200MW除氧器压力控制系统设计

课程设计用纸-1-摘要除氧器是将溶解在水中的有害气体尤其是水中的溶解氧从水中除去，以免这些有害气体进入锅炉系统造成热力设备腐蚀，从而影响锅炉系统的正常运作，所以除氧器在热力发电厂中起到了很重要的作用。为了保证除氧器能得到很好的除氧效果，必须采用恰当的控制算法。而之前的学者已对除氧器温度、水位控制进行了相关研究，本设计以除氧器为被控对象，采用传统PID控制算法设计了除氧器压力控制系统，充分利用了PID控制原理简单、使用方便、适用性强、具有抗干扰能力的优点。文中以PID控制算法为基础，通过PID参数整定，确定了最优控制参数，并采用MATLAB软件对PID控制进行了仿真研究，仿真结果表明PID控制能够满足超调量小、调节时间短的要求。同时对一次仪表进行了选型，并实现与DCS控制板I/O连接，最后利用组态软件进行组态硬件、软件及界面仿真，构成了一整套的集散控制系统。关键字：除氧器压力PID组态仿真集散控制系统教师批阅：课程设计用纸-2-ABSTRACTThedeaeratorisdissolvedinaharmfulgasinthewater,particularlythedissolvedoxygenthedissolvedoxygeninthewaterremovedfromthewater,toavoidtheseharmfulgasesintotheboilersystemcausingcorrosionofthermalequipment,therebyaffectingthenormaloperationoftheboilersystem,sodeaeratorinthethermalpowerplantsplayaveryimportantrole.Inordertoguaranteethedeaeratortogetgoodoxygenscavengingeffectmustadoptappropriatecontrolalgorithms.Beforescholarshavecarriedoutrelevantresearchonthethedeaeratortemperature,waterlevelcontrol,thedesigndeaeratorchargedobject,usingthetraditionalPIDcontrolalgorithmdesigndeaeratorpressurecontrolsystem,fulluseofthePIDcontrolprincipleissimpleEasytouse,applicability,advantagesofanti-jammingcapability.ItbasedonthePIDcontrolalgorithm,andthroughthePIDparameterswholesettodeterminetheoptimalcontrolparameters,alsousingMATLABsoftwarePIDcontrolcarriedoutasimulationstudy,thesimulationresultsshowthatthePIDcontrolbeabletomeetthesmallovershoot,adjusttheshorttimerequirements.Theprimaryinstrumentselection,andwithDCScontrolpanelI/Oconnections,andfinallytheuseofconfigurationsoftwaretoconfigurethehardware,softwareandinterfacesimulation,constituteasetofdistributedcontrolsystem.Keywords:thedeaeratorpressurePIDconfigurationsimulationDistributedControlSystem教师批阅：课程设计用纸-3-目录1绪论………………………………………………41.1锅炉除氧概述…………………………………41.2锅炉给水除氧现状……………………………51.3本设计的主要内容……………………………52热力除氧系统介绍………………………………52.1水中气体的溶解特性…………………………62.2除氧器的工作原理……………………………72.3热力除氧的途径………………………………73除氧器压力控制方案设计………………………73.1被控对象除氧器的数学模型…………………83.2PID控制的基本原理…………………………83.3控制方案的确立……………………………103.4除氧器压力控制系统的SAMA图……………114一次仪表选型及接线…………………………124.1一次仪表选型………………………………124.2I/O接线图……………………………………135热力除氧器压力控制系统仿真和分析…………145.1仿真环境Simulink……………………………145.2PID参数整定…………………………………145.3仿真结果建模…………………………………155.4仿真结果分析…………………………………166DCS组态设计……………………………………176.1工艺流程图……………………………………186.2DCS硬件组态图………………………………186.3组态软件图……………………………………206.4组态界面图……………………………………207心得和总结………………………………………21参考文献……………………………………………22附件教师批阅：课程设计用纸-4-1绪论1.1锅炉除氧概述在热力电站中，水在系统管道中循环，当水和某些气体或空气接触时就会有一些气体溶解到水中，这些被溶解的气体有氧(02)、氮(N2)、二氧化碳((C02)等等。