自然循环锅炉控制系统课程设计.doc

自然循环锅炉控制设计1题目背景及意义工业锅炉已经广泛的应用于国民经济各个部门。通常蒸发量小的锅炉用来供热或提供循环热水。蒸发量大的锅炉用于汽轮机和蒸汽机，使热能转化为机械能。在化工、炼油、石化工业中，工业锅炉不仅能为蒸馏过程、化学反应、干燥、蒸发等过程提供热源，而且可作为风机、压缩机、泵等动力源。随着石油化学工业生产规模不断扩大与强化，作为全厂动力和热源的锅炉亦向大容量、高效率方向发展。为确保安全、稳定生产，对锅炉控制系统就十分重要。锅炉效率是影响机组效率的主要因素，燃烧的好坏决定了锅炉效率的高低。火电厂锅炉燃烧控制系统是火电厂工业控制的重要组成部分，由三个相对独立的子系统即燃料控制系统、送风控制系统、引风控制系统组成。热电厂锅炉蒸汽压力的变化具有很大的滞后性，而且当负荷发生变化时燃料产生的热量很难与锅炉的蒸发量相一致，故有必要对主蒸汽压力控制子系统的传统方案做出改进。我国目前大部分电厂的锅炉燃烧控制系统仍然采用PID控制，但是由于火电站锅炉燃烧系统是一个受多种因素制约的不断波动的多变量复杂系统，它往往表现出强耦合、非线性、大惯性、参数时变性和不确定性，对其建立精确的数学模型十分困难，使得基于精确数学模型的常规 PID 控制器难以取得理想的控制效果，燃烧效率难以达到期望要求。锅炉燃烧控制也因此成为火电厂过程控制中的一大难题。所以对于我们来说，主要任务有两个。一是通过对锅炉控制系统的设计，来分析自然循环炉的控制系统性能；二是利用组态软件，设计一个工业锅炉控制系统的监控界面，2自然循环炉对象描述2.1自然循环炉工艺过程描述被控对象为工业领域广泛应用的自然循环锅炉如图(2.1)所示。 图2-1自然循环锅炉系统经处理的软化水进入除氧器V1101上部的除氧头，进行热力除氧，除氧蒸汽由除氧头底部通入。除氧的目的是防止锅炉给水中溶解有氧气和二氧化碳，对锅炉造成腐蚀。热力除氧是用蒸汽将给水加热到饱和温度，将水中溶解的氧气和二氧化碳放出。在除氧器V1101下水箱底部也通入除氧蒸汽，进一步去除软化水中的氧气和二氧化碳。 除氧后的软化水经由上水泵P1101泵出，分两路，其中一路进入减温器E1101与过热蒸汽换热后，与另外一路混合，进入省煤器E1102。进入减温器E1101的锅炉上水走管程，一方面对最终产品（过热蒸汽）的温度起到微调（减温）的作用，另一方面也能对锅炉上水起到一定的预热作用。省煤器E1102由多段盘管组成，燃料燃烧产生的高温烟气自上而下通过管间，与管内的锅炉上水换热，回收烟气中的余热并使锅炉上水进一步预热。 被烟气加热成饱和水的锅炉上水全部进入汽包V1102，再经过对流管束和下降管进入锅炉水冷壁，吸收炉膛辐射热在水冷壁里变成汽水混合物，然后返回汽包V1102进行汽水分离。锅炉上汽包为卧式圆筒形承压容器，内部装有给水分布槽、汽水分离器等，汽水分离是上汽包的重要作用之一。分离出的饱和蒸汽再次进入炉膛F1101进行汽相升温，成为过热蒸汽。出炉膛的过热蒸汽进入减温器E1101壳程，进行温度的微调并为锅炉上水预热，最后以工艺所要求的过热蒸汽压力、过热蒸汽温度输送给下一生产单元。 