《热力过程自动化》教案.docx

《热力过程自动化》教案.docx

《《热力过程自动化》教案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《热力过程自动化》教案.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

《热力过程自动化》教案

《热力过程自动化》

绪论

一、热力过程自动化的重要意义

1．电能无法存储，要求连续调整和操作以适应外界负荷的变化。

2．机组容量增大，监视和操作项目迅速增加，人力无法完成，热力过程的操作与控制必须实现自动化。

例：

300MW机组，监视项目950—1050个，操作项目400个。

二、现代电厂热力过程自动化的概况和发展趋势

概况：

电子管型—晶体管型—集成电路组装型—计算机控制。

例如：

DDZ-Ⅰ型、DDZ-Ⅱ型、DDZ-Ⅲ型、QDZ-Ⅱ型组合仪表、巡回检测仪、数字仪表、组装仪表、分散控制系统（DCS）

我国自动化仪表发展趋势:

小型化、系列化、通用化、智能化及标准化

三、热力过程自动化的组成

1．热工检测

例如：

t、p、Δp、D、H、O2等参数的检测

2．自动调节

CCS系统，锅炉给水、汽温、燃烧自动调节，汽轮机DEH系统、除氧器压力、水位自动调节，凝汽器水位自动调节等。

3．远方操作（遥控）

即手动远方操作，是自动调节的后备手段。

4．热工信号和热机保护

运行异常或参数越限发出：

灯光、音响、语音信号；

如：

AN－3100报警器

参数偏离极限值：

保护装置动作。

如：

FSSS、TSI、OPC

5．计算机集散控制系统

DCS系统：

DAS、CCS、SCS、FSSS、DEH、ATC、ETS、ECS、RB。

特点：

信息集中，控制分散。

四、热工控制盘和控制台

集控室：

控制盘、控制台、DEH站、锅炉汽轮机DCS站、FSSS站、ECS站等。

电力工业是技术密集型企业，生产过程复杂多变。

要求运行值班员：

严密监视、冷静分析、准确判断、合理操作。

第一章热工测量的基本知识

§1－1热工测量系统的组成

一、热工测量的目的及意义

目的：

1．反映被测参数值，以便监视运行工况。

2．为自动调节设备提供测量信号，并监视其运行。

3．为经济核算提供数据，以寻求经济合理的运行方式。

4．记录、打印异常数据，为分析事故原因提供依据。

意义：

为保证机组的安全、经济运行提供可靠、快速、准确的基本测量数据，是实现自动化的基石。

二、热工测量系统的组成

三、热工仪表的分类

1．按被测参数分：

温度、压力、流量、物位、成分分析仪表等。

2．按用途分：

标准仪表、实验室用仪表、工程用仪表。

3．按显示特点分：

指示式、记录式、积算式、数字式、屏幕显示仪表等。

4．按仪表的安装地点分：

就地式、远距离传送式仪表。

5．按仪表采用的信号能源分：

气动式、液动式、电动式仪表。

§1－2热工仪表的品质指标

一、测量误差

测量误差：

因仪表不够准确、客观条件变化、测量方法不完善、人为疏忽和其他偶然因素引起的测量值与真实值之间的差异。

（一）误差的种类

1.系统误差

2．粗大误差

3．随机误差

（二）误差的表示方法

1．绝对误差

A=X-X0

不能确切的反映测量的准确程度

2．相对误差

相对误差=A/（Xs-Xx）×100％

例：

一支体温表测量范围32℃～42℃,一支炉温表0～1000℃，绝对误差均为±1℃，相对误差却分别为±10%和±0.1％

二、热工仪表的品质指标

1．准确度

允许误差：

出厂仪表允许具有的最大误差。

一般用相对误差表示

准确度：

允许误差去掉百分号后的绝对值。

准确度等级：

国标有0.005-5.0，工业用仪表0.5-2.5。

2．基本误差

基本误差：

在规定的工作条件下，仪表所具有的最大误差。

基本误差为校验值。

3．回程误差

示值回程误差：

同一测点所得正、反行程测量值之差的绝对值。

回程误差:

