SHL燃煤锅炉动力部分PLC控制系统设计.doc

摘 要随着工业自动化程度的提高和锅炉工艺水平的日益完善，工业锅炉自动化控制从简单地DDZ-系统仪表、计算机控制系统发展到目前所采用的触摸屏+PLC显示控制系统。对于日常生活中供热供水的燃煤锅炉房，普遍采用PLC（可编程控制器）来控制锅炉运行所需的各种动力设备。本文采用先进的PLC控制技术，针对民用锅炉房中燃煤锅炉的引风机、一次风机、二次风机、给水泵电机、补水泵电机、给煤电机、炉排电机等动力设备设计出一套合理而实用的控制方案，能够实现各种电机的顺序启停以及动力设备的故障报警和保护功能，最大限度的降低锅炉房的安全隐患和经济损失；同时本文还对对锅炉房的供配电照明工程进行了详尽的规划设计。本设计还采用三菱PLC仿真软件对动力部分的控制方案进行模拟，有效地提高了控制程序的可靠性和完整性。关键词：锅炉动力控制，PLC，供配电照明ABSTRACTWith the improvement in the level of industrial automation and the level of the boiler process improvement, industrial automation and the control of the boiler simply from DDZ- system instrumentation, computer control system developed to touch -screen + PLC Control System currently. As daily water supply for coal-fired heating boiler room, PLC (programmable logic controller) is commonly used to control a variety of power equipment required in boiler running.In this paper, advanced PLC control technology is used in control of the suction fan, a fan and second fan, the pump motor, pump motor up to the coal machine of coal-fired boiler in the boiler room, the design of electric power equipment such as a set of reasonable control and practical proposals that can achieve the order of start and stop all kinds of electrical power equipment, as well as fault alarm and protection functions, the reduction in the boiler room of the security risks and economic losses at the least; At the same time, this article is also about a boiler room for lighting distribution project planning and designing. The simulation designing of power control part is realized by the simulation software of Mitsubishi PLC .it could improve the reliability and integrity of control procedure.KEY WORDS: power control of boilers,PLC,power distribution and lighting目 录摘 要1ABSTRACT2目 录3第一章 锅炉控制的概念和发展前景61.1锅炉控制的基本概念61.2锅炉控制技术的现状与发展61.3本设计采用的控制方案81.3.1 PLC的基本概念81.3.2 PLC控制的优势9第二章 锅炉动力设计的内容和原始资料说明102.1 SHL型锅炉的结构分析102.2锅炉动力设备的分析介绍102.2.1引风机102.2.2 一、二次风机122.2.3 给、补水泵142.2.4 炉排链条和给煤机152.3锅炉控制中保护的对象172.3.1 汽包172.3.2 汽包水位172.3.3 汽包水位上下限192.3.4 蒸汽压力保护19第三章 锅炉的分类结构及锅炉工作的工艺过程213.1锅炉的分类213.2锅炉的结构223.2.1 炉膛223.2.2 锅筒223.2.3过热器233.2.4省煤气243.2.5 锅炉空气预热器253.2.6 水冷壁263.3锅炉的工作过程273.3.1 