火电厂锅炉温度控制系统设计课程设计任务书学生姓名专业班级指导教师工作单位题目火电厂锅炉温度控制系统设计初始条件锅炉温度的控制效果直接影响着产品的质量温度低于或高于要求时要么不能达到生产质量指标有时甚至会发生生产事故采用双交叉燃烧控制以锅炉炉膛温度为主控参数燃料和空气并列为副被控变量设计火电厂锅炉温度控制系统以达到精度在℃范围内要求完成的主要任务包括课程设计工作量及其技术要求以及说明书撰写等具体要求1选择控制方案2绘制锅炉温度控制系统方案图3确定系统传感与变送器的选择数据采集系统控制电路等4说明系统工作原理时间安排1月21日选题理解课题任务要求1月22日方案设计1月2324日参数计算撰写说明书1月25日答辩指导教师签名 2008 年 1 月 9 日系主任或责任教师签名 2008 年 1 月 12 日目录1绪论 12锅炉的工艺流程及控制要求 221锅炉的工艺流程222锅炉的控制要求33锅炉炉膛温度的动态特性分析 34方案设计541炉膛温度控制的理论数学模型 542炉膛温度控制方法的选择 543 系统单元元件的选择 6com测变送器的选择 6com测变送器的选择8com副控制器正反作用的选择10com的PID调节器和副回路的PI调节器10com仪表的选择10com的选择125控制系统的工作原理 146设计心得157参考文献161绪论工程控制是工业自动化的重要分支几十年来工业过程控制获得了惊人的发展无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中还是在传统工业过程改造中过程控制技术对于提高产品质量以及能源的节约都起着重要的作用生产过程是指物料经过若干加工步骤而成为产品的过程该过程中通常会发生物理化学反应生化反应物质能量的转换与传递等等或者说生产过程表现为物流过变化的过程伴随物流变化的信息包括物流性质的信息和操作条件的信息生产过程的总目标应该是在可能获得的原料和能源条件下以最经济的途径将原物料加工成预期的合格产品为了打到目标必须对生产过程进行监视和控制因此过程控制的任务是在了解生产过程的工艺流程和动静态特性的基础上应用理论对系统进行分析与综合以生产过程中物流变化信息量作为被控量选用适宜的技术手段实现生产过程的控制目标生产过程总目标具体表现为生产过程的安全性稳定性和经济性1安全性在整个生产过程中确保人身和设备的安全是最重要和最基本的要求在过程控制系统中采用越限报警事故报警和连锁保护等措施来保证生产过程的安全性另外在线故障预测与诊断容错控制等可以进一步提高生产过程的安全性2稳定性指系统抑制外部干扰保持生产过程运行稳定的能力变化的工业运行环境原料成分的变化能源系统的波动等均有可能影响生产过程的稳定运行在外部干扰下过程控制系统应该使生产过程参数与状态产生的变化尽可能小以消除或者减少外部干扰可能造成的不良影响3经济性在满足以上两个基本要求的基础上低成本高效益是过程控制的另外一个重要目标为了打到这个目标不进需要对过程控制系统进行优化设计还需要管控一体化即一经济效益为目标的整体优化工业过程控制可以分为连续过程工业离散过程工业和间隙过程工业其中连续过程工业占的比重最大涉及石油化工冶金电力轻工纺织医药建材食品等工业部门连续过程工业的发展对我国国民经济意义最大过程控制主要指的就是连续过程工业的过程控制锅炉是工业生产中不可缺少的动力设备它多产生的蒸汽不仅能够为蒸馏化学反应干燥蒸发等过程提供热源而且还可以作为风机压缩机泵类驱动透平的动力源