锅炉集散控制系统的应用设计毕业设计说明书.docx

1、锅炉集散控制系统的应用设计毕业设计说明书 吉林化工学院毕业设计说明书锅炉集散控制系统的应用设计Application Design of Distributed Control System for Boiler 吉 林 化 工 学 院Jilin Institute of Chemical Technology毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的

2、材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 摘 要由于集散控制具有分散控制，集中管理的特点，能够提高劳动生产效率，节约能源，改善劳动条件。而采用常规的控制难以满足要求，

3、因此对锅炉集散控制系统进行设计，具有重要意义。本文对工业锅炉控制技术的发展和现状进行了论述，对锅炉集散控制系统进行了设计。首先，对锅炉的结构和工作过程进行介绍，根据锅炉工艺流程确定了控制方案，控制方案包括：锅炉汽包水位控制系统，过热蒸汽压力及温度的控制，燃料气压力控制。其次，介绍了锅炉控制系统的体系结构，然后再根据控制方案确定I/O点表和现场仪表的型号以及控制阀型号。最后，对锅炉监控软件进行设计，其中包括：绘制报警曲线，实时趋势曲线，历史趋势曲线等。通过对锅炉进行集散控制系统的设计，满足了控制要求，提高了锅炉的燃烧效率。关键词：锅炉；集散控制系统；监控软件AbstractBecause the

4、 distributed control has the characteristics of the decentralized control and centralized management, so it can improve labor production efficiency, save energy, improve working conditions. And with normal control is difficult to meet the requirements. so the design of distributed control system for

5、 boiler has the important meaning.In this paper, the industrial boiler control technology development and the present situation are discussed, and distributed control system for boiler design. First of all, to the boiler structure and the working process to introduce, according to process flow deter

6、mined the boiler control plan, control plan includes: boiler drum water level control system, the superheated steam pressure and temperature control, the fuel gas pressure control. Secondly, this paper introduces the boiler control system structure, then according to the control plan I/O point table

7、 and the field instruments and control valves and model of the model. Finally, the boiler monitoring software design, including: drawing alarm curve, real-time trend curve, history trend curve, etc.Through the design of the distributed control system for boiler , it meets the control requirements an

8、d improves the boiler combustion efficiency.Key Words：Boiler； Distributed control system；Monitoring software第1章 绪论1.1 工业锅炉概述锅炉是一种能量转换设备，向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能、高温烟气的热能等形式，而经过锅炉转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体。锅的原义指在火上加热的盛水容器，炉指燃烧燃料的场所，锅炉包括锅和炉两大部分。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电

9、能。锅炉的分类有多种方法。按用途可分为、电站锅炉、工业热水锅炉、生活锅炉等；按结构可分为火管锅炉和水管锅炉；按蒸发受热面内工质的流动方式可分为自然循环锅炉、强制循环锅炉、直流锅炉和复合循环锅炉；按出口工质压力可分为常压锅炉、微压锅炉、低压锅炉、中压锅炉、高压锅炉、超高压锅炉、亚临界压力锅炉、超临界压力锅炉和超超临界压力锅炉等等。锅炉种类繁多，而本课题所用到的是工业锅炉，工业锅炉产品分两种，一是蒸汽，用于发电，或是供气，比如化肥厂可用蒸汽汽化，以煤为原料，合成化肥，这就是典型的工业锅炉，工业锅炉还是以燃煤占大多数，燃汽的一般是余热锅炉用于回收废热。工业锅炉常见的是循环流化床锅炉 工业锅炉是重要的

10、热能动力设备，我国是当今世界锅炉生产和使用最多的国家。1.2 工业锅炉发展状况在我国随着生产力的发展，在今后相当长的时间里，会有越来越多的锅炉投入生产。这些锅炉的控制水平，运行水平以及自动化水平大多不高，热效率水平还远远没有达到设计指标。其中大部分原因是设备落后，控制水平低下，缺乏必要的自动检测和控制仪表及应有的技术力量造成的，导致其运行水平主要取决于司炉人员的技术水平、生产经验和工作的责任心。由于我国锅炉控制的自动化程度大多较低，其操作大都还停留在手工或简单的模拟仪表操作水平。不仅劳动强度大，而且容易造成操作人员运行事故。在这种情况下，利用计算机和组态软件对工业锅炉进行自动控制有着重要意义。

