過程控制課程設(shè)計（論文）鍋爐給水控制系統(tǒng)設(shè)計

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)過程控制課程設(shè)計論文題 目：鍋爐給水控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名：學(xué) 號：專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器班 級：2021-1指導(dǎo)教師： 2011年9月6日目錄前言2第一章 鍋爐的工藝流程3鍋爐的組成3鍋爐的工作過程31.3 鍋爐的分類4第二章 鍋爐控制系統(tǒng)的整體設(shè)計思路62.1 汽包水位的控制62.2 蒸汽溫度的控制62.3 鍋爐燃燒的控制6第三章 鍋爐給水控制系統(tǒng)設(shè)計73.1 鍋爐水位動態(tài)特性73.2 單沖量控制系統(tǒng)7雙沖量控制系統(tǒng)83.4 三沖量控制系統(tǒng)103.4.1 鍋爐給水控制系統(tǒng)11前饋控制系統(tǒng)12第四章 設(shè)計心得15參考文獻16前言電力是以電能作為動力的能源。創(chuàng)造于19世紀70 年代

2、，電力的創(chuàng)造和應(yīng)用掀起了第二次工業(yè)化高潮。成為人類歷史18世紀以來，世界發(fā)生的三次科技革命之一，從此科技改變了人們的生活。20世紀出現(xiàn)的大規(guī)模電力系統(tǒng)是人類工程科學(xué)史上最重要的成就之一，是由發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成的電力生產(chǎn)與消費系統(tǒng)。它將自然界的一次能源通過發(fā)電動力裝置轉(zhuǎn)化成電力，再經(jīng)輸電、變電和配電將電力供給到各用戶。火力發(fā)電是利用燃燒燃料(煤、石油及其制品、天然氣等)所得到的熱能發(fā)電?；鹆Πl(fā)電的發(fā)電機組有兩種主要形式：利用鍋爐產(chǎn)生高溫高壓蒸汽沖動汽輪機旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機發(fā)電，稱為汽輪發(fā)電機組；燃料進入燃氣輪機將熱能直接轉(zhuǎn)換為機械能驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，稱為燃氣輪機發(fā)電機組?；鹆Πl(fā)電廠

3、通常是指以汽輪發(fā)電機組為主的發(fā)電廠。鍋爐是石油化工、發(fā)電等工業(yè)過程中必不可少的重要動力設(shè)備。它所產(chǎn)生的高壓蒸汽既可作為驅(qū)動透平的動力源，又可作為精餾、枯燥、反響、加熱等過程的熱源。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，作為動力和熱源的鍋爐也向著大容量、高參數(shù)、高效率方向開展。第一章 鍋爐的工藝流程鍋爐設(shè)備包括鍋爐本體設(shè)備和鍋爐輔助設(shè)備。鍋爐本體設(shè)備主要由燃燒設(shè)備、蒸發(fā)設(shè)備、對流受熱面、鍋爐墻體構(gòu)成的煙道和鋼架構(gòu)建等組成。鍋爐的燃燒設(shè)備包括燃燒室、燃燒器和點火裝置。蒸發(fā)設(shè)備主要由汽包、下降管和水冷壁等組成。對流受熱面是指布置在鍋爐對流煙道內(nèi)的過熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器。鍋爐的輔助設(shè)備主要包括通風設(shè)備、給水

4、設(shè)備、燃料運輸設(shè)備、制粉設(shè)備、除塵設(shè)備、除灰設(shè)備、鍋爐輔機等，如給水泵、送風機、引風機、磨煤機、除塵器、煙囪、灰渣泵、平安閥、水位計等。如圖1.1 所示。圖1.1 鍋爐的組成煤斗中的煤通過給煤機送至磨煤機，在磨煤機中對煤進行枯燥利用空氣預(yù)熱器引來的熱空氣進行枯燥和磨碎。磨成的煤粉進入粗粉別離器，經(jīng)別離后，合格的煤粉進入煤粉倉或排粉機，然后由給粉機或排粉機將煤粉送往爐膛燃燒。不合格的煤粉經(jīng)回粉管送回磨煤機再重新磨制?？諝庥蛇M風道引入送風機，經(jīng)送風機升壓后送入空氣預(yù)熱器，被加熱成熱空氣，然后通過熱風道將其中一局部送至磨煤機，進入制粉系統(tǒng)用以枯燥和輸送煤粉，另一局部熱空氣直接送至燃燒器。煤粉與空氣通

