锅炉控制系统设计

锅炉控制系统设计第1页，共16页，2023年，2月20日，星期四B、锅炉给水介绍：该工厂的给水来自于工厂的自备水库，通过给水泵将水从水库里抽出，由给水管道，经给水阀门沿给水管道进入锅炉的汽包中。由于给水泵是三相电动机拖动水泵运行，而工厂一带的电网电压、频率波动较大，为了维持汽包水位稳定在安全范围内，需对汽包水位控制系统进行精密设计，使控制信号驱动给水电磁阀门和给水泵，使二者协调工作，维持正常的安全水位。C、锅炉减温水介绍：用作锅炉过热蒸汽的减温水来自于该工厂的某一生产线产生的清洁温水，约20℃左右，由于生产线温水储备箱中的温水由减温水泵抽出，通过减温水电磁阀门，沿减温水管道进入减温器，对过热蒸汽减温。同样，由于工厂附近的电压、频率扰动，对减温水的流量造成扰动，另外，由于蒸汽经过过热器会造成时间上的延迟，因此要及时有效的控制蒸汽温度，必须克服减温水泵的转速扰动和过热器的时间延迟。结合所学理论知识，经过分析，用串级控制系统对蒸汽温度进行控制能满足要求。D、本锅炉控制系统的控制任务：稳定过热蒸汽的温度、维持汽包水位在规定的范围内、稳定炉膛压力、维持经济燃烧。第2页，共16页，2023年，2月20日，星期四

2、锅炉水位控制系统设计A、1）锅炉汽包水位系统示意图

第3页，共16页，2023年，2月20日，星期四2）汽包三冲量水位控制系统原理图及框图

第4页，共16页，2023年，2月20日，星期四B、选用本方案原因：用三冲量控制系统的原因：单冲量控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，该方法结构简单，但克服不了“虚假水位”的影响;双冲量控制系统引入蒸汽流量作为前馈信号，减少了由于“虚假水位”带来的变化影响，但控制作用不能及时克服给水流量的扰动，当给水发生扰动时，要等到汽包水位信号变化时才能调节执行器，滞后时间较长。因此本设计中的锅炉采用三冲量控制系统，即调节系统接受三个调节信号:水位H、蒸汽流量D和给水流量G，三冲量控制是在传统的PID串级控制上，引入了前馈控制，构成串级—前馈复合控制系统。第5页，共16页，2023年，2月20日，星期四

3、蒸汽温度控制系统设计A、1）锅炉汽水系统流程示意图

第6页，共16页，2023年，2月20日，星期四2）过热蒸汽温度串级控制系统及框图

第7页，共16页，2023年，2月20日，星期四B、根据过热蒸汽温度θ来控制减温水流量QW。当过热蒸汽入口蒸汽温度或减温水出现扰动时，要等到出口过热蒸汽温度θ发生变化后，调节器能及时发现并使执行器动作，控制减温水流量QW；而当QW改变后，能影响过热蒸汽温度θ。

第8页，共16页，2023年，2月20日，星期四

4、锅炉燃烧控制系统设计A、燃烧系统是一个燃料量、送风量、引风量、主蒸汽烟气含氧量、炉膛负压以及燃料的质量和空气含氧量等干扰因素对燃烧系影响，而且存在很强的耦合性。可以将锅炉燃烧系统视为三输入三输出系入量为燃料量、送风量和引风量;输出量为主蒸汽压力、烟气含氧量和炉膛。采用热量信号的燃烧调节系统原因：该工厂采用煤作为锅炉的燃料，通过给煤机、炉排把煤粉送进炉膛燃烧。而燃料煤来源于工厂的储煤仓，由于工厂效益、工厂生产规模等因素的限制，该工厂所用做燃料的煤，煤质不是太好，煤质变化不均、煤层厚度不均匀，所以煤燃烧时产生的热量变化也就很频繁，这对燃烧系统的扰动是很大的。这就要求我设计的燃烧控制系统要能及时地消除由于煤质变化不均、煤层厚度不均匀等因素所引起的燃料方面的扰动，而应用所学知识，用采用热量信号的燃烧控制系统可以有效满足上述要求。

