锅炉自动控制系统论文

1、自动化仪表论文姓 名： 李亭瑶 班 级： 电气1201 学 号： 201211058106 指导老师： 李媛 时 间：2014年06月08日锅炉自动控制系统描述了锅炉燃烧、水位控制系统的工作原理。然后分析了锅炉控制系统的控制任务及控制目标，设计了相应的控制系统，主要包括锅炉汽包水位控制系统、燃烧控制系统以及蒸汽温度控制系统。1.1主要内容首先介绍了工业锅炉的组成及工作过程，对整个生产工艺进行了概述。锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷，锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等。主要输出变量是汽包水位，蒸汽压力，过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等。这些输入变量与输出变量之

2、间相互关联，构成了锅炉主要的控制系统。1.锅炉汽包水位控制系统。采用三冲量控制系统，即蒸汽流量、给水流量、汽包水位三个冲量作为输入量，给水调节阀作为控制变量，来控制汽包水位。2.锅炉燃烧控制系统。在燃烧控制系统的三个子系统中，通常通过调节燃料量维持蒸汽压力的恒定，调节送风量以保证燃烧的经济性，调节引风量维持炉膛负压的稳定。3.过热蒸汽温度控制系统。过热蒸汽温度是锅炉生产工艺的重要参数，过热蒸汽温度控制的任务是将汽包出来的饱和蒸汽加热到一定温度，形成过热蒸汽。在设计完控制方案的基础上，本系统采用PLC控制，对PLC进行硬、软件的设计。最后对系统实现自动控制。2.2过程控制系统简介2.2.1简单控

3、制系统简单控制系统指的是单输入-单输出的线性控制系统，是控制系统的基本形式。其特点是结构简单，而且具有相当广泛的适应性。即使在高水平的自动控制设计中，简单控制系统仍占控制回路的绝大多数。力求简单、可靠、经济与保证控制效果是控制系统设计的基本准则。简单控制系统由检测变送单元、控制器、执行器和被控对象组成。检测元件和变送器用于检测被控变量，并将检测到的信号转换为标准信号输出。控制器用于将检测变送单元的输出信号与设定值信号进行比较，按一定的控制规律对其偏差进行运算，运算结果输出到执行器。执行器是控制系统回路中的最终元件，直接用于控制操作变量变化。被控对象是需要控制的设备。设定值被控变量 控制器执行器

4、被控对象测量变送图2.1单回路控制系统方框图2.2.2 复杂控制系统在特定条件下，采用复杂控制系统对提高控制品质，扩大自动化应用范围起着关键性作用。在单回路控制系统的基础上，再增加计算环节、控制环节或者其他环节的控制系统称为复杂控制系统。常用的复杂控制系统有串级控制系统、比值控制系统、均匀控制系统、分程控制系统、选择控制系统、前馈控制系统等等。以下介绍前馈控制系统、串级控制系统、比值控制系统。(1) 前馈控制系统前馈控制的基本原理就是测量进入过程的干扰量（包括外界干扰和设定值变化），并根据干扰的测量产生合适的控制作用来改变控制量，使被控变量维持在设定值上。它是当扰动产生以后，被控变量还未变化以

5、前，根据扰动作用的大小进行控制，以补偿扰动作用对被控变量的影响。主要是针对易测的干扰，目的是在干扰还未影响被控变量之前就把干扰消灭。 图2.2 前馈控制系统方框图其中，是干扰对被控变量的传递函数；是操作变量对被控变量的传递函数；是前馈控制器的传递函数。 前馈控制系统的主要特点有：a、前馈控制是基于不变性原理工作的，比反馈控制及时、有效；b、前馈控制是属于“开环”控制系统；c、前馈控制使用的是“专用”控制器，又称前馈补偿装置；d、一种前馈作用只能克服一种干扰。前馈控制主要用于下列场合：a、干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，单纯反馈控制达不到要求时；b、主要干扰是可测不可控的变量；c、对象的控

6、制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差时，可采用前馈-反控制系统，以提高控制质量。(2) 串级控制系统采用不只一个控制器，且控制器间相互串接，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值的系统，称为串级控制系统。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数）；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。串级控制系统的工作过程：当扰动发生时，破坏了稳定状态，

7、调节器进行工作。根据扰动施加点的位置不同，分情况进行分析：a、扰动作用于副回路；b、扰动作用于主回路；c、扰动同时作用于副回路和主回路。分析可以看到，在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。y 图2.3串级控制系统方框图串级控制系统特点：a、从在系统结构来看，串级控制系统有主、副两个闭合回路；有主、副两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。b、在串级控制中有主、副两个变量。c、串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象特性，使控制过程加快，提

8、高控制质量。d、串级控制系统由于增加了副回路，因此具有一定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。(3) 比值控制系统在化工、炼油及其他工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系，比例一旦失调，将影响生产或造成事故。实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。比值控制系统可分为：开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统，变比值控制系统，串级和比值控制组合的系统等。其中，单闭环比值控制系统使两种物料的比值较为精确，实施较方便，所以得到了广泛的应用。以下以单闭环比值控制系统为例，介绍比值控制系统。检测变送2检测变送1控制器

