热电厂锅炉蒸汽压力控制系统设计课程设计Word.docx
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热电厂锅炉蒸汽压力控制系统设计课程设计Word
内蒙古科技大学
过程控制课程设计论文
题目：
热电厂锅炉蒸汽压力
控制系统设计
学生姓名：
张春霞
学号：
0867112218
专业：
测控技术与仪器
班级：
测控08-2班
指导教师：
李忠虎教授
2011年8月30日
热电厂锅炉蒸汽压力控制系统设计
摘要
本设计以包钢热电厂的锅炉蒸汽压力控制部分为研究对象，应用所学专业知识设计控制系统。
热电厂的三大主机包括：
锅炉、汽轮机、汽轮发电机。
热电厂锅炉主要任务是加热蒸汽，蒸汽可直接进入生产系统或者进入汽轮机发电。
蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要工艺参数。
蒸汽压力过低或过高，对于金属导管和负荷设备都是不利的。
压力过高，会导致锅炉受损；压力过低，就不可能提供给负荷设备负荷质量的蒸汽；因此，控制蒸汽压力是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。
关键词：
热电厂；锅炉；蒸汽压力；控制系统
引言
电力工业是为国民经济和社会发展提供能源的重要基础产业，也是关系国计民生的公用事业。
我国电力工业已经走过121年的发展历程，与世界各国一样，电力在经济发展和社会进步中越来越成为不可缺少的物质资料和生活资料，电气化程度成为一个国家现代化程度的重要标志。
正常运行的生产设备必须保证产品满足一定的数量和质量的要求，同时也要保证设备的安全性与经济性。
在生产过程和科学实验中，自动控制起着越来越重要的作用。
自动控制通常包括自动调节和顺序控制两方面内容。
热电厂锅炉设备控制系统主要包括对锅炉的汽包水位、燃烧系统、母管压力等回路的控制，锅炉参数的检测与控制尤为重要，选择一个好的控制方案对锅炉进行控制是对经济效益的一个非常好的保证。
因此我们可以清楚的了解到，要想实现预期的生产目的，锅炉的严格控制是十分必要的。
从锅炉生产系统的结构来看，燃料量和风量调整的基本原则是根据锅炉负荷的变化来增减燃料，同时通过送风机、引风机的调整维持合理的空燃比，即保持合理的空气过量系数。
使燃料量和风量的增减密切配合，当锅炉负荷增加时，应先增加风量，再增加燃料量。
减负荷时，先减少燃料量，再减少风量，并要缓慢平稳操作。
第一章工艺流程介绍
1.1热电厂的工艺流程
热电厂主要的设备包括：
发电机、汽轮机、鼓风机、锅炉及制粉设备、除盐水设备等。
原煤经过制粉系统将大块的煤转换成可供锅炉燃烧的煤粉，生水经过水处理系统再经过除盐处理而除去水质里的钙、镁、钠等盐分子，然后通入锅炉，锅炉里的煤粉和通入的热空气经过一定比例的混合后燃烧，放出的热量将水加热成为具有一定压力和温度的过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮机膨胀做工，使得汽轮机高速运转产生旋转机械能，发电机将汽轮机的旋转机械能转换成电能。
这些电压不变的电力在主变压器的作用下变成一定电压的电量，经过高压远程输电送入各个电网输送到全国各地。
热电厂的生产过程实质上是将一次能源（燃料的化学能）转化为二次能源（电能）的能量转化过程。
分为三个阶段：
第一阶段是在锅炉中燃烧的化学能转化为蒸汽的热能；第二阶段是蒸汽的热能通过汽轮机转换为机械能；第三阶段是机械能通过发电机转换为电能。
热电厂是联合生产电能和热能的发电厂。
热电厂供热系统是利用汽轮机同时生产电能和热能的热电系数作为热源。
以热电厂作为热源不仅热能利用效率高，同时有利于环保。
以热电厂作为热源的供热系统称为热电厂集中供热系统。
1.1.1化学水处理工序
热电厂化学水处理和化学实验需使用的去离子水基本属于同一原理，就是使用不同工效的吸附物质去掉一次水中需过滤的物质，将原水转化成供给锅炉品质合格的除盐水，减轻机。
炉热力设备的腐蚀结垢，确保长周期安全经济运行热电化水车间有多套阴阳床，采用黄河水作为水源，经过过滤器、阴阳床除去水中的悬浮物。
钙、镁、钠等阳离子，氯根、碳酸根、硫酸根等阴离子，出水即为一级除盐水。
1.1.2输煤工序
主要分为两个环节，卸煤和上煤，通过自动卸煤机把车皮上的煤直接卸到料仓，经过粗破和细破，再由称重给煤机送进锅炉。
1.1.3锅炉工序
