工業(yè)蒸汽鍋爐過程控制系統(tǒng)設計

1、工業(yè)蒸汽鍋爐過程控制系統(tǒng)設計課程設計報告專業(yè):計算機控制技術班級:09 計算機控制 1 班姓名:陳文濤高健于野魏玉鋒指導教師：邢滿榮2011 年 6 月 20 日1、尸、 亠前言當前，節(jié)約資源、 提高熱能利用率已為各方面所重視及關心。 鍋爐是石油化 工、發(fā)電等工業(yè)過程必不可少的重要動力設備， 它所產(chǎn)生的高壓蒸汽既可作為驅(qū) 動的動力源，又可作為精餾、干燥、反應、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)、高效率的方向 發(fā)展。在我國， 工業(yè)鍋爐是能源轉(zhuǎn)換和耗能的主要設備之一， 耗能量約占全國原 煤產(chǎn)量的三分之一，鍋爐由于設計、制造不合理，尤 其是使用

2、管理不當，導致 事故的頻率很高。據(jù)日本 20 世紀 70 年代的調(diào)查披露，日本當時運 行的十萬 余臺鍋爐，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。多年來鍋爐的安全工作一直受到國家勞動部門的重 視，相繼頒 發(fā)了許多安全和勞動保護工作的法令、規(guī)范和標準，收到了顯著效 果。解決普遍存在的控制系統(tǒng)落后、 運行效率低、 環(huán)境環(huán)境污染嚴重等問題已是 刻不容緩。為此，如何提高工業(yè)鍋爐運行效率，降低能源消耗，實現(xiàn)其自動化節(jié) 能和環(huán)保的要求已成為亟待解決的問題。21、工藝流程1.1 鍋爐設備介紹鍋爐生產(chǎn)過程是一個多變量多參數(shù)相互耦合的復雜過程， 其汽水

3、，燃燒過程 非常復雜，受多重因素的影響，燃燒系統(tǒng)內(nèi)部一次風、二次風，輸煤，一次返料，二次返料耦合性很強，燃燒與汽水之間也有極其復雜的相互作用關系，同時過程 的非線性，滯后性也導致控制系統(tǒng)的復雜性， 難以建立精確的數(shù)學模型，無法采 用有效的預估補償措施。鍋爐設備根據(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，常用的鍋爐設備的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)是由給水泵、給水控制閥、省煤器、汽 包及循環(huán)管等組成，常見鍋爐設備工藝流程如圖 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，形成一定氣溫的過熱蒸汽，在匯集到蒸汽母管。過熱蒸汽 經(jīng)負荷設備控制，供給

4、負荷設備用，于此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，除將飽 和蒸汽變成過熱蒸汽外，還經(jīng)省煤器預熱鍋爐給水和空氣預熱器預熱空氣，最后經(jīng)引風送往煙囪，排入大氣。鍋爐設備的控制任務是根據(jù)生產(chǎn)負荷的需要，供應一定壓力或溫度的蒸汽,同時要使鍋爐在安全、 經(jīng)濟的條件下運行。 按照這些控制要求， 鍋爐設備將有如 下主要的3控制系統(tǒng)： 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)：主要是保持汽包內(nèi)部的平衡，使給水量適應鍋爐的蒸汽量，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內(nèi)；鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制： 其控制方案要滿足燃燒所產(chǎn)生的熱量， 適應蒸汽負荷的需要， 使 燃料與空氣量保持一定的比值， 保證燃燒的經(jīng)濟型和鍋爐的安全運行， 使引風量 與送風量相適應，保

5、持爐膛負壓在一定范圍內(nèi)。3過熱蒸汽系統(tǒng)控制：主要使過熱器出口溫度保持在允許范圍內(nèi)，并保證 管壁溫度不超過工藝允許范圍；4鍋爐水處理過程：主要使鍋爐給水的水性能指標達到工藝要求。1.2設計介紹與構想該鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽有兩部分用途：一部分作為汽輪機的動力源，蒸汽推動 汽輪機轉(zhuǎn)動，帶動生產(chǎn)線上的其他生產(chǎn)設備正常運轉(zhuǎn)，使生產(chǎn)順利進行；另一部 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，在天氣嚴寒的季節(jié)里， 該鍋爐生產(chǎn)的蒸汽還要為整個工廠和企 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，過路的 安全、可靠、穩(wěn)定運行，對工廠、企業(yè)的正常運行

