36KW常压电热水锅炉系统控制设计.docx

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36KW常压电热水锅炉系统控制设计

36KW常压电热水锅炉系统控制设计摘要

由于人类社会经济水平发展迅速，人们生活水平的不断提高，对城市生活供暖的数量和质量提出的要求越来越高。

由于传统的控制方式调节精度差，自动化程度低，系统稳定性差，锅炉运行耗能大，并且存在安全隐患等缺点，所以现代锅炉运行方式需要改进。

本次设计以电热水锅炉硬件设计为核心，通过外围硬电器设备的连接实现电热水锅炉的控制要求及锅炉供回水温度、水位等信号，并且通过控制器的辅助控制运算，实现对中小型锅炉运行的自动控制。

本次设计的电热水锅炉有占地面积小，组装维修方便，功能较齐全等优点。

而且有很高的性价比，有很广的使用前景。

同时在本次设计中加入了控制器的使用，通过控制器对水位信号和温度信号的监测达到自动控制的目的。

而且在设计中根据需要达到的效果对电路需要的硬电器进行选型，并通过电路设计以及连接使其完成常压电热水锅炉的控制要求。

同时为了降低设计和使用成本以及传递效率和热力损失等问题的考虑，本次设计的锅炉以水为传导媒介，这样也达到了节能环保的设计初衷。

关键词控制器；节能环保；硬电器

36kwAtmosphericPressureintheBoilerControlSystemDesignAbstract

Duetotherapiddevelopmentofhumansocialandeconomiclevel,people'slivingstandardscontinuetoimprove,theurbanheatingquantityandqualityrequestishigherandhigher.Duetothetraditionalwayofcontrolaccuracyispoor,lowdegreeofautomation,thesystemstabilityispoor,boileroperationenergyconsumption,poseasafetyhazardandotherfaults,sothemodernboileroperationmodeneedstobeimproved.

Thisdesigninboilerhardwaredesignasthecore,throughtheperipheralhardwareelectricalequipmentconnectedtorealizethecontrolrequestinboilerandboilerforthereturnwatertemperature,waterlevel,suchassignal,andtheauxiliarycontroloperationbythecontroller,torealizetheautomaticcontrolofthemiddleandsmallboiler.Thedesignintheboilerhassmallvolume,convenientinstallation,theadvantagesofcompletefunction,andhasahighcostperformance,wideapplicationprospect,helpfindpossiblefaultatthesametime,throughthecontrollertorealizeautomaticwatersupplysystemofcontrolandadjustment,willguaranteenormalgasboilerheating,stablesystem,guaranteethesafeandeconomicoperation,hashighpracticalvalueandsuperiority.Atthesametimethissystembyhotwaterforsinglephasemedium,greatlyreducethedesigncost,andimprovetheuseefficiencytoreducetheheatloss.

KeywordsController,energyconservationandenvironmentalprotection,hardelectronics

摘要

AbstractII

第1章绪论

1.1课题研究的背景及内容

通过对我国的实际国情以及环境保护上的要求和发展考虑，燃料燃烧型锅炉由于热转换效率不高并且对环境有很大的污染，已经渐渐被新型锅炉替代。

并且燃烧燃料型锅炉也存在安全隐患和燃料供应上的一些问题，在学校、住宅区、医院等这些人口十分密集的区域。

与以煤油、天然气为燃料的燃烧型锅炉相比，常压电热水锅炉不仅在环境要求方面表现出众，在效率问题上也有不俗的表现，而且也有更多更大的发展空间。

本次设计主要研究常压电热水锅炉的系统硬件控制，在锅炉本体设计中有出回水温温度、炉内水温、出入水口流量、电热管功率等许多技术参数，由于本次设计想要达到自动控制水温以及进出水的控制要求，所以加入可编程控制器的使用，使其成为锅炉温度、水位控制电路中的主要环节。

而且在控制器的使用中通过程序运算、绘制梯形图的可编程方式，实现锅炉温度和水位的自动控制。

使得锅炉温度和水位控制系统更加稳定，使控制系统更加准确。

达到锅炉运行状况自动检测的要求，有效的提高锅炉的安全性、稳定性、经济型。

1.2电热水锅炉国内外发展及现状

目前，世界上很多国家都正在通过很多方案来解决节能减排与环境保护的问题。

我国的锅炉目前以煤为主要燃料，耗煤量接近全国煤产量的三分之一。

在欧美和日本等发达国家，石油和天然气已成为第一能源，占能源消费的60%左右，燃油和燃气锅炉已逐步取代燃煤锅炉，对风机和水泵等典籍的变频控制已相当成熟，但是燃油燃气锅炉依然存在节能环保问题。

随着电锅炉的横空出世，节能环保式的锅炉系统达到了一新高度[1]。

但是效率问题在锅炉系统中仍然是一难题，这一问题也是目前国内外方案改进的重要方向之一。

自20世纪90年代以来，随着大型可编程控制器、单片机的出现和模糊控制、自适应控制等职能控制算法的发展应用，锅炉控制水平大大提高，已实现优化控制[2]。

国内对锅炉控制的研究起步较晚，始于80年代初期。

国内研究锅炉控制比较成熟的企业有上海杜比公司、南京仁泰公司等[2]。

此外还有一些科研院校和企业开发的各种智能锅炉控制系统，如清华大学动力工程与控制学院为亚运村北辰供热厂热水锅炉的改造开发的锅炉控制系统，采用“一控四”方案，即一台主机控制四台锅炉[2]。

