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1、电站锅炉自动测控系统毕业设计电站锅炉自动测控系统摘 要随着社会对电力需求量的增加，电站锅炉正在向着大型化和超大型化的方向发展，因此对锅炉蒸发量的要求就越来越大，但是锅炉尺寸相对变化并不大。在保证快速性的前提下，对锅炉经济性要求也更高，这样就对锅炉控制系统提出了更高的要求。本文简要介绍了火力发电厂的生产过程及电站锅炉自动控制系统的各个组成部分和控制目标，重点对水位控制系统进行了比较深入的研究，在对系统的结构、特性充分理解的基础上，分析了水位控制系统通常使用的单冲量控制、双冲量控制和三冲量控制，并进行综合的分析和比较，详细设计了三冲量控制系统。基于对现场状况实时掌控的要求，本文运用MCGS组态软件

2、设计了锅炉状态监控程序，以动画显示、报警处理、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，达到了实时监控的目的。 关键词：电站锅炉；自动控制；水位控制；MCGS组态Automatic measurement and control system power plant boilerAbstractWith the communitys increasing demand for electricity, power plant boiler is large and very large toward the direction of development, ev

3、aporation and therefore the requirements of the boiler on the growing, but the boiler is not large relative changes in size. In ensuring the rapid under the premise of the economic requirements of the boiler is also higher, so that the boilers control system to a higher demand. This paper introduces

4、 the process of producing coal-fired power plants and power plant boiler automatic control system and control the various components of the target, with a focus on water level control system more in-depth studies of the structure, features fully understood on the basis of Analysis of the water level

5、 control systems typically use a single-impulse control, dual impulse control and three-impulse control, and comprehensive analysis and comparison of the detailed design of a three-impulse control systems. The scene based on real-time control of the state of the request, this paper MCGS boiler confi

6、guration software designed to monitor the status of procedures in order to display animation, alarm processing, real-time curve, and the statements of the historical curve output provides users with a variety of ways to solve practical engineering problems programs to reach the purpose of real-time

7、monitoring. Keyword：power plant boiler; automatic control; water level control; MCGS configuration第一章 绪论一.1 火力发电概述火电厂的燃料构成决定国家资源情况和能源政策。20世纪80年代以后，中国火电厂的燃料主要是煤。1987年，火电厂发电量的87是煤电，其余13是烧油或其它能源发出的。有烟煤资源或依赖进口煤的国家，其火电厂主要燃用烟煤，因其热值高、易燃。其它煤种占较大比重的国家，有用褐煤（德国、澳大利亚）、无烟煤（前苏联、西班牙、朝鲜等）的；中国燃用煤一半以上是烟煤，贫煤次之，无烟煤在10以

8、下。一些国家还根据石油国际市场的情况，采用燃油和天然气发电机组。除蒸汽机组外，还有的用燃气轮机和内燃机发电机组。70年代以来，燃气蒸汽联合循环机组发电的火电厂得到重视。现代化火电厂是一个庞大而又复杂的生产电能与热能的工厂。它由下列5个系统组成：燃料系统；燃烧系统；汽水系统；电气系统；控制系统。在上述系统中，最主要的设备是锅炉、汽轮机和发电机，它们安装在发电厂的主厂房内。主变压器和配电装置一般装放在独立的建筑物内或户外，其他辅助设备如给水系统、供水设备、水处理设备、除尘设备、燃料储运设备等，有的安装在主厂房内，有的则安装在辅助建筑中或在露天场地。火电厂基本生产过程是，燃料在锅炉中燃烧，将其热量释

9、放出来，传给锅炉中的水，从而产生高温高压蒸汽，蒸汽通过汽轮机又将热能转化为旋转动力，以驱动发电机输出电能。到80年代为止，世界上最好的火电厂的效率达到40，即把燃料中40的热能转化为电能。一.2 锅炉自动控制介绍热力过程自动化技术是实现发电厂热力过程现代化的重要技术措施之一，是确保电厂安全经济运行的重要手段。所谓自动控制，就是指在没有人直接参与的条件下，自动控制装置使生产设备或生产过程按预订的目标进行的一切技术手段。目前火电厂锅炉部分主要的热工自动化控制系统有：给水控制系统、燃烧控制系统、过热汽温控制系统等。在锅炉侧最主要的子控制系统就是燃烧控制系统。单元机组的能量输入是靠燃料的及时供给和在炉

