小型余热蒸汽温度控制系统的设计.docx

小型余热蒸汽温度控制系统的设计.docx

《小型余热蒸汽温度控制系统的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《小型余热蒸汽温度控制系统的设计.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

小型余热蒸汽温度控制系统的设计

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

邓燕妮工作单位：

自动化学院

题目:

小型余热蒸汽温度控制系统的设计

初始条件

冶金等生产行业依靠高温烟气作为热源的余热锅炉使用普遍,这种小型锅炉的主要作用是对烟气进行降温,同时产生蒸汽供其他生产工序使用。

这个对象的特点是：

由于烟气流量和温度由前一个工序决定,导致锅炉热源不稳定。

针对小型余热锅炉的特点,设计一控制系统，使出口蒸汽温度维持在360±6℃。

要求完成的主要任务:

1、了解小型余热锅炉生产工艺

2、绘制单回路温度控制系统方案图

3、确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数

4、撰写系统调节原理及调节过程说明书

时间安排

12月17日选题、理解课题任务、要求

12月18日方案设计

12月19-25日参数计算撰写说明书

12月26日答辩

指导教师签名：

2012年12月15日

系主任（或责任教师）签名：

2013年1月20日

摘要

余热锅炉是将工业生产过程中产生的余热转化成为蒸汽并为生产过程提供热能、动力，或通过热电站汽轮发电机组转化为电能。

它能够回收余热，高效利用和节约能源，对于企业实现节能减排具有重要的作用。

本系统设计了一个简单控制系统维持出口蒸汽温度恒定，通过对被控参数、控制变量、检测元件、执行器和调节器的设计，以及控制规律的选择和调节器参数的整定，完成了单回路控制系统的设计。

该系统能够有效维持出口蒸汽温度在设定范围，整个设计简单高效。

关键字余热锅炉,单回路温度控制,温度检测,PID整定

目录

1小型余热锅炉介绍1

1.1生产工艺..............................................................1

1.2工作原理..............................................................1

2小型余热锅炉蒸汽温度控制系统设计...........................................3

2.1系统方案设计3

2.2被控参数选择3

2.3控制变量选择4

2.4温度传感器及变送器4

2.4.1温度传感器4

2.4.2温度变送器4

2.5调节阀6

2.5.1调节阀气开、气关作用方式选择6

2.5.2调节阀流量特性选择6

2.6调节器6

2.6.1调节器选型6

2.6.2调节器正反作用方式选择8

2.7调节规律选择8

3调节器参数整定10

4调节过程分析11

5小结与体会12

参考文献13

小型余热锅炉蒸汽温度控制系统的设计

1小型余热锅炉介绍

1.1生产工艺

余热锅炉是将工业生产过程中产生的余热（如冶金、水泥、玻璃生产过程中产生的余热烟气）转化成为蒸汽并为生产过程提供热能、动力，或通过热电站汽轮发电机组转化为电能。

它能够回收余热，高效利用和节约能源，对于企业实现节能减排具有重要的作用。

余热锅炉系统包括蒸汽发生器和水加热器、汽水分离器系统，无需另设置汽包，将水位控制及汽水分离直接设置在蒸汽发生器的锅筒上。

图1为简易余热锅炉系统示意图。

余热锅炉的工作原理为：

燃烧设备出来的高温烟气经烟道输送至余热锅炉入口，再经流过热器、蒸发器和省煤器，最后经烟囱排入大气，排烟温度一般为150~180℃，烟气温度从高温降到排烟温度所释放出的热量用来使水变成蒸汽。

锅炉给水首先进入省煤器，水在省煤器内吸收热量升温到略低于汽包压力下的饱和温度进入锅筒。

进入锅筒的水与锅筒内的饱和水混合后，沿锅筒下方的下降管进入蒸发器吸收热量开始产汽，通常是只有一部分水变成汽，所以在蒸汽器内流动的是汽水混合物。

汽水混合物离开蒸发器进入上部锅筒通过汽水分离设备分离，水落到锅筒内水空间进入下降管继续吸热产汽，而蒸汽从锅筒上部进入过热器，吸收热量使饱和蒸汽变成过热蒸汽。

尽管锅炉系统种类繁多，各种类型锅炉的工艺流程和操作控制各有特点，但对过程检测、控制的要求是基本相同的。

这既包括对锅炉产汽量和产汽压力的要求，也包括对锅炉自身安全、稳定运行的要求。

锅炉生产过程检测控制应达到下述基本目的：

锅炉汽包水位必须保持在一定范围内；锅炉产汽量必须适应用汽设备用汽量变化的要求；锅炉产汽压力必须满足用汽设备的要求；过热蒸汽温度必须根据用汽设备的要求保持在一定的范围内；燃烧系统必须维持安全、经济的运行。

