燃气锅炉DDC控制.docx
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燃气锅炉DDC控制
XXXXXXXXXXXXX
本科毕业设计（论文）
貌似我有几张图纸不知道能用不用的话@我
386927590@
题目某燃气锅炉微机DDC控制系统
学生姓名XXXXX
专业班级建筑电气与智能化09-1X
学号XXXXXXXXX
院（系）XXXXXXXXXXXXX
指导教师XXXXXXXXXX
完成时间XXXX年X月X日
XXXXXXX
毕业设计（论文）任务书
题目某燃气锅炉微机DDC控制系统
专业建筑电气与智能化09-1班学号XXXXXXXXX姓名XXXX
主要内容：
1.阅读相关科技文献，查找相关图纸资料。
2.学习CAD的使用。
3.学会整理和总结设计文档报告。
4.学习如何查找设备手册及相关参数并进行系统设计。
基本要求：
1.论文要有创新，概念要准确，资料要翔实；
2.论文要能够理论联系实际，要有实例分析；
3.论文应有一定的定量分析，使定性分析和定量分析相结合；
4.形成不少于12000字的毕业论文，对锅炉DDC监控系统发展有一定的现实意义。
参考资料：
[1]吕志信.环保型锅炉操作及运行[M].中国计量出版社,2003.
[2]王化祥,张淑英.传感器原理及应用[M].天津大学出版社,1999.
[3]高魁明.热工测量仪表[M].冶金工业出版社,1993.
[4]吴勤勤.控制仪表及装置.化学工业出版社,2007.
[5]清华大学热能工程教研组[M].锅炉原理及计算.科学出版社,1985.
完成期限：
XXXX年X月X日
指导教师签名：
专业负责人签名：
XXXX年X月X日
某燃气锅炉微机DDC控制系统
摘要
我这次毕业设计课题是某锅炉的微机DDC控制系统，根据现状，由于我国的整个锅炉生产技术水平还比较落后，所以我国燃烧供热所用的锅炉的燃烧效率还相当低，而且也使得锅炉的燃烧不充分，而造成大气污染加重，所以这就迫切要求我们的锅炉技术得到提高。
随着科学技术的不断发展人们开始利用各种先进的仪器和技术组成计算机控制系统来代替人工复杂的控制操作，这次毕业设计采用的直接数字控制系统，直接数字控制DDC系统（DirectControl）便是其中之一。
直接数字控制DDC系统，它是工业生产计算机控制系统中用的最广泛的一种系统应用形式，在这类系统中的计算机，除了经过输入通道对多个过程参数进行巡回检测采集外，它还代替了模拟调节系统中的模拟调节气，按预定的调节规则进行调解运算，然后将运算结果通过过程输出通道输出并作用于执行机构，以实现多回路调节的目的。
关键词燃气锅炉锅炉构造控制原理DDC控制系统自动化仪表
AGASBOILERMISCROCOMPUTERDDC
CONTROLSYSTEM
ABSTRACT
Mygraduationprojectsubjectismicrocomputer’sdirectdigitalcontroloftheboiler.Accordingtothepresentconditions,thelevelofproductionandtechnologyofboilerinourcountryisrelativelybackward,sothecombustionratiooftheboilerisverylow,whichmakestheboilercombustincompletelyandleadstotheseriousatmospherepollution.Therefore,theboiler’stechnologyhavetobeimprovedimmediately.
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,variouskindsofadvancedapparatusandtechnologiesareemployedtoformcomputercontrolsystemstoreplacethecomplicatedartificialcontroloperation.Thedirectdigitalcontrolsystemisoneofthem,whichisthemostwidelysystemapplicationforminthecomputercontrolsystemsofindustrialmanufacture.Computersinthissystem,besidesloopdetectingandgatheringtheprocedureparametersthroughinputchannel,replacestheanalogregulationinanalogregulationsystem,whichcarriesoutthemediationoperationbasedonthescheduledregulationrules,thentheresultsareoutputtedbytheoutputchannelandusedbyactuatortoachievethemultiloopregulations.