10、膛内的良好燃烧来保证的。大型火电机组锅炉大多是采用直吹式制粉系统向锅炉供应煤粉的。燃烧控制系统又主要包括以下子控制系统：燃料控制系统；风量控制系统；炉膛压力控制系统；磨煤机一次风量和出口温度控制系统；一次风压力控制系统；辅助风控制系统；燃料风（周界风）控制系统和燃尽风控制系统等。汽包锅炉给水自动控制的任务是使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在规定的范围内。汽包水位是锅炉运行中的一个重要监控参数，它反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系，维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成汽包出口蒸汽水分过多，含盐浓度增大，易使

11、过热器管壁结垢而导致过热器烧坏；同时还会使过热汽温产生急剧变化，直接影响机组运行的安全性和经济性。汽包水位过低，则可能破坏锅炉水循环，造成水冷壁管烧坏而破裂。因此，为保证机组安全运行，正常情况下，一般限制汽包水位在（3050）mm范围内变化。过热蒸汽温度自动控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内，并且保护过热器，使管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是影响大型锅炉生产过程安全性和经济性的重要参数。因为过热器是在高温、高压条件下工作的，过热器出口的过热蒸汽温度是全厂整个汽水过程中工质温度的最高点，也是金属管壁的最高处。过热蒸汽温度过高，容易烧坏过热器，也会使蒸汽管道、汽轮机内某些零

12、部件产生过大的热膨胀变形而损坏，影响机组的安全运行，因而过热汽温的上限一般不应超过额定值5；过热蒸汽温度过低，又会降低全厂的热效率，不仅增加燃料消耗量，浪费能源，而且还将使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，加速汽轮机叶片的水蚀。另外，过热蒸汽温度降低还会导致汽轮机高压部分级的焓降减少，引起各级反动度增大，轴向推动增大，影响汽轮机的安全经济运行，因而过热汽温的下限一般不低于额定值10。过热汽温的额定值通常在500以上，例如，高压锅炉一般为540，就是说要使过热汽温保持在540。一.3 国内外锅炉自动控制的发展锅炉控制系统的发展可以认为跟随了过程控制的发展，大致经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组

13、合模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统DCS和现场总线控制系统FCS几个阶段。二十世纪五十年代以前，由于当时的生产规模小，检测仪表还处于发展的初级阶段，所采用的仅仅是安装在生产设备现场、具备简单检测功能的基地式气动仪表，其信号仅在本仪表内起作用，一般不能传送给别的仪表或系统。随着生产规模的扩大，出现了电气、电动的单元组合式仪表，此时出现了集中控制室。现场各处的信号通过统一的模拟信号送到集中控制室，操作员可以在控制室内观察生产现场的状况。当时的工业是精密性比较差的工业，模拟控制系统基本上满足了一定的要求。随着控制、计算机、通信、网络技术以及超大规模集成电路技术的发展，计算机生产成本

14、急剧下降，运算速度加快、体积大幅减小，出现了数字调节器、可编程控制器（PLC）以及由多个计算机构成的集中、分散相结合的集散控制系统，这就是DCS集散控制系统。DCS在八、九十年代占主导地位，其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理，若干下位机分散到现场实现分布式控制，上位机和下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。但DCS还不是一个完全开放的系统。FCS正是顺应以上潮流而诞生，它用现场总线这一开放的、可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统。同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，FCS实质上是一种开放的、

