燃煤锅炉炉膛负压单回路控制系统

1、中北大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 学 号： 学 院： 专 业： 题 目： 炉膛负压单回路控制系统 指导教师： 年月 日 课程设计任务书 学年第 学期学 院： 专 业： 学 生 姓 名： 学 号： 课程设计题目： 炉膛负压单回路控制系统 起 迄 日 期： 课程设计地点： 指 导 教 师： 系 主 任： 下达任务书日期: 年 月 日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：（1）培养学生运用过程检测仪表与控制技术及其他相关课程的知识，结合毕业实习中学到的实践知识，独立地分析和解决实际过程控制的问题，初步具备设计一个过程控制系统的能力。 （2）运用工程的方法，通过一个简单课题的设计练习，可使

2、学生初步体验过程控制系统的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法。（3）培养学生独立工作能力和创造力；综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；（4）培养查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；（5）培养编写技术报告和编制技术资料的能力。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：经过过程检测仪表与控制课程的学习和生产实习后，对现场的实际过程控制策略、实际环节的控制系统有了一定的认识和了解。在此基础上，针对实践环节中的被控对象（控制装置），独立完成控制系统的设计，并通过调节系统控制参数，达到较好的控制效果。 确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，给出

3、控制流程图；现场仪表选型，编制有关仪表信息的设计文件；给出控制系统方框图；分析被控对象特性，选择控制算法；进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能；写出设计工作小结。对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：如设计思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出说明，并对所完成的设计作出评价，对自己整个设计工作中经验教训，总结收获。1设计目的：（1）培养学生运用过程检测仪表与控制技术及其他相关课程的知识，结合毕业实习中学到的实践知识，独立地分析和解决实际过程控制的问题，初步具备设计一个过程控制系统的能力。 （2）运用工程的方法，通过一个简单课题的设计练习，可使学生初步体验过程控制系统

4、的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法。（3）培养学生独立工作能力和创造力；综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；（4）培养查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；（5）培养编写技术报告和编制技术资料的能力。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：经过过程检测仪表与控制课程的学习和生产实习后，对现场的实际过程控制策略、实际环节的控制系统有了一定的认识和了解。在此基础上，针对实践环节中的被控对象（控制装置），独立完成控制系统的设计，并通过调节系统控制参数，达到较好的控制效果。 确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，给出控制流程图；现场仪表选型

5、，编制有关仪表信息的设计文件；给出控制系统方框图；分析被控对象特性，选择控制算法；进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能；写出设计工作小结。对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：如设计思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出说明，并对所完成的设计作出评价，对自己整个设计工作中经验教训，总结收获。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：1确定系统整体控制方案、仪表选型、系统控制流程图、选择控制算法。2撰写课程设计说明书一份（A4纸）。4主要参考文献：1过程装备控制技术及其应用 王毅 主编 HYPERLINK :/search.dang

6、dang /dangdang.dll?key=机械工业出版社&showall=0&mode=13 化学工业出版社2过程自动化及仪表 俞金寿 HYPERLINK :/ timesinfor /zzcx.asp?searchkey=刘玉梅主编 o 搜索刘玉梅主编相关作品 t _blank 主编 HYPERLINK :/ timesinfor /cbcx.asp?searchkey=化学工业出版社 o 搜索化学工业出版社相关作品 t _blank 化学工业出版社 3工业过程控制工程 王树青 HYPERLINK :/ timesinfor /zzcx.asp?searchkey=刘玉梅主编 o 搜索刘

7、玉梅主编相关作品 t _blank 主编 HYPERLINK :/ timesinfor /cbcx.asp?searchkey=化学工业出版社 o 搜索化学工业出版社相关作品 t _blank 化学工业出版社4控制仪表及装置 吴勤勤 HYPERLINK :/ timesinfor /zzcx.asp?searchkey=刘玉梅主编 o 搜索刘玉梅主编相关作品 t _blank 主编 HYPERLINK :/ timesinfor /cbcx.asp?searchkey=化学工业出版社 o 搜索化学工业出版社相关作品 t _blank 化学工业出版社5过程控制仪表 徐春山 HYPERLINK

