鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PAGE1 武漢工程大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書課題名稱：鍋爐裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí)：************學(xué)生學(xué)號(hào)：******學(xué)生姓名：**學(xué)生成績(jī)：指導(dǎo)教師：*****課題工作時(shí)間：2012.12.17至2012.12.21武漢工程大學(xué)教務(wù)處填寫說明：1.表中第一、二、三、六項(xiàng)由指導(dǎo)教師填寫；第四、五兩項(xiàng)由學(xué)生填寫。2.表中第一、二、三在在課程設(shè)計(jì)開始前填寫，第四、五、六項(xiàng)在課程設(shè)計(jì)完成后填寫。3.本表格填寫完整后連同正文裝訂成冊(cè)。一、課程設(shè)計(jì)的任務(wù)或?qū)W年論文的基本要求任務(wù)：完成鍋爐裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。包括熟悉鍋爐裝置工作要求，確定系統(tǒng)方案。合理選擇控制設(shè)備型號(hào)及規(guī)格，編制設(shè)備表。完成相關(guān)圖紙的設(shè)計(jì)。編制設(shè)計(jì)說明書。要求：控制方案合理、控制設(shè)備選型合理，圖紙符合有關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。具體內(nèi)容包括設(shè)計(jì)說明書，包括鍋爐裝置工藝說明相關(guān)控制系統(tǒng)說明自控設(shè)備選型（計(jì)算）說明自控設(shè)備表一覽表設(shè)計(jì)圖紙（圖紙符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)），包括儀表管道流程圖（PID）儀表盤正面布置圖儀表盤背面電氣接線圖二、進(jìn)度安排1～2收集查閱資料，熟悉鍋爐裝置操作要求確定系統(tǒng)控制方案及選型原則3～4熟悉相關(guān)圖紙標(biāo)準(zhǔn)、繪制流程圖設(shè)備選型、編制設(shè)備一覽表，繪制布置圖及接線圖5設(shè)備計(jì)算撰寫設(shè)計(jì)說明書、答辯三、參考資料或參考文獻(xiàn)產(chǎn)品手冊(cè)及選型樣本楊三青，王仁明，曾慶山.過程控制.華中科技大學(xué)出版社.2008孫洪程等.過程自動(dòng)化工程.機(jī)械工業(yè)出版社.2010孫洪程，李大宇.過程控制工程設(shè)計(jì).化學(xué)工業(yè)出版社.2009譚天恩，竇梅，周明華等.化學(xué)工業(yè)出版社.2006指導(dǎo)教師簽字：年月日教研室主任簽字：年月日四、課程設(shè)計(jì)摘要（中文）本次設(shè)計(jì)中，我們選取的被控對(duì)象為工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的自然循環(huán)鍋爐。根據(jù)工藝流程指標(biāo)及其控制要求，本次設(shè)計(jì)采用反饋控制方案來控制煙氣含氧量、排煙溫度、蒸汽溫度、汽包水位、爐膛壓力、燃料氣壓、除氧器壓力及其液位。另外，考慮到安全因素，本次設(shè)計(jì)還采用了串級(jí)控制方案，以蒸汽壓力為主變量、汽包壓力為副變量，來滿足對(duì)蒸汽壓力的控制。根據(jù)控制方案及控制要求，本次設(shè)計(jì)還完成了自控設(shè)備的選型和工藝管道流程圖的相關(guān)設(shè)計(jì)內(nèi)容。