15、具互操作性的、彻底分散的分布式控制系统。最新的锅炉控制系统一般采用PLC和工业PC机为主的控制方案，通过以太网或现场总线实现双向通讯。这样，控制系统一般由以下几部分组成：锅炉本体、检测装置、PLC、工业PC、手/自动切换操作、执行机构及阀门、滑差电机等部分。检测装置将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流信号送入PLC；对于手/自动操作切换部分，手动操作时由操作人员手动控制，用操作器控制滑差电机及阀门等，自动操作时PLC发出控制信号经执行部分进行自动操作。PLC作为下位机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行，工业PC机作为上位机对锅炉的运行数据进行监视

16、和显示，并可以提供各种历史数据。除此以外，为保证锅炉运行的安全，在进行自动控制系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，以免锅炉发生重大事故。我国从60年代开始就从事锅炉自控系统的研制工作，交通部上海船舶运输科学研究所在长江航行的蒸汽动力船“东方红十号”、“东方红八号”和“东方红四号”上安装了气动的锅炉自动调节系统采用自行研制的基地式气动调节器，到70年代初研制成强制循环辅助锅炉的全自动控制系统，直到90年代才开始研制以可编程控制器为核心的辅助锅炉燃烧控制装置，现在国内锅炉业迅速发展，但是辅助锅炉的控制系统大部分仍以进口

17、产品为主，如：丹麦AALBORG公司、德国SAACKE公司、瑞典SUNROD公司和日本OSAKA公司的产品，这些公司几乎都采用了可编程控制器组成的控制系统。 一.4 本文研究的主要内容本文主要讲述了电站锅炉自动测控系统相关内容，在第一章中主要讲述了火力发电的生产过程，锅炉自动控制概述以及国内外锅炉自动控制的发展历程及特点。第二章可表述为电站锅炉概述，包括有锅炉的类型、本体组成、锅炉主要设备、锅炉原理以及主要的控制系统。第三章中重点研究锅炉汽包水位控制系统，简要的说明了单冲量、双重量控制方法，对三冲量控制方法进行了相对详细的分析与介绍，进行综合比较，对自动控制过程做了较为详细的说明和分析，同时还

18、有仪表选型，控制器正/反作用的判定和控制规律的选择，并简要的介绍了先进控制方式在水位控制系统中的应用，包括预测控制，专家控制和模糊控制。第四章讲述了运用MCGS组态软件实现对锅炉实时监控，并及时对所定数据上限值和下限值进行报警，以达到监控的目的。第二章 电站锅炉系统概述二.1 火力发电厂工艺介绍火力发电由三大主要设备锅炉、汽轮机、发电机及相应辅助设备组成，它们通过管道或线路相连构成生产主系统，即燃烧系统、汽水系统和电气系统。其生产流程如图2-1所示。 图2-1 火力发电生产过程原理框图 燃烧系统燃烧系统如图2-2，包括锅炉的燃烧部分、输煤、除灰和烟气排放系统等。燃煤由传送带输送到锅炉车间的煤斗

19、，进入磨煤机磨成煤粉，然后与经过预热器预热的空气一起喷入炉内燃烧，将煤的化学能转换成热能，烟气经除尘器清除灰分后，由引风机抽出，由烟囱排入大气。炉渣和除尘器下部的细灰由灰渣泵排至灰场。图2-2 燃煤系统流程图 汽水系统汽水系统流程如图2-3所示，包括锅炉、汽轮机、凝汽器及给水泵等组成的汽水系统循环和水处理系统、冷却水系统等。水在锅炉中加热后蒸发成蒸汽，流经过热器之后图2-3 汽水系统流程图进一步加热，成为具有规定压力和温度的过热蒸汽，然后经过管道送入汽轮机。在汽轮机中，蒸汽不断膨胀，高速流动，冲击汽轮机的转子，以额定转速（3000r/min）旋转，将热能转换成机械能，带动与汽轮机同轴的发电机发