随着石油化学工业规模的不断扩大生产过程不断强化生产设备不断革新作为全厂动力和热源的锅炉亦向着大容量高参数高效率的方向发展为确保安全稳定生产对过路设备的自动控制就显得尤为重要2锅炉的工艺流程及控制要求21锅炉的工艺流程由于锅炉设备使用的燃料燃烧设备炉体形式锅炉功用和运行要求的不同锅炉有各种各样的流程常见流程如图21所示由图可知蒸汽发生系统由给水泵给水调节阀省煤器汽包及循环管组成燃料和热空气按照一定的比例进入燃烧室燃烧产生的热量传递给蒸汽发生系统产生饱和蒸汽然后经过热器形成一定汽温的过热蒸汽汇集至蒸汽母管压力为的过热蒸汽经负荷设备调节阀供给生产负荷使用与此同时燃烧过程中产生的烟气将饱和蒸汽变成过热蒸汽后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入大气22锅炉的控制要求根据生产负荷的不同需要锅炉需要提供不同规格压力和温度的蒸汽同时根据安全性和经济性的要求是锅炉安全运行和完全燃烧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要或者保持给定负荷2锅炉供给用汽设备的蒸汽压力应当保持在一定的范围内3 过热蒸汽温度保持在一定范围4汽包水位保持在一定范围5保持锅炉燃烧的经济性和安全性6 炉膛负压保持在一定的范围内根据上述要求锅炉设备的主要控制系统见表21表21 锅炉设备的主要控制系统控制系统被控变量操纵变量控制目的锅炉给水控制系统锅炉汽包水位给水流量锅炉内产生的蒸汽和给水的无聊平衡过路燃烧控制系统蒸汽压力烟气成分炉膛负压燃料流量送风流量引风流量蒸汽负荷的平衡燃烧的完全和经济性锅炉运行的安全性过热蒸汽控制系统过热蒸汽温度喷水流量过热蒸汽的温度和安全性3锅炉炉膛温度的动态特性分析火电厂的锅炉炉膛由于采用的燃料为煤粉在燃烧过程中炉膛和汽包之间的传热过程是一个相当复杂的过程炉膛的温度的动态特性具有一般的大滞后时变非线性和不对称性等特点在过程控制中为了方便设计同时又在一定的要求范围内我们通常把锅炉炉膛的温度的动态特性看作是一个线性的系统可以用以下传递函数描述具有时滞的一阶环节具有时滞的二阶环节在现场环境中炉膛内的温度变化是时时刻刻的很难用一个固定的数学公式将炉温的变化规律总结出来但是我们要对炉膛内的温度进行控制就必须要对炉膛内的温度变化进行一个规律的总结所以在规定的要求范围内对一些情况进行近似处理是很合理和必要的在通常情况下我们给定炉膛一个温度值作为系统的给定使锅炉炉膛在这个给定的温度状态下工作这个温度的变化又是和炉内的燃料燃烧量和炉体的总散热量相关的对于火电厂锅炉来说炉体的容量结构检测元件及其安放位置等都影响着滞后的大小它不是一个单一的问题是一个系统问题容积滞后时间就是级联的各个惯性环节的时间常数之和纯滞后产生的根源也要从整个测量系统来考虑并且与温度的高低有关热量从热源传到温度传感器要经过多个热阻与热容相串联的热惯性环节而串联的多容对象会产生等效纯时滞后随着温度的升高辐射传热的比例增大辐射具有穿透性使传热路径缩短传热速度加快所以纯滞后的时间会随温度升高而减小由于火电厂锅炉使用的燃料是煤粉即锅炉能量的来源方式是通过化学燃料的燃烧获得能量的同时炉膛内能量的散发形式又是以炉膛的炉体热量散失对汽包进行热量传导进行散失等多种途径进行的所以炉膛内的温度的变化是一个相当复杂的过程是一个非线性变化的过程从模型参数上看在锅炉炉膛的整个温度调节范围内对象的增益容积滞后时间和纯滞后时间通常是与