锅炉出口蒸汽压力比值控制方案设计Word下载.docx

1、由炉膛、燃烧器、点火装置、空气预热器、烟风道及炉墙， 构架等组成 . 锅炉是工业生产过程中必不可少的重要动力设备。它通过煤、油、天然气的燃烧释放出 的化学能，通过传热过程把能量传递给水，使水变成水蒸气。这种高压蒸汽即可以作为蒸馏、 化学反应、干燥和蒸发过程的能源，又可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动透平的动力 源。随着石油化学工业生产规模的不断扩大，生产过程不断强化，生产设备的不断更新，作 为全厂动力和热源的锅炉，亦向着高效率，大容量发展。为确保安全，稳定生产，对锅炉设 备的自动控制就显得十分重要。1.2工艺流程简介 热电厂是利用煤和天然气作为燃料发电，产汽的，这也是目前世界上主要的电能生产

2、方 式。给水经给水泵、给水控制阀、省煤器进入锅炉的汽包，燃料和热空气按一定的比例送入 燃烧室内燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽 Ds。然后经过热器，形成一 定气温的过热蒸汽 D，汇集至蒸汽母管。压力为 Pm的过热蒸汽，经负载设备控制供给负荷设 备用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热 锅炉给水和空气预热器预热空气， 最后经引风机送往烟囱，排到大气。图1.2 给出了一个 20T/h 工业燃煤锅炉工艺流程图。图 1.2 20T/h 工业燃煤锅炉工艺流程图2被控对象工作原理及结构特点2.1蒸汽压力控制和燃料流量比值控制系统基本模型 锅炉燃烧的目

3、的是生产蒸汽供其他生产环节使用。 一般生产过程中蒸汽的控制是通过 压力实现的，后续环节对蒸汽的生产用量不同， 反映在蒸汽锅炉环节就是蒸汽压力的波动。 维持蒸汽压力恒定是保证生产正常进行的首要条件。保证蒸汽压力恒定的主要手段是随着蒸汽压力波动及时调节燃烧产生的热量， 而燃烧 产生热量的调节是通过控制所供应的燃料量以及适当比例的助燃空气的控制实现的。因此，蒸汽压力是最终被控制量，可以根据生成情况确定；燃料量是根据蒸汽压力确定 的；空气供应量根据空气量与燃料量的合理比值确定。3比值控制系统概述3.1比值控制系统定义 工业中存在着大量按原料配比进行生产的过程， 要求将原料配比进行控制， 然而配比 的变

4、化往往意味着产品产量下降、 质量下降、 能量浪费、 物料浪费、 成本提高、 环境污染、 甚至安全事故。在化工、 炼油及其他工业生产过程中， 工艺上常需要两种或两种以上的物料保持一定 的比例关系，比例一旦失调，将影响生产或造成事故。例如，在煤气燃烧过程中，要求煤气与助燃空气按一定配比（最佳为 1：1.05 ）供入燃烧室。若助燃空气输入不足，煤气得不到充分燃烧，降低了燃烧效率，造成能源浪费， 环境污染，还有可能导致环境中大量煤气积存而成为事故隐患；若阻燃空气过量，过剩空 气又将大量热量以废气形式排放，造成热能的大量浪费。为此，我们引入比值控制系统。在过程控制中，实现两个或两个以上参数符合一定比 例

5、关系的控制系统， 称为比值控制系统。 通常以保持两种或几种物料的流量为一定比例关 系的系统，称之流量比值控制系统。这种控制方式在化工、制药领域中大量存在。3.2比值控制原理 在炼油、化工、制药等许多生产过程中，经常需要两种物料或两种以上的物料保持一定的比例关系。最常见的是燃烧过程，燃料与空气要保持一定的比例关系，才能满足生产和环 保的要求；造纸过程中，浓纸浆与水要以一定的比例混合，才能制造出合格的纸浆，许多化 学反应的诸个进料要保持一定的比例。通常，在两个需要保持一定比例关系的物料中，一个是主动量或关键量，另一个是从动 量或辅助量。由于物料通常是液体，因此称主动量为主流量 Q1从动量为副流量

