增湿塔自动控制系统

1、增湿塔自动控制系统设计增湿塔自动控制系统设计 学号：学号：201001010125 专业：专业：10自动化自动化1班班(卓越班卓越班) 报报 告告 人：张璞人：张璞 选题背景选题背景 设计简介设计简介 软件设计软件设计 硬件设计选型硬件设计选型 选题背景及意义选题背景及意义 1水泥厂在我国的发展现状水泥厂在我国的发展现状 我国是一个水泥生产大国。水泥总产量连续多年我国是一个水泥生产大国。水泥总产量连续多年 居世界第一位，约占世界总产量的一半。随着我国国居世界第一位，约占世界总产量的一半。随着我国国 民经济的快速发展，我国的固定资产投资越来越大，民经济的快速发展，我国的固定资产投资越来越大， 水

2、泥的生产需求也越来越高，同时因为水泥行业可观水泥的生产需求也越来越高，同时因为水泥行业可观 的利润，我国的水泥生产企业也越来越多。但于此而的利润，我国的水泥生产企业也越来越多。但于此而 来也伴随着一系列的问题。其中环境问题是其中最重来也伴随着一系列的问题。其中环境问题是其中最重 要的。要的。 某地水泥厂污染作业某地水泥厂污染作业 设设 计计 简简 介介 1增湿塔在水泥生产工作的重要作用增湿塔在水泥生产工作的重要作用 近年来，大多干法水泥生产线采用增湿塔对窑尾大近年来，大多干法水泥生产线采用增湿塔对窑尾大 量的高温废气进行处理，因为其操作稳定可靠、投资较量的高温废气进行处理，因为其操作稳定可靠、

3、投资较 低，取得了良好的效果。低，取得了良好的效果。 增湿塔一方面可以降低烟气温度，另一方面可以调增湿塔一方面可以降低烟气温度，另一方面可以调 节烟气的比电阻，使电除尘器效率提高。对袋式除尘器节烟气的比电阻，使电除尘器效率提高。对袋式除尘器 而言，入口气体温度有限制，适当喷水可以调节温度；而言，入口气体温度有限制，适当喷水可以调节温度； 对电除尘器而言，喷水调节比电阻可以使烟气中粉尘电对电除尘器而言，喷水调节比电阻可以使烟气中粉尘电 荷变化，使极板更容易吸附粉尘，从而提高电除尘器的荷变化，使极板更容易吸附粉尘，从而提高电除尘器的 收尘效率。收尘效率。 电力除尘电力除尘2 工作原理：静电除尘器利

4、用高压直流电场使空气中工作原理：静电除尘器利用高压直流电场使空气中 的气体分子电离，在电场力的作用下向两极运动，在移的气体分子电离，在电场力的作用下向两极运动，在移 动过程中碰到气流中的粉尘颗粒和细菌使其荷电，带点动过程中碰到气流中的粉尘颗粒和细菌使其荷电，带点 的粉尘颗粒在电场的作用下向相反的沉降极运动。被补的粉尘颗粒在电场的作用下向相反的沉降极运动。被补 集的固体粉尘，通过清灰过程把附着在沉降极的粉尘震集的固体粉尘，通过清灰过程把附着在沉降极的粉尘震 落集尘箱。被补集的液珠由重力作用流入器低的集流槽。落集尘箱。被补集的液珠由重力作用流入器低的集流槽。 电除尘的性能很大程度上取决于灰尘的比电

5、阻。实电除尘的性能很大程度上取决于灰尘的比电阻。实 践证明，喷雾增湿一方面可以降低烟气温度，在一定条践证明，喷雾增湿一方面可以降低烟气温度，在一定条 件下可以使比电阻处于有利收尘的范围；另一方面可以件下可以使比电阻处于有利收尘的范围；另一方面可以 增加粉尘表面的导电性，从而降低比电阻。增加粉尘表面的导电性，从而降低比电阻。 3增湿塔的结构增湿塔的结构 增湿塔主要由五增湿塔主要由五 部分组成，分别是：部分组成，分别是： 塔体、喷水装置、塔体、喷水装置、 水泵站、控制装置、水泵站、控制装置、 外保温层。外保温层。 4增湿塔的布置方式增湿塔的布置方式 在我国，绝大部分在我国，绝大部分 的增湿塔都布置