工作温度与负载变化有关的变参数而且参数变化量与温度变化量之间是非线性关系由于锅炉炉膛内的温度是高温段的在高温段温度变化的纯滞后时间和过程增益将比低温段有显著减少而时间常数则显著增大锅炉作为一种高负荷运转的设备特别是火电厂内的锅炉长期处于高负荷运转下随着运行时间的变化其各项性能都会逐渐发生变化特别是随着使用时间的增长炉子的保温隔热材料会逐渐老化炉膛内部由于长期处于高温环境中炉体的保温密封性能变差通过炉体向外散失的热量增大此外锅炉初次使用和久停后再用时由于绝热保温材料中的水分大炉膛温度的特性差别也是很大的另外随着季节的变换锅炉运行的外部环境温度也是经常变化的冬天外部环境相对较冷炉体的散热较快夏天气温炎热炉体的散热相对会较慢如此种种因素都会引起炉膛温度特性的变化但变化的速度十分缓慢而不明显火电厂锅炉炉膛温度具有大惯性大滞后特性在炉膛的整个温度范围内对象的增益容积滞后时间纯滞后时间都是与工作温度有关的变参数从传热原理可知这些参数也与负荷变化有关在锅炉设计的工作温区在工作点附近的小范围内其动特性接近于线性较容易控制用常规的PID调节器也能控制得很好但不能经受太大的扰动也不能够大范围地跟踪变化较快的给定信号对于常规仪表大范围地改变温度要靠手动仅当温度接近给定值时方可投入自动根据以上分析可以认为火电厂锅炉炉膛温度是一种具有大容积滞后和大纯滞后的对象在整个炉膛的温区内其动态参数随锅炉的工作温度变化在工作点附近的小温度范围内炉膛的动态特性近似线性的4方案设计41炉膛温度控制的理论数学模型根据以上分析可知炉膛温度问题是比较复杂的对炉膛温度动态特性进行分段线性化则在每个较小的温度区间锅炉炉膛的燃料流量炉膛温度系统的动态特性可近似地用一个惯性环节和一个纯滞后环节串联的简化模型来表征即1其中K为过程的增益为过程的纯滞后时间To为过程的等效容积滞后时间在锅炉炉膛的整个温度范围内对象的增益容积滞后时间和纯滞后时间都是炉膛温度和负载的非线性函数K随锅炉炉膛内温度升高而减小To随锅炉炉膛内的温度升高而增大机理建模和计算机仿真分析以及实验辨识等也证明了这一模型的可行性42炉膛温度控制方法的选择双交叉燃烧控制是以锅炉炉膛温度为主被控量燃料和空气并列为副被控变量的串级控制系统其中两个并列的副环具有逻辑比值功能使该控制系统在稳定工作的情况下保证空气和燃料的最佳比值也能在动态过程中尽量维持空气燃料在最佳比值附近因此具有良好的经济效益和社会效益在煤粉流量调节回路中炉温PID的输出A1与根据实测空气流量折算成需要的煤粉流量之后分别乘以一个偏置系数K3得到信号A2乘以一个偏置系数K4得到信号A3A1A2A3三者经过高低选择器比较选中者作为煤粉流量PID的设定值空气流量调节回路中炉温PID的输出B1与根据实测煤粉流量折算成所须空气流量之后分别乘上一个偏置系数K1得到信号B2乘上偏置系数K2得到信号B3B1B2B3三者经高低选择器比较选中者乘上流量补偿系数送到空气PID作为设定值其系统组成原理图如图41所示43 