1.2工作原理

余热锅炉是燃气－蒸汽联合循环发电的主设备之一。

和常规锅炉不同，余热锅炉中不发生燃烧过程，也没有燃烧相关的设备，从本质上讲，它只是一个燃气—水蒸汽的换热器。

其与燃气轮机配合，燃气轮机的排气（温度约在500～600℃）进入余热锅炉，加热受热面中的水，水吸热变为高温高压的蒸汽再进入汽轮机，完成联合循环。

　　余热锅炉由锅筒、活动烟罩、炉口段烟道、斜1段烟道、斜2段烟道、末1段烟道、末2段烟道、加料管（下料溜）槽、氧枪口、氮封装置及氮封塞、人孔、微差压取压装置、烟道的支座和吊架等组成,其原理图如图1所示。

余热锅炉共分为六个循环回路，每个循环回路由下降管和上升管组成，各段烟道给水从锅筒通过下降管引入到各个烟道的下集箱后进入各受热面，水通过受热面后产生蒸汽进入进口集箱，再由上升管引入锅筒。

各个烟道之间均用法兰连接。

图1余热锅炉原理图

2小型余热锅炉蒸汽温度控制系统设计

2.1系统方案设计

单回路控制系统是最基本的控制系统。

由于其结构简单，投资少，易于调整，操作维护比较方便，又能满足多数工业生产的控制要求，应用十分广泛。

本系统以蒸汽管道中的温度为被控制量构成单回路控制系统，系统原理图如图2所示，结构框图如图3所示。

由图3可知，本系统的结构是单闭环的，由温度变送器、温度控制器、执行器和被控对象组成。

温度传感器测量被控温度，并转换成便于利用的信号形式，比较装置将反映温度大小的信号与给定温度值比较，产生偏差信号。

偏差信号通过温度控制器作用到调节阀上，按照消除偏差的方向来改变被测点的温度，将其调节到给定的希望值。

图2余热锅炉蒸汽温度控制系统原理图

图3蒸汽温度控制系统结构框图

2.2被控参数选择

锅炉出口的过热蒸汽温度是蒸汽重要的质量指标，直接关系到设备的安全和系统的生产效率。

蒸汽温度过高，会使过热器设备过热变形而造成损坏；温度过低则会降低机组热效率。

蒸汽温度控制系统的目的就是维持过热器出口温度在允许的范围内，保护设备的安全，并使生产过程经济、高效地持续运行。

并且蒸汽温度可以直接测量，所需设备简单。

为此，可直接选择过热蒸汽温度θ作为被控参数。

2.3控制变量选择

影响蒸汽出口温度θ的扰动因素主要有蒸汽流量D、烟气流量

、给水流量

三个因素。

蒸汽流量D扰动是不可控的，不能选作蒸汽温度的控制变量；烟气流量和温度由前一个工序决定，在本系统中也认为是不可控的。

只有选择给水流量

作为蒸汽温度控制系统的控制变量。

2.4温度传感器及变送器

2.4.1温度传感器

工业装置中使用量最大的是热电偶温度计和热电阻温度计。

热电偶能将温度信号转换为电动势信号，具有性能稳定、复现性好、体积小、响应时间小等优点，一般用于测量500℃以上的高温，可以在1600℃高温下长期使用。

热电阻是中低温区常用的一种温度检测器。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定。

其中铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200℃～400℃）最常用的一种温度检测器，，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

本系统的被控温度在600℃以下，并要求维持在360℃恒定，对精度有一定要求，而热电偶主要用于中高范围的温度测量，并且精度也不如热电阻高，故本系统选择铂热电阻（Pt100）作为蒸汽温度传感器。

三线制PT100要求引出的三根导线截面积和长度均相同，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，当桥路平衡时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差，所以本系统采用三线制接法。

2.4.2温度变送器

一体化温度变送器具有结构简单、节省引线、输出信号大、抗干扰能力强、线性好、显示仪表简单、固体模块抗震防潮、有反接保护和限流保护、工作可靠等优点，可直接替换普通装配式热电偶、热电阻。