2.2 仪表清单 表1 检测仪表清单位号点说明厂家型号AI1101烟气含氧量金湖英普瑞电子设备有限公司JRC-1020FT1101锅炉上水流量北京上自仪科技发展有限公司SZY-LDEFT1102去减温器的锅炉上水流量北京上自仪科技发展有限公司SZY-LDEFT1103燃料流量北京首科实华DMF-1-5-AFT1104空气量淮安国润仪表有限公司GR-LUCBFT1105过热蒸汽流量程熙贸易上海有限公司LUGBFT1106软化水流量淮安国润仪表有限公司gr-ldjFT1107烟气流量厦门宏控自动化仪表有限公司SBL系列LT1101除氧器液位郑州智慧通测控技术有限公司SUDK-7 LT1102汽包水位郑州智慧通测控技术有限公司SUDK-7PT1101燃料压力上海适科机电设备有限公司SKS-P101PT1102炉膛压力新会康宇测控仪器有限公司KYB14PT1103汽包压力新会康宇测控仪器有限公司KYB14PT1104过热蒸汽压力上海适科机电设备有限公司SKS-P101PT1106除氧器压力上海适科机电设备有限公司SKS-P101TT1101炉膛中心火焰温度山西广腾电子科技有限公司GTYD-Infra-VieHTT1102汽水分离后的过热蒸汽温度（高温防腐热电偶）沈阳红润自动化仪表厂HR-WRPF-130GTT1103进入减温器的过热蒸汽温度（热电偶）沈阳红润自动化仪表厂HR-WRPF-130GTT1104最终过热蒸汽温度沈阳红润自动化仪表厂HR-WRPF-130GTT1105烟气温度（温度变送器）上海博众测量技术有限公司吧HMT330表2 执行机构清单位号点说明厂家型号V1101V1106电子式电动单座调节阀永嘉县弘凌泵阀有限公司ZDLPS1101变频器成都西门子6SE9531-7DK40DO1101FT1102高温烟道挡板南通巨大机械制造有限公司YDDB表3 开关阀清单位号名称厂家型号XV1101不锈钢截止阀永嘉县弘凌泵阀有限公司J41WXV1102法链接钢制直通式截止阀永嘉县弘凌泵阀有限公司J41HXV1104双作用放空阀永嘉县弘凌泵阀有限公司SLF41YFXV1106电子式电动单座调节阀永嘉县弘凌泵阀有限公司ZDLP 3 自然循环锅炉控制系统分析系统控制方案设计在整个工程方案设计中占有十分重要的地位，一个控制系统的成功与否主要取决于是否有一个设计优良的控制方案。任何一种控制系统设计的目的都是为了满足生产过程中的工艺要求，从而提高产品质量和生产效率。因此，为实现此目的，设计加热炉装置的控制方案时，应遵循以下基本原则（1）满足要求最大限度地满足被控对象的控制要求，这是设计该控制系统的首要前提，也是设计中最重要的一条原则。进行设计前，需要深入了解被控对象，收集资料。（2）安全可靠保证控制系统长期运行的安全、可靠、稳定，是设计中的重要原则。为了达到这一目的，在系统方案设计、可靠性设计、设备选择、软件编程方面应进行总体规划和全面考虑。（3）经济实用在满足控制要求的前提下，力求控制系统简单、经济、实用、维护方便。（4）适应发展考虑到生产发展和工艺的改进，设计的控制系统应具有适当的扩展功能。从以上要求易发现锅炉控制系统是一个相当复杂的控制对象，如图(2.2)所示，主要的输入量是锅炉给水量、燃料量、减温水量、送风量和引风量等；主要输出量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气。图3-1锅炉系统控制量与操作量系统输入变量与输出变量之间相互关联。如果蒸汽负荷发生变化，必将引起汽包水位，蒸汽压力和过热蒸汽温度等变化。燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压。给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度也有影响。减温水的变化会导致过热蒸汽温度、蒸汽压力、汽包水位等的变化。