锅炉控制系统设计

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武汉工程大学课程设计说明书课题名称：锅炉装置自动控制系统设计专业班级：************学生学号：******学生姓名：**学生成绩：指导教师：*****课题工作时间：2012.12.17至2012.12.21武汉工程大学教务处填写说明：1.表中第一、二、三、六项由指导教师填写；第四、五两项由学生填写。2.表中第一、二、三在在课程设计开始前填写，第四、五、六项在课程设计完成后填写。3.本表格填写完整后连同正文装订成册。一、课程设计的任务或学年论文的基本要求任务：完成锅炉装置自动控制系统设计。包括熟悉锅炉装置工作要求，确定系统方案。合理选择控制设备型号及规格，编制设备表。完成相关图纸的设计。编制设计说明书。要求：控制方案合理、控制设备选型合理，图纸符合有关设计标准及规范。具体内容包括设计说明书，包括锅炉装置工艺说明相关控制系统说明自控设备选型（计算）说明自控设备表一览表设计图纸（图纸符合相关国家标准），包括仪表管道流程图（PID）仪表盘正面布置图仪表盘背面电气接线图二、进度安排1～2收集查阅资料，熟悉锅炉装置操作要求确定系统控制方案及选型原则3～4熟悉相关图纸标准、绘制流程图设备选型、编制设备一览表，绘制布置图及接线图5设备计算撰写设计说明书、答辩三、参考资料或参考文献产品手册及选型样本杨三青，王仁明，曾庆山.过程控制.华中科技大学出版社.2008孙洪程等.过程自动化工程.机械工业出版社.2010孙洪程，李大宇.过程控制工程设计.化学工业出版社.2009谭天恩，窦梅，周明华等.化学工业出版社.2006指导教师签字：年月日教研室主任签字：年月日四、课程设计摘要（中文）本次设计中，我们选取的被控对象为工业领域广泛应用的自然循环锅炉。根据工艺流程指标及其控制要求，本次设计采用反馈控制方案来控制烟气含氧量、排烟温度、蒸汽温度、汽包水位、炉膛压力、燃料气压、除氧器压力及其液位。另外，考虑到安全因素，本次设计还采用了串级控制方案，以蒸汽压力为主变量、汽包压力为副变量，来满足对蒸汽压力的控制。根据控制方案及控制要求，本次设计还完成了自控设备的选型和工艺管道流程图的相关设计内容。关键字：锅炉；反馈控制；串级控制五、课程设计摘要（英文）Inthedesignthecontrolledobjectwechooseisadevicewhichiswidelyusedinthenaturalcirculationofindustrialfield.Thefeedbackcontrolschemeisadoptedtosatisfythecontrolrequirementsoftheoxygencontentofthefluegas,smoketemperature,steamtemperature,steamdrumwaterlevelofboiler,furnacepressure,fuelpressure,deaeratorpressureanditsliquidlevelaccordingtotheprogress.Inaddition,thecascadecontrolschemeisalsoadoptedtomeettherequirementofthesteampressurewiththesteampressureasmainvariablesandthedrumpressureasassistantvariable,consideringsecurity.TheselectionoftheautomationequipmentsandthePIDarealsocompletedinthisdesign.Keywords:Boiler;Feedbackcontrol;Cascadecontrol六、指导教师评分评价内容具体要求权重得分调查论证能独立查阅文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。