KEYWORDSGasboilerBoilerconstructionThecontrolprincipleDDCcontrolsystemAutomationinstrument
目录
摘要I
ABSTRACTII
1绪论1
1.1引言1
1.2本课题的提出与课题任务1
1.3锅炉的发展1
1.4锅炉微机DDC控制的意义以及目的2
2锅炉的基本构造及监控内容4
2.1锅炉的基本构造4
2.2锅炉的监控内容5
2.3锅炉的自动报警与联锁控制6
3DDC控制系统原理8
3.1DDC控制系统控制规律8
3.2DDC控制系统12
4燃气锅炉微机DDC控制系统设计15
4.1微机DDC控制设想15
4.2蒸汽温度控制系统15
4.3蒸汽压力控制系统16
4.4汽包液位控制系统16
4.5炉膛负压控制系统17
4.6燃气锅炉炉温系统原理17
4.7燃气锅炉燃烧系统的DDC监控18
4.8锅炉水位的DDC控制19
4.9对空气和燃料的控制20
4.10锅炉的给水系统的其它控制20
4.11防脱火回火选择性控制系统20
4.12除氧器的控制23
4.13锅炉DDC监控系统主要技术性能25
5锅炉DDC控制系统的硬件选型及投运26
5.1传感器的选型26
5.2变送器27
5.3锅炉房检测及控制自动化仪表的选择28
5.4锅炉DDC控制系统的投运29
总结32
致谢33
参考文献34
附录35
1绪论
1.1引言
锅炉是人类供热，取暖的主要来源，它的出现迄今已有两百余年的历史，期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对锅炉容量，参数要求的不断提高，锅炉形势和锅炉技术得到不断迅速发展。
随着蒸汽机的发明，18世纪末期，出现了公用的圆筒型蒸汽机。
由于当时生产力的迅猛发展，蒸汽机在工业上的用途日益广泛，不久就对锅炉提出了扩大容量和提高阐述的要求。
于是在圆筒型锅炉的基础上，从增加受热面积入手，对锅炉惊醒了一系列的研究和技术改造，从而使锅炉得到迅速的发展。
随着生产的发展，锅炉日益广泛的用于工业生产的各个领域，成为发展国民经济的重要热工设备之一。
在现代化的建设中，能源的需求量非常大的，然而我国的能延龄用率极低，所以提高锅炉的热效率，有这极为重要的实际意义[1]。
此外，是锅炉能以地制宜地有效地燃用地方燃料，并为满足环境保护的要求而努力解决烟尘污染问题，以提高操作管理水平，减轻劳动强度，保证锅炉额定运行及运行效率，安全可靠地供热等课题。
1.2本课题的提出与课题任务
正是由于锅炉应用日益广泛，所以我们这次的毕业设计课题就定为设计一套完善的模拟锅炉控制系统，即：
某锅炉的微机DDC控制系统。
该控制系统的要求如下：
（1）实现对锅炉风气比，烟气含氧量，炉膛压力控制，达到安全生产，降低消耗，提高效率的目的；
（2）要求参数在线修改；
（3）具有平衡无扰动切换功能；
（4）具有主要设备动态画面显示及报警功能；
（5）具有即时主要参数仪表显示和历史趋势显示。
1.3锅炉的发展
锅炉向两个发展方向发展的过程和结构形式演变：
第一个方向：
是锅炉内部增加受热面，形成烟管锅炉系列。
起初现在锅筒内折射一个火筒，也称炉胆，即单火筒锅炉。
煤在火筒内燃烧放热。
后来增加了两个火筒—及双火筒锅炉。
为了进一步增大锅炉容量，后来又发展到用小直径的烟管取代火筒以增加受热面，形成了烟管锅炉和火筒烟管锅炉组合锅炉。
其共同的特点是：
烟气在火筒或烟管内流动放热，低温工质—水，则在火筒式烟管外侧吸热，升温和汽化。
显而易见，这类锅炉的炉膛一般都较小。
锅炉四周又被作为辐射受热面的筒壁所围住，所以炉内温度较低，燃烧条件较差，难于燃用低质煤。
