毕业设计（论文）-热电厂35th工业锅炉DCS集散控制系统设计.doc

本 科 毕 业 设 计 第 44 页 共 44 页1. 绪论1.1工业锅炉控制系统1.1.1概述工业锅炉是炼油、发电、冶金等现代工业生产过程中必不可少的动力设备。它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源，随着工业生产规模的不断扩大，作为驱动力和热源的锅炉，也向着大容量、高参数、高效率方向发展1。为了确保生产安全稳定的进行，锅炉设备的控制系统就显得更加重要。1.1.2国内外工业锅炉发展状况在我国随着生产力的发展，在今后相当长的时间里，会有越来越多的锅炉投入生产。这些锅炉的控制水平，运行水平以及自动化水平大多不高，热效率水平还远远没有达到设计指标。其中大部分原因是设备落后，控制水平低下，缺乏必要的自动检测和控制仪表及应有的技术力量造成的，导致其运行水平主要取决于司炉人员的技术水平、生产经验和工作的责任心。由于我国锅炉控制的自动化程度大多较低，其操作大都还停留在手工或简单的模拟仪表操作水平。不仅劳动强度大，而且容易造成操作人员运行事故。在这种情况下，利用计算机和组态软件对工业锅炉进行自动控制有着重要意义。DCS的优越性在于：通过对锅炉燃烧过程进行有效控制，使燃烧在接近理想的空燃比条件下进行，可显著提高燃料燃烧效率；由于工业锅炉的耗煤量十分巨大，所以热效率每提高一个百分点都会产生巨大的经济效益；其次，监控软件良好的人机界面使运行参数在LED上集中监控，便于操作人员在计算机上根据控制效果及时修改运行参数，可有效减少由疲劳造成的失误，提高生产过程的安全性，实时性。随着微型计算机性能的不断提高和成本的下降，工业锅炉的自动控制必将得到更加广泛的应用。目前，国外的大型锅炉设备自动控制设备主要有：自动燃烧控制（ACC）、过热蒸汽温度控制（STC）、炉内压力控制（BSC）、给水控制（FWC）、再热蒸汽温度控制（RTC），此外，还有送风机的转速控制、排水的PH值控制、燃烧混合控制、空气预热器温度控制等2 。1.2锅炉控制系统的发展方向随着微型计算机的发展，计算机的应用已经越来越广泛，逐渐渗透到生产生活的各个领域。在工业生产中，将微型计算机技术应用于工业锅炉的自动化方面具有明显的经济效益，具体表现在以下几个方面：（1）控制系统的组成和更改更加灵活、快捷、方便。（2）微型计算机的应用，可以发挥计算机强大的逻辑运算和数字运算的功能，减少了自动化仪器仪表的应用，缩短施工周期、降低施工费用、减少硬件设备的维护量。（3）可以降低自动化工程投资，利用计算机构成工业锅炉运行参数自动检测和控制系统，利用计算机软件代替数目众多的模拟式工业自动化仪表，或组成具有特殊功能的控制系统，利用选取先进的微型计算机技术改造落后的传统工业3 。2. 集散控制系统的发展和应用集散控制系统（Distributed control system）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统，该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散，DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用4。集散型控制系统实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互发展、渗透而产生的。具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范化、调试方便、运行安全可靠的特点。能够适应工业生产过程的各种需要，提高生产自动化水平和管理水平，提高产品质量，降低能源消耗和原材料消耗，提高劳动生产率，保证生产安全，促进工业技术发展，创造最佳经济效益和社会效益5。集散控制系统通过局域控制网和过程控制网对生产过程中各个参数进行监控。现场自动检测仪表把检测到的模拟信号通过I/O转换设备，转换成数字信号，通过过程控制网传送到过程控制器进行分析运算，数据通过局域控制网传送到系统操作站上的LED显示出来。技术人员可以通过操作台上的操作员键盘输入操作指令和数据，数据又通过局域控制网传递到过程控制器进行运算，通过过程控制网传送到I/O进行信号的数字/模拟转换，最后送到被执行设备前完成控制任务。集散控制系统通常是以数台乃至数十台操作站进行过程监控，全部信息还可以通过以太网与工厂的管理网进行连接实现全厂的统一调度管理。优化服务器可通过局域控制网对生产过程提供最佳的控制方案，实现先进及优化控制。系统可通过操作站及报警打印机对生产过程进行集中操作、显示和报警。不同的用户可根据现场情况将过程控制网分散延伸到危险现场，I/O转换可在危险场所进行，真正做到集中管理，分散控制。整个装置继承了常规模拟仪表控制系统和计算机集中控制系统的优点，克服了单微机控制系统危险性高度集中和常规仪表控制功能单一，人/机界面联系差的缺点。2.1集散控制系统的发展历史集散控制系统的主要特性是它的集中管理和分散控制8。而且，随着计算机技术的发展，网络技术已经使集散控制系统共不仅主要用于分散控制，而且向着集成管理的方向发展，系统地开放不仅使不同制造厂商的集散控制系统产品可以互相连接，而且使得他们可以方便的进行数据交换，系统地开放也是第三方的软件可以方便的在现有的集散控制系统上应用8。