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，有效的配置出电路连线方案。

并且在常压电热水锅炉的使用中应该注意：

1.必须安装接地电极，切勿用电源零线当做接地线。

2.水质的保证，水质会直接影响到加热设备的使用寿命，从而影响锅炉使用寿命。

所以使用前应注意监测水质，必要的时候可加装水质处理设备，以达到水质要求。

表1-1（CLDRS）LDRS系列常压电热水锅炉技术参数

1.5本章小结

本章主要介绍了常压电热水锅炉的现状、发展前景、以及优缺点。

通过本章的内容介绍，根据目前的市场需求以及国情，在本章中对常压电热水锅炉进行了细致的分析，从中找到常压电热水锅炉可设计的方向。

为第二章常压电热水锅炉系统方案布置打下基础。

第2章电热水锅炉系统方案

2.1电热水锅炉总体设计规划

本次设计主要以锅炉的控制为主，所以设计思路大体有三个方向。

其中之一就是所选用硬件电器的布置分配方案，通过预期的设计目的选出核心元件，并且规划出合理的布置分配方案。

之后要根据做好的布置方案为硬件电器进行选型与功能分析，并且从中选出最适用于本次设计的一套硬件设备。

最后根据选择的硬件设备以及控制原理电路拟出电路接线方案。

由于系统内的换热方式主要是进出水对流换热，所以锅炉系统的布置方案主要是电热管组的布置和对流换热面的布置以及外接电器的布置。

其中换热方式的布置能直接地影响系统的换热效率，所以直接有效的换热布置方案是十分重要的。

同时电气电路是直接影响到用户体验的部分，也应该重点设计连线方案，以达到设计的最终目的。

2.2电热管组布置

电热管是一种将金属电阻丝放入金属管中，并用导热性良好、绝缘性良好的物质将管内其余缝隙填满的电器元件。

选用的电热管如图2-1[12]所示。

图2-1中左图为电热管外形主视图，右图为电热管外形剖视图。

电热管外部金属管的材料为不锈钢或者10号钢。

该电热管可以安装在空气通道里用以加热空气，也可以浸在水或其他液体中用以加热水或其他液体，以及直接放在固体金属中加热金属。

由于它具有结构简单、热效率高、机械强度好、安全可靠、轻便耐用等特点，目前已在我国航空工业、船舶工业、石油工业、化工工业及日用工业等部门广泛地被采用，工业锅炉制造行业也已推广使用。

如用于硝石槽、水槽、各种油槽、酸碱加热装置、易熔金属熔化炉、空气加热炉、常压热水锅炉、干燥箱、各种冲模及压模、电熨斗、煮水器等[5]。

图2-1电热管外形结构简图

电热管的尺寸根据电热管技术参数手册查得，总长980mm，管径为20mm，弯径为50mm，换热表面为0.002248㎡，加热管材料选用10号钢，单管功率为16kw。

管组在布置上，每三个电热管以三角型方式连成一组，电热管用固定夹紧固为一个整体装在法兰盘上，从侧面水平插入，炉内、有角钢支撑，避免管组由于刚度不足出现弯折现象，接管的作用是保护管组根部不被强烈冲刷，以延长电热管的寿命，接管的长度不到电热管的1/3不会显著影响对流换热的效果，接管焊接在筒体上用来安装法兰盘，电热管组布置简图如图2-2[12]所示。

三角型布置一方面是出于外部电气设备接线的需要，另一方面水流冲刷而过时换热充分、均匀，而且可以有效地利用空间，布置更多管组，增加换热面。

常压电热水锅炉外部输入电压为380±10V，电热管组采用三角形联接方式，为了保障锅炉稳定运行需要配合稳压器和变压器来使用，电热管组采取分别配电的方式，可用配电柜配电，电气开关由可编程控制器手动自动两种方式控制，为保证运行安全，配有断路器、熔断器、漏电保护装置，接线需要保证绝缘性良好，并且必须保持端部干燥、清洁，以免造成表面有杂质造成短路。

1.接管2.加热器固定夹3.电热管4.加热器支撑角钢

图2-2电热管组装配简图

2.3对流换热面布置

以36kw电热水锅炉为例，2组电热管组在同一水平面安装，炉内侧每面安装1组，按照水平方向以相等间距安装，充分利用锅炉内等整体空间，可以让换热效率更加充分、均匀。

供水管和回水管都安置在锅炉后方底部，分别位于两侧，以达到增加对流换热的流程，中间有隔板，是水流在锅炉内单向流动，以达到增强强化换热的目的，其中单向流换热公式如公式2-1[12]所示：

