锅炉出口蒸汽压力控制系统设计要点

中北大学课程设计说明书1目录1热电厂的生产工艺..................................................................……………………..11.1锅炉简介...................................................................................................………..11.2工艺流程简介………………………………………………………..…12锅炉蒸汽出口压力控制重要性................................................................................22.1控制重要性………………………………………………………………………..22.2控制要求…………………………………………………………………………..23锅炉出口压力控制系统的设计................................................................................33.1蒸汽出口压力分类………………………………………………………………..33.2蒸汽出口压力控制系统分析……………………………………………………..43.3燃烧控制基本控制方案……………………………………………………..........43.4控制系统方框图…………………………………………………………………..54控制方案及仪表的选型............................................................................................64.1蒸汽压力变送器选择……………………………………………………………..64.2燃料流量变送器的选用…………………………………………………………..64.3含氧量检测器……………………………………………………………………..74.4控制阀的选择..........................................................................................................85系统参数整定和仿真................................................................................................95.1PID参数对控制性能的影响....................................................................................95.2用试凑法确定PID控制器参数..............................................................................95.3系统的仿真.............................................................................................................................106课程设计总结..........................................................................................................12参考文献中北大学课程设计说明书21热电厂的生产工艺1.1锅炉简介锅（汽水系统）：由省煤器、汽包（汽水分离器）、下降管、联箱、水冷壁，过热器和再热器等设备及其连接管道和阀门组成。炉（燃烧系统）：由炉膛、燃烧器、点火装置、空气预热器、烟风道及炉墙，构架等组成.锅炉是工业生产过程中必不可少的重要动力设备。它通过煤、油、天然气的燃烧释放出的化学能，通过传热过程把能量传递给水，使水变成水蒸气。这种高压蒸汽即可以作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发过程的能源，又可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动透平的动力源。随着石油化学工业生产规模的不断扩大，生产过程不断强化，生产设备的不断更新，作为全厂动力和热源的锅炉，亦向着高效率，大容量发展。为确保安全，稳定生产，对锅炉设备的自动控制就显得十分重要1.2工艺流程简介热电厂是利用煤和天然气作为燃料发电，产汽的，这也是目前世界上主要的电能生产方式。给水经给水泵、给水控制阀、省煤器进入锅炉的汽包，燃料和热空气按一定的比例送入燃烧室内燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds。然后经过热器，形成一定气温的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。压力为Pm的过热蒸汽，经负载设备控制供给负荷设备用。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，排到大气。图1.2给出了一个20T/h工业燃煤锅炉工艺流程图。中北大学课程设计说明书3调节阀减温器炉膛燃烧嘴热空气燃料省煤器炉墙热空气送往炉膛空气预热器给水(由给水泵来)冷空气(由送风机来)烟气(由引风机送往烟囱)汽包DPMDS过热蒸汽送负荷设备过热器图1.220T/h工业燃煤锅炉工艺流程图2锅炉蒸汽出口压力控制重要性2.1控制重要性压力是热电厂的一个重要的参数，因为热电厂是靠蒸汽推动汽轮机转动，汽轮机是将蒸汽的能量转化为机械功的旋转式动力机械，又称蒸汽透平。蒸汽的压力会影响后面的整个工序，如果蒸汽的压力不够的话将是汽轮机无法正常工作。势必会影响到蒸汽机的寿命和厂子的效益。压力过高将可能导致锅炉超压运行。动力锅炉主要为炼油装置提供生产用蒸汽，若装置因紧急情况而突然减少或切断进汽，锅炉便会出现瞬时超压情况。