工业锅炉的控制仿真(精)

翠峰山隧道防水排水设计6.1隧道防水排水设计原则隧道防排水应遵循“防,排,截结合,因地制宜,综合治理”的原则,保证隧道结构物和运营设备的正常使用和行车安全。隧道防排水设计应对地表水,地下水妥善处理,洞内外形成一个完整的防排水系统。“防”即要求隧道衬砌,防水层具有防水能力,防止渗水入洞内。“排”即隧道应有畅通的排水设施,将衬砌背后,路面结构层下的积水排如洞内中心排水沟或侧边沟。“截”是设置截水沟等设施,截走易渗入带隧道的地表水。“堵”是针对隧道围岩有渗漏水的地段,采用注浆,喷涂,堵水墙等方法,堵在岩体内。1、高速公路的隧道防排水应满足下列要求(1拱部,边墙,路面,设备箱洞不渗水。(2有冻害的地段的隧道衬砌背后不积水,排水沟不冻结。(3车行横通道,人行横通道等服务通道拱部不滴水,边墙不趟水。2、常用方法(1截水措施:在地表水上游设置截水导流沟,地下水上游设置泄水洞或洞外井点降水。(2堵水措施:喷射混凝土堵水,塑料板堵水,混凝土衬砌堵水,注浆堵水。(3排水措施:利用盲沟,泄水管,渡槽,中心排水沟或排水侧沟等将水排出洞外。6.2翠峰山隧道防水设计方案1、一般规定公路隧道防水的基本方法与措施如下(1公路隧道首先要重视防止地表水的下渗,其措施为填平、铺砌、勾补、抹面等;(2围岩破碎、涌水易坍塌地段,宜直接向围岩内预压浆;(3公路隧道衬砌防水,首先采取引排措施,然后敷设衬砌内、外防水层;也可修建复合式衬砌,采用夹层防水层;(4混凝土应满足抗渗要求;(5施工缝、变形缝等处的防渗应采用专门的防水措施。2、复合式衬砌防水系统隧道采用复合式衬砌,在初期支护和二次衬砌之间铺设防水板和无纺土工布组成的防水层,以防地表水渗漏进入隧道内，无纺布的密度为350g/m?，防水板采用易于焊接的防水卷材,厚度为1.2mm,接缝长度为120mm。3、二次衬砌防水系统二次摸筑衬砌采用防水混凝土,本身具有一定的抗渗阻水性能。充分利用混凝土衬砌的防水性能,是最基本的防水措施。改善和利用混凝土衬砌的抗渗防水性能,可以通过提高混凝土的抗渗等级,以及在施工过程中采用机械振捣,使其密实。二次衬砌施工缝、伸缩缝、沉降缝等是防渗漏水的薄弱环节。可靠的防水措施是指除按施工规范要求处理外,还应进行精心的设计,采用合理的防水材料和构造形式,二次衬砌施工缝、沉降缝的主要构造形式如下图。图6.1二次衬砌施工缝、沉降缝的构造形式6.3翠峰山隧道排水设计方案由水文地质条件可知,隧道区地表水系不发育,仅在冲沟内时有小股水流,雨季流量稍大,旱季甚微,对隧道施工及其运营影响小.场地地下水主要为基岩裂隙水,水文地质条件属于较简单类型。本隧道拟采用防排堵相结合的方法,在初期支护与二次衬砌之间设PVC板和无纺布堵水，全隧道布满。衬砌边墙脚喷砼与防水层之间设纵向透水软管,环向导水盲沟,由于地下水量不大,可不设中心排水沟,衬砌背后的地下水可以直接由路面边沟排出洞外，隧道洞门顶部设置洞顶截水沟，仰坡上设置截水天沟。隧道的防排水系统具体如下1、洞身部分根据地质勘察质料，隧道内一般地段有少量的地下水，仅在冲沟内时有小股水流。二次衬砌采用防水混凝土，衬砌背后采用PVC防水板加无纺布的防水层,采用无钉铺设施工，衬砌防排水见图6.2。防水层外环向每隔10m设一道盲沟，孔径设计为100mm,将喷射混凝土和防水板之间的裂隙水引入隧道洞内的纵向排水沟，环向盲沟见图6.3。两侧边墙各设纵向排水管一根，用以引导衬砌后的裂隙水聚集进入两侧排水边沟，衬砌边墙留设了纵向排水管检查口，拱角排水大样见图6.4。施工缝设缓膨胀型橡胶止水条，见图6.5，沉降缝采用中埋式橡胶止水带，见图6.6。图6.2衬砌防排水立面图图6.3环向盲沟示意图图6.4拱脚排水大样图图6.5施工缝防水示意图图6.6沉降缝橡胶止水带示意图2、洞口部分对两端洞口段地表水采用以截为主,排,堵,截结合的原则,在洞口山坡上设置截水天沟，尺寸大小为50cmx50cm。洞门顶部设置排水沟，尺寸大小为PVC垫片复合300g/m2无纺布防水层1.2mm厚PVC防水卷材膨胀型橡胶止水条背贴式PVC止水带焊接围岩初期支护钢筋卡橡胶止水带复合300g/m2无纺布初期支护PVC垫片焊接背贴式PVC止水带围岩防水层1.2mm厚PVC防水卷材60cmx60cm，见图6.7,边墙设纵向透水软管，使洞内外形成一个完整的排水体系。图6.7截水天沟3、路面排水隧道内路面设置单面横坡,坡度为-1.29%,隧道两侧对称设置有开口式明沟,如图6.8。检修道路面设计横坡1.5%,以利于表面排水;在墙脚侧设纵向凹槽,排水槽细部如图6.9,路侧边沟主要排引隧道围岩中的地下水、营运中隧道内清洗污水、消防污水和其它污水,电缆沟内集水也应引入路侧边沟,集中排出洞外。