10实践能力独立设计、计算、绘图的能力（课程设计）；能正确选择研究（实验）方法，独立进行研究的能力（学年论文）15分析解决问题能力能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题（课程设计）；或能对课题进行理论分析，得出有价值的结论（学年论文）。15工作量、工作态度按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。10质量综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理（或设计过程完整，设计内容完全）；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文（设计）结果有参考价值。40外语和计算机应用能力在课程设计或学年论文中，能够体现外语和计算机的应用能力。5创新工作中有创新意识；对前人工作有改进或独特见解。5综合评语指导教师签字：年月日七、答辩记录记录人（签字）：年月日答辩意见及答辩成绩答辩小组教师（签字）：年月日课程设计总评成绩：（指导教师评分×80%+答辩成绩×20%）目录1.锅炉流程 11.1工艺流程介绍 11.2工艺过程简介 21.3仪表及操作设备说明 32.控制要求及操作步骤 42.1主要控制要求 42.2主要操作步骤与运行指标 43.控制系统说明 63.1烟气含氧量的控制 63.2烟气温度的控制 73.3蒸汽温度的控制 73.4蒸汽压力的控制 73.5炉膛压力的控制 73.6燃料气压的控制 83.7除氧器的压力的控制 83.8除氧器的液位的控制 83.9汽包水位的控制 94.自控设备的选型及其计算 94.1检测类仪表 94.2分电盘的选型 104.3调节阀的选型 105.设计施工图说明 115.1仪表管道流程图（见附录1） 115.2仪表盘正面布置图（见附录2） 115.3仪表盘背面电气接线图（见附录3） 11附录1 12附录2 13附录3 14PAGEPAGE15 1.锅炉流程1.1工艺流程介绍所选被控对象为工业领域广泛应用的自然循环锅炉。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。燃料经由燃料泵P1102泵入炉膛F1101的燃烧器；空气经由变频鼓风机K1101送入燃烧器。燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使锅炉水汽化。燃烧产生的烟气带有大量余热，对省煤器E1102中的锅炉上水进行预热。1.2工艺过程简介软化水流量为F1106，温度为常温20℃锅炉上水流量为F1101，锅炉上水管线上设有上水泵出口阀XV1101，上水管线调节阀V1101，以及旁路阀HV1101。锅炉上水被分为两路。一路进入减温器E1101预热，预热后与另外一路混合进入省煤器E1102。两路锅炉上水管道上分别设有调节阀V1102和V1103。正常工况时，大部分锅炉上水直接流向省煤器，少部分锅炉上水流向减温器，其流量为F1102。汽包V1102顶部设放空阀XV1104，汽包压力为P1103。汽包中部设水位检测点L1102。在汽包中通过汽水分离得到的饱和蒸汽温度为T1102，经过炉膛汽相升温得到的过热蒸汽温度为T1103。过热蒸汽进入减温器E1101，进行温度的微调。最终过热蒸汽压力为P1104，温度为T1104，流量为F1105。过热蒸汽出口管道上设调节阀V1105。燃料经由燃料泵P1102泵入炉膛F1101的燃烧器，燃料流量为F1103，燃料压力为P1101，燃料流量管线设调节阀V1104，燃料泵出口阀XV1102。空气经由变频风机K1101送入燃烧器，变频器频率为S1101（被归一化到0~100%之间），空气量为F1104。省煤器烟气出口处的烟气流量为F1107，温度为T1105。烟气含氧量A1101设有在线分析检测仪表。烟道内设有挡板DO1101。