6、和員工的生活、工作、學習等 具有重大意義。A、鍋爐給燃料氣介紹：燃料氣煤來源于工廠的儲灌，由于儲罐的壓力不穩(wěn)， 燃燒時產(chǎn)生的熱量變化也就很頻繁。因此設計的燃燒控制系統(tǒng)要能及時地消除由 于燃料氣壓力變化不均等因素所引起的燃料方面的擾動， 而應用所學知識， 采用 壓力信號的燃燒控制系統(tǒng)可以有效滿足上述要求。B 鍋爐給水介紹： 該工廠的給水來自于工廠的自備水庫， 通過給水泵將水 從水庫里抽出，由給水管道， 經(jīng)給水閥門沿給水管道進入鍋爐的汽包中。 由于給 水泵是三相電動機拖動水泵運行， 而工廠一帶的電網(wǎng)電壓、 頻率波動較大， 為了 維持汽包水位穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)，需對汽包水位控制系統(tǒng)進行精密設計，使控制

7、 信號驅(qū)動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：用作鍋爐過熱蒸汽的減溫水來自于該工廠的某一生產(chǎn) 線產(chǎn)生的清潔溫水， 約 20C左右， 由于生產(chǎn)線溫水儲備箱中的溫水由減溫水泵 抽出， 通過減溫水電磁閥門，沿減溫水管道進入減溫器， 對過熱蒸汽減溫。 同樣， 由于工廠附近的電壓、頻率擾動，對減溫水的流量造成擾動，另外，由于蒸汽經(jīng) 過過熱器會造成時間上的延遲，因此要及時有效的控制蒸汽溫度，必須克服減溫 水泵的轉(zhuǎn)速擾動和過熱器的時間延遲。 結合所學理論知識，經(jīng)過分析，用串級控 制系統(tǒng)對蒸汽溫度進行控制能滿足要求。4D 本鍋爐控制系統(tǒng)的控制任務：穩(wěn)定過熱蒸汽的溫度、

8、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)濟燃燒。2、控制方案的選擇5圖 4 汽包三沖量水位控制系統(tǒng)框圖選用三沖量控制系統(tǒng)的原因：單沖量控制系統(tǒng)是以汽包水位測量信號為唯一 的控制信號，該方法結構簡單，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，減少了由于 虛假水位”帶來的變化影響，但控制作 用不能及時克服給水流量的擾動，當給水發(fā)生擾動時，要等到汽包水位信號變化 時才能調(diào)節(jié)執(zhí)行器，滯后時間較長。因此本設計中的鍋爐采用三沖量控制系統(tǒng)，即調(diào)節(jié)系統(tǒng)接受三個調(diào)節(jié)信號 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 串級控制上， 引入了前饋控制，構成串

9、級一前饋復合控制系統(tǒng)。2.3過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)減溫器62.4蒸汽溫度控制系統(tǒng)原理圖及框圖十I蠱1W刪棕創(chuàng)瞬圖七蒸汽溫度控制系統(tǒng)框圖過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)常采用減溫水流量作為操縱變量， 但由于控制通道的 時間常數(shù)及純滯后均較大，組成單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)的要求， 因此, 可采用如圖 7 所示的串級控制系統(tǒng)，以減溫器出口溫度為副參數(shù)，可以提高對過 熱蒸汽溫度的控制質(zhì)量。2.5鍋爐燃燒過程的控制燃燒系統(tǒng)是一個燃料量、送風量、引風量、主蒸汽煙氣含氧量、爐膛負壓以 及燃料的質(zhì)量和空氣含氧量等干擾因素對燃燒系影響，而且存在很強的耦合性。 可以將鍋爐燃燒系統(tǒng)視為三輸入三輸出系入量為燃料量、送風量和引

10、風量；輸出量為主蒸汽壓力、煙氣含氧量和爐膛 。1、蒸汽壓力控制系統(tǒng)，依據(jù)蒸汽壓力的變化來控制燃料量 ；第一過熱器減溫器第二過熱器72、 2、 爐膛負壓控制系統(tǒng)， 一般情況下可以根據(jù)爐膛負壓來控制煙道的翻板或 引風機的轉(zhuǎn)速，以達到穩(wěn)定爐膛負壓的要求，這里設置了一個前饋（蒸汽壓力控 制器的輸出，反映燃料量也即空氣量）與爐膛負壓反饋控制的復合控制系統(tǒng)。3、如果燃料控制閥閥后壓力過高，可能會引起脫火的危險，由過壓控制器P2C 通過低選器 LS 來控制燃料控制閥，以防止脫火；4、如果燃料控制閥閥后壓力過低，可能導致回火的危險，由 PAL 系統(tǒng)帶動 聯(lián)鎖裝置，將燃料控制閥的上游控制閥截斷，切斷發(fā)燃料量的供

11、給。3、控制系統(tǒng)設計3.1系統(tǒng)控制參數(shù)確定3.1.1主變量的選擇串級控制系統(tǒng)選擇主變量時要遵循以下原則：在條件許可的情況下，首先應 盡量選擇能直接反應控制目的的參數(shù)為主變量；其次要選擇與控制目的有某種單 值對應關系的間接單數(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)中選擇送入負荷設備的出口蒸汽溫度作為主變量。該參數(shù)可直接反應控制目的。3.1.2副變量的選擇副回路的設計質(zhì)量是保證發(fā)揮串級系統(tǒng)優(yōu)點的關鍵。 副變量的選擇應遵循以下原則：1應使主要干擾和更多的干擾落入副回路；2應使主、副對象的時間常數(shù)匹配；3應考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟型 綜合以上原則，選擇減溫器和過

