炉膛负压课程设计报告.doc

课 程 设 计 用 纸概述炉膛负压是反映燃烧工况稳定与否的重要参数，是运行中要控制和监视的重要参数之一。炉内燃烧工况一旦发生变化，炉膛负压随即发生相应变化。当锅炉的燃烧系统发生故障或异常时，最先将在炉膛负压上反映出来，而后才是火检、火焰等的变化，其次才是蒸汽参数的变化。因此，监视和控制炉膛负压对于保证炉内燃烧工况的稳定、分析炉内燃烧工况、烟道运行工况、分析某些事故的原因均有极其重要的意义。大多数锅炉采用平衡通风方式，使炉内烟气压力地与外界大气压力，即炉内烟气负压，炉膛内烟气压力最高的部位是炉堂顶部。所谓炉膛负压：即指炉膛顶部的烟气压力。当炉负压过大时，漏风量增大，吸风机电耗，不完全燃烧损失、排烟热损失均增大。甚至使燃烧不稳定甚至灭火炉负压小甚至变为正压，火焰及飞灰将炉膛不严处冒出，恶化工作燃烧造成危及人身及设备安全。故应保持炉膛负压在正常范围内。运行中引起炉膛负压波动的重要原因为燃烧工况的变化，在吸、送风机保持不变的情况，由于燃烧工况的变化总有小量的变化，故炉膛负压总是波动的，当燃烧不稳定时炉膛压力将产生强烈波动，炉膛负压即相应作出大幅度的剧烈的波动。当炉膛压力发生剧烈脉动时，往往是灭火的前兆，这时必须加强监视和检查炉内燃烧工况、分析原因，并及时运行调整和处理。同时，烟气流经各对流受热面时，要克服流动阻力，故沿烟气流程烟道各点的负压是逐渐增大的。在不同负荷时，由于烟气量变化，烟道各点负压也相应变化，如负荷升高，烟道各点负压相应增大；反之，相应减小。在正常运行中，烟道各点负压与负荷保持一定的变化规律，当某段受热面发生结渣，积灰和局部堵灰时，由于烟气流通断面减小，烟气流速升高，阻力增大，于是其出入口的压差及出口负压值相应增大，故通过监视烟道各点负压即烟气温度的变化，可及时发现各段受热面的积灰、堵灰、漏泄等缺陷或发生二次燃烧的事故。所以，在正常情况下，炉膛负压和各烟道的负压都有大致相同的变化范围。运行中，如发现数值上有不正常的变化时，应进行全面分析，查明原因，及时处理，避免各种异常及事故生，保证炉的安全运。教师批阅：目录第一章 绪论1.1控制系统基本原理及组成1.2 炉膛负压控制的被控对象1.3 本课程设计的题目及任务第二章 炉膛负压控制2.1 炉膛负压控制的任务2.2炉膛压力控制的主要功能2.3炉膛压力控制的控制方式第三章 炉膛负压仪表控制系统的设计方案3.1 模拟量输出输入通道设计3.2炉膛负压控制系统仪器仪表确定第四章 课程设计总结及致谢4.1课程设计总结4.2 致谢参考文献附图教师批阅：第一章 绪论1.1控制系统基本原理及组成在工业生产过程中，为了保证生产的安全性、经济性，保持设备的稳定运行，必须对标志生产过程进行情况的一些物理参数进行调节，使它们保持在所要求的额定值附近，或按照一定的要求变化，如火电厂中汽轮机的转速，锅炉蒸汽的温度、压力，汽包的水位，炉膛负压等。在设备运行中这些参数要经常受到各种因素的影响而偏离额定值，此时，运行人员就及时进行操作，对它们加以控制，使这些参数保持为所希望的数值。这一操作过程就是调节，这个调节任务可以由人工操作来完成，称为人工调节，假若用一套自动控制装置来代替人工操作，就是自动调节。 自动控制系统一般由测量变送装置、控制器、执行器、被控对象等组成。其控制系统方块图如下所示。 图1-1过程控制系统组成框图其中，y(t)为被控参数，变送器单元将被控参数检测出来并变换成便于远送的统一信号z(t)；z(t)与给定信号x(t)比较的偏差e(t)=z(t)-x(t)；e(t)经控制器运算后输出控制作用u(t)；u(t)控制执行器调节阀的开度，改变流体的流量q(t),从而使被控参数y(t)回到给定值x（t）附近，q(t)称为控制参数；从被控参数检测点至调节阀之 间的管道或设备，称为被控过程，可简称过程；作用于过程且使被控参数y(t)变化得作用称为扰动。