燃料的燃烧过程283.3.2 烟气向工质（水、汽、导热油等）的传热过程283.3.3 水的汽化过程293.3.4 炉内过程293.3.5 锅内过程30第四章 锅炉动力控制部分系统方案的选定324.1锅炉动力部分的控制要求324.2锅炉控制要求解析324.2.1 锅炉点火时动力部分的运行控制324.2.2 锅炉停炉时的动力部分的停止控制334.2.3 各电机启动控制334.2.4 给水泵工作过程分析344.2.5 补水泵工作过程分析344.2.6 汽包水位极限报警354.2.7 炉膛蒸汽过压报警354.3其它锅炉控制系统的比较364.3.1 锅炉汽包水位控制系统364.3.2 锅炉燃烧过程控制系统374.3.3 过热蒸汽温度控制系统374.3.4 除氧器控制系统384.4锅炉动力控制方案的确定384.4.1 锅炉控制方案384.4.2 锅炉动力控制方案39第五章 锅炉动力控制主电路原理图的设计分析405.1动力部分主电路的组成405.2动力部分主电路的原理415.2.1 降压启动方式425.2.2 断路器在主电路的作用425.2.3 接触器在主电路中的作用435.2.4 热继电器在主电路中的作用445.2.5 主电路中PE线的作用44第六章 三菱FX2N系列PLC硬件设计思路466.1三菱PLC系列简介466.2三菱PLC的优点476.3三菱PLC的软元件组成486.3.1 输入输出继电器486.3.2 辅助继电器486.3.3 定时器496.4.3 计数器496.4三菱FX2N系列PLC的选择及原理接线设计506.4.1 PLC的选择506.4.2 PLC的原理接线设计思路526.5三菱FX2N-64的PLC的I/O分配表55第七章 三菱FX2N系列PLC梯形图的设计577.1三菱FX2N系列指令577.2梯形图分段分析587.2.1 引风机控制梯形图587.2.2 一次风机控制梯形图607.2.3 煤电机、炉排电机、二次风机控制梯形图617.2.4 给水泵及各种故障报警控制梯形图637.2.5 补水泵控制梯形图67第八章 锅炉房供配电及照明系统工程设计718.1锅炉房供电系统设计718.1.1 供电系统设计概述718.1.2 供电系统高低压方案简述718.2锅炉房动力系统配电说明738.2.1 负荷量统计738.2.2 动力配电原则及方案实施748.3.3 动力导线的选择748.3.4 动力配电箱的选择758.3锅炉房照明系统设计768.3.1锅炉房照明要求规范768.3.2 锅炉房照明设计说明778.3.3 灯具选型778.3.4 照明配电箱和导线的选择78第九章 锅炉动力控制的元件选型及控制柜的设计799.1电气柜面板布置说明799.1.1 电气控制柜的选择799.1.2 面板布置设计考量809.1.3 指示灯和按钮的选择809.2电气控制柜内布置819.2.1 内部布置方案819.2.2 低压断路器的选择839.2.3 接触器选择849.2.4 热继电器选择859.2.5 PLC的安装方式869.2.6 端子排的选择879.3电气柜安装接线设计889.4其它设备选型89结束语91致谢92参考文献93附录94附表一 元件明细一览表94附表二 梯形图指令表95附图 程序梯形图98第一章 锅炉控制的概念和发展前景1.1锅炉控制的基本概念工业锅炉自动化是工业锅炉进步的重要标志，目前我国工业锅炉的薄弱环节是自动化水平低,缺少必要的检测仪表，司炉工凭借经验观察，影响工作安全，实际运行效率较低。据统计全国工业锅炉超过40万台，由于热效率低，而消耗的标准煤近2000多万吨。工业锅炉的控制要强调可靠性和实用性，首位是锅炉控制系统的可靠性。本课题针对燃煤锅炉动力部分的控制设计，要想提高其可靠性，就应该考虑执行机构和控制柜元件的优选，以及控制理论算法和抗干扰的设计。工业锅炉自动化控制从简单地DDZ-系统仪表、计算机控制系统发展到目前所采用的触摸屏+PLC显示控制系统。触摸屏（人机画面菜单操作系统）+PLC显示控制技术是近几年流行于工业控制中的一种新技术。 工业锅炉自动控制水平的高低，直接通过锅炉运行的热效率高低来反映，保持了控制锅炉运行的统一性，克服了人为因素的差别给锅炉运行带来的影响。在工业控制中，PLC主要负责数据采集、控制运算和控制输出。PLC可以直接接收标准的过程量，如420mA电流、15V电压、热电偶、热电阻等模拟信号，还可以接收开关接点等数字信号。而又工业PC机组成的系统，要实现以上的功能接口，则需要内部插件和外部信号转换卡，这样就会使系统的中间环节增多，可靠性降低。1.2锅炉控制技术的现状与发展目前，人们对环境保护的意识越来越高，改变供暖的燃料品种，燃烧清洁燃料，是降低空气污染的有效措施。近几年来，我国城市燃气结构发生很大变化，陕北天然气已经进入京津，渤海天然气已经上岸，尤其西气东输工程的实施，更为燃气锅炉的应用起到了推动作用。 现在，一般燃气锅炉的设计效率均能达到90%左右，但在实际运行中，由于外界环境温度不断变化，需要的供热量也因而变化，如果不调整燃气量，往往会造成供 热量不足或过量，造成能源浪费。