11、DCS的优越性在于：通过对锅炉燃烧过程进行有效控制，使燃烧在接近理想的空燃比条件下进行，可显著提高燃料燃烧效率；由于工业锅炉的耗煤量十分巨大，所以热效率每提高一个百分点都会产生巨大的经济效益；其次，监控软件良好的人机界面使运行参数在LED上集中监控，便于操作人员在计算机上根据控制效果及时修改运行参数，可有效减少由疲劳造成的失误，提高生产过程的安全性，实时性。随着微型计算机性能的不断提高和成本的下降，工业锅炉的自动控制必将得到更加广泛的应用。未来工业锅炉产品市场发展除了受我国国民经济的发展速度和投资规模等因素影响外，越来越受到能源政策和节能、环保要求的制约。随着高性能产品的普及和产品质量的提高，

12、在20002010年每年将有约5万蒸吨的工业锅炉需要更新，2010年后，每年将有约7万蒸吨的工业锅炉需要更新，再加上新增装机，从需求上讲，到2010年每年工业锅炉需求量约为1012万蒸吨。今后大中城市的小容量燃煤锅炉的比重将会显著下降，循环流化床锅炉等采用清洁燃烧技术的锅炉将得到较快的发展，燃气锅炉将会有长足的进步，燃用生活垃圾和生物质的锅炉市场潜力较大，蓄热式电热锅炉系统随着电力工业改革和发展其市场将进一步拓宽。因此采用清洁燃料和洁净燃烧技术的高效、节能、低污染工业锅炉将是工业锅炉产品发展的趋势，并向高端和高附加值的产品市场发展。1.3 工业锅炉的结构和工作过程在各种工业企业的动力设备中，锅

13、炉是重要的组成部分，所以锅炉的性能至关重要。要设计一套完整的、性能良好的工业燃烧锅炉，首先就必须了解一般燃烧锅炉的基本构造和燃烧过程。锅炉是一种产生蒸汽或热水的热交换设备。它通过燃料的燃烧释放大量热能，并通过热传递把能量传递给水，把水变成蒸汽或热水，蒸汽或热水直接供给工业和生活中所需要的热能。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。下图1-1为简单锅炉的大体组成部分。图1-1 锅炉的基本结构锅炉的主要设备包括气锅、炉子、炉膛、锅筒、水冷壁、过热器、省煤器、燃烧设备、引风设备、送风设备、给水设备、空气预热器、水处理设备、燃料供给设备以及除灰除尘设备等。气锅：由上下锅筒和三簇沸

14、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：使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，减少了因温差而引起的汽包壁的热适应力，从而延长了汽包的使用

15、寿命。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。引风设备：包括引风机、烟道和烟囱等几部分。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空气，是一个换热器。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：由运煤设备、原煤仓和储煤斗等设备组成，保证

16、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、排污阀和止污阀等，还有用来消除受热面上积灰的吹灰器，以提高锅炉运行的经济性，本设计由于篇幅有限，则就不必考虑这些问题了。锅炉的工作过程概括起来应该包括三个同时进行的过程：燃料的燃烧过程、水的汽化过程、烟气向水的传热过程。首先除氧水通过给水泵进入给水调节阀，通过给水调节阀进入省煤器，冷水在经过省煤器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成温水进入汽包，在汽包内加热至沸腾产生蒸汽，为了保证有最大的蒸发面因此水位要保持在锅炉上汽包的中线位置，蒸汽通过主蒸汽阀输出。空气经过鼓风机进入空气