關(guān)鍵字：鍋爐；反饋控制；串級(jí)控制五、課程設(shè)計(jì)摘要（英文）Inthedesignthecontrolledobjectwechooseisadevicewhichiswidelyusedinthenaturalcirculationofindustrialfield.Thefeedbackcontrolschemeisadoptedtosatisfythecontrolrequirementsoftheoxygencontentofthefluegas,smoketemperature,steamtemperature,steamdrumwaterlevelofboiler,furnacepressure,fuelpressure,deaeratorpressureanditsliquidlevelaccordingtotheprogress.Inaddition,thecascadecontrolschemeisalsoadoptedtomeettherequirementofthesteampressurewiththesteampressureasmainvariablesandthedrumpressureasassistantvariable,consideringsecurity.TheselectionoftheautomationequipmentsandthePIDarealsocompletedinthisdesign.Keywords:Boiler;Feedbackcontrol;Cascadecontrol六、指導(dǎo)教師評(píng)分評(píng)價(jià)內(nèi)容具體要求權(quán)重得分調(diào)查論證能獨(dú)立查閱文獻(xiàn)和從事其他調(diào)研；能提出并較好地論述課題的實(shí)施方案；有收集、加工各種信息及獲得新知識(shí)的能力。10實(shí)踐能力獨(dú)立設(shè)計(jì)、計(jì)算、繪圖的能力（課程設(shè)計(jì)）；能正確選擇研究（實(shí)驗(yàn)）方法，獨(dú)立進(jìn)行研究的能力（學(xué)年論文）15分析解決問題能力能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能去發(fā)現(xiàn)與解決實(shí)際問題（課程設(shè)計(jì)）；或能對(duì)課題進(jìn)行理論分析，得出有價(jià)值的結(jié)論（學(xué)年論文）。15工作量、工作態(tài)度按期圓滿完成規(guī)定的任務(wù)，工作量飽滿，難度較大，工作努力，遵守紀(jì)律；工作作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)。10質(zhì)量綜述簡(jiǎn)練完整，有見解；立論正確，論述充分，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理（或設(shè)計(jì)過程完整，設(shè)計(jì)內(nèi)容完全）；文字通順，技術(shù)用語準(zhǔn)確，符號(hào)統(tǒng)一，編號(hào)齊全，書寫工整規(guī)范，圖表完備、整潔、正確；論文（設(shè)計(jì)）結(jié)果有參考價(jià)值。40外語和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力在課程設(shè)計(jì)或?qū)W年論文中，能夠體現(xiàn)外語和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用能力。5創(chuàng)新工作中有創(chuàng)新意識(shí)；對(duì)前人工作有改進(jìn)或獨(dú)特見解。5綜合評(píng)語指導(dǎo)教師簽字：年月日七、答辯記錄記錄人（簽字）：年月日答辯意見及答辯成績(jī)答辯小組教師（簽字）：年月日課程設(shè)計(jì)總評(píng)成績(jī)：（指導(dǎo)教師評(píng)分×80%+答辯成績(jī)×20%）目錄1.鍋爐流程 11.1工藝流程介紹 11.2工藝過程簡(jiǎn)介 21.3儀表及操作設(shè)備說明 32.控制要求及操作步驟 42.1主要控制要求 42.2主要操作步驟與運(yùn)行指標(biāo) 43.