热电厂锅炉主要任务是加热蒸汽，循环流化床锅炉的工艺过程就是煤炭燃烧后的热量加热循环水，产生蒸汽，在一定压力下，形成过热蒸汽，蒸汽可直接进入生产系统或者进入汽轮机发电。
1.1.4汽机工序
主要设备有汽轮机和发电机，完成供热、发电、供暖三项任务。
供热的原理是将锅炉产汽按用户需要，通过汽轮机抽汽、减温减压器等设备向用户提供所需参数的蒸汽；发电的原理是利用锅炉产汽，通过汽轮机将热能转换成机械能，带动发电机发电；供暖的原理是通过机组低真空运行，利用机组排汽余热作为热源将供暖循环水加热。
热电厂生产工艺如图1-1所示。
图1-1热电厂生产工艺
1.2锅炉的工艺流程
锅炉是石油化工、发电等工业过程中必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。
就热电厂而言，锅炉产生的合格蒸汽用来推动汽轮机转动，再由汽轮机带动发电机，将机械能转化为电能，送给用户。
随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的锅炉，也向着大容量、高参数、高效率方向发展。
锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。
燃料与热空气按一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，然后经过热气，形成一定气温的过热蒸汽，再汇集到蒸汽母管。
一定压力的过热蒸汽，经负荷设备控制，供给负荷设备用。
与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还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仓，排入大气。
锅炉设备主要工艺流程如图1-2。
图1-2锅炉设备主要工艺流程图
第二章控制方案整体设计思路
锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。
按照这些控制要求，锅炉设备将有如下主要的控制系统：
锅炉汽包水位控制、过热蒸汽系统的控制、锅炉燃烧系统的控制。
2.1锅炉汽包水位控制
汽包锅炉给水自动控制的任务是使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在规定的范围内。
汽包水位是锅炉运行中一个重要的监控参数。
它间接反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系。
汽包水位过高，会影响汽包内的汽水分离，饱和水蒸气将会带水过多，导致过热器管壁结垢并损坏，使过热蒸汽的温度严重下降。
如以此过热蒸汽带动汽轮机，则将因蒸汽带液损坏汽轮机的叶片，造成运行的安全事故。
然而，水位过低，则因汽包内的水量过少，而负荷很大，加快水的汽化速度，使汽包内的水量变化速度很快，若不及时加以控制，将有可能使汽包内的水全部汽化；尤其是大型锅炉，水在汽包内的停留时间极短，从而导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。
锅炉汽包水位控制被控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。
它主要是保持汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包水位在工艺要求的范围内，这是保证锅炉、汽轮机安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的重要指标。
2.2蒸汽过热系统的控制
蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。
过热蒸汽温度自动控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内，并且保护过热器，使管壁温度不超过允许的工作温度。
过热蒸汽温度过高或过低，对锅炉运行及蒸汽用户设备都是不利的。
过热蒸汽温度过高，过热器容易损坏，汽轮机也因内部过度的热膨胀而严重影响安全运行，因而过热气温的上限一般不应超过额定值5℃；过热蒸汽温度过低，一方面使设备的效率降低，同时使汽轮机后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损，因而过热气温的下限一般不低于额定值10℃。