5、過燃燒器進入燃燒室，進行燃燒放熱，燃燒產(chǎn)生的高溫火焰和煙氣在燃燒室加熱水冷壁中的水，然后高溫煙氣依次流過過熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器，加熱這些受熱面內(nèi)的工質(zhì)汽、水和空氣，在傳熱過程中煙氣的溫度逐漸降低。此后利用除塵器去除煙氣中攜帶的大量飛灰，最后由引風機將煙氣送往煙囪，排入大氣。燃料燃燒后生成的灰渣，一局部落入燃燒室下部的灰渣斗中；另一局部被煙氣帶走，在除塵器中大局部飛灰被別離出來，落入除塵器下部的灰斗中，然后由除塵裝置將灰渣和細灰送往儲灰場。給水由給水泵送至鍋爐房，先進入省煤器，在省煤器中加熱提高溫度后進入汽包，然后沿著下降管流至水冷壁下聯(lián)箱，再進入水冷壁管。在水冷壁管內(nèi)水吸收燃燒室中高溫火焰

6、和煙氣的輻射熱，一局部水汽化為蒸汽，在水冷壁內(nèi)成為蒸汽和水的混合物，汽水混合物沿水冷壁上升又進入汽包。在汽包中利用汽水別離設(shè)備對汽水混合物進行汽水別離，別離出來的水沿著下降管進入水冷壁繼續(xù)吸熱，如此循環(huán)。別離出來的蒸汽從汽包頂部的飽和蒸汽引出管引致過熱器，在過熱器中飽和蒸汽被加熱成為過熱蒸汽，然后經(jīng)主蒸汽管道送往汽輪機做功。1.3 鍋爐的分類按蒸發(fā)量的大小，鍋爐有小型、中型、大型之分，但它們之間沒有固定的分界。一般來講420t/h以下的鍋爐為小型鍋爐，420t/h以上至1000t/h以下為中型鍋爐，1000t/h以上為大型鍋爐。按照蒸汽壓力的上下，鍋爐可以分為低壓、中壓、高壓、超高壓、亞臨界壓

7、力、超臨界壓力和超超臨界壓力鍋爐。按照燃料的燃燒方式鍋爐一般分層燃爐、室燃爐和循環(huán)流化床鍋爐。按照水的循環(huán)方式分為自然循環(huán)鍋爐、強制循環(huán)鍋爐和直流鍋爐。第二章 鍋爐控制的整體設(shè)計思路2.1 汽包水位的控制汽包水位是鍋爐運行的重要指標，保持水位在一定范圍內(nèi)是保證鍋爐平安運行的首要條件。首先，水位過高會影響汽包內(nèi)的汽水別離，飽和水蒸氣將會帶水過多，導(dǎo)致過熱器管壁結(jié)垢并損壞，使過熱蒸汽的溫度嚴重下降。如以此過熱蒸汽被用戶用來帶動汽輪機，那么將因蒸汽帶液損壞汽輪機的葉片，造成運行的平安事故。然而水位過低，那么因汽包內(nèi)的水量較少，而負荷很大，加快水的汽化速度，使汽包內(nèi)的水量變化速度很快，假設(shè)不及時加以控

8、制，將有可能使汽包內(nèi)的水全部汽化，尤其對大型鍋爐，水在汽包內(nèi)的停留時間極短，從而導(dǎo)致水冷壁燒壞，甚至引起爆炸。所以必須對汽包水位進行嚴格的控制。2.2 蒸汽溫度的控制過熱蒸汽溫度過高或過低，對鍋爐運行及蒸汽用戶設(shè)備都是不利的。過熱蒸汽溫度過高，過熱器容易損壞，汽輪機也因內(nèi)部過度的熱膨脹而嚴重影響平安運行；過熱蒸汽溫度過低，一方面使設(shè)備的效率降低，同時使汽輪機后幾級的蒸汽濕度增加，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)。2.3 鍋爐燃燒的控制鍋爐燃燒過程的好壞，不僅直接關(guān)系到鍋爐的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)過程的可靠性，而且在很大程度上決定了鍋爐運行的經(jīng)濟性。進行燃燒調(diào)節(jié)的目的是：在滿

