锅炉燃烧控制系统设计毕业设计.docx

1、锅炉燃烧控制系统设计毕业设计锅炉燃烧控制系统设计_毕业设计摘 要随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大以及人们生活水平的不断提高，对生活供暖提出了更高的要求。目前，我国北方地区冬季生活供暖仍然以锅炉供暖为主，但是锅炉房自动控制系统配置相对落后，风机和水泵等电机的控制主要依赖值班人员的手工操作，控制过程繁琐，耗电耗煤，而且手动控制无法实现锅炉的优化控制，容易出现误操作。本文是对民用锅炉燃烧控制系统的设计，通过可编程控制器实现对锅炉汽包水位、汽包压力、炉膛负压和烟气含氧量的监测和自动控制。设计中可编程控制器及其特殊功能模块采集现场的参数，并结合给定值，经过处理给出数据，输出到变频器，以此控

2、制电动机的转速，进而达到控制相应参数的目的，实现锅炉燃烧过程的自动控制。 关键词：锅炉，燃烧过程控制，可编程控制器，变频器，PID控制 ABSTRACTWith the rapid development of social economy and the increasingly improved living standard of people,the scale of city construction is unprecedentedly expanded, higher requirements for living heating system is needed. In nor

3、thern China,most current living heating systems for winter use are still boiler heating system,but automatic control system for boiler room configuration is relatively backward.The control of operating fans in stokehold and water pumps is still manual. In manual control system,the control process is

4、 very Complex and its a waste of power and coal.Whats more, the optimization of boiler control canot be achieved in manual control prone system.This article is designed for civilian boiler combustion control system, the drum water level, drum pressure, vacuum furnace and flue gas oxygen content of t

5、he boiler are real-time monitored and automatically controlled by the programmable controller.At first,the programmable logic controller and its special function module parameters collected the data at the scene, then combined the data with a given value, at last the data which was processed and out

6、put to the inverter in order to control the speed of the motors.So the parameters are controlled and the automatic control of boiler combustion process is achieved.KEY WORDS: boiler, control of combustion process，the programmable controller，PID control第一章 绪 论1.1项目背景及课题的研究意义我国地大物博，人口众多，对能源的需求量很大，但我国人

7、均能耗低于世界平均水平，而单位产值的能耗却是发达国家的2倍。这在能源供应动荡不安的今天，应该引起人们足够的重视，同时这也说明我国节能的潜力很大，应该努力寻求节能的新途径。随着城市建设的迅速发展，我国北方地区冬季城市集中供暖成为城市现代化必然采取的步骤。而供暖面积的不断扩大，使如何科学有效地控制和管理供暖系统，提高供暖的经济效益和社会效益，成为急需解决的重要课题。在供暖系统中，锅炉房供暖所占比例很大。我国北方地区29个大中城市近3.5亿平方米的供暖调查显示，锅炉供暖占84%，热力供暖占12%，其他方式供暖仅占4%。在今后相当长的时间内，集中热力供暖是发展趋势，但是仍然无法取代锅炉供暖的主流地位。

8、据不完全统计，我国共有各类锅炉近50万台，每年的耗煤量达30多亿吨，占我国原煤产量的三分之一。锅炉是消耗能源，产生大气污染，事关生产、生活和安全的重要设备，它在国民经济整个能源消耗中占有相当大的比重。目前我国供暖锅炉以燃煤链条锅炉为主，燃烧使用的主要是中、低质煤，而且锅炉房管理水平普遍不高，一致沿用间断运行方式，锅炉技术含量低，锅炉的自动化控制技术落后，造成了严重的能源浪费和环境污染。锅炉每年排放烟尘约620万吨，SO2约510万吨，此外还排放大量的NO2等有害气体，成为我国大气煤烟型污染的主要来源之一，尤其是燃煤排放的CO2所引起的温室效应，早已引起国际关注。由于煤质变化大，设备陈旧，不仅锅

9、炉工人的劳动条件差，劳动强度大，而且锅炉的热效率低，能耗高。因此，在满足工艺要求的前提下，为了提高锅炉的热效率，降低能源消耗，把工人从繁重的劳动中解放出来，促进安全文明生产，实现锅炉的自动控制是一个必须解决的问题。随着计算机控制技术的飞速发展和广泛应用，锅炉的控制系统和控制方式越来越引起人们的重视，而且对控制系统的要求也越来越高。任何一种优质的锅炉，如果没有对应的控制装置，则无法完全体现锅炉的优点，如今控制系统的水平已经成为衡量锅炉好坏的一个至关重要的指标。在实际运行中，控制的方式及自动控制运行的程度是保证锅炉高效运行的必要保证。如果没有先进的控制，锅炉的高效率也就无从谈起。锅炉的自动控制使锅

