10吨燃气锅炉燃烧系统的设计课程设计（论文） .doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 过程控制系统过程控制系统课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 1010吨燃气锅炉燃烧系统的设计吨燃气锅炉燃烧系统的设计 本科生课程设计（论文） i 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：测控技术与仪器 学 号09030学生姓名专业班级 设计题目10吨燃气锅炉燃烧系统的设计 课程设计（论文）任务 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能实现功能 在大型合成氨工厂中，蒸汽锅炉担负着向全厂提供蒸汽的任务。它正常运行与否，将直接 关系到合成氨生产的全局。因此，必须对蒸汽锅炉的正常运行采取一系列的保护性措施。其中 蒸汽锅炉的燃烧系统就是采取保护性措施项目之一。蒸汽锅炉所用的燃料为天然气或其它燃料 气，工艺要求控制蒸汽压力为 3.80.1mpa，燃料气管线既要考虑“脱火”又要考虑“回火” 的保护问题。试设计锅炉燃烧系统。 设计任务及要求设计任务及要求 1、确定控制方案并绘制原理结构图、方框图； 2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号与参数； 3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式； 4、若设计由计算机实现的数字控制系统应给出系统硬件电气连接图及程序流程图； 5、编写设计说明书，设计说明书应在 4000 字以上。 技术参数技术参数 控制压力：3.80.05mpa； 最大偏差：0.1mpa； 工作计划 1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。 （2 天 ） 2、确定系统的控制方案，绘制原理结构图、方框图。 （1 天 ） 3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数。 （2 天 ） 4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。 （ 1 天） 5、上机实现系统的模拟运行、答辩。 （3 天 ） 6、撰写、打印设计说明书（1 天 ） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日 本科生课程设计（论文） ii 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 本科生课程设计（论文） iii 摘 要 在大型合成氨工厂中，蒸汽锅炉担负着向全厂提供蒸汽的任务。它正常运行 与否，将直接关系到合成氨生产的全局。因此，必须对蒸汽锅炉的正常运行采取 一系列的保护性措施。其中蒸汽锅炉的燃烧系统就是采取保护性措施项目之一。 本设计采用双闭环比值控制系统和反馈控制系统结合的方法综合控制合成氨 蒸汽锅炉，本设计着重考虑了燃料气管线的脱火和回火问题。 关键词：合成氨；10t 蒸汽锅炉；双闭环比值控制系统；反馈控制系统 本科生课程设计（论文） iv 本科生课程设计（论文） v 目 录 第 1 章 绪论.1 1.1 结合设计概括发展技术 1 1.2 过程控制装置与系统的发展趋势 1 第 2 章 课程设计的方案论证.3 2.1 课程设计的方案 3 2.2 方案概述 3 2.3 系统的结构 4 第 3 章 器件选型及硬件设计.6 3.1 调节阀气开气关的选择 6 3.2 调节器正反作用的选择 6 3.3 仪器的选型 6 第 4 章 控制规律的选择.8 4.1 调节规律的比较 8 4.2 调节规律的选择及参数的整定 8 第 5 章 系统分析及数据的处理 .10 5.1 被控对象建模方法的确定 10 5.2 机理法建立被控对象的数学模型 10 5.3 仿真 12 第 6 章 课程设计总结 .15 参考文献 .16 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 结合设计概括发展技术 19 世纪工业革命以来，工业成产过程经历了由简单到复杂、规模由小到大的 不断发展，出现了许多大型化、现代化、多品种、精细化的过程生产系统，提供 各种产品以满足人们的需要。