鍋爐出口蒸汽壓力控制系統(tǒng)設(shè)計.doc

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1、中北大學(xué)課程設(shè)計說明書目 錄1 熱電廠的生產(chǎn)工藝.11.1鍋爐簡介. .11.2工藝流程簡介.12 鍋爐蒸汽出口壓力控制重要性.22.1控制重要性.22.2控制要求.23 鍋爐出口壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計.33.1蒸汽出口壓力分類.33.2蒸汽出口壓力控制系統(tǒng)分析.43.3燃燒控制基本控制方案.43.4控制系統(tǒng)方框圖.54 控制方案及儀表的選型.64.1蒸汽壓力變送器選擇.64.2燃料流量變送器的選用.64.3含氧量檢測器.74.4控制閥的選擇.85 系統(tǒng)參數(shù)整定和仿真.95.1PID參數(shù)對控制性能的影響.95.2用試湊法確定PID控制器參數(shù).95.3系統(tǒng)的仿真.106 課程設(shè)計總結(jié).12參考文獻(xiàn)1

2、 熱電廠的生產(chǎn)工藝1.1鍋爐簡介鍋（汽水系統(tǒng)）：由省煤器、汽包（汽水分離器）、下降管、聯(lián)箱、水冷壁，過熱器和再熱器等設(shè)備及其連接管道和閥門組成。爐（燃燒系統(tǒng)）：由爐膛、燃燒器、點(diǎn)火裝置、空氣預(yù)熱器、煙風(fēng)道及爐墻，構(gòu)架等組成.鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的重要動力設(shè)備。它通過煤、油、天然氣的燃燒釋放出的化學(xué)能，通過傳熱過程把能量傳遞給水，使水變成水蒸氣。這種高壓蒸汽即可以作為蒸餾、化學(xué)反應(yīng)、干燥和蒸發(fā)過程的能源，又可以作為風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、大型泵類的驅(qū)動透平的動力源。隨著石油化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)過程不斷強(qiáng)化，生產(chǎn)設(shè)備的不斷更新，作為全廠動力和熱源的鍋爐，亦向著高效率，大容量發(fā)展。為確保安

3、全，穩(wěn)定生產(chǎn)，對鍋爐設(shè)備的自動控制就顯得十分重要1.2工藝流程簡介熱電廠是利用煤和天然氣作為燃料發(fā)電，產(chǎn)汽的，這也是目前世界上主要的電能生產(chǎn)方式。給水經(jīng)給水泵、給水控制閥、省煤器進(jìn)入鍋爐的汽包，燃料和熱空氣按一定的比例送入燃燒室內(nèi)燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽Ds。然后經(jīng)過熱器，形成一定氣溫的過熱蒸汽D，匯集至蒸汽母管。壓力為Pm的過熱蒸汽，經(jīng)負(fù)載設(shè)備控制供給負(fù)荷設(shè)備用。與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，除將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐給水和空氣預(yù)熱器預(yù)熱空氣，最后經(jīng)引風(fēng)機(jī)送往煙囪，排到大氣。圖1.2給出了一個20T/h工業(yè)燃煤鍋爐工藝流程圖。圖1.2 20T/h

4、工業(yè)燃煤鍋爐工藝流程圖2 鍋爐蒸汽出口壓力控制重要性2.1控制重要性壓力是熱電廠的一個重要的參數(shù)，因為熱電廠是靠蒸汽推動汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動，汽輪機(jī)是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)式動力機(jī)械，又稱蒸汽透平。蒸汽的壓力會影響后面的整個工序，如果蒸汽的壓力不夠的話將是汽輪機(jī)無法正常工作。勢必會影響到蒸汽機(jī)的壽命和廠子的效益。壓力過高將可能導(dǎo)致鍋爐超壓運(yùn)行。動力鍋爐主要為煉油裝置提供生產(chǎn)用蒸汽，若裝置因緊急情況而突然減少或切斷進(jìn)汽，鍋爐便會出現(xiàn)瞬時超壓情況。在鍋爐生產(chǎn)過程中，過熱蒸汽溫度是整個汽水通道中最高的溫度。過熱器溫度過高將導(dǎo)致過熱器損壞，同時還會危及汽輪機(jī)的安全進(jìn)行，甚至出現(xiàn)爆炸等極端的事故。燃料與空