控制系統(tǒng)說明 63.1煙氣含氧量的控制 63.2煙氣溫度的控制 73.3蒸汽溫度的控制 73.4蒸汽壓力的控制 73.5爐膛壓力的控制 73.6燃料氣壓的控制 83.7除氧器的壓力的控制 83.8除氧器的液位的控制 83.9汽包水位的控制 94.自控設(shè)備的選型及其計(jì)算 94.1檢測(cè)類儀表 94.2分電盤的選型 104.3調(diào)節(jié)閥的選型 105.設(shè)計(jì)施工圖說明 115.1儀表管道流程圖（見附錄1） 115.2儀表盤正面布置圖（見附錄2） 115.3儀表盤背面電氣接線圖（見附錄3） 11附錄1 12附錄2 13附錄3 14PAGEPAGE15 1.鍋爐流程1.1工藝流程介紹所選被控對(duì)象為工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的自然循環(huán)鍋爐。經(jīng)處理的軟化水進(jìn)入除氧器V1101上部的除氧頭，進(jìn)行熱力除氧，除氧蒸汽由除氧頭底部通入。除氧的目的是防止鍋爐給水中溶解有氧氣和二氧化碳，對(duì)鍋爐造成腐蝕。熱力除氧是用蒸汽將給水加熱到飽和溫度，將水中溶解的氧氣和二氧化碳放出。在除氧器V1101下水箱底部也通入除氧蒸汽，進(jìn)一步去除軟化水中的氧氣和二氧化碳。除氧后的軟化水經(jīng)由上水泵P1101泵出，分兩路，其中一路進(jìn)入減溫器E1101與過熱蒸汽換熱后，與另外一路混合，進(jìn)入省煤器E1102。進(jìn)入減溫器E1101的鍋爐上水走管程，一方面對(duì)最終產(chǎn)品（過熱蒸汽）的溫度起到微調(diào)（減溫）的作用，另一方面也能對(duì)鍋爐上水起到一定的預(yù)熱作用。省煤器E1102由多段盤管組成，燃料燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庾陨隙峦ㄟ^管間，與管內(nèi)的鍋爐上水換熱，回收煙氣中的余熱并使鍋爐上水進(jìn)一步預(yù)熱。被煙氣加熱成飽和水的鍋爐上水全部進(jìn)入汽包V1102，再經(jīng)過對(duì)流管束和下降管進(jìn)入鍋爐水冷壁，吸收爐膛輻射熱在水冷壁里變成汽水混合物，然后返回汽包V1102進(jìn)行汽水分離。鍋爐上汽包為臥式圓筒形承壓容器，內(nèi)部裝有給水分布槽、汽水分離器等，汽水分離是上汽包的重要作用之一。分離出的飽和蒸汽再次進(jìn)入爐膛F1101進(jìn)行汽相升溫，成為過熱蒸汽。出爐膛的過熱蒸汽進(jìn)入減溫器E1101殼程，進(jìn)行溫度的微調(diào)并為鍋爐上水預(yù)熱，最后以工藝所要求的過熱蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度輸送給下一生產(chǎn)單元。燃料經(jīng)由燃料泵P1102泵入爐膛F1101的燃燒器；空氣經(jīng)由變頻鼓風(fēng)機(jī)K1101送入燃燒器。燃料與空氣在燃燒器混合燃燒，產(chǎn)生熱量使鍋爐水汽化。燃燒產(chǎn)生的煙氣帶有大量余熱，對(duì)省煤器E1102中的鍋爐上水進(jìn)行預(yù)熱。1.2工藝過程簡(jiǎn)介軟化水流量為F1106，溫度為常溫20℃鍋爐上水流量為F1101，鍋爐上水管線上設(shè)有上水泵出口閥XV1101，上水管線調(diào)節(jié)閥V1101，以及旁路閥HV1101。鍋爐上水被分為兩路。一路進(jìn)入減溫器E1101預(yù)熱，預(yù)熱后與另外一路混合進(jìn)入省煤器E1102。兩路鍋爐上水管道上分別設(shè)有調(diào)節(jié)閥V1102和V1103。正常工況時(shí)，大部分鍋爐上水直接流向省煤器，少部分鍋爐上水流向減溫器，其流量為F1102。汽包V1102頂部設(shè)放空閥XV1104，汽包壓力為P1103。汽包中部設(shè)水位檢測(cè)點(diǎn)L1102。在汽包中通過汽水分離得到的飽和蒸汽溫度為T1102，經(jīng)過爐膛汽相升溫得到的過熱蒸汽溫度為T1103。過熱蒸汽進(jìn)入減溫器E1101，進(jìn)行溫度的微調(diào)。