工业锅炉控制系统设计

工业锅炉控制方案设计学生学号：学生姓名： 曹新龙专业班级：自动化12102指导老师： 赵莹萍目 录引言 3文献综述 4锅炉的基本构造 4锅炉的工作原理及过程 6667总体方案设计 9蒸汽温度控制系统 9蒸汽压力控制系统 9汽包液位控制系统 10炉膛负压控制系统 10报警系统 10具体方案实施 12控制系统的硬件选型 1212131313141414具体选型见表和表所示。 14硬件组成 19软件组成 19控制台 19参考文献 21引 言进而将热能传递给水，以生产热水和蒸汽。为了提高热量及效率，锅炉向着高压，高温和大容量等方向发展。供热锅炉，除了生产工艺有特殊要求外，所生产的热水不需要过高温的压力和温度，容量也无需很大。随着生产的发展，锅炉日益广泛的应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，能源的需求是非常大的，然而我国的能源利用率极低，所以提高锅炉的热效率，具有极为重要的实际意义。此外，锅炉是否能应地制宜地有效地燃用地方燃料，并满足环境保护的各项要求而努力解决烟尘污染问题减轻劳动强度，保证锅炉额定运行及运行效率，安全可靠地供热等课题。机软件、30本课题的主要方向就是采用过程控制对工业锅炉进行控制，采用先进的控制算法，以达到优化技术指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生、提高市场竞争能力的作用。1文献综述了解一般燃烧锅炉的基本构造和燃烧过程。锅炉的基本构造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。图为简单锅炉的大体组成部分。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（流锅炉内无锅筒。）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，保证锅炉所需燃料供应。除灰除尘设备：是收集锅炉灰渣并运往储灰场地的设备。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，本设计由于篇幅其间，则就不必考虑这些问题了。汽包汽包汽水分界面蒸汽出口省煤器锅炉给水泵烟囱给水调节阀煤斗炉排空气预热器鼓风机除尘器锅炉引风机图锅炉控制系统硬件组成图锅炉的工作原理及过程或通过汽轮发电机转变为电能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能最有效地转变为蒸汽的热能。因此，近代锅炉亦称为蒸汽发生器。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。燃料的燃烧过程首先将燃料（这里用煤）加到煤斗中，借助于重力下落在炉排面上，（若是燃气式锅炉就没有这一部分了）这整个过程称为燃烧过程。水的汽化过程水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和水分离过程。经处理的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入气锅。锅炉工作时气锅的工作介质是处于饱和状态的汽水混合物。位于烟温较低区段的对流灌束，因受热较弱，汽水工质的容量较大，而位于烟温较高区段的对流管束，因受热强烈，相应的汽水工质的容量较小，从而量大的工质则向上流入下锅筒，而容量小的工质则向上流入上锅筒，形成了锅水的自然循环。蒸汽所产生的过程是借助于上锅筒内设的汽水分离装置。以及在锅筒本身空间的重力分离力作用，使汽水混合物得到分离。蒸汽在上锅筒顶部引出后，进入蒸汽过热气，而分离下来的水仍回到上锅筒下半部的水中。锅炉中的水循环，也保证与高温烟气相接触的金属受热面的以冷却而不被烧坏，是锅炉能长期安全运行的必要条件。而汽水混合物的分离设备则是保证蒸汽品质和蒸汽过热可靠工作的必要的设备。烟气向水的传热过程由于燃料的燃烧放热，炉内温度很高在炉膛的四周墙面上，都布置一器实际上同给水预热器和空气预热器一样，都设置在锅炉尾部（低温）道，以降低排烟温度提高锅炉效率，从而节省了燃料。以上就是一般锅炉工水的过程，一个锅炉进行工作，其主要任务是：(1)要是锅炉出口蒸汽压力稳定。保证燃烧过程的经济性。保持锅炉负压恒定。通常我们是炉膛负压保持在微负压（-10～80P。为了完成上述三项任务，我们对三个量进行控制：燃料量，送风量，引风量。从而使锅炉能正常运行。难点分析由于调量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调包水位对蒸气流量和给水流量变化的响应呈积极特性假水位现象，实际应用中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双冲量和水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。总体方案设计锅炉系统是一个复杂的多变量耦合系统。根据主控变量可将锅炉系统分为蒸汽温度控制系统、蒸汽压力控制系统、汽包液位控制系统以及炉膛负压控制系统。下面分别对这几个子系统的设计进行详细的介绍。蒸汽温度控制系统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，所以必学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，其控制系统的结构框图见图所示。图蒸汽温度控制系统结构框图蒸汽压力控制系统如果过来内压力过低，将会降低蒸汽质量；反之，如果锅炉内压力过高，有可能导致爆炸等安全事故的发生。所以必须保证锅炉的压力处于一个适中的范围内，即必须对锅炉压力加以控制。上述蒸汽温度控制系统在控制蒸汽温度的同时就直接影响了蒸汽压力，在次不详加介绍。压力控制系统分为安全压力控制系统和超压控制系统。安全压力控制系统是锅炉压力在安全压力范围之内的控制系统，其主要完成的功能是在安全的基础上对压力进行调节，使压力维持在一定的范围内，以得到需要的蒸汽压力，保证蒸汽质量；超压控制系统是锅炉压力超压时所采用的压力控制系统，其主要完成的功能是当压力超出某以压力上限的设定值时，迅速打开安全阀，使压力迅速降低，直到降到安全范围内后又迅速关闭安全阀。其中安全压力控制系统采用串级控制，而超压控制系统采用单回路控制，所以蒸汽压力控制系统是一个综合的控制系统，从某种意义上讲，可以将其归入分程控制系统一类，其结构框图见图所示。