而且烟气纵向冲刷壁面。
串热效率较差，排烟温度较高，热效率低。
此外炉筒直径大，既不易提高气压油增加钢耗量，蒸发量也受到限制。
对于烟管锅炉，还存在结构刚性大，烟管排列紧密使清理水垢困难和烟管内容易堵灰等缺点。
诚然，这类锅炉也有一定的优点，如结构简单，维修方便，水的容积大，能较好适应负荷的变化，水质要求低等。
因此有的结构类型至今还被使用。
第二个方向：
是在锅筒外部发展受热面，形成水管锅炉系列，大约到了19世纪中页，锅炉开始在炉筒设计较小的圆筒受热面。
后来，进一步发展增加圆筒数目减小圆筒直径以至于钢管取代圆筒的做法，有利于蒸汽参数的提高和传热的改善。
最后终于出现了水管锅炉。
它的特点使烟气在管外冲刷流动而放出热量，气体在管内流动而吸热和蒸发。
水管锅炉的出现，是锅炉发展的一大飞跃，它摆脱了火筒，烟管锅炉受热筒尺寸的制约，无论在燃燃烧条件，传热效果和受热面的布置等方面都得到了根本性的改善，为提高锅炉的容量，参数和热效率创造了良好的条件，金属耗量也大为下降。
水管锅炉的发展趋势:
水管锅炉，整连箱横水管锅炉，分连箱横水管锅炉，直水管锅炉，三锅筒弯水管锅炉，双锅筒弯水管锅炉，单锅筒水管锅炉，直流锅筒。
纵观锅炉的发展历史，真正走上现代化的道路也不过是四，五十年的时间，随着工业发展和科学技术的不断进步，现代化锅炉整朝着大容量，高参数的方向发展。
1.4锅炉微机DDC控制的意义以及目的
锅炉是重要的供热设备。
电力、机械、冶金、化工、纺织、造纸、食品等工业和民用采暖都需要锅炉供给大量的蒸汽。
各种工业的生产性质与规模不同，工业和民用采暖的规模大小也不一样，因此所需的锅炉容量，蒸汽参数，结构，性能方面也不相同。
锅炉式供热之源，锅炉机器设备的任务在于安全、可靠、有效地把燃料的化学能转化成热能，进而将热能传递给水，以生产热水和蒸汽。
随着生产的发展，锅炉设备日益广泛的用于工业的各个部门，成为发展国民经济的重要热工设备之一。
从量大、面广这一角度来说，除电力以外的各行业中，主要运行的始终是小型低压锅炉。
在我国社会主义现代化的建设中能源的增长大大落后于生产的增长。
在国民经济日趋进步的今天，国家要求工农业每年总产值翻两番，但能源只能翻一番，这就要求通过节能措施，以提高能源的有效利用，有效的弥补能源供应方面的缺口，这是一迫切的任务。
显然，面对量大，面广的供热锅炉，如何挖掘潜力，提高它的热效率，有着极为重要的实际意义。
此外，是锅炉能因地制宜的有效地燃用地方燃料，并为满足环境保护的要求而努力解决烟尘污染问题，以提高操作管理水平，减轻劳动强度，保证锅炉额定输出及运行效率，安全可靠的供热等课题，所以我们利用微机控制，设计出一整套比较合理的锅炉运行设备[2]。
通过加热炉热效率控制系统的调节，是燃料流量与空气流量调节回路参照各自对应的实测流量，在允许范围内变化，达到动态时，能维持燃料流量与空气流量恰当的关系，从而提高燃烧效率、节省燃料，起到节能、环保作用。
2锅炉的基本构造及监控内容
要设计一套完整的，性能良好的工业燃烧锅炉，首先我们就必须了解一般燃烧锅炉的基本构造和燃烧过程。
2.1锅炉的基本构造
锅炉是一种产生蒸汽的热交换设备。
它通过煤、油或天然汽等燃料的燃烧过程释放出化学能，并通过传热过程把能量传递给水，把水变成蒸汽或热水，蒸汽或热水直接供给工业、生活等生产中所需要的热能。
所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能有效的转化为蒸汽的热能。
锅炉的主要设备[3]：
锅：
由上下锅筒和三簇沸水管组成。
水在管内受管外烟气加热，因而管簇内发生自然的循环流动，并逐渐气化，产生的饱和蒸汽积聚在上锅筒里面。