5、氣按照一定比例送入鍋爐燃燒室燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽，形成一點(diǎn)觀其文的過熱蒸汽，再匯集到蒸汽母管。過熱蒸汽經(jīng)負(fù)荷設(shè)備控制，供給符合設(shè)備使用，與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，除將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐給水和空氣預(yù)熱器預(yù)熱空氣，最后經(jīng)引風(fēng)送往煙囪，排入大氣。蒸汽壓力對象的主要干擾是燃料量的波動與蒸汽負(fù)荷的變化。當(dāng)燃料流量和蒸汽負(fù)荷變動較小時，可采用利用蒸汽壓力來調(diào)節(jié)燃料量的單回路控制系統(tǒng)，主蒸汽壓力控制系統(tǒng)的主要目的是維持主蒸汽壓力恒定，因此主蒸汽壓力能否準(zhǔn)確測量直接關(guān)系到控制質(zhì)量的優(yōu)劣。合理的選擇壓力變送器在設(shè)計中有關(guān)鍵作用蒸汽壓力變送器將測量信號轉(zhuǎn)換

6、為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號DC420mA電流輸出送到控制器。2.2控制要求鍋爐是全廠重要的動力設(shè)備，其要求是供給合格的蒸汽，使鍋爐發(fā)熱量適應(yīng)負(fù)荷的需要。為此，生產(chǎn)過程的各個主要工藝參數(shù)必須嚴(yán)格控制。鍋爐設(shè)備的主要控制要求如下。（1）供給蒸汽量適應(yīng)負(fù)荷變化需求或保持給定負(fù)荷。（2）鍋爐供給用汽設(shè)備的蒸汽壓力應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)。（3）過熱蒸汽溫度應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)。（4）汽包水位保持在一定范圍內(nèi)。（5）保持鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性和安全運(yùn)行。（6）爐膛負(fù)壓保持在一定范圍內(nèi)。鍋爐設(shè)備是一個復(fù)雜的控制對象，如圖2.2所示，主要輸入變量是鍋爐給水量、燃料量、減溫水量、送風(fēng)量和引風(fēng)量等；主要輸出變量是汽包水位、蒸汽壓力、過熱

7、蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓、過剩空氣（氧氣含量等）。給水量減溫水燃料量送風(fēng)量引風(fēng)量汽包水位蒸汽溫度蒸汽壓力過剩空氣爐膛負(fù)壓鍋爐設(shè)備負(fù)荷圖2 .2 鍋爐控制對象3 鍋爐出口壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計3.1 蒸汽出口壓力分類鍋爐按其出口蒸汽壓力分類：（1）低壓鍋爐出口蒸汽壓力小于或等于2.45MPa的鍋爐，其蒸汽溫度多為飽和溫度或不高于400。 （2）中壓鍋爐出口蒸汽壓力為2.944.90MPa的鍋爐。我國電站鍋爐現(xiàn)行的參數(shù)系列，中壓鍋爐出口蒸汽壓力規(guī)定為3.83MPa，蒸汽溫度為450。 （3）高壓鍋爐出口蒸汽壓力為7.8410.8MPa的鍋爐。我國電站鍋爐現(xiàn)行參數(shù)系列，高壓鍋爐出口蒸汽壓力為9.81MPa,出

8、口蒸汽溫度多為540. （4）超高壓鍋爐出口蒸壓力為11.814.7MPa的鍋爐。我國電站鍋爐現(xiàn)行參數(shù)系列，超高壓鍋爐出口蒸汽壓力規(guī)定為13.7MPa，蒸汽出口溫度為540,少數(shù)為555. （5）亞臨界壓力鍋爐出口蒸汽壓力為15.719.6MPa的鍋爐。我國電站鍋爐現(xiàn)行參數(shù)系列，亞臨界壓力鍋爐出口蒸汽壓力規(guī)定為16.7MPa，出口蒸汽溫度為540或555,少數(shù)為570. （6）超臨界壓力鍋爐出口蒸汽壓力超過臨界壓力的鍋爐。水蒸氣的臨界壓力為22.1MPa。目前電站鍋爐采用超臨界壓力多在于2527MPa之間3.2 蒸汽出口壓力控制系統(tǒng)分析控制任務(wù)被控變量操縱變量鍋爐蒸汽出口壓力穩(wěn)定 燃燒過程的經(jīng)

