(jì)中的鍋爐采用三沖量控制系統(tǒng)，即調(diào)節(jié)系統(tǒng)接受三個(gè)調(diào)節(jié)信號:水位H、蒸汽流量D和給水流量G，三沖量控制是在傳統(tǒng)的PID串級控制上，引入

9、了前饋控制，構(gòu)成串級前饋復(fù)合控制系統(tǒng)。2.3過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)圖5 蒸汽溫度控制系統(tǒng) 2.4蒸汽溫度控制系統(tǒng)原理圖及框圖圖6 蒸汽溫度控制系統(tǒng)原理圖第一過熱器減溫器第二過熱器圖七 蒸汽溫度控制系統(tǒng)框圖過熱蒸汽溫度控制系統(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，因此，可采用如圖7所示的串級控制系統(tǒng)，以減溫器出口溫度為副參數(shù)，可以提高對過熱蒸汽溫度的控制質(zhì)量。2.5鍋爐燃燒過程的控制燃燒系統(tǒng)是一個(gè)燃料量、送風(fēng)量、引風(fēng)量、主蒸汽煙氣含氧量、爐膛負(fù)壓以及燃料的質(zhì)量和空氣含氧量等干擾因素對燃燒系影響，而且存在很強(qiáng)的耦合性?？梢詫㈠?/p>

10、爐燃燒系統(tǒng)視為三輸入三輸出系入量為燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量;輸出量為主蒸汽壓力、煙氣含氧量和爐膛 。1、蒸汽壓力控制系統(tǒng)，依據(jù)蒸汽壓力的變化來控制燃料量; 2、 2、爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)，一般情況下可以根據(jù)爐膛負(fù)壓來控制煙道的翻板或引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到穩(wěn)定爐膛負(fù)壓的要求，這里設(shè)置了一個(gè)前饋（蒸汽壓力控制器的輸出，反映燃料量也即空氣量）與爐膛負(fù)壓反饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)。3、如果燃料控制閥閥后壓力過高，可能會引起脫火的危險(xiǎn)，由過壓控制器P2C通過低選器LS來控制燃料控制閥，以防止脫火；4、如果燃料控制閥閥后壓力過低，可能導(dǎo)致回火的危險(xiǎn)，由PAL系統(tǒng)帶動(dòng)聯(lián)鎖裝置，將燃料控制閥的上游控制閥截?cái)?，切斷發(fā)燃料量

11、的供給。3、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)控制參數(shù)確定3.1.1 主變量的選擇串級控制系統(tǒng)選擇主變量時(shí)要遵循以下原則：在條件許可的情況下，首先應(yīng)盡量選擇能直接反應(yīng)控制目的的參數(shù)為主變量；其次要選擇與控制目的有某種單值對應(yīng)關(guān)系的間接單數(shù)作為主變量；所選的主變量必須有足夠的變化靈敏度。綜合以上原則，在本系統(tǒng)中選擇送入負(fù)荷設(shè)備的出口蒸汽溫度作為主變量。該參數(shù)可直接反應(yīng)控制目的。3.1.2副變量的選擇副回路的設(shè)計(jì)質(zhì)量是保證發(fā)揮串級系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的關(guān)鍵。副變量的選擇應(yīng)遵循以下原則： 應(yīng)使主要干擾和更多的干擾落入副回路； 應(yīng)使主、副對象的時(shí)間常數(shù)匹配； 應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟(jì)型綜合以上原則，選擇減溫器和過

12、熱器之間的蒸汽溫度作為副變量。3.1.3操縱變量的選擇工業(yè)過程的輸入變量有兩類：控制變量和擾動(dòng)變量。其中，干擾時(shí)客觀存在的，它是影響系統(tǒng)平穩(wěn)操作的因素，而操縱變量是克服干擾的影響，使控制系統(tǒng)重新穩(wěn)定運(yùn)行的因素。操縱變量的基本原則為： 選擇對所選定的被控變量影響較大的輸入變量作為操縱變量； 在以上前提下，選擇變化范圍較大的輸入變量作為控制變量，以便易于控制； 在的基礎(chǔ)上選擇對被控變量作用效應(yīng)較快的輸入變量作為控制變量，使控制系統(tǒng)響應(yīng)較快；綜合以上原則，選擇減溫水的輸入量作為操縱變量。3.2 調(diào)節(jié)閥的選擇在本系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是按照控制器所給定的信號大小和方向，改變閥的開度，以實(shí)現(xiàn)調(diào)