因此，集散控制系统早已在原有的概念上有了新的含义。我国已引进的不同型号的集散控制系统的数量多达几百套，应用的工业控制领域也已遍及石油化工，冶金，炼油，建材，纺织，制药等行业9。初始阶段：1975年美国霍尼韦尔公司第1套TDC 2000集散控制系统问世不久，世界各国仪表制造商就相继推出了自己的集散控制系统，即第1代集散控制系统，比较著名的有：霍尼韦尔公司的TDC 2000；FOXBORO公司的SPECTRUM；FISHER公司的PROV0X；横河公司的CENTUM；西门子公司的TELEPERM等。这些产品虽只是集散控制系统的雏形，但已经拥有集散控制系统的基本结构；分散过程控制装置，操作管理装置和通讯系统10。并已具备了集散控制系统的基本特点；集中管理，分散控制11。发展阶段：随着控制技术、计算机技术、半导体技术、网络技术和软件技术等的飞速发展，集散控制系统进人第2代10。主要产品有： TAYLOR公司的MOD300；西屋公司的WDPF；横河公司的CENTUM XL：ABB公司的MASTER等。第2代集散控制系统的主要特点是系统功能的扩大和增强以及通信范围和数据传送速率的大幅提高，它采用横块化、标准化设计，数据通信向标准化靠拢，控制功能更加完善，具有很强的适应性和可扩充性10。成熟阶段：1987年美国FOXBORO公司推出的1AS系统标志着集散控制系统进人了第3代，主要产品有：霍尼韦尔公司带有UCN 网的TDC-3000；横河公司带有SV-NET 网的CENTUM-XL；BALLEY 公司的INFO-90等，第3代集散控制系统的主要改变是在局域网络方面11。它通过采用MAP等协议，使各不同制造商的产品可以相互连接、相互通信和进行数据交换，同时，第3方应用软件可方便应用，也为用户提供了更广阔的应用空间10。2.2集散控制系统的特点分级递阶控制，集散控制系统是分级递阶控制系统，它的规模越大，系统重直和水平分级的范围也越广，最简单的集散控制系统至少在垂直方向分为操作管理级和过程控制级，水平方向各过程控制级之问相互协调，向垂直方向送数据，接受指令，各水平级问也进行数据交换10。分散控制：分散控制是集散控制系统的一个重要特点12。分散的含义不单是分散控制，还包括人员地域的分散、功能分散、设备分散、负荷分散、危险分散,目的是危险分散，提高设备使用率10。功能齐全：可完成简单回路调节、复杂多变量模型优化控制，可执行PID控制算法、前馈-反馈复合调节、史密斯预估、预测控制、自适应控制等各种运算，可进行反馈控制，也可进行间断顺序控制、批量控制、逻辑控制、数据采集，可实现监控、显示、打印、辕出、报警、历史趋势贮存等各种操作要求10。易操作性：集散控制系统根据对宜人学的研究，结合系统组态、结构方向的知识，为操作工提供了，一个非常好的操作环境，为操作员提供的数据、状态等信息易于辨认，报警或事件发生的信息能引起操作员的注意，长时间工作不易疲劳，操作方便、快捷、安全可靠性高，为了提高系统的可靠性，确保生产持续运行，集散控制系统在重要设备和对全系统有影响的公共设备上采用了后备冗余装置，并引入容错技术，硬件上包括操作站、控制站、通讯线路等都采用双重化配置，使得在某一个单元发生故障的情况下，仍然保持系统的完整性，即使全局性通信或管理失效，局部站仍能维持工作，从软件上采用分段与模块化设计，积木式结构，采用程序卷回或指令复执的容错设计，使系统安全稳定1012。采用局部网络通信技术和标准化通信协议12。已经采用的国际通信标准有IEEE802、PROWAY和MAP等，这些协议的标准化是集散系统成为开放系统的根本12。集散控制系统的开放使各不同制造厂的应用软件有了可移植性，系统问可以进行数据通信，为用户提供广阔的应用场所10。信息存储容量大，显示信息量大，有极强的管理能力，可实现生产过程自动化，工厂自动化、实验室自动化、办公室自动化等目标适用于化工生产控制，有良好的性能价格比，不但其硬件适应化工控制而且软件的适应性也稳定随着系统开放第三方的应用软件也可方便应用12。2.3集散控制系统的结构集散控制系统结构如图2.1所示，集散控制系统一般由以下五部分组成：过程输入/输出接口；过程控制单元；操作站；局域控制网；上位（管理）计算机。（1）过程输入/输出接口又称数据采集站，是为过程变量专门设置的数据采集系统，它不但能完成数据采集及预处理，而且还可对实时数据完成进一步加工处理，通过操作站显示、打印，实现开环监视，要求采集系统容量足够大，采样速率足够高，能适用于不同类型的过程变量和各种工艺条件，为了减轻通信系统的工作负担，一般先由过程接口单元自身对采集的数据进行预处理和存储13。（2）过程控制单元又称基本过程控制器或闭环控制器，是集散控制系统的核心部分，该单元在不同类型的集散控制系统中差别较大，所以控制的回路数量也不近尽相同，控制器中的运算模块数量也不一样，一般有几十种。常用的算有PID、非线性增长、位式控制、选择性控制、函数计算、多项式系数、Smith预估等，控制类型有连续控制、批量控制、逻辑控制，为了工作的安全可靠，过程控制单元一般都有冗余配置13。（3）CRT操作站是集散控制系统的人/机接口装置，一般配有高分辨率、大屏幕的彩色CRT、操作员键盘、工程师键盘、打印机、硬拷贝机、和大容量存储器。操作站除了执行对过程的监控操作外，系统的组态、编程工作也可以在操作站上进行。