17、预热器，在经过空气预热器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成热空气进入炉膛。煤经过煤斗落在炉排上，在炉排的缓慢转动下煤进入炉膛被前面的火点燃，在燃烧过程中发出热量加热汽包中的水，同时产生热烟气。在引风机的抽吸作用下经过省煤器和空气预热器，把预热传导给进入锅炉的水和空气。通过这种方式锅炉的热能得到节约。降温后的烟气经过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。第2章 锅炉工艺流程及其控制方案2.1 锅炉工艺流程简介锅炉是将燃料燃烧释放出的热能传递给水，使水转变成为具有一定压力和温度的蒸汽（或水）的动力装置。锅炉分动力锅炉和工业锅炉两大类。动力锅炉用于动力发电等方面，所产蒸汽的量、压力及温度都

18、较高。工业锅炉用于工业生产和采暖等方面，所产蒸汽的量不是很大、一般是过热蒸汽和饱和蒸汽，或者是热水。本软件采用燃气、自然水循环、双汽包、过热蒸汽的工业锅炉为仿真实习装置。锅炉是由锅炉本体和辅助设备两大部分组成。锅炉本体主要包括（上、下）汽包、对流管、下降管、上升管、水冷壁、（上、下）联箱、蒸汽过热器、减温器、省煤器、空气预热器、火嘴（喷燃器）等。辅助设备包括通风设备、给水设备、除灰设备和锅炉附件等。蒸汽生产主流程为：除氧器V102中的水（约0.2MPa、105）用高压水泵P101抽出作为锅炉给水。一部分给水经减温器加热后与另一部分混合后进入省煤器，被烟气加热为248的饱和水后进入上汽包。上汽包

19、中的热水由对流管流到下汽包，再通过下降管、下联箱进入水冷壁，吸收炉膛辐射热后成为汽水混合物，经上联箱进入上汽包进行汽水分离。上汽包分离出的饱和蒸汽经过热器低温段、减温器、过热器高温段后，成为448、3.77Mpa的过热蒸汽送入中压汽网供用户使用。燃烧系统流程为：来自外部的高压燃料气在气罐V101中经稳压后（约0.3MPa），送入锅炉燃烧室壁侧的火嘴。另外空气由鼓风机P102升压后，经风门送入锅炉燃烧室。燃烧室内的燃气和空气经点火后燃烧释放出热能，成为高温烟气（温度可达900），其中大部分热能被水冷壁吸收。高温烟气经蒸汽过热器、上升管、对流管、省煤器、空气预热器等，被逐步吸收热量，温度逐渐降低（

20、到排烟段时降到180）。燃烧烟气最后经引风机P103送入烟囱，排入大气。炉膛负压由引风机控制烟气排出流量约为-0.2KPa。其工艺流程图如2-1所示：图2-1 工业锅炉控制系统流程图2.2 锅炉的控制方案锅炉DCS控制系统，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小、大型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍然处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，用DCS进行控制是一件具有深远意义的工作。 锅炉控制系统，一般有蒸汽压力、汽包液位、炉膛负压、除氧器水位、除

21、氧器压力等控制系统。锅炉的燃烧控制实质上是能量平衡系统，它以蒸汽压力作为能量平衡指标，不断根据用汽量与压力的变化调整燃料量与送风量，同时保证燃料的充分燃烧及热量的充分利用。为此生产过程的各个主要参数必须严格控制。锅炉设备也是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷，锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等。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（烟气含氧量）等，锅炉对象简图如图2-2所示：综上所述，工业锅炉作为一个调节对象，是一个多输入，多输出，多回路，非线性的相互关联的对象。所有这些特性是由锅炉本身的物理特性决定的。因此，理想的锅炉自动控制系统应该是多回路的调节系统。

22、这样，当锅炉的运行状况发生变化或受到某一扰动后，系统会同时协调的动作，改变其调节量，使所有被调量都具有一定的调节精度。但是，这种调节十分复杂，实现起来相当困难。事实上，工业锅炉的各个参数之间的耦合程度有大有小，例如汽包水位受给水量、蒸汽流量以及汽包压力的影响比较大，而与送风量、引风量的关系则不那么密切。因此，根据锅炉的实际运行情况，将锅炉当做若干个独立的调节对象，相应的设置若干个独立的调节系统，才是可行的实现锅炉自动控制的方法。它使得锅炉自动化控制系统得以适当简化，也符合实际情况，其中锅炉的主要调节任务是：锅炉供应的蒸汽量适应负荷变化的需要或保持给定的负荷；锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定