在这样一种背景下，有必要对燃气锅炉的燃气供应进行实时调节，提高能源利用率。目前，世界各国都存在能源短缺的问题，我国 能源问题更为突出，因此，如何使锅炉高效、安全运行是锅炉控制系统的重点。现在比较流行的工业锅炉控制系统采用的是DCS系统，这种控制方式的集成度高，控制精度极高，而且易于操作人员的实时操作与监控，人机界面也便于维护且能及时处理故障。锅炉微机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪 费大、环境污染严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。 工业锅炉采用微机控制和原有的仪表控制方式相比具有以下明显优势： 1. 直观而集中的显示锅炉各运行参数。能快速计算出机组在正常运行和启停过程中的有用数据，能在显示器上同时显示锅炉运行的水位、压力、炉膛负压、烟气含量、 测点温度、燃煤量等数十个运行参量的瞬时值、累计值及给定值，并能按需要在锅炉的结构示意画面的相应位置上显示出参数值。给人直观形象，减少观察的疲劳和失误；2 可以按需要随时打印或定时打印，能对运行状况进行准确地记录，便于事故追查和分析，防止事故的瞒报漏报现象； 3 在运行中可以随时方便的修改各种运行参数的控制值，并修改系统的控制参数；4 减少了显示仪表，还可利用软件来代替许多复杂的仪表单元，（例如加法器、微分器、滤波器、限幅报警器等），从而减少了投资也减少了故障率； 5 提高锅炉的热效率。从已在运行的锅炉来看，采用计算机控制后热效率可比以前提高5-10%，据用户统计，一台20T的锅炉，全年平均负荷70%，以平均热 效率提高5%计，全年节煤800吨，按每吨煤380元计算每年节约304000元；燃油锅炉的节约费用更为可观； 6 锅炉系统中包含鼓风机，引风机，给水泵，等大功率电动机，由于锅炉本身特性和选型的因素，这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的，原有方式采用阀门和挡板控制流量，浪费非常严重。通过对风机水泵进行变频控制可以平均节电达到30%-40%； 7 锅炉是一个多输入多数出、非线性动态对象，诸多调解量和被调量间存在着耦合通道。例如当锅炉的负荷变化时，所有的被调量都会发生变化。故而理想控制应该采用多变量解偶控制方案。而建立解偶模型和算法通过计算机实现比较方便； 8 锅炉微机控制系统经扩展后可构成分级控制系统，可与工厂内其他节点构成工业以太网。这是企业现代化管理不可缺少的； 9 作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。在采用计算机控制的锅炉控制系统中，有十分周到的安全机制，可以设置多点声光报警，和自动连锁停炉。杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。 综合以上所述种种优点可以预见采用计算机控制锅炉系统是行业的大势所趋。1.3本设计采用的控制方案本设计采用PLC控制SHL燃煤锅炉的动力部分，PLC在中小型生活锅炉中的应用极为广泛，且设计程序相对简单。1.3.1 PLC的基本概念可编程控制器简称PLC，它是一种新型的工业控制装置，它把计算机技术和自动化技术融为一体，具有灵活可靠、功能强、使用方便等一系列优点，一二广泛的应用于多种工业控制场合，并且得到了迅速的发展。PLC是由美国数字设备公司与60年代末期首先开发出来的，并首先在美国通用汽车公司的技术改造中得到应用。当时的PLC主要用来实现多种逻辑量的控制问题，即取代传统的继电器硬接线方式控制系统，因此又成为可编程逻辑控制器，也就是PLC。这一时期的PLC尽管只能实现逻辑处理、技术、定时等比较简单的功能，但它的体积比继电器控制屏大大减小，所形成的控制系统和线路也比继电器系统简单的多，特别是软件编程取代了大量复杂的线路连接，使得更改控制功能非常容易。一次，这种控制技术很快被工业领域所采纳，并被大量应用于各种需要进行电气控制的场合中。近年来，PLC的功能和结构不断改进，在某方面已超出了上述定义范围。新一代PLC有着更为快速的运算速度，更加强大的通讯联网能力，更加完善的I/O配置接口技术。由于采用了冗余结构等容错技术，使其可靠性大大提高；在编程语言中除了采用梯形图语言外，还能使用Graphcet,C语言及Basic等计算机语言，有些新型的PLC与计算机制成一个整体结构，称为集成可编程控制器，还有的PLC产品采用模糊逻辑语言，以适应像电梯，空调机组等逻辑性条件不是很明确的设备控制。总之，PLC在电气自动化控制中起着越来越重要的作用。它同CAD/CAM,机器人技术一起，被认为是今后工业生产自动化的三大支柱。1.3.2 PLC控制的优势（1）功能齐全现代可编程控制器能够实现用软件编程实现逻辑运算、定时、计数、步进等功能，还能完成A/D,D/A转换、数字运算、通讯联网、生产过程监控等任务。因此，它的适用性很强，既可用于开关量控制，又可应用于模拟量控制；既可控制单台设备，也可控制一组或多组设备；既可以用于现场控制，又可用于远程控制。