为了使操作直观方便，一般都有动态流程图显示功能操作站还可以完成部分生产管理工作，如打印班/日报表和用户自己设计的工艺报表等。管理计算机操作站工厂管理网局域控制网应用处理站过程控制器I/OI/O过程过程输入输出接口图2.1集散控制系统结构图（4）局域控制网又称告诉通信总线，实际是一种具有高速通信能力的信息总线，一般采用双绞线、同轴电缆或光导纤维组成，把构成网络的硬件设备连接在一起，使系统构成一种网络，并遵循一定的通信协议，集散控制系统各站之间数据的合理传送，是通过应用处理站进行管理和调度，根据集散控制系统的覆盖范围和管理条件，通信网络的结构属于局部网络形式，现有的局部网络拓扑结构有星型、环形、总线型、树型及网眼型，在比较大的集散控制系统中，为提高其可用性，常把几种网络结构合理的运用于一个系统发挥其各自的优点13。通讯协议大致可分为：广播式和存储转发式。（5）上位计算机又称管理计算机，它功能强、速度快、存储量大，可通过专用的通信接口与高速数据通路相连，采集各种数据信息可以用各种高级语言编程，执行工厂的集中管理和实现最优控制、顺序控制、后台控制以及软件开发的特殊功能，为了进一步提高管理系统的整体性能，各种集散控制系统都配置通用计算机接口单元，使集散控制系统能与通用计算机相连，实现真正的信息控制管理一体化13。2.4操作管理装置操作管理装置是技术人员与集散控制系统间的界面，技术人员通过操作管理装置了解生产过程的运行情况，并通过它发出操作指令给生产过程。生产过程的各种参数在操作管理装置上显示，以便于技术人员监视和操作。操作管理装置具有以下特征：（1）信息量大它需要汇总各分散过程控制装置的信息和下送的信息。从硬件来看，它具有巨大的存储容量，允许有较多的画面的显示；从软件来看，采用数据压缩技术、分布式数据库技术和并行处理技术等。（2）操作性操作管理装置通过CRT、打印机等了解过程运行情况并发出指令，因此，处了部分现场手动操作设备外，操作人员和管理人员都通过装置提供的输入设备，如键盘、鼠标等来操作设备的运行，顾操作管理装置要有良好的操作性。（3）容错性好由于集中操作和管理部分是人和机器联系的界面，为防止操作人员的食物，该部分装置应有良好的容错性。因此，要设置硬件密钥、软件口令，对误操作不予以响应等安全措施。3.工业锅炉工艺流程简介3.1工业锅炉简介工业锅炉是石油化工、发电厂等工业过程中必不可少的重要动力设备,它所产生的高压蒸汽即可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源,随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的锅炉，也向着大容量、高参数、高效率方向发展1。燃料与热空气按照一定比例送入工业锅炉燃烧室内燃烧，燃烧生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，然后经过过热器，形成一定气温的过热蒸汽，再汇集到蒸汽母管。压力为Pm的过热蒸汽，经过负荷设备控制，供给负荷设备用。与此同时燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气。锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求，锅炉设备将有如下主要的控制系统：（1）锅炉气泡水位控制。被控变量是气泡水位，控制变量是给水流量。它主要是保持气泡内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持气泡中水位在工艺允许范围内。这是保证了锅炉、汽轮机安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的重要指标。（2）锅炉燃烧系统的控制。有三个被控变量：蒸汽压力（或负荷）、烟气成分（经济燃烧指标）和炉膛负压。可选用的控制变量也有三个：燃料量、送风量和引风量。组成的燃烧系统的控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要；使燃料和空气之间保持一定的比值，保证燃烧的经济性和锅炉的安全运行；使引风量和送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围内。（3）过热蒸汽系统的控制。被控变量为过热蒸汽温度，控制变量为减温器的喷水量。使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证关闭温度不超出管壁允许的温度。（4）锅炉水处理过程的控制。这部分主要使锅炉给水的水性能指标达到工艺要求。一般采用离子交换树脂对水进行软化处理。通常应用程序控制，确保水处理和树脂再生正常交替运行。3.2工业锅炉的结构锅炉结构是指锅炉的水汽系统，由汽包、下降管、联箱、水冷壁、过热器和省煤器等设备组成。（1）锅炉的任务是使水吸热，最后变化成一定参数的过热蒸汽。其过程是：给水由给水泵打入省煤器以后逐渐吸热，温度升高到汽包工作压力的沸点，成为饱和水；饱和水在蒸发设备（炉）中继续吸热，在温度不变的情况下蒸发成饱和蒸汽；饱和蒸汽从汽包引入过热器以后逐渐过热到规定温度，成为合格的过热蒸汽，然后到汽轮机做功。汽包：汽包俗称锅筒。