在锅炉生产过程中，过热蒸汽温度是整个汽水通道中最高的温度。过热器温度过高将导致过热器损坏，同时还会危及汽轮机的安全进行，甚至出现爆炸等极端的事故。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，形成一点观其文的过热蒸汽，再汇集到蒸汽母管。过热蒸汽经负荷设备控制，供给符合设备使用，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，最后经引风送往烟囱，排入大气。蒸汽压力对象的主要干扰是燃料量的波动与蒸汽负荷的变化。当燃料流量和蒸汽负荷变动较小时，可采用利用蒸汽压力来调节燃料量的单回路控制系统，主蒸汽压力控制系统的主要目的是维持主蒸汽压力恒定，因此主蒸汽压力能否准确测量直接关系到控制质量的优劣。合理的选择压力变送器在设计中有关键作用蒸汽压力变送器将测量信号转换为标准统一信号DC4~20mA电流输出送到控制器。2.2控制要求锅炉是全厂重要的动力设备，其要求是供给合格的蒸汽，使锅炉发热量适应负荷的需要。中北大学课程设计说明书4为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制。锅炉设备的主要控制要求如下。（1）供给蒸汽量适应负荷变化需求或保持给定负荷。（2）锅炉供给用汽设备的蒸汽压力应保持在一定范围内。（3）过热蒸汽温度应保持在一定范围内。（4）汽包水位保持在一定范围内。（5）保持锅炉燃烧的经济性和安全运行。（6）炉膛负压保持在一定范围内。锅炉设备是一个复杂的控制对象，如图2.2所示，主要输入变量是锅炉给水量、燃料量、减温水量、送风量和引风量等；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（氧气含量等）。3锅炉出口压力控制系统的设计3.1蒸汽出口压力分类锅炉按其出口蒸汽压力分类：（1）低压锅炉出口蒸汽压力小于或等于2.45MPa的锅炉，其蒸汽温度多为饱和温度或不高于400℃。（2）中压锅炉出口蒸汽压力为2.94——4.90MPa的锅炉。我国电站锅炉现行的参数系列，中压锅炉出口蒸汽压力规定为3.83MPa，蒸汽温度为450℃。（3）高压锅炉出口蒸汽压力为7.84—10.8MPa的锅炉。我国电站锅炉现行参数系列，高压锅给水量减温水燃料量送风量引风量汽包水位蒸汽温度蒸汽压力过剩空气炉膛负压锅炉设备负荷图2.2锅炉控制对象中北大学课程设计说明书5炉出口蒸汽压力为9.81MPa,出口蒸汽温度多为540℃.（4）超高压锅炉出口蒸压力为11.8—14.7MPa的锅炉。我国电站锅炉现行参数系列，超高压锅炉出口蒸汽压力规定为13.7MPa，蒸汽出口温度为540℃,少数为555℃.（5）亚临界压力锅炉出口蒸汽压力为15.7—19.6MPa的锅炉。我国电站锅炉现行参数系列，亚临界压力锅炉出口蒸汽压力规定为16.7MPa，出口蒸汽温度为540℃或555℃,少数为570℃.（6）超临界压力锅炉出口蒸汽压力超过临界压力的锅炉。水蒸气的临界压力为22.1MPa。目前电站锅炉采用超临界压力多在于25——27MPa之间3.2蒸汽出口压力控制系统分析控制任务被控变量操纵变量锅炉蒸汽出口压力稳定燃烧过程的经济运行锅炉炉膛负压稳定蒸汽出口压力燃料量与送风量比值炉膛负压燃料量送风量抽风量表3.2蒸汽出口压力控制系统分析锅炉燃烧控制系统的基本任务是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷要求，同时保证锅炉的经济、安全运行。为适应蒸汽负荷的变化，应及时调节燃料量。为完全燃烧，应控制燃烧量与空气的比值，使过剩的空气系数满足要求，为防止燃烧过程中火焰或烟气外喷，应控制炉膛的负压。这三项控制任务互相影响，应消除或削弱它们的关联。此外，从安全考虑，需设置防喷嘴背压过低的回火和防喷嘴背压过高的脱火措施。3.3燃烧控制基本控制方案锅炉的燃烧控制对于锅炉的安全，高效运行和节能降耗都具有重要意义，其控制和管理随之也要求越来越高。燃料控制的任务在于进入锅炉的燃料量随时与蒸汽压力要求相适应。因为蒸汽压力是衡量锅炉热量平衡的标志，燃料又是影响蒸汽压力的主要因素，因此蒸汽压力可以作为燃料控制系统的被控变量。过热器出口、入口差压的大小与过热器流通阻力、蒸汽流量D有关，可用下式近似为：2DKPPgrMb（3.3-1）对上式两边取增量，为DdDKPPdgrMb2)(中北大学课程设计说明书6令2KgrD=Rgr，则上式写成如下形式：grMbRPPddD)(（3.3-2）式中)(MbPPd——压力变化增量（MPa）；dD——蒸汽变化增量（kg/s）；Rgr——过热器动态阻力（cm2/s）。Rgr的大小与D有关，随负荷增加而增加。将式（2—10）进行拉氏变换，得到环节3的传递函数：grMbRsPsPsDsW1)()()()(3（3.3-3）锅炉蒸汽压力是燃烧过程调节对象的主要被控变量，引起蒸汽压力变化的因素有很多，如燃料量，送风量，给水量，蒸汽流量以及各种使燃烧工况发生变化的原因。它受到的主要扰动分为内扰（燃料的变化）和外扰（蒸汽流量的改变）。由于每个系统的输入输出之间都有一定的系统延迟，即当输入变化的时候系统输出不能够马上反应其变化从而使系统的控制不及时。下面就系统的燃料变化，蒸汽压力之间，从系统的燃料变化后会引起系统的温度变化进而引起蒸汽压力变化期间存在时间延迟[1]。下面只对出现介于干扰的情况做个简单分析图3.3-1燃料量阶跃变化时，蒸汽压力反应曲线图3.3-2蒸汽流量阶跃变化时，蒸汽压力反应曲线3.4控制系统方框图中北大学课程设计说明书7图3.4控制系统方框图4控制方案及仪表的选型4.1蒸汽压力变送器选择蒸汽从锅炉经过管道到达蒸汽汽轮，其压力和温度会有所降低，但降低幅度不大，一般温度会下降2—4℃，压力会下降2—4%，可以近似的认为，锅炉提供的蒸汽温度和压力，与蒸汽汽轮机机组初参数相同。但我国目前尚有一些参数较低的火力发电机组仍在使用，包括高压参数、超高压参数机组。高压参数一般为：主蒸汽压力8-10MPa，温度500-540℃。超高压参数一般为：主蒸汽压力12-14MPa，温度500-54