10、炉始终处于最佳工作状态，提高了锅炉的运行效率和燃煤的燃烧效果。锅炉自动控制系统要求可以对工业锅炉的给水、给风、给煤、燃烧等系统的管理与控制，通过人机借口部分可以采集系统中所有重要参数，进行存储和记录，并与高效控制器通讯，锅炉的操作者可以通过系统实现对锅炉运行的监视、管理、操作。实现锅炉的自动控制不仅节约燃煤，也减少了烟尘和有害气体的排放，具有较好的环保效果。同时。锅炉自动控制系统通过各种传感器检测锅炉温度、压力、流量等参数，传送至可编程控制器和仪表，并实现温度和压力等参数的自动控制。工人在控制室就可以全面了解锅炉各部分的运行情况，大大改善了工人的工作条件，提高了自动化程度和管理水平。改革开放以

11、来，锅炉一直被列为节能技术改造和提高生产效率的首要对象。锅炉是能源的重要转换和消耗设备之一，随着经济的高速发展，生态环境的日益恶化，节能增效已成为锅炉应用的首要问题。1.2供暖锅炉控制的国内外研究现状当前，节能与环保已成为人类社会面临的两大课题。我国的锅炉目前以煤为主要燃料，燃煤量接近全国煤产量的三分之一，燃用的主要是中、低质煤，工业污染十分严重，而且锅炉设备陈旧，生产效率和自动化程度低，进一步加重了环境污染的程度。在欧美和日本等发达国家，石油和天然气已成为第一能源，占能源消耗的60%左右，燃油和燃气锅炉已逐步取代燃煤锅炉，对风机和水泵等电机的变频控制已经相当成熟。自20世纪90年代以来，随着

12、超大型可编程控制器的出现和模糊控制、自适应控制等自能控制算法的发展以及智能控制器的应用，锅炉控制水平大大提高，已实现优化控制。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。此外还有一些科研院校联合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。尽管对锅炉控制的研究和推广已取得了很大的进展，但仍然存在一些问题：1、大多数现有的锅炉控制系统可控制的主要还是开关量设备，如风机、炉排和水泵的起停和或者阀门控制。不能对它们精确连续调节，

13、控制手段单一，控制精度低。2、锅炉控制系统的控制方案不够合理，锅炉控制器（计算机或可编程控制器）一旦出现故障，智能采取系统断电处理，进行人工操作。若锅炉控制系统中的传感器或变送器等设备出现故障时，温度、压力等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，并未实现锅炉的自动控制，下位机主要以单片机为主，控制水平有限，可靠性不够高。1.3本设计解决的问题本设计针对任务书中的要求，应用可编程控制器（PLC）实现锅炉燃烧自动控制，主要解决了一下问题：1、提出系统控制方案。本设计以三菱可编程控制器为核心，通过其扩展的A/D和D/A模块，完

14、成对模拟量的检测和输出。PLC将经过处理后的模拟量输出，经变频器进而控制电动机。实现对汽包液位、汽包压力、炉膛负压和烟气含氧量的控制。2、锅炉燃烧PLC控制系统的构成。本设计中锅炉燃烧控制系统包括可编程序控制器、A/D和D/A模块、传感器、变送器、变频器等。3、三菱FX2N系列PLC实现PID控制的方法。三菱FX2N自带PID功能指令，通过PID指令，实现4个闭环回路的PID控制。4、PLC控制程序的设计和说明。第二章 控制方案说明2.1控制对象说明锅炉是特种压力容器设备，是化工、冶炼、发电、供热、炼油和制糖等工业及民用部门必不可少的主要动力设备，它可以将一次能源（煤炭）转化为二次能源（蒸汽）

15、。如图2.1为锅炉的原理示意图，本设计中的锅炉型号为SHL102.45/400A型锅炉，该锅炉由鼓风机、炉排、炉膛、汽包、给水泵、引风机等主要部分组成。1、 锅炉型号：SHL102.45/400A（双锅筒、横置式、链条炉排、蒸发量10t/h、）2、 出口压力：2.45Mpa3、 出口过热蒸汽温度:4004、 汽包水位变化范围:200mm-1000mm5、 送风机：功率30KW,送风压力2700Pa6、 引风机：功率45KW，引风压力4020pa7、 给水泵：电动机功率45KW，给水流量40m3/h图2.1为锅炉的原理示意图2.1.1鼓风机在设计条件下，风压为30kPa-200KPa或者压缩比e