全量程范围，各测点的最大示值回程误差。

4．分辨率

分辨率：

能引起仪表示值发生可见变化的被测量的最小变化量。

值越小，分辨能力越强。

5．灵敏度

灵敏度：

仪表输出端信号的变化与引起该变化的被测量的变化之比。

S=ΔL/ΔX

6.迟延性

时滞：

从被测量变化到引起仪表示值变化的这段时间。

思考题：

1－2、1－3、1－4、1－5

第二章温度的测量

§2－1概述

一、测量温度的目的和意义

1．温度是表征蒸汽质量的重要指标之一。

2．温度是影响热力设备效率的主要原因。

3．温度是保证热力设安全运行的重要参数。

二、温度的单位

在火电厂，普遍使用摄氏温度。

三、温度测量仪表的分类（根据测量原理）

1．膨胀式温度计：

-100～500℃

2．压力表式温度计：

0～300℃

3．热电偶高温计：

0～1600℃

4．热电阻温度计：

-200～500℃

5．辐射高温计：

600～2000℃，非接触式。

§2－2热电偶测温原理

一、热电偶的测温原理

热电偶：

两种不同导体焊接成的一个闭合回路

图示解释：

热电势、热端、冷端

热电势包括：

接触电势（主要构成者）

温差电势（一般很小）

可写成EAB（t,t0）=eAB（t）-eAB（t0）

若使冷端温度t0保持不变，则有：

EAB（t,t0）=eAB（t）-c

即EAB（t,t0）=fAB（t）

二、常用热电偶的种类

1．铂铑10—铂热电偶（分度号S）

特点：

测量准确、抗氧化、测温上限高，长期1300℃，短期1600℃。

2．镍铬—镍硅热电偶（分度号K）

特点：

热电势大，线性度好，测温范围广（1000℃，1200℃）

易氧化腐蚀。

工业应用最广泛

3．镍铬—铜镍（康铜）热电偶（分度号E）

特点：

热电势很大，灵敏度高，价格便宜，低温性能好

不能测高温，易氧化变质，测温范围（600℃，800℃）

三、热电偶的结构类型

1．普通型热电偶

结构：

热电极：

贵金属0.3-0.65mm，普通金属0.5-3.2mm，长度350-2000mm。

绝缘材料：

橡胶、塑料、陶瓷、氧化铝，一般为多节小管串联而成。

保护套管：

不锈钢、石英、高温陶瓷。

要求耐高温、耐腐蚀、不渗透气体、导热性好。

接线盒：

便于接线和防尘，已标准化。

2．铠装型热电偶（广泛应用）

特点：

小型化（热惯性小、反应快）、寿命长、结构牢固。

结构：

热电极、绝缘材料、金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体。

外径1～8mm，长度可大100m以上

3．热套式热电偶

结构特点：

锥形套管、三角锥面支撑、热套保温、焊接式安装。

优点：

抗冲击、严密牢固、热惯性小、准确、迅速。

四、热电偶冷端温度的修正和处理

1．冷端温度修正法—热电势修正法

计算法、仪表机械零点调整法

2．冰点槽法

3．补偿导线法：

只是延长冷端位置到一个温度较稳定的地方。

4．冷端温度补偿器法

§2－3热电阻测温原理

特点：

适用于测量-200℃～500℃之间的温度，准确、稳定、灵敏度高、价格便宜。

一、热电偶的测温原理

图示2－15

Rt=Rt0[1-α（t-t0）]