炉子：
是使燃烧从充分燃烧并释放出热量的设备。
炉膛：
保证燃料的充分燃烧，并使水流受热面积达到规定的数值。
锅筒：
是自然循环锅炉各受热面能适应负荷变化的设备。
水冷壁：
主要是辐射受热面，保护炉壁的作用。
过热器：
是将气锅所产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。
过热器一般都装在炉膛出口。
省煤器：
是利用余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。
采用省煤器后，降低了排烟温度，提高了锅炉效率，节省了燃料。
同时，由于提高了进入气包的给水温度，所以减少了因温差而引起的汽包壁的热适应力，从而延长了气包的使用寿命。
给水泵：
它的作用在于吸取给水箱中的给水，经它加压后再送入省煤器或汽锅。
一般给水箱为常压水箱或微正压水箱，箱中水的压力远低于锅炉工作压力，因此要将给水送入锅炉，必须经加压后方可实现，对于小型锅炉，给水泵有时也由注水器代替。
补给水泵：
它的作用在于给锅炉送入补充水。
由于锅炉送出去的蒸汽或热水经管网到用户使用后，不可避免地有所损失，如管网的漏损，用户采用直接加热方式的损失，以及管理不善造成的损失等，也就是说锅炉送出去的蒸汽或热水变为凝结水及低温水后不可能全部回收，因此为了使系统安全工作，必须向锅炉系统补充新水，习惯上称此为补给水。
燃烧设备：
将燃料和燃烧所需的空气送入炉膛并使燃料着火稳定，充分燃烧。
加压泵：
它的作用在于给进入锅炉房的原水加压，以满足锅炉房工艺对供水压力的要求。
对于城市供水管网，在高峰供水期间，供水压力有可能降低，若未采取其他保持供水压力的措施（如增设水塔，增设供水器等）时，应在锅炉房入水口处设置加压泵，以满足某些水处理设施对供水压力的要求。
除氧器：
将锅炉给水中的溶解氧及二氧化碳除掉，从而达到国标中对锅炉给水含氧量的要求，以防锅炉金属被腐蚀而影响锅炉的安全运行。
引风设备：
包括引风机，烟囱，烟道几部分。
用它将锅炉中的烟气连续排出。
送风设备：
包括有鼓风机和分道组成。
用它来供应燃料所需的空气。
给水设备：
由水泵和给水管组成。
空气预热器：
是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的换热器。
省煤器出口烟温度高，装上空气预热器后，可以进一步降低排烟温度，也可改善燃料着火和燃烧条件，降低不完全燃烧所造成的损失，提高锅炉机组的效率。
水处理设备：
其作用是为清除水中的杂质和降低给水硬度，以防止在锅炉受热面上结水垢或腐蚀。
燃料供给设备：
供气设备，储气罐保证锅炉所需燃料供应。
此外，除了保证锅炉的正常工作和安全，蒸汽锅炉还必须装设安全阀，水位表，高低水位报警器，压力表，主气阀，排污阀等。
2.2锅炉的监控内容
为了保证锅炉能够满足集中供热、热电联产和其他生产工艺用热的热负荷需求，产生品质合格的热媒（热水或蒸汽），需要设置锅炉及其辅机的自动化系统。
其监控内容如下[4]：
（1）自动检测：
显示、记录锅炉的水位，热媒的温度、压力、流量，给水流量，炉膛负压和排烟温度等运行参数。
起动/停止和运行台数的控制按照预先编制的程序，对锅炉及其辅助机进行启停控制。
并且根据锅炉产生热媒的温度、压力、流量，计算出实际热负荷的大小，相应地调整锅炉的运行台数，达到既满足用户对用热量的需求，又实现经济、节能运行的目的。
（2）自动控制：
当锅炉在运行过程中受到干扰的影响，其参数偏高工艺要求的设定值时，自动化系统及时产生调节作用克服干扰的影响，使其参数重新回到工艺要求的设定值，实现安全、经济运行的目的。