Q=kFεt（2-1）

在室温为25±2℃、给水温度为20±1℃、出水温度为95±1℃的条件下，εt取60℃，总换热面积F=3×14×0.002248=0.010142m2，总功率Q=3×14×16=672kw，则电热管的设计平均散热系数公式如公式2-2[12]所示：

k=Q/Fεt=1099kw/（m2·℃）（2-2）

得出的换热系数也可直接带入其他型号的电热水锅炉电热管的计算中。

考虑到电热管的使用寿命需要尽可能的保持长久，需要给介质水进行水质监测，未经过水质监测的水中含有杂质，其中硬化水垢的形成是缩短电热管使用寿命的主要原因，水流的流量应该控制在5m³/s以下，以减少电热管表面的磨损。

总体上对流换热面的布置遵循了简单实用、安全高效的原则。

2.4控制系统与系统接线布置方案

面板仪表数值的显示、可编程控制系统、信号的采集和传递是构成控制系统的三大部分。

可编程控制器是完成可编程控制系统作用的核心元件。

运行面板仪表显示的数值可从布置在各测点的热电偶、水位计、压力传感器传输入的信号中得到，信号通过可编程控制器内部程序进行分析比较，确定是否发出执行元件应做出反应的输出信号。

如果是，则向执行元件发出控制指令，让元件做出相应的动作。

继电器、电磁开关、蜂鸣报警、指示灯报警等都属于执行元件。

通过执行元件的动作，可直观的判断锅炉系统的工作状态以及是否出现了故障，这样也能达到对系统工作状况实时监控的作用。

本次设计以锅炉硬件控制为主，所以硬件系统的接线方案设计是本次设计的中心。

本次设计的电热水锅炉主要为了是达到机电一体化的目的，所以电路设计可分为两部分：

一是主电路回路电路的设计，二是控制电路回路的设计。

其中系统主回路电路原理简图如图2-3所示。

其中主电路有三条支路，分别对应加热器，水泵的三相负载。

每条支路配有电流表实时监测，并且在主电路上接有电压表测定使用电压，达到了为用户实时反映产品工作状态的效果。

同时本次设计主要以硬件电气设计为主要内容，控制电路的设计也是本次设计的中心环节，控制电路电路回路原理图如图2-4所示。

控制电路中包括指示灯、控制开关、控制器的连接与分配。

指示灯为用户显示系统工作状态，控制开关为用户提供需要的操作。

其中指示灯显示的工作状态有电源工作状态，加热器工作状态，水泵工作状态。

控制开关可控制系统总电源，每组加热器的开启与停止，水泵的开启与停止。

并且在控制电路中加入了可编程控制器，对加热器，水泵可进行自动化控制，真正实现机电一体化控制。

并且在系统中采用56点位的控制器，控制器通过对传感器给出的输入信号，通过信息采集控制相应的继电器，从而完成相应的操作。

控制器在控制电路回路中起到了十分重要的控制作用，系统中的各种元件开关通过与控制器中点位相连，达到了自动化控制的目的。

控制器中可编程区域接有温度传感器与水位传感器。

两传感器传出的信号可通过编程控制完成。

信号输入后，通过线圈完成输出，即常闭触点与常开触点的断开与闭合以达到控制目的。

图2-3主电路回路原理简图

图2-4控制电路回路原理简图

2.5本章小结

本章主要介绍了电热水过路的总体布置方案以及主要元件的基础概括。

在本章节中主要介绍了本次设计的设计思路，加热系统、控制系统以及所需要的可编程计算机系统布置方案。

电热水锅炉设计的核心是布置方案和控制方案，并且配置了电路原理简图。

通过系统的原理方案的介绍，为下一章硬件的选择做铺垫。

第3章电热水锅炉硬件的选择

3.1断路器的选择

断路器在电路中起到保护作用，所以断路器的选择影响到系统使用的寿命，使系统能在稳定安全的环境下正常工作。

在本节中要着重介绍断路器的功能，特性，以及使用安装。

本次断路器选择3VU13断路器是额定电流最大至80A的紧凑型断路器。

其外观如图3-1所示。

该断路器根据限流原理进行工作。