图蒸汽压力控制系统结构框图汽包液位控制系统如果汽包液位过高，可能会影响蒸汽质量，甚至会导致水满溢出等安全事故；反之，如果汽包液位过低，锅炉很有可能会被烧坏，甚至导致爆炸等安全事故。能够影响汽包液位的主要有两大变量，那就是给水量和蒸发量，在其反之则反。其中蒸发量是由工业的需要所决定的，而给水的主要作用就是用以维持汽包液位的，所以我们选择给水量作为操纵量对汽包液位进行控制，又因为考虑到系统相应的平稳性和快速性，除采用串级控制外，还将蒸发量引入前馈通道，对系统进行前馈串级控制，其控制系统的结构框图见图所示。图汽包液位控制系统结构框图炉膛负压控制系统如果炉膛负压太小，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，其结构框图见图所示。图炉膛负压控制系统结构框图报警系统因为系统的运行并不是100%的，所以难免某些控制变量会超出可控或安全的范围，当出现这类情况时，随时都有可能危及到现场操作人员以及工作设备等的安全，所以必须对这类情况给出相应的报警提示，即必须安装相应的报警系统，用以提示操作人员做出相应的必要操作，在某些可能出现安全事故的情况下还有用于提示人员疏散等紧急措施。在本次设计中，我们设计了四个报警系统，即温度报警系统、压力报警系统、液位报警系统和负压控制系统，分别对蒸汽温度、蒸汽压力、汽包液位和炉膛负压进行超限报警提示。在锅炉的控制系统中，系统分别对蒸汽温度、蒸汽压力、汽包液位和炉膛负压设置了上下限值。报警系统就是当相应的实测值低于（或高于）其相应的下限（或上限）值时给出相应的下（上）限报警，这些功能均由软件完成，与此同时，控制系统还会做出相应的反应，使相应的变量值进入相应的极限范围，然后撤销相应的报警提示。具体方案实施控制系统的硬件选型传感器的选型传感器是一种能将与待测量的能量形式，转化成另一种可供处理查询的能量形式的装置。信号处理电路用于处理信息，而输出器件是一种利用已处理过的信号的装置、显示或动作。温度传感器我们经过充分考虑决定选用镍铬—镍硅热电偶。这种热电偶分度号为“-20—120其特点是测温范围很宽，热电动势与温度关系近似线性，热电动势大及价格地低。缺点是热电动势的稳定性较B型或S在使用热电偶进行测温时，只有将冷端的温度恒定，热端电动势才是热端温度的单值函数。由于热电偶的分度表是以冷端温度为零时作出的，因此，在使用时要正确地反映热端温度，必须使冷端温度恒定为零。这样我们就需要进行一些补偿措施。温法。补偿导线法。计算修正法。电桥补偿法。其中，电桥补偿法的连接电路如图所示。图电桥补偿法连接电路流量传感器、压力传感器我们在进行流量、压力的信号测量时，所使用的流量传感器、压力传感器都统一装在了变送器上，即信号同时在变送器中测知，并且把它变成4~20mA的电信号。变送器变送器是将被测工艺参数，通过其传感元件的检测、转换部件的放大和变换，输出一个统一的相应的气压或电流信号，再传送到指示记录仪、运算器和调节器，供指示、记录和调节使用。在本次设计中我们主要用到的差压变送器是DDZ—IIIP1P2F1使主杠杆以轴封膜片为支点而FFF2和两者之间距离的变化量再通过低落频位移检测放大器转换并放大为4-20mA直流电流又流过电磁反馈装置的反馈动圈产生的力矩M1M2输出电流I常规控制器的控制规律及其选择一套控制系统主要是由被控对象、执行机构、检测变送器等完成一定任务的元部件构成的，这些元部件各自都有本身的动态和静态特性、控制方案以及干扰的形式和幅值。一般说来，被控对象、执行机构、检测变送器等元部件一旦选定，其特性就被固定下来了，所以，设计的剩下的一项主要任务就是确定控制规律、合理地选择控制器的形式及参数，以得到最佳的控制质量。变频器给电动机提供频率可变电源的设备就是变频器，变频器是变频调速系统的核心部分。变频器与电动机完美的控制构成了性能优良的变频调速系电压/频率进而选择满足要求的机种、机型。测速发电机测速发电机的功能是将机械转速换为相应的电压信号，输出的电压与转速成正比，在自动控制系统中作为检测转速的信号元件等。测速发电机分直流测速发电机和交流测速发电机两类。我们这次用的是交流测速发电机。计算机控制模块为了使危险性更小，使烟道中的氧含量降低，满足用户的不同要求等快速性，安全性等的性能指标得到很大的提高。控制系统具体选型检测点仪表名称检测点仪表名称炉膛温度配电器规格插深：1=1000分度号：K分度号：K24V-DC插深：1=1000量程：0～1200℃分度号：K插深：1=1000分度：PT100插深：1=1000型号安装地点镍铬-镍硅热电偶WRN-120炉体热电偶温度变送器SBWR-0404P温DFPX-2100传感器之后控制柜后架装炉膛出口烟温镍铬-镍硅热电偶WRN-120炉体省进烟温铂电阻温度计铂电阻温度WZP-220省进烟管省出烟温WZP-220省出烟管炉膛负压差压变送器炉膛负压差压变送器C1124V-DC量程:-1000～0PaSBCC-13-1312/032炉体后侧压配电器DFPX-2100控制柜后架装力省进烟压压力变送器配:1/2-14npt压件C11引SBYC-13112/032炉体后侧计分度：PT100计铂电阻温度计铂电阻温度计铂电阻温度计插深：铂电阻温度省进水温 1/L=150/300分度号：PT100WZP-220省进水管插 深省出水温 1/L=150/300分度号：WZP-220省出水管插 深热水温度 1/L=300/450分度号：WZP-220热水管上插 深回水温度 1/L=300/450分度号：WZP-220热水管上回水温度热电阻温度变送器量程：0～1200℃SBWZ-0703P与回水在一起配电器24V-DCDFPX-2100控制柜后架装室外温度铂电阻温度计500×500分度号：PT100WZPW-30室外室内温度铂电阻温度计500×500分度号：PT100WZPW-30室内续表检测点仪表名称规格型号安装地点量程:-2000～0Pa省出烟压压力变送器 配:1/2-14npt压件C11配电器24V-DC量程:-4000～0Pa引风机压压力变送器 配:1/2-14npt力鼓风机压力压力变送器鼓风机压力压力变送器配电器量程:0～4000Pa配:1/2-14npt引C1124V-DC量程:0～1Pa热水压力配:1/2-14npt引压件C11量程:0～1Pa回水压力压力变送器配:1/2-14npt引压件C11配电器：24V-DC量程:0～1Pa补水压力压力变送器配:1/2-14npt引压件C11测量范围：0～热水流量差压配电器640Kpa配：三阀组T1孔板包括：环室，跟部阀，法兰配电器24V-DC流