最終過熱蒸汽壓力為P1104，溫度為T1104，流量為F1105。過熱蒸汽出口管道上設(shè)調(diào)節(jié)閥V1105。燃料經(jīng)由燃料泵P1102泵入爐膛F1101的燃燒器，燃料流量為F1103，燃料壓力為P1101，燃料流量管線設(shè)調(diào)節(jié)閥V1104，燃料泵出口閥XV1102?？諝饨?jīng)由變頻風(fēng)機(jī)K1101送入燃燒器，變頻器頻率為S1101（被歸一化到0~100%之間），空氣量為F1104。省煤器煙氣出口處的煙氣流量為F1107，溫度為T1105。煙氣含氧量A1101設(shè)有在線分析檢測(cè)儀表。煙道內(nèi)設(shè)有擋板DO1101。爐膛壓力為P1102，爐膛中心火焰溫度為T1101，為紅外非接觸式測(cè)量，僅提供大致溫度的參考。1.3儀表及操作設(shè)備說明（1）檢測(cè)儀表位號(hào)檢測(cè)點(diǎn)說明單位位號(hào)檢測(cè)點(diǎn)說明單位AI1101煙氣含氧量%PT1101燃料壓力MPaFT1101鍋爐上水流量kg/hPT1102爐膛壓力MPaFT1102去減溫器的鍋爐上水流量kg/hPT1103汽包壓力MPaFT1103燃料流量kg/hPT1104過熱蒸汽壓力MPaFT1104空氣量m3/sPT1106除氧器壓力MPaFT1105過熱蒸汽流量kg/hTT1101爐膛中心火焰溫度℃FT1106軟化水流量kg/hTT1102汽水分離后的過熱蒸汽溫度℃FT1107煙氣流量kg/hTT1103進(jìn)入減溫器的過熱蒸汽溫度℃LT1101除氧器液位%TT1104最終過熱蒸汽溫度℃LT1102汽包水位%TT1105煙氣溫度℃（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)位號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說明位號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說明V1101鍋爐上水管線調(diào)節(jié)閥V1106軟化水管線調(diào)節(jié)閥V1102直接去省煤器的鍋爐上水管線調(diào)節(jié)閥PV1101除氧蒸汽管線調(diào)節(jié)閥V1103去減溫器的鍋爐上水管線調(diào)節(jié)閥S1101鼓風(fēng)機(jī)變頻器V1104燃料管線調(diào)節(jié)閥DO1101煙道擋板V1105過熱蒸汽管線調(diào)節(jié)閥（3）開關(guān)閥位號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說明位號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說明XV1101鍋爐上水泵出口閥/截止閥XV1104汽包頂部放空閥XV1102燃油泵出口閥/截止閥XV1106通入除氧器下水箱的除氧蒸汽管線閥（4）手操閥位號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說明HV1101鍋爐上水管線調(diào)節(jié)閥旁路閥2.控制要求及操作步驟2.1主要控制要求（1）生產(chǎn)指標(biāo)在過熱蒸汽產(chǎn)量穩(wěn)定的前提下，保證蒸汽的溫度與壓力達(dá)到工藝要求，并維持在允許的波動(dòng)范圍之內(nèi)。（2）安全指標(biāo)鍋爐汽包水位、除氧器水位、爐膛壓力、煙氣含氧量等與系統(tǒng)安全相關(guān)的指標(biāo)必須全程在允許范圍之內(nèi)。所有操作要保證有序進(jìn)行，工況要保持全程穩(wěn)定。各類生產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生的異常要充分予以考慮。（3）優(yōu)化指標(biāo)出于對(duì)效能、環(huán)境等因素的考慮，要求在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施中對(duì)能耗、碳排放等指標(biāo)予以充分考慮。