系统单元元件的选择com测变送器的选择在本次设计中选用热电阻温度变送器它的量程单元的原理图如图42图42热电偶温度变送器量程单元原理图热电偶温度变送器与各种测温热电偶配合使用可将温度信号线性地转换成为4～20mADC电流信号或1～5VDC电压信号输出它是由量程单元和放大单元两部分组成的热电偶温度变送器的主要特点是采用非线性负反馈回路来实现线性变化这个特殊的性质反馈回路能按照热电偶温度－毫伏信号间的非线性关系调整反馈电压以保证输入温度t与整机输出或间的线性关系由图可见热电偶温度变送器的量程单元由信号输入回路A零点调整及冷端补偿回路B以及非线性反馈回路C等部分组成输入信号为热电偶产生的热电势输入回路中限流电阻和限压稳压管为安全火花防爆元件电阻还与电容组成低通滤波器零点调整量程调整电路的工作原理与直流毫伏变送器大致相仿所不同的是在热电偶温度变送器的输入回路中增加了由铜电阻等元件组成的热电偶冷端温度补偿电路同时把调零电位器移动到了反馈回路的支路上在反馈回路中增加了运算放大器等组成的线性化电路起线性化作用由于锅炉炉膛内的温度值较高所以选用的热电偶变送器的温度测量值必须达到要求这里我选用的是DBW-1150型热电偶温度变送器DBW-1150型热电偶温度变送器是DDZ-III系列仪表的主要品种本温度变送器用热电偶作为测温元件将被测温度线性地转换成标准信号1-5VDC或4-20mADC 输出供给指示记录凋节器计算机等自动化监控系统技术参数◆输入标准热电偶◆输出输出电流4～20mADC输出电压1～5VDC输出电阻250Ω允许负载变化范围100Ω◆量程0～1600℃◆冷端补偿误差≤1℃◆温度漂移≤01×基本误差1℃◆绝缘电阻电源输入与输出端子间≤100MΩ◆绝缘强度电源输入输山端子间1500VAC分钟◆工作条件环境温度0～50℃相对湿度≤90RH◆电源电压24VDC±5◆功耗＜2W◆防爆等级 ib IICT6◆重量＜2Kg com测变送器的选择由于流量变送的对象是煤粉和热空气所以在选择流量变送装置的时候必须是能够检测气体流量和和粉末混合气体的流量的另外由于空气是热空气所以还要求变送装置能够在一定的高温下工作所以这里选用的流量变送器为LUGB型涡街流量计LUGB型涡街流量计根据卡门karman涡街原理测量气体蒸汽或液体的体积流量标况的体积流量或质量流量的体积流量计广泛用于各种行业气体液体蒸汽流量的计量也可测量含有微小颗料杂质的混浊液体并可作为流量变送器用于自动化控制系统中LUGB型涡街流量传感器防爆型符合GB3836-2000《爆炸性环境用防爆电气设备》有关规定防爆标志为ExiaIICT6该仪表适用于工厂C级T6组及其以下的爆炸场所在本次设计中选用LUGB型涡街流量传感器其精度等级完全可以满足火电厂锅炉温度控制系统的精度要求产品特点◆可测量蒸汽气体液体的体积流量和质量流量◆无机械运动部件测量精度高结构紧凑维护方便◆压力损失小量程范围宽量程比达10－40倍◆采用消扰电路和抗振传感头仪表具有抗环境振动性能◆可测介质温度达350℃450℃技术参数◆公称口径 DN10～DN500◆测量介质气体液体蒸气◆可测介质温度 -40℃～150℃-40℃～280℃-40℃～350℃-40℃～450℃◆公称压力 25MPa 25 MPa协商供货◆精度等级 1级05级注05级量程范围≥17◆输出信号①电压脉冲低电平≤1V高电平≥6V脉冲宽04ms负载电阻 150Ω② 420mA转换精度±05满度值负载电阻19V350Ω24V500Ω30V750Ω③现场液晶显示瞬时流量6位显示m3h或kghth转换精度±01累计流量8位显示m3kgt转换精度±01◆供电电源①电压脉冲输出12VDC或24VDC② 420mA输出19VDC30VDC③现场液晶显示电池供电36V1节1号锂电池使用寿命大于3年外部供电12VDC或24VDC可实现带背光的液晶显示订货注明环境温度①电压脉冲输出-30℃65℃② 420mA输出-10℃55℃③现场液晶显示 -25℃55℃◆防爆标志 ExiaIIBT6◆表体材料 1Cr18Ni9Ti 其它材料协议供货 45号钢法兰连接型◆全智能型仪表①输出信号标态的体积流量或质量流量②现场液晶显示循环显示6位瞬时流量压力温度8位显示累积量com副控制器正反作用的选择副控制器的正反作用要根据副回路的具体情况决定而与主回路无关副环可以按照单回路控制系统确定正反作用的方法来确定副控制器的正反作用主控制器的正反作用根据主回路所包括的各环节来确定副回路的放大倍数可视为正因变送器一般为正这样主控制器的正负特性与主对象的正负特性一致本设计中主控制器和副控制器都要反作用com的PID调节器和副回路的PI调节器因为主回路是一个定制系统主控制器起着定制控制作用保持主变量的稳定是首要任务主控制器必须有积分作用在这里采用的是PID调节器它综合了比例控制积分控制和微分控制三种规律的优点又克服了各自的缺点比例部分能够迅速响应控制作用积分部分则最终消除稳态偏差微分部分可以稳定调节精度因为副回路是一个随动系统其给定值随主控制器输出的变化而变化同时两个并列的副环具有逻辑比值关系其变化是双交叉的为了能快速跟踪同时比例调节应该采用PI调节com仪表的选择采用模拟控制器DDZ－III型调节器DDZ―Ⅲ基型控制器框图如图43由控制单元和指示单元两部分组成控制单元包括输入电路比例积分微分电路手动电路保持电路指示单元有两种因此基型控制器也分两种即全刻度指示控制器和偏差指示控制器控制器的输入信号为1～5V的测量信号设定信号有内设定和外设定两种内设定信号为1～5V外设定信号为4～20mA测量信号和设定信号通过输入电路进行减法运算输出偏差到比例积分微分电路进行比例积分微分运算后由输出电路转换为4～20mA信号输出手动电路和保持电路附于比例积分微分电路之中手动电路可实现软手动和硬手动两种操作当处于软手动状态时用手指按下软手动操作键使控制器输出积分式上升或下降当手指离开操作键时控制器的输出值保持在手指离开前瞬间的数值上当控制器处于硬手动状态时移动硬手动操作杆能使控制器的输出快速改变到需要的数值只要操作杆不动就保持这一数值不变由于有保持电路使自动与软手动相互切换硬手动只能切换到软手动都是无平衡无扰动切换只有软手动和自动切换到硬手动需要事先平衡才能实现无扰动切换如果是全刻度指示控制器测量信号的指示电路和设定信号的指示电路分别把1～5V电压信号转化为1～5mA电流信号用双针指示器分别指示测量信号和设定信号当控制器出现故障需要把控制器从壳体中取出检查时可以把便携式手动操作器插入手动操作插孔以实现手动操作图43中的4～20mA输出信号通过精密电阻转化为1～5V电压反馈到控制器的输入端使控制器形成了自闭系统提高了控制器的运算精度根据火电厂生产设计要求采用WHSPL型调节器技术参数◆调节器输入通道5路信号标准4-20mA1-5VDC或0-10 mA0-25VDC◆调节器输出通道1路信号标准4-20mA或0-10 mA◆跟踪输入通道1路信号标准1-5VDCDDZ-III型或0-25VDCDDZ-II型◆模拟输入通道的输入阻抗为250Ω◆故障接点输出1路晶体管集电极开路输出◆手自接点输入1路无电压开关接点接点容量05A手动ON自动OFF◆电源220±10AC02A◆每个通道都可以用拨码开关设定为是否进行开方运算阻尼时间可通过面板修改◆PID参数范围 1给定值-691069 2比例带007999 3积分时间00999分 4微分时间00999分 