8、:/ timesinfor /zzcx.asp?searchkey=刘玉梅主编 o 搜索刘玉梅主编相关作品 t _blank 主编 HYPERLINK :/ timesinfor /cbcx.asp?searchkey=化学工业出版社 o 搜索化学工业出版社相关作品 t _blank 冶金工业出版社6过程装备成套技术设计指南工程 黄振仁 HYPERLINK :/ timesinfor /zzcx.asp?searchkey=刘玉梅主编 o 搜索刘玉梅主编相关作品 t _blank 主编 HYPERLINK :/ timesinfor /cbcx.asp?searchkey=化学工业出版社 o

9、搜索化学工业出版社相关作品 t _blank 化学工业出版社7过程控制装置 张永德 HYPERLINK :/ timesinfor /zzcx.asp?searchkey=刘玉梅主编 o 搜索刘玉梅主编相关作品 t _blank 主编 HYPERLINK :/ timesinfor /cbcx.asp?searchkey=化学工业出版社 o 搜索化学工业出版社相关作品 t _blank 化学工业出版社8化工单元过程及设备课程设计 匡国柱 HYPERLINK :/ timesinfor /zzcx.asp?searchkey=刘玉梅主编 o 搜索刘玉梅主编相关作品 t _blank 主编 HYP

10、ERLINK :/ timesinfor /cbcx.asp?searchkey=化学工业出版社 o 搜索化学工业出版社相关作品 t _blank 化学工业出版社9化工设备设计设计手册（上、下） 朱有庭 HYPERLINK :/ timesinfor /zzcx.asp?searchkey=刘玉梅主编 o 搜索刘玉梅主编相关作品 t _blank 主编 HYPERLINK :/ timesinfor /cbcx.asp?searchkey=化学工业出版社 o 搜索化学工业出版社相关作品 t _blank 化学工业出版社10工业过程检测与控制 孟华 HYPERLINK :/ timesinfor

11、 /zzcx.asp?searchkey=刘玉梅主编 o 搜索刘玉梅主编相关作品 t _blank 主编 HYPERLINK :/ timesinfor /cbcx.asp?searchkey=化学工业出版社 o 搜索化学工业出版社相关作品 t _blank 化学工业出版社5设计成果形式及要求：提供课程设计说明书一份，要求内容与设计过程相符，且格式要符合规定要求；系统控制流程图一份；6工作计划及进度：2011年12月19日-12月21日 确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，画出控制流程图，完成仪表选型，接线图； 12月21日- 12月25日 控制系统方框图，分析被控对象特性，选择控制算法；

12、 12月 25日-12月28日 进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能； 12月28日- 12月31日 编写课程设计说明书 2012年1月 4日 答辩系主任审查意见： 签字： 年 月 日目 录1系统整体控制方案 1 炉膛负压概述 1 控制过程简述 1控制系统选择 2 1.4 系统流程图 32 仪表的选型 3 2.1 压力计选型 3 2.2 引风机选型 4 2.3 炉膛压力测量 43 系统方框图 54 被控对象特性 5 4.1 炉膛动态特性 5 4.2 控制算法的选择 55 系统仿真 6 5.1 各环节传递函数 6 5.2 matlab仿真 7 课程设计总结 8 参考文献 8 （燃煤锅炉）炉膛

13、负压单回路控制系统一，系统整体控制方案（燃煤锅炉） 1，炉膛负压概述炉膛压力是指送入炉膛内的空气、煤粉及烟气和引风机吸走的烟气量之间的平衡关系，即指炉膛顶部的烟气压力。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。炉膛负压的大小受引风量、鼓风量与压力三者的影响。锅炉正常运行时，炉

14、膛通常保持负压 -40 -60Pa 。炉膛负压太小，炉膛向外喷火和外泄漏高炉煤气，危及设备与运行人员的安全。负压太大，炉膛漏风量增加，排烟损失增加，引风机电耗增加。2，控制过程简述使用压力表检测出炉内压力,把压力信号转换为电流4-20 m 。炉膛负压是一个快过程，只要PI参数整定合适，一般采用单回路闭环负反馈，控制量为引风机的变频器 即可达到目的。炉膛负压的控制对象是引风机挡板所控制的引风量，炉膛负压的动态特性是引风量阶跃变化时，炉膛负压随时间变化的特性，如下图1所示。由于炉膛负压反应很快，可做比例特性来处理。 图1 炉膛负压比例特性 炉膛负压给定由仪表调节器面板设定，同炉内负压检测和变送器检