12、熱器之間的蒸汽溫度作為副變量。3.1.3操縱變量的選擇工業(yè)過程的輸入變量有兩類：控制變量和擾動變量。其中，干擾時客觀存在的，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)定運行的因素。操縱變量的基本原則為：81選擇對所選定的被控變量影響較大的輸入變量作為操縱變量；2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；3在的基礎上選擇對被控變量作用效應較快的輸入變量作為控制變量，使控制系統(tǒng)響應較快；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)行機構，是按照控制器所給定的信號大小和 方向，改變閥的開度

13、，以實現(xiàn)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管線的總壓降中占有較大的比 例。調(diào)節(jié)閥的開、關形式需要考慮到以下幾種因素：1生產(chǎn)安全角度：當氣源供氣中斷，或調(diào)節(jié)閥出故障而無輸出等情況下， 應該確保生產(chǎn)工藝設備的安全，不至發(fā)生事故；2保證產(chǎn)品質(zhì)量：當發(fā)生控制閥處于無源狀態(tài)而恢復到初始位置時，產(chǎn)品 的質(zhì)量不應降低；3盡可能的降低原料、產(chǎn)品、動力損耗；4從介質(zhì)的特點考慮。綜合以上各種因素，在鍋爐過熱蒸汽控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥選擇氣開閥。調(diào)節(jié)閥的流量特性的選擇，在實際生產(chǎn)中常用的調(diào)節(jié)閥有線性特性、對數(shù)特 性和快開特

14、性三種，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，它接受控制器來的信號作為輸入信號， 并以其輸出信號去控制調(diào)節(jié)閥， 同時 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成一個閉環(huán)隨動系統(tǒng)，閥門 定位器可以消除閥膜頭和彈簧的不穩(wěn)定以及各運動部件的干摩擦， 從而提高調(diào)節(jié) 閥的精度和可靠性， 實現(xiàn)準確定位； 閥門定位器增大了執(zhí)行機構的輸出功率， 減 少了系統(tǒng)的傳遞滯后， 加快閥桿的移動速度； 閥門定位器還可以改變調(diào)節(jié)閥的流 量特性。4、報警系統(tǒng)設計本報警系統(tǒng)由檢出元件、信號報警器、音響器、按鈕等組成。主要的控制參 數(shù)有汽包水位、蒸

15、汽壓力、蒸汽溫度、爐膛負壓等，本設計所設計的是具有聲音9和閃光的報警系統(tǒng)。當汽包水位、蒸汽壓力、蒸汽溫度、爐膛負壓等過程參數(shù)發(fā) 生越限時，檢測元件檢測到這個信號后， 就會發(fā)出信號， 并將其送到信號報警系 統(tǒng)，報警系統(tǒng)發(fā)出聲音和閃光信號， 以便現(xiàn)場操作人員及時得知后報警信號， 及 時按下消音按鈕，并采取一定的措施之后， 使鍋爐過程參數(shù)恢復到安全范圍之內(nèi)， 燈光熄滅 . 另外還設置了故障報警：送風機故障報警、引風機故障報警、給水泵 故障報警、循環(huán)泵故障報警、減溫水泵故障報警、送燃料機故障報警等。聲光報 警裝置由揚聲器和指示燈組成。5、總結本設計是在結合使所學的過程控制系統(tǒng)與自動化儀表技術和計算機控

16、制技 術，聯(lián)系工廠實際客觀情況的基礎上， 對該工廠的鍋爐控制系統(tǒng)進行的設計。 設 計中把整個鍋爐控制系統(tǒng)分為三個子系統(tǒng)分別設計： 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)。在對鍋爐設備充分了解的基礎上包括對鍋爐的結 構、組成、 工作過程以及鍋爐性能參數(shù)等，對各個子系統(tǒng)被控對象正確確定和合 理分析之后，提出了自己的設計方案，進而確定控制規(guī)律、傳感器、變送器、執(zhí) 行器的選擇，最后還對調(diào)節(jié)器進行了參數(shù)整定。整體上看，本次設計是可以的， 在工廠現(xiàn)有條件下，基本上能實現(xiàn)對鍋爐的自動化調(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， 而許多先進的控制理論和方案沒有涉及； 關于設計中的參數(shù)整定問 題，由于自己操作不熟練、試驗設備的精度、不能到工業(yè)現(xiàn)場調(diào)試等原因，整定 的參數(shù)可能會不很準確；對于變送器、傳感器、執(zhí)行器的選擇，本人