工业蒸汽锅炉过程控制系统设计

1、工业蒸汽锅炉过程控制系统设计课程设计报告专 业： 计算机控制技术班 级：0 9计算机控制1班名：陈文涛高健于野魏玉锋指导教师:邢满荣2011 年 6 月 2 0 B前言当前，节约资源、提高热能利用率已为各方面所重视及关心。锅炉是石油化 工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱 动的动力源，乂可作为精憎、干燥、反应、加热等过程的热源.随着工业生产规 模的不断扩大，作为动力和热源的锅炉，也向着大容量、高参数、高效率的方向 发展。在我国，工业锅炉是能源转换和耗能的主要设备之一，耗能量约占全国原 煤产量的三分之一，锅炉由于设计、制造不合理，尤其是使用管理不当，导致事 故的

2、频率很高。据日本20世纪70年代的调查披露，日本当时运行的十万 余台锅炉,在十年间共发生事故355次，其中由于管理不善而发生的事故有 243次，占事故总数的70. 8 %.多年来锅炉的安全工作一直受到国家劳动部门 的重视，相继颁 发了许多安全和劳动保护工作的法令、规范和标准，收到了显 著效果解决普遍存在的控制系统落后、运行效率低、环境环境污染严重等问题 已是刻不容缓。为此，如何提高工业锅炉运行效率，降低能源消耗，实现其自动 化节能和环保的要求已成为亟待解决的问题。1、工艺流程1 .1锅炉设备介绍锅炉生产过程是一个多变量多参数相互耦合的复杂过程，其汽水，燃烧过程 非常复杂,受多重因素的影响，燃烧

3、系统内部一次风、二次风，输煤，一次返料, 二次返料耦合性很强，燃烧与汽水之间也有极其复杂的相互作用关系，同时过程 的非线性，滞后性也导致控制系统的复杂性，难以建立精确的数学模型，无法采 用有效的预估补偿措施。锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种 多样，常用的锅炉设备的蒸汽发生系统是III给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包 及循环管等组成,常见锅炉设备工艺流程如图1。燃料与空气按照一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生 系统，产生饱和蒸汽，形成一定气温的过热蒸汽，在汇集到蒸汽母管.过热蒸汽经负 荷设备控制，供给负荷设备用，于此同时，燃烧过程中产生的烟气

4、，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，最后经引风同I下使;送往烟囱，排入大气。蒸汽, 将有如 平衡, 炉燃烧UUU魅处空气送炉胜鉛水件丰保证管!1。2设计丿卜纟鮒木爛锅炉主要设备工艺流程该锅炉所产生的蒸汽有两部分用途：一部分作为汽轮机的动力源，蒸汽推动 汽轮机转动，带动生产线上的其他生产设备正常运转，使生产顺利进行；列一部 分蒸汽用作热源，供其他车间生产线提供热源，如原料加热车间、脱水车间、烘 烤车间等.此外，在天气严寒的季节里，该锅炉生产的蒸汽还要为整个工厂和企业 的所有办公室、车间、职工宿舍等提供热源暖气，供御寒之用。因此，过路的安 全、可靠、稳定运行

5、，对工厂、企业的正常运行和员工的生活、工作、学习等具 有重大意义.A、锅炉给燃料气介绍：燃料气煤来源于工厂的储灌，由于储罐的压力不稳, 燃烧时产生的热量变化也就很频繁。因此设计的燃烧控制系统要能及时地消除山 于燃料气压力变化不均等因素所引起的燃料方面的扰动，而应用所学知识，采用 压力信号的燃烧控制系统可以有效满足上述要求.B、锅炉给水介绍：该工厂的给水来自于工厂的自备水库，通过给水泵将水 从水库里抽出，山给水管道，经给水阀门沿给水管道进入锅炉的汽包中。曲于给 水泵是三相电动机拖动水泵运行，而工厂一带的电网电压、频率波动较大，为了 维持汽包水位稳定在安全范围内，需对汽包水位控制系统进行精密设讣,

6、使控制 信号驱动给水电磁阀门和给水泵，使二者协调工作，维持正常的安全水位。C、锅炉减温水介绍：用作锅炉过热蒸汽的减温水来自于该工厂的某一生产 线产生的清洁温水，约20°C左右，山于生产线温水储备箱中的温水山减温水泵抽 出，通过减温水电磁阀门，沿减温水管道进入减温器，对过热蒸汽减温.同样， 由于工厂附近的电压、频率扰动，对减温水的流量造成扰动，另外，山于蒸汽经 过过热器会造成时间上的延迟，因此要及时有效的控制蒸汽温度，必须克服减温 水泵的转速扰动和过热器的时间延迟。结合所学理论知识，经过分析，用吊级控 制系统对蒸汽温度进行控制能满足要求。D、本锅炉控制系统的控制任务:稳定过热蒸汽的温度

7、、维持汽包水位在规 定的范围内、稳定炉膛压力、维持经济燃烧.2、控制方案的选择的控制信号，该方法结构简单，但克服不了“虚假水位”的影响；双冲量控制系统 引入蒸汽流量作为前馈信号，减少了山于“虚假水位”带来的变化影响，但控制作 用不能及时克服给水流量的扰动，当给水发生扰动时，要等到汽包水位信号变化 时才能调节执行器，滞后时间较长。因此本设计中的锅炉采用三冲量控制系统，即调节系统接受三个调节信号: 水位H、蒸汽流量D和给水流量G,三冲量控制是在传统的PID串级控制上，引 入了前馈控制，构成串级一前馈复合控制系统。2o 3过热蒸汽温度控制系统可以将锅炉燃烧系统视只聖车蛊雇镒刖執量为燃料量、送风量和引

