锅炉供热控制系统PLC的设计.docx

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锅炉供热控制系统PLC的设计

第一章绪论

1.1锅炉的作用及供热控制系统现状

1.1.1锅炉的作用

⑴锅炉及锅炉房是供热系统中热源产生的主要设备。

⑵锅炉是化工、石化、冶金、轻纺、造纸等工矿企业主要动力机供热设备。

⑶锅炉是能源工业发展的主要组成部分。

1.1.2供热系统现状

锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备。

它所产生的高压蒸汽，既可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动透平的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。

随着工业生产规模的不断扩大，生产设备的不断创新，作为全场动力和热源的锅炉，也向着大容量、高参数、高效率发展。

为了确保安全，稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得愈加重要。

随着经济的迅猛发展，自动化控制水平越来越高，用户对锅炉控制系统的工作效率要求也越来越高，为了提高锅炉的工作效率，较少对环境的污染问题，所以理由计算机与组态软件技术队锅炉生产过程进行自动控制有着重要的意义。

其优越主要在于：

首先，通过对锅炉燃烧过程进行有效控制，使燃烧在合理的条件下进行，可以提高燃料效率。

由于工业鼓了耗煤量大，燃煤热效率每提高百分之一都会生产巨大的经济效益。

其次，锅炉控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人际界面使运行参数在CRT上的集中监测，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修改运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。

随着计算机控制技术应有的普及、可靠性的提高及交个的小降，工业锅炉的危机控制必将得到更广泛的应用。

锅炉作为重要的动力设备，其控制的基本要求是供给合格的蒸汽，使锅炉蒸发量适应符合的要求。

为此，生产过程的各个主要参数必须严格控制。

锅炉设备是一个多输入、多输出的复杂控制对象，这些输入变量与输出变量之间是相互关联的。

如果蒸汽负荷发生变化，必将引起汽包水位、蒸汽压力和蒸汽温度等的变化；燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、蒸汽温度、炉膛负压；给水量的变化不仪影响汽包水位，而且对蒸汽压力、蒸汽温度等亦有影响；所以锅炉设备是多输入，多输出且相互关联的控制对象。

1．2燃煤锅炉自动控制的发展历史

燃煤锅炉是一个比较复杂的工业设备，有几十个测量参数、控制参数和扰动参数，它们之问相互作用，相互影响，存在明显的或不明显的复杂因果关系，而且测控参数也经常变化，存在一定的非线性特性，这一切都给锅炉的控制增加了

难度。

1．纯手动阶段

在六十年代以前，由于自动化技术与电子技术发展不成熟，人们的自动化观念还比较淡薄，这段时期的锅炉一般采用纯手动的控制方式，即操作工人通过经验决定送风、给水、引风、给煤的多少，通过手动操作器等方式来达到控制锅炉的目的。

这样就要求司炉人员必须有丰富的经验，增加了工人的劳动强度，事故率高，更谈不上保证锅炉的高效率运行。

2．自动化单元组合仪表控制阶段

随着自动化技术与电子技术的发展，国外己经丌发并广泛应用了全自动工业锅炉控制技术。

60年代自订期，我国工业锅炉的控制技术丌始发展，60年代后期我国引进了国外的全自动燃油工业锅炉的控制技术，70年代后期己经研制了一些工业锅炉的自动化仪表，正式将自动化技术应用于工业锅炉控制领域，因而热效率有所提高，事故率也有所下降。

但是，由于采用单元组合仪表靠硬件来实现控制功能，可靠性低，精度不高，而且只能完成一些简单的控制算法，不能实现一些较先进的算法和控制技术，控制效果仍然不理想。

3．采用微机测控阶段

随着电子技术的发展，高集成度、高可靠性、价格低廉的微型计算机、单板机、单片机、工业专用控制计算机的出现以及在我固的广泛应用，为锅炉控制领域开辟了一片广阔的天地。

运用计算机技术，开发出高效率、高可靠性、全自动的微机工业测控系统同益得到重视。

80年代后期至今，国内己经陆续出现了各种各样的锅炉微机测控系统，明显地改善了锅炉的运行状况，但还不够完善，并对环境和抗干扰要求较高。

4．分散控制阶段

分散控制系统（DCS）也称集成控制系统，其本质是采用分散控制和集中管理的设计思想，分而自治和综合协调的设计，采用层次化的体系结构，从下到上依此分为直接控制层、操作监控层、生产管理层和决策管理层。