α—电阻温度系数，1／℃

纯度：

R100／R0

纯度越高，α值越大。

二、热电阻的材料

1．铂电阻

测温范围：

-200～500℃

工业上常用R0有50Ω和100Ω两种，分度号为Pt50和Pt100，纯度为不小于1.3910。

2．铜电阻

测温范围：

-50～150℃。

工业上常用R0有50Ω和100Ω两种，分度号为Cu50和Cu100，纯度不小于为1.425。

三、热电阻的结构

与热电偶相类似，只是感温元件不同。

§2－4动圈式仪表

温度显示仪表，常用XC系列、XF系列

一、动圈式仪表的工作原理及结构

1．工作原理

原理：

在流导体在磁场中受力而产生运动。

M＝Mf

2．动圈式仪表的结构

包括：

动圈系统、支撑系统、磁路系统、量程电阻。

二、XF系列动圈式仪表

带集成电路放大器，结构上采用立式圆柱形的内磁钢结构，采用了强力矩动圈表头的测量机构。

稳定、快速，可用作调节器。

XFZ-101型动圈式仪表组成方框图2－24

§2－5电位差计与ER180系列自动平衡式仪表

对重要热工参数进行连续记录、报警、调节。

一、电位差计的测量原理

电压平衡原理，图2—29

二、ER180系列自动平衡式仪表组成

特点：

可直接与热电偶或热电阻相配合，用于温度显示，也可以与直流毫伏变送器配合，测量压力、差压、流量、水位，有多种报警方式。

输入信号种类：

1～5V，D.C、0～10mA，D.C、4～20mA，D.C

组成：

量程板、放大板、可逆电机、同步电机、指示记录机构。

组成方框图2－33（a）

思考题：

2－3、2－4、2－6、2－8、2－16

第三章压力的测量

§3－1概述

一、压力测量的意义

主要意义：

保证主机及辅助设备的安全经济运行。

例如：

主蒸汽压力、炉膛负压、凝汽器真空、汽包压力、给水压力、各抽汽段压力等

二、压力及压力的单位

正压力：

负压力：

（真空）

真空度＝真空值／pamb×100％

单位:

Pa、MPa、kPa、bar

三、压力表的种类

液柱式压力表、弹性压力表、压力变送器等

§3－2弹性压力表

弹性压力表的优点：

结构简单、造价低、测量范围宽（0.1-1×109Pa）

原理：

物体受力变形

常用弹性元件：

薄膜式（膜盒、膜片式）、波纹管式、弹簧管式。

一、单圈弹簧管式压力表

弹簧管式压力表分：

单圈、多圈

1.弹簧管的测压原理

图示:

C形,270°圆弧空心金属管，断面为椭圆或扁圆。

Rα=R’α’rα=r’α’

bα=b’α

bα=（b+Δb）（α+Δα）

得Δα=Δbα／（b+Δb）

可见，b越小，α越大，则Δα越大，压力表越灵敏。

因此多圈管更灵敏。

2．弹簧管压力表的结构

自由端位移小，一般2～3mm，需机械传动放大机构。

图示

二、电接点压力表

三、膜盒式风压表

属低压仪表，范围150～40000Pa，常用于风烟系统、制粉系统的压力测量。

图示，简介

四、弹性压力表的使用

压力测量系统构成：

被测对象、取压口、连接导管、压力表。

1．压力表的选择

需考虑的因素：

现场条件（振动、湿度、温度），介质的性质（流动、静止、腐蚀性、易燃性），压力的大小、波动，精度要求等。

1／2～2／3，波动大1／2。

2．压力表的安装

图示3－6

直管段、振动小、温度不高、凝汽管、隔离罐、修正、倾斜度、切断阀门或三通阀等。

§3－3压力变送器

优点：

实现信号的转换和远传，便于自动记录、自动调节。

一、差压式压力变送器（YST-1型）

压力——直流毫伏信号，用于测微压。

1．仪表的结构及工作原理

组成：

测量膜盒、差动变压器、电气线路。

图示：

3－7、3－8

2．电气线路工作原理

图示：

3－9

二、1151系列电容式变送器

压力、差压的测量，

1．测量原理

图3－11

C=εA/d

ε—极板间介质的介电常数

d—极板间距

2．1151系列电容式变送器的组成

功能：

将流体的压力、差压、流量和液位等参数转换成4～20mmA,D.C的标准信号，用于显示，或与组装仪表、计算机等配用，组成压力控制系统。

组成：

图示

图：

1151变送器的组成

思考题：

3－1、3－3、3－4、3－5

第四章流量的测量

§4－1概述

一、流量测量的意义

主要意义：

重要的热工参数，保障安全经济运行。

例如：

蒸发量，给水流，热效率计算，经济核算。

汽、水、煤、油流量的连续测量。

二、流量及流量单位

流量：

单位时间内通过管道中某一截面的流体的数量.