6、在窑尾的增湿塔都布置在窑尾 的高温风机之后，除尘的高温风机之后，除尘 器之前。也有布置在窑器之前。也有布置在窑 尾预热器之后，高温风尾预热器之后，高温风 机之前的。机之前的。 5增湿塔前置的优点增湿塔前置的优点 （1）大大改善窑尾高温风机的工作条件。窑尾高温机是烧）大大改善窑尾高温风机的工作条件。窑尾高温机是烧 成系统的关键设备。他的工作状况直接关系到整条生产线成系统的关键设备。他的工作状况直接关系到整条生产线 产量和水泥熟料质量以及系统的稳定。另外废气中还有较产量和水泥熟料质量以及系统的稳定。另外废气中还有较 多粉尘，通过增湿塔将一部分粉尘收集下来，减少风机风多粉尘，通过增湿塔将一部分粉尘收

7、集下来，减少风机风 叶结灰和磨损，风机叶轮失衡的隐患也大大减少，从而提叶结灰和磨损，风机叶轮失衡的隐患也大大减少，从而提 高风机工作的可靠性和受用寿命。高风机工作的可靠性和受用寿命。 （2）减短窑尾管道。通常增湿塔高度在）减短窑尾管道。通常增湿塔高度在40米以上。因窑尾米以上。因窑尾 管道减短，减少管道上塔架的混凝土支撑，从而降低生产管道减短，减少管道上塔架的混凝土支撑，从而降低生产 成本。成本。 （3）省去增湿塔。爬梯采用后置多数生产线，因为工）省去增湿塔。爬梯采用后置多数生产线，因为工 艺布置原因，增湿塔距离预热器塔架较远，因此增湿塔艺布置原因，增湿塔距离预热器塔架较远，因此增湿塔 需要单

8、独设置爬梯。增湿塔靠近预热器塔架后可以从塔需要单独设置爬梯。增湿塔靠近预热器塔架后可以从塔 架直接步入增湿塔平台，从而增湿塔不必单独设置爬梯，架直接步入增湿塔平台，从而增湿塔不必单独设置爬梯， 不仅减少增湿塔制造安装费用，而且增强了增湿塔维修不仅减少增湿塔制造安装费用，而且增强了增湿塔维修 人员的安全感。人员的安全感。 （4）增湿塔更易操作。由于增湿塔一般是通过出口温）增湿塔更易操作。由于增湿塔一般是通过出口温 度来调节喷水量，如增湿塔后置，原料磨启动时，增湿度来调节喷水量，如增湿塔后置，原料磨启动时，增湿 塔入口废弃突然减少，增湿塔喷水量往往不能及时调整，塔入口废弃突然减少，增湿塔喷水量往往

9、不能及时调整， 水雾不能完全蒸发，导致增湿塔湿底，容易造成排灰装水雾不能完全蒸发，导致增湿塔湿底，容易造成排灰装 置堵料，或让湿料进入原料均化库。置堵料，或让湿料进入原料均化库。 6增湿塔喷雾系统的工作原理增湿塔喷雾系统的工作原理 在增湿塔的入口及出口处均装有温度传感器，当系统开在增湿塔的入口及出口处均装有温度传感器，当系统开 启时，温度传感器检测到的温度通过变送器将温度信号发送启时，温度传感器检测到的温度通过变送器将温度信号发送 给控制柜里的给控制柜里的PLC，当检测到增湿塔入口处温度高于某一设，当检测到增湿塔入口处温度高于某一设 定值时，定值时，PLC会发出水泵开启供水的命令，喷雾系统开始