9、足外界電負荷需要的蒸汽數(shù)量和合格的蒸汽品質(zhì)的根底上，保證鍋爐運行的平安性和經(jīng)濟性。具體可歸納為：1保證正常穩(wěn)定的汽壓、汽溫和蒸發(fā)量；2著火穩(wěn)定、燃燒平安，火焰均勻充滿爐膛，不結(jié)渣、不燒損燃燒器和水冷壁，過熱器不超溫；3使機組運行保持最高的經(jīng)濟性；4減少燃燒污染物排放。第三章 汽包水位的控制3.1 鍋爐水位動態(tài)特性鍋爐運行中，引起水位變化的根本原因是蒸發(fā)區(qū)內(nèi)物質(zhì)平衡的破壞或者水質(zhì)狀態(tài)發(fā)生了改變。穩(wěn)定情況下，給水量與產(chǎn)汽量相等，水位不變。而當給水量與產(chǎn)氣量不相等時， 汽包水位會發(fā)生變化。在汽包壓力變化很快時，汽包水位不止取決于物質(zhì)平衡，還與工質(zhì)狀態(tài)變化有關(guān)。例如在鍋爐跟隨方式下，當汽輪機調(diào)門突然開

10、打而增加負壓時，汽壓迅速降低，所產(chǎn)生的附加蒸汽量會使水位漲起，造成所謂的“虛假水位。因為從調(diào)節(jié)來看，此時本應(yīng)加大給水量，但單純根據(jù)水位判斷為減小給水量。在汽輪機跟隨方式下，如果是上升管出口在水空間內(nèi)，鍋爐增加負壓過快，也會產(chǎn)生“虛假水位。當燃料量增加而給水來不及調(diào)整時，水冷壁蒸發(fā)量增多會使水位脹起，之后那么由于輸出汽量大于輸入的給水量以及汽壓的升高，水位下降。對上升管出口在汽空間內(nèi)的蒸發(fā)系統(tǒng)，鍋爐會增加產(chǎn)汽量不會產(chǎn)生“虛假水位，汽壓變化與物質(zhì)平衡對水位影響方向一致，假設(shè)負荷增加率過大，亦會加劇水位的變化。3.2 單沖量控制系統(tǒng)單沖量控制系統(tǒng)即汽包水位的單回路液位控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，

11、對于汽包內(nèi)水的停留時間長，負荷變化小的小型鍋爐，單沖量水位控制系統(tǒng)可以保證鍋爐的平安運行。但是，單沖量控制系統(tǒng)存在三個問題。1 當負荷變化產(chǎn)生虛假液位時，將使控制器反向錯誤動作。2 對負荷不靈敏。負荷變化時，需引起汽包水位變化后才起控制作用。由于控制緩慢，導(dǎo)致控制質(zhì)量下降。3 對給水干擾不能即使克服。當給水系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，同樣需等水位發(fā)生變化時才起控制作用，干擾克服不及時。LTLC蒸汽圖1.1 單沖量控制系統(tǒng)針對單沖量控制系統(tǒng)不能克服虛假水位的影響，如果根據(jù)蒸汽流量作為校正作用，就可以糾正虛假水位引起的誤動作，而且也能提前發(fā)現(xiàn)負荷的變化，從而大大改善了控制品質(zhì)。將蒸汽流量信號引入，就構(gòu)成了雙沖

12、量控制系統(tǒng)。雙沖量控制系統(tǒng)實質(zhì)上是一個前饋加單回路反響控制的前饋-反響控制系統(tǒng)。這里的前饋為靜態(tài)前饋，假設(shè)要考慮兩條通道在控制上的差異，那么還需引入動態(tài)補償環(huán)節(jié)。LT蒸汽FTFCLC圖1.2 雙沖量控制系統(tǒng)雙沖量控制系統(tǒng)方塊圖如圖1.3所示。GcC1GvGpcGmGpDGmFC2IFIIoLoIc 雙沖量控制系統(tǒng)方塊圖3.4 三沖量控制系統(tǒng)雙沖量控制系統(tǒng)對于單沖量控制系統(tǒng)存在的對給水干擾不能及時克服的問題，同樣不能解決。此外，由于控制閥的工作特性不一定完全線性，做到靜態(tài)補償也比擬難。為此，把給水流量信號引入，構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)。 。LTLC蒸汽給水F1CF1TF2C給水 圖1.4 三沖量控制系