20、电。在膨胀过程中，蒸汽的压力和温度不断降低。蒸汽做功后从汽轮机下部排出。排出的蒸汽称为乏汽，它排入凝汽器。在凝汽器中，汽轮机的乏汽被冷却水冷却，凝结成水。凝汽器下部所凝结的水由凝结水泵升压后进入低压加热器和除氧器，提高水温并除去水中的氧（以防止腐蚀炉管等），再由给水泵进一步升压，然后进入高压加热器，再回到锅炉，完成水蒸汽水的循环。给水泵以后的凝结水称为给水。汽水系统中的蒸汽和凝结水在循环过程中总会有一些损失，因此，必须不断向给水系统补充经过化学处理的水。补给水进入除氧器，同凝结水一起由给水泵打入锅炉。 电气系统电气系统如图2-4所示，包括发电机、励磁系统、厂用电系统和升压变电所等，发电机的机端

21、电压和电流随其容量不同而变化，其电压一般在1020kV之间，电流可达数千安。因此，发电机发出的电一般由主变压器升高电压后，经变电所高压电器设备和输电线送往电网。极少部分电通过厂用变压器降低电压后，经厂用电配电装置和电缆供厂内风机、水泵等各种辅机设备和照明等用电。图2-4 电气系统图综上所述，燃煤由列车运来后，卸煤设备把它卸到煤场而储存备用。在生产中，煤由输煤设备从煤场输入锅炉的炉前煤斗存放，经给煤机送入磨煤机磨制成煤粉，以利于燃烧。与煤同时进入磨煤机的热空气起到干燥、输送煤粉的作用。煤粉与空气混合同时进入锅炉，迅速燃烧，同时放出热量，把锅炉中的水加热成过热蒸汽。含有热能的高温、高压蒸汽被送入汽

22、轮机，释放能量推动汽轮机旋转，把蒸汽的热能转换成汽轮机旋转的机械能。汽轮机拖动与它相连的发电机同步旋转，发电机在旋转中把输入的机械能转变成电能。二.2 锅炉系统概述锅炉是火力发电厂的主要设备之一，在电力生产过程中占有相当重要的地位。锅炉是利用燃料（如煤、天然气、焦炉煤气、高炉煤气、重油等）燃烧释放的热能加热给水，生产规定品质和参数的过热蒸汽的设备，又称蒸汽发生器。在热力发电厂中，将煤、石油、天然气等燃料燃烧或其它热源释放出来的热量，通过金属受热面传递给经净化的水，将其加热到一定压力和温度的水或蒸汽的换热设备称为锅炉。锅炉是工业企业的重要动力设备，它是火力发电厂的三大支柱之一（即锅炉、汽轮机和发

23、电机），锅炉工业的发展直接影响着火力发电的发展和大电站的建设。此外，锅炉还是轻工业生产中的热源和动力源，如为蒸馏、化学反应、干燥蒸发等提供热能，为风机、压缩机、泵类提供动力。在大型热力发电厂中，锅炉包括一个庞大的建筑和一整套热交换、热动机械和处理的设备，工作情况十分复杂，其中某个部位产生故障，就会使整台机组停运，造成国民经济的重大损失。由此可见，国民经济各部门发展也离不开锅炉工业的发展，它在我们建设有中国特色的社会主义，大力发展经济实现现代化的进程中，起到了十分重要的作用。锅炉生产实际上是实现能量的转换和传递，将燃料的内能转换为蒸汽的热能。整个工作过程可分为三个相互关联的子过程：燃料的燃烧过程

24、、火焰和烟气向水及汽传递热量的过程、蒸汽的生产过程。图2-5是锅炉设备主要工艺流程图。图2-5 锅炉设备主要工艺流程图二.3 锅炉原理火力发电厂的生产过程是利用煤、石油、天然气作为燃料，在锅炉设备中通过燃烧和传热，把燃料的化学能转换成水蒸气的热能，再借助于汽轮机设备将蒸汽的热能转换成机械能，然后通过发电机将机械能转换成电能。其中锅炉部分简要的工作过程可大致概括如下。原煤由原煤仓经给煤机进入磨煤机，经干燥和磨制后形成合格的煤粉。煤粉暂存于煤粉仓中，然后经给粉机和一次风管后由燃烧器喷入炉膛内燃烧。外界冷空气由送风机加压后送入空气预热器，被加热后的空气有以下用途：一是送入磨煤机，用以干燥并输送煤粉；