8、风量;输出 图七蒸汽温度控制系统框图量为主蒸汽压力、烟气含氧量和炉膛。1、蒸汽压力控制系统，依据蒸汽圧力的变化来控制燃料量;2、炉膛负压控制系统，一般情况下可以根据炉膛负压来控制烟道的翻板或引风机的转速，以达到稳定炉膛负压的要求，这里设置了一个前馈（蒸汽压力 控制器的输出，反映燃料量也即空气量）与炉膛负压反馈控制的复合控制系统。3、如果燃料控制阀阀后压力过高，可能会引起脱火的危险，山过压控制器 P2C通过低选器LS来控制燃料控制阀，以防止脱火卩4、如果燃料控制阀阀后压力过低，可能导致回火的危险,lllP AL系统带动 联锁装置，将燃料控制阀的上游控制阀截断，切断发燃料量的供给。3、控制系统设计

9、3. 1系统控制参数确定3. Io 1主变量的选择串级控制系统选择主变量时要遵循以下原则：在条件许可的情况下，首先应 尽量选择能直接反应控制U的的参数为主变量；其次要选择与控制U的有某种单 值对应关系的间接单数作为主变量；所选的主变量必须有足够的变化灵敏度。综合以上原则，在本系统中选择送入负荷设备的出口蒸汽温度作为主变量。 该参数可直接反应控制LI的。3. 1. 2副变量的选择副回路的设汁质量是保证发挥串级系统优点的关键。副变量的选择应遵循以 下原则： 应使主要干扰和更多的干扰落入副回路； 应使主、副对象的时间常数匹配； 应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型综合以上原则，选择减温器和过热器之间

10、的蒸汽温度作为副变量。3. 1. 3操纵变量的选择工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在 的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统 重新稳定运行的因素操纵变量的基本原则为： 选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量； 在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控 制； 在的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使 控制系统响应较快；综合以上原则，选择减温水的输入量作为操纵变量。3。2调节阀的选择在本系统中，调节阀是系统的执行机构，是按照控制器所给定的信号大小和方 向,改变阀的开度，以实现

11、调节流体流量的装置。调节阀的口径的大小，直接决定着控制介质流过它的能力。为了保证系统有较 好的流通能力，需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比 例。调节阀的开、关形式需要考虑到以下儿种因素： 生产安全角度：当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应 该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故； 保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品 的质量不应降低； 尽可能的降低原料、产品、动力损耗； 从介质的特点考虑。综合以上各种因素，在锅炉过热蒸汽控制系统中，调节阀选择气开阀。调节阀的流量特性的选择，在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特 性和快开特性三种，

12、在本系统中调节阀的流量特性选择线性特性。阀门定位器的选用，阀门定位器是调节阀的一种辅助装置，与调节阀配套使用, 它接受控制器来的信号作为输入信号，并以其输出信号去控制调节阀，同时将调节 阀的阀杆位移反馈到阀门定位器的输入端而构成一个闭环随动系统，阀门定位器 可以消除阀膜头和弹簧的不稳定以及各运动部件的干摩擦，从而提高调节阀的精 度和可靠性，实现准确定位；阀门定位器增大了执行机构的输出功率，减少了系统 的传递滞后，加快阀杆的移动速度;阀门定位器还可以改变调节阀的流量特性。4、报警系统设计本报警系统山检出元件、信号报警器、音响器、按钮等组成。主要的控制参 数有汽包水位、蒸汽压力、蒸汽温度、炉膛负压

13、等，本设计所设计的是具有声音 和闪光的报警系统当汽包水位、蒸汽压力、蒸汽温度、炉膛负压等过程参数发 生越限时，检测元件检测到这个信号后，就会发出信号，并将其送到信号报警系 统，报警系统发出声音和闪光信号，以便现场操作人员及时得知后报警信号，及时 按下消音按钮，并采取一定的措施之后，使锅炉过程参数恢复到安全范围之内， 灯光熄灭.另外还设置了故障报警:送风机故障报警、引风机故障报警、给水泵故 障报警、循环泵故障报警、减温水泵故障报警、送燃料机故障报警等。声光报警 装置山扬声器和指示灯组成。5、总结本设计是在结合使所学的过程控制系统与自动化仪表技术和计算机控制技 术，联系工厂实际客观情况的基础上，对

14、该工厂的锅炉控制系统进行的设计.设计 中把整个锅炉控制系统分为三个子系统分别设计：汽包水位控制系统、蒸汽温度 控制系统和燃烧控制系统。在对锅炉设备充分了解的基础上包括对锅炉的结构、 组成、工作过程以及锅炉性能参数等,对各个子系统被控对象正确确定和合理分 析之后，提出了自己的设计方案，进而确定控制规律、传感器、变送器、执行器 的选择，最后还对调节器进行了参数整定整体上看，本次设讣是可以的，在工厂 现有条件下，基本上能实现对锅炉的自动化调节控制.本论文的不足之处：本论文所用的控制方案大都是基于比较传统、常规的控 制控制理论,而许多先进的控制理论和方案没有涉及；关于设讣中的参数整定问 题，由于自己操作不熟练、试验设备的精度、不能到工业现场调试等原因，整定 的参数可能会不很准确；对于变送器、传感器、执行器的选择，本人对此知之其 少，不太了解，因此所选设备可能会对控制效果造成