第9页，共16页，2023年，2月20日，星期四B、采用热量信号的燃烧调节系统方块图

第10页，共16页，2023年，2月20日，星期四C、在锅炉燃烧调节系统中，热量信号要用蒸汽流量D加上汽包压力的变化率来代表燃料量的测量信号。热量信号只反映燃料量的变化不反映用蒸汽的变化，而当蒸汽负荷变化时，只要进入炉膛的燃料量不变，热量信号就应该没有变化。实际应用热量信号时，使蒸汽流量信号D和汽包压力的变化率这个信号恰当配合，使二者之和只反映燃料量的变化。汽包压力变化速度，采用微积分器，微分器输出的信号就是汽包压力变化速度。蒸汽流量D与汽包压力蒸汽变化速度通过加法器∑组合起来成为热量信号，送入燃料调节器。当锅炉发生燃料内部扰动时，汽包蒸汽压力立即随之变化，使燃料调节器及时调整炉排转速，改变给煤量，迅速克服燃料内部扰动，使汽包压力变化稳定，同时送风量调节器随之动作，主调节器也随之动作，使燃料量与送风量相匹配。负荷蒸汽变化时，主调节器接受蒸汽压力信号P，输入燃料调节器，及时调节燃煤量以适应负荷变化。同时，燃料调节器将负荷变化的信号输入风量调节器，以保证适当的风煤比例。当由于风量调节器与负压调节器之间有动态补偿信号，此时负压调节器也同时动作，这样就保证了燃烧调节系统的协调动作，保证了正确的风煤比和适合的炉膛负压。风量调节器又接收烟气中含氧信号O2，作为维持风煤每比的校正信号。负压调节器也接受炉膛负压信号ST，作为时对炉膛负压的校矫正作用。第11页，共16页，2023年，2月20日，星期四D、原电池式氧传感器：

原电池的正极采用铅等普通易氧化金属，负极采用金铂等贵重金属，隔膜选用氧气穿投型号的聚乙烯或氟烯脂薄膜，其厚度为10—20mm，电解液为过氟HCL04、四氟乙树硅酸H2SiF4或六氟代硅酸等电解液，原电池的正负极、隔膜、检知部分及电解液一起封装在外壳内。当氧气穿过隔膜时就被融解在隔膜与负极之间的电解液层中，然后达到负极表面，在负极表面被还原，同时正极的铅又被氧化，这时流过电池的电流与氧气的浓度成正比。利用这一特性，可通过检测这种电流来检测氧气的浓度。原电池式氧传感器的输出特性线度性很好，可以从0—100%的氧气浓度范围内都成直线关系，当接触传感器周围的氧气浓度发生变化的时候，从传感器输出开始变化到最终输出90%所需要的时间不大于10秒。原电池式氧传感器具有结构简单、体积小、重量轻等优点，不但可以在常温下使用，而且能在0—100%的氧气浓度范围内精确的测定氧气的浓度，所以它适用于多种场合，如测定燃烧废气中的氧气及检测氧气的泄漏。而氧化锆氧量计测出的氧浓度差电动势与烟气含氧量成非线性关系，必须经过线性化处理才能得到标准信号。第12页，共16页，2023年，2月20日，星期四

5、报警系统设计本报警系统由检出元件、信号报警器、音响器、按钮等组成。主要的控制参数有汽包水位、蒸汽压力、蒸汽温度、炉膛负压等，本设计所设计的是具有声音和闪光的报警系统。当汽包水位、蒸汽压力、蒸汽温度、炉膛负压等过程参数发生越限时，检测元件检测到这个信号后，就会发出信号，并将其送到信号报警系统，报警系统发出声音和闪光信号，以便现场操作人员及时得知后报警信号，及时按下消音按钮，并采取一定的措施之后，使锅炉过程参数恢复到安全范围之内，灯光熄灭.另外还设置了故障报警：送风机故障报警、引风机故障报警、给水泵故障报警、循环泵故障报警、减温水泵故障报警、送燃料机故障报警等。声光报警装置由扬声器和指示灯组成。其中，扬声器1个;报警指示灯16个:1个电源指示灯；1报警装置正常工作指示灯；每个过程参数对应2报警指示灯：越上限报警指示指示灯和越下限报警指示灯；6个故障报警指示灯；4检测参数和6路故障报警信号共用一个扬声器，因为只要有参数越限，或设备出现故障扬声器就会发出声音，同时相应的报警指示灯亮就会亮起。第13页，共16页，2023年，2月20日，星期四