这些气体中N2和02的存在使给水管道、省煤器以及锅炉等设备发生金属腐蚀，设备工作可靠性和使用寿命降低，同时随着温度的升高腐蚀作用也将大大加速。给水中的溶解氧通常是造成热力设备腐蚀的主要原因，将导致给水系统和锅炉本身在运行期间和停运期间的氧腐蚀。给水中的溶解氧，随水进入锅炉，完全消耗在金属腐蚀上，造成热力系统的严重腐蚀。因此为防止和减轻热力设备的氧腐蚀，保证热力设备安全经济运行，最重要的措施是对锅炉给水进行除氧处理。随着软化水处理技术的普及和发展，锅炉及供热系统中的除氧问题变得日益重要。每年因氧腐蚀而对锅炉及换热设备造成的严重损失，己引起人们越来越多的注意。国家标准《工业锅炉水质》GB1576-2001中规定，对于蒸汽锅炉，当额定蒸发量大于或等于6t/h时就应除氧。除氧器是火电机组给水加热系统中的主要设备之一。主要用来除去锅炉给水中的氧和二氧化碳等非凝结气体，以及用汽机低压侧抽汽及其他方面的余汽、疏水等。将锅炉给水加热至除氧器运行压力下的饱和温度，将符合含氧量标准的饱和水，储存于除氧器水箱中，随时满足锅炉的需要，以保证锅炉的安全运行。目前，常用的除氧方式以其除氧机理可分为物理方式和化学方式两大类。其中物理方式的理论基础为亨利定律，包括大气式热力除氧、真空除氧、解析除氧。化教师批阅：课程设计用纸-5-学方式的原理是使含氧水中的溶解氧与还原剂发生氧化还原反应，进而达到除去水中溶解氧的目的。1.2锅炉给水除氧现状目前我国的工业锅炉（含热水锅炉）中只有50～60%有除氧措施，除氧方式主要为热力除氧，其次为化学除氧，还有少部分采用真空除氧、解吸除氧及树脂除氧；因此很大一部分锅炉，特别是中小型低压锅炉没有除氧设备，能正常运行的除氧设备更是少数，这是因为炉外除氧设备不仅购置费用高、能耗高，而且不好操作，特别是对于用汽不均衡的单位，这些装置很难使用，从而从而造成除氧效果不佳，有的成了摆设，长期闲置，使锅炉设备和热力系统的氧腐蚀严重，影响了锅炉的使用寿命和安全运行。因此，锅炉水的除氧势在必行，应引起高度的重视。1.3本设计的主要内容基于上述现状，本设计以PID控制算法为基础，通过PID参数整定，确定了最优控制参数，并采用MATLAB软件对PID控制进行了仿真研究，仿真结果表明PID控制能够满足超调量小、调节时间短的要求。同时对一次仪表进行了选型，并实现与DCS控制板I/O连接，最后利用组态软件进行组态硬件、软件及界面仿真，构成了一整套的集散控制系统。2热力除氧系统介绍前面己提到，热力除氧器主要是用来除去锅炉给水中的氧和二氧化碳等非凝结气体，由于氧气是很活泼的气体，它能跟很多非金属直接化合，而且能跟绝大多数金属(金、银、铂等少数金属除外)直接化合。当其与非金属或金属化合以后，往往形成稳定的氧化物，或生成教师批阅：课程设计用纸-6-沉淀。这些氧化物中的氧就不再与金属化合，故实际上起腐蚀作用的，都是水中的溶解氧。因此除氧的目的就是除去水中的溶解氧。因此，我们有必要研究氧在水中的特性及除氧的根本途径。2.1水中气体的溶解特性各种气体在不同压力和温度下，其饱和含量都不相同，表2-1所示即为不同压力、温度下水的饱和含氧量，空气中氧较多，水与空气接触后，其含氧量很容易达到饱和或接近饱和，因此工业企业锅炉房一般不分析生水、软水或除氧前给水的含氧量，而将该压力及温度下水的饱和含氧量作为除氧前水的含氧量。很显然，己饱和含氧量来代替水的含氧量，其数值比实际情况偏高，因为水与空气接触，其含氧量不一定就真正达到饱和，尤其是混有大量回水的给水，回水中含氧量较低，故这种给水的含氧量都未达到饱和。气体溶解定律(亨利定律)指出:任何气体在水中的溶解度与该气体在水界面上的分压力成正比。所谓分压力，就是在液面上的空间中，如果没有其它气体或蒸汽，仅有这种气体单独存在时的压力，称为这种气体的分压力。气体在液体中的溶解度，取决于液体温度及液面上这种气体的分压力，也就是说，汽水界面上某种气体的分压力越小，水中溶解的该气体量就越小，分压力等于零时，则溶解气体的量就为零。由该定律以及表2-1可见:在加热水时，汽水分界面上水蒸气的分压力将增加，教师批阅：课程设计用纸-7-其他气体的分压力就会相应减少。2.2除氧器的工作原理热力除氧的原理是:将锅炉给水加热至沸点，使氧的溶解度降低，水中的氧不断逸出，再将水面上产生的氧气连同水蒸气一道排除，这种方法还能除掉水中的各种气体(包括游离态C02,N2)。除氧后的水不会增加含盐量，也不会增加其它气体溶解量，操作控制相对容易，而且运行稳定。为保证热力除氧器具有可靠的效果，在设计和运行中应满足下列条件:(1)增加水与蒸汽的接触面积，水流分配要均匀;(2)保证氧气在水中的溶解压力与水面上的分压力之间有压力差;2.3热力除氧的途径从氧在水中的溶解特性及其活泼的化学性质，我们可以得出，去除水中氧气可以从以下几个方面着手:(1)使水加热，减少其中氧的溶解度，水中氧气就可以逸出;(2)使水面上空间的氧气分子都排除，或转变成其它气体(如二氧化碳)。既然水面上没有氧的分子存在，氧的分压力就为零，水中氧的溶解度就为零，水中的氧气就不断逸出;(3)使水中的溶解氧在进入锅炉前就转变为与金属或其他药剂的稳定化合物而消耗干净。而本课程设计主要从压力控制方面着手，达到除氧器除氧的目的。3除氧器压力控制方案设计任何一个自动控制系统，都是由被控对象(工艺设教师批阅：课程设计用纸-8-备)和自动控制设备(如变送器、调节器、执行器等)两大部分组成。只有掌握了它们各自的动态特性，并把它们合理的构成控制系统，才能实现人们预期的控制目的。控制系统设计、使用的好坏，在很大程度上取决于对被控对象动态特性了解的程度。被控对象的动态特性实际上就是建立被控对象的动态数学模型，即用数学方程来描述被控对象各变量间的关系。3.1被控对象除氧器的数学模型常规的温度控制系统通常采用PID控制算法，它也是过程控制中应用最广泛的一种控制规律。理想PID控制的一般形式：)1()(1sTKsGDsTpcI其中：Kp一控制器比例部分；Ti一控制器积分部分；Td一控制器微分部分；测定