其输出为统一的4～20mA信号，可与微机系统或其它常规仪表匹配使用。

综上所述，本系统采用一体化温度变送器。

一体化温度变送器一般由测温探头（热电偶或热电阻传感器）和两线制固体电子单元组成。

采用固体模块形式将测温探头直接安装在接线盒内，从而形成一体化的变送器。

一体化温度变送器一般分为热电阻和热电偶型两种类型。

SBWZ热电阻温度变送器是DDZ系列仪表中的现场安装式温度变送单元。

它采用二线传送方式（两根导线作为电源输入，信号输出的公用传输线）。

将热电偶、热电阻信号变换成输入电信号或被测温度或成线性的4～20mA的输出信号，变送器可以安装于热电偶、热电阻的接线盒内与之形成一体化结构。

它作为新一代测温仪表可广泛应用于冶金、石油化工、电力、轻工、纺织、食品、国防以及科研等工业部门。

SBWZ一体化温度变送器主要技术指标：

1、输入：

热电阻Pt100、Cu50、Cu100

热电偶K、E、S、B、T、J、N

2、输出：

在量程范围内输出4～20mA直流信号可与热电阻温度计的输出电阻信号成线性，可与热电阻温度计的输入温度信号成线性；可与热电偶输入的毫伏信号成线性，也可与热电偶温度计的输入温度信号成线性。

3、基本误差：

±0.2%、±0.5%

4、传送方式：

二线制

5、变送器工作电源电压最低12V，最高35V，额定工作电压24V。

6、负载：

极限负二载电阻按下式计算

即24V时负载电阻可在0～600Ω范围内选用，额定负载250Ω。

7、环境温度影响≤0.05%/℃

8、正常工作环境：

a、环境温度-25℃～+80℃

b、相对湿度5%～95%

c、机械振动f≤55Hz振幅＜0.15mm2.3调节阀

查询SBWZ系列温度变送器的型号，SBWZ-2460测温范围为0～600℃，传感器分度号为Pt100，适用于本系统，故选择SBWZ-2460温度变送器作为系统的检测环节。

热电阻三线制变送器安装接线图如图4所示

图4温度变送器接线图

2.5调节阀

在自动控制系统中，调节阀是常用的执行器。

控制过程是否平稳取决于调节阀能否准确动作，使过程控制体现为物料能量和流量的精确变化。

所以，要根据不同的需要选择不同的调节阀。

选择恰当的调节阀是管路设计的主要问题，也是保证调节系统安全和平稳运行的关键。

2.5.1调节阀气开、气关作用方式选择

根据工艺要求及安全生产的因素考虑，一旦发生事故，系统失控时，供水调节阀应该处于全开的位置，使过热器不致因给水中断而烧坏，避免事故，所以调节阀采用气关式阀门。

2.5.2调节阀流量特性选择

关于调节阀流量特性的确定，应满足在整个调节过程中，对象特性的变化能通过调节阀的特性变化得到补偿，使调节系统中广义对象的特性尽可能稳定，保证调节质量。

系统中控制对象的工作点比较稳定、调节阀两端的压差也比较稳定，阀门的开度基本上保持在一个固定的位置上，阀门的放大系数Kv变化不大，对象的放大系数Kv也变化不大，此种情况下，不论是线性特性还是对数特性都可以。

本系统选择线性流量特性的调节阀。

2.6调节器

调节器的选型与调节规律的选择对控制过程系统的控制品质有至关重要的影响。

2.6.1调节器选型

本系统采用KSC5智能PID控制仪，KSC5 PID控制仪可以与各类传感器、变送器配合，实现对温度、压力、液位、成份等过程量的定值控制。

产品特点：

·0.2%F·S高精度，自校准和人工校准功能。

克服长时间使用和环境温度变化引起的误差

·对传感器的修正功能，帮助减小传感器误差，有效提高系统的测量、控制精度

·多重保护、隔离设计，抗干扰能力强、可靠性高

·丰富的软件功能及方便的操作界面

·完善的网络通讯功能。

与计算机进行高速、高效的双向数据交换。

具备远程调试、诊断、数据采集能力

·良好的软件平台，具备二次开发能力，以满足特殊的功能要求

技术参数:

输入信号:

热电阻：

Pt100、Cu100、Cu50、BA1、BA2、G可通过设置选择。

热电偶：

K、S、R、B、N、E、J、T 可通过设置选择

直流电流信号：

4～20mA、0～10mA、0～20mA可通过设置选择

直流电压信号：

1～5V、0～5V 可通过设置选择

精度：

测量周期：

0.3s

控制周期：

0.3s～75.0s可设置

测量精度：

±0.2%F·S ±1个字，自动对温漂、时漂进行补偿

测量分辨率：

1/16000、14位A/D转换器

显示范围：

-1999～9999

热电阻输入导线电阻：

小于20Ω    

热电偶输入冷端补偿范围：

0～60℃，精度±1℃

设定精度：

与显示值一致无相对误差     

调节方式：

自整定PID连续控制或ON/OFF控制

比例带：

0.2%～999.9%  积分时间：

0s～9999s  微分时间：

0s～3999s

操作输出限幅范围：

-6.3～106.3%

报警:

报警方式，报警灵敏度可设置

报警输出接点容量：

220V AC，3A（阻性负载 ）

传感器故障继电器输出（扩展功能）

控制输出：

4～20mA、0～10mA、0～20mA可通过设置选择

精度：

±0.3%F·S

位式控制输出：

继电器接点输出或控固态输出

外供电源：

大于30mA

电源电压：

V0：

187～242V AC 耗电量5VA以下 V1：

20～28V DC  耗电量4VA以下

工作环境：

温度：

0～50℃  湿度：

低于90％R·H

温度变送器与KSC5的接线图如图5所示。

图5温度变送器KSC5接线图

2.6.2调节器正反作用方式选择

调节器正、反作用方式的选择是在调节阀气开、气关方式确定后进行的，其确定原则是使整个单回路构成负反馈系统。

本系统中执行器选用的是气关式调节阀，一旦系统故障，调节阀自动打开，以避免过热器温度过高。

调节阀为反作用。

随着温度升高，温度传感器输出信号增大，为正作用，余热锅炉可以看做是正作用，根据整个系统构成负反馈的原则，调节器应为正作用方式。

2.7调节规律选择

在实际控制系统中，调节器采用的基本调节规律有比例、积分和微分调节规律，简称PID调节。

通过P、I和D三个环节的不同组合，即可得到常用的各种调节规律。

PID调节规律作为一种基本控制方式获得广泛的应用，主要是由于它具有原理简单、鲁棒性强、适应性广等优点。

本系统为慢过程参数控制系统，具有大惯性、大滞后的特点。

如果单纯采用比例调节器，会导致调节过程滞后，蒸汽温度很难稳定在一个固定的值，波动较大。

PID调节是比例、积分、微分调节规律的线性组合，它吸取了比例调节反应快速、积分调节能够消除静差以及微分调节预见性的优点，是一种比较理想的调节规律，PID调节兼顾了静态性能和动态性能两方面的要求，可以取得满意的控制效果。

故本系统采用P和D结合的PD调节器。

PD调节器的输入输出关系为：

式中，

为微分时间常数，P为比例度,

为积分时间常数。

3调节器参数整定

简单控制系统的控制品质，与被控过程的特性、干扰信号的形式和大小、控制方案及调节器的参数等因素密切相关。

一旦控制方案确定，工艺条件和设备特性干扰特性等因素就完全确定，不可能随意改变。

这时控制系统的控制品质完全取决于调节器的参数整定。

调节器参数整定方法可以简单归结为理论计算法和工程整定法两大类。

理论计算法要求知道被控过程的数学模型，由于难以获得被控过程精确的数学模型，因而理论计算法在工程上较少采用。

工程整定法不需要对象特性的数学模型，可直接在现场进行参数整定，方法简单、操作方便、容易掌握，在工程实际中得到广泛应用。

常用的工程整定方法有稳定边界法、衰减曲线法、响应曲线法和经验法。

根据系统特性，采用衰减曲线法进行参数整定如下：

1首先取

，

，比例度P置于较大数值，将系统投入自动运行状态。

2等系统运行稳定后，对设定值做阶跃扰动，然后观察其过渡过程。

若过渡过程振荡衰减太快，则减小比例度。

反之亦然。

如此反复，直到衰减比为4：

1，并记录对应的比例度

3按照表1所给的经验公式计算调节器的整定参数值

、

和

，并按计算结果设置调节器的参数。

表1衰减比为4:

1时，衰减曲线法整定参数计算表

（%）

P

—

—

PI

1.2

0.5

—

PID

0.2

0.3

0.1

控制对象为出口蒸汽温度，器传递函数为:

