過(guò)程裝備控制與儀表課程設(shè)計(jì)

25噸過(guò)熱蒸汽燃煤鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（燃燒系統(tǒng)自控工程設(shè)計(jì)）摘要本文是對(duì)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。鍋爐是熱電廠最基本也是最重要的設(shè)備，使用鍋爐就是為了利用其輸出的蒸汽，這也是它主要的輸出變量之一。在控制算法上，本論文綜合運(yùn)用了比值控制、串級(jí)控制、單回路控制等控制方式，實(shí)現(xiàn)了引風(fēng)量控制爐膛負(fù)壓、燃料量控制調(diào)節(jié)蒸汽壓力、送風(fēng)量控制調(diào)節(jié)煙氣含氧量，并且有效地克服了彼此的擾動(dòng)，使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。關(guān)鍵詞：燃燒控制；串級(jí)控制；煙氣氧含量一，鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的組成鍋爐燃燒控制系統(tǒng)分為爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)和主蒸汽壓力控制系統(tǒng)。主蒸汽壓力控制系統(tǒng)又分為送風(fēng)控制系統(tǒng)和燃料控制系統(tǒng)。在爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)中，送風(fēng)量對(duì)爐膛壓力的影響很小，爐膛壓力主要是靠引風(fēng)機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)的，所以有時(shí)它也被稱(chēng)作引風(fēng)控制系統(tǒng)。在整個(gè)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中，蒸汽壓力的變化表示負(fù)荷的耗氣量與鍋爐蒸汽的產(chǎn)生量不相適應(yīng)，因此需要相應(yīng)地改變?nèi)剂系墓?yīng)量，從而改變蒸汽的產(chǎn)生量。當(dāng)燃料量改變時(shí)，需要相應(yīng)地改變送風(fēng)量，使燃料和空氣的量相適應(yīng)，提高燃燒的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，當(dāng)送風(fēng)量改變的時(shí)侯，也應(yīng)該相應(yīng)地改變引風(fēng)量，這樣才能使得爐膛壓力保持恒定。二，燃燒控制系統(tǒng)基本控制方案鍋爐的燃燒控制對(duì)于鍋爐的安全、高效運(yùn)行和節(jié)能降耗都具有重要意義，其控制和管理隨之要求也越來(lái)越高。燃料控制的任務(wù)在于進(jìn)入鍋爐的燃料量隨時(shí)與蒸汽壓力要求相適應(yīng)。因?yàn)檎羝麎毫κ呛饬垮仩t熱量平衡的標(biāo)志，燃料又是影響蒸汽壓力的主要因素，因此蒸汽壓力可以作為燃料控制系統(tǒng)的被調(diào)量。鍋爐蒸汽壓力是燃燒過(guò)程調(diào)節(jié)對(duì)象的主要被控量，引起蒸汽壓力變化的因素有很多，如燃料量、送風(fēng)量、給水量、蒸汽流量以及各種使燃燒工況發(fā)生變化的原因。它受到的主要擾動(dòng)分為內(nèi)擾（燃料的變化）和外擾（蒸汽流量的改變）。由于每個(gè)系統(tǒng)的輸入輸出之間都一定的系統(tǒng)延遲，即當(dāng)輸入變化的時(shí)候系統(tǒng)輸出不能夠馬上反應(yīng)其變化從而是系統(tǒng)的控制不及時(shí)。三，控制方案的選擇（1）基本控制方案一：串級(jí)控制以蒸汽壓力為被調(diào)節(jié)量，以燃料量為調(diào)節(jié)量的串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖所示。蒸汽壓力控制燃料量的串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖當(dāng)燃料量改變時(shí)，必須隨著改變送風(fēng)量，使空氣量與燃料量的比值達(dá)到一個(gè)最優(yōu)比來(lái)保證鍋爐的經(jīng)濟(jì)性燃燒。在這里，不管是送風(fēng)量還是燃料量都應(yīng)該是可以控制的，只要緩慢地改變主流量的給定值，就可以升降主流量，同時(shí)副變量也跟著升降，并保持兩者的比值不變。