所以锅炉设备是一个多输入、多输出且相互关联的控制对象。目前在工程处理上做了一些假设后，可将该锅炉控制系统划分为若干个控制系统，主要控制系统如下：1）锅炉汽包水位控制系统（给水自动控制系统）。锅炉汽包液位高度是确保生产和提供高质量蒸汽的重要参数。特别是对现代工业来说，由于蒸汽量显著提高，汽包溶剂相对减少，水位速度变化很快，稍不注意即可造成包满水或烧干锅，无论是包满水还是缺水都会造成严重的后果。因此，主要从汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包中的水位在工艺允许范围内。这是保证锅炉、汽轮机安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的重要指标。此控制系统的被控变量是汽包水位，操纵变量是给水量。主要考虑汽包内部物料平衡，使给水量适应蒸发量，维持汽包中水位在工艺要求范围之内。2）锅炉燃烧的自动控制。蒸汽压力、烟气成分、炉膛负压为三被控变量，分别利用燃料流量、送风量和引风量作为三个操纵变量。这三个被控变量和操纵变量互相关联，组成合适的燃烧系统控制方案，以满足燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要，是燃料与空气保持一定比值，以保证最经济的燃烧，提高锅炉的燃烧效率，满足燃烧的完全和经济性，保持炉膛负压在一定的范围内，是锅炉安全运行。3）过热蒸汽温度的自动控制。它是以过热蒸汽温度作为被控量，减温水喷水量为操纵量的温度控制系统，维持过热蒸汽温度在一定的范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。4）锅炉水处理系统的控制。这部分主要使锅炉给水中的氧气除掉，一般采用除氧器对软化水进行除氧表4 锅炉设备的主要控制系统控制系统被控变量操纵变量控制目的锅炉给水控制系统锅炉汽包水位给水流量锅炉内产生的蒸汽量和供水量的物料平衡锅炉燃烧控制系统蒸汽压力烟气成分炉膛负压燃料流量送风量引风量蒸汽负荷平衡燃烧的完全和经济性锅炉的运行安全过热蒸汽控制系统过热蒸汽温度喷水量过热蒸汽温度和安全性锅炉水处理控制系统锅炉进水除氧器液位锅炉给水指标要求3.1汽包水位控制系统设计 三冲量控制在系统中引入供水量这个副控对象，构成串级控制，再引入一个蒸汽前馈信号构成串级前馈-反馈控制系统，极大的提高了水位控制的质量。例如，当耗气量突然阶跃增大时，一方面由于假水位现象水位会升高，它使调节器错误地指挥调节机构减小给水量；另一方面，耗气量的增大又通过比值控制作用指挥调节器增加给水量。实际的给水量取决于参数的整定。当假水位消失后，水位和蒸汽信号都可以正确的指挥调节机构动作。所以，只要参数整定合适，当系统恢复平衡后，给水量必然等于蒸汽流量，水位也会维持在设定值。这就是一个串级前馈-反馈控制系统。图3-2三冲量控制方案3.2锅炉燃烧控制系统3.2.1燃烧控制系统分析锅炉燃烧过程自动控制系统的基本任务是既要提供热量适应蒸汽负荷需要，又要保证燃料的经济燃烧和锅炉运行的安全性。具体任务有：保证锅炉出口蒸汽压力稳定，能根据负荷变化自动增减燃料量；保证燃料燃烧良好，燃烧过程经济。既要防止空气不足而使烟囱冒黑烟，也不能因空气过量而增加热量散失。在增加燃料时首先要加大空气量；减少燃料时，也应先减少空气量。总之燃料量与空气量应保持一定的比值，或者说烟道中的氧含量应保持一定的数值；保证锅炉安全运行。保证炉膛有一定负压，以防止燃烧过程中火焰或烟气外喷，影响设备和工作人员安全。