16、=1.3-3的风机称之为鼓风机，其实物图见图2.2。单位质量或单位容积的燃料完全燃烧时，按化学反应计算出的空气需求量称为理论空气量。为了使燃料在炉膛内有更多的机会与氧气接触而燃烧，实际送入炉内的空气量总要大于理论空气量。鼓风机的作用就是通过电动机带动叶轮高速转动，从而将空气送入炉膛。保证单位时间内，有适度过剩的空气被送入炉膛，满足燃料充分燃烧的需要。虽然多送入空气可以减少不完全燃烧热损失，但同时排烟造成的热损失会增大，而且会加剧硫氧化物腐蚀和氮氧化物生成。因此应设法改进燃烧技术，争取以尽量小的过量空气系数使炉膛内的燃料完全燃烧，这就需要对鼓风机实行变频控制。 图2.2 鼓风机实物图2.1.2炉

17、排锅炉或工业炉中堆置固体燃料并使之有效燃烧的部件称为炉排。整个炉排主要包括框架和炉排片两个部分。炉排片通常用铸铁制造，组装后片与片之间保持必要的通风缝隙，并且往往还在炉排下边设置可以调节风量的分隔的通风室,以便空气通过缝隙进入燃料层燃烧烧尽后的灰渣用人工或机械方法排出。炉排有固定式、移动式、往复式、振动式和下饲式等类型。锅炉的燃烧方式有三种形式：层燃（火床燃烧）、室燃（悬浮燃烧）、沸腾燃烧，各种燃烧方式有其相应的燃烧设备。固定炉排、链条炉排、往复炉排、振动炉排等属于层燃式，适用于燃烧固体燃料。煤粉锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉等属于室燃式，适用于粉状固体燃料，液体燃料和气体燃料。鼓泡流化床、循环流化

18、床属于沸腾燃烧方式，适用于燃烧颗粒状固体燃料。抛煤机链条炉排，兼有层燃和室燃的燃烧方式，属于混合燃烧方式。本设计中，控制对象SHL102.45/400A型锅炉上采用的是链条炉排。链条炉排是一种结构比较完善的燃烧设备。由于机械化程度高（加煤、清渣、除灰等均有机械完成），制造工艺成熟，运行稳定可靠，人工拨火能使燃料燃烧的更充分，燃烧率也较高，适用于大、中、小型工业锅炉。国产链条炉排按结构可分链带式、横梁式和鳞片式链条炉排。链带式链条炉排属于轻型结构适用于额定蒸发量小于10t/h的蒸汽锅炉或相应容量的燃烧锅炉；横梁式链条炉排是用刚性很强的横梁作支架，炉排片嵌于支架横梁的槽内，当主动轴上的链轮带动链条

19、转动时横梁及其上的整付炉排随之移动；鳞式链条炉排适用于额定蒸发量大于10t/h的蒸汽锅炉或相应容量的燃烧锅炉。2.1.3炉膛炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上进行火床燃烧的炉膛称为层燃炉，又称火床炉；将液体、气体或磨成粉状的固体燃料喷入火室燃烧的炉膛称为室燃炉，又称火室炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧、适于燃烧劣质燃料的炉膛称为沸腾炉，又称流化床炉；利用空气流使煤粒高速旋转并强烈炉膛的横截面一般为正方形或矩形。燃料在炉膛内燃烧形成火焰和高温烟气，所以炉膛四周的炉墙由耐高温材料和保温材料构成。在炉墙的内表面上常敷设水冷壁管，它既保护炉墙不致烧坏，又吸收火焰和高温烟气的大

20、量辐射热。 炉膛的结构、形状、容积和高度都要保证燃料充分燃烧，并使炉膛出口的烟气温度降低到熔渣开始凝结的温度以下。 当炉内的温度超过灰熔点时，灰便呈熔融状态。熔融的灰渣颗粒在触及炉内水冷壁管或其他构件时会粘在上面。粘结的灰粒逐渐增多,遂形成渣块,称为结渣。结渣会降低锅炉受热面的传热效果。严重时会堵塞烟气流动的通道，影响锅炉的安全和经济运行火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。2.1.4汽包汽包又称锅筒，它是自然循环和多次强制循环锅炉中接受省煤器来的给水、联接循环回路，并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。锅筒筒体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。 锅筒的主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排除锅