13、節(jié)流體流量的裝置。調(diào)節(jié)閥的口徑的大小，直接決定著控制介質(zhì)流過它的能力。為了保證系統(tǒng)有較好的流通能力，需要使控制閥兩端的壓降在整個(gè)管線的總壓降中占有較大的比例。調(diào)節(jié)閥的開、關(guān)形式需要考慮到以下幾種因素： 生產(chǎn)安全角度：當(dāng)氣源供氣中斷，或調(diào)節(jié)閥出故障而無輸出等情況下，應(yīng)該確保生產(chǎn)工藝設(shè)備的安全，不至發(fā)生事故； 保證產(chǎn)品質(zhì)量：當(dāng)發(fā)生控制閥處于無源狀態(tài)而恢復(fù)到初始位置時(shí)，產(chǎn)品的質(zhì)量不應(yīng)降低； 盡可能的降低原料、產(chǎn)品、動(dòng)力損耗； 從介質(zhì)的特點(diǎn)考慮。綜合以上各種因素，在鍋爐過熱蒸汽控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥選擇氣開閥。調(diào)節(jié)閥的流量特性的選擇，在實(shí)際生產(chǎn)中常用的調(diào)節(jié)閥有線性特性、對數(shù)特性和快開特性三種，在本系統(tǒng)中調(diào)

14、節(jié)閥的流量特性選擇線性特性。閥門定位器的選用，閥門定位器是調(diào)節(jié)閥的一種輔助裝置，與調(diào)節(jié)閥配套使用，它接受控制器來的信號作為輸入信號，并以其輸出信號去控制調(diào)節(jié)閥，同時(shí)將調(diào)節(jié)閥的閥桿位移反饋到閥門定位器的輸入端而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)，閥門定位器可以消除閥膜頭和彈簧的不穩(wěn)定以及各運(yùn)動(dòng)部件的干摩擦，從而提高調(diào)節(jié)閥的精度和可靠性，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位；閥門定位器增大了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出功率，減少了系統(tǒng)的傳遞滯后，加快閥桿的移動(dòng)速度；閥門定位器還可以改變調(diào)節(jié)閥的流量特性。 4、 報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)本報(bào)警系統(tǒng)由檢出元件、信號報(bào)警器、音響器、按鈕等組成。主要的控制參數(shù)有汽包水位、蒸汽壓力、蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓等，本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的是

15、具有聲音和閃光的報(bào)警系統(tǒng)。當(dāng)汽包水位、蒸汽壓力、蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓等過程參數(shù)發(fā)生越限時(shí)，檢測元件檢測到這個(gè)信號后，就會發(fā)出信號，并將其送到信號報(bào)警系統(tǒng)，報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出聲音和閃光信號，以便現(xiàn)場操作人員及時(shí)得知后報(bào)警信號，及時(shí)按下消音按鈕，并采取一定的措施之后，使鍋爐過程參數(shù)恢復(fù)到安全范圍之內(nèi)，燈光熄滅.另外還設(shè)置了故障報(bào)警：送風(fēng)機(jī)故障報(bào)警、引風(fēng)機(jī)故障報(bào)警、給水泵故障報(bào)警、循環(huán)泵故障報(bào)警、減溫水泵故障報(bào)警、送燃料機(jī)故障報(bào)警等。聲光報(bào)警裝置由揚(yáng)聲器和指示燈組成。5、 總結(jié)本設(shè)計(jì)是在結(jié)合使所學(xué)的過程控制系統(tǒng)與自動(dòng)化儀表技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，聯(lián)系工廠實(shí)際客觀情況的基礎(chǔ)上，對該工廠的鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行的設(shè)計(jì)。

16、設(shè)計(jì)中把整個(gè)鍋爐控制系統(tǒng)分為三個(gè)子系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)：汽包水位控制系統(tǒng)、蒸汽溫度控制系統(tǒng)和燃燒控制系統(tǒng)。在對鍋爐設(shè)備充分了解的基礎(chǔ)上包括對鍋爐的結(jié)構(gòu)、組成、工作過程以及鍋爐性能參數(shù)等，對各個(gè)子系統(tǒng)被控對象正確確定和合理分析之后，提出了自己的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而確定控制規(guī)律、傳感器、變送器、執(zhí)行器的選擇，最后還對調(diào)節(jié)器進(jìn)行了參數(shù)整定。整體上看，本次設(shè)計(jì)是可以的，在工廠現(xiàn)有條件下，基本上能實(shí)現(xiàn)對鍋爐的自動(dòng)化調(diào)節(jié)控制。本論文的不足之處：本論文所用的控制方案大都是基于比較傳統(tǒng)、常規(guī)的控制控制理論，而許多先進(jìn)的控制理論和方案沒有涉及；關(guān)于設(shè)計(jì)中的參數(shù)整定問題，由于自己操作不熟練、試驗(yàn)設(shè)備的精度、不能到工業(yè)現(xiàn)場調(diào)試等原因，整定的參數(shù)可能會不很準(zhǔn)確；對于變送器、傳感器、執(zhí)行器的選擇，本人對