由于生产领域的不断扩展、系统规模不断扩大、工 艺要求越来越高，对过程控制的功能、效率和可靠性提出了更高的要求，如果没 有高性能的过程控制系统，则大型的生产过程根本无法实现正常运行。 过程控制技术是自动化技术的重要应用领域，随着生产技术水平迅速提高与 生产规模的持续扩大，对过程控制系统的要求越来越高，促使过程控制理论研究 不断发展，同时，理论研究成果在电子技术、计算机技术的基础上不断地转化为 自动化产品与系统，以满足生产过程不断发展的需要。生产实际问题、控制理论 研究和控制系统产品的开发三者互相促进、共同推动着现代化过程控制技术的迅 速发展。现代过程控制系统技术在优化生产系统的经济、技术指标、提高经济效 益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面发挥着越来越大的作用。 1.2 过程控制装置与系统的发展趋势 20 世纪 40 年代以前，工业生产技术水平相对落后，生产过程大多处于手工 操作状态，操作工通过目测判断生产过程的状态，手动调整生产过程，生产效率 很低，40 年代以来，特别是第二次世界大战以后，工业生产过程自动化技术发展 很快，尤其是近些年来，在 it 技术的带动下，过程控制技术发展十分迅速，过 程控制系统主要经历了以下几个时期：局部自动化阶段、集中控制阶段、集散控 制阶段。 进入 20 世纪 90 年代以后，随着测量仪表数字化、通信系统网络化和集散型 控制技术日益成熟、现场总线技术以及基于现场总线技术的网络化分布式控制系 统逐步推广、使用，使过程控制系统的开放性、兼容性和现场仪表与装置的智能 化水平发生了质的飞跃。工厂自动化、计算机集成过程控制、计算机集成制造系 统和企业资源综合规划等方案的规划和实施，正在成为提高工业生产过程经济效 益的关键手段。 在过程控制技术的发展中，控制策略与算法也经历了由简单到复杂控制、先 本科生课程设计（论文） 2 进控制的发展历程，通常将 1942 年的单回路 pid 控制成为简单控制，以经典控 制理论为基础的 pid 过程控制应用最多的控制规律，现在仍在各种过程控制系统 中广泛应用，在 dcs 以及逻辑控制为主的大型 plc 系统中，均设有 pid 控制模 块。 本科生课程设计（论文） 3 第 2 章 课程设计的方案论证 2.1 课程设计的方案 设计要求中要考虑蒸汽锅炉所用的燃料为天然气或其它燃料气，工艺要求控 制蒸汽压力为 3.80.1mpa，燃料气管线既要考虑“脱火”又要考虑“回火”的 保护问题。 脱火是指火焰短，火焰根部离开了灶具火孔一段距离燃烧，有时燃烧一会就 熄灭，这种现象称为脱火。产生脱火的主要原因是一次空气量过多，产生气流速 度大于燃烧速度所造成的。 回火是指火焰在引射管内燃烧，并发出响声，此时火焰内外锥不再分明，有 时点火是由于气量过小会发生回火并发出“喷”的一声，回火是由于燃烧速度大于 气流速度所造成的。 所以系统采用单闭环比值控制系统，以天然气的量为主控对象，当锅炉内气 压发生变化时，只需调节主对象的值即可，副对象会自动与主对象保持一定的比 例关系。由于需要控制锅炉内的压力，当燃气的热值不变时考虑到锅炉内的压力 与燃气的供给量成一定的函数关系，又考虑到系统的经济性与可行性，只需在单 闭环控制系统的基础上增加一个单回路反馈控制系统即可。通过压力变动器测量 锅炉内的压力，经过控制器的计算控制和改变燃气管道调节阀的开度即可实现合 成氨锅炉内的压力控制。 