69过程控制课程设计报告

-1-过程控制工程课程设计题目：工业锅炉控制系统设计院系：机电学院专业：自动化班级：姓名:学号：指导教师：-2-目录一、概述-----------------------------------------------------------------------3二、工业锅炉控制系统的基本任务和要求--------------------------------------------32．1给水控制系统----------------------------------------------------------------32．2过热蒸汽温度的调节系统------------------------------------------------------42．3燃烧调节系统----------------------------------------------------------------42．4锅炉的主要设计参数----------------------------------------------------------4三、工业锅炉自动控制系统方案的设计----------------------------------------------53．1给水控制系统----------------------------------------------------------------53．1．1锅炉汽包给水控制对象的特点3．1．2锅炉汽包给水控制对象的动态特性3．1．3测量给水控制系统仪表的选择3．1．4给水控制系统的设计3．1．5给水控制系统的工作原理及SAMA图3．2过热蒸汽温度的调节系统-----------------------------------------------------103．2．1过热蒸汽温度的调节系统对象的动态特性3．2．2测量过热蒸汽温度仪表的选择3．2．3过热蒸汽温度的调节系统的设计3．2．4过热蒸汽温度串级控制系统的工作原理3．3燃烧调节系统---------------------------------------------------------------123．3．1燃烧调节系统的对象动态特性3．3．2测量燃烧调节系统仪表的选择3．3．3燃烧调节系统的设计3．3．4燃烧控制系统的工作原理及炉膛负压子系统的SAMA图四、锅炉的报警系统-------------------------------------------------------------15五、设计小结-------------------------------------------------------------------16六、参考文献------------------------------------------------------------------16-3-一、概述工业锅炉的生产任务是根据用户的要求，产生具有一定参数（温度和压力）的蒸汽或热水。为了满足用户的要求以及保证锅炉本身运行的安全性和经济性，工业锅炉主要有以下五项调节任务[2]：（1）保持汽包中的水位在规定范围内；（2）保持燃烧的经济性和保证锅炉运行的安全性；（3）保持炉膛负压在规定范围内；（4）使锅炉蒸发量迅速适应用户的需要；（5）稳定蒸汽或热水的温度和压力。工业锅炉自动控制主要包括以下4个方面：（1）自动检测自动地检查和测量反映锅炉运行情况的参数和设备状态，如给水流量、蒸汽流量、炉膛负压、蒸汽压力、排烟温度、锅炉水位等。（2）程序控制使锅炉的起动、停止以及正常运行等一系列操作自动化，程序是根据操作顺序和条件编制的，如燃油锅炉是按先起动鼓风机、再起动油泵、点火和主油阀的顺序进行的。（3）自动保护可以分为以下几种保护：（a）联锁保护（b）限值保护（c）紧急保护（d）指示和报警（4）自动调节锅炉的一些被调参数应自动地适应运行条件的变化，使锅炉保持在所要求的工况下运行。二、工业锅炉控制系统的基本任务和要求2．1给水控制系统给水控制系统的任务是保证汽包水位在容许的范围内，并兼顾锅炉的平稳运行。