6、Q2。Q1与 Q2 之间的关系为Q2KQ1 （1-1 ）式中， K 为比值系数。因此，只要主副流量的给定值保持比值关系，或者副流量给定值随主流量按一定比例关 系而变化即可实现比值控制。3.3比值控制系统特点比值控制系统的特征 : 是实现两个或两个以上物料保持一定比例关系。1.主物料，也称为主动量 : 在要保持一定比例关系的物料中，把起主导作用的物料，称为主物料（主动量） ，因为在 过程控制中经常保持比例的参数是流量，故常用 Q1 表示。2.从物料，也称为从动量 : 另一种随主物料的变化而成比例地变化的物料称为从物料（从动量） ，常用 Q2 表示。3.比值系数：若两物料的比值系数设定为 K ，则

7、有：Q2Q13.4比值控制系统的类型 根据生产过程中工艺容许的负荷、干扰、产品质量等要求不同，实际采用的比值控制方 案也不同。比值控制系统按比值的特点可分为定比值和变比值控制系统。两个或两个以上参 数之间的比值是通过改变比值器的比值系数来实现的， 一旦比值系数确定， 系统投入运行后， 此比值系数将保持不变（为常数） ，具有这种特点的系统称为定比值控制系统。如果生产上因 某种需要对参数间的比值进行修正时，需要人工重新设置新的比值系数，这种系统的结构一 般比较简单。两个或两个以上参数之间的比值不是一个常数，而是根据另一个参数的变化而 不断的修正，具有这种特点的系统称为变比值控制系统，这种系统的结构

8、一般比较复杂。比值控制系统按结构特点可分为简单比值和复杂比值控制系统。凡构成一个闭环以下的 比值控制系统称为简单比值控制系统；凡构成两个闭环以上的比值控制系统称为复杂比值控 制系统。比值控制系统可笼统分为：开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值 控制系统、串级比值及变比值控制系统等。4锅炉蒸汽出口压力控制方案及仪表的选型4.1控制重要性压力是热电厂的一个重要的参数，因为热电厂是靠蒸汽推动汽轮机转动，汽轮机是将蒸 汽的能量转化为机械功的旋转式动力机械，又称蒸汽透平。蒸汽的压力会影响后面的整个工 序，如果蒸汽的压力不够的话将是汽轮机无法正常工作。势必会影响到蒸汽机的寿命和厂子 的效益。压

9、力过高将可能导致锅炉超压运行。动力锅炉主要为炼油装置提供生产用蒸汽，若 装置因紧急情况而突然减少或切断进汽，锅炉便会出现瞬时超压情况。在锅炉生产过程中， 过热蒸汽温度是整个汽水通道中最高的温度。过热器温度过高将导致过热器损坏，同时还会 危及汽轮机的安全进行，甚至出现爆炸等极端的事故。燃料与空气按照一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生 饱和蒸汽，形成一点观其文的过热蒸汽，再汇集到蒸汽母管。过热蒸汽经负荷设备控制，供 给符合设备使用，与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经 省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风送往烟囱，排入大气。蒸汽

10、压力对象的主要干扰是燃料量的波动与蒸汽负荷的变化。当燃料流量和蒸汽负荷变 动较小时，可采用利用蒸汽压力来调节燃料量的单回路控制系统，主蒸汽压力控制系统的主 要目的是维持主蒸汽压力恒定，因此主蒸汽压力能否准确测量直接关系到控制质量的优劣。 合理的选择压力变送器在设计中有关键作用蒸汽压力变送器将测量信号转换为标准统一信号 DC420mA 电流输出送到控制器。4.2控制要求 锅炉设备是一个复杂的控制对象，如下图所示，主要输入变量是锅炉给水量、燃料量、 减温水量、送风量和引风量等；主要输出变量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛 负压、过剩空气（氧气含量等） 。蒸汽出 口压力 给水量减温水锅汽包水