2.2主要操作步驟與運(yùn)行指標(biāo)1、啟動(dòng)前閥位檢查檢查所有的閥門和開關(guān)都處于關(guān)閉狀態(tài)。2、除氧器投運(yùn)1)將軟化水管線調(diào)節(jié)閥V1106打開，手動(dòng)向除氧器充水，使液位指示達(dá)到400(mm)，并保持穩(wěn)定。開除氧器下水箱蒸汽管線閥XV1106加熱到100℃2)打開除氧蒸汽管線調(diào)節(jié)閥PV1101，將除氧器壓力升至1000mmH2O。3、鍋爐上水1)打開汽包放空閥XV1104。2)開啟上水泵出口閥XV1101，全開去省煤器鍋爐上水管線調(diào)節(jié)閥V1102。3)緩開給水調(diào)節(jié)閥的小旁路閥HV1101，手控上水（注意上水流量不得大于10t/h，因?yàn)樯纤^快，排氣不暢，會(huì)導(dǎo)致局部受壓，損壞設(shè)備）。待水位升至250mm，關(guān)閉旁路閥HV1101。4)調(diào)節(jié)V1101，使汽包水位達(dá)到300mm，并保持穩(wěn)定。5)調(diào)節(jié)PV1101，將除氧器壓力達(dá)到2000mmH2O，并保持穩(wěn)定。4、鍋爐點(diǎn)火升壓1)檢查汽包放空閥XV1104是否打開。2)全開煙道擋板DO1101，開啟風(fēng)機(jī)S1101通風(fēng)5分鐘，使?fàn)t膛不含可燃?xì)怏w。3)將煙道擋板DO1101調(diào)至20%左右。4)打開點(diǎn)火器，點(diǎn)燃開工燒嘴。5)打開油路截止閥XV1102，開調(diào)節(jié)閥V1104，投入主燃料系統(tǒng)。6)升壓過程應(yīng)緩慢平穩(wěn)，時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格控制不得小于10分鐘，以免過熱器管壁溫度急劇上升和對(duì)流管束脹口滲水等現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)蒸汽壓力達(dá)到1.5MPa時(shí)，關(guān)閉汽包放空閥XV1104。7)過熱蒸汽溫度達(dá)到400℃8)當(dāng)壓力升至3.6MPa之后，保持此壓力達(dá)到平穩(wěn)。5、鍋爐負(fù)荷提升1)檢查蒸汽溫度不低于420℃2)調(diào)整汽包水位為250~300mm。3)調(diào)整過熱蒸汽壓力在3.6~3.65MPa。4)緩慢開蒸汽管線調(diào)節(jié)閥V1105，約5%。5)調(diào)節(jié)蒸汽壓力達(dá)到3.8MPa，并保持穩(wěn)定。6)緩慢調(diào)節(jié)蒸汽管線調(diào)節(jié)閥V1105，提升燃燒負(fù)荷，使產(chǎn)汽量達(dá)到20t/h左右。7)檢查燃油管線調(diào)節(jié)閥V1104位于小開度，調(diào)節(jié)蒸汽管線調(diào)節(jié)閥V1105，使負(fù)荷提至35t/h。8)緩慢調(diào)節(jié)V1105繼續(xù)提升負(fù)荷，提升速度每分鐘不得超過3-5t/h，同時(shí)注意調(diào)節(jié)燃油管線調(diào)節(jié)閥V1104補(bǔ)充燃油量，直至負(fù)荷升至65t/h。9)調(diào)整蒸汽溫度達(dá)到440℃6、鍋爐正常運(yùn)行工況1)調(diào)整煙道擋板DO1101，使煙氣含氧量維持在2%左右。2)蒸汽溫度保持在(440±5)℃范圍內(nèi)。3)均衡進(jìn)水，保持正常水位，使給水量和蒸汽負(fù)荷達(dá)到平衡。汽包水位控制在(300±30)mm。4)過熱蒸汽壓力保持在(3.8±0.05)MPa范圍內(nèi)。5)給水壓力保持在4.8~5.5MPa。6)爐膛壓力小于400mmH2O。7)排煙溫度在200℃8)燃料氣壓力在0.29~0.31MPa。9)除氧器的壓力在(2000±100)mmH2O。除氧器的液位在(400±30)mm。3.