虽然我国在锅炉的使用和控制设计上取得了一些成绩，但是难免还存在一些需要解决的问题：

1.我国自70年代末开始，锅炉的微机控制逐渐成熟起来，但主要实现仪表显示、报表打印等功能，并未实现锅炉自动控制[3]。

2.我国目前大多数可以实现的电锅炉控制系统还比较简单，其中仅仅是控制锅炉的开关量，风机的启动与关闭，水泵的开启与关闭等简单的可控制量。

这种控制系统不能对它们精确连续调节，是控制手段单一，控制精度低[3]。

3.目前还是不够完善的锅炉控制系统。

锅炉在控制环节中一旦出现故障，只能通过切断电源后进行人工修理。

若锅炉系统中的传感器、变送器等设备出现故障时，温度、压力参数就无法达到设定值[3]。

我国自70年代末开始，锅炉的微机控制逐渐成熟起来，但主要实现仪表显示、报表打印等功能，并未实现锅炉自动控制[4]。

1.3电热水锅炉特点

本次设计的锅炉系统采用了电热管电加热的方式，并且无污染，达到绿色节能的设计理念。

在电热水锅炉身上能发现很多其特有的优点，这些优点使得电热水锅炉与其他锅炉相比有了很大优势，其优势能在以下七点中体现出来：

1.能量转换效率高。

使用电热常压热水锅炉加热元件加热管插入锅壳和水直接接触。

加热时，传热系数高，能量转换效率非常高，一般高达95%，理论上运行锅炉效率可以达到98%以上[5]。

2.无污染。

由于采用电加热管加热供水，电力直接转化成热能，不需要化学能量转化为热量的燃烧方式，不需要提供燃烧所需的空气和化石燃料（煤炭、石油、天然气等），不排放有害气体和粉煤灰，不会产生灰尘，完全符合环境保护的要求，更适合被安排在稠密的人口生活区域和办公区域[5]。

3.锅炉操作方便，运行负载调节范围广，调节频率快，启动、停止速度快。

由于加热元件电热管的工作由外部电气开关控制，所以锅炉起停速度快，通过控制各电热管组的开关，可以在很大范围内调节运行负荷，调节操作迅速、简单。

与燃煤、燃油、燃气常压热水锅炉相比，操作运行更加方便、简单。

4.可适当缓和当前工业用电供大于需的矛盾[6]。

目前我国的用电情况是，国营大中型企业正处于转换机制、内部调整阶段，工业用电量较以前不增反降，而同期内国内不少大电厂发电机组都不同程度地扩建增容,发电能力大幅度增强,再加上一批中小电厂的成立，国内各大电网的供电能力明显提高，此长彼消，电力市场出现了供大于求的局面，为此不得不关闭发电成本高的小电厂，大中电厂采取半负荷运行，大面积的推广电加热锅炉可在一定程度上缓和这种矛盾[6]。

5.灵活的整体设计，占用面积小，体积小重量轻。

由于锅炉自身的功能和特点,使得电锅炉的大小可以做得很小，简洁的结构更加方便外接电器的布置与连接，而且电热水锅炉可在很小的空间内使用。

6.可使用控制器自动运行，完全实现自动化，电锅炉的水位和温度都可以使用控制器进行调节和监控。

当水位低于一定高度，指示灯亮起或发出警告，运行人员可以选择加水或不加；当锅炉内的水位超过安全水位时，指示灯亮起或发出警告，并停止供水[7]。

对水温也同时采用控制器监控，当水温加热到所需温度时，指示灯亮起，此时可选择立即排水，或者短时间内保温，电锅炉水箱内设有保温层，保温层可以使热损失减少，使保温效果更好。

控制器控制系统包含面板仪表数值的显示、可编程控制系统、信号的采集和传递三个子系统。

电锅炉的运行可以实现自动化，最大程度地将PLC可编程控制器技术应用于传统锅炉行业[7]。

7.电热水锅炉具有结构简单的特点和良好的安全性能。

电加热锅炉的本体结构如图1-1所示，电加热管采用三角形连接，三个电热管连成一组，外面罩有接管，装在法兰盘上，与外部电气设备连接，电热管组外面有加热器护罩，给水的加热过程全部在筒体中完成，不需要布置管路，没有燃烧室，没有烟道，不会出现燃煤、燃油、燃气锅炉中存在的爆燃、泄漏等问题，从这个意义上讲，电加热锅炉的安全性更好[8]。

图1-1电加热锅炉整体结构简图

虽然电热水锅炉在投入使用时体现出很多优点，但在实际使用中也有一些不完美的地方：

1.电热水锅炉需要在较高稳定性的供电条件下工作。

电热水锅炉应在供电稳定的地区工作，如果出现经常断电的情况，会出现安全隐患[9]。

2.电能经济性。

在电价较高的地区使用电锅炉运行成本较高，最好在价格低计费时段运行，在电价较低的地区和环保要求较高的地区可以优先考虑电加热锅炉[10]。

3.额外的外部设备投资较大。

配备可编程控制器、水泵、电气柜、可调节稳压器、软水设备等，初投资较大[11]。

1.4电热水锅炉技术参数实例

电热水锅炉技术参数如表1-1所示，其中能看出主要参数有功率、供回水温度、热效率、工作压力、总体尺寸、进出水口流量等。

常压电热水锅炉具有稳定的热效率，并且理论上效率高达98%，通过对常压锅炉技术参数的分析，可以设计出锅炉本体结构，有效的配置