10、工会发出水泵开启供水的命令，喷雾系统开始工 作。同时在增湿塔出口处的温度传感器也将开始工作，与入作。同时在增湿塔出口处的温度传感器也将开始工作，与入 口处原理相同，电气控制柜里的口处原理相同，电气控制柜里的PLC会通过运算后，输出一会通过运算后，输出一 个个4-20mA的控制信号，从而控制喷雾系统的喷水量。的控制信号，从而控制喷雾系统的喷水量。 同时，同时，PLC检测到入口温度低于温度设定值、出口温度检测到入口温度低于温度设定值、出口温度 低于设定值下限或高于设定值上限及增湿塔系统某部分出现低于设定值下限或高于设定值上限及增湿塔系统某部分出现 故障时系统会做出相应的报警信号，并且会停止水泵运行

11、以故障时系统会做出相应的报警信号，并且会停止水泵运行以 及一系列的处理故障措施。及一系列的处理故障措施。 硬件设计选型硬件设计选型 1增湿塔进风口增湿塔进风口 烟气进入增湿塔都是由小断面的通风管到相对较大断面烟气进入增湿塔都是由小断面的通风管到相对较大断面 的增湿塔筒体。此时如果不采取必要的措施，会导致气体在的增湿塔筒体。此时如果不采取必要的措施，会导致气体在 增湿塔内部分布不均匀，筒体内局部区域（一般为筒体中心增湿塔内部分布不均匀，筒体内局部区域（一般为筒体中心 附近）气体流速过高。这部气体中的水在增湿塔内停留时间附近）气体流速过高。这部气体中的水在增湿塔内停留时间 较短，来不及蒸发，会导致

12、湿料。因此，要求气流在塔内有较短，来不及蒸发，会导致湿料。因此，要求气流在塔内有 良好的分布情况。良好的分布情况。 增湿塔进气口有两种形式：增湿塔进气口有两种形式： 上进风形式上进风形式 因为侧进风形式要求进气口有导流装置，因此我们选用因为侧进风形式要求进气口有导流装置，因此我们选用 上进风形式。上进风形式常做成圆锥形，为了使气体充满圆上进风形式。上进风形式常做成圆锥形，为了使气体充满圆 锥，其锥角要小于锥，其锥角要小于30。 侧进风形式侧进风形式 要使气流沿塔断面的分布更均匀，无论哪种进风方式，要使气流沿塔断面的分布更均匀，无论哪种进风方式， 都还必须在椎体内安装气体分布装置。气体分布装置常

13、采都还必须在椎体内安装气体分布装置。气体分布装置常采 用两种形式：一种是水平放置的两层多孔板；另一种是同用两种形式：一种是水平放置的两层多孔板；另一种是同 心锥套。两者相比之下，水平放置虽然无孔区容易积灰，心锥套。两者相比之下，水平放置虽然无孔区容易积灰， 但制作安装简单，重量轻，气流均布更好，而且积灰宽度但制作安装简单，重量轻，气流均布更好，而且积灰宽度 不大，而且适量的积灰有利于减小多孔板的磨损，因此采不大，而且适量的积灰有利于减小多孔板的磨损，因此采 用多孔板气体分布装置。用多孔板气体分布装置。 2增湿塔的喷水装置增湿塔的喷水装置 增湿塔的喷水装置由喷枪、管路、过滤器阀门等组成。增湿塔的

14、喷水装置由喷枪、管路、过滤器阀门等组成。 喷水装置是增湿塔的喷水装置是增湿塔的 核心部分，它能将水泵站核心部分，它能将水泵站 提供的具有一定压力和流提供的具有一定压力和流 量的水进行雾化并按照一量的水进行雾化并按照一 定的布置和扩散角喷入筒定的布置和扩散角喷入筒 体，通过调节喷水装置的体，通过调节喷水装置的 回水量可以调整增湿塔的回水量可以调整增湿塔的 工作能力和状况。通常情工作能力和状况。通常情 况下，喷水装置设计有一况下，喷水装置设计有一 根进水管和一根回水管。根进水管和一根回水管。 在设计增湿塔自动控制系统中我们选用的是单体回流在设计增湿塔自动控制系统中我们选用的是单体回流 式喷枪，这种