2.2 方案概述 本设计采用单闭环比值控制系统配合单回路反馈控制系统的方法实现合成氨 锅炉内压力的控制，系统具有结构简单、易于实现、经济等优点，在简单的控制 场合和对系统要求不高的场合有很强的适用性。本设计采用比值控制系统可保证 系统的安全生产，在合成氨的生产中，如果比例失调会影响生产的正常进行，影 响产品质量，造成环境污染，甚至引发生产事故，在锅炉燃烧系统中要保证燃料 和空气的合适比例，才能保证燃烧的经济性，在合成氨的生产中，天然气的量和 空气的量要保持一定的比例关系，若氧-天然气的比例过高时，因炉内温度过高使 天然气的燃烧嘴和耐火砖烧坏，严重时甚至引起炉子的爆炸；如果比例过低时， 则会造成炭黑增多，发生堵塞燃烧嘴的现象，这都是工业生产中所不允许的。所 本科生课程设计（论文） 4 以基于系统的安全性和经济性，本设计采用了比值控制系统，而天然气的量是要 根据炉内气压变化的，所以本系统采用单闭环比值控制系统。 2.3 系统的结构 如图 2.1 所示为系统结构图 图 2.1 系统结构图 如图所示图 2.1 是系统的结构框图,通过压力变送器检测锅炉内压力，锅炉内 压力与天然气的量成一定的函数关系，压力检测完成后，检测到的压力信号通过 控制器调节天然气管道阀的开度，系统采用的是单闭环比值控制系统，所以空气 的进气量与天然气的进气量成比例关系。 如图 2.2 是系统的结构框图 图 2.2 系统结构框图 gc1go1 gm1 gc2gv2go2 gm2 gv1 + - - + - gm3gc3 本科生课程设计（论文） 5 如图 2.2 为系统结构框图,gm1 是压力变送器的传递函数， gm2 是空气输送 管道流量变送器的传递函数，gm3 是天然气管道流量变送器的传递函数， gc1 天 然气管道流量变送器对应的控制器的传递函数， gc2 是空气管道阀控制器的传递 函数，gc3 是压力变送器对应的控制器的传递函数，go1 是被控对象天然气流量 的传递函数，go2 是被控对象空气流量的传递函数，gv1 天然气管道调节阀的传 递函数，gv2 是空气管道调节阀的传递函数。 本科生课程设计（论文） 6 第 3 章 器件选型及硬件设计 3.1 调节阀气开气关的选择 本设计需要控制的对象为天然气，属于易燃易爆物质，因此所有仪表均采用 气动式仪表。 调节阀开、关作用方式的选择主要以不同生产工艺条件下，人员安全、生产 安全、系统及设备安全的需要为首要依据。 气开调节阀随着控制信号的增加而开度加大，当午压力信号时，阀门处于全 关闭状态；与之相反，气开式调节阀随着压力信号的增加，阀门逐渐关小，当无 信号时，阀门处于全开状态。 本设计被控对象为锅炉压力，当设备发生故障时，需要系统停止加热，即没 有压力信号时，阀门处于全关状态，所以阀门采用气开式。本设计采用的是 上海 方高阀门制造有限公司的 zjhp 气动单座调节阀。此调节阀价格较为经济。 3.2 调节器正反作用的选择 当设定值不变时，随着测量量的增加，调节器的输出也增加，则称之为“正 作用”方式；同样，当测量值不变时，设定值减小时，调节器的输出也增加，称 为“正作用”方式。反之，如果测量值增加或设定值减小时，调节器的输出减小， 则称为“反作用”方式。 本设计中被控对象为加热炉内压力，当炉内压力升高时，需要减小燃料的供 给，即应当减小调节阀的开度，所以压力变送器应为正作用，炉内压力升高，压 力变送器输出的值增大，对应的控制器应为反作用，即对应控制器的输出应当减 小。 3.3 仪器的选型 本设计所采用的仪表均为 ddz-型仪表，电压输出为 1-5v，电流输出为 4- 20ma,气动仪表输出为 0.02-0.1mpa，压力变送器采用安徽常辉仪表有限公司的 dx133 压力变送器。该压力变送器有两个量程 0-100kpa 和 100kpa-60mpa 型号， 设计要求控制压力在 3.8mpa,所以本设计采用 100kpa-60mpa 量程的压力变送器。 本科生课程设计（论文） 7 流量变送器采用丹东东华测控有限公司的 qzl-250aw 的气体流量变送器。