工業(yè)蒸汽鍋爐過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、工業(yè)蒸汽鍋爐過(guò)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(jí)：0 9計(jì)算機(jī)控制1班名：陳文濤高健于野魏玉鋒指導(dǎo)教師:邢滿榮2011 年 6 月 2 0 B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(guò)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，乂可作為精憎、干燥、反應(yīng)、加熱等過(guò)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(guó)，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(guó)原 煤產(chǎn)量的三分之一，鍋爐由于設(shè)計(jì)、制造不合理，尤其是使用管理不當(dāng)，導(dǎo)致事 故的

2、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(wàn) 余臺(tái)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70. 8 %.多年來(lái)鍋爐的安全工作一直受到國(guó)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(wèn)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(wèn)題。1、工藝流程1 .1鍋爐設(shè)備介紹鍋爐生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)多變量多參數(shù)相互耦合的復(fù)雜過(guò)程，其汽水，燃燒過(guò)程 非常復(fù)雜,受多重因素的影響，燃燒

3、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(guò)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(wú)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III給水泵、給水控制閥、省煤器、汽包 及循環(huán)管等組成,常見(jiàn)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(guò)熱蒸汽，在匯集到蒸汽母管.過(guò)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)，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣

4、，除將飽和蒸 汽變成過(guò)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)同I下使;送往煙囪，排入大氣。蒸汽, 將有如 平衡, 爐燃燒UUU魅處空氣送爐勝鉛水件豐保證管!1。2設(shè)計(jì)丿卜纟鮒木爛鍋爐主要設(shè)備工藝流程該鍋爐所產(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；列一部 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(guò)路的安 全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行

5、，對(duì)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 有重大意義.A、鍋爐給燃料氣介紹：燃料氣煤來(lái)源于工廠的儲(chǔ)灌，由于儲(chǔ)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)地消除山 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(shí)，采用 壓力信號(hào)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(lái)自于工廠的自備水庫(kù)，通過(guò)給水泵將水 從水庫(kù)里抽出，山給水管道，經(jīng)給水閥門沿給水管道進(jìn)入鍋爐的汽包中。曲于給 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(duì)汽包水位控制系統(tǒng)進(jìn)行精密設(shè)訃,

6、使控制 信號(hào)驅(qū)動(dòng)給水電磁閥門和給水泵，使二者協(xié)調(diào)工作，維持正常的安全水位。C、鍋爐減溫水介紹：用作鍋爐過(guò)熱蒸汽的減溫水來(lái)自于該工廠的某一生產(chǎn) 線產(chǎn)生的清潔溫水，約20°C左右，山于生產(chǎn)線溫水儲(chǔ)備箱中的溫水山減溫水泵抽 出，通過(guò)減溫水電磁閥門，沿減溫水管道進(jìn)入減溫器，對(duì)過(guò)熱蒸汽減溫.同樣， 由于工廠附近的電壓、頻率擾動(dòng)，對(duì)減溫水的流量造成擾動(dòng)，另外，山于蒸汽經(jīng) 過(guò)過(guò)熱器會(huì)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(guò)熱器的時(shí)間延遲。結(jié)合所學(xué)理論知識(shí)，經(jīng)過(guò)分析，用吊級(jí)控 制系統(tǒng)對(duì)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(guò)熱蒸汽的溫度

7、、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、控制方案的選擇的控制信號(hào)，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(hào)，減少了山于“虛假水位”帶來(lái)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(hào)變化 時(shí)才能調(diào)節(jié)執(zhí)行器，滯后時(shí)間較長(zhǎng)。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(hào): 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(jí)控制上，引 入了前饋控制，構(gòu)成串級(jí)一前饋復(fù)合控制系統(tǒng)。2o 3過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)可以將鍋爐燃燒系統(tǒng)視只聖車蠱雇鎰刖執(zhí)量為燃料量、送風(fēng)量和引

8、風(fēng)量;輸出 圖七蒸汽溫度控制系統(tǒng)框圖量為主蒸汽壓力、煙氣含氧量和爐膛。1、蒸汽壓力控制系統(tǒng)，依據(jù)蒸汽圧力的變化來(lái)控制燃料量;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(lái)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(guò)高，可能會(huì)引起脫火的危險(xiǎn)，山過(guò)壓控制器 P2C通過(guò)低選器LS來(lái)控制燃料控制閥，以防止脫火卩4、如果燃料控制閥閥后壓力過(guò)低，可能導(dǎo)致回火的危險(xiǎn),lllP AL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)啵袛喟l(fā)燃料量的供給。3、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

9、3. 1系統(tǒng)控制參數(shù)確定3. Io 1主變量的選擇串級(jí)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U的的參數(shù)為主變量；其次要選擇與控制U的有某種單 值對(duì)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LI的。3. 1. 2副變量的選擇副回路的設(shè)汁質(zhì)量是保證發(fā)揮串級(jí)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(duì)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(guò)熱器之間

10、的蒸汽溫度作為副變量。3. 1. 3操縱變量的選擇工業(yè)過(guò)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(duì)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(duì)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(hào)大小和方 向,改變閥的開(kāi)度，以實(shí)現(xiàn)

11、調(diào)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(guò)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(kāi)、關(guān)形式需要考慮到以下兒種因素： 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(wú)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(wú)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(guò)熱蒸汽控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥選擇氣開(kāi)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(duì)數(shù)特 性和快開(kāi)特性三種，

12、在本系統(tǒng)中調(diào)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(lái)的信號(hào)作為輸入信號(hào)，并以其輸出信號(hào)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)山檢出元件、信號(hào)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

13、等，本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的是具有聲音 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(guò)程參數(shù)發(fā) 生越限時(shí)，檢測(cè)元件檢測(cè)到這個(gè)信號(hào)后，就會(huì)發(fā)出信號(hào)，并將其送到信號(hào)報(bào)警系 統(tǒng)，報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出聲音和閃光信號(hào)，以便現(xiàn)場(chǎng)操作人員及時(shí)得知后報(bào)警信號(hào)，及時(shí) 按下消音按鈕，并采取一定的措施之后，使鍋爐過(guò)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 裝置山揚(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(guò)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(duì)

14、該工廠的鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行的設(shè)計(jì).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(duì)鍋爐設(shè)備充分了解的基礎(chǔ)上包括對(duì)鍋爐的結(jié)構(gòu)、 組成、工作過(guò)程以及鍋爐性能參數(shù)等,對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)被控對(duì)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(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行了參數(shù)整定整體上看，本次設(shè)訃是可以的，在工廠 現(xiàn)有條件下，基本上能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(méi)有涉及；關(guān)于設(shè)訃中的參數(shù)整定問(wèn) 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(chǎng)調(diào)試等原因，整定 的參數(shù)可能會(huì)不很準(zhǔn)確；對(duì)于變送器、傳感器、執(zhí)行器的選擇，本人對(duì)此知之其 少，不太了解，因此所選設(shè)備可能會(huì)對(duì)控制效果造成