被调量是汽包水位，调节量是给水流量，它主要考虑汽包内部物平平衡，使水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许范围内。锅炉在低负荷（30%额定负荷）运行时，使用单冲量给水控制系统；当锅炉负荷大于30%额定负荷时，自动切换为串级三冲量控制系统。为使水位信号测量更为准确，对水位信号要求通过汽包压力Pb进行修正。2．2过热蒸汽温度的调节系统-4-汽温控制主要是过热汽温控制。其基本任务是维持过热器出口温度在允许范围之内，并保证管理温度不超过允许工作温度，要求采用串级控制。由于大型锅炉的过热器是在接近过热器金属的极限温度的条件下运行的，金属管强度的安全系数不大，过热蒸汽温度过高会降低金属管的强度，影响设备的安全；而温度过低又会使热效率下降。同时过热蒸汽温度也是影响安全生产的重要因素，维持过热蒸汽温度相对稳定显得极为重要。2．3燃烧调节系统锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是既要提供适当的热量以适应蒸汽负荷的需要，又要保证燃烧的经济性和运行的安全性，即使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要；使燃料量与空气量之间保持一定比例，以保证经济燃烧，使引风量与送风量相适应，以保证炉膛负压稳定。为此设置了如下三个相互关联控制系统。（1）主蒸汽压力与流量的串级调节系统以主被调量为出口蒸汽压力PM，副被调量为燃料流量所组成的串级调节系统。这系统带有燃料阀后压力选择性调节。为保证燃烧器的正常运行，当燃烧器前（调节阀后）的压力PBM低于某数值时，压力调节器PC发出大信号，通过高值选择器的切换动作，取代正常工况的蒸汽压力调节器去控制燃料调节阀，从而使PBM保持在一定数值，不致过低而产生熄火。当锅炉带固定负荷时，锅炉负荷由定值器给定。此时，燃料流量决定于定值器的输出信号，而与汽压调节器的输出无关。（2）以烟气含氧量作为燃烧经济性指标，送风调节是以烟气含氧量为主被调量，而以风量F（风量信号经风温度校正）为副被调量的串级调节系统。烟气含量的定值随锅炉负荷改变。（3）带有送风调节器的输出为前馈信号，以炉膛负压Pf为被调节量，引风量为调节量的前馈-反馈复合调节系统。为了保证燃料在动态过程中完全燃烧，在系统中应用高值选择器1和低值选择器2以实现加负荷时先加风，后加燃料，减负荷时先减燃料后减风。为了消除蒸汽流量、空气流量、锅炉汽包水位和炉膛负压等被测信号的脉动，可采用阻尼器f(t)以平滑高频脉动干扰，使整个控制系统工作平稳。2．4锅炉的主要设计参数最大连续蒸发量：35t/h主蒸汽压力：3900kPa主蒸汽温度：450℃省煤器进口给水温度150℃热风温度160℃冷风温度30℃排烟温度：140℃锅炉设计效率：85.7%三、工业锅炉自动控制系统方案的设计-5-3．1给水控制系统3．1．1锅炉汽包给水控制对象的特点影响锅炉汽包水位的因素很多，不仅受到给水量（锅炉的输入量）和蒸汽量（流出量）之间平衡关系的影响，同时还要受到汽水循环管路中汽水混合物内汽水容积变化的影响。因为锅炉汽包中的液位H值不仅反映了汽包（包括水循环的管路）中的蓄水容积，也反映了水面下汽泡的容积。水面下汽泡的容积又和锅炉的负荷和蒸汽的压力有关。所以影响锅炉汽包水位变化的因素是很多的，概括起来有四个方面[2]：一是给水方面的扰动，包括给水母管压力的变化和给水调节阀开度的变化；二是蒸汽负荷的变化；三是燃料量的变化，还包括影响燃料发热量变化的种种因素；四是汽包压力变化，压力变化对汽包水位的影响是通过汽包内部汽水系统的“自凝力”和自“蒸发力”过程起作用的。工业锅炉汽水系统结构图如图1-1所示。汽包及蒸发管系中贮藏着蒸汽和水，贮藏量的多少是以被控制量水位表征的，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。引起水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。