在此系統(tǒng)中空氣量是跟隨燃料量變化的，所以燃料量應(yīng)該是主流量，而空氣量是副流量。變量的選擇應(yīng)遵循以下原則：1）應(yīng)盡量包含生產(chǎn)過(guò)程中主要的、變化劇烈、頻繁的和幅度大的擾動(dòng)，并力求包含盡可能多的擾動(dòng)；2）應(yīng)使主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)匹配；3）應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟(jì)型。串級(jí)系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是把兩個(gè)調(diào)節(jié)器串接起來(lái)，通過(guò)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(lái)的一部分對(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(guò)渡過(guò)程。串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，在副回路確定后，相當(dāng)于一個(gè)單回路系統(tǒng)，外擾一一蒸汽壓力擾動(dòng)可以在此回路中得到有效抑制。副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，能夠快速有效地克服二次擾動(dòng)的影響，因此內(nèi)-一給煤擾動(dòng)可以在副回路中得到有效地抑制。同時(shí)提高了對(duì)一次擾動(dòng)的克服能力和對(duì)回路參數(shù)變化的自適應(yīng)能力，改善了被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率。這種方案蒸汽壓力的主要擾動(dòng)是蒸汽負(fù)荷的變化與燃料量的波動(dòng)。當(dāng)蒸汽負(fù)荷及燃料量波動(dòng)較小時(shí)，可以采用蒸汽壓力來(lái)控制燃料量的單回路控制系統(tǒng)；而當(dāng)燃料量波動(dòng)較大時(shí)，可組成整齊壓力對(duì)燃料流量的串級(jí)控制系統(tǒng)。燃料流量是隨蒸汽負(fù)荷而變化的，因而作為主流量，與空氣流量組成比值控制系統(tǒng)，使燃料與空氣保持一定的比例，獲得良好的燃燒，這是燃燒過(guò)程的基本控制方案。正反作用及控制閥的開(kāi)閉形式選擇1）主控制器：選擇反作用，因?yàn)楫?dāng)閥的開(kāi)度增大后，燃料的流量增加，閥的開(kāi)度為+，變送器為+，所以控制器也為+所以控制器選擇反作用2）副控制器：選擇反作用，因?yàn)楫?dāng)閥的開(kāi)度增大后，蒸汽的溫度升高壓力增大，閥的開(kāi)度為+，變送器為+，所以控制器也為+所以控制器選擇反作3）控制閥：氣開(kāi)型因?yàn)楫?dāng)鍋爐出現(xiàn)事故時(shí)閥門(mén)一定得是關(guān)閉的，否則的話(huà)在事故出現(xiàn)后閥門(mén)是開(kāi)的話(huà)使燃料流出，加重事故。（2）基本控制方案二：燃燒過(guò)程中煙氣氧含量閉環(huán)控制燃燒過(guò)程控制保證了燃料和空氣的比值關(guān)系，但并不能保證燃料的完全燃燒，讓了的完全燃燒與燃料的質(zhì)量（含水量、灰粉等）、熱值等因素有關(guān)。不同的鍋爐負(fù)荷下，燃料量和空氣量的最佳比值會(huì)不同，因此，需要有一個(gè)檢查燃料完全燃燒的控制指標(biāo)，并根據(jù)該指標(biāo)控制送風(fēng)量的大小。衡量燃燒過(guò)程是否完全燃燒的常用控制指標(biāo)是煙氣中的含氧量。它在前述方案中基礎(chǔ)上,加入了煙道氣中氧含量的控制回路。這是一個(gè)以煙道氣中氧含量為控制目標(biāo)的燃料流量與空氣流量的變比值控制系統(tǒng)，也稱(chēng)煙氣氧含量的閉環(huán)控制系統(tǒng)。此方案可以保證鍋爐的最經(jīng)濟(jì)燃燒。前述方案一，雖然也考慮了燃料與空氣流量的比值控制，但它不能在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中始終保證最經(jīng)濟(jì)燃燒。因?yàn)槠湟?在不同的負(fù)荷下,兩流量的最優(yōu)比值是不同的;其二,燃料的成分有可能會(huì)變化;其三,流量的不準(zhǔn)確。