蒸汽锅炉的汽包内装的是热水和蒸汽。汽包具有一定的水容积，与下降管 ，水冷壁相连接，组成自然水循环系统，同时，汽包又接受省煤器的给水，向过热器输送饱和蒸汽；汽包是加热，蒸发、过热三个过程的分解点。下降管：作用是把汽包中的水连续不断地送入下联箱，供给水冷壁，使受热面有足够的循环水量，以保证可靠的运行。为了保证水循环的可靠性，下降管自汽包引出后都布置在炉外。联箱：又称集箱。一般是直径较大，两端封闭的圆管，用来连接管子。起汇集、混合和分配汽水保证各受热面可靠地供水或汇集各受热面的水或汽水混合物的作用。（位于炉排两侧的下联箱，又称防焦联箱）水冷壁下联箱通常都装有定期排污装置。水冷壁：水冷壁布置在燃烧室内四周或部分布置在燃烧室中间。它由许多上升管组成，以接受辐射传热为主受热面。作用：依靠炉膛的高温火焰和烟气对水冷壁的辐射传热，使水（未饱和水或饱和水）加热蒸发成饱和蒸汽，由于炉墙内表面被水冷壁管遮盖，所以炉墙温度大为降低，使炉墙不致被烧坏。而且又能防止结渣和熔渣对炉墙的侵蚀；筒化了炉墙的结构，减轻炉墙重量。水冷壁的形式：1.光管式2.膜式过热器：是蒸汽锅炉的辅助受热面，它的作用是在压力不变的情况下，从汽包中引出饱和蒸汽，再经过加热，使饱和蒸汽成为一定温度的过热蒸汽。省煤器：布置在锅炉尾部烟道内，利用烟气的余热加热锅炉给水的设备，其作用就是提高给水温度，降低排烟温度，减少排烟热损失，提高锅炉的热效率。减温装置：保证汽温在规定的范围内。汽温调节：1、蒸汽侧调节（采用减温器） 2、烟气侧调节（采用摆动式喷燃器）炉炉就是锅炉的燃烧系统，由炉膛、烟道、喷燃器及空气预热器等组成。工作原理：送风机将空气送入空气预热器中吸收烟气的热量并送进热风道，然后分成两股：一股送给制粉系统作为一次风携带煤粉送入喷煤器，另一股作为二次风直接送往喷煤器。煤粉与一、二次风经喷燃器喷入炉膛集箱燃烧放热，并将热量以辐射方式传给炉膛四周的水冷壁等辐射受热面，燃烧产生的高温烟气则沿烟道流经过热器，省煤器和空气预热器等设备，将热量主要以对流方式传给它们，在传热过程中，烟气温度不断降低，最后由吸风机送入烟囱排入大气。炉膛：炉膛是由一个炉墙包围起来的，供燃料燃烧好传热的主体空间，其四周布满水冷壁。炉膛底部是排灰渣口，固态排渣炉的炉底是由前后水冷壁管弯曲而形成的倾斜的冷灰斗，液态排渣炉的炉底是水平的熔渣池。炉膛上部是悬挂有屏式过热器，炉膛后上方烟气流出炉膛的通道叫炉膛出口。空气预热器：是利用锅炉排烟的热量来加热空气的热交换设备。它是装在锅炉尾部的垂直烟道中。煤粉在炉膛燃烧产生的热量，先通过辐射传热被水冷壁吸收，水冷壁的水沸腾汽化，产生大量蒸汽进入汽包进行汽水分离（直流炉除外），分离出的饱和蒸汽进入过热器，通过辐射、对流方式继续吸收炉膛顶部和水平烟道、尾部烟道的烟气热量，并使过热蒸汽达到所要求的工作温度。发电用锅炉通常还设置有再热器，是用来加热经过高压缸做功后的蒸汽的，再热器出来的再热蒸汽再去中、低压缸继续做功发电。锅炉的工作原理基本相同。 锅炉的作用是将燃料的化学能转变为热能，并利用热能加热锅内的水使之成为具有足够数量和一定质量（汽温、汽压）的过热蒸汽，供汽轮机使用。现在火力发电厂的锅炉容量大、参数高、技术复杂、机械化和自动化水平高，所以燃料主要是煤，并且煤在燃烧之前先制成煤粉，然后送入锅炉在炉膛中燃烧放热。概括地说，锅炉是主要工作过程就燃料的燃烧、热量的传递、水的加热与汽化和蒸汽的过热等。整个锅炉由锅炉本体和辅助设备两部分组成。锅炉本体：锅炉本体是锅炉设备的主要部分，是由“锅”和“炉”两部分组成的。“锅”是汽水系统，它主要任务是吸引收燃料放出的热量，使水加热、蒸发并最后变成具有一定参数的过热蒸汽。它由省煤器、汽包、下降管、联箱、水冷壁、过热器和再热器等设备及其连接管道和阀门组成。(1) 省煤器。位于锅炉尾部垂直烟道，利用烟气余热加热锅炉给水，降低排烟温度，提高锅炉效率，节约燃料。(2) 汽包。位于锅炉顶部，是一个圆筒形的承压容器，其下是水，上部是汽，它接受省煤器的来水，同时又与下降管、联箱、水冷壁共同组成水循环回路。水在水冷壁中吸热而生成的汽水混合物汇集于汽包，经汽水分离后向过热器输送饱和蒸汽。(3) 下降管。是水冷壁的供水管道，其作用是把汽包中的水引入下联箱再分配到各个水冷壁管中。分小直径分散下降管和大直径集中下降管两种。小直径下降管管径小，对水循环不利。(4) 水冷壁下联箱。联箱主要作用是将质汇集起来，或将工质通过联箱通过联箱重新分配到其它管道中。水冷壁下联箱是一根较粗两端封闭的管子，其作用是把下降管与水冷壁连接在一起，以便起到汇集、混合、再分配工质的作用。(5) 水冷壁。位于炉膛四周，其主要任务是吸收炉内的辐射热，使水蒸发，它是现代锅炉的主要受热面，同时还可以保护炉墙。(6) 过热器。其作用是将汽包来的饱和蒸汽加热上成具有一定温度的过热蒸汽。(7) 再热器。其作用是将汽轮机中做过部分功的蒸汽再次进行加热升温，然后再送到汽轮机中继续做功。“炉”是燃烧系统，它的任务是使燃料在炉内良好的燃烧，放出热量。它由炉膛、燃烧器、点火装置、空气预热器、烟风道及炉墙、构架等组成：（1） 炉膛，是由炉墙和水冷壁转成的供燃料燃烧的，燃料在该空间内呈悬浮状燃烧，释放出大量的热量。（2）燃烧器，位于炉膛四角或墙壁上，其作用是把燃料和空气以一定速率喷入炉内，使其在炉内良好的混合以保证燃料及时着火和迅速完全地燃烧，分直流燃烧器和旋流燃烧器两种基本类型。