DCS是以多台DDC计算机为基础，集分散型控制系统。

目前分散控制系统大多采用可编程控制器（PLC）进行系统设计，工控机机PLC的组合，不但系统体积小、可靠性高，而且造价较低，得到了广大用户的青睐。

1.3锅炉运行的基本理论

1.燃料化学能妆花为热能—燃烧学

燃料产物：

高温烟气

2.高温烟气向水放热—传热学

辐射放热：

水冷壁等；对流放热：

对流管束等

3.水吸热：

气液两相流（水循环）

炉内放热：

煤粉+空气混合燃烧（气固两相流）

油雾+空气混合燃烧（气液两相流）

烟气丢受热面的流动冲刷

第二章锅炉供热控制系统的总体介绍

2．1锅炉供热控制系统的组成

目前我国的供热系统主要以燃煤锅炉为主体。

而锅炉按照供热性质来分，可以分为热水炉和蒸汽炉两种。

下面是供热控制系统的组成。

该系统现有两台20T/H的热水炉、一台10T/H的热水炉、一台6T／H的蒸汽炉以及5个换热站组成。

整个供热控制系统可以分为一次网部分和二次网两个部分组成。

一次网主要是冷水经锅炉加热并传送到换热站以自订的一次侧部分；而二次网则是在换热站中经过热交换，热水给用户供热，并返回换热站的部分。

2．2交流电机的变频调速系统介绍

传统的给水调节系统和燃烧系统都是采用定速泵和风机，以改变调节阀门开度来改变给水流量和风量。

这种调节方式的缺点是给水泵消耗功率大，调节阀门承受的压力大，容易造成调节阀门的迅速磨损。

为了节约能源，目前在大型锅炉中广泛采用变频调节，变频调整是一种高效的交流调整方法，它利用变频器实现了异步电动机的无级变速，锅炉控制采用变频调整是节能的有效途径．锅炉的应用面很广，应用量也很大。

在化工、炼油、发电、造纸、制糖、化纤、纺织、印染等工业部门，锅炉是必不可少的重要的动力设备。

锅炉风机一般按满足锅炉最大负荷设计选型，而一常工作却在额定负荷的70％左右，因此，风机驱动电机的裕量较大，节电潜力很大。

锅炉风机的风量调节常用风门控制，即增加管路阻力，而驱动电机全速运转，其效率低、能耗大，大量电能被白白浪费掉，采用变频调整调节风量，不需要风门，管路阻力减少，系统所需风量减少，电机转速可以降低，由于电机的轴功率与转速的立方成正比，因此耗电量大幅度下降，节能效果是十分显著的。

2.3燃煤锅炉的自动调节过程

2.3.1燃煤锅炉的组成

锅炉安热疗种类分，大致有燃油锅炉、燃煤锅炉和燃气锅炉。

所有这些锅炉，虽然燃料及其供给方式不同，但其结构大同小异，蒸汽发生系统和蒸汽处理系统是基本相同的。

由以下几部分组成：

1．汽包：

由上下锅筒和沸水管组成。

水在管内受管外烟气加热，因而在管簇内发生自然循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽聚集在锅筒罩面。