這些因素都會(huì)不同程度的影響到燃料的不完全燃燒或空氣的過(guò)量,造成爐子熱效率下降。這就是燃料流量定比值控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)。為了改善這一情況，最好有一指標(biāo)來(lái)閉環(huán)修正兩流量的比值。目前最常用的是煙氣中的氧含量。煙氣含氧量控制系統(tǒng)與鍋爐燃燒控制系統(tǒng)一起實(shí)現(xiàn)鍋爐的經(jīng)濟(jì)燃燒閉環(huán)控制系統(tǒng)如下圖：最優(yōu)值燃料量空氣量蒸汽壓力煙氣含氧的閉環(huán)控制系統(tǒng)該系統(tǒng)采用變比值控制，變比值器的比值由含氧控制器AC輸出。當(dāng)煙氣中的含氧量變化時(shí)，表明燃燒過(guò)程中過(guò)?？諝獍l(fā)生變化，因此通過(guò)AC及時(shí)調(diào)節(jié)燃料和空氣的比值，使燃燒過(guò)程達(dá)到經(jīng)濟(jì)的目的。最優(yōu)值燃料量空氣量蒸汽壓力實(shí)施時(shí)應(yīng)注意，快速反映煙氣含氧量，對(duì)煙氣含氧量的檢測(cè)變送系統(tǒng)應(yīng)選擇正確。目前，常選用氧化鋯氧量?jī)x表檢測(cè)煙氣中的含氧量。正反作用及控制閥的升閉形式選擇1）主控制器：選擇反作用，因?yàn)楫?dāng)煙氣的含氧量增大后，空氣量應(yīng)減小，閥的開(kāi)度為+，變送器為+，所以控制器也為+所以控制器選擇反作用2）副控制器：選擇正作用，因?yàn)楫?dāng)閥的開(kāi)度增大后，燃料流量增大，閥的開(kāi)度為+，變送器為+，所以控制器也為+所以控制器選擇正作3）控制閥：氣開(kāi)型因?yàn)楫?dāng)鍋爐出現(xiàn)事故時(shí)閥門(mén)一定得是關(guān)閉的，否則的話(huà)在事故出現(xiàn)后閥門(mén)是開(kāi)的話(huà)使燃料流出，加重事故。通過(guò)比較上述兩種方案，方案一燃料流量是隨著蒸汽負(fù)荷的變化而變化的，這樣可保證蒸汽出口壓力的穩(wěn)定，又可以使燃空比保持不變，系統(tǒng)控制比較簡(jiǎn)單，使用儀表少。方案二可以保證燃燒過(guò)程中燃料與空氣比值的最優(yōu)比，防止由于燃料的質(zhì)量以及流量測(cè)量的誤差的變化。另外，鍋爐負(fù)荷不同時(shí)，可以保持燃料與空氣的最優(yōu)比有一定的差別。綜合兩張方案，最終選擇方案二。四，傳感器選型本課題采用的是接觸式測(cè)溫方法。選用的是熱電阻Pt100傳感器。為上海維連電子科技有限公司生產(chǎn)的T-2系列溫度傳感器。該產(chǎn)品為德國(guó)進(jìn)口芯片，精度高，固定螺紋安裝，互換型好。型號(hào)為T(mén)-2Pt100AGS，所代表的含義是：T-2:基本型號(hào)；Pt100：分度號(hào)；A：精度等級(jí)；G:溫度范圍（0?850°C）；S：三線(xiàn)制接法五，變送器選型所選用型號(hào)為SBWR/Z2061，技術(shù)參數(shù)為:測(cè)量精度：±0.1%F.S；環(huán)境溫度影響：±0.1%F.S/C；電源輸出二線(xiàn)制：24VDC、4-20mA；長(zhǎng)期穩(wěn)定性：＜1°/F.S/年；負(fù)載電阻：0-600Q；電源：24VDC；環(huán)境溫度：-25C?+85C；貯存溫度：-25C?+125C；測(cè)量介質(zhì)溫度：-200C?+1600C；響應(yīng)時(shí)間：@10mS；可具有防暴特性。六，執(zhí)行器：本設(shè)計(jì)選用的是Honeywell的電動(dòng)執(zhí)行器，型號(hào)為ML7420A3055-E,其特點(diǎn)是：無(wú)需連桿，安裝方便快捷，標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)管式接線(xiàn)連接，無(wú)需調(diào)整，閥門(mén)定位準(zhǔn)確，低功耗，高的關(guān)斷壓力，終端推力限位開(kāi)關(guān)，同步馬達(dá)，0?10VDC或2?10VDC信號(hào)輸入，正反作用可選，防腐設(shè)計(jì)。七，控制系統(tǒng)參數(shù)整定滯后產(chǎn)生的主要原因有：系統(tǒng)中設(shè)備的物理性質(zhì)原因，對(duì)系統(tǒng)變量的測(cè)量以及信號(hào)的傳遞等。