（3）空气预热器，位于锅炉尾部烟道，其作用是利用烟气余热将燃料和空气加热到燃烧所需的温度，不仅可以进一步降低排烟温度，而且对于强化炉内燃烧、提高燃烧的经济性、干燥和输送煤粉都是有利的，使锅炉效率可提高两个百分点左右，分管式和回转式两种。（4）省煤器：是利用烟气余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。（5）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的换热器。通常，大、中型锅炉中均设有空气预热器。3.3锅炉设备的工作过程锅炉设备的工作过程概括起来包括三个同时进行着的过程：燃料的燃烧过程、烟气向水的传热过程和水的汽化过程。现简要叙述锅炉的三个过程。(1)燃煤锅炉的燃烧过程：燃料煤加到煤斗中并落在炉排上，电机通过减速机链条带动炉排转动，将燃料煤带入炉内。燃料煤一边燃烧一边向后移动，燃烧所需要的空气由鼓风机送入炉排中间的风箱后，向上通过炉排到达燃料燃烧层。风量和燃料量成比例（风煤比），以便进行充分燃烧，形成高温烟气。燃料煤燃烧剩下的灰渣，在炉排末端返过除渣板后排入灰斗。这一整个过程称为燃烧过程。(2)烟气向水的传热过程：由于燃料的燃烧放热，炉膛内温度很高。在炉膛四周墙面上都布置着一排水管，称为水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热和对流换热，将热量传递给管内的水。继而烟气受引风机、烟囱的引力向炉膛上方流动。烟气出烟窗（炉膛出口）并通过防渣管后就冲刷蒸汽过热器（蒸汽过热器是一组垂直放置的蛇形管受热面，使汽锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加热而过热）。烟气流经过热器后又经过接在上下炉筒的对流管束，使烟气冲刷管束，再次以对流换热方式将热量传递给管束内的水。沿途降低温度的烟气最终进入尾部烟道，与省煤器和空气预热器内的水进行热交换后，以较低的烟温排出锅炉。省煤器实际上就是给水预热器，它和空气预热器一样，都设在锅炉尾部烟道中，以降低排烟温度，提高锅炉效率，从而节省燃料。（3）水的汽化过程：就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和汽水分离过程。经过处理的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入气炉。锅炉工作时，气炉中的工作介质是处于饱和状态下的汽水混合物。位于烟温低区段的对流管束，因受热较弱，汽水容量较大；而位于烟气高温区的水冷壁和对流管束，因受热强烈，相应水的容重较小，因而容量大的往下流入下锅筒，而容重小的则向上流入上锅筒，形成了水的自然循环。蒸汽产生的过程是借助上炉筒内装设的汽水分离设备，以及在锅筒本身空间中的重力分离作用，使汽水混合物得到分离。蒸汽在上锅筒顶部分离后进入蒸汽过热器，而分离下来的水仍回到上锅筒下半部分的水中。锅炉设备工艺图如图3.1所示，由图可知，燃料和空气按一定比例送入燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生设备，产生饱和蒸汽Ds，然后经过热器形成一定气温的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管，压力为PM的过热蒸汽，经负荷设备调节阀供给生产负荷设备用。同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气6。锅炉系统必须满足工厂对蒸汽用量的要求。所以其控制系统必须能适应工艺负荷的快速变化。此外，控制系统也必须使锅炉系统产生最大效率，这些可以通过最优化实现。一般燃油锅炉效率在85%-88%之间，燃气锅炉在83%左右，而燃煤锅炉还要更低一些。4控制系统方案设计及确定锅炉作为重要的动力设备，其控制的基本要求是供给合格的蒸汽，使锅炉蒸发量符合生产的需要.为此生产过程的各个主要参数必须严格控制。锅炉设备也是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷，锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等。主要输出变量是汽包水位，蒸汽压力，过热蒸汽温度，炉膛负压，过剩空气（烟气含氧量）等，锅炉对象简图如图4.1所示：给水量减温水燃料量送风量引风量二次风气泡水位蒸汽温度蒸汽压力烟气含氧量炉膛负压蒸汽流量负荷图4.1锅炉对象简图综上所述，工业锅炉作为一个调节对象，是一个多输入，多输出，多回路，非线性的相互关联的对象。所有这些特性是由锅炉本身的物理特性决定的。因此，理想的锅炉自动控制系统应该是多回路的调节系统。这样，当锅炉的运行状况发生变化或受到某一扰动后，系统会同时协调的动作，改变其调节量，使所有被调量都具有一定的调节精度。但是，这种调节十分复杂，实现起来相当困难。事实上，工业锅炉的各个参数之间的耦合程度有大有小，例如汽包水位受给水量、蒸汽流量以及汽包压力的影响比较大，而与送风量、引风量的关系则不那么密切。因此，根据锅炉的实际运行情况，将锅炉当做若干个独立的调节对象，相应的设置若干个独立的调节系统，才是可行的实现锅炉自动控制的方法。