为了得到干度比较大的饱和蒸汽，在上锅筒中还装有汽水分离设备，下锅筒做为连接沸水管之用，同时储存水和水垢。

2．炉膛：

是使燃料充分燃烧并放出热能的设备。

煤由煤斗落在转动的链条炉蓖上，进入炉内燃烧。

燃烧所需要的空气由炉排下面的风箱送入，燃尽的残渣被炉蓖带到除灰口，落入灰斗中。

得到加热的高温烟气依次经过各个受热面，将热量传递给水后，经由烟囱排至大气。

3．省煤器：

燃煤锅炉炉膛排除的烟气具有较高的温度，利用其热量可以加热进入汽包的冷水，一般省煤器由蛇形管组成。

4．空气预热器：

继续利用离丌省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空气的换热器。

热空气可以强化炉内燃烧过程，提高锅炉燃烧的经济性，提高锅炉热效率。

5．引风设备：

包括引风机、烟囱、烟道几部分，将锅炉中的烟气连续排出，保持炉膛的负压燃烧正常。

6．鼓风设备：

由鼓风送风机、风道、风箱组成，供应燃料燃烧所需要的空气。

7．给水设备：

由给水泵和给水管组成。

给水泵用来克服给水管路和省煤器的流动阻力和锅炉的压力，把水送入汽包中。

8．水处理设备：

用来清除水中杂质和降低给水硬度，防止锅炉受热面上结水垢或腐蚀锅炉，从而提高锅炉的经济性和安全性。

9．燃料供给设备：

由运煤设备、原煤仓和储煤斗等设备组成，保证锅炉所需燃料的供应。

10．除灰除尘设备：

分别为收集锅炉灰渣并运往存狄场地及除去烟气中灰粒的设备，以减少对周围环境的污染。

2．3．2燃煤锅炉的工作过程

锅炉最基本的组成是汽锅和炉子两大部分。

燃料在炉子罩进行燃烧，将其化

学能转化为热能，高温的燃烧产物一烟气通过汽锅受热面将热能传递给汽锅内温

度较低的水，水被加热进而沸腾汽化，生成蒸汽。

以某高校锅炉房的锅炉为例，

其工作概括起来应包括三个同时进行的过程：

1．燃料的燃烧过程：

燃料煤加到煤斗中，借助于自重下落在炉排面上，炉排靠电动机通过变速齿轮减速后由链条来带动，将燃料煤带入炉内。

新煤入炉，经预热阶段后开始着火，挥发物燃烧，同时焦炭也逐渐燃烧。

燃料一面燃烧，一面向后移动。

燃烧所需要的空气是由送风机送入炉体的风仓，向上通过炉排到达燃烧燃料层。

风量和燃料量要成比例，进行充分燃烧，形成高温烟气。

燃料燃烧剩下的灰渣，在炉排末端翻过除渣板后排入灰斗。

燃烧过程进行得完善与否，是锅炉正常工作的根本条件。

要使燃料量、空气量和负荷蒸汽量有一一对应的关系，这就是根据所需要的负荷蒸汽量来控制燃料量和送风量，同时还要通过引风设备控制炉膛负压。

该过程的特点是时间常数和滞后时问都比较大，而且随着媒质、煤种及风量的改变，这两个参数将有很大的变化。

2．烟气向水（汽）等的传热过程：

燃料燃烧所放出的热量使得炉内温度很高，

高温烟气与布置在炉膛四周墙面上的水管进行强烈的辐射传热。

烟气将热量传递给管内的水后，由于引风机和烟囱的引力作用而向炉膛上方流动。

沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道，经省煤器和空气预热器进行热交换，以较低的温度排出锅炉。

3．水的汽化过程：

对于蒸汽炉来说，经过处理的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入汽锅。

锅炉工作时，汽锅中的工作介质是处于饱和状态下的汽水混合物，它们位于烟气温度较低的对流管束中。

由于受热较少，汽水混合物的容重较大；而处于烟气温度较高区的水冷壁和对流管束受热多，其相应工质的容重小：

这样，容重大的工质向下流入下锅筒，而容重较小的工质则向上流入上锅筒，形成水的自然循环。

由于上锅筒内的汽水分离设备和锅筒本身空间J内的重力分离作用，使汽水混合物得以分离。

2．4燃煤锅炉的自动调节任务

燃煤锅炉的任务是根据负荷要求，生产具有一定参数（压力和温度）的蒸汽和热水。

为了满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济性，它主要要实现下列自动调节任务：

1．出水温度控制：

出水温度控制同路即锅炉的炉排控制回路，它通过调节炉排转速即调节给煤量的多少来调节锅炉的出水温度。

锅炉出水温度是热水锅炉的最重要的参数，采用微机控制可有效克服人工控制的缺陷．微机内预存有各种室外温度下的标准供水温度及标准供水、回水温度差曲线，微机首先根据当的室外温度及一段时问的室外温度变化情况推算出室外温度的变化趋势，再由标准供水曲线上查得当前订锅炉的出水温度标准值，作为出水温度控制回路的给定值。

微机根据锅炉当前出水温度与给定值的偏差大小，通过内部的控制算法调节炉排转速大小，使锅炉出水温度逐渐达到标准值。

2．回水压力控制：

回水压力主要是指在一次网循环过程中，被加热的水在换热站中完成热交换，将热量交换给二次网以后的低温水返回锅炉中，在网管中的压力。

回水压力的自动控制的目标是为了保证系统管道的安全性，通过控制补水泵和变频阀对回水压力进行控制。

加热引起的热膨胀作用，使管道内压力逐渐身高，到升高一定值时，开启安全阀对系统泄压，避免由于管道压力过高引起的管道破裂或者损坏；在循环过程中，由于在管道中的泄漏情况，使的管道内压力逐渐降低，使的系统压力不足，影响供暖效果，需要开启补水泵对系统进行补水，以提高系统的回水压力。

3．汽包水位控制：

锅炉汽包水位自动控制的目标就是使给水