9、濟(jì)運(yùn)行鍋爐爐膛負(fù)壓穩(wěn)定 蒸汽出口壓力燃料量與送風(fēng)量比值 爐膛負(fù)壓 燃料量送風(fēng)量 抽風(fēng)量表3.2 蒸汽出口壓力控制系統(tǒng)分析鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷要求，同時保證鍋爐的經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行。為適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的變化，應(yīng)及時調(diào)節(jié)燃料量。為完全燃燒，應(yīng)控制燃燒量與空氣的比值，使過剩的空氣系數(shù)滿足要求，為防止燃燒過程中火焰或煙氣外噴，應(yīng)控制爐膛的負(fù)壓。這三項控制任務(wù)互相影響，應(yīng)消除或削弱它們的關(guān)聯(lián)。此外，從安全考慮，需設(shè)置防噴嘴背壓過低的回火和防噴嘴背壓過高的脫火措施。3.3燃燒控制基本控制方案鍋爐的燃燒控制對于鍋爐的安全，高效運(yùn)行和節(jié)能降耗都具有重要意義，其控制和管理隨之也

10、要求越來越高。燃料控制的任務(wù)在于進(jìn)入鍋爐的燃料量隨時與蒸汽壓力要求相適應(yīng)。因為蒸汽壓力是衡量鍋爐熱量平衡的標(biāo)志，燃料又是影響蒸汽壓力的主要因素，因此蒸汽壓力可以作為燃料控制系統(tǒng)的被控變量。過熱器出口、入口差壓的大小與過熱器流通阻力、蒸汽流量D有關(guān)，可用下式近似為： （3.3-1） 對上式兩邊取增量，為 令2KgrD=Rgr，則上式寫成如下形式： （3.3-2）式中 壓力變化增量（MPa）； dD蒸汽變化增量（kg/s）； Rgr過熱器動態(tài)阻力（cm2/s）。 Rgr的大小與D有關(guān)，隨負(fù)荷增加而增加。將式（210）進(jìn)行拉氏變換，得到環(huán)節(jié)3的傳遞函數(shù)： （3.3-3） 鍋爐蒸汽壓力是燃燒過程調(diào)節(jié)對

11、象的主要被控變量，引起蒸汽壓力變化的因素有很多，如燃料量，送風(fēng)量，給水量，蒸汽流量以及各種使燃燒工況發(fā)生變化的原因。它受到的主要擾動分為內(nèi)擾（燃料的變化）和外擾（蒸汽流量的改變）。由于每個系統(tǒng)的輸入輸出之間都有一定的系統(tǒng)延遲，即當(dāng)輸入變化的時候系統(tǒng)輸出不能夠馬上反應(yīng)其變化從而使系統(tǒng)的控制不及時。下面就系統(tǒng)的燃料變化，蒸汽壓力之間，從系統(tǒng)的燃料變化后會引起系統(tǒng)的溫度變化進(jìn)而引起蒸汽壓力變化期間存在時間延遲1。下面只對出現(xiàn)介于干擾的情況做個簡單分析 圖3.3-1 燃料量階躍變化時，蒸汽壓力反應(yīng)曲線 圖3.3-2 蒸汽流量階躍變化時，蒸汽壓力反應(yīng)曲線3.4控制系統(tǒng)方框圖圖3.4 控制系統(tǒng)方框圖4 控

12、制方案及儀表的選型4.1蒸汽壓力變送器選擇蒸汽從鍋爐經(jīng)過管道到達(dá)蒸汽汽輪，其壓力和溫度會有所降低，但降低幅度不大，一般溫度會下降24，壓力會下降24%，可以近似的認(rèn)為，鍋爐提供的蒸汽溫度和壓力，與蒸汽汽輪機(jī)機(jī)組初參數(shù)相同。但我國目前尚有一些參數(shù)較低的火力發(fā)電機(jī)組仍在使用，包括高壓參數(shù)、超高壓參數(shù)機(jī)組。高壓參數(shù)一般為：主蒸汽壓力8-10MPa，溫度500-540。超高壓參數(shù)一般為：主蒸汽壓力12-14MPa，溫度500-540。4.2 燃料流量變送器的選用LUGB-06型渦街流量計根據(jù)卡門渦街原理測量氣體、蒸汽或液體的體積流量、標(biāo)況的體積流量或質(zhì)量流量的體積流量計。廣泛用于各種行業(yè)氣體、液體、蒸

13、汽流量的計量，也可測量含有微小顆料、雜質(zhì)的混濁液體，并可作為流量變送器用于自動化控制系統(tǒng)中。LUGB-06型渦街流量傳感器防爆型，符合GB3836-2000爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備規(guī)定，防爆標(biāo)志為“ExiaIICT6”，在本次設(shè)計中，選用LUGB型渦街流量傳感器其精度等級完全可以滿足火電廠鍋爐溫度控制系統(tǒng)的精度要求。技術(shù)參數(shù)：儀表材質(zhì)：1Cr18Ni 9Ti 最高流速：25m/s被測介質(zhì)溫度（）：40250；40350 環(huán)境條件：溫度1055，相對濕度590，大氣壓力86106Kpa 精度等級：測量液體：示值的0.5 測量氣體或蒸汽：示值的1.0、1.5 量程比：1：10；1：15 輸出信號：