23、范围内；过热器蒸汽温度保持在一定范围内；汽包中水位保持在一定范围内；保持锅炉燃烧的经济型和安全性；炉膛负压保持在一定范围内。为实现上述调节任务，将锅炉设备控制化为若干控制系统。主要控制系统如下：1锅炉汽包水位控制系统；2过热蒸汽压力及温度的控制；3燃料气压力控制。2.2.1 锅炉汽包水位控制系统汽包及蒸汽管中储藏着蒸汽和水，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽负荷量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。工业锅炉汽包水位自动控制的目的就是使给水量等于蒸汽量并维持汽包水位在工艺允许的范围内。汽包水位是锅炉运行的主要指标，是一个非常重要的被控变量维持汽包水位在允许的范围内是保障锅炉安全运行的首要

24、条件。这是因为：1如果水位过低，则由于汽包内水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又很快，因而汽包内的水量变化速度很快，如果控制不及时，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉损坏，甚至爆炸。2水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液的现象，会使过热器管壁结垢导致破坏，同时过热蒸汽温度急剧下降，该蒸汽作为汽轮机的动力，还会损坏汽轮机的叶片，影响运行的安全和经济性。汽包水位过高或过低的后果极为严重，所以必须严格加以控制。汽包水位控制系统结构与算法设计由于水位调节对象没有自平衡能力，而且水位调节对象存在滞后，因此不能采用开环调节方法。常用的汽包水位的控制算法有单冲量控制，双冲量控制以及三冲量控制三种。本

25、次设计中采用三冲量控制。以蒸汽流量和给水流量作为补充信号的三参数调节方法，又称为三冲量水位调节系统。双冲量控制方法不能迅速克服给水压力变化对水位产生的影响。当给水压力波动时，给水压力将发生变化，此时只有等到水位变化后调节器才能起作用。为此再引入给水流量信号，组成三冲量水位控制回路。三冲量水位控制系统图如图2-3所示。图2-3 三冲量控制系统2.2.2 过热蒸汽压力及温度的控制过热蒸汽压力及温度的控制。这是工业锅炉生产蒸汽产品的质量指标，达到蒸汽用户的要求。这两个控制参数一般都是单回路控制，控制质量要求高的，实现了串级控制。因为锅炉的运行环境不可能是理想的状态，蒸汽的温度总是会受到某些干扰的影响

26、，所以必须对蒸汽的温度加以控制，以在一定范围内得到温度相对恒定的蒸汽。影响蒸汽温度的主要因素是给煤量以及空煤比，所以我们采用了串级比值控制系统分别控制给煤量以及给风量。另外，影响蒸汽温度的因素还有给水量、蒸发量以及引风量等，又考虑到了控制系统相应的快速性，我们又将给水量和蒸发量作为蒸汽温度控制的前馈量构成前馈控制系统。即采用前馈比值串级控制系统对蒸汽温度进行控制，其控制系统的结构图见图2-4所示。输出值度这是对于控制质量要求较高的情况下所采用的方案，而本实验主要是仿真，所以对过热蒸汽压力及温度的控制采用一般的单回路控制就满足要求。2.2.3 燃料气压力控制燃料气压力控制，这是保证燃料气稳定燃烧

27、的重要指标。一般的单回路控制就可以满足要求。如果炉膛负压太小，甚至为正，则炉膛内烟气过多，甚至烟气向外冒，影响设备和操作人员的安全；反之，炉膛负压过小，会使冷空气漏进炉膛内，从而是热量损失增加，降低燃烧效率。所以必须对炉膛的压力进行控制。影响炉膛压力的主要变量有给煤量、给风量以及抽风量等，而其中给煤量和给风量是由蒸汽温度、压力以及蒸发量等因素决定的，所以要想保持炉膛压力在一定范围内保持不变就只有改变抽风量，亦即通过调节抽风量以达到控制炉膛压力的目的。另外，又因为考虑到系统相应的快速性，同时，又因为给风量和给煤量成一定的比例关系，为了提高控制品质以及简化控制系统的结构，我们将且尽将给煤量引入前馈