21、水中的盐水和泥渣，以避免含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中。这些盐分和杂质如在过热器管和汽轮机通道上发生结垢、积盐和腐蚀，会影响设备的经济安全运行。锅炉出口的蒸汽一般都有一定的质量标准。锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。其中汽水分离装置的作用是将从水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开来，并尽量减少蒸汽中携带的细小水滴。中、低压锅炉常用挡板和缝隙挡板作为粗分离元件。中压以上的锅炉除广泛采用多种型式的旋风分离器进行粗分离外，还用百页窗、钢丝网或均汽板等进行进一步分离。随着水处理技术的提高，蒸汽分离装置趋向于简化和定型化。排污装置（包括连续排污和定期排污

22、）能在锅炉运行中排出一部分含有较高盐分和泥渣的锅水。锅筒上还装有水位表、安全阀等监测和保护设施。 2.1.5给水泵给水泵是给锅炉汽包供水的设备，使用的就是离心泵，离心泵把电能转换为机械能，通过离心叶轮的旋转，来提升液体的压力。给水泵用来给水升压,泵前的水压力较低,水泵起动后，在离心力的作用下，水从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道。水由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽水面上方的压力大于泵入口处的压力，水便被连续压入叶轮中，这就形成了水流。给水泵通过管

23、道向汽包供水，保证汽包水位在正常范围内，这样才能产生足够的蒸汽供给用户。2.1.6引风机引风机通常和鼓风机成对出现，但二者的作用不同。炉膛内压力过低，会使大量的冷风漏入炉膛，这样就增大了引风机的负荷和排烟损失，炉膛压力过低甚至会导致内爆；反之，炉膛压力过高，会使火焰和烟气冒出（锅炉喷火），不仅影响环境卫生，甚至可能影响设备和人身安全。引风机的作用是通过调节引风量，保证一定的炉膛负压。2.1.7省煤器和除尘器省煤器的作用是用烟气预热给水管道内的水，使其温度升高，这样在进入汽包之前就具有一定的初始温度，水温上升至沸点所需时间短一些，这样就节约了燃料。除尘器的作用是除掉烟气中的粉尘和其他杂质，保护环

24、境。总的来说，锅炉具体的工作过程如下：鼓风机起动，通过进风口向炉膛送入空气，炉排电动机起动，下煤斗里的煤粉通过炉排电动机上的链条进入炉膛，点火燃烧，给炉膛内的上下汽包加热。给水泵起动，通过省煤器给汽包供水，汽包内的水在炉膛的加热之下，温度升高，达到沸点，水变成水蒸气，通过出汽口管道向用户输送。而引风机的主要功能是将燃烧后的烟气抽出炉膛，保证炉膛负压。2.2控制系统介绍锅炉控制系统需要检测的参数很多，包括锅炉入口水温、压力，出口水温、压力，鼓风机风压、炉膛负压、空气预热器入口负压、除尘器入、出口负压，引风机负压、炉膛温度、排烟温度。锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性的相互关联的复杂的控制系

25、统，调节参数与被调节参数之间，存在着许多交叉的影响，调节难度非常大。锅炉汽包水位控制系统和燃烧过程控制系统是锅炉控制系统的两大主要系统，其具体的控制内容和说明如下：2.2.1锅炉汽包水位控制系统汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。所以其值过高过低都可能造成重大事故。它的被调量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节, 使汽包内部的物料达到动态平衡，变化在允许范围之内，由于锅炉汽包水位对蒸气流量和给水流量变化

26、的响应呈积极特性。但是在负荷(蒸气流量)急剧增加时，表现却为逆响应特性，即所谓的虚假水位，造成这一原因是由于负荷增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的沸点温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量汽泡，而使水位抬高。 汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，实际应用中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双重量和水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。a单冲量控

27、制，即以水位为唯一调节信号的单参数、单回路控制系统；b双冲量控制，即以水位作为调节信号，以蒸汽流量作为补充信号的双参数控制系统；c三冲量控制，即以水位作为调节信号，以给水流量、主蒸汽流量作为补充信号的三参数控制系统。其中三冲量调节系统还可分为三冲量单级调节和三冲量串级调节。三冲量水位控制实现方式：1）在异常情况下，如液位偏离正常值较大时，采用规则控制，可以快速恢复水位，保证锅炉的安全稳定运行。2）当水位控制和主蒸汽温度控制发生矛盾时，可根据矛盾的主要方面进行两者的协调控制。3）它包含给水流量控制回路和汽包水位控制回路两个控制回路，实质上是蒸汽流量前馈与水位流量串级系统组成的复合控制系统。当蒸汽