凡是需要控制的地方均可用PLC进行控制。（2）抗干扰能力强PLC作为一种专为工业环境设计的控制设置，采取了多种硬件与软件的抗干扰措施。使之可以直接在干扰大、环境恶劣的工业现场使用。（3）编程简单、操作方便PLC是一种通用的编程软件，它提供一种面向问题、面向过程的自然语言。最常见的是梯形图，集合逻辑运算和控制于一体的，实时的、图形化的编程语言，其与继电器控制的线路非常相似，因此容易为电气工程人员理解和接受。这就避免了在使用微机实现控制时要求使用者必须掌握汇编语言和微机软硬件有关知识所带来的不便。（4）通用灵活PLC与计算机一样是通过软件编程实现控制任务的。但控制参数变化时只需修改软件，不必机型大量复杂的硬件线路连接。这样也就降低了研究课题的经费。（5）安装调试简单，维修工作量小PLC用大量的软接线代替了复杂的硬件系统，故只需将控制现场为为是不多的输入、输出信号与PLC直接连接即可，使现场安装简单。PLC的用户程序可以现在实验室模拟调试。输入信号用微型开关代替。通过观察PLC上的输出制式信号就可以了解输出状态的变化。经模拟调试的软件在现场一般都能正常运行。因此减少了现场的调试工作量。第二章 锅炉动力设计的内容和原始资料说明2.1 SHL型锅炉的结构分析本设计使用的是SHL型锅炉属于双锅筒横置式链条锅炉，是工业及民用建筑中常用的设备。其中SH指的是“双筒横置式”，L指的是“链条炉排式”锅炉，链条炉是一种燃用煤块,炉排固定在链条上的机械化锅炉，链条带动炉排缓慢运动，煤从炉前加入,随着炉排移动而逐渐燃尽。广泛用于中小容量的蒸汽锅炉和热风炉。连带式的缺点是炉排片用圆钢串联，必须保证加工和装配质量，否则容易折断，而且不便于检修和更换；长期运行后，由于排片之间相互磨损，致使间隙过大，漏煤较多。分析任务书所给的锅炉型号：SHL102.45/400A（双锅筒、横置式、链条炉排、蒸发量10t/h、出口压力表2.45Mpa、出口过热蒸汽温度400）可以得出这种锅炉属于大型双锅炉横置水管锅炉。简单介绍一下这种锅炉。他的工作压力通常小于3.82MPa，蒸发量为620t/h。主要有上锅筒、下锅筒、水冷壁、对流排管、集箱、过热器以及尾部受热面和燃烧设备组成。上锅筒直径比下锅筒稍大，上下锅筒之间有对流排管束连接，产生的高温烟气有炉膛上部，经过凝渣管进入过热器，然后进入对流排管，经过“Z”字形曲折冲刷对流排管后折入省煤器、空气预热器尾部受热面，最后经过除尘器、引风机，由烟囱排入大气中。炉膛四周布有水冷壁，前、后墙水冷壁上端直接接入到上锅炉，上、下分别连在前后集箱上。两侧墙水冷壁又分为前后两组，上端接入上集箱，并通过导气管与上锅炉连通，下端则接入防焦箱上。后墙水冷壁、两侧墙水冷壁均由下锅炉供水。水管锅炉由于存在大量的对流排管，在运行时往往积灰比较严重，因此在操作的过程中一定要经常清灰，否则锅炉热效率下降，烟尘排放量增加。2.2锅炉动力设备的分析介绍本设计的控制系统包括动力设备的电气控制和运行过程的自动调节两大部分，本设计主要涉及动力设备的电气系统。为了深入研究各种动力设备的控制，下面详细剖析一下各种动力设备的结构及功能。2.2.1引风机风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械，它是一种从动的流体机械。 风机广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气和推进等。 风机的工作原理与透平压缩机基本相同，只是由于气体流速较低，压力变化不大，一般不需要考虑气体比容的变化，即把气体作为不可压缩流体处理。下面对锅炉房的引风机（如图2-1）进行介绍。 图2-1 引风机为适应然用各种煤质并配有消烟除尘装置的工业锅炉而设计的最高全压效率达90.5的锅炉引风机，凡进气条件相当，性能双相适应者均可选用。当前工业锅炉系列较多，所需的引风机的风量、风压差异较大，为适应上述情况，此型风机均采用三角胶带（式）传动，不仅能以一个机号采用不同转速来满足同一吨位锅炉配置各类除尘器的要求减少了风机的系列和机号，而且也便于使用单位根据实际情况，自行变换主轴转速来获得所需的较理想的风量，风压。对于一般的工业锅炉房，每台锅炉往往单独设置送风机或单独设置引风机（平衡通风时即设送风机又设引风机）。选择风机的型号时应当注意参数的匹配，尤其要注意气体温度能否满足需要。如果锅炉房必须集中装设送、引风机，则送、引风机必须安装2台，每台风机须具备并联运行的功能，每台风机的出力应满足锅炉房内风机所带锅炉最大蒸发量的百分之六十以上。而且每台风机出口管上应装设启闭用的风门，以防漏风。每台锅炉与总烟道之间应单独设置风门，以便需要时单独工作进行调节。当锅炉通风阻力较大时，烟囱的抽力不足以克服该阻力时，可以在烟囱前面装设引风机，以加强引风作用。此时，引风机的压头要克服炉排、燃烧层、烟道和烟囱的阻力，因此沿着锅炉空气和烟气的流程，气流小，故处于负压状态，故称为负压通风。2.2.2 一、二次风机图2-2 一次风机一次风机主要由叶轮、机壳、进气箱、集流器、调节器等部件组成，如图2-2所示。