它使得锅炉自动化控制系统得以适当简化，也符合实际情况，其中锅炉的主要调节任务是：锅炉供应的蒸汽量适应负荷变化的需要或保持给定的负荷；锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内；过热器蒸汽温度保持在一定范围内；汽包中水位保持在一定范围内；保持锅炉燃烧的经济型和安全性；炉膛负压保持在一定范围内。为实现上述调节任务，将锅炉设备控制化为若干控制系统。主要控制系统如下：（1）锅炉汽包水位控制系统受控变量是汽包水位，操作变量是给水流量，它主要考虑汽包内物料平衡，使给水量适应锅炉蒸发量，维持汽包水位在工艺允许范围内，这也是锅炉正常运行的重要指标。（2）锅炉燃烧控制系统由三个被控量，蒸汽压力（或负荷）、烟气成分（反应燃烧经济性指标）和炉膛负压.它的控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要（常以蒸汽压力为受控变量），使燃料与空气之间保持一定的比例，以保证燃烧效率（常以烟气中含氧量为受控变量）；使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压在一定范围内。为达到上述三个目的，操纵变量也有三个，即燃料量、送风量和引风量。（3）过热蒸汽温度控制系统过热蒸汽温度是锅炉生产工艺的重要参数，过热器温度控制的任务是将汽包出来的饱和蒸汽加热到一定温度，形成过热蒸汽，然后送往汽轮机去做功，过热蒸汽温度过高会影响过热管的寿命，甚至烧坏过热管。气温过低则会直接影响负荷设备的运行。因此应该维持过热器出口温度在一定范围内，并保证关闭温度不超过允许的工作温度，被控变量一般是过热器出口的温度，操纵变量是减温器的喷水量。4.1锅炉汽包水位控制系统工业锅炉汽水系统结构如图4.2所示。汽包及蒸汽管中储藏着蒸汽和水，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽负荷量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。工业锅炉汽包水位自动控制的目的就是使给水量等于蒸汽量并维持汽包水位在工艺允许的范围内。汽包水位是锅炉运行的主要指标，是一个非常重要的被控变量维持汽包水位在允许的范围内是保障锅炉安全运行的首要条件。这是因为：（1）如果水位过低，则由于汽包内水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又很快，因而汽包内的水量变化速度很快，如果控制不及时，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉损坏，甚至爆炸。（2）水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液的现象，会使过热器管壁结垢导致破坏，同时过热蒸汽温度急剧下降，该蒸汽作为汽轮机的动力，还会损坏汽轮机的叶片，影响运行的安全和经济性。汽包水位过高或过低的后果极为严重，所以必须严格加以控制。汽包水位控制系统结构与算法设计由于水位调节对象没有自平衡能力，而且水位调节对象存在滞后，因此不能采用开环调节方法。常用的汽包水位的控制算法有单冲量控制，双冲量控制以及三冲量控制三种。本次设计中采用三冲量控制。以蒸汽流量和给水流量作为补充信号的三参数调节方法，又称为三冲量水位调节系统。双冲量控制方法不能迅速克服给水压力变化对水位产生的影响。当给水压力波动时，给水压力将发生变化，此时只有等到水位变化后调节器才能起作用。为此再引入给水流量信号，组成三冲量水位控制回路。三冲量水位控制系统结构框图如图4.3所示。876342151-给水泵2-给水母管3-调节阀4-省煤器5-锅炉汽包6-下降管7-上升管8-蒸汽母管图4.2锅炉汽水系统图4.3所示的三冲量水位控制系统结构实际上是前馈-串级控制系统，根据图4.4副调节器采用PI调节器，微分作用没有或很小。副回路控制目标是在保证系统稳定的基础上是给水调节阀有尽快的响应。所以比例作用取得作用较大，但留有余量，以保证系统不发生震荡。主回路也采用PI调节器，其调节对象为汽包水位。由于前馈作用对虚假水位的现象的抵消。调节对象的特性较简单，可以把积分作用取大一点，迅速消除水位偏差。比例作用不宜太大，以免在出现虚假水位时控制作用和前馈作用相抵消。蒸汽流量前馈系数取值为给水流量与蒸汽流量量程的比值与排污系数的乘积，这样在静态情况下，就能满足系统的物料平衡。串级三冲量水位控制算法的灵敏度很高，算法输出的信号频繁变化，但由于其执行机构给水调节阀本身特性是一个惯性环节，能有效地对信号进行平滑处理，并不会引起频繁动作。LTLC开方器FTFCFT汽包省煤器蒸汽给水图4.3三冲量水位控制系统结构框图根据图4.3可以得到三冲量控制系统框图，如图4.4所示如图4.4所示的串级三冲量控制系统中，主调节器接受水位信号作为主控信号和蒸汽流量信号去控制副调节器的给水设定值，副调节器除了接受主调节器的信号外，还接受给水流量信号。