单位:

T／h,Nm3/h

三、流量测量仪表的分类

按结构、原理分：

容积式、速度式、差压式、电磁式等。

§4－2节流件的测量原理及标准节流装置

一、节流件的测量原理

组成如图，原理：

压差∝流量

二、标准节流装置

1．标准节流件

标准节流孔板、喷嘴

图示即可

2．取压装置

标准孔板：

角接取压（环室取压、单独钻孔取压）

法兰取压

标准喷嘴：

角接取压

3.对节流件前后直管段的要求

要求：

节流件上下游直管段长度按规定取，L1，L2。

三、流量计算公式

节流件前后压力和速度的变化情况。

图示4－7，详解

流量公式：

qm=αεA0√2ρ1Δp

α—流量系数，0.6-1.2。

ε—流束膨胀系数。

四、蒸汽压力、温度变化对流量测量的影响

ρ的影响最大，可用压力、温度进行校正，或采用智能流量表。

五、用DDZ-Ⅱ型仪表测量流量

图示

思考题：

4－1、4－2、4－3

第五章水位的测量

§5－1概述

一、水位测量的意义

保证机炉安全经济运行的又一个重要参数。

二、水位计的种类

种类：

云母水位计、差压式水位计、电接点式水位计

显示方式：

液面显示、指针显示、氖灯显示、数字显示、电视屏幕显示。

云母水位计简介：

指示值偏低。

高压低50mm左右，中压低30mm左右。

简单、直观、可靠

§5－2WL型智能汽包水位计

原理：

水位／压差——平衡容器

一、水位测量系统

WL型智能汽包水位测量系统自成：

二、测量原理

图5－3

§5－3电接点式水位计

突出优点：

受汽包压力变化影响小、无迟延、准确可靠。

一、工作原理

水位容器—引出水位，再装设电极测点。

如图5－5

原理：

根据汽包内汽、水电阻相差很大来测量水位的。

类型：

氖灯式水位计：

可见度较低

双色水位计：

数字式水位计

二、电接点双色水位计

标志：

汽红、水绿

图5－6，解释原理与电路

三、电接点数字式水位计

图5－7，解释原理

§5－4工业电视监视汽包水位

制造：

身临其境、耳闻目睹之感。

形象、逼真

一、工业电视简介

闭路电视

二、工业电视监视汽包水位

1.双色牛眼水位表。

2．电视监视系统：

需密封恒温箱，且有超温报警指示。

3．使用：

双路单点监视方式。

思考题：

5－2、5－5

第六章氧量的测量

炉膛燃烧状况的监视：

氧量、工业电视。

燃烧好坏的衡量：

过量空气系数α

α=21/（21-O2）

图6-1燃烧产物中O2含量与α的关系曲线

§6-1氧化锆氧量计

特点：

结构简单、准确可靠、反应迅速、维护量小。

一、工作原理

氧化锆（ZrO2）:

陶瓷类金属氧化物。

掺入一定量的CaO或Y2O3，经高温烧结，形成萤石型立方晶体。

晶体中形成氧离子空穴，在高温（700—800℃）下具有很高的氧离子导电性。

氧浓差原理：

解释

E=KTlg（φ2／φ1）mV

其中K＝0.0496，O2=20.8％

E=0.0496Tlg（20.8／φ1）

要求：

工作温度在700～800℃之间。

二、测量系统

分类：

定温式、补偿式

1．直插定温式测量系统

组成：

陶瓷过滤器、氧化锆管、加热炉丝、热电偶、二次仪表等。

2．直插补偿式测量系统

直插补偿式，过热器后烟温600～700℃，烟温的变化可补偿。

如图6－5EZ＝E-ET

三、DH-6型氧化锆氧分析器

组成：

氧化锆探头、电控器、气泵、变压器、二次仪表等。

优点：

测量准确快速、输出线性化，便于显示和调节。

四、ZO系列氧化锆氧分析器

§6-2工业电视监视炉膛燃烧

介绍：

炉膛火焰监视系统图6－9

思考题：

6-1、6-2、6-3、

第七章数字式仪表

特点：

测量准确、速度快、读数醒目直观、易于多点巡测，便于与计算机联用。

§7－1数字式智能巡测仪

一、巡测仪在火电厂中的应用

一表多用、巡回检测。

巡测仪分类：

通用型、专用型

二、ST-60智能温度巡测仪

1．特点

①检测元件齐全：

可与多种热电偶、热电阻配用。

②测量准确，使用方便：

对温度变化影响、元件非线性自动校正。

③功能强：

自动巡测60个点，可手动选点；任意设定各路分度号、热偶冷端温度补偿、检测路数、上下限报警值、打印方式（定时、连续、越限）、时间、断电自保持等功能。

2．巡测原理

图7－1原理框图。

3．仪表的使用

六位LED数码管，前两位是点序，第三位是正负号，后三位为温度值。

若某通道报警，则对应报警灯亮，直至恢复正常值方才消失。

图7－2讲解ST-10的使用方法。

三、能通用型

1．XC-52智能通用巡测仪

可测量电压、电流、功率、温度、压力、流量等参数，测点达100个；并留有串行通讯接口，可通过计算机对其进行管理和控制。

2．MPS-60多功能数字巡测仪

可测模拟量、开关量，并可进行非线性校正和计算，可测模拟量60点，实时开关量4个，也能对重要参数进行追忆记录。

§7－2数字式智能转速表

数字转速表：

测量汽轮机转速

一、磁性转速传感器

测速头：

将转速转化为频率信号并输出

图7－4磁性测速传感器结构

测速原理：

f=nZ/60

当Z＝60时，f=n。

二、汽轮机转速测量系统

思考题：

7-1、7-2、7-3、7-5

第八章热力设备的自动调节系统

§8－1概述

一、自动调节的基本概念和术语

图8－1锅炉汽包水位调节

1．调节对象：

被调节的生产过程或设备。

如汽包、汽轮机。

2．被调量：

表征热力生产过程是否正常的物理量。

调节对象的属性。

3．给定值：

被调量应保持的数值。

4．扰动：

引起被调量变化的各种因素。

分外扰和内扰。

5．调节机构：

实现调节作用的装置。

如挡板、调节阀、勺管等。

二、自动调节系统的组成和方框图

图8－2负反馈闭环系统

方框图的作用：

研究自动调节系统中各环节间信号传递关系及相互作用。

三、调节过程的品质

1．稳定性

衰减比y1/y3

衰减率Ψ＝（y1-y3）/y1=1-y3/y1

一般衰减比y1/y3=4～10或衰减率Ψ＝0.75～0.9的调节过程较好。

2．准确性

准确性:

被调量的偏差大小。

包括：

动态偏差、静态偏差

3．快速性

调节时间要尽可能的短，以不影响下一步调节。

四、调节系统的分类

1．按使用的能源分

气动、电动、液动调节系统。

2．按给定值的性质分

定值调节、程序调节、随动调节。

3．按调节系统闭环回路的数目分

单回路、多回路调节系统。

思考题：

8-1、8-3

§8－2机炉协调控制系统（CCS）

协调控制的任务：

满足负荷变动的要求，并保持汽压稳定。

一、定压运行的基本控制方式

1．炉跟机方式（图11－1）

2．机跟炉方式（图11－2）

3．机炉协调方式（图11－3a）

二、机炉协调控制系统（CCS）

组成：

机组负荷管理中心（LMCC）、机炉主控制器。

如图11－3（b）

1．机组负荷管理中心（LMCC）

LMCC是人—机联系的接口，用于监视和操作CCS系统。

运行人员可进行的操作有：

①CCS控制方式的切换。

②增减目标负荷。

③设定最大／最小负荷、负荷变化率。

④变压运行方式的选择（设定主汽压力、压力变化率）

2.机炉主控制器

LMCC可进行自动／手动切换，机炉主控制器接受LMCC送来的负荷指令P0,并根据运行状况进行控制。

CCS控制方式:

①汽轮机为基础（炉跟机）：

炉正常，汽机侧有故障影响出力。

②锅炉为基础（机跟炉）：

机正常，炉侧设备有故障影响出力。

③功率控制（机炉协调）：

机炉均正常。

④变压运行：

80％以下低负荷运行方式，经济性好。

需设定机前汽压的上、下限和汽压变化率。

§8－3给水调节系统

一、概述

1．汽包锅炉的调节任务

1）维持汽包水位在允许的范围内；

2）稳定蒸汽温度和压力；

3）使锅炉蒸发量满足外界负荷的需要；

4）保证燃烧的经济性；

5）维持炉膛负压在允许的范围内。

2．汽包锅炉的自动调节系统

理想的锅炉调节系统：

发生扰动时，各相关量应协调变化；

实际的锅炉调节系统:

有几个相对独立的调节系统组成。

这些系统主要有：

给水调节系统（H/W）

过热汽温自动调节系统（θ/WB）

燃烧过程自动调节系统（汽压p、α、炉膛负压pf、

调节量：

燃料量B、送风量V、引风量VS）

二、锅炉给水调节系统

（一）给水调节的任务

给水量W适应蒸发量D,以维持水位H。

（二）给水调节对的动态特性

1．给水量扰动

图11－4、11－5

2．蒸汽流量扰动

图11－6

（三）三冲量给水调节系统

图11-8

§8－4汽温调节系统

一、过热汽温的调节任务

维持过热器出口汽温在允许的范围内，并保护整个过热器不超温。

二、过热汽温调节对象的动态特性

汽温调节对象有迟延、惯性

和自平衡能力

1．蒸汽流量扰动

右图1

2．烟气侧扰动

右图2

3．减温水扰动

右图2

三、中小机组过热汽温的调节系统

1．具有超前微分信号的双重辆汽温调节系统

图11－15

2．过热汽温的串级调节系统

图11－16

§8－4燃烧调节系统

一、燃烧过程的调节任务

1．维持汽压恒定

2．保证燃烧的经济性

3．维持炉膛负压不变

二、燃烧过程调节对象的动态特性

1．燃料量扰动

图11－18

2．蒸汽流量扰动

图11－19

三、燃烧调节系统

1．燃料流量控制系统（汽压调节系统）

2．空气流量控制系统（送风调节系统）

3．炉膛压力控制系统（引风调节系统）

对燃烧调节系统的总要求：

负荷稳定时，能迅速消除内扰；

负荷变化时，系统适应其变化，维持汽压、过剩空气系数、炉膛压力在正常范围。

§8－5汽轮机控制系统（DEH）

汽轮机调节系统：

DEH电调系统、液调系统并存，互为热备用。

一、DEH功能

DEH具有转速、负荷控制功能，此外具有以下功能

1．汽轮机自动启停控制（ATC）

2．接受CCS系统的增减负荷信号

3．超速保护（OPC）和控制

4．负荷限制及甩负荷（RB）

5．主汽压控制（TPC）

6．CRT显示

二、DEH控制方式

1．操作员自动方式（OA）

2．汽轮机自启停控制方式（ATC）

四个按钮：

ATC启动、ATC进行、ATC监视、ATC切除。

3．协调控制方式（CCS）

4．遥控方式（AS）：

即自动同期方式

5．汽轮机手动操作方式

§8－6汽轮机辅助设备的自动调节系统

一、除氧器的自动调节

（一）除氧器压力的自动调节

单回路调节，该系统具有较大自平衡能力。

（二）除氧器水位的自动调节

三冲量调节：

除氧器水位、给水量、凝结水量

二、凝汽器水位的自动调节

简单的单参数调节系统。

三、加热器水位自动调节

单冲量单回路调节系统。

思考题：

11－1、11－2、11－3、11－5、11－6、11－7、11-8、11-9