控制参数q(t)作用是使被控参数稳定于给定值附近，称为内部扰动；扰动作用f(t)企图使得被控参数y(t)偏离给定值x(t)，称为外部扰动。控制系统中控制作用就是要克服外部扰动f(t)对被控参数y(t)的影响，保证其尽快回到给定值。必须指出：(1) 两个框图之间的一条带箭头的连线表示其相互关系和信号传递方向，并不表示两框之间的物料联系。(2) 各框之间信号作用是单向的，即各框的输入信号会影响其输出信号，而输出信号会反过来影响输入信号。(3) 调节阀控制的介质流量可以是流入过程，也可以是从过程流出来。若被控物料是输入过程的，则正好与箭头方向一致；若被控物料从过程流出来，则与箭头的方向不一致。而输出信号会反过来影响输入信号。1.2路膛负压控制系统的被控对象对于控制系统来说，对一个系统的控制品质的好坏取决于被控对象的认识，对被控对象有了好的了解和认识，就可以很好的对它进行控制，如果不能够很好认识控制系统的被控对象，对控制系统的设计和分析都是有很大难度的。炉膛负压波动的因素可能是：送风机、引风机和一次风机工作不正常，出力周期 性变化；炉内燃烧不稳定，入炉燃料周期性波动；喷 燃器附属风门控制失灵，开度呈周期性变化；部分 风烟系统挡板连杆与执行器脱开 ,存在自由摆动现象；空预器蓄热元件堵灰不均；炉膛负压变送器指示不准确 , 存在摆动现象。对于负压燃烧锅炉，如果炉膛压力接近于大气压力，则炉烟往外冒出，能源浪费且影响设备和工作人员的安全；反之，如果炉膛压力太低，又会使大量的冷空气漏入炉膛内，降低炉膛温度，增大了引风机负荷和排烟带走的热量损失。一般炉膛压力维持在比大气压力低20-50pa左右。引风控制的任务是保持炉膛负压在规定的范围之内。由于引风调节对象的动态响应快，测量也容易，所以引风控制系统一般只需采用以炉膛负压pf作为被调量的单回路控制系统。由于送风量的变化时引起负压波动的主要原因，为了使引风量快速地跟踪送风量，以保持二者的比例，可将送风量作为前馈引入引风调节器。这样当送风控制系统动作时，引风控制系统也立即跟着动作，而不是等炉膛负压偏离给定值后再动作，从而能使炉膛负压基本保持不变。所以引风控制系统引入送风前馈信号以后，将有利于提高引风控制系统的稳定性和减小炉膛负压的动态偏差。送风量信号通过前馈补偿装置f（x）送到引风调节器而使引风量跟着改变，是一个快速补偿（前馈）系统。但当系统处于静态时，前馈补偿装置f（x）的输出应为零，以使炉膛压力保持为给定值。1.3 本课程设计的题目及任务1.3.1 题目：300mw火力发电机组炉膛负压仪表控制系统设计1.3.2 任务：(1) 选择传感器，执行器，调节器等，设计总体方案；(2) 画出系统框图及接线图；(3) 设计调节器组态；(4) 设计模拟量输出/输入通道；(5) 画出控制系统sama图； (6) 撰写设计说明书，要求字迹清楚，图表规范。第二章 炉膛负压控制2.1炉膛压力控制系统的任务如果炉膛负压太小，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5所示。炉膛负压控制器引风控制器交流电机引风机炉膛速度检测变送差压变送器炉膛负压设定值炉膛负压控制系统结构框图图52.2炉膛压力控制的主要功能控制系统除完成正常的调节功能外, 还实现下列保护功能：（1）炉膛过压保护 当炉膛压力超过高值时应进行报警当超、过高且值时, 机组进行负荷迫降,直到压力返回到所需求的公差值时为如果上述保护动作而压力仍然增加到超过高值时, 则系统产生跳闸信号, 该信号应为“ 三取二” 逻辑信号。 （2）炉膛内爆保护 当炉膛压力降至低1值时应该报警。如果压力继续下降低至2值时则启动超驰回路, 产生一个增压信号, 关引风机挡板。 （3）锅炉跳闸后的炉膛内爆保护 控制系统接受来自联锁系统的锅炉跳闸信号, 为的是将炉膛内负压偏差降到最小。