11、位蒸汽温度燃料量炉蒸汽压力设送风量备过剩空气引风量炉膛负压负 荷控制系统分析图 4.2 锅炉控制对象表 4.2 蒸汽出口压力控制系统分析锅炉燃烧控制系统的基本任务是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷要求，同时保证 锅炉的经济、安全运行。为适应蒸汽负荷的变化，应及时调节燃料量。为完全燃烧，应控制 燃烧量与空气的比值，使过剩的空气系数满足要求，为防止燃烧过程中火焰或烟气外喷，应 控制炉膛的负压。这三项控制任务互相影响，应消除或削弱它们的关联。此外，从安全考虑， 需设置防喷嘴背压过低的回火和防喷嘴背压过高的脱火措施。4.3控制阀的选择设微分控制阀的微分部分输出信号对送到燃油调节阀输入信号的传递函数为

12、 G1（s） ；函数发生器输出信号对送到燃油调节阀输入信号的传递函数为 G2（s） ；函数发生器输出信号 P2（s）； 送到燃油调节阀的输入信号为 P3（s） ；微分控制阀微分部分输出信号为 P0（s） ；微分控制阀的 微分时间为 Td ，其中式中： K 增益； T 时间常数4.4蒸汽压力变送器选择蒸汽从锅炉经过管道到达蒸汽汽轮，其压力和温度会有所降低，但降低幅度不大，一般 温度会下降 2 4，压力会下降 2 4%，可以近似的认为，锅炉提供的蒸汽温度和压力，与 蒸汽汽轮机机组初参数相同。但我国目前尚有一些参数较低的火力发电机组仍在使用，包括高压参数、超高压参数机 组。高压参数一般为：主蒸汽压力

13、 8-10MPa，温度 500-540。超高压参数一般为：主蒸汽压力 12-14MPa，温度 500-540 4.5燃料流量变送器的选用LUGB-06型涡街流量计根据卡门涡街原理测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体 积流量或质量流量的体积流量计。广泛用于各种行业气体、液体、蒸汽流量的计量，也可测 量含有微小颗料、杂质的混浊液体，并可作为流量变送器用于自动化控制系统中。LUGB-06型涡街流量传感器防爆型，符合 GB3836-2000爆炸性环境用防爆电气设备规 定，防爆标志为“ ExiaIICT6 ”，在本次设计中，选用 LUGB型涡街流量传感器其精度等级完全 可以满足火电厂锅炉温度控制系统

14、的精度要求。技术参数：仪表材质： 1Cr18Ni 9Ti最高流速： 25m/s被测介质温度（） ： 40 250； 40 350环境条件：温度 10 55，相对湿度 590，大气压力 86106Kpa精度等级：测量液体：示值的 0.5测量气体或蒸汽： 1.0 、 1.5量程比： 1：10；1：15输出信号：传感器：脉冲频率信号 0.1 3000Hz 低电平 1V 高电平 6V变送器：两线制 4 20mADC电流信号供电电源： 12VDC、 24VDC（可选） 24VDC现场显示型：仪表自带 3.2V 锂电池信号传输线： STVPV3 0.3 （三线制），20.3 （二线制）传输距离： 500m

15、信号线接口：内螺纹 M20防爆等级： ExdIIBT65系统参数整定和仿真5.1PID 参数对控制性能的影响1）控制器增益 KC 或比例度增益 KC 的增大（或比例度 下降），使系统的调节作用增强，使稳定性下降；（ 2）积分时间 Ti积分作用的增强（既 Ti 下降），使系统消除余差的能力加强，但控制系统的稳定性下降；（ 3）微分时间 Td微分作用的增强（既 Td 增大），可使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但对高频噪声 起放大作用，主要适合于特性滞后较大的广义对象，如温度对象等。5.2用试凑法确定 PID 控制器参数试凑法就是根据控制器各参数对系统性能的影响程度 ,边观察系统的运行 ,边修