15、喷枪由回流喷嘴、具有内外管的枪体和阀门式喷枪，这种喷枪由回流喷嘴、具有内外管的枪体和阀门 等组成。从水泵站过来的水从枪体的外管进入到喷嘴的旋等组成。从水泵站过来的水从枪体的外管进入到喷嘴的旋 流器，一部分通过喷嘴孔雾化喷出，另一部分水通过内管流器，一部分通过喷嘴孔雾化喷出，另一部分水通过内管 回流到水泵站。其中喷水量的大小通过回流水的多少来调回流到水泵站。其中喷水量的大小通过回流水的多少来调 节。回流水越多则喷水量越少。节。回流水越多则喷水量越少。 由于回流式喷枪是通过回流水来调节喷雾的，所以其由于回流式喷枪是通过回流水来调节喷雾的，所以其 进水压力稳定，因而不会因为调节喷水量而明显的影响雾进

16、水压力稳定，因而不会因为调节喷水量而明显的影响雾 化效果。而且单体回流式喷嘴的孔径较大不易堵塞。化效果。而且单体回流式喷嘴的孔径较大不易堵塞。 3增湿塔系统中的阀门增湿塔系统中的阀门 在增湿塔喷雾在增湿塔喷雾(给水给水)自控系统中为了达到对水路的有自控系统中为了达到对水路的有 效控制效控制,一方面使自控系统在正常喷雾过程中保证正常的水一方面使自控系统在正常喷雾过程中保证正常的水 路流通路流通,另一方面也为了避免由于当增湿塔中的灰尘温度降另一方面也为了避免由于当增湿塔中的灰尘温度降 低过快以低于控制系统中设定的下限温度时或是由于当无低过快以低于控制系统中设定的下限温度时或是由于当无 加煤信号等指

17、令来到时加煤信号等指令来到时,需要快速的将在水路循环中滞留的需要快速的将在水路循环中滞留的 水泄回水箱水泄回水箱,从而避免造成增湿塔的湿底现象。从而避免造成增湿塔的湿底现象。 因为设计使用高性能的两三通阀，我们为此设计选用因为设计使用高性能的两三通阀，我们为此设计选用 的是的是VA-7010-225二通阀二通阀, VA-7010-325型三通阀型三通阀,以及以及 ZAZN型电动调节阀。型电动调节阀。 它们用它们用DC24V供电，具有体积小，供电，具有体积小， 寿命长的特点。尤其在对电动调节阀的设计选用中，因为寿命长的特点。尤其在对电动调节阀的设计选用中，因为 它是整个水路喷雾控制中喷枪喷水量大

18、小调节的关键部件，它是整个水路喷雾控制中喷枪喷水量大小调节的关键部件， 为此使用了高性能的电子式电动调节阀，它使用进口核心为此使用了高性能的电子式电动调节阀，它使用进口核心 部件，使系统控制更加灵敏、精确。部件，使系统控制更加灵敏、精确。 4温度传感器温度传感器 为了精确测定灰尘温度的实时变化为了精确测定灰尘温度的实时变化,增湿塔上装有检测增湿塔上装有检测 入口和出口温度的热电阻。在出口处采用多点检测方法入口和出口温度的热电阻。在出口处采用多点检测方法,以以 防错检和漏检。防错检和漏检。 温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电 阻温度检测器