所以必须把过热器出口蒸汽的温度控制在规定范围内。
过热蒸汽温度控制系统被控变量为过热蒸汽温度，常采用减温水流量作为操纵变量，但由于控制通道的时间常数及纯滞后均较大，组成单回路控制系统往往不能满足生产的要求，因此，常采用串级控制系统，以减温器出口温度为副参数，可以提高对过热蒸汽温度的控制质量。
过热蒸汽温度控制有时还采用双冲量控制系统，这种方案实质上是串级控制系统的变形，把减温器出口温度经微分器作为一个冲量，其作用和串级的副参数相似。
2.3锅炉燃烧过程的控制
燃烧过程的实质就是将燃料化学能转变为蒸汽热能的能量形势转换过程。
燃烧控制过程的根本任务就是及时响应主控系统的输出指令，使燃料所提供的热量适应蒸汽符合的需要，同时还要保证锅炉燃烧的安全性和经济性。
其中锅炉燃烧的过程控制基本要求有三个：
（1）必须保证出口的蒸汽压力稳定，并能按负荷要求自动增减燃料量；
（2）燃烧状况良好，供气适宜。
既要防止由于空气不足使烟仓冒黑烟，也不要因空气过量而增加热量损失；
（3）锅炉要安全运行。
保持炉膛具有一定的负压，如果负压太小，或为正值，造成炉膛内热烟气往外冒，影响设备和工作人员的安全；负压太大，导致大量冷空气漏进炉内，从而增加热量损失。
此外，还需防止燃烧嘴背压（对于气相燃料）太高时脱火，燃烧嘴背压（气相燃料）太低时回火的危险。
第三章蒸汽压力控制方案的设计过程
锅炉燃烧控制系统主要包括燃料控制系统、风量（送风）控制系统、炉膛压力（引风）控制系统、磨煤机控制系统等几个子控制系统。
这个系统的任务是根据机组主控制器发出的锅炉燃烧指令来协调燃料、送风量和引风量，在保证锅炉安全、经济燃烧的前提下，是燃料燃烧所产生的热量适应锅炉蒸汽负荷的需要。
当机组负荷发生改变时,需要进行锅炉燃烧调整。
燃料种类、制粉系统、燃烧设备以及锅炉的运行方式决定了每台锅炉燃烧过程的控制任务及策略。
蒸汽压力控制系统将燃料量作为调节量,将主蒸汽压力作为被调量,使锅炉燃烧所产生的蒸汽量满足外部负荷要求,维持主蒸汽压力稳定。
在蒸汽压力控制系统中，燃料量影响主蒸汽压力、送风量、引风量、蒸汽蒸发量及主蒸汽温度等参数。
当单元机组采用锅炉跟踪汽轮机负荷控制方式时,汽轮机通过调节阀调节机组负荷,锅炉通过燃料量调节主蒸汽压力。
对于直吹式制粉系统锅炉的燃料量调节,由于其过程缓慢、给煤机给煤量与控制电流呈非线性、对象特性随负荷发生变化以及机组运行时情况复杂多变（如原煤的物理状况变化）等原因,使得对象特性存在不确定性。
3.1蒸汽压力调节对象的特性
在主蒸汽负荷变化时，在锅炉燃料量（B）发生△B的阶跃扰动下，此时汽压的过渡过程曲线如图3-1所示。
图3-1燃料量扰动下的汽压曲线图
可见，在燃料量扰动下，汽压被控对象有一定延迟时间τ
，随着锅炉蒸发量增加，主蒸汽压力P
逐渐增加，由于汽轮机调节阀开度不变，而使汽轮机进汽量逐渐增加，于是自发地限制了汽压的进一步升高。
最后当汽轮机进汽量与锅炉蒸发量相平衡时，汽压维持在一个新的平衡值。
故汽压被控对象是一个有自平衡能力的对象。
锅炉燃料量（B）发生△B的阶跃扰动时，输出主蒸汽压力是带滞后的一阶惯性环节如式（3-1）所示，为：
（3-1）
式中τm─延迟时间；
Tb─惯性环节的时间常数。
3.2控制系统的选择
以锅炉蒸汽压力为主被控量、燃料流量和空气流量并列为副被控变量的串级控制系统如图3-2所示，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。
图3-2系统方块图
3.3系统仪表选型
3.3.1压力传感器的选择
由于所选测量仪表是为了测的锅炉汽包管道压力，其测量环境具有高温高压，所以选型应综合考虑这两点。
经查阅资料选择PT124高温气体压力传感器，其特点和技术参数如下：
特点：
钢性杆和软管隔离，膜片隔离机构，介质温度在450℃以下，具有良好的稳定性和精度；应用于橡胶、塑料、化纤涤纶锦纶、聚酯、蒸汽等机械设备的高温流体、熔体、气体介质的压力测量和控制领域。
具有准确度高、稳定性好、输出信号大、动态性佳、通用性强等优点。
主要技术参数：
量程：
0～300℃
综合精度：
0.25%FS、0.5%FS、1.0%FS
输出信号：
2.0mV/V、2.5mV/V、3.33mV/V、4～20mA、0～5V、1～5V、0～10V
供电电压：
传感器：
10VDC（6～12VDC）变送器：