在實(shí)際進(jìn)行工程控制的時(shí)候，由于有時(shí)侯滯后系統(tǒng)的影響不大，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或者模型中通常會(huì)將滯后省略。但是更多的時(shí)候，滯后是不能被省略的，而且在有些控制系統(tǒng)中，滯后通常是時(shí)變的，也就是說(shuō)滯后是時(shí)間t的函數(shù)。因此這些對(duì)象的純滯后時(shí)間對(duì)控制系統(tǒng)的控制能力都使非常不利的，它會(huì)使動(dòng)態(tài)特性變差，系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。由于整個(gè)控制系統(tǒng)存在滯后，整個(gè)系統(tǒng)具有一階環(huán)節(jié)和二階環(huán)節(jié)來(lái)近似的等效。一階滯后環(huán)節(jié)

G(s)=e-stTs+1(5.1G(s)=e-stTs+1(5.1)(5.2)(Ts+1)(Ts+1)在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，參數(shù)變化是每時(shí)每刻都在進(jìn)行的，想用一個(gè)固定的公式將其表示出來(lái)很不方便。所以在規(guī)定的要求范圍內(nèi)，對(duì)一些情況進(jìn)行近似處理是很合理和必要的。在通常情況下，我們給定主控變量一個(gè)范圍，作為系統(tǒng)的給定，使可以達(dá)到個(gè)滿(mǎn)意的結(jié)果。對(duì)于火電廠的鍋爐來(lái)說(shuō)，爐體的結(jié)構(gòu)、檢測(cè)元件、容量及其安放位置等都對(duì)滯后的大小有一定影響。它并不是一個(gè)簡(jiǎn)單單一的問(wèn)題，而是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題。純滯后的產(chǎn)生需要從整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)考慮，并且它還和溫度的高低有關(guān)。決滯后的辦法選擇惰性小的快速測(cè)量元件，以減小時(shí)間常數(shù)選擇合適的測(cè)量位置，以減小純滯后使用微分單元加入D控制規(guī)律主回路：TC選擇PI控制，原因是壓力是主回路中所控制的參數(shù)，壓力參數(shù)的滯后是非常小的，當(dāng)干擾到來(lái)的時(shí)候會(huì)比較快的反應(yīng)在輸出的變化上，所以不必加入微分環(huán)節(jié)就可以達(dá)到很好的控制目的，也節(jié)省了成本。其中的I環(huán)節(jié)可以消除靜差，使系統(tǒng)的控制性能的到提高。副回路：選擇P控制。副回路是粗調(diào)，所以要求速度要快，粗調(diào)也就是不需要一步到位，只是對(duì)余差進(jìn)行初步的處理，最后的工作是由主回路來(lái)完成的。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于主參數(shù)的質(zhì)量指標(biāo)要求較高，而對(duì)副參數(shù)的質(zhì)量指標(biāo)沒(méi)有太高的要求。通常設(shè)置副參數(shù)的目的是為了進(jìn)一步提高主參數(shù)的控制質(zhì)量。先將副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定好后，再對(duì)主調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行整定。這樣，只要主參數(shù)的質(zhì)量通過(guò)主調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定得到保證，副參數(shù)的控制質(zhì)量可以允許犧牲一些?？偨Y(jié)燃煤鍋爐作為一種工業(yè)鍋爐是一個(gè)典型的多輸入、多輸出、非線(xiàn)性相關(guān)聯(lián)的對(duì)象。一般將燃煤鍋爐分為幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，如汽包液位控制系統(tǒng)、過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)、燃燒控制系統(tǒng)。汽包液位的控制對(duì)于整個(gè)鍋爐的安全運(yùn)行起