5采样周期200毫秒◆安装方式表盘安装仪表自带悬挂装置◆仪表外尺寸80×160×260mm com的选择按所用能源形式的不同执行器分为电动气动和液动三类本设计主要是采用气动执行器为了安全考虑采用气开式它由气动执行机构和控制机构两部分组成气动执行机构又分为薄膜式和活塞式它们都是以压缩空气为能源具有控制性好结构简单动作可靠维修方便防活防爆和价廉等优点并可以方便地与气动仪表配套使用气动执行器也称为气动调节阀介绍典型产品气动薄膜调节阀地结构和工作原理气动薄膜调节阀的结构可以分为两部分上面是执行机构下面是调节机构从所学的知识可以了解到它主要由膜片弹簧推杆阀芯阀座等零部件组成当来自控制器的信号压力通入到薄膜气室时在膜片上产生一个推力并推动推杆部件向下移动使阀芯和阀座之间的空隙减小流体受到的阻力增大流量减小推杆下移的同时弹簧受压产生反作用力直到弹簧的反作用力与信号压力在膜片上产生的推力相平衡为止此时阀芯与阀座之间的流通面积不再改变流体的流量稳定可见调节阀是根据信号压力的大小通过改变阀芯的行程来改变阀的阻力大小达到控制流量的目的为了满足火电厂的安全生产要求在此次设计中使用VBD气动端面密封蝶阀VBD气动端面密封蝶阀是一种重量轻结构简单的后座式端面密封蝶阀阀体阀板均用钢板焊接或铸造加工而成适用于低压状态的空气或其他气体的流量压力控制本产品符合GBT4213-92标准技术参数◆型式扁平式焊接或铸造阀体◆公称通径 125～2000mm5〃～80〃◆公称压力PN025061016MPa JIS2K JIS5KJIS10K ANSI 150◆连接型式法兰式125～2000mm8〃～80〃密封面型式RF◆材料 25SUS304SUS316高温耐热钢Ni25Mo等◆标准型适用-5～200℃公称通径DN550以下◆外部轴承型公称通径DN600以上公称通径DN550以下温度200～600℃◆压盖形式螺栓压紧式◆填料聚四氟乙烯聚四氟乙烯石棉常温用柔性石墨中温高温用阀内组件◆额定行程全开60°或全开90°◆阀板材料 25SUS304SUS316等◆旋转轴材料SUS630SUS304SUS316◆阀体阀板密封形式端面密封型执行机构◆型式气缸活塞执行机构◆供气压力500kPa◆气源接口G18"G14"G38"G12"◆环境温度0～＋70℃◆阀作用型式根据执行机构与旋转轴之间键连接位置不同可实现阀的气关式或气开式◆阀门安装方式阀杆应水平地安装在配管上若安装方式发生变化请予以注明附件◆定位器空气过滤减压器保位阀行程开关阀位传送器手轮机构等5控制系统的工作原理目前在火力发电厂中锅炉炉膛温度的控制虽然已经普遍采用了计算机控制但最常用的控制方法仍是普通PID控制包括单回路串级回路和分程控制等都是由PID作为基本的控制算法在此次设计中我们采用串级回路控制方法串级调节系统多用于燃料源受频繁扰动的锅炉炉膛该系统由主回路和副回路组成主回路根据实际值与给定值的偏差由PID调节规律对燃料流量进行调节副回路根据燃料流量实际值与主回路温度调节器输出的燃料流量的偏差对流量进行调节以避免扰动对燃料流量的影响在系统稳定状态时温度PID的输出以A1送到煤粉流量调节回路PID作为设定值以B1送到空气流量调节回路PID作为设定值在负荷剧增温测温给时温度PID的输出剧增对于空气流量调节回路随着B1开始增加时B1 B2低选器选中B1空气流量增加当B1正跳变到B1 B2时低选器选中B2B1被中断同时B3 B2高选器选B2B2作为该回路PID的设定值使空气流。