如果只考虑主要扰动，那么汽包水位调节对象的动态特性可表示为：（3-1）式中h——汽包水位的高度；TW——给水流量项的时间常数，s；TD——蒸汽流量项的时间常数，s；KW——给水流量项的放大系数；KD——蒸汽流量项的放大系数；D——锅炉蒸汽流量，kg/s；W——锅炉给水流量，kg/s；-6-T1、T2——时间常数，s.；3．1．2锅炉汽包给水控制对象的动态特性3．1．2．1汽包水位在给水流量作用下的动态特性如果蒸汽负荷不变，给水流量产生变化时，汽包水位调节对象运动方程式可以表示为：（3-2）将上列微分方程式两边进行拉氏变换后可得到下式：（3-3）从上式中，可以得到汽包水位调节对象在给水流量作用下的传递函数：（3-4）在工程上，对于中压以下的锅炉，给水流量项的时间常数一般较小，常常可以忽略不计，因此上式可以简化为：（3-5）式中称为反应速度，即给水流量改变单位流量时水位的变化速度。-7-3．1．2．2汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性在给水量不变化的情况下，当负荷蒸汽量发生阶跃变化时，汽包水位调节对象的动态特性微分方程式，可以从（3-1）式导出：（3-6）对微分方程式进行拉氏变换得：（3-7）所以，在蒸汽流量扰动下汽包水位调节对象的传递函数为：（3-8）上式化简可看作两个动态环节的并联组成，即：（3-9）式中因此，在蒸汽流量扰动下，汽包水位调节的动态特性曲线如图2-2所示。3．1．2．3汽包水位在燃料量扰动下的动态特性汽包水位在燃料量B扰动下的响应曲线如图2-3所示。-8-当燃料量增加时，锅炉的吸热量增加，蒸发量增大，如果用汽量不增大，则随着汽包压力的增大，汽包输出蒸汽量也增大，于是蒸发量大于给水量，暂时产生了汽包进出口工质流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容积增大，此时也会出现虚假水位现象，但由于燃烧率的增加也将同时导致汽包压力的上升，它会使汽包体积减小，另外由于热惯性，燃料量的增加只使蒸汽量D缓慢增加，故虚假水位现象要比D扰动下缓和得多。3．1．3测量给水控制系统仪表的选择3．1．3．1测量给水流量仪表的确定在给水控制系统中，调节量是给水流量，流量的测量和控制是一个重要热工参数。流体的流量直接反映设备效率、负荷高低等运行情况。因此连续测量和监测流体的流量对于热力设备的安全、经济运行有着重要意义。流量测量的方法很多，在工业锅炉中所用的流量仪表[3]可归纳为三大类：（1）容积式流量计其共同特点是：都有一个精密的、已知体积大小的测量腔室。按运动部件的形状不同，有椭圆齿轮流量计，腰轮流量计和刮板流量计等。（2）速度式流量计包括了除容积式流量计以外的其他各种工作原理的流量测量仪表。其共同特点是：它们都是利用某一物理参数与流体的速度或体积流量之间的对应关系来实现流量测量的。（3）质量式流量计其输出信号不受由于流体压力、温度等参数改变引起的流体密度变化的影响，其测量准确度有很大的提高。3．1．3．2测量汽包水位仪表的确定工业锅炉生产过程中，汽包水位准确的测量和控制，对于锅炉的安全运行极为重要。汽包水位过高或过低，都将引起蒸汽品质变坏或水循环恶化，甚至造成严重事故。在给水控制系统中，被调量是汽包水位。常用的水位测量仪表及变送器有差压式水位计、电接点水位计和电极式水位控制器等。3．1．4给水控制系统的设计根据汽包锅炉给水控制对象的动态特性的特点，我们可以提出确定给水控制系统结构的一些基本思想：-9-（1）由于对象的内扰动态特性存在一定的延迟和惯性，所以给水控制系统若采用以水位为被调量的单回路控制系统，则控制过程中水位将出现教大的动态偏差，给水流量波动较大。因此，对给水内扰动态特性迟延和惯性大的锅炉应考虑采用串级或其他控制方案。（2）由于对象在蒸汽负荷扰动（外扰）时，有“虚假水位”现象。因此给水控制若采用以水位为被调量的单回路系统，则在扰动的初始阶段，调节器将使给水流量向与负荷变化方向相反的方向变化，从而扩大了锅炉进、出流量的不平衡。串级三冲量控制系统流程图2-4串级三冲量控制系统原理方框图2-5从结构上看:是一个前