SBYC-13112/032DFPX-2100SBYC-13112/032SBYC-13112/032DFPX-2100SBYC-27112/031SBYC-27112/031DFPX-2100SBYC-27112/031SBBC-14112/031

除尘间控制柜后架装除尘间除尘间控制柜后架装炉体后侧循环泵房控制柜后架装水泵间炉体后侧量 LGBH-1501ADFQX-2100

控制柜后架装速速

交流变频器 功率：75KW输入输出：4Q型手操器 20MaDC供电交流变频器 功率：35KW输入输出：4Q型手操器 20MaDC供电：24V-DC锅炉微型控包括：主控制制器 副控制柜表控制系统选型（二）

ACS-501-060-3DFQX-2100ACS-501-025-3DFQX-2100

低压配电室控制柜上低压配电室控制柜上控制室控单元 MCU---ll冗CPUPentiumⅡ以上内存以上余型 128KB 中断级显示器网卡

PC123T∕19″MET---100以速率为100Mbps太网卡Hub

ET---HUB

16端口以太网Hub端子底座

普通端子底连接现场信号座模拟量的输入PLC818H161212D/A，输出模块手操模块电源模块

（2）HSFMHSFM

16位D/lO人工操作控制输出,保证系统的可控性交流供电：220VAC±30％，50Hz±1Hz输出功率：24∨，4A二次显示仪表 CH—92可处理八路模拟输入信号自动切换显示操作台 2P500MACSFB006打印机 HP1120C彩色喷墨打印机执行器

PCLK—1050LKJ型(环境温度：–25～+55℃）GDAW—2000高、低限报警（由软件设置）OVSE—800无热电偶，外径25mm，有效长度820mm硬件组成温度较高、各