24VDC（9～36V）注：
变送器输出为0～10V时，供电电压为15～36V
校准信号：
80%FS
振动影响：
在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS
介质温度:
0～200℃～400℃
环境温度:
常温
零点温度漂移：
0.05%FS℃
量程温度漂移：
0.05%FS℃
绝缘电阻:
大于2000MΩ（100VDC）
负载电阻:
电流输出型：
最大800Ω；电压输出型：
大于50KΩ
长期稳定性0.1%FS/年
信号引出接口：
五芯接插件
接口螺纹：
1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等，其它螺纹可依据客户要求设计
选型举例PT124-35M-03-0.5-1/2-6/18
选型注解“PT124”:
产品型号；“35M”：
量程0～35MPa；“03”：
输出信号为3.33mV/V；“0.5”：
传感器精度等级是0.5%FS；“1/2”：
接口螺纹为1/2-20UNF；“6/18”：
直杆长度为6"（152mm）,软管长度为18"（460mm）
图3-3为PT124高温气体压力传感器。
图3-3PT124高温气体压力传感器
3.3.2流量计的选型
流量计选型是指按照生产要求，从仪表产品的实际供应情况出发，综合考虑测量的安全、准确和经济性，并根据被测流体的性质及流动情况确定流量取样装置的方式和测量仪表的形式和规格。
流量测量的安全可靠，首先是测量方式可靠，即取样装置在运行中不会发生机械强度或电气回路故障而引起事故；二是测量仪表无论在正常生产或故障情况下都不致影响生产系统的安全。
例如，对发电厂高温高压主蒸汽流量的测量，其安装于管道中的一次测量元件必须牢固，以确保在高速气流冲刷下不发生机构损坏。
因此，一般都优先选用标准节流装置，而不选用悬臂梁式双重喇叭管或插入式流量计等非标准测速装置，以及结构低强度低的靶式、涡轮流量计等。
燃油电厂和有可燃性气体的场合，应选防爆仪表。
系统采用标准孔板式流量计，其节流元件为标准孔板。
依据：
结构简单、使用寿命长、适应能力强、几乎能测量各种情况下的流量。
图3-4为标准孔板式流量计。
图3-4标准孔板式流量计
3.3.3控制器的选择
控制器（或称调节器）将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分（PID）运算，并输出统一标准信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺变量的自动控制。
要使调节过程平稳准确，必须使用输出值能连续变化的调节器。
本设计采用模拟控制器：
电动单元组合仪表DDZ-Ⅲ型调节器，该调节器采用了安全防爆措施，该调节器有两种：
全刻度指示调节器和偏差指示调节器，它们的结构和线路相同，仅指示电路有差异。
这两种调节器均具有一般调节器所具有的对偏差进行PID运算、偏差指示、正反作用切换、内外给定切换、产生内给定信号、手动／自动双向切换和阀位显示等功能。
控制器的工作状态有
“自动”、“软手操”、“硬手操”和“保持”四种，由开关进行切换。
DDZ-Ⅲ型调节器的主要性能指标：
输入测量信号：
1～5VDC;
内给定信号：
1～5VDC;
外给定信号：
4～20MADC;
现场传输信号：
4～20MADC;
输入阻抗影响：
满刻度的0.1%
输出信号：
4～20MADC;
负载电阻：
250～750欧姆；
比例度：
P=2%～500%；
积分时间：
0.01～25min（分两档）;
微分时间：
0.04～10min；
调节精度:
0.5级；
3.3.4控制阀的选择
执行器由执行机构和调节机构组成。
执行机构是指产生推力或位移的装置，调节机构指直接改变能量或物料输送量的装置，通常称控制阀。
按所用能源形式的不同，执行器可分为气动、电动、液动三大类。
本设计主要采用气动执行器，为了安全考虑，采用气开式。
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、防火防爆和价廉等优点，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。
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在改变，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。