15、测到的负压实际值比较，经仪表调节器 PI 运算后输出 4 20 mA 电信号，作为变频器频率给定信号，用于变频器控制电机转速，达到自动控制风量的目的。3，控制系统的选择系统采用单回路控制系统，即一个调节器，一个执行器，一个检测变送器，只有一个闭环。控制对象为锅炉炉膛，测量元件采用压差变送器，执行器是炉膛引风机变频器。被控变量是炉膛顶部烟气出口压力。给定值为系统需要的合适的炉膛压力值，测量值由炉膛顶端压力计测量得到。操控变量是引风机变频器频率。干扰为炉膛内引风量落后于燃料量和鼓风量的控制，可能引起系统大的波动，造成不稳定因素压力变化等。控制信号为调节器根据偏差信号计算出得到的用以控制引风机变频器

16、的4-20 mA电流信号。4，系统流程图： PTPC 锅炉风机变频器 图2 系统流程图二，仪器仪表的选型1，压力计由于炉膛温度高，压力小，且一般是负压，所以选用压力传感器，可采用炉膛负压传感器。 图3 PTP802 供应炉膛负压传感器 压力传感器 PTP802差压变送器采用OEM硅压阻式差压芯体组装而成，外壳为铝合金结构。两个压力接口为M10螺纹和旋塞结构，可直接安装在测量管道 上或通过引压管连接。广泛应用于锅炉送风、井下通风等电力、煤炭行业压力过程控制领域。 主要技术参数: 量 程: -50Pa050Pa200Pa1KPa1MPa 综合精度: 0.5%FS、1.0%FS 输出信号: 1.0m

17、V/V、2.0mV/V(四线制)，420mA(二线制)、05V、15V、010V(三线制) 供电电压: 24DCV(936DCV) 介质温度: -2085 环境温度: 常温(-2085) 负载电阻: 电流输出型：最大800；电压输出型：大于50K 绝缘电阻: 大于2000M (100VDC 密封等级: IP65 长期稳定性能: 0.1%FS/年 振动影响: 在机械振动频率20Hz1000Hz内，输出变化小于0.1%FS 电气接口(信号接口): 引出导线 机械连接(螺纹接口): M101。2，引风机将锅炉燃烧产物（烟气）从锅炉尾部吸出，并经烟囱排入大气的风机。安装在锅炉除尘器之后，亦称吸风机。

18、由于燃煤锅炉烟气中还有较多粉尘，对引风机磨损作用较大，因此引风机转速不宜大于1000r/min，一般取500-750r/min。其电机选用变频电机，用来接收调节器发出的控制信号，并控制引风机的转速从而调节引风机的风速，从而对炉膛压力进行控制。具体过程为：通过炉膛上的负压变送器将炉膛压力标准电信号送入引风变频器PID控制器的反馈通道,经处理后与设定炉膛负压力比较,经过PID控制器产生运算信号,此信号控制引风变频器调节电机转速,使炉内负压稳定在设定值,从而达到自动跟踪鼓风保持炉膛负压恒定目的。引风电机速度随着炉膛负压值的变化而变化。即保证锅炉燃烧部分的自动运行。可选用三晶变频器，引风变频功率:SA

19、J8000（185KW)，主要技术参数：(1)主回路电源：三相五线制。380V+10%。(2)控制回路电压：220V引风机型号 表1离心引风机性能表 3，炉膛压力的测量炉膛压力的测量采用3个差压变送器，3个差压变送器的输出分别送到3个小值选择器，3个小值选择器的输出再送到大值选择器，大值选择器的输出为3个差压变送器的输出（测量）值的中间值。采用3个差压变送器的目的是为了防止因变送器故障或信号管路堵塞而影响测量值的可靠性，从而影响炉膛压力控制的可靠性。测量的中间值与差压变送器的输出（测量）值进行比较，如果偏差超出一定范围，则将发出报警信号。三，系统方框图压差变送器 炉膛 控制器f 引风机变频器+

20、- PID K G(s) 图4 炉膛负压单回路控制系统方框图控制器采用PID控制规律，变频器可看作是一个比例控制环节K。四，被控对象特性1，炉膛动态特性炉膛负压的控制对象是引风机挡板所控制的引风量，炉膛负压的动态特性是引风量阶跃变化时，炉膛负压随时间变化的特性，当送风量或引风量单独改变时，炉膛负压变化的惯性很小，故可将炉膛负压对象近似看成是一个时间常数很小的一阶惯性环节。 即其数学模型为：G(s)=，时间常数T很小。静态放大系数为：K=可利用切线法或者两点法求得时间常数T和滞后时间。2，控制算法的选择炉膛负压是一个快过程，只要PID控制规律参数整定合适，一般采用单回路闭环负反馈 即可达到目的。

