循环流化床锅炉汽包水位控制系统设计

贵州大学毕业论文（设计） 第 页 I目录摘要 .IIAbstract .III第一章 绪论 .11.1 设计的目的和意义 .11.2 循环流化床锅炉简介及其发展概况 .11.3 循环流化床锅炉的结构及工作流程 .31.3.1 循环流化床锅炉的结构 .31.3.2 循环流化床锅炉的工作流程 .5第二章 循环流化床锅炉控制系统 .62.1 循环流化床锅炉燃烧控制系统 .62.1.1 燃料量控制 .62.1.2 送风量（一、二次风）量的控制 .62.1.3 床温的控制 .72.1.4 引风量的控制 .72.2 过热蒸汽温度控制系统 .72.3 锅炉汽包水位控制系统 .82.3.1 “虚假水位”现象产生原因和解决的办法 .9第三章 汽包水位控制系统 .103.1 汽包水位控制对象的动态特性分析 .103.1.1 给水流量扰动下汽包水位的动态特性 .113.1.2 蒸汽流量扰动下的汽包水位动态特性 .123.2 汽包水位的控制方案 .133.2.1 单冲量控制系统 .133.2.2 双冲量控制系统 .153.2.3 串级三冲量控制系统 .163.3 汽包水位控制系统的选定 .183.4 设计方案的分析 .183.4.1 三冲量控制系统原理及方框图 .193.4.2 控制系统的传递函数 .203.4.3 控制系统的稳定性分析 .23第四章 循环流化床锅炉汽包水位控制系统硬件选择 .254.1 测量变送器的选择 .254.1.1 流量测量变送器的选择 .254.1.2 液位测量变送器的选择 .264.2 调节器的选择 .274.3 执行器的选择 .28第五章 循环流化床锅炉汽包水位控制系统的软件设计 .305.1 循环流化床锅炉汽包水位控制软件系统结构 .305.2 CPU222 和 EM235 的 I/O 地址分配与接线 .315.3 控制系统程序框图设计 .33第六章 总 结 .34参考文献 .35致谢 .36贵州大学毕业论文（设计） 第 页 II75T/H 循环流化床锅炉汽包水位控制系统设计摘要在循环流化床锅炉运行过程中，汽包水位是一个很重要的参数，锅炉水位过高会影响汽水分离的效果，产生蒸汽带液的现象，降低蒸汽的品质；液位过低则会破坏锅炉的汽水循环，情况严重的会烧坏锅炉，造成事故；因此，维持汽包水位稳定在设定值是保证锅炉稳定运行的必要条件。本次设计共计六章，第一章简单介绍了循环流化床锅炉的发展及其工作流程等。第二章介绍了循环流化床的三大控制系统：燃烧控制系统、水位控制系统和过热蒸汽温度控制系统。第三章介绍了本次设计的重点汽包水位控制系统，分别讨论比较了三种控制方案：单冲量控制、双冲量控制和三冲量控制，并最终选择了三冲量控制方案来实行本次设计。第四、五章是对控制系统所需要的其他的硬件和软件进行分析和选型，最终达到完善控制的目的。第六章是对整个设计的总结。关键词：循环流化床锅炉，汽包水位控制，单冲量，双冲量，三冲量贵州大学毕业论文（设计） 第 页 IIIThe design of 75T/H circulating fluidized bed boiler drum water level control AbstractThe control of drum level is a very important parameter,high level will affect the moisture separator in the coal-fired boiler operation,and phenomenon with liquid to generate and reduce the quality of steam.low level will break the water cycle,even burning boilers.So maintaining the stability of the drum is the necessary to keeping the important safety operation of boilers.The design of a total with six chapters.The first chapter introduces the development of the