3.3.5主副调节器正反作用的选择
1、副调节器的正反作用确定
根据生产工艺安全的原则，调节阀采用气开式，故KV为正；当调节阀开度增大，流量增大，所以副对象KO2为正，流量变送器的KM2通常为正，为了使整个系统中各环节静态放大系数的乘积为正，故副控制器的KC为正，选用反作用控制器。
2、主调节器的正反作用确定
副回路的放大倍数可视为正，因压力变送器一般为正，当调节阀开度增大，温度升高，故KO1为正，同样为了使整个系统中各环节静态放大系数的乘积为正，所以主控制器的KC为正，选用反作用控制器。
3.3.6主、副回路调节器调节规律的选择
主回路为定值控制系统，副回路为随动控制系统。
主被控参数压力是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无静差，可引入积分。
因此主调节器应选择PI调节规律。
副被控参数为燃料和空气流量，为了保持稳定，P较大，可引入积分，一般不引入微分，因为微分会使调节阀动作过大或过于频繁，会引起震荡，对控制不利，所以需要采用PI调节，以增强控制作用。
3.4控制系统的工作原理
本系统采用串级回路控制方法，具有两个调节器和两个闭合回路，两个调节器串联连接，主调节器的输出作为副回路的给定量，副调节器的输出去控制执行元件。
图3-5所示为一串级和比值控制组合的系统，由蒸汽压力和燃料流量的串级控制系统和燃料与空气的流量比值控制系统相组合。
完成逻辑提量功能主要依靠系统中设置的两个选择器：
高选择器HS、低选择器LS。
正常工况（稳态）时蒸汽压力控制器的输出IP等于燃料流量变送器的输出
I1，也等于空气流量变送器的输出乘上空气过剩系数K后的值I2。
也就是说高、低选择器的两个输入端信号是相等的，整个系统犹如不加选择器时的串级和比值控制组合的系统进行工作。
当系统提量时，随着蒸汽量的增加，蒸汽压力减少，压力控制器的输出IP增加（压力控制器选用反作用式控制器），这个增加了的信号不被低选器选中，而被高选器选中，它直接改变空气流量控制器的给定值，命令空气量增加。
然后由于空气增加，使其变送器输出增加也就使I2开始增加，因此时I2＜IP,I2被低选器选中，从而改变燃料流量控制器给定值，命令提量。
这一过程保证在增加燃料前，先加大空气量，使燃烧完全。
整个提量过程直至IP=I1=I2时，系统又恢复到正常工况时的稳定状态。
图3-5锅炉燃烧过程中蒸汽压力控制系统图
当系统降量时，蒸汽压力增加，蒸汽压力控制器输出减少，因而它被低选器选中，作为燃料流量控制器的给定值而命令燃料降量。
燃料量降低，经变送器的测量信号为高选器选中，作为空气流量控制器的给定值，命令空气降量。
降量过程直至IP=I1=I2时，系统又恢复到正常工况时的稳定状态。
这样就实现了提量时先提空气量，后提燃料量，降量时先降燃料量，后降空气量的逻辑要求。
第四章总结
经过两个星期的努力我的过程控制课程设计已经完成了，回想做课设的整个过程，艰辛同时又充满乐趣。
没有做设计之前觉得课程设计只是对过程控制、控制仪表及装置、热工测量仪表、传感器与检测技术等几门课所学知识的简单总结，但是通过这次亲自体验发现课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。
本次设计让我学到了许多书本上学不到的东西，增强了我的分析理解能力，也学会了如何写科技论文，也对过程控制乃至我们专业有了进一步的了解。
同时我也学会了一些软件的应用，如：
AutoCADVisio等。
这次自选设计为热电厂锅炉蒸汽压力控制系统，设计系统主要针对上学期末的生产实习和前面所学几门专业课进行的。
从课题分析开始，再进行总体设计、详细设计，最后到系统实现。
每一步都让我将理论学习的知识应用到实践中去，也使我掌握了一整套规范的设计操作流程。
我的课程设计能够顺利完成，首先要感谢学校和老师能给予我们这次课程设计的机会。
其次要感谢我的指导老师李老师，在设计的过程当中李老师给予了我热情的帮助和悉心的指导，在此我要向他说声谢谢。
通过这次理论与实际结合的学习，加深了我们对专业知识的学习，更重要的是锻炼了我们的能力，为我们以后的发展打下了一定的基础。
附录
锅炉蒸汽压力控制系统工艺图
参考文献
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