炉膛压力为P1102，炉膛中心火焰温度为T1101，为红外非接触式测量，仅提供大致温度的参考。1.3仪表及操作设备说明（1）检测仪表位号检测点说明单位位号检测点说明单位AI1101烟气含氧量%PT1101燃料压力MPaFT1101锅炉上水流量kg/hPT1102炉膛压力MPaFT1102去减温器的锅炉上水流量kg/hPT1103汽包压力MPaFT1103燃料流量kg/hPT1104过热蒸汽压力MPaFT1104空气量m3/sPT1106除氧器压力MPaFT1105过热蒸汽流量kg/hTT1101炉膛中心火焰温度℃FT1106软化水流量kg/hTT1102汽水分离后的过热蒸汽温度℃FT1107烟气流量kg/hTT1103进入减温器的过热蒸汽温度℃LT1101除氧器液位%TT1104最终过热蒸汽温度℃LT1102汽包水位%TT1105烟气温度℃（2）执行机构位号执行机构说明位号执行机构说明V1101锅炉上水管线调节阀V1106软化水管线调节阀V1102直接去省煤器的锅炉上水管线调节阀PV1101除氧蒸汽管线调节阀V1103去减温器的锅炉上水管线调节阀S1101鼓风机变频器V1104燃料管线调节阀DO1101烟道挡板V1105过热蒸汽管线调节阀（3）开关阀位号执行机构说明位号执行机构说明XV1101锅炉上水泵出口阀/截止阀XV1104汽包顶部放空阀XV1102燃油泵出口阀/截止阀XV1106通入除氧器下水箱的除氧蒸汽管线阀（4）手操阀位号执行机构说明HV1101锅炉上水管线调节阀旁路阀2.控制要求及操作步骤2.1主要控制要求（1）生产指标在过热蒸汽产量稳定的前提下，保证蒸汽的温度与压力达到工艺要求，并维持在允许的波动范围之内。（2）安全指标锅炉汽包水位、除氧器水位、炉膛压力、烟气含氧量等与系统安全相关的指标必须全程在允许范围之内。所有操作要保证有序进行，工况要保持全程稳定。各类生产过程中可能产生的异常要充分予以考虑。（3）优化指标出于对效能、环境等因素的考虑，要求在控制系统的设计和实施中对能耗、碳排放等指标予以充分考虑。2.2主要操作步骤与运行指标1、启动前阀位检查检查所有的阀门和开关都处于关闭状态。2、除氧器投运1)将软化水管线调节阀V1106打开，手动向除氧器充水，使液位指示达到400(mm)，并保持稳定。开除氧器下水箱蒸汽管线阀XV1106加热到100℃2)打开除氧蒸汽管线调节阀PV1101，将除氧器压力升至1000mmH2O。3、锅炉上水1)打开汽包放空阀XV1104。2)开启上水泵出口阀XV1101，全开去省煤器锅炉上水管线调节阀V1102。3)缓开给水调节阀的小旁路阀HV1101，手控上水（注意上水流量不得大于10t/h，因为上水过快，排气不畅，会导致局部受压，损坏设备）。待水位升至250mm，关闭旁路阀HV1101。4)调节V1101，使汽包水位达到300mm，并保持稳定。5)调节PV1101，将除氧器压力达到2000mmH2O，并保持稳定。4、锅炉点火升压1)检查汽包放空阀XV1104是否打开。2)全开烟道挡板DO1101，开启风机S1101通风5分钟，使炉膛不含可燃气体。3)将烟道挡板DO1101调至20%左右。4)打开点火器，点燃开工烧嘴。5)打开油路截止阀XV1102，开调节阀V1104，投入主燃料系统。6)升压过程应缓慢平稳，时间应严格控制不得小于10分钟，以免过热器管壁温度急剧上升和对流管束胀口渗水等现象发生。当蒸汽压力达到1.5MPa时，关闭汽包放空阀XV1104。7)过热蒸汽温度达到400℃8)当压力升至3.6MPa之后，保持此压力达到平稳。5、锅炉负荷提升1)检查蒸汽温度不低于420℃2)调整汽包水位为250~300mm。3)调整过热蒸汽压力在3.6~3.65MPa。4)缓慢开蒸汽管线调节阀V1105，约5%。5)调节蒸汽压力达到3.8MPa，并保持稳定。6)缓慢调节蒸汽管线调节阀V1105，提升燃烧负荷，使产汽量达到20t/h左右。7)检查燃油管线调节阀V1104位于小开度，调节蒸汽管线调节阀V1105，使负荷提至35t/h。