28、通道参与了炉膛压力的控制。炉膛负压控制系统采用了前馈串级控制，其结构框图见图2-5所示。输出值设定值 为了简化控制的复杂性，提高效率，本设计对燃料气压力采用一般的回路控制。我们采用遥控阀去控制给空量和抽风量，这样控制简单，易操作。第3章 锅炉控制系统的体系结构3.1 DCS的发展状况1所谓集散控制系统（DCS）就是以多台计算机为基础，采用数据通信技术和CRT显示技术，对生产过程进行分散控制、集中管理、分级管理、分而自治、综合协调的系统。受信息技术（网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总线技术、各种组态软件技术、数据库技术等）发展的影响，以及用户对先进的控制功能与管理功能需求的增加

29、，各DCS厂商（以Honeell、Emerson、Foxboro、横河、 ABB为代表）纷纷提升DCS系统的技术水平，并不断地丰富其内容。当今的DCS与十年前的DCS相比，发生了根本性的变化。2集散控制系统发展的三个阶段初始阶段：1975年美国霍尼韦尔公司第1套TDC-2000集散控制系统问世不久，世界各国仪表制造商就相继推出了自己的集散控制系统，即第1代集散控制系统。比较著名的有霍尼韦尔公司的TDC-2000；FOXBORO公司的SPECTRUM；FISHER公司的PROVOX；横河公司的CENTUM；西门子公司的TELEPERM等。这些产品虽只是集散控制系统的雏形，但已经拥有集散控制系统的

30、基本结构。分散过程控制装置，操作管理装置和通讯系统，并已具备了集散控制系统的基本特点；集中管理，分散控制。发展阶段：随着控制技术、计算机技术、半导体技术、网络技术和软件技术等飞速发展，集散控制系统进入第2代。主要产品有：霍尼韦尔公司的TDC-3000；TAYLOR公司的MOD300；西屋公司的WDPF；横河公司的CENTUM-XL；ABB公司的MASTER等。第2代集散控制系统的主要特点是系统功能的扩大和增强以及通信范围和数据传送速率的大幅提高。它采用模块化、标准化设计，数据通信向标准化靠拢，控制功能更加完善，具有很强的适应性和可扩充性。成熟阶段：1987年美国FOXBORO公司推出的1/AS

31、系统标志着集散控制系统进入了第3代。主要产品有：霍尼韦尔公司带有UCN网的TDC-3000；横河公司带有SV-ET网的CENTUM-L；BALLEY公司的创FO-90等。第3代集散控制系统的主要改变是在局域网络方面。它通过采用MAP等协议，使各不同制造商的产品可以相互连接。相互通信和进行数据交换，同时，第3方应用软件可方便应用，也为用户提供了更广阔的发展空间。3国内外DCS发展现况国外DCS发展现状。DCS已经进入第四代受信息技术包括网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总线技术、各种组态软件技术、数据库技术等发展的影响，以及用户对先进的控制功能与管理功能需求的增加，各DCS厂商纷

32、纷提升其DCS的技术水平，并不断丰富其内容，以Honeywell公司最新推出的ExPerion PKS（过程知识系统），Emerson公司的Plant web，Foxboro公司的AZ，横河公司的R3（工厂资源管理系统），为第四代DCS出现的标志，第四代DCS技术上最主要的标志是；information（信息）。信息和集成体现了当今DCS正在发生的变化，DCS已经可以采集整个工厂车间和过程的信息资料，并使这些大量的资料以合适的方式体现，帮助决策过程。信息化体现在各DCS己经不是一个以控制功能为主的控制系统，而是一个充分发挥信息管理功能的综合平台系统。DCS提供了从现场到设备，从设备到车间，从车间到工厂，从工厂到企业集团整个信息信道，这些信息充分体现了全面性、准确性、实时性和系统性。基本上大部分DCS提供了过去常规DCS功能，S