=

得出主调节器的整定参数为：

P=8.4，Ti=12.8/8.4,Td=0

4调节过程分析

铂电阻传感器将温度变为电信号，电信号经过温度变送变为标准的电平信号。

电平信号经过AD采集，输入到调节器。

调节器一般为单片机或者PLC。

给定信号由人为输入。

人工输入可以通过键盘输入。

调节器将人工输入的信号和温度变送输入的信号进行比较。

然后采用PI或者PID算法，对两者之差做变换，然后输出信号控制调节阀。

调节阀由给定信号开始动作，控制高温烟气的流量。

从而控制出口蒸汽的温度。

假设在稳态工况下，阀门开度一定，给水流量稳定，烟气流量和温度不变，蒸汽温度保持在相对稳定的状态，此时蒸汽温度稳定在设定值。

如果出现外部干扰，烟气流量或温度变化时，稳定工况被破坏，并最终反应到蒸汽温度的变化上来，温度传感器检测到温度变化，经过温度变送器变成标准电流信号，送入调节器。

PID调节器根据给定和反馈输入的偏差进行控制，输出阀门控制信号，调节阀门的开度，从而改变蒸汽的温度，使其维持在恒值。

假设高温烟气温度突然增大或者流量突然升高，导致出口蒸汽温度升高。

经过温度变送检测到温度高于设定值。

这时调节器输出信号，减小调节阀的开度。

这时，高温烟气流量减小，余热锅炉热源减小，出口蒸汽温度下降，恢复到设定范围内。

5小结与体会

在刚开始做课程设计时，认为过程控制课程设计会非常简单，但实际深入后，发现并非如此简单。

首先要对原理有深入的理解，接着要对各个环节的设计原则有一个整体的认识。

最后要根据本系统的实际情况，设计出合适的控制系统。

虽然，我完成了课程设计，但很多细节都没有处理好。

比如，各个环节的参数计算和工业上需要注意的细节问题。

所以这篇课程设计还有许多要改进的地方。

通过这次课程设计，我了解了余热锅炉蒸汽温度控制基本知识，掌握了单闭环控制系统的组成，了解了PID调节器的作用和PID调节器的稳态特征。

了解了调节器的设计问题，掌握了PID调节器的参数整定方法。

这次课程设计，让我们有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中。

并通过对知识的综合利用，进行必要的分析，比较。

从而进一步验证了所学的理论知识。

同时这次课程设计，我也充分锻炼了自己的查阅资料能力、设计能力、与同学相互合作的能力，认识到课本的局限性。

要想真正提高自己的能力，就不能只局限于课本，要学习各方面的知识，要多从实践中总结经验，从而达到理论与实践的相互融合。

参考文献

[1]金以惠,方崇智.过程控制.北京：

清华大学出版社1993年4月第1版

[2]王桂增,王诗宓,徐博文,李春文,叶昊.高等过程控制.北京:

清华大学出版,2002

[3]孙优贤,褚健.工业过程控制技术,方法篇.北京：

化学工业出版社,2006

[4]王永初,任秀珍.工业过程控制系统设计范例.北京：

科学出版社,1986

[5]徐用懋,王诗宓.工业过程模型化及控制.北京：

清华大学出版社,1991

[6]严伯钧.过程控制系统分析与设计.北京：

中国纺织出版社,1994.5

[7]黄正慧,刘朝英,齐树兴.过程控制系统工程设计.北京：

科学出版社,1995

本科生课程设计成绩评定表

姓名

性别

男

专业、班级

课程设计题目：

小型余热蒸汽温度控制系统的设计

课程设计答辩或质疑记录：

问题1、请列举温度测量元件的类型

答：

玻璃温度计：

利用固体或液体热胀冷缩是体积的变化特性来测温；压力式温度计：

利用密封容器内气体或液体热胀冷缩是压力变化的特性来测温；热电阻温度计：

导体或半导体的温度的阻值随温度而改变；热电偶温度计：

两种不同金属导体接点受热产生热电势。

问题2、针对本设计你采用衰减曲线法的理由是什么？

答：

衰减曲线法是在调节器投入运行的情况下进行，不需要系统在稳定边界（临界状态）运行，比较安全，而且容易掌握，能适用于各类控制系统的参数整定。

衰减曲线法是闭环试验整定方法，闭环试验对干扰有比较好的抑制作用，而开环试验对外界干扰的抑制能力较差，因此，从这个意义上来讲，衰竭曲线法最好。

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

2012年12月26日