19、（阻温度检测器（RTDRTD）和）和ICIC温度传感器。温度传感器。 热电偶是最简单和最通用的温度传感器，但热电偶并热电偶是最简单和最通用的温度传感器，但热电偶并 不适合高精度的的测量和应用。不适合高精度的的测量和应用。 由于热电阻具有响应速度快、可靠性高、稳定等特点，由于热电阻具有响应速度快、可靠性高、稳定等特点， 而且而且Pt100测量的准确度高范围大因此本设计中选用了测量的准确度高范围大因此本设计中选用了 PT100作为入口及出口的温度传感器。作为入口及出口的温度传感器。 软件设计软件设计 1可编程控制器及程序编写可编程控制器及程序编写 PLC PLC系统是整个控制系统的逻辑控制中心，系

20、统是整个控制系统的逻辑控制中心，PLCPLC系统通系统通 过触摸屏操作，按照过触摸屏操作，按照CPUCPU内已编制好的应用程序，执行上位内已编制好的应用程序，执行上位 机发出的各种指令，完成增湿塔的过程控制机发出的各种指令，完成增湿塔的过程控制PLCPLC选用选用S7-S7- 200200系列可编程序控制器。系列可编程序控制器。 S7-200S7-200的优点体现在可靠性高、拥有丰富的指令集、的优点体现在可靠性高、拥有丰富的指令集、 易于掌握、便于操作及拥有丰富的拓展模块等特性上。易于掌握、便于操作及拥有丰富的拓展模块等特性上。 因此在编程时使用因此在编程时使用step7-MicroWinst

21、ep7-MicroWin。 2编程语言的选择编程语言的选择 根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准，根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准， PLC有五种标准编程语言：梯形图语言（有五种标准编程语言：梯形图语言（LD）、指令表语）、指令表语 言（言（IL）、功能模块语言（）、功能模块语言（FBD）、顺序功能流程图语言）、顺序功能流程图语言 （SFC）、结构文化本语言（）、结构文化本语言（ST）。）。 本设计采用了梯形图程序设计，梯形图语言是本设计采用了梯形图程序设计，梯形图语言是PLCPLC程程 序设计中最常用的编程语言。它是与继电器线路类似的一序设计中最常用的编程语言。它是与继电

22、器线路类似的一 种编程语言。它不仅可实现逻辑运算，还具有算术运算、种编程语言。它不仅可实现逻辑运算，还具有算术运算、 数据处理、联网通信等功能，是具有工业控制指令的微机数据处理、联网通信等功能，是具有工业控制指令的微机 系统。系统。 3系统组成及原理图系统组成及原理图 4水路工作原理水路工作原理 供水管路由水泵经过三通阀供水环管，三通阀可构成两供水管路由水泵经过三通阀供水环管，三通阀可构成两 个通路，一个是供水通路（由通电时导通），即水泵出水与个通路，一个是供水通路（由通电时导通），即水泵出水与 供水环管之间的通路，另外一个则是排水通路（由断电时导供水环管之间的通路，另外一个则是排水通路（由断

23、电时导 通），即供水环管与排水管的通路，排水管将水返回水箱；通），即供水环管与排水管的通路，排水管将水返回水箱； 回水管由回水环管经过电动调节阀将水返回水箱。其中排水回水管由回水环管经过电动调节阀将水返回水箱。其中排水 管路上装有电动二通阀，其作用是通电时截止输水，断电时管路上装有电动二通阀，其作用是通电时截止输水，断电时 打开。增湿塔顶部运用的事会流式喷枪，喷枪与供水环管相打开。增湿塔顶部运用的事会流式喷枪，喷枪与供水环管相 接。接。 离心水泵由循环水箱向系统供水，为了保证水位的一定，离心水泵由循环水箱向系统供水，为了保证水位的一定， 该水箱通过浮球阀和液位计来控制水位。当水位低于设定的该水