在主燃料跳闸的事故情况下, 由于突然停止燃烧会造成炉膛内烟气量和烟气温度急剧下降, 显然这是引起炉膛低压峰值的主要原因。这个低压峰值 会引起炉膛内爆, 是很危险的。炉膛压力的计算非常近似于下式（1.1）所示: pv=mrt 式（1.1） p绝对压力 v炉膛容积 m一炉膛烟气质量 r烟气常数 t一绝对温度由于容积是固定的, r是常数, 故压力p与mt成正比关系。因此, 在主燃料跳闸后因炉膛内烟气量减少和温度降低将造成压力急剧下降。基于上述原因, 本控制系统设计了突跳回路。该回路能识别何时发生主燃料跳闸, 并在跳闸时起作用以减少由于锅炉跳闸引起的压力偏差。2.3炉膛压力控制的控制方式炉膛压力控制用调节两台引风机的导叶开度，来满足炉膛负压略低于外界大气压的要求，控制系统为带送风前馈的单回路控制系统，机组正常运行时，锅炉炉膛负压按传统的前馈-反馈方案进行控制。本系统为单回路控制系统（即只有一个pid调节器），单回路反馈控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控过程、一个检测变送器、一个控制器和一个执行器所组成的，对一个被控变量进行控制的单回路反馈闭环控制系统。 单回路反馈控制系统组成方框图：wt (s)wz(s)wo (s)wm (s)图1.2单回路控制系统方框图1被调量：表征生产过程是否正常运行并需要加以调节的物理量，本系统为高旁阀位指令。2给定值：按生产过程要求被调量必须维持的希望数值，简称给定值，在许多情况下给定值是保持不变的（如正常情况下的运行时的锅炉的汽包水位，过热蒸汽的温度等），但在有些情况下给定值是变化的，如汽轮机启动过程中的转速的给定值就应不断改变。3自动调节器（简称调节器）和控制对象组成一个相互作用的闭合回路。调节器根据被调量y于规定值r的偏差信号e（或再加上一些补充信号）而使执行机构按一定的规律（即控制规律）动作，从而引起调节机关的位置的变化。调节器输入量为偏差信号e，输出为调节机关位置，动态特性是指调节器的输出量于输入量的动态关系，长称作调节器的输出量与输入量的动态关系，常称作调节器的控制规律。常用的调节器按其规律可分为比例调节器、比例积分调节器、比例微分调节器、比例积分微分调节器。这些调节器的控制规律都是由基本调节作用比例、积分、 微分组合而成的。调节器正、反作用的确定正作用-指调节器的输出随着正偏差(指测量值大于设定值)的增加而增加，即调节器的输出随着测量值增大而增大。反作用-指调节器的输出随着正偏差的增加而减小，即调节器的输出随着测量值增大而减少。 调节器作用方向确定的原则：应根据被控过程的特性及调节阀的气开、气关形式来正确选择，以使自动控制系统成为一个负反馈的闭环系统，即如果被控变量偏高，则控制作用应使之降低；相反，如果被控变量偏低，则控制作用应使之升高。控制作用对被控变量的影响应与扰动作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量回到设定值。4无扰切换：在切换的前后，调节器的输出应与执行器的位置基本保持一致，这样，在切换前后过程中调节机构的位置不会跳变即不会对过程引起附加的扰动。在自动控制系统中，需要手动自动双向的勿扰切换。第三章 炉膛负压仪表控制系统的设计方案 3.1 模拟量输出输入通道设计3.1.1模拟量输入通道 由于有压力模拟信号需要采集并传输到控制系统进行实时处理，因此在设计信号采集电路时必须考虑到信号采集的准确性和实时性，同时也要考虑到系统噪声对采样信号干扰的问题。由于atmega128本身就带有一个10位的逐次比较的adc，而且adc包括采样保持电路，一确保输入信号得在adc转换过程中保持恒定，因此不再需要设计额外的a/d转换电路和信号的采集保持电路。