蒸汽流量信号作为前馈信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷突然发生变化时，蒸汽流量信号使给水调节阀立即向正确的方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开打，从而抵消了由于虚假水位引起的反向作用，因此减少了水位和给水流量的波动幅度，给水流量信号作为调节阀动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果做出相应的调整。对于水压干扰等给水侧的扰动，给水流量信号也起着前馈的作用，能使扰动迅速作出反应。差压变送器差压变送器给水流量流量计主调节器流量计执行机构副调节计锅炉给水调节阀蒸汽流量汽包液位给水流量图4.4汽包水位三冲量控制系统框图由此可以看出在前馈-串级三冲量控制下，调节器动作快，还可以避免调节过头，减少波动和失控。结合工艺和安全考虑，调节阀采用气关的气动薄膜调节阀。综上所述，由于单冲量控制系统不能克服假水位带来的控制问题，双冲量控制系统还有不能做到静态补偿以及不能对给水系统干扰及时克服两个的弱点。因此在实际应用中汽包水位控制系统都采用三冲量控制系统。即蒸汽流量、给水流量、汽包水位三个冲量作为输入变量，给水调节阀作为控制变量，来控制汽包水位。4.2锅炉的燃烧控制系统锅炉燃烧自动控制系统的基本任务是在满足蒸汽负荷要求的基础上保证经济燃烧和锅炉的安全运行14。因为影响锅炉燃烧的因素很多，必须根据现场的实际工况选择合适的控制方案，成为决定燃烧控制系统控制效果的关键。锅炉燃烧过程控制任务很多，最主要的是使锅炉出口蒸汽压力稳定15。当负荷扰动而使蒸汽压力变化时，通过调节燃料量（或送风量）使之稳定16。其次，应保持燃料燃烧良好，既不要因为空气不足而使烟囱冒黑烟，也不要因空气量过多而增加热量损失，所以在增加燃料时，空气量应先加大，在减少燃料时，空气量也要减少1718。总之燃料量与空气量应保持一定比值，或者烟道气中含氧量应保持一定的数值。再次，应该使排烟量与空气量相配合，以保持炉膛负压不变。如果负压太小，甚至为正，则炉膛内热烟量往外冒出，影响设备与工作人员的安全；如果负压大，会使大量冷空气漏进炉内，从而使热量损失增加，降低燃烧效率。一般炉膛负压应该维持在20Pa左右。在锅炉运行时，只要通过氧化锆氧量计算出并控制烟气中的含氧量，也就控制了过剩空气系数，即保持了最佳风煤比19。综上所述可得如下结论：（1）在燃烧量改变时，对于一台锅炉的蒸汽压力对象，它的动态特性为单容积分环节与具有传递滞后的一阶滞后环节的串联，等效纯滞后（传递滞后）时间不长，一般为20s-60s左右，因此，根据蒸汽压力的变化，去调节燃料量能够及时而有效地控制蒸汽压力，并适应负荷的需要。在改变燃料量的同时，应协调改变送风量和引风量17。（2）蒸汽压力控制对象的动态特性，随着负荷大小而变，因而锅炉运行中负荷的平稳操作是使燃料系统运行良好的重要条件，否则在设计算法时需要考虑负荷变化的动态校正20。（3）为了使锅炉承担规定的负荷，必须正确而又快速地测量燃烧率（燃烧量和送风量）；为了保证经济燃烧，必须准确而又快速地测量反映燃烧的经济性指标，这些问题的妥善解决，是实现燃烧系统自动控制的关键20。4.2.1锅炉燃烧过程的自动控制与算法设计在燃烧控制系统的三个子系统中，通常通过调节燃料量维持蒸汽压力的恒定，调节送风量以保证燃烧的经济性，调节引风量维持炉膛负压的稳定21。其中关键的问题是如何保证燃烧的经济性，在燃料量变化的同时如何相应地调节送风量，即如何确定系统的空燃比，因此，燃烧调节系统具有如下特点：（1）由于靠燃料量的变化来适应负荷变化的需要，具有较大的延迟和惯性，因此燃料量改变后需要一定的输送、燃烧和热量传递时间，才能反应到蒸汽量或汽压的变化上。（2）炉排上有一定的燃料储存，瞬间改变送风量加快燃烧，能较快地适应负荷变化的需要22。即当需要增加负荷时，先增加风量，可使储存在炉排上的燃料迅速燃烧，很快提高锅炉的蒸发量，以后再靠增加燃料量来保证负荷的要求。（3）由于燃料品种经常变化，给合理送风带来一定困难22。为此可采用烟气含氧量作为送风调节的信号，新型的测氧元件氧化锆测氧器的氧量信号反应迅速、可靠。根据燃烧系统的特点，设计出燃烧自动控制系统的结构框图，如图4.5所示，由图可知，本系统由汽包蒸汽压力控制炉排的给进速度，即燃汽负荷的改变最终必将造成燃料量的变化，将蒸汽流量作为前馈信号能够使燃料量尽快跟上负荷的变化，从热量的意义上来说，蒸汽流量表示了目前用汽带走的热量，汽包压力的大小表示了蒸发部分储热量的亏欠或盈余，两者决定了作为热量来源的燃料量的大小23。压力变送器差压变送器氧化锆探头差压变送器压力变送器调节器副调节器主调节器流量计调节器引风机变频器送风机变频器炉排电机变频器汽包压力蒸汽流量含氧量送风量炉膛负压图4.5锅炉燃烧自动控制系统框图为保证燃料的充分燃烧，送风量的大小应该与燃料量作协调变化。为此，在本系统中，汽包压力调节器的输出信号作为前馈信号被引至送风副调节器24。送风调节采用串级控制方式，其主调节信号为烟气中的氧含量，副调节器信号是送风量，调节器的输出通过控制变频器达到调节电机转速的目的，如果锅炉的漏风量小，氧分析仪的测量信号准确，这样的燃烧控制系统可以明显改善锅炉的热效率，取得很好的经济效益 25。锅炉引风控制回路的工作原理比较简单，其控制目标是保证炉膛压力为0到20Pa的微负压，为了使引风机能快速跟随送风量的变化，在本系统中将送风调节器的输出信号引入引风调节器，作为前馈信号 23。