25、二是送入一次风管将煤粉带入燃烧器；三是作为二次风直接送入燃烧器，提供燃料燃烧所需的氧气。煤粉和空气在炉膛内燃烧，放出的热量首先将水冷壁中的水加热，所产生的高温烟气流经炉膛和烟道，依次将热量传递给过热器、再热器、省煤器及空气预热器等传热设备，加热其中的蒸汽、水和空气等工质。这时，烟气温度降低了很多。最后，烟气经除尘器除去大部分飞灰后由引风机送入烟囱排往大气。另外，燃料燃烧生成的少量灰渣由排渣装置排出炉外进行进一步处理。经过除氧器的水由给水泵加压，并经省煤器加热升温后进入汽包暂时存储。汽包中的水沿下降管道经下联箱后进入水冷壁管。水冷壁管吸收炉膛内的辐射放热后，经热传导将水冷壁管中的部分水加热变成水

26、蒸汽，然后，这部分汽水混合物又重新返回汽包。经汽包内的汽水分离器分离后，水继续留在汽包下部，与新送入的给水一起进行下一次加热循环，而蒸汽从汽包顶部引出，经过热器进一步加热后，由饱和蒸汽变为过热蒸汽，送往汽轮机。对于大型发电机组，经汽轮机高压缸做过部分功，且温度和压力都有所降低的蒸汽会被再次送入再热器，然后再送回汽轮机的中、低压缸继续做功。这样，就进一步提高了发电机组的热力循环效率和安全性。二.4 锅炉的类型锅炉的种类很多，如果按反映锅炉生产能力的锅炉容量来分，有小型锅炉、中型锅炉和大型锅炉；按额定过热蒸汽压力及温度等蒸汽参数来分，有低压锅炉、中压锅炉、高压锅炉、超高压锅炉、亚临界压力锅炉和超临

27、界压力锅炉等；按燃料燃烧方式来分，有火床燃烧锅炉、火室燃烧锅炉、流化床燃烧锅炉和旋风炉燃烧锅炉等；按水循环方式来分，有自然循环锅炉、强制循环锅炉和直流锅炉等；按通风方式来分，有自然通风锅炉、机械送风锅炉、机械引风锅炉和平衡通风锅炉等；按烟气在锅炉流动的状况分，有水管锅炉、锅壳锅炉（火管锅炉）、水火管组合式锅炉；按用途分，包括生活锅炉、工业锅炉、电站锅炉；按介质分，有蒸汽锅炉、热水锅炉、汽水两用锅炉、有机热载体锅炉；按燃料分，有燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、余热锅炉、电加热锅炉、生物质锅炉；按锅炉数量分，单锅筒锅炉、双锅筒锅炉；按燃烧定在锅炉内部或外部分为内燃式锅炉、外燃式锅炉，等等。二.5 锅

28、炉本体及辅助设备锅炉本体是锅炉的主要组成部分，包括炉膛、燃烧器、点火装置、空气预热器、省煤器、蒸发器、汽包、过热器及再热器等，其中炉膛又包括水冷壁、炉墙和构架等。下面作简要介绍。（1）炉膛炉膛是喷入燃油燃烧的场所，它的作用就是提供足够的空间，使燃油得以充分燃烧，同时，使燃烧发出的热量尽少散失到锅炉外面去。炉膛由耐火砖墙和水冷壁组成。水冷壁是铺设在炉膛内壁上的密集管排，组成水循环回路的上升管，它可以保护耐火砖不致因过热而损坏，但是由于它吸收的是高温辐射热，所以热负荷非常高，成为受热面的重要组成部分。水冷壁大约吸收相当于烟气在锅炉中总烩值下降量的1/31/2的热量，使烟气温度从燃烧温度1700左右