一次风机为单吸风机，进口与出口风道成90，并且进口风道及出口风道与水平方向成45角，其中C表示锅炉一次风机，6表示最高效率时全压系数乘10后的整数值，45表示最高效率时的比转数，11表示进风方式及设计顺序号，21表示风机叶轮的直径为2100mm，F表示双支承联轴器传动方式。（1）叶轮 叶轮是风机传递能量的主要部件，叶轮由前盘、叶片和后盘组成。叶片为倒机翼形后弯式，叶轮由16Mn钢板焊接而成，提高了叶轮的耐磨性，叶轮制成后按ZBJ7204290通风机转子动平衡规定进行动平衡试验，并按TBTQ32883(通风机叶轮超速试验方法进行超速试验，试验符合规程的要求。（2）机壳 一次风机的机壳将叶轮中排出的气体引向出口，同时将气流的部分动能转变为压力能。机壳用Q235钢板焊接而成，外侧焊有肋板以增加其钢性，机壳与集流器用螺丝连接。机壳为三开式结构，将上部机壳拆开后，转子可以直接吊出，在机壳上设有人孔门，以便于停机后的维护与检查。（3）集流器 集流器主要作用是将气体均匀地导人叶轮内，使气体的能量损失降到最小，集流器为双曲线喇叭形，其出口插入叶轮内，外部加焊阻流板，这种结构降低了叶轮入口处气流的回流损失，从而提高了风机的效率。（4）调节挡板调节挡板装在风机入口，通过调节挡板开度来控制风机的负荷，在风机出口有一关断挡板，该挡板是程控挡板，不能调节。（5）轴承 一次风机由两个滚柱轴承支承，腰侧为推力轴承，型号为36322，间隙为03mm；端侧为支持轴承，型号为36322，间隙大于2mm。轴承采用浸泡式润滑，采用1030号机械油，由冷却水对轴承进行冷却。（6）联轴器 一次风机采用棒销式联轴器将风机的轴与驱动电动机的轴连在一起。A.一次风的主要作用：在层燃烧中，从炉排下部送入炉膛的空气称为一次风，从炉排上方送入炉膛的风称为二次风。在流化实验的基础上，根据入炉原煤煤质情况，节约厂用电，锅炉安全运行的情况等因素来说明再实际运行中如何调整一次风？ 提供流化风量，提供部分氧量（密相区应为还原性气氛），及提供各输煤风，拨煤风，一次返料风。在点火过程中还提供点火一次风和混合风。 在实际运行中一次风的大小主要根据床温的高低进行调整；在流化的前提下，若原煤水分太高，粒度大的情况可以提高一次风压加大一次风量，反之应减小一次风压和一次风量；在流化的前提下，根据负荷的高低可适当增减一次风量和风压，还要根据原煤的发热量的高低和挥发分的大小，一次风压和一次风量做出相应的调整。B.二次风的作用：二次风是从炉膛四周加入炉膛燃烧室的强冲空气流。二次风的主要作用是补充燃料燃烧所需的空气量并加强物料的返混，适当调整炉内温度场的分布，使烟气温度分布更均匀。在循环流化床锅炉的运行中，能通过调整一、二次风的配比有效的调整锅炉的负荷，能有效的控制燃烧份额的变化。在循环流化床锅炉的下部，即密相区中，物料的流化形式基本上处于湍流流化状态，在炉膛中上部，即稀相区才逐步过渡到快速流化状态。由于二次风量的加入，二次风喷嘴以上烟气流速显著提高，使更多的物料参与炉内与炉外循环，使较多温度低的循环物料返回密相区，在密相区吸收热量，带走燃烧释放的热量，在炉膛中上部与水冷壁进行热交换，提高传热系数和传递能量，维持密相区床层温度，使锅炉负荷上升。在我厂锅炉运行初期，由于排渣不畅，将一次风加大运行，为维持合理的过量空气系数，二次风控制在 110000Nm3/h左右运行。由于二次风量较小，密相区燃烧份额减少，稀相区燃烧份额增大，且上部物料浓度增大，不仅加剧了上部水冷壁磨损，而且造成了布置在炉内的过热器超温严重，成了威胁机组长周期安全运行的隐患。同时，由于助燃的二次风量不足，使锅炉高温分离器内存在严重的后燃现象，即部分可燃物在高温分离器内燃烧，导致分离器出口烟气温度升高，出入口温差增大，煤粒度变化时，旋风分离器出口温度达1000，温差甚至达到80左右。煤的后燃导致烟气温度上升，使得烟气对尾部对流受热面传热量增加，锅炉减温水量增大，严重影响了受热面的安全。概括二次风的作用为：a.搅动烟气，使烟气与空气混合好，减少损失。b.延长烟气流程，使可燃烧物质停留时间延长，充分燃烧。c.依靠旋转分离器的作用，把未烧尽的颗粒送回火床复燃，降低烟尘排放浓度。d.用空气作二次风，可以补充一次风的不足。合理使用二次风，可以提高热效率5%左右。2.2.3 给、补水泵所谓给水泵，说白了就是往锅炉汽包里打水的设备,一般都是汽包液位带回路控制的,汽包里的蒸汽送往用汽的设备,也带走了相应的水,所以要靠锅炉给水泵来往里面补充,维持正常的水位给水泵就是将从除氧器出来的水加压然后输送到省煤器中，它是自凝结水泵后的最后一次对水进行加压，由于汽包的压力很大，而凝结水泵的出口水压力比较低，所以它需要对水的升压很大，这样才能对汽包进行补水。其结构如图2-3所示。图2-3 水泵给水设备是锅炉运行的重要设备，锅炉运行时必须有给水设备连续或间断地供水，从而使锅炉正常运行。在工业锅炉的给水设备中采用最多的是多级水泵。它的工作原理如下:在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体；启动后，启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。