circulating fluidizde bed boiler and it is working process and so on. The second chapter describes the circulating fluidized bed boiler three main blocks of the control system:combustion control, water level control, thermal steam control.Chapter three focuses on analysis the control design of circulating fluidized bed boiler water level,besides,analysed its dynamic properties and level control options specifically:single impulse control, dual-impulse control,three impulse control, and we analyzed the reason why selected the three impulse from these options. The fourth and fifth chapter is about of the other hardware and software of control system need analysis selection,and achieve the purpose the purpose so perfecting the control in finally. The sixth chapter is a summary of the whole design. Keywords: circulating fluidized bed boiler，drum level control，single impulses, double impulses,three impulses.贵州大学毕业论文（设计） 第 页 1第一章 绪论1.1 设计的目的和意义本次设计的目的主要是通过对书本上知识的理解和对所查询资料的分析及对循环流化床锅炉的了解与认识，将所得到的知识与这次毕业设计相结合，设计出一套功能较完善的循环流化床锅炉汽包水位控制系统。加强理论知识与实际生产相结合，做到一切以安全为主，生产为辅。同时在完成设计的过程中也对我们处理问题的思维能力和空间想象能力进行了锻炼，也复习和巩固了之前的学习知识，为将要步入工作岗位的我们打下一定的基础这次设计的意义在于分析认识到锅炉汽包水位控制系统是一种自动控制系统，它有效的节省了人力资源去对其直接操控的环节，而且操控较为准确、实时和安全。循环流化床研究的价值主要体现在一方面它缓解了化工生产所带来的环境污染问题，另一方面它还缓解了世界能源短缺的问题。只有我们把循环流化床锅炉中的每一个控制点都做好了，锅炉的完整性和可执行性才可以体出来，只有将燃烧、水汽、烟气和煤渣等系统有机的结合起来，一台锅炉才能稳定的运行。1.2 循环流化床锅炉简介及其发展概况从我们国家的资源结构形式来看，中国是一个富煤、少气和贫油的国家，其中煤炭为几种能源类型中最主要的一种。煤的利用对于我们国家乃至世界都是一把双刃剑，首先是煤作为主要能源为人类的经济发展做出了巨大的贡献，但是煤在加工和利用过程中会产生大量的氮氧化物、硫氧化物、细颗粒物和重金属及 CO2，正是由于这些污染物的大量产生，才导致了目前全球性的四大公害的产生，即大气烟尘、酸雨、温室效应、臭氧层薄弱 1。所以煤炭资源给人类带来贡献的同时也破坏着人类赖以生存的环境。而煤炭本身又是不可再生资源，它的利用要做到高效、节约。这样一来清洁、高效的利用煤炭资源是现如今的主要发展方向。循环流化床锅炉（Circulating Fludized Boiler,简称 CFB 锅炉）产生就很好贵州大学毕业论文（设计） 第 页 2的解决了这个问题。CFB 锅炉的独特燃烧技术成为一种新型的清洁燃烧技术在迅速地发展和推广，是由于它的燃料来源性广，可以燃用劣质燃料、污染物的排放容易控制等优于其他锅炉的特点，使得它在国内外产汽设备中具有明显的地位。