6、锅炉PLC控制系统设计A、控制系统设备选型：PLC：选择日本三菱公司生产的FX2N—系列的PLC，其型号为FX2N—64MR。输入：18路，其中故障报警6路，锅炉过程参数变送器信号11路。输出：19路，其中越限报警输出8路，故障报警输出6路，电磁线圈或调节阀门或者电动机控制信号5路。输入/出电压范围：0~5V，输出电流范围：0~10mA。DL-5型电源滤波器1台；PS-2型电源2台；A/D转换器、D/A转换器、信号放大器若干。B、PLC梯形图说明：首先要对锅炉工艺参数原值和上下限值（水位、温度、压力、炉膛负压).然后是对水位测量信息采集，之后调用水位控制模块P0，调用之后返回主程序，输出给水阀控制信号。接下来，采集蒸汽温度测量信息、调用温度控制模块P1，调子程序返回后输出减温水阀门控制信号；然后是燃烧控制系统测量信息采集，之后调用送风控制模块P2，输出送风机控制信号；再调用引风控制模块P3，输出引风机控制信号；然后再调用给煤控制模块P4，输出给煤机控制信号。第14页，共16页，2023年，2月20日，星期四最后计入故障报警系统测量信息采集，输出故障报警信号。关于每个子程序模块，都设有越限报警输出，调节规律参数设定，然后调用P或PID算法模块，进行计算之后得到控制量。C、本论文的不足之处：本论文所用的控制方案大都是基于比较传统、常规的控制控制理论，而许多先进的控制理论和方案没有涉及；关于论文中的三相电动机的调速系统，没有给予重点研究；关于PLC控制系统的选型，现在市场上有专门与之配套的A/D转换器、D/A转换器，而自己设计时，却没有用到这些器件；关于设计中的参数整定问题，由于自己操作不熟练、试验设备的精度、不能到工业现场调试等原因，整定的参数可能会不很准确；对于变送器、传感器、执行器的选择，本人对此知之甚少，不太了解，因此所选设备可能会对控制效果造成一定的影响；关于本设计中的软件设计，由于本人知识和能力有限，也有不妥之处，也没有设计锅炉的实时自动监控系统和自动记录系统。这些不妥之处当然是可以通再努力来改善解决的。通过仔细而有计划的市场调查，多与有经验的专业技术人员交流，多多了解锅炉行业的有关业内动态和先进控制技术的发展，积极主动地学习先进的技术，多在工业现场锻炼自己，积累经验，在现实条件下，以节能、降耗、环保为设计原则，设计出实用、可靠、而投资又少的控制方案是条很好的途径。第15页，共16页，2023年，2月20日，星期四

7、毕业设计总结

本设计是在结合使所学的过程控制系统与自动化仪表技术和计算机控制技术，联系工厂实际客观情况的基础上，对该工厂的锅炉控制系统进行的设计。设计中把整个锅炉控制系统分为三个子系统分别设计：汽包水位控制系统、蒸汽温度控制系统和燃烧控制系统。本论文设计的锅炉控制系统是以可编程逻辑控制器（PLC）为核心的控制系统，把传统的模拟调节器改进成为数字调节器，通过软件来实现各种控制算法。在对锅炉设备充分了解的基础上包括对锅炉的结构、组成、工作过程以及锅炉性能参数等，对各个子系统被控对象正确确定和合理分析之后，提出了自己的设计方案，进而确定控制规律、传感器、变送器、执行器的选择，最后还对调节器进行了参数整定。整体上看，本次设计是可以的，在工