14、傳感器：脈沖頻率信號0.13000Hz 低電平1V 高電平6V 變送器：兩線制420mADC電流信號 供電電源：傳感器：12VDC、24VDC（可選） 變送器：24VDC 現(xiàn)場顯示型：儀表自帶3.2V鋰電池 信號傳輸線：STVPV30.3（三線制），20.3（二線制） 傳輸距離：500m 信號線接口：內(nèi)螺紋M201.5 防爆等級：ExdIIBT6 4.3含氧量檢測器公司名稱：濟(jì)寧魯科檢測器材有限公司型號：M289371 體積小(鋼筆型)、重量輕(含電池120-200克) 堅固可靠，方便佩帶 數(shù)字顯示，一目了然 三鍵操作，類似“傻瓜”相機(jī) 超過設(shè)定限制時，自動聲、光、振動(選件)報警 內(nèi)置微處理

15、器，顯示多種測量值(STEL，TWA) UL認(rèn)證本質(zhì)安全，適用于任何工作環(huán)境 “智能”電化學(xué)毒氣傳感器，用戶可更換(CO，H2S，SO2，CL2，NO，NO2)M289371 含氧量監(jiān)測儀應(yīng)用 ToxiRAE氣體監(jiān)測儀可用在危險場合連續(xù)監(jiān)測有毒氣體，氧氣，可燃?xì)鉂舛?。按人體工學(xué)設(shè)計的ToxiRAE，可方便的佩帶在口袋或腰帶上。 ToxiRAE特別合適于石油化工、礦山、冶金、防化、消防、醫(yī)學(xué)、環(huán)保、衛(wèi)生防疫、危險品運(yùn)輸、城市地下管道作業(yè)等領(lǐng)域的安全監(jiān)測。M289371含氧量監(jiān)測儀檢測范圍傳感器范圍分辨率響應(yīng)時間可燃?xì)?100%LEL1%15秒O20-30%0.1%15秒VOCs099.9ppm1

16、002000ppm0.1ppm1ppm10秒10秒CO0500ppm1ppm20秒H2S0100ppm1ppm30秒SO2020ppm0.1ppm15秒NO0250ppm1ppm20秒NO2020ppm0.1ppm25秒Cl2010ppm0.1ppm60秒HCN0100ppm1ppm60秒NH3050ppm1ppm150秒PH3 05ppm0.1ppm60秒專用檢測器M289371，不可更換傳感器(技術(shù)指標(biāo))4.4 控制閥的選擇設(shè)微分控制閥的微分部分輸出信號對送到燃油調(diào)節(jié)閥輸入信號的傳遞函數(shù)為；函數(shù)發(fā)生器輸出信號對送到燃油調(diào)節(jié)閥輸入信號的傳遞函數(shù)為；函數(shù)發(fā)生器輸出信號；送到燃油調(diào)節(jié)閥的輸入信號

17、為；微分控制閥微分部分輸出信號為；微分控制閥的微分時間為，其中 式中：增益；時間常數(shù)5 系統(tǒng)參數(shù)整定和仿真5.1 PID參數(shù)對控制性能的影響（1）控制器增益或比例度增益的增大（或比例度下降），使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)，使穩(wěn)定性下降；（2）積分時間積分作用的增強(qiáng)（既下降），使系統(tǒng)消除余差的能力加強(qiáng)，但控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；（3）微分時間微分作用的增強(qiáng)（既增大），可使系統(tǒng)的超前作用增強(qiáng)，穩(wěn)定性得到加強(qiáng)，但對高頻噪聲起放大作用，主要適合于特性滯后較大的廣義對象，如溫度對象等。5.2 用試湊法確定PID控制器參數(shù)試湊法就是根據(jù)控制器各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響程度,邊觀察系統(tǒng)的運(yùn)行,邊修改參數(shù),直到滿意為止2。