离心泵的主要部件主要部件有叶轮、泵壳和轴封装置。由于给水设备对锅炉安全运行的重要性，给随设备必须设置备用泵，并且当任何一台水泵因故障而停止运行时，其余给水泵的总流量，应能满足所有运行锅炉在额定蒸发量时所需水样的110%。多数情况下，经常工作的电动离心泵。备用泵既有电动泵，又有蒸汽往复泵，平时当某台电动泵因故障停止运行后，立即启用备用离心泵，并能满足要求。只有当停电时，为了保证汽包内水位不致降到最低水位以下，启动蒸汽泵向锅炉注水，以保证安全。对于小型手烧炉，此时气动泵可作为主要的给水设备。但当炉型较大时，只是事故备用设备。对于备用泵的流量选择，为所有运行锅炉在额定蒸发量时所需水量的40%60%。如果停电后锅炉仍能正常燃烧，则备用气泵的流量必须要满足供气要求。如果锅炉房是一级电力负荷，或者虽不是一级电力负荷，但锅炉房停电后，不会造成缺水事故的也可不设备用蒸汽泵。2.2.4 炉排链条和给煤机给煤机适用于火力发电厂燃煤炉制粉系统，能在很大的负荷变动范围内改善锅炉性能,使过热温度、再热温度和压力温度的控制更为稳定，使燃料与所需空气量更为匹配，所需的空气过剩量减少，连续给煤，称量准确，工作稳定，节能高效，是燃煤锅炉制粉系统中与磨煤机相配的先进的计量给煤设备。 给煤机的工作原理如下：储煤仓中的煤通过煤闸门进入给煤机，由给煤机内部的输送计量胶带连续均匀输送磨煤机中，在输送计量胶带的下面装有电子称重装置，该装置主要由高精度的电子皮带秤组成，称重传感器产生一个与煤的重量成比例的电信号和速度传感器检测到的皮带速度信号，同时送入积算器，经积算后得到瞬时流量和累计量。锅炉炉排链条的结构：链带式、鳞片式、横梁式。链条式炉排(如图2-4所示)通常适用于25000kg/h以下的锅炉，最大的不超过75000kg/h。炉排片分为主动炉排片和从动炉排片，用圆钢串联在一起，形成宽阔的链带，围绕在前后链轮上。主动炉排片承受整个炉排的拉力，由锻铸铁制成。从动炉排有三种形式：（1）小块炉排片（2）大块炉排片（3）中块炉排片本设计中的锅炉的蒸发量为10t/h，这里应该选用的是小型炉排片。这里着重介绍一下小型炉 排片的性能。它的炉排通风好，对煤层有松动作用，利于燃烧，但强度小，运行中容易断裂，更换麻烦。炉排的传动有变速箱传动、间歇液压传动 和晶闸管无级调速传动等。 间歇液压传动机构简单，但间歇运动对燃料稳定燃烧不利，且液压设备容易漏油，现在已 图2-4链条式炉排很少采用。一般采用晶闸管和其他机械无级变速传动机构，其效果较好。 链带式炉排具有如下几点特性：A、链带式炉排结构简单，金属耗量较少，制造成本低，安装制造和运行管理都比较方便。 B、由于自身结构原因，链带式炉排的通风截面是一般的16左右，甚至更高。这使得漏煤量比较大，且运行一段时间后炉排片之间磨损严重，加大了通风间隙与漏煤量，一般漏量可达37。 C、轻型链带式炉排(如图2-5所示)长时期运行后，圆钢拉杆极易变形，同时炉排片较薄、强度较低，许多炉排片串在一根圆钢拉杆上，有时互相配合不良；主动轴上的链轮直接和主动炉排片楔合，使主动炉排片在热应力和拉应力的作用下， 容易折断，折断后更换比较困难。 D、容量较小的锅炉，大多数采用轻型链带式炉排。它只适用于10th以下的锅炉应用。 E、为了解决轻型链带式炉排片断裂问题，我国很多地区研制了大块炉排片，其结构就是把原来分为多片的炉排片合起来铸成一块。在这基础上经过改进，研制了带活络芯片型链带式炉排片，在使用上取得较好的效果。 图2-5轻型链带式炉排2.3锅炉控制中保护的对象 本设计的主要任务是用可编程序控制器对锅炉各辅机进行控制，并设计锅房的动力供配电及照明系统。在控制系统的设计中，还应设置汽包水位的上、下限保护及报警；蒸汽压力上限保护和报警。首先，对控制要求中的一些专业名词进行解析。2.3.1 汽包汽包亦称锅筒，是自然循环锅炉中最重要的受压元件，汽包的作用主要有：（1）是工质加热、蒸发、过热三过程的连接枢纽，保证锅炉正常的水循环。（2）内部有汽水分离装置和连续排污装置，保证锅炉蒸汽品质。（3）有一定水量，具有一定蓄热能力，缓和汽压的变化速度。（4）汽包上有压力表、水位计、事故放水、安全阀等设备，保证锅炉安全运行。2.3.2 汽包水位汽包水位是锅炉正常运行中最主要的监视参数之一。水位过高，蒸汽空间缩小将会引起蒸汽带水，使蒸汽品质恶化，以致在过热器管内产生盐垢沉积，使管子过热，金属强度降低而发生爆破；满水时蒸汽大量带水，将会引起管道和汽机内产生严重的水冲击,造成设备的损坏。水位过低，将会引起水循环的破坏，使水冷壁管超温过热；严重缺水时，还可能造成更严重的设备损坏事故。因此加强对水位的监视和调整至关重要。示意图见图2-6。图2-6 汽包水位示意图影响汽包水位变化的因素有很多。锅炉在运行中，水位是经常变化的。引起水位发生变化的原因主要是锅炉的外扰和内扰。当出现外扰和内扰时，将使蒸发设备的物质平衡关系(即蒸发量与给水量之间的平衡关系)发生破坏，或者工质状态发生变化(当锅炉压力变化时，水和蒸汽的比容发生变化)，从而造成汽包水位发生变化。