其内容主要包括给水自动控制、燃烧自动控制等。
（3）自动保护：
当锅炉及其辅助设备的运行工况发生异常或关键运行参数越限时，立即发出声光报警信号；同时采取连锁保护措施进行处理，避免事故的发生或扩大。
其主要内容包括高、低水位的自动保护，超温、超压的自动保护，熄火的自动保护和灭火的自动保护等。
2.3锅炉的自动报警与联锁控制
为使锅炉机组及水处理系统设备安全运行，对于一些重要的参数设置了自动报警。
当这些参数超过报警阈值，就有可能使设备损坏。
因此，对于存在安全隐患的参数设置自动报警装置，一但出现异常现象立即发出警报，提示管理人员及时处理并自动进行保护联锁控制如下[5]：
（1）蒸汽压力超压自动保护。
由于蒸汽压力超过规定值时，会影响锅炉和其他用热设备的安全运行。
所以，当蒸汽压力超限时，超压的自动保护系统自动停止响应的燃烧设备，减少或停止供给燃料。
同时，开启安全阀，释放压力，确保锅炉设备和操作人员的安全。
（2）蒸汽超温自动保护。
蒸汽温度过高会损坏过热器，影响相关用热设备的安全运行。
当蒸汽温度超限时，超温自动保护系统应采取事故喷水和停止相应燃烧设备的处理措施。
（3）低气压自动保护。
对于燃气锅炉而言，燃气压力过低会影响燃气的供应量和燃烧工况，可能造成回火。
所以，当燃气压力超限时，停止锅炉的运行。
（4）风压高、低自动保护。
风压过高，会增加排烟损失；风压过低，空气量不足，影响正常地燃烧。
所以，当风压超限时，系统应投入相应的自动保护。
（5）锅筒水位高、低自动保护。
水位过高或过低会导致锅炉的水循环不畅，造成“干烧”等事故。
所以，当水位超限时，声光报警，及时停止锅炉的运行。
（6）为了保证燃气锅炉的安全与运行，必须设置燃气压力上下限控制及其超越声光报警装置、熄火自动保护装置和灭火自动保护装置。
其中，燃气压力上下限控制及其越限声光报警装置用于实时监测供给锅炉燃烧所需燃料压力的大小，避免发生事故。
熄火自动保护装置用于监测燃烧火焰的存在情况。
当火焰持续存在时，允许燃料的持续供给；当火焰熄灭时，及时声光报警并自动切断燃料的供给，防止发生炉膛爆炸事故。
（7）电动机过载自动保护。
对于辅助设备（如循环水泵、补水泵、送风机、引风机等）在运行过程中，如果电动机过载，会使电动机线圈温度过高导致烧毁设备，引发火灾。
所以，当运行电动机过载时，采用电动机主电路中的热继电器进行联锁保护，及时切断电源，使辅助设备停车。
（8）灭火自动保护。
火灾探测器平时巡检锅炉房区域的火警信息（如烟、温度、光等），送至火灾报警控制器与设定值进行比较、判断。
当确认发生火灾时，马上发出声光火警信号。
灭火保护装置根据火灾报警控制系统的命令，自动启动喷淋/喷气消防设备进行灭火，保护设备和人员的安全。
3DDC控制系统原理
3.1DDC控制系统控制规律
控制规律是一个控制系统性能优劣的关键[6]。
根据控制规律制定的控制算法，是微机DDC系统对生产对象实行控制的运算依据。
随着控制理论和微机技术的飞跃发展，传统的DDC系统功能也不断扩大，相应的控制规律和控制算式不断出现。
根据控制对象的不同，目前的微机DDC控制方式，有简单，有复杂，从单参数的定值控制到多参数的相关控制，以至最优最佳控制等等，其控制功能已远远超出了早期的PID控制范围，尽管如此，PID控制的一些基本理论仍然是分析DDC系统控制规律的基础，PID控制规律仍然在相当多生产现场使用并能得到较为满意的效果，所以直到现在，PID仍是一种最基本的控制规律。
随着生产的发展和工业自动化的提高，较简单的单回路参量的PID闭环控制系统已不能满足更高要求系统需要。