由于模拟输入量大多数为电流信号，电流范围为010ma或者420ma范围，了抑制噪声干扰，设计了低通滤波电路，模拟量输入信号首先通过低通滤波电路，然后进入单片机进行处理。低通滤波电路如图5-4所示。在途中oai为传感器信号的输入端，ai为单片机的模拟量输入引脚。3.2.模拟量输出通道 atmega128芯片自身没带d/a转换电路，但提供了pwm输出，是一种周期和占空比均可变、幅值为5v的脉宽调制信号。我们可以利用pwm实现d/a输出。实现pwm信号到d/a转换输出的理想方法是：采用模拟低通滤波器滤掉pwm输出的高频部分，保留低频的直流分量，即可得到稳定、精确的d/a输出。智能仪表常常要以电流方式传输，这是因为在长距离传输信号时引入干扰，而电流信号的传输具有较强的抗干扰能力，本控制系统需要的仪表也是标准的420ma 的电路输入，因此，必须经过v/i转换电路，将电压信号转换成电流信号。 模拟量输出电路如图所示，使用该电路很容易地只用单片机的一个/引脚实现/转换功能。该输出电压带有纹波，当值足够大时，该纹波值很小，可忽略不计。完全满足要求。图中/变换电路为反相输入，采用电流并联反馈形式，它具有良好的恒流性能和较强的驱动能力。取=，r25=r26=20k，r28的阻值取250，远远小于r25，则电路输出输入的关系为：3.3 炉膛负压控制系统仪器仪表确定3.3.1炉膛负压控制器ddz-型全刻度指示控制器ddz-型全刻度指示控制器结构方框图如图所示。可看作是由控制单元和指示单元两部分组成。控制单元包括输入电路、比例积分电路、比例微分电路、输出电路、软手操和硬手操电路。指示单元包括测量指示电路和给定指示电路，它们分别与测量指示表与给定指示表一起对测量信号与给定信号进行连续指示，两者之差即为偏差信号。 图 控制器组成框图性能指标与特点：1、测量信号：15vdc内给定信号：15vdc外给定信号：420madc输入及给定指示范围：15vdc 双针；0.5%比例带:2500积分时间：0.012.5min或0.125min;微分时间：0.0410min输入信号：420madc保持特性：-1%/h负载阻抗：250750指示精度：1%控制精度：0.5%2、特点：ddz-型控制器除具有一般控制ideas偏差指示与pid运算功能、正反作用切换、产生内给定信号与进行内外给定切换、手动/自动双向切换以及输出（阀位）指示等功能外，还具有一下一些特点：手动/自动双向切换可以做到双向无平衡无扰动切换。由于采用高增益、高阻抗线性继承电路，控制 器积分增益很高，pi运算电部分的积分增益在104。由良好的保持特。在基型控制器基础上，易于构成特种控制器，如断续（间歇）控制器、自选控制器、前馈控制器等，亦可在基型控制器的基础上附加某些单元而使控制器具有其他的功能，如输入报警、偏差报警、输出报警等。同时还可以与计算机连用，成为计算机控制系统的一部风，如spc控制器和ddc备用控制器。3.3.2炉膛负压检测变送器隔爆型 exdiict6差压变送器性能指标与特点1、性能指标测量范围：00.1kpa至040mpa 输出信号：420ma dc(特殊可为四线制220v ac供电，010ma dc输出) 供电电源：1245v dc，一般为24v dc 指示表：指针式线性指示0100刻度或lcd液晶式显示。 量程和零点：外部连续可调阻尼(阶跃响应)：充硅油时，一般在0.2s到1.67s之间连续可调。 精确度： 0.2% 死区：无(0.1) 2、特点使用对象：液体、气体和蒸汽3.3.5引风机转速控制器 mcs-51单片机通过控制脉冲的产生与分配来控制步进电机，这样既简化了电路，也降低了成本以软件方式驱动步进电机，不但可以通过编程方 法，在一定范围内自由设定步进电机的转速、往 返转动的角度以及转动次数等，而且还可以方便灵活地控制步进电机的运行状态，以满足不同用户的要求。