4.3锅炉过热器蒸汽温度自动控制系统锅炉过热蒸汽系统的控制任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围内，并保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度26。锅炉蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器等17。过热蒸汽温度自动控制是锅炉自动化的重要任务之一，它的控制干扰因素多，困难较大，主要干扰因素有以下几个方面：（1）过热器作为控制对象来看，它是一个具有较大延迟的多容惯性环节，在发生扰动后，温度往往不会立即变化。另外，测量温度的传感元件也有较大的惯性，动态特性较差27。（2）设备的结构设计与控制要求存在着矛盾，从控制角度说，减温设备应装在过热蒸汽出口的地方，这样可以使调节作用的滞后时间小一些，使输出的蒸汽温度波动小，但从设备安全方面讲，则减温设备应装在过热器的入口，以最有效地保护过热器的本体27。（3）造成过热器出口蒸汽温度变化的扰动因素很多，而且各种扰动因素之间又相互影响，使对象的动态过程十分复杂。能使过热器出口蒸汽温度改变的因素有：蒸汽流量的变化、燃烧工况的变化、锅炉给水温度的变化、进入过热器蒸汽热焓的变化、流经过热器的烟气温度及流速的变化、锅炉受热面结垢等28。4.3.1锅炉过热蒸汽温度自动控制系统设计维持过热器出口温度在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。受控变量一般是过热器出口温度，操纵变量是减温水的喷水量29。如图4.6所示TCTT减温器减温水阀第一过热器第二过热器汽包图4.6过热器温度单冲量控制系统5控制仪表选型工业锅炉控制系统中一般的测量值为温度，流量，压力，液位，含氧量及炉排转速等，本次设计中仪表选型的总原则为：选用DDZ-型电动单元组合仪表或QDZ-型气动单元组合仪表30。因为型仪表是集成电路的安全火花型防爆仪表，它无论是在电路元器件、信号制、传输方式和供电方面，还是在仪表结构、功能及防爆等方面均胜型表一筹，所以在设计中选表的总原则为：选用型仪表。具体仪表选型原则和情况如下：5.1温度测量仪表的选型锅炉运行时，需要测量的温度点较多31。例如，蒸汽温度，给水温度，排烟温度，空气预热器前后风温，省煤器前后烟温等。目前温度测量用的传感器一般为热电偶，热电阻两大类，热电偶是利用热电势随温度变化而变化的特点，热电阻是利用电阻值随温度变化而变化的特点32。各种热电偶，热电阻的分度号，测量范围如表5.1：（1）根据工艺要求的测温范围和使用要求，本设计中测温范围大于400的一律选用分度号为K的热电偶，小于400的选用Pt100工业铂热电阻。（2）根据测量对象对响应速度的要求，选择热电偶的时间常数为100s，热电阻响应时间是10s-30s。（3）热电偶、热电阻选用螺纹连接方式，固定螺纹M272.（4）在设备上安装的检测元件，一般选择插入深度为400mm，管道上安装的检测元件插入深度选择150-200mm。5.2压力测量仪表的选型5.2.1压力测量仪表根据使用环境和测量介质的性质来选择，一般空气、水、水蒸气等介质的压力指示选用普通弹簧管压力表。5.2.2精度等级的选择一般测量用压力表，膜盒或膜片压力表应选用1.5或2级，要求精密测量和检测用压力表应选0.4、0.5或0.16级，本设计中因精度要求不高，所以选用的是1.5级33。表5.1各种热电偶，热电阻的分度号名称新分度号测量范围铜/铜镍（康铜）热电偶T200-300,0-300铁/铜镍（康铜）热电偶J0-300,0-400镍铭/铜镍（康铜）热电偶E0-300,0-400,0-500,0-600,0-700镍铬/镍铝（镍硅）热电偶K0-500,0-600,0-800,0-1000,0-1100,0-1700铂10%铑/铂热电偶S0-1600铂13%铑/铂热电偶R0-1800工业铂热电阻Pt-10-200-750工业铂热电阻Pt-100-200-750工业铜热电阻Cu-50-50-150工业铜热电阻Cu-100-50-1505.2.3测量范围的选择（1）测量稳定压力时，正常操作压力值应在仪表测量范围上限值的2/3-1/334。（2）测量脉动压力（如泵、压缩机、风机等出口压力）时，正常操作压力值应在仪表测量范围上限值的1/2-1/3。（3）测量中、高压力时，正常操作压力值不应超过仪表测量范围上限值的1/234。5.2.4压力变送器的选择锅炉运行中需要测量的压力有汽包的压力，蒸汽母管压力，给水压力，鼓风压力，炉膛负压，一般采用压力变送器将各种压力信号转换成标准电流信号（0-10mA或4-20mA）注意：炉膛负压的测量，因炉膛负压一般在正负20Pa之间，不可选用压力变送器（量程太大，不能微调）应选用微差压变送器（量程为正负200Pa）来测量炉膛负压，使用时将差压变送器的正压腔接大气，负压腔接炉膛负压取压管35。本次设计中选择的是DDZ-压力变送器，型号为DBY-132A，传输信号为4-20mA DC，需24V AC供电，与型配电器配合使用20。5.3液位测量仪表的选型锅炉运行中汽包水位是极为重要的检测量，除了直接用玻璃管显示锅炉水位（一般为就地安装）外，还装有电接点液位检测和报警，集散控制系统要求用液位变送器或差压变速器来测量