9、执行器流量对象比值器图2.4单闭环比值控制系统方框图单闭环比值控制系统的四种工作情况10：a、当在系统处于稳定工作状态时，主、副物料流量的比值恒定。b、当主物料流量不变，副物料流量受到扰动变化时，可通过副流量的闭合回路调整副物料流量使之恢复到原设定值，保证比值一定。c、当主物料流量受到扰动，而副物料不变时，则按预先设置好的比值使比值器输出成比例变化，根据给定值的变化，发出控制命令，以改变调节阀的开度，使副流量跟随主流量变化，从而保证原设定的比值不变。d、当主、副物料流量同时受到扰动变化时，调节器在调整副物料流量使之维持原设定值的同时，系统又根据主流量产生新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副物

10、料流量在新的流量数值的基础上，保持原设定值的比值关系不变。3.1锅炉综合控制系统图3.1工艺设备图原煤或煤粉炉排炉膛炉省煤器给水引风机烟囱预热器鼓风机汽包汽水分离过热器过热蒸汽图3.2锅炉工作流程示意图由上面的锅炉工作流程示意图可以看出，燃料和热空气按一定比例送入燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过热器，形成一定温度、压力的过热蒸汽，汇集至蒸汽母管。过热蒸汽经负荷设备调节阀供给生产负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气。3.1.1 锅炉控制燃煤蒸汽锅炉的生产

11、任务是根据负荷设备的要求，生产具有一定参数（压力及温度）的蒸汽，为了满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济性，工业锅炉控制主要有下列自动调节： (1) 保持汽包水位在设定范围，汽包水位是锅炉正常运行的主要标，关系着汽水分离的速度和生产蒸汽的质量，也是确保安全生产的重要参数。对于汽包水位的调节，调节参数可以选用给水阀的开度。 (2) 维持蒸汽压力在预定值，蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标，是蒸汽锅炉的重要工艺参数。控制蒸汽压力，是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。 (3) 维持锅炉燃烧的经济性，必须使空气和燃料维持适当的比例，使锅炉燃烧过

12、程工作在最佳工况下，使锅炉热效率最高，达到节能降耗的目的。(4) 维持炉膛负压在一定范围内，炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量的不相适应。要使蒸汽压力、炉膛负压和燃烧经济性指标保持在允许范围内。3.1.2 锅炉控制方案将锅炉设备控制划为若干控制系统。主要控制系统如下： a、 锅炉汽包水位控制系统，被控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。它主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在工艺允许的范围内。 b、 锅炉燃烧控制系统，有三个被控量，蒸汽压力、烟气成分和炉膛负压。其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要；使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证经济燃烧

13、，提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持锅炉负压在一定的范围内。操纵变量也有三个，即燃料量、送风量、和引风量。 c、 过热蒸汽温度控制系统，过热蒸汽温度是锅炉生产工艺的重要参数，过热蒸汽温度控制的任务是将汽包出来的饱和蒸汽加热到一定温度，形成过热蒸汽。被控变量一般是过热器出口温度，操纵变量是减温器的喷水量。(1) 锅炉汽包液位控制汽包液位是锅炉运行的主要指标，是一个非常重要的被控变量，维持汽包液位在一定的范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。a.如果液位过低，则由于汽包内水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又很快，因而汽包内的水量变化速度很快，如果不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化

14、，导致锅炉烧坏和爆炸。b.液位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液的现象，会使过热器管壁结垢导致破坏，同时过热蒸汽温度急剧下降，该蒸汽作为汽轮机的动力，还会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全和经济性。在汽包液位控制中有单冲量、双冲量和三冲量控制方案，由于单冲量控制系统不能克服假水位带来的控制问题，双冲量控制系统还有不能做到静态补偿以及不能对给水系统干扰及时克服两个的弱点。因此在实际应用中汽包液位控制系统都采用三冲量控制系统。即蒸汽流量、给水流量、汽包液位三个冲量作为输入量，给水调节阀作为控制变量，来控制汽包液位。RDHW图3.3 三冲量控制系统方框图(2) 锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制系统的基本

15、任务是保证锅炉经济、安全运行的同时使燃料燃烧所产生的热量适应水温负荷的需求。在燃烧控制系统的三个子系统中，通常通过调节燃料量维持蒸汽压力的恒定，调节送风量以保证燃烧的经济性，调节引风量维持炉膛负压的稳定。本系统由蒸汽压力控制炉排的给进速度，燃料量对锅炉系统负荷变化较大，本系统在汽包压力控制回路中引入蒸汽流量作为前馈信号。为保证燃料充分燃烧，送风量应该与燃料量作协调变化。汽包压力调节器的输出信号作为前馈信号被引至送风副调节器。送风调节采用串级控制方式，其主调节信号为送风压力，副调节器信号是燃料量，调节器的输出通过控制变频器达到调节电机转速的目的。锅炉引风控制的控制目标是保证炉膛压力稳定，为了使引风机能快速跟随送风量的变化，将送风调节器的输出信号引入引风调节器，作为前馈信号。差压变送器差压变送器压力变送器主调节器调节器副调节器调