利用74hc573芯片的输出io4io7来驱动步进电机的转动。数据线要首先接在步进电机模块的一个接口上。接口对信号进行放大，使之能够驱动步进电机。放大后的信号就可以直接的来使步进电路进行工作了。由单片机实现的步进电机控制系统如图所示 3.3.6.引风机转速执行器 交流电机+变频器锅炉的鼓（引）风机的风量也是经常变动的，由于汽量变化是经常变化的，所以风量就需要经常调节如由阀门调节，锅炉的控制室到阀门的距离较远，操作十分不便，也不可能调节得当，风量调节过大，空气含氧量超标，浪费了热能，风量调节过小，煤渣残留碳份超标又浪费了煤，因此为了提高锅炉风量的控制水平，采用变频调速方式对风量进行调节，是首选的方案。采用变频控制电机的转速，取消挡板调节，降低了设备的故障率，节电效果显著。采用变频器控制电机，实现了电机的软启动延长设备的使用寿命，避免了对电网的冲击。电机将在低于额定转速的状态下运行，减少了噪音对环境的影响3.3.7.引风机转速检测变送器 磁电转速传感器理由同上（鼓风机转速检测变送器）磁电转速传感器。磁电转速传感器能将转角位移转换成电信号供计数器计算。非接触就能测量各种导磁材料如：齿轮、叶轮、带孔（或槽、螺钉）圆盘（或轴）的转速及线速度。传感器具有体积小，结实可靠，寿命长，不需电源和润滑油。适用于风机、水泵输入转轴速度监视、控制，电机、发电机输出轴转速测量监视、控制汽轮机、空分机转轴监视、控制。测量显示范围: 09999 r/min；019999 r/min;v型可达105/分转速，用于高 速离心机械转速测量。 传感器和测速仪距离: 小于1200米或小于1000米。测量精度: 绝对精度2r/min。变送输出: 420ma(或15v)3.3.8炉膛负压数显记录仪 xmh5000系列炉膛负压数显记录仪 xmh5000系列炉膛负压数显记录仪接0-10ma/4-20ma/1-5v/0-5v的炉膛负压输入信号，进行炉膛负压指示，并记录当天（24小时内）和当天内各班次（三班或四班）炉膛负压超限报警的次数、累计时间和每次超限报警的最大值（和最小值），并带炉膛负压隔离变送输出，适用于电厂和锅炉炉膛负压的监视，记录和变送输出。 功能特点：输入信号0-10ma，4-20ma，1-5v，0-5v通用。单片机智能化设计，长期运行无漂移。保持24小时内各班次（三班或四班可设定）超限报警的次数、累计时间和各次的最大值或最小值。带炉膛负压0-10ma、4-20ma、1-5v、0-5v隔离变送输出。可带rs485/ rs232/modem等隔离通讯接口。 技术指标 使用条件: 环境温度: 050相对湿度: 90%。电源电压: ac90v265v (5060hz)或dc2410%v 基本误差: 0.5%f.s士1字显示分辨率: 0.001, 0. 01, 0.1, 1输入特性: 电偶型:输入阻抗大于10m；也阻型:引线电阻要求05,三线相等；电压型:输入阻抗大于300k；电流型:输入阻抗小于或等于250输出特性: 继电器容量: 3a/220vac或3a/24vdc,阻性负载；4896小表及9696方哀。0.5a/240va；电流型交送器输出负载阻抗:小于600；电压型交送输出负载:大于200k。内部冷端补偿温度范围: 050。变送器电源输出: 电压24士10%vdc,最大电流30ma,可直接配接二线制无源变送器。功耗: 3w。重量: 0.5k。3.3.9仪器仪表正反作用确定炉膛负压控制系统的流程图如图所示炉膛膛pt2pc2vc3vc4vt4m3vt3引风机 炉膛负压控制器pc2为反作用，炉排速度控制器vc4为正作用，引风机速度控制器vc3为反作用理由：当炉膛内的压力突然增加时，压力检测器pt2的输出增大，由于负压控制器pc2为反作用，其输入增大，输出减小，由于引风机转速控制器vc3