此流量 变送器测量的最大流量为 250l/min,电气转换采用常熟市常仪仪表有限公司的 qzd1000b-b 的电气转换器，输出压力为 20kpa-100kpa,气源压力为 0.14mpa。调 节器采用 dtz-2100s 型调节器。可进行 pi 或 pid 调节，输出信号给电气转换器， 电气转换器驱动气动执行器动作。 本科生课程设计（论文） 8 第 4 章 控制规律的选择 4.1 调节规律的比较 比例调节(p)是利用偏差实现控制的，是一种有差调节，比例调节系统的净差 随比例度的增大而增大，对于设定值不变的系统，即定值控制系统采用比例调节 可使被控参数对设定值实现有差跟踪，但若设定值随时间匀速变化时，其跟踪误 差将会随时间的增大而增大，因此比例调节不适合设定值对时间变化的情况。比 例调节是最简单的调节，比例调节适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工 艺上没有无差要求的系统。 积分调节(i)是无差调节，调节器的输出信号与输入偏差积分成正比关系，积 分调节不存在静差，但与比例调节相比，积分调节系统的稳定性差，消除偏差速 度比较缓慢，系统的过渡时间长，积分调节使系统的相频特性增加了 90的相位 滞后。 比例积分调节(pi)结合了比例的快速性和积分的无静差，比例积分调节器是 适用最普遍的调节器，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不 允许有静差的系统。采用积分调节的调节器要注意防止积分饱和现象发生。 比例微分调节(pd)也是有差调节，比例微分环节具有提高系统稳定性、抑制 过渡过程最大动态偏差的作用，同时，比例微分调节还有利于提高系统的响应速 度，减小系统静差， ，但比例微分调节存在不足之处，那就是当微分作用太强时， 容易导致调节阀的频繁开启，甚至向两端饱和，容易造成震荡，也就是说比例微 分调节器的抗干扰能力较差。 比例积分微分调节器把比例调节的快速性、积分调节消除静差的能力、微分 调节的可预见性结合起来，就构成了比例积分微分调节器（pid） 4.2 调节规律的选择及参数的整定 比例调节是最简单啊调节规律，它对控制作用和扰动作用的响应都很迅速， 比例调节只有一个参数，整定简便，比例调节的主要缺点是存在静差，对象调节 通道小、负荷变化与外部扰动小、工艺要求不高、允许有静差的系统，可以选用 比例调节。积分调节的特点是没有静差，它的动态偏差最大、调节时间长，只能 用于有自衡特性的简单对象，很少单独使用。比例调节既能消除静差，又能产生 本科生课程设计（论文） 9 较积分调节快的多的动态响应，对于一些调节通容量滞后较小、负荷变化不大的 调节系统，比例积分调节都可以取得很好的效果。微分作用提高了系统的稳定性， 使系统的比例系数增大，加快调节过程，减小动态偏差和静差，在有高频干扰的 场合，由于系统对高频干扰特别敏感，td 不能太大，否则会影响系统正常工作， 在高频干扰频繁或存在周期性干扰的场合，不能使用微分调节。pid 调节是常规 调节中性能最好的一种调节器，它综合了各种调节规律的优点，既能改善系统的 稳定性，又可以消除静差。对于负荷变化大、容量滞后大、控制品质要求高的控 制对象均能适应。本设计要求控制燃烧炉内的压力，应为无差调节，加热过程存 在滞后，因此调节器调节规律采用 pid 调节。 调节器的参数整定方法通常有计算法和工程整定法，常用的工程整定法有稳 定边界法、衰减曲线法、反应曲线法、经验试凑法等。稳定边界法不适用于不允 许被控参数作较长时间的等幅震荡的场合。相对于稳定边界法，衰减曲线法步骤 较为简单，也比较安全。响应曲线法适用于扰动幅值不是太大。相对来说，衰减 曲线法比较适合本设计系统的参数整定。下面介绍衰减曲线法的整定方法： 首先取 ti=,td=0，比例度 p 置于较大的数值，将系统投入自动运行的状态； 然后带系统工作平稳后，对设定值做阶跃扰动，观察其过渡过程，若过渡过程震 荡衰减太快，就减小比例度 p，反之则怎大比例度 p。