特别是我们国家的煤炭资源所具有的煤种的多样性、含硫高以及劣质煤量大等特点，让 CFB 锅炉技术在我国使用和发展就变得十分的重要。在上个世纪 60 年代中期，以燃烧煤为主要燃料的鼓泡流化技术得到了飞速的发展和应用，世界各国都先后投运了很多燃煤鼓泡流化床锅炉。但是由于鼓泡流化床本身的结构所带来的埋管受热面磨损严重、燃料燃烧的效率普片偏低、结构庞大等问题的影响，在 20 世纪 80 年代初，目标在解决鼓泡流化床所存在问题的循环流化床技术开始得到应用，并得到迅速发展，于是具有明显优势的CFB 锅炉就开始慢慢地取代了有众多缺陷的鼓泡流化床锅炉，成为现在最受欢迎的产汽装置。在类型各异、特点不一的工业锅炉中，它只是其中运用最多的一种。所谓循环，是指在燃料（这里主要指煤）在炉膛燃烧的过程中不一定完全燃尽，没有完全燃烧完的煤粉随着烟气流动，在流经旋风分离器时经分离作用回到炉膛继续燃烧的过程；从根本上来说，循环流化床锅炉的前身就是鼓泡床沸腾炉,但是它有着鼓泡床沸腾炉的许多优点而自身又有鼓泡床沸腾炉所不具备的一些优点；CFB 锅炉在运转中的具体工作原理是:先将燃料（大多指煤）在煤场通过碎煤机破碎到 010 mm 的颗粒后一般采用皮带运送的方式运送到储存室，在储存室中按所需的量送入锅炉炉膛,炉膛内先放置数量较多炉渣或者石英砂作为床料，好让燃料在床料上存放而不至于掉下炉膛；在炉膛下部有许多排列好的风帽，供煤粉颗粒流化和燃烧的风经风帽送到炉膛,使得已经预先被加工成颗粒状的燃料在炉膛中像液体流动一样呈“流态化”方式燃烧,燃烧过程中产生的烟气往往会夹带部分煤粉颗粒由炉膛上部的烟气出口排出，为了避免这些还可以燃烧的颗粒直接排出锅炉，设计者想到了在炉膛上端烟气出口处安装上气固分离器，该处的分离器一般为旋风分离器，有了这个分离设备，就能在烟气排出的过程中对其夹杂着的固体颗粒进行分离，再通过返料装置的作用将分离下来的固体颗粒送入炉膛继续燃烧。这个过程保证了燃料的燃烧利用率，使得燃料的燃烧变得更加的充分，能够最大限度的放出更多的热量，这样就极大的提升了燃料的燃烧率和有效地节约了资源。而所谓的流化是指在一次风的作用下使燃料煤像液体一样具有流动性，使其悬浮在炉膛中，呈出流态化，让其贵州大学毕业论文（设计） 第 页 3燃烧得更加的充分、完全；这样也能够到达提高燃料的利用效率和节约能源的目的。由于燃料（一般指煤）在炉膛中“流态化”并且在炉膛内能够进行多次循环燃烧,为其提供了更多的燃烧时间，经过这样一个过程使得排出的灰分中含碳量大大下降，做到将燃料充分燃烧的目的。经生产统计和实验分析，运行良好的 CFB 锅炉的生产效率可达 98%99% 2。回顾我国循环流化床的发展历程，再看看它在世界工业产业中的重要地位和发展趋势,了解循环流化床锅炉发展得如此迅速的缘由,这样对我们的循环流化床锅炉技术的发展具有非常重大的意义。循环流化床工艺在工业上的发展有着悠久的历史，在上世纪 2030 年代国外先进的工业国家就在实验室做出来一些成果,之后的一段时间内,循环流化床工艺被很好的运用于实际生产之中，尤其突出的是在化工工业和冶金工业。世界上最早的循环流化床工艺产生于上世纪 60 年代,而在十多年后的一段时间内得到了迅速运用, 最有代表性的是德国鲁奇(Lurgi)公司生产的 50 t/h 循环流化床锅炉和芬兰奥斯龙(Ahlstrom)公司所生产的的 20 t/h 循环流化床锅炉相继投运,正式拉开了以煤为主要能源的循环流化床锅炉作为产能设备的序幕 3。在随后的几十年里，循环流化床锅炉工艺在全世界都得到了迅速的推广和发展，通过一代又一代人的努力和奋斗，使得 CFB 锅炉的性能更加的完善，效率也变得更好。而在我们所处的这个新中国循环流化床锅炉会向着大型化、超临界以及深度脱硫、脱硝等方向发展 4。我想，这只是一个时代的开始，在今后的时间里，循环流化床锅炉的性能和稳定性等等各个性能指标会变得越来越完美。在另一方面，自动控制理念的发展和运用在循环流化床锅炉上也会变得更加的准确和完善。而作为循环流化床锅炉中不可缺少的汽包水位的控制，也是非常重要的一个环节，它决定着锅炉的蒸汽产值和运行的平稳性。所以说针对于汽包水位自动控制课题的研究，也是以门极为重要的技术。1.3 循环流化床锅炉的结构及工作流程对循环流化床的发展历史和发展趋势做了了解，我们想要对其做进一步的分析和认识，就得从它的结构及工作流程说起。