18、一般情況下,增大比例系數(shù)KP會加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,有利于減少靜差。但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào),并產(chǎn)生振蕩使穩(wěn)定性變差。減小積分系數(shù)KI將減少積分作用,有利于減少超調(diào)使系統(tǒng)穩(wěn)定,但系統(tǒng)消除靜差的速度慢。增加微分系數(shù)KD有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng),是超調(diào)減少,穩(wěn)定性增加,但對干擾的抑制能力會減弱。在試湊時,一般可根據(jù)以上參數(shù)對控制過程的影響趨勢,對參數(shù)實(shí)行先比例、后積分、再微分的步驟進(jìn)行整定。（1）比例部分整定。首先將積分系數(shù)KI和微分系數(shù)KD取零,即取消微分和積分作用,采用純比例控制。將比例系數(shù)KP由小到大變化,觀察系統(tǒng)的響應(yīng),直至速度快,且有一定范圍的超調(diào)為止。如果系統(tǒng)靜差在規(guī)定范圍之內(nèi),

19、且響應(yīng)曲線已滿足設(shè)計要求,那么只需用純比例調(diào)節(jié)器即可。（2）積分部分整定。如果比例控制系統(tǒng)的靜差達(dá)不到設(shè)計要求,這時可以加入積分作用。在整定時將積分系數(shù)KI由小逐漸增加,積分作用就逐漸增強(qiáng),觀察輸出會發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)的靜差會逐漸減少直至消除。反復(fù)試驗幾次,直到消除靜差的速度滿意為止。注意這時的超調(diào)量會比原來加大,應(yīng)適當(dāng)?shù)慕档鸵稽c(diǎn)比例系數(shù)KP。（3）微分部分整定。若使用比例積分(PI)控制器經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍達(dá)不到設(shè)計要求,或不穩(wěn)定,這時應(yīng)加入微分作用,整定時先將微分系數(shù)KD從零逐漸增加,觀察超調(diào)量和穩(wěn)定性,同時相應(yīng)地微調(diào)比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI,逐步使湊,直到滿意為止5.3 系統(tǒng)的仿真假設(shè)對象模型參數(shù)分

20、別取值為=1/，=1/，=1min，=2/(T/hr),=6min，=2min，=3/(T/hr),=3min,=2min。在此采用經(jīng)驗試湊法來整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。 根據(jù)調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，設(shè)定調(diào)節(jié)器PID參數(shù)的初始值第一種是比較理想的。傳函數(shù)有以此傳函 為一控制環(huán)節(jié)3。首先根據(jù)調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，設(shè)定調(diào)節(jié)器PID參數(shù)的初始值為K=8，=3min，=0.5min。經(jīng)仿真后的響應(yīng)曲線為P=8 I=3 D=0.5 經(jīng)反復(fù)試湊比例度、積分時間、微分時間的大小，得出K=8，=0.8min，=1min。響應(yīng)曲線呈4：1衰減，結(jié)果令人滿意。P=8 I=0.8 D=16 課程設(shè)計總結(jié)通過本次課程設(shè)計，全面了解了

21、鍋爐的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。同時，更加直觀的理解了單回路控制系統(tǒng)的組成和特性。對過程控制系統(tǒng)在工業(yè)中的運(yùn)用有了深入的認(rèn)識，對過程控制系統(tǒng)設(shè)計步驟、思路有一定的了解與認(rèn)識。我學(xué)到了控制系統(tǒng)的設(shè)計方法和步驟，拓展了知識面，了解了工業(yè)工程中控制系統(tǒng)起到的重要作用。在課程設(shè)計過程中， 與同學(xué)交流學(xué)習(xí)，自己的專業(yè)知識有了更全面的學(xué)習(xí)，綜合素質(zhì)也得到了提升。最后感謝王澤兵老師和劉廣璞老師在本次設(shè)計中對我們的指導(dǎo)， 課程設(shè)計過程中所學(xué)的知識，在我以后的學(xué)習(xí)、生活、工作過程中也將受益匪淺。參考文獻(xiàn)1朱有庭主編. 化工設(shè)備設(shè)計設(shè)計手冊（上、下）. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社2黃振仁主編.過程裝備成套技術(shù)設(shè)計指南工程. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 3楊為民等主編. 過程控制系統(tǒng)及工程. 陜西：西安電子科技大學(xué)出版社4王毅，張早校等主編. 過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社5郭陽寬，王正林等主編. 過程控制工程及仿真. 北京：電子工業(yè)出版社6王樹青等主編. 工業(yè)過程控制工程. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社7常太華，蘇杰等 主編. 過程參數(shù)檢測及儀表. 北京：中國電力出版社8厲玉鳴等主編. 化工儀表及自動化（第四版）. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社9王樹青，戴連奎，于玲等主編. 過程控制工程（第二版）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社10匡國柱 主編.化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社13