所以在微机DDC系统中常用到多参量控制如比值控制系统、单回路控制系统、串级控制系统、前馈控制系统等控制方式。
3.1.1比值控制系统
比值控制是将两种或两种以上的物料按一定的比例混合或参加化学反应。
比值控制一般可以分为单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统及依据某一变量而调整的固定比值控制系统。
3.1.2单回路控制系统
简单控制系统是由一个被控对象、一个测量元件及变送、一个控制器和一个执行器所组成的单回路反馈控制系统。
简单控制系统的特点：
系统结构简单，投资少，易于调整和投运，能满足一般生产过程的控制要求，尤其适用于被控对象时滞和时间常数都较小，负荷和干扰变化比较平缓，或者对被控变量要求不太高的场合。
按被控要求的工艺变量来分，最常见的是温度、压力、流量、液位和成分五种控制系统。
一个简单控制系统方案的分析设计，应考虑以下几个问题。
首先应分析生产过程中各个变量的性质及其相应关系，分析被控对象的特点；然后根据工艺的要求选择被控变量、操纵变量，合理选择控制系统中的测量变送装置、控制器和执行器，建立一个较为合理的控制系统。
有多个控制系统的生产过程，还要考虑各个控制系统之间的相互关联有何影响，并按可能使每个控制系统对其它控制系统的影响为最小的原则来建立各个控制系统。
简单控制系统使复杂控制系统的基础，所以我们必须要掌握它。
其中方框图如图3-1所示：
图3-1单回路控制系统方框图
其中Y（S）为被控变量，Q（S）为操纵变量，F1（S）为干扰量，Q（S）与Y（S）之间的联系称为控制通道，F（S）与Y（S）之间的联系称为干扰通道。
GC（S），GV（S），GM（S）分别是控制器、执行器、被控对象、测量变送单元的传递函数。
3.1.3串级控制系统
在多回路控制系统中，用两台控制器相串接，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这样的系统称为串级控制系统。
其方框图如图3-2所示：
图3-2串级控制系统方框图
在串级控制系统中，对象被分为主对象GP1与副对象GP2两部分。
他们的输出分别称为主被控变量C1和副被控变量C2。
HM1、HM2分别为主，副被控变量的检测变送单元。
接收主被控变量测量值Y1的控制器称为主控制器GC1，接收副被控变量测量值Y2的控制器称为副控制器GC2。
副控制器的设定值值R2就是主控制器的输出U1，显然副控制器是在外设定情况下工作的，它的输出U2操纵执行器GV通过改变单个操纵变量Q来满足对主，副被控变量的某种组合所提出的要求。
在任何只有单个操纵变量的系统中，只能有一个被控变量可以独立设定。
换句话说，在任意给定时刻，只能有一个独立的设定值，这就是主设定值R1。
副被控变量的设置通常是为了保证和提高主被控变量的控制质量，而对其本身一般都没有严格的要求，它依赖于主控制器的输出U1。
与简单控制系统相比，串级控制系统由于在结构上增加了一个副回路。
对于进入副回路的扰动具有较快，较强的克服能力；改善主控制器的广义对象的特性；对负荷和操作条件的变化有一定的自适应能力；副回路可以按照主回路的需要更精确控制操纵变量的质量流和能量流。
3.1.4前馈控制系统
前馈控制系统就是一种直接根据所生产被控变量参数变化的原因进行控制的系统，其实质上是一种抗扰动进行的开环控制系统方式，它通过前馈调节器来补偿扰动对被控参数的影响。
使作用在系统上的一个或几个主要的扰动与被控参数完全无关或部分无关，从而达到系统提高控制精度的目的。
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