13、統(tǒng)圖 三沖量控制系統(tǒng)方塊圖如圖1.5所示。給定偏差調(diào)節(jié)器LC調(diào)節(jié)閥水流量液位測量變送蒸汽VF2TY測量變送測量變送LT圖1.5 三沖量控制系統(tǒng)方塊圖鍋爐給水控制系統(tǒng) 鍋爐給水控制系統(tǒng)如圖1.6所示。汽包水QFTFCLCLTDFTKpf圖1.6 鍋爐給水控制系統(tǒng)圖控制目標：汽包水位是其主要工藝指標。當水位過高時，會造成蒸汽帶液，這樣降低蒸汽的產(chǎn)量和質(zhì)量，而且會損壞汽輪機葉片；當水位過低時，輕那么影響汽、水平衡，重那么燒干鍋爐，甚至會引起鍋爐爆炸。鍋爐汽包水位控制任務(wù)：使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量。汽包水位是被控參數(shù)主要擾動是鍋爐的蒸汽流量和給水流量。蒸汽量是負荷，它隨用戶需要而變化，給水流量作為調(diào)節(jié)

14、參數(shù)。干擾-蒸汽負荷對汽包水位影響：當蒸汽用量突然增加時，會使汽包內(nèi)壓力瞬時降低，水沸騰加劇，加速汽化，汽泡突然增加。汽泡體積比水的體積大很多倍，結(jié)果形成了汽包內(nèi)水位升高的所謂“假水位。當蒸汽負荷突然減少時，汽包內(nèi)蒸汽壓力急劇上升，水的沸騰暫時停止，造成水位瞬時下降的假象。采用以蒸汽流量為前饋信號，汽包水位(主參數(shù))和給水流量(副參數(shù))串級，構(gòu)成前饋串級控制系統(tǒng)通常又稱為三沖量給水控制系統(tǒng)(見圖)。本系統(tǒng)不但能通過串級回路及時克服給水流量的擾動；還能實現(xiàn)對蒸汽負荷的前饋補償，給水量Q將等于蒸汽量的變化，從而維持水位及不變。前饋控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng),串級控制系統(tǒng)都是負反響，當擾動發(fā)生,通過檢測

15、擾動引起的輸出偏差進行調(diào)節(jié)。所以負反響進行擾動調(diào)節(jié)時，輸出必然有波動。前饋控制是當干擾一出現(xiàn)，在其影響輸出之前，就進行抑制，從而對輸出沒有影響。所以前饋控制是測量擾動，補償擾動的控制。前饋控制具有以下特征:1 在擾動影響輸出前進行調(diào)節(jié)。2 直接測量擾動大小，通過調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對擾動的完全補償，從而實現(xiàn)消除擾動對輸出的影響.前饋控制是相對于反響控制而言的。1 反響控制： 反響控制在被控參數(shù)偏離給定值后，依據(jù)偏差，控制器發(fā)出控制指令，補償擾動對被控參數(shù)的影響?；谄畹目刂?反響控制特點：當干擾已經(jīng)發(fā)生，但是被控參數(shù)尚未變化， 偏差=0，那么控制器不產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。例如：閉環(huán)中的干擾：冷流體流量波動。反

16、響控制總要滯后擾動，是一種不及時的控制。反響控制是閉環(huán)控制，存在穩(wěn)定性問題。對閉環(huán)回路中擾動都有調(diào)節(jié)作用。調(diào)節(jié)器一般采用P、I、D控制規(guī)律，具有通用性。1 前饋控制 ：當擾動一旦出現(xiàn)，調(diào)節(jié)器就根據(jù)擾動的大小和性質(zhì)進行控制，補償擾動對系統(tǒng)的影響，使被控參數(shù)不變。 例如：閉環(huán)中的干擾：冷流體流量波動突然增加。這種直接根據(jù)造成偏差原因-擾動進行的控制稱為前饋控制。 前饋控制：當冷流體流量增加 N 時，其對輸出溫度影響假設(shè)為Y1，當其一產(chǎn)生，即改變蒸汽流量 Fs ，使得蒸汽 Fs 對輸出溫度影響為-Y1，那么輸出溫度就不會變化。通過設(shè)計前饋調(diào)節(jié)器，使得調(diào)節(jié)器改變的量剛好補償干擾對對象的影響。前饋控制系