21、其表达式如下:u(t)=Ke(t)+工业上其实际传递函数为：G(s)=K ,其中K=FK T=FT T=T/F带*的量为调节器参数的实际值，不带*的值为各参数的刻度值，F为相互干扰系数；K为积分增益。 五，系统仿真1，各环节传递函数炉膛压力变化可以看做是时间常数很小的一阶惯性环节，即G(s)=，可取K=0.5，T=10，滞后时间短。 2，matlab仿真对调解器进行参数整定，即对PID控制规律中调节器的比例度，积分时间，微分时间三个参数的大小进行确定，可以利用经验试凑法，临界比例法，衰减曲线法等办法对调解器参数进行整定。在本系统中为压力控制系统，为快速系统，对象容量滞后较小，被控变量有波动因此

22、，微分调节规律的作用很小，可忽略，系统比例度要大，积分时间可小，因此，可取K=50，I=10000，D=20，进行仿真实验：如下图 图5 simlink连接图其仿真图如下： 图6 系统仿真震荡曲线通过仿真，可以得到整定之后P=50，I=10000，D=20。由仿真可以看到，系统经过3s左右的震荡时间可以恢复到系统设定值，基本满足控制要求！六，课程设计总结通过这次课程设计，我看到了过程装备与控制工程这门专业的精髓，我认真学习了过程控制仪表与技术这门课本，收获了很多，我基本了解了炉膛负压原理与控制，差压变送器的基本原理，以及整个成套设备的流程运行情况，最关键的是我明白了调节器的调节规律，PID的参

23、数整定，感觉书上说的那些经验法和比例法等等的数据有时不可靠，需要按照实际控制系统特性，再用matlab仿真软件调节PID的数值，我学会了用Simlink仿真系统的稳定性，在王老师的指导下，我实现了各种环节的的各种调节，清楚的认识了PID调节规律的特性。该系统气压的PID调节控制最好的效果是用PD控制,而且系统比较敏感,PD参数不好确定,在多次实验后,才最终确定PID值,因为系统是单冲量单回路,没有前馈和串级控制系统稳定性好。 通过课程设计，我对以前书本上所学的知识有了更深的理解，也为将来知识的学习打下了坚实的基础。七，结束语这次课程设计增长了我把知识运用到实际的能力，加深了对课本知识的理解。另

24、外，感谢刘广璞、崔宝珍、刘波老师的辛勤指导，让我的课程设计得以顺利地完成。八、参考文献1过程装备控制技术及其应用 王毅 主编 HYPERLINK :/search.dangdang /dangdang.dll?key=机械工业出版社&showall=0&mode=13 化学工业出版社2过程自动化及仪表 俞金寿 HYPERLINK :/ timesinfor /zzcx.asp?searchkey=刘玉梅主编 o 搜索刘玉梅主编相关作品 t _blank 主编 HYPERLINK :/ timesinfor /cbcx.asp?searchkey=化学工业出版社 o 搜索化学工业出版社相关作品

25、t _blank 化学工业出版社3工业过程控制工程 王树青 HYPERLINK :/ timesinfor /zzcx.asp?searchkey=刘玉梅主编 o 搜索刘玉梅主编相关作品 t _blank 主编 HYPERLINK :/ timesinfor /cbcx.asp?searchkey=化学工业出版社 o 搜索化学工业出版社相关作品 t _blank 化学工业出版社4控制仪表及装置 吴勤勤 HYPERLINK :/ timesinfor /zzcx.asp?searchkey=刘玉梅主编 o 搜索刘玉梅主编相关作品 t _blank 主编 HYPERLINK :/ timesinfor /cbcx.asp?searchkey=化学工业出版社 o 搜索化学工业出版社相关作品 t _blank 化学工业出版社5过程控制仪表 徐春山 HYPERLINK :/ timesinfor /zzcx.asp?searchkey=刘玉梅主编 o 搜索刘玉梅主编相关作品 t _blank 主编 HYPERLINK :/ timesinfor /cbcx.asp?searchkey=化学工业出版社 o 搜索化学工业出版社相关作品 t _blank 冶金工业出版社6过程装备成套技术设计指南工程 黄振仁 HYPER