16、改参数 , 直到满意为止。一般情况下 , 增大比例系数 KP会加快系统的响应速度 , 有利于减少静差。但过大的比例 系数会使系统有较大的超调 , 并产生振荡使稳定性变差。减小积分系数 KI 将减少积分作用 , 有利于减少超调使系统稳定 , 但系统消除静差的速度慢。增加微分系数 KD有利于加快系统的 响应,是超调减少 ,稳定性增加 ,但对干扰的抑制能力会减弱。在试凑时 ,一般可根据以上参数 对控制过程的影响趋势 , 对参数实行先比例、后积分、再微分的步骤进行整定。（1）比例部分整定。首先将积分系数 KI 和微分系数 KD取零, 即取消微分和积分作用 ,采用纯比例控制。将比 例系数 KP由小到大变

17、化 ,观察系统的响应 ,直至速度快 ,且有一定范围的超调为止。如果系统 静差在规定范围之内 , 且响应曲线已满足设计要求 , 那么只需用纯比例调节器即可。（2）积分部分整定。如果比例控制系统的静差达不到设计要求 , 这时可以加入积分作用。在整定时将积分系 数 KI 由小逐渐增加 , 积分作用就逐渐增强 , 观察输出会发现 , 系统的静差会逐渐减少直至消 除。反复试验几次 , 直到消除静差的速度满意为止。注意这时的超调量会比原来加大 ,应适当的降低一点比例系数 KP。（3）微分部分整定。若使用比例积分 （PI） 控制器经反复调整仍达不到设计要求 , 或不稳定 , 这时应加入微分 作用,整定时先将

18、微分系数 KD从零逐渐增加 ,观察超调量和稳定性 ,同时相应地微调比例系数KP、积分系数 KI, 逐步使凑 , 直到满意为止。5.3系统的仿真假设对象模型参数分别取值为 KV =1/ ， KTM =1 / ， T1 =1min ， Kp 2 =2 /（T/hr）, Tp =6min， p =2min， Kd 2=3/（T/hr）, Td =3min, d =2min。在此采用经验试凑法来 整定调节器参数。根据调节器参数经验数据，设定调节器 PID 参数的初始值第一种是比较理想的。传函数 有以此传函 G（s） 1 e s 为一控制环节 3。60s 1首先根据调节器参数经验数据，设定调节器 PID

19、 参数的初始值为Kp=8, Ki=5min, Kd=5minKd=3min 。继续设定调节器 PID 参数的初始值为 Kp=6，Ki =3min继续设定调节器 PID 参数的初始值为 Kp=5，Ki =1min Kd=0min最后经反复试凑比例度、积分时间、微分时间的大小，设定调节器 PID 参数的初始值为Kp=5， Ki =0minKd=0min 。响应曲线衰减并趋于稳定，结果令人满意。6 课程设计总结经过紧张而辛苦的两周的课程设计结束了，看着自己的设计。即高兴又担忧高，兴的是自己的设计终于完成啦，担忧的是自己的设计存在很多的不足。课程设计是我们专业课程知识综合应用的 实践训练，着是我们迈向

20、社会，从事职业工作前一个必不少的过程 ”千里之行始于足下” ， 通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计， 学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础通过本次课程设计，全面了解了锅炉的工作原理和结构特点。同时，更加直观的理解了 单闭环比值控制系统的组成和特性。对过程控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对过 程控制系统设计步骤、思路有一定的了解与认识。我学到了控制系统的设计方法和步骤，拓 展了知识面，了解了工业工程中控制系统起到的重要作用。在课程设计过程中， 与同学交流 学习，自己的专业知识有了更全面的学习，综合素质也得到了提升。最后，我要感谢我的老师们，是您严厉批评唤醒了我，是您的敬业精神感动了我， 是您的教诲启发了我，是您的期望鼓励了我，我感谢老师您今天又为我增添了一幅坚硬的翅 膀今天我为你们而骄傲，明天你们为我而自豪。参考文献1过程控制工程戴连奎主编化学工业出版社2过程装备控制技术及其应用王毅3工业过程控制工程王树青4化工仪表及自动化厉玉鸣5过程控制仪表徐春山冶金工业出版社6控制仪表及装置吴勤勤7过程控制装置张永德8过程自动化及仪表俞金寿9过程流体机械姜培正10工业过程检测与控制孟华11过程检测技术及仪表杜维