17、統(tǒng)的特點：前饋控制器是“測量擾動，消除擾動對被控量的影響。前饋調(diào)節(jié)器又稱為“擾動補償器。擾動發(fā)生，前饋控制器動作及時，對抑制由于擾動引起的動、靜態(tài)偏差比擬快速有效。前饋控制屬開環(huán)控制，只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)穩(wěn)定，控制系統(tǒng)必定穩(wěn)定。只對被測量的可測而不可控的擾動有校正作用，而對系統(tǒng)中的其他擾動無校正作用。即前饋控制具有指定性補償?shù)木窒扌浴Ｇ梆伩刂破鞯目刂埔?guī)律，取決于被控對象的特性，因此，有時控制規(guī)律比擬復(fù)雜。特點比擬：前饋基于干擾控制，反響基于偏差控制；抑制干擾，前饋控制比反響控制及時有效，前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，反響控制是閉環(huán)控制系統(tǒng)；前饋控制使用的是與實施對象特性而定的專用控制器，反響控制采用通

18、用PID控制器一種前饋控制只能克服一種干擾，反響控制只用一個控制器就可克服多個干擾。前饋控制的應(yīng)用場合 系統(tǒng)中存在著可測但不可控的變化幅度大，且頻繁的干擾，這些干擾對被控參數(shù)影響顯著，單用反響控制達不到質(zhì)量要求時。 當控制系統(tǒng)的控制通道滯后時間較長，由于反響控制不及時影響控制質(zhì)量時，可采用前饋或前饋反響控制系統(tǒng) 。第四章 設(shè)計心得通過本學(xué)期的過程控制課程設(shè)計，我們學(xué)到很多東西。我認為，在這次的課程設(shè)計中，我收獲知識的同時，還收獲了閱歷，收獲了成熟，在此過程中，我通過查找大量資料，請教老師，以及不懈的努力，不僅培養(yǎng)了獨立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在課程設(shè)計中

19、我們學(xué)會了很多學(xué)習的方法。而這是日后最實用的，真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習、實踐，再學(xué)習、再實踐。通過這次的課程設(shè)計，我更多的了解了本專業(yè)的一些知識。而且我對上學(xué)期學(xué)習的過程控制這門功課也有了更多的理解。在課程設(shè)計中，我心學(xué)到了一種畫圖的發(fā)放，用Visio這個工具，它比World這個工具畫出的圖更漂亮，我所學(xué)到的這個，是一種鍛煉，一種知識的積累，能力的提高。我把這些當作根底東西，只有掌握了這些最根底的，才可以更進一步，取得更好的成績。很少有人會一步登天吧。永不言棄才是最重要的。而且，這對于我的將來也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其

20、中珍貴的事情。就像中國提倡的艱苦奮斗一樣，我們都可以在實驗結(jié)束之后變的更加成熟，會面對需要面對的事情。我的課程設(shè)計沒有做到最好，但是，最起碼我沒有放棄，它是我的驕傲！相信以后我會以更加積極地態(tài)度對待我們的學(xué)習、對待我們的生活。我的激情永遠不會結(jié)束，相反，我們會更加努力，努力的去彌補自己的缺點，開展自己的優(yōu)點，去充實自己，只有在了解了自己的長短之后，我們會更加珍惜擁有的，更加努力的去完善它，增進它。只有不斷的測試自己，挑戰(zhàn)自己，才能擁有的成功和快樂！to us, happiness equals success! 快樂至上，享受過程，而不是結(jié)果！認真對待每一個實驗，珍惜每一分一秒，學(xué)到最多的知識和方法，鍛煉自己的能力，這個是我們在實課程設(shè)計中學(xué)