汽包水位变化的剧烈程度，不仅与扰动量的大小有关，而且还与扰动速度有关。以下几种因素会影响水位变化：1 锅炉负荷变化的影响2 燃烧工况变化的影响3给水压力的变化4锅炉汽水管泄漏或排污阀不严密5炉水品质对水位变化的影响6汽包水位计不准确7给水自动失灵运行人员手动调节不及时。其中前三种对水位影响最大，即蒸发量、燃烧、水压。接下来，我将对其进行细致的讨论。（1）汽包水位的变化与锅炉负荷(蒸发量)的变化有密切关系，因为蒸汽是从给水进入锅炉以后逐渐受热汽化而产生的。当负荷变化时，蒸发受热面中水消耗量发生变化，必然引起汽包水位的变化。当负荷增加时，如果给水量不变或增加不及时，则蒸发设备中的水量逐渐被消耗，其最终结果将使水位下降；反之，水位上升。所以水位变化的幅度反映了锅炉蒸发量与给水量之间平衡关系相称程度，如给水量大于蒸发量，则水位上升；给水量小于蒸发量，则水位下降，只有给水量等于蒸发量(排污及阀门泄漏除外)即蒸发设备中保持物质平衡时，水位才能保持稳定。当外界负荷突然增加，将引起锅炉汽压骤降，汽包水位瞬间升高(虚假水位)，这时为了恢复汽压而过分加强燃烧，则会引起蒸汽带水，恶化蒸汽品质；反之，如果外界负荷突减，则引起锅炉汽压骤升，汽包水位骤减，如此时大大减弱燃烧，则促使水位更低，若安全门动作又会使水位升高。所以，当负荷骤变时，必须严密监视水位，预防水位事故的发生。（2）燃烧工况的改变对水位的影响也很大。在外界负荷及给水量不变的情况下，当燃料量突然增加，水位暂时升高而后下降；燃料突减，水位暂时降低而后升高，这是由于燃烧工况的改变使炉内放热量改变，而引起工质状态发生变化的缘故。当燃烧强化时，炉水吸热量增加，汽泡增多，体积膨胀，而使水位暂时升高。由于产生的蒸汽量不断增加，使汽压上升，饱和温度也相应地提高了，炉水中汽泡数量又随之减少，水位又下降。因此水位波动的大小，取决于燃烧工况改变的强烈程度以及运行调节的及时性。（3）给水压力变化时，将使给水流量发生变化，从而破坏了给水量与蒸发量的平衡，引起水位变化。当给水压力增加时，给水流量增大，水位上升；给水压力下降时，给水流量减少，水位下降。给水压力波动过大，将使给水自动调节器失调。水压过低，则汽包进水困难，若给水压力低于汽包压力，给水将无法进入汽包，会造成锅炉严重缺水。给水泵故障、给水管道破裂、给水门故障等均能使给水压力降低，故应对给水压力和给水流量严加监视，注意控制给水流量与蒸汽流量相适应。2.3.3 汽包水位上下限汽包水位测量方式很多，一般可分为：(1)静压式；(2)浮力式；(3)电气式；(4)超声波式；(5)核辐射式。目前最常用的是静压式测量方法中的连通式液位计和压差式液位计。连通式液位计包括云母水位计和电接点水位计，这类液位计直观，便于读数，但它们共同的缺点是：当液位计与被测汽包中的液温有差别时，其显示的液位不同于汽包中的液位，而且此误差还会随汽包压力的改变而改变。为了减小因温度差异而引起的误差，常将液位计保温，而筒壳顶部不保温，增加凝结水量。但因散热，水位计中的水温总比汽包中饱和水的温度低，因而水的密度大于饱和水的密度。由于电接点水位计中的水位要低4060 mm，再加上此处电接点的间距，其误差就会更大，有可能达到100mm误差。因而电接点水位计仅能在启动过程和低负荷运行中有效，在高负荷时，仅能作汽包水位的参考，不能用作调节和保护信号。这里水位补偿就起到作用，司炉人员可以通过手动启动补水泵来补偿由于误差引起的水位不足。提到水位的上下限，就得分析一下本设计中锅炉汽包水位的上下限水位的范围。下限水位即最低安全水位，是指锅炉正常运行的极限低水位。水管锅炉的最低安全水位，应能保证对下降管可靠的供水。锅壳锅炉的最低安全水位，应高于最高火界100mm。对直径小于或等于1500mm的卧式锅炉的最低水位，应高于最高火界75mm。 经过对锅炉型号的几番调研，决定将水位变化范围设定为2001000mm，采用提取液位电接点信号，通过电极传感器送入PLC的信号来监控水位上下限。2.3.4 蒸汽压力保护广义的额定工作压力指压力容器在规定的工况下能长期承受或提供的压力，一般用压力容器的顶部的表压力表示。锅炉的工作压力指压力锅炉在规定的工况下长期运行所能承受的压力，即安全压力。 额定蒸汽压力是指蒸汽锅炉在规定的锅炉热效率、蒸汽温度、给水温度及额定的蒸汽温度下长期连续运行所必须保证的锅炉过热器主气阀出口处的蒸汽压力，也就是锅炉铭牌上标明的压力。对于无过热器的锅炉，用主气阀出口处的饱和蒸汽压力表示。锅炉内的蒸汽压力是不断变化的，其值受很多因素影响。那么蒸汽锅炉蒸汽压力干扰如何判断? 蒸汽压力变化的原因是究竟是内扰或外扰?一系列连串的问题，我们有什么简单的方法来判别，其实通过蒸汽锅炉蒸汽流量的变化关系，来判断引起蒸汽锅炉蒸汽压力变化的原因是内扰或外扰。 (1)在蒸汽锅炉汽压力降低的同时，锅炉蒸汽流量也减小，说明蒸汽锅炉炉内燃料燃烧供热量不足导致蒸发量减小；在蒸汽压力升高的同时，蒸汽流量也增大，说明炉内燃烧供热量偏多，使蒸发量增大， 这都属于内扰。即蒸汽压力与蒸汽流量变化方向相同时，蒸汽压力变化的原因是内扰。 (2)在蒸汽锅炉蒸汽压力降低的同时，锅炉蒸汽流量表指示增大，说明外界对蒸汽的需要量增大；在蒸汽压力升高的同时，蒸汽流量减小，说明外界蒸汽需要量减小，这些都属于外扰。也就是说， 当蒸汽压力与蒸汽流量变化方向相反时，蒸汽压力变化的原因是外扰。 需要指出的是蒸汽锅炉蒸汽压力干扰如何判断：对于单元机组，上述判断内扰的方向仅适应于工况变化初期，即仅适用于汽轮机调速汽门未动作之前；而在调速汽门动作之后，蒸汽锅炉汽压与蒸汽流量变化方向是相反的， 故运行中应予注意。造成上述特殊情况的原因是：在外界负荷不变而锅炉燃烧量突然增大(内扰)，最初在蒸汽压力上升的同时，蒸汽流量也增大，汽轮机为了维持额定转速，调速汽门将关小，这时，汽压将继续上升，而蒸汽流量减小，也就是蒸汽锅炉蒸汽压力与流量的变化方向成为相反。本章对整个锅炉设计的内容和控制要求作出了简要分析。着重阐述了锅炉关键部件的工作原理和结构组成，对一些锅炉专用名词进行了详尽的解析。并且对一些问题进行了扩展，不局限于电气控制方面的分析，同时融入了机械、仪表检测，乃至锅炉燃烧中涉及的化学问题。可以说这一章对整个设计奠定了一个基调，本毕业设计比不拘泥于本专业范围内的讨论，只要和设计相关的学科都会在设计中出现，这不仅能使设计内容更加丰富，而且能使叙述的问题立体化，全面化，也会使设计更加的完整。关于控制方面的问题会留到后面详细分析，这里仅仅一笔带过。第三章 锅炉的分类结构及锅炉工作的工艺过程3.1锅炉的分类（1）按烟气在锅炉流动的状况分：水管锅炉、锅壳锅炉（火管锅炉）、水火管组合式锅炉（2）按锅筒放置的方式分：立式锅炉（如图3-1）、卧式锅炉(如图3-2) 图3-1立式锅炉 图3-2 卧式锅炉（3）按用途分：生活锅炉、工业锅炉、电站锅炉、车船用锅炉（4）按介质分：蒸汽锅炉、热水锅炉、汽水两用锅炉、有机热载体锅炉（5）按安装方式分：快装锅炉、组装锅炉、散装锅炉（6）按燃料分：燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、余热锅炉、电加热锅炉、生物质锅炉（7）按水循环分：自然循环、强制循环、混合循环（8）按压力分：常压锅炉、低压锅炉、中压锅炉、高压锅炉、超高压锅炉（9）按锅炉数量分：单锅筒锅炉（如图3-3）、双锅筒锅炉（如图3-4） 图3-3单锅筒锅炉 图3-4双锅筒锅炉(10)按燃烧定在锅炉内部或外部分：内燃式锅炉、外燃式锅炉(11)按工质在蒸发系统的流动方式可分为自然循环锅炉、强制循环锅炉、直流锅炉等。(12)按制造级别分类：A级、B级、C级、D级、E级（按制造锅炉的压力分）(13)按出口蒸汽压力分为：低压锅炉（P2.5MPa）、中压锅炉（22.5P4.0MPa）、高压锅炉（4.0P=10MPa）、超高压锅炉（10P=13.7MPa）、亚临界锅炉（13.7P=16.7MPa）、超临界锅炉（P=22MPa）。3.2锅炉的结构锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。3.2.1 炉膛炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上，进行火床燃烧的炉膛称为层燃炉，又称火床炉；将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，喷入火室燃烧的炉膛称为室燃炉，又称火室炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧劣质燃料的炉膛称为沸腾炉，又称流化床炉；利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。炉膛的横截面一般为正方形或矩形。燃料在炉膛内燃烧形成火焰和高温烟气，所以炉膛四周的炉墙由耐高温材料和保温材料构成。在炉墙的内表面上常敷设水冷壁管，它既保护炉墙不致烧坏，又吸收火焰和高温烟气的大量辐射热。炉膛设计需要充分考虑使用燃料的特性。每台锅炉应尽量燃用原设计的燃料。燃用特性差别较大的燃料时锅炉运行的经济性和可靠性都可能降低。3.2.2 锅筒锅筒是自然循环和多次强制循环锅炉中，接受省煤器来的给水、联接循环回路，并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。锅筒简体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。锅筒的主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排除锅水中的盐水和泥渣，避免含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中。锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。其中汽水分离装置的作用是将从水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开来，并尽量减少蒸汽中携带的细小水滴。中、低压锅炉常用挡板和缝隙挡