控制系統(tǒng)說明3.1煙氣含氧量的控制（1）控制要求：煙氣含量維持在2%左右。（2）分析：煙道起初需要全開，故DO1011為氣關(guān)閥。氧氣含量↑→AT1101↑→AC1101（正作用）↑→DO1101（氣關(guān)閥）→氧氣含量↓（3）控制方案為：用AC1101通過擋板DO1101對(duì)煙氣含氧量實(shí)施反饋控制，2%對(duì)應(yīng)于AC1101的給定值。3.2煙氣溫度的控制（1）控制要求：排煙溫度在200℃（2）分析：V1102起初全開，故V1102為氣關(guān)閥。排煙溫度↑→TT1105↑→TC1105（反作用）↓→V1102（氣關(guān)閥）↑→軟化水從省煤器中帶帶走煙氣的熱量↑→排煙溫度↓（3）控制方案：用TC1105通過控制V1102的開度來控制軟化水的量，從而對(duì)排煙溫度實(shí)現(xiàn)反饋控制，200℃3.3蒸汽溫度的控制（1）控制要求：蒸汽溫度保持在(440±5)℃范圍內(nèi)。（2）分析：V1103起初全關(guān)，故V1103為氣開閥。蒸汽溫度↑→TT1104↑→TC1104（正作用）↑→V1103（氣開閥）↑→蒸汽溫度在減溫器中減小的溫度↑→蒸汽的溫度↓（3）控制方案：用TC1104通過控制V1103的開度來控制進(jìn)入減溫器的軟化水的量，從而對(duì)蒸汽溫度實(shí)現(xiàn)反饋控制，440℃3.4蒸汽壓力的控制（1）控制要求：過熱蒸汽壓力保持在(3.8±0.05)MPa范圍內(nèi)。（2）分析：V1105起初全關(guān)，故V1105為氣開閥。蒸汽壓力↑→PT1104↑→PC1104（正作用）↑→V1105（氣開閥）↑→蒸汽壓力↓汽包壓力↑→PT1103↑→PC1103（正作用）↑→V1105（氣開閥）↑→蒸汽壓力↓（3）控制方案：因?yàn)橐笳羝麎毫Ψ€(wěn)定，而考慮到汽包內(nèi)壓力過大會(huì)產(chǎn)生安全隱患，所以選取汽包壓力為副變量，PC1103為副調(diào)節(jié)器，蒸汽壓力為主變量，PC1104為主調(diào)節(jié)器，通過二者對(duì)V1105開度的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽壓力和汽包壓力的串級(jí)控制。3.8MPa對(duì)應(yīng)于主調(diào)節(jié)器PC1104的給定值，PC1104的輸出為PC1103的給定值。3.5爐膛壓力的控制（1）控制要求：爐膛壓力小于400mmH2O。（2）分析：選取S1101為氣關(guān)閥。爐膛壓力↑→PT1102↑→PC1102（正作用）↑→S1101（氣關(guān)閥）↓→爐膛壓力↓（3）控制方案：用PC1102通過控制S1101的開度來控制進(jìn)入爐膛的空氣的量，從未實(shí)現(xiàn)對(duì)爐膛壓力的反饋控制。PC1102給定值應(yīng)小于400mmH2O。3.6燃料氣壓的控制（1）控制要求：燃料氣壓力在0.29~0.31MPa。（2）分析：選取V1104為氣開閥，以節(jié)省燃料、降低安全隱患。燃料氣壓↑→PT1101↑→PC1101（正作用）↑→V1104（氣開閥）↑→燃料氣壓↓（3）控制方案：用PC1101通過控制V1104的開度來實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料氣壓的反饋控制，PC1101的給定值應(yīng)在0.29~0.31MPa范圍內(nèi)。3.7除氧器的壓力的控制（1）控制要求：除氧器的壓力在(2000±100)mmH2O。（2）分析：選取PV1101為氣關(guān)閥。除氧器的壓力↑→PT1106↑→PC1106（正作用）↑→PV1101（氣關(guān)閥）↓→除氧器的壓力↓（3）控制方案：用PC1106通過控制PV1101的開度來控制除氧蒸汽進(jìn)入除氧器的量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)除氧器的壓力的反饋控制。2000mmH2O對(duì)應(yīng)于PC1106的給定值。3.8除氧器的液位的控制（1）控制要求：除氧