28、流量变化时，锅炉汽包水位控制系统中的给水流量控制回路可迅速改变进水量以完成粗调，然后再由汽包水位调节器完成水位的微调。2.2.2锅炉燃烧过程控制系统锅炉燃烧过程有三个任务：给煤控制，给风控制，炉膛负压控制。保持煤气与空气比例使空气过剩系数在1.08左右、燃烧过程的经济性、维持炉膛负压，所以锅炉燃烧过程的自动调节是一个复杂的问题。对于35t锅炉来说燃烧放散高炉煤气，要求是最大限度地利用放散的高炉煤气，故可按锅炉的最大出力运行，对蒸汽压力不做严格要求；燃烧的经济性也不做较高的要求。这样锅炉燃烧过程的自动调节简化为炉膛负压为主参数的定煤气流量调节。 炉膛负压Pf的大小受引风量、鼓风量与煤气量（压力）

29、三者的影响。炉膛负压太小，炉膛向外喷火和外泄漏高炉煤气，危及设备与运行人员的安全。负压太大，炉膛漏风量增加，排烟损失增加，引风机耗电量增加。根据多年的人工手动调节摸索，35t锅炉的Pf=100Pa来进行设计。调节方法是初始状态先由人工调节空气与煤气比例，达到理想的燃烧状态，在引风机全开时达到炉膛负压100Pa，投入自动后，只调节煤气蝶阀，使压力波动下的高炉煤气流量趋于初始状态的煤气流量，来保持燃烧中高炉煤气与空气比例达到最佳状态。因此，锅炉燃烧过程自动控制系统按照控制任务的不同可分为三个子控制系统，即蒸汽压力控制系统、烟气氧量控制系统和炉膛负压控制系统。2.3系统简化说明锅炉控制系统的控制参数

30、很多，而且互相影响。如果在设计中充分考虑锅炉多变量、强耦合的控制特点，那么控制系统就必须采用计算机控制。计算机控制系统就是通过工控机和PLC，加上相关的软件，组成可编程控制器PLC+工业计算机IPC架构的监控系统，实现对锅炉的监视和控制。计算机控制系统系统的硬件需求和软件要求都比较高，因此系统的成本也很高，而且更为复杂。本设计的任务是锅炉燃烧控制系统，但是锅炉燃烧控制系统与汽包水位控制系统相互联系，密不可分。所以本设计在考虑燃烧过程控制系统的同时，也要考虑汽包水位控制，但是这不是主要方面。况且，汽包水位控制系统在我们毕业设计小组的其他题目中有专门的设计。所以本设计将汽包水位控制系统简化，采用单

31、冲量控制，即以汽包水位作为水位控制系统的唯一采样信号，通过可编程序控制器、变频器控制水泵电机，完成汽包水位调节，保证锅炉汽包水位在正常范围内。本设计任务书中，已经提到，SHL型锅炉多用于民用建筑的供暖设备，所以相比于工业场合使用的锅炉，控制要求要低一些。在本设计控制要求不高的前提下，我将多变量、强耦合的锅炉燃烧控制系统简化为多个单回路控制系统来加以考虑，此时就可以通过可编程控制器PLC来实现，既省去了工控计算机，也大大降低了系统的成本。现将锅炉燃烧控制系统简化成汽包液位控制，给煤控制，送风控制，炉膛负压控制四个闭环控制回路，对系统进行设计。经过简化后，锅炉燃烧控制系统由汽包水位控制，汽包压力控

32、制，炉膛负压控制和烟气含氧量控制回路组成，再加上锅炉的自动保护系统。2.4锅炉燃烧控制系统方案本设计中，简化后的锅炉燃烧控制系统主要包括汽包水位控制系统、汽包压力控制系统、炉膛负压控制系统和烟气含氧量控制系统，以下分别介绍4个回路的控制方案和控制原理框图。2.4.1汽包水位控制给水泵的控制蒸汽锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量使其与蒸发量保持动态平衡，维持汽包水位在工艺允许的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。若水位过高,影响汽水分离的效果,使用气设备发生故障；而水位过低则会破坏汽水循环,严重时甚至导致锅炉爆炸，所以锅炉汽包水位必须严加控制。锅炉汽包水位控制，是通过调节水泵电动机的转速来调节汽包进水流量，自动补偿由蒸发引起的汽包水位变化。由于汽包压力汽化率回路中已经包含了积分环节，这里只采用比例调节器就可以了。图2.3是汽包液位控制回路的原理框图图2.3 汽包液位控制回路2.4.2汽包压力控制炉排电动机的控制