如此反复，知道系统呈现 较为理想的震荡过渡过程（衰减比 n 为 4:1，衰减率 =0.75） ，从过渡过程曲线 上测出此时的震荡周期 ts,并记录所对应的比例度 ps。通过查表知 p=0.8ps;ti=0.3ts; td=0.1ts。 若衰减比为 4:1 的过渡过程仍嫌震荡太强烈，这时可采用衰减比为 10:1 的震 荡过程进行参数整定，方法与衰减比为 4:1 的参数整定方法相同。 本科生课程设计（论文） 10 本科生课程设计（论文） 11 第 5 章 系统分析及数据的处理 5.1 被控对象建模方法的确定 被控对象的数学模型是描述被控过程在输入作用下，其状态和输出变化的数 学表达式。建立被控对象的数学模型有着重要的作用，对选择控制变量、确定控 制方案、检测仪表与执行机构选型、以及控制算法、人员培训、被控过程仿真、 故障检测与诊断等都有着重要的作用。 目前，常用的建模法主要有两种：一是，机理法建模；二是，测试法建模。 机理法建模是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出相关的平衡方程。机理 法需要充分的先验知识，其优点是能在还没有系统设备之前就得到被控过程的数 学模型，这对于控制方案的设计与比较十分有利；测试法建模是通过对被控过程 输入、输出的实测数据进行数学处理后求得其数学模型，也成为系统辨识。测试 法比机理法简单、通用性强，尤其对复杂生产过程，其优势更为明显。 有时用单一的机理法或测试法建立复杂被控过程的数学模型比较困难，就需 要用到混合法：对被控过程熟悉的部分采用机理建立数学模型，对不熟悉的部分 采用测试法求被控过程的数学模型表达式。 综合以上，本设计采用机理法建立被控对象的数学模型。 5.2 机理法建立被控对象的数学模型 已知控制系统传递函数： 燃料流量系统的数学模型：g(s)= s e s 3 112 2 空气流量模型：g(s)= s e s 2 110 2 引风量与负压关系模型：g(s)= s e s 15 6 送风量对负压的干扰模型：g(s)= 12 2 s 并取： 燃料流量至蒸汽压力关系约为：g(s)=4 蒸汽压力至燃料流量关系约为：g(s)=1/4 燃料流量与控制流量比值：g(s)=2 空气流量与燃料流量比值：g(s)=1 实现步骤： 本科生课程设计（论文） 12 1、系统稳定性分析 作出伯德图，如果相角裕度 pm0或幅值裕度 gm1，表示系统稳定 (1)燃料流量系统数学模型：g(s)= 的伯德图： 图 5.1 (2)空气流量数学模型 g(s)=的伯德图： s e s 2 110 2 图 5.2 s e s 3 112 2 本科生课程设计（论文） 13 （3）引风量与负压关系模型 g(s)=的伯德图： s e s 15 6 图 5.3 5.3 仿真 (1)燃烧控制系统 为使系统无静差，燃烧流量调节器采用 pi 形式，即： s ki kpsgc)( 其中，参数 kp 和 ki 采用稳定边界法整定。先让 ki=0，调整 kp 使系统等幅 振荡，即系统临界稳定状态。系统临界振荡仿真框图及其振荡响应如图所示： 记录此时的振荡周期 tcr=10.7s 和比例参数 kcr=3.55,则 kp=kcr/2.2=1.613，ki=kp/(0.85tcr)=0.188，在 kp=1.613，ki=0.188 的基础上， 对 pi 参数进一步整定，燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图如下所 示，其中 pi 模块的结构如图所示。调节 kp=1，ki=0.08，系统响应如图所示，可 见系统有约 5%的超调量。 本科生课程设计（论文） 14 图 5.4 在 kp=1.613，ki=0.188 的基础上，对 pi 参数进一步整定，燃料流量闭环控 制系统单位阶跃输入的仿真框图如下所示，其中 pi 模块的结构如图所示。调节 kp=1，ki=0.08，系统响应如图所示，可见系统有约 5%的超调量。 (2)蒸汽压力控制系统 在燃料流量控制系统整定的