29、下降到1100左右。（2）蒸发受热面在锅炉中直接受热并产生饱和蒸汽的锅筒或管束，统称为蒸发受热面。在蒸发管束中烟气通过对流传热的方式，将热量传给管束的水。由于传热方式的不同，我们将水冷壁及靠近炉膛的几排蒸发管束称为辐射受热面，而将蒸发管束的其余部分称为对流受热面。（3）蒸汽过热器蒸发受热面产生的蒸汽是含有一定湿度的饱和蒸汽，它聚集在汽包上半部的蒸汽空间中。如果动力机械需要过热蒸汽，则必须将汽包中的湿蒸汽送往蒸汽过热器进行再加热。蒸汽过热器是由管子组成的，其受热面的多少及放置的位置是根据蒸汽参数的高低而定的。根据传热方式的不同，蒸汽过热器也可以分为辐射式过热器和对流式过热器。（4）省煤器省煤器也

30、称经济器，它是由管子组成的，用来加热进入锅炉的给水。由于它是安装在蒸发受热面的后面，吸收烟气中的余热，所以能达到节能的作用。在D型水管锅炉烟道的后部，有的在蒸发受热面之后安装有经济器加热给水和空气预热器。由于它们能回收锅炉排烟的余热，减少排烟所带走的热量，因而使锅炉效率得以提高。经济器比蒸发受热面的传热温差要大，而且经济器内给水是强迫流动，因此其受热面积可以小一些，受热面的管径也小，结构简单紧凑，占据的空间小，造价也便宜。给水经过经济器加热后再送入汽包，除能提高热效率外，还可减少汽包因给水温度低而产生的热应力，使汽包的工作条件得以改善。设置经济器后，烟气侧的通风阻力增加了；此外经济器中的给水在

31、温度升高的过程中，将析出一部分溶解在其中的氧气，造成金属的腐蚀。所以设置经济器的锅炉对给水中含氧量的限制很严，必须带有除氧器的装置。（5）空气预热器空气预热器是利用烟气的余热来加热助燃的空气以改善燃料的燃烧。空气预热器位于经济器之后，它将进入炉膛的空气预热，使排烟温度进一步降低，以提高锅炉效率；另一方面由于空气温度提高，使炉膛温度上升，为改善燃烧提供了有利条件。但是由于空气对管壁的对流放热系数很小，空气预热器又处于低温烟气区，因此所需的受热面积很大。（6）再热器随着蒸汽压力的提高，相应要求提高蒸汽温度，否则蒸汽膨胀做功到汽轮机尾部时，蒸汽湿度会过高。它不仅会使汽轮机的相对效率降低，影响设备的经

32、济运行，而且会加剧汽轮机末几级叶片的侵蚀。严重时甚至造成叶片断裂。但提高过热汽温受到金属材料的限制，因而采用中间再热过程。再热器的作用是将汽轮机高压蒸汽通过再热器再加热成一定温度（通常取用与过热蒸汽相同的温度）的再热蒸汽，然后再送入汽轮机的中压缸和低压缸中继续膨胀做功。在锅炉负荷或其它工况变动时，再热蒸汽温度值也应处在波动范围内。采用再热系统可使电站的热经济性提高45。另外，辅助系统中的汽水系统由给水系统、水处理系统、蒸汽系统、凝水系统、排污系统、换热系统组成。其中的给水系统主要由给水泵、补给水泵、加压泵、给水箱、给水管路及阀门附件组成。水处理系统主要由软化设备、除碱设备、除氧设备等组成，如离子交换器、各种类型的除氧器、除二氧化碳器、中间水箱、中间水泵以及再生用的盐液制备系统设备和酸液制备系统设备。蒸汽系统主要指锅炉房内的蒸汽母管、支管、分汽缸。凝结水系统主要指凝结水箱、凝结水泵及其管路附件。排污系统主要指连续排污和定期排污管路附件及排污扩容器、排污冷却池。换热系统主要指循环水泵、补给水泵、定压设备、换热设备等。二.6 锅炉主要控制系统采用自动化仪表装置来自动完成控制任务的系