贵州大学毕业论文（设计） 第 页 41.3.1 循环流化床锅炉的结构这部分我想从三方面来阐述，其实也就是整个锅炉的三大系统：烟气、水汽和燃料系统。先从与燃料有关的结构部件来看，首先是进料装置，其中有煤仓、运输设备等等；燃料运输到锅炉的炉膛，在锅炉炉膛内呈“流态化”燃烧，燃烧后产生的的炉灰由炉膛下部的排渣口排出；产生的烟气出炉膛上部排出，其中夹杂着的煤粉由返料装置返会炉膛再一次的燃烧，返料装置的主体是旋风分离器，再加上一些管道组成；接下来就是与烟气相关的结构来，一开始空气经空气预热器预热后由一次风机、二次风机送入炉膛，参与燃料的燃烧后由炉膛上部的烟气管道后经空气预热器、省煤器、过热器利用之后经除尘设备和脱硫设备后从烟囱排出。接下来就是与汽水相关的结构来，水由外部自来水给水，在输送的过程中经过省煤器预热到一定温度后进到汽包，汽包中未被汽化的水沿着下降管不断下降到水冷壁被加热，水加热汽化后变成水蒸汽还是由下降管上升回到汽包中，汽包中的水蒸气被送入蒸汽集箱，经过热器再度加热变成过热蒸汽检测合格后被送至用气单位。锅炉中最为重要的结果就是汽包和炉膛，汽包由承压好，耐腐蚀的材料制成；炉膛是燃料燃烧放热和吸热的地方。由于其独特的燃烧方式，循环流化床锅炉的炉膛按其位置和炉膛内物质的量可分为上部稀相区和下不密相区两大部分；上部密相区由水冷壁、二次风口、炉内受热面和炉膛出口等结构组成，下部密相区由布风装置、给料口、返料口、敷设耐火材料的炉墙及二次风口等所组成 5。如图 1.1 所示（图中一些结构未画出）。贵州大学毕业论文（设计） 第 页 5图 1.1 循环流化床锅炉示意图1.3.2 循环流化床锅炉的工作流程对于循环流化床锅炉来说，最终的目地就是把水变成水蒸气，水蒸汽再加热变为过热蒸汽以备使用。我对工作流程的介绍，主要是从我们到天福化工责任有限公司进行毕业实习过程中得出的，对其他的不同产量不同型号的 CFB 而言，其工作流程大体相同，不同的只是它的一些参数或者细小结构。天福化工拥有的循环流化床锅炉每台蒸汽产量为 130T/H，而我所设计的这次设计为75T/H，从产量上来说它们存在着差别，除此之外它们在工艺参数上也会有所不同。从天福化工有限责任公司热电区中的四台循环流化床锅炉整体结构来看，首先是煤渣部分，煤由煤场经皮带运输至煤仓，在煤仓出按一定的给煤量由给煤机送至炉膛以供燃烧，煤在从炉膛底部送入的一次风作用下在炉膛内呈流态化，在一二次风的助燃下燃烧放热，以供加热使用；炉膛上部出烟气，下部出炉渣。有了热量，接下来便是将水送至汽包加热，水由给水泵给水，使其经过省煤器的预热其将其预热至两百多摄氏度，预热过的水送至汽包；汽包中的水先由下降管下降至集箱，集箱周围按一定规律排布有水冷壁，一部分水由于水冷壁加热后变成水蒸气，水蒸气从下降管上升至汽包，于是就完成了由水到水贵州大学毕业论文（设计） 第 页 6蒸气的这个过程；由于密度原因经其水分离水蒸气的从汽包上部蒸汽出口进入高、低温过热器，经高、低温过热器进行第二、三次加热后的水蒸气变成了过热蒸汽，被送至过热蒸汽集箱，过热蒸汽在过热集箱检测合格后从过热集箱出口被送至过热蒸汽母管，就这样被送至用气区供给使用。这就是 CFB 锅炉的大致工作流程，在这个工作流程中我们要控制其中的很多重要的参数，比如锅炉汽包的水位，过热蒸汽的温度，还有燃料的燃烧控制等等，这些参数的控制，就构成了熏黄流化床锅炉的控制系统，只有有效的、合理的对这些控制系统进行很好的控制，才能够确保锅炉平稳、安全的运行，达到最终的效率。第二章 循环流化床锅炉控制系统循环流化床锅炉的控制系统，就是在保证循环流化床锅炉安全、稳定运行的前提下，达到工作指标，这里工作指标指的是工作的蒸汽产量，并减少排放物对环境所造成的污染 6。这里说的循环流化床锅炉的控制系统主要包括燃料燃烧控制系统、过热蒸汽温度控制系统和汽包水位控制系统 7。其中汽包水位控制系统将会作为本次设计的重点，会较为详细的做出设计。2.1 循环流化床锅炉燃烧控制系统对于 CFB 锅炉的燃烧控制系统来说，控制最基本的任务就是使炉膛中燃料燃烧后所提供的热量能够适应蒸汽负荷的需要，同时又保证了燃料燃烧的经济性和锅炉运行的安全稳定性。它的燃烧自动控制系统主要包括燃料量控制、送风量控制、床温控制和引风