负压过大，会使大量冷空气进入炉内，热量损失增加，降低燃烧效率。为了达到以上目的，经过分析，燃烧过程的控制系统应该包括三个控制任务：即维持锅炉汽压、保持最佳的空燃比和保证炉膛负压不变。可是以上三项控制任务相互影响，在控制中要消除或削弱它们的关联。此外，从安全考虑，应该设置防喷嘴背压过低的回火和防喷嘴背压过高的脱火措施。所以，燃烧控制系统可以一层一层循序渐进的设计。1）主要控蒸汽压力，加入一个燃料量作为副控量；2）然后以空气量作为燃料量的从动量，以保证空燃比；3）通过烟气含氧量来判断燃烧是否充分，用它与燃料量协同控制送风量；4）由于送风量对负压也有直接的影响，在控制负压时，主要控制对象是引风机，同时引入送风量系统控制负压。3.2.2燃烧控制系统的设计1）燃料量控制系统燃料量控制的任务是使进入锅炉的燃料量随时与蒸汽负荷要求相适应。蒸汽压力对象的主要干扰是燃料量的波动与蒸汽负荷的变化。对于燃料量流量和蒸汽负荷变动过较小时，可利用蒸汽压力来调节燃料量，但是对于工业生产的锅炉来说，运行中燃料扰动是经常出现的。所以为了缩短控制通道，达到及时控制，我们采用前面得到的成果，引入一个串级控制环，其中用燃料量作为副变量、蒸汽压力作为主变量。如果出现燃料扰动，在副控制环就可以得到及时的校正，提高了系统的反应速度和抗干扰的能力。图3-3压力串级控制系统2）根据前面分析得到，为保证燃烧的经济性，我们必须保持燃烧过程中一定的空气与燃料比。所以这里以跟随蒸汽负荷变化的燃料量作为主动量，空气量作为从动量，组成压力为控变量、燃料量为副被控变量的串级控制系统及燃料量为主动量、空气量为从动量的比值控制系统。图3-4比值控制系统框图3）从第二部设计我们可以实现固定空燃比的锅炉燃烧过程，但是这还不能保证燃料的完全燃烧，同时空气量也对炉膛负压有很大影响，所以我们需要设计一个完整的送风控制系统，一方面保证燃料的完全燃烧，另一方面保证它对负压的影响在工业生产允许范围内。因此，我们根据排放烟气的含氧量作为控制对象，构成一个烟气含氧控制系统，由它来给出一个最优的燃料量与空气量的比值，以此实现系统的节能环保。图3-5烟气含氧量闭环控制系统图3-6 燃空比控制系统实例图3-7 燃烧控制系统实例3.3蒸汽温度控制系统3.3.1蒸汽温度控制系统分析锅炉出口的过热蒸汽温度是整个汽水行程中工质的最高温度，对于电厂的安全运行有重大影响。因此必须相当严格的将过热器温度控制在给定值附近。如果问过过高，则过热器容易随坏，也会使汽轮机内部引起过度热膨胀，严重影响生产运行安全；温度偏低，会使汽轮机工作效率下降，同时增加汽轮机的潮湿度，引起叶片的磨碎。影响过热器出口蒸汽的温度变化很多，其中最主要的三个影响是蒸汽流量的扰动，烟气侧传热的扰动以及减温水量的扰动。1）蒸汽流量扰动下过热蒸汽温度对象的动态特性汽机负荷变化会引起蒸汽量的变化，根据前面分析，蒸汽量变化会导致锅炉系统内部一系列的改变，但是因为蒸汽量变化时，导气管内的长度方向的各点温度几乎是同时变化大的，所以对于蒸汽流量扰动时，过热蒸汽温度具有自衡性和快速性。2）烟气侧传热扰动燃料量的增减，燃料种类的变化，送风量、吸风量的改变都将引起烟气流速和烟气温度的变化，从而改变了传热状况，导致过热器温度出口的变化。可是由于我们的被控对象没有过热器，它是直接把温度用减温水调温，所以烟气对过热蒸汽温度的影响很小。3）喷水量的扰动喷水量的扰动是基本扰动，从喷水减温的工艺过程可知，以喷水量为输入，过热蒸汽温度为输出，由于我们的被控对象在减温水调节温度后就立刻输出，所以它的温