8)缓慢调节V1105继续提升负荷，提升速度每分钟不得超过3-5t/h，同时注意调节燃油管线调节阀V1104补充燃油量，直至负荷升至65t/h。9)调整蒸汽温度达到440℃6、锅炉正常运行工况1)调整烟道挡板DO1101，使烟气含氧量维持在2%左右。2)蒸汽温度保持在(440±5)℃范围内。3)均衡进水，保持正常水位，使给水量和蒸汽负荷达到平衡。汽包水位控制在(300±30)mm。4)过热蒸汽压力保持在(3.8±0.05)MPa范围内。5)给水压力保持在4.8~5.5MPa。6)炉膛压力小于400mmH2O。7)排烟温度在200℃8)燃料气压力在0.29~0.31MPa。9)除氧器的压力在(2000±100)mmH2O。除氧器的液位在(400±30)mm。3.控制系统说明3.1烟气含氧量的控制（1）控制要求：烟气含量维持在2%左右。（2）分析：烟道起初需要全开，故DO1011为气关阀。氧气含量↑→AT1101↑→AC1101（正作用）↑→DO1101（气关阀）→氧气含量↓（3）控制方案为：用AC1101通过挡板DO1101对烟气含氧量实施反馈控制，2%对应于AC1101的给定值。3.2烟气温度的控制（1）控制要求：排烟温度在200℃（2）分析：V1102起初全开，故V1102为气关阀。排烟温度↑→TT1105↑→TC1105（反作用）↓→V1102（气关阀）↑→软化水从省煤器中带带走烟气的热量↑→排烟温度↓（3）控制方案：用TC1105通过控制V1102的开度来控制软化水的量，从而对排烟温度实现反馈控制，200℃3.3蒸汽温度的控制（1）控制要求：蒸汽温度保持在(440±5)℃范围内。（2）分析：V1103起初全关，故V1103为气开阀。蒸汽温度↑→TT1104↑→TC1104（正作用）↑→V1103（气开阀）↑→蒸汽温度在减温器中减小的温度↑→蒸汽的温度↓（3）控制方案：用TC1104通过控制V1103的开度来控制进入减温器的软化水的量，从而对蒸汽温度实现反馈控制，440℃3.4蒸汽压力的控制（1）控制要求：过热蒸汽压力保持在(3.8±0.05)MPa范围内。（2）分析：V1105起初全关，故V1105为气开阀。蒸汽压力↑→PT1104↑→PC1104（正作用）↑→V1105（气开阀）↑→蒸汽压力↓汽包压力↑→PT1103↑→PC1103（正作用）↑→V1105（气开阀）↑→蒸汽压力↓（3）控制方案：因为要求蒸汽压力稳定，而考虑到汽包内压力过大会产生安全隐患，所以选取汽包压力为副变量，PC1103为副调节器，蒸汽压力为主变量，PC1104为主调节器，通过二者对V1105开度的控制实现对蒸汽压力和汽包压力的串级控制。3.8MPa对应于主调节器PC1104的给定值，PC1104的输出为PC1103的给定值。3.5炉膛压力的控制（1）控制要求：炉膛压力小于400mmH2O。（2）分析：选取S1101为气关阀。炉膛压力↑→PT1102↑→PC1102（正作用）↑→S1101（气关阀）↓→炉膛压力↓（3）控制方案：用PC1102通过控制S1101的开度来控制进入炉膛的空气的量，从未实现对炉膛压力的反馈控制。PC1102给定值应小于400mmH2O。3.6燃料气压的控制（1）控制要求：燃料气压力在0.29~0.31MPa。（2）分析：选取V1104为气开阀，以节省燃料、降低安全隐患。燃料气压↑→PT1101↑→PC1101（正作用）↑→V1104（气开阀）↑→燃料气压↓（3）控制方案：用PC1101通过控制V1104的开度来实现对燃料气压的反馈控制，PC1101的给定值应在0.29~0.31MPa范围内。3.7除氧器的压力的控制（1）控制要求：除氧器的压力在(2000±100)mmH2O。（2）分析：选取PV1101为气关阀。除氧器的压力↑→PT1106↑→PC1106（正作用）↑→PV1101（气关阀）↓→除氧器的压力↓（3）控制方案：用PC1106通过控制PV1101的开度来控制除氧蒸汽进入除氧器的量，进而实现对除氧器的压力的反馈控制。2000mmH2O对应于PC1106的给定值。3.8除氧器的液位的控制（1）控制要求：除氧