24、箱通过浮球阀和液位计来控制水位。当水位低于设定的 最低限度时，系统会通过传感器向控制柜发出报警信号，同最低限度时，系统会通过传感器向控制柜发出报警信号，同 时发出控制信号给水泵，使水泵停止工作从而达到防止泵因时发出控制信号给水泵，使水泵停止工作从而达到防止泵因 为缺水而造成的损坏。为缺水而造成的损坏。 增湿塔出口和入口同时设置了两只热电偶，目的是检测增湿塔出口和入口同时设置了两只热电偶，目的是检测 气体的温度，当增湿塔入口的热电偶检测到湿气的温度高于气体的温度，当增湿塔入口的热电偶检测到湿气的温度高于 设定值时，控制柜内的设定值时，控制柜内的PLC会向水泵发出命令开启供水，同会向水泵发出命令开

25、启供水，同 时使电动三通阀，电动二通阀和电动调节阀开始通电工作。时使电动三通阀，电动二通阀和电动调节阀开始通电工作。 5气路工作原理气路工作原理 该增湿塔系统是一个需要快速反应的温度控制系统，该增湿塔系统是一个需要快速反应的温度控制系统， 为了保障系统的安全可靠运行在出口处安装了为了保障系统的安全可靠运行在出口处安装了3只温度传只温度传 感器，平时可以监测出口的烟气温度在管道内的分布情况。感器，平时可以监测出口的烟气温度在管道内的分布情况。 增湿塔对于温度的检测十分重要，系统工作的好坏情况很增湿塔对于温度的检测十分重要，系统工作的好坏情况很 大程度上取决于温度的检测速度与检测的准确性。在温度大

26、程度上取决于温度的检测速度与检测的准确性。在温度 检测系统中我已经采取了一些适当的措施来提高系统的性检测系统中我已经采取了一些适当的措施来提高系统的性 能，如采用带有保护装置的热电偶；作为被调参数的增湿能，如采用带有保护装置的热电偶；作为被调参数的增湿 塔出口温度值采用多点检测的方法等。塔出口温度值采用多点检测的方法等。 增湿塔的出口及入口处均为温度的测量取值点。增湿塔增湿塔的出口及入口处均为温度的测量取值点。增湿塔 的入口温度则作为整个喷雾系统的通断、条件之一，在控制的入口温度则作为整个喷雾系统的通断、条件之一，在控制 器及温度控制器中设置了温度的上下限，当烟气温度超过设器及温度控制器中设置

27、了温度的上下限，当烟气温度超过设 定的温度上限时，喷雾系统会自动开启工作状态，当烟气温定的温度上限时，喷雾系统会自动开启工作状态，当烟气温 度低于设定的温度下限时，喷雾系统则自动关闭。这样就可度低于设定的温度下限时，喷雾系统则自动关闭。这样就可 以防止在单独的工作点附近产生震荡。增湿塔出口温度被作以防止在单独的工作点附近产生震荡。增湿塔出口温度被作 为调节参数，控制器将增湿塔出口温度作为参考值与设定温为调节参数，控制器将增湿塔出口温度作为参考值与设定温 度比较，从而完成自动调节出口温度的恒定及控制塔内的喷度比较，从而完成自动调节出口温度的恒定及控制塔内的喷 水量。即温度传感器检测到出口温度经变

28、送器变送为水量。即温度传感器检测到出口温度经变送器变送为4- 20mA的控制信号，使用该信号控制电动调节阀的开度，进的控制信号，使用该信号控制电动调节阀的开度，进 而完成对喷水量的控制。而完成对喷水量的控制。 本系统采用可编程控制器作为核心，完成了模拟量、开本系统采用可编程控制器作为核心，完成了模拟量、开 关量的输入以及输出、数学运算等功能如：关量的输入以及输出、数学运算等功能如： 故障报警：对出口的温度上下限进行了设置，在超过温度上故障报警：对出口的温度上下限进行了设置，在超过温度上 限或低于温度下限时能自动发出报警信号同时也在在异常情限或低于温度下限时能自动发出报警信号同时也在在异常情 况如缺水、停窑、温