可以用于电机或其它负荷的起动，断开及过载和短路保护；3VU13还可用作电动机断相保护。

用于电机或设备保护时，该断路器配备过电流瞬时脱扣器和反时限延时过载脱扣器。

由于起动器组合装置本身具有过载保护，因此用于起动器组合的3VU13只安装过电流瞬时脱扣器。

断路器和接触器可组合成无熔断器型组合起动装置。

3VU13断路器适用于任何一种气侯。

按封闭房间内良好操作环境下进行设计（例如：

无尘埃，腐蚀性气体）。

在有尘埃和潮湿房间里安装使用前，它们必须合理地进行密封、处理。

断路器的各种工作参数：

允许环境温度，最大通断能力，脱扣动作电流和其它限制性操作参数，在技术数据与脱扣特性中给出。

图3-13VU13断路器外形图

3.1.13VU13断路器

3VU13用于电动机保护时，承受电流范围为0.1A至25A。

该断路器特性曲线如图3-2所示，这些断路器的特征曲线反映了电动机的过载及短路保护特性。

并且当达到反时限超过负荷时，脱扣器可根据被保护电机的额定电流进行整定，而瞬时过流脱扣装置是按照额定电流12倍预设好的以保证躲过电动机起动电流。

图3-23VU13断路器脱扣特性曲线

当该断路器用于变压器保护时，3VU13承受电流为0.1A至20A。

该断路器用以对具有高浪涌电流的控制变压器原边进行保护。

它们带有可调整的过载脱扣装置和预设好的瞬动短路电流脱扣装置。

瞬时脱扣动作电流整定在19倍工作电流，这保证了具有浪涌电流峰值达30倍额定电流的变压器得以正常工作。

对于具有低涌入电流的变压器，例如：

西门子变压器，并不需要这种型式的断路器。

当该断路器用于线路保护时，3VU13承受电流为0.1A至25A。

该断路器用来对电缆、导体、电气设备进行过载和短路保护。

具有整定好的或可调整的过载、短路脱扣装置来达到优化配电系统适应性的目的。

3VU13断路器可配合附件限流器已达到提高短路分断能力的作用，能力值可提升到50kA，AC50Hz415V。

附件限流器外形如图3-3所示，该限流器额定电流为56A，横向尺寸为3TE（1TE=18mm），重量为0.29kg。

图3-3限流器外形图

3VU13断路器也可与远程控制机构组合，达到远距离接通和断开断路器的功能。

远程监控机构外形如图3-4所示远程监控机构的额定电压为AC50/60Hz220V~240V。

横向尺寸为3TE（1TE=18mm），重量为0.40kg。

图3-4远程监控机构外形图

3.1.23VU13断路器额定短路分断能力

3VU13断路器额定短路分断能力如图3-5[13]所示，表中显示在额定电流In和额定工作电压Ue下的额定极限短路分断能力Icu和额定运行短路分断能力Ics。

在表中的上半部分区域，额定极限短路分断能力不小于100kA，因此不需要后备熔断器。

在其它区域，当断路器安装点的短路电流超过表中列出的断路器的额定短路分断能力时，断路器需要熔断器保护。

后备熔断器按表中所列选用。

对于3VU13断路器，如不需要熔断器作后备保护，可用3VU9138-2AB00限流器代替熔断器，以增加断路器的短路分断能力，具体数值在括号内。

注：

（）括号内数字为带限流器的3VU13断路器的短路分断能力

图3-53VU13断路器额定短路分断能力图

3.1.33VU13断路器的特性

3VU13断路器的特性曲线是在冷态，三相负载的状态下测得的。

如果特性曲线在工作温度下，器热过载脱口器脱口时间将减少约25%。

并且根据电器分配标准，在三相负载和三倍和及以上整定电流下脱扣时间的偏差为±20%。

根据特定条件，及断路器额定电流6A，电流整定范围4-6A瞬时过电流脱扣器脱扣电流为72A，额定电压为交流50Hz，400V时可测出3VU13断路器的时间—电流特性曲线，特性曲线如图3-6[13]所示；限流特性曲线，特性曲线如图3-7[13]所示；I²t特性曲线，特性曲线如图3-8[13]所示。

图3-6时间-电流特