该隧道的防排水系统布置见图6.10所示图6.8开口式明沟2012年2月1.课程设计内容:学习《过程控制工程》课程和下厂实习后,在对现场的实际过程控制策略、实习环节的控制系统以及相应的组态软件有一定的认识和了解的基础上,针对实习环节的被控对象和控制装置,设计一个复杂控制系统（至少包含一个复杂回路和6-7个简单回路,并利用组态软件进行动态仿真设计,调节系统控制参数,使控制系统达到要求的控制效果。1确定自己的课程设计题目,三人一组;2用CAD软件绘制工艺流程图；3选用一种组态软件（例如:采用力控组态软件绘制系统工艺流程图,绘制控制系统原有的控制回路；4利用下厂收集的实际数据和工艺要求,选择被控对象模型,利用组态软件,对控制系统进行组态；5改进原有的控制回路,增加1-2个复杂回路,并进行组态；6调节控制参数,使性能指标达到要求；7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。2.进度安排（时间3周第1周第一天:课程设计安排,分小组,确定课题。第二天;安装需要用到的AutoCAD，组态软件MCGS。任务的分解。第三天:绘制工艺流程CAD图纸,（完毕第四天:搜集资料,做对象特性分析第五天:开始着手用MCGS绘工艺流程图，历史，实时，报警窗口的组态第二周任务一::理论控制方案的设计,根据要求有6~7个简单回路,1~2个复杂回路。周二日志，发现MCGS组态还需要MTALAB来搭建运行平台，而任务二:在控制方案完成的基础上进行实时数据库库的建立，第3周（1-3动画连接;设计控制策略（PID的应用，基于控制回路的；PID参数整定;调试，试运行。提高部分:为达到更好的控制效果，改进原有的控制回路，增加1-2个复杂回路，并进行组态；调节控制参数，使性能指标达到要求；第3周（4写设计工作小结第3周（5演示、答辩3锅炉对象特性分析:3.1工业锅炉工艺流程描述:本课题所选对象为自然循环锅炉，其工艺流程如下图1-1所示。软化水流量为F1106，温度为常温20°C,软化水经由上水泵P1101泵出。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。3.2工业锅炉装置特性描述:锅炉作为重要的动力设备,其控制的基本要求是供给蒸发量适应符合的需要。为此,生产过程的各个主要参数必须严格控制。锅炉设备也是一个复杂的控制对象,主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、送风和引风等。主要输出变量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量等。所以说锅炉是一个复杂的调节对象,有许多个调节参数和被调节参数,还存在着错杂的扰动参数。3.3锅炉汽包水位对象特性分析维持水位在一定的范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。因为水位过高会影响汽包内的水汽分离,产生蒸汽滞液现象,会使过热器管壁结垢导致损坏,同时,也会使过热蒸汽温度急剧下降。水位过低,则由于汽包的水量较少,当负荷增大时,水的汽化速度加快,若不及时调节,就会使汽包内的水全部汽化,导致水冷壁烧坏,甚至引起爆炸。对锅炉汽包水位调节系统产生扰动的主要因素有蒸发量D、燃料量M、给水量W等。汽包水位控制系统的任务图4蒸汽量扰动下的水位反应曲线是使给水量适应锅炉蒸发量的需要,以维持汽包水位在允许的范围内,同时保持给水量的稳定,尽量减少波动。以下将从蒸发量、燃料量以及给水量三个因素扰动下汽包水位的动态特性。⑴蒸汽量D扰动作用下水位动态特性当给水量不变,蒸发量突然增加△D时,如果只从物质平衡角度来看,则反映曲线如上图4中的Hl(t所示,但由于蒸发量增加时，汽包容积的增加，水位的反应曲线如H2(t所示。H2(t和H1(t相结合，实际水位阶跃反应曲线如H(t所示。从上图可以看出,当蒸汽负荷增加时,虽然锅炉的给水量少于蒸发量,但在一开始,水位不仅不下降反而迅速上升，然后再下降。如果蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升，这种现象称之为“虚假水位”。当负荷变化时，我们可以看到水位下汽包变化引起水位的变化速度是很快的。图中的H2的时间常数只有10〜20s当蒸汽量D扰动时，水位变化的动态特性可以用以下传递函数表示:1222((((((1fkHsHskHsDsDsDssTs=+=-++式中fk-响应速度,即蒸汽流量变化单位流量时，水位变化的速度,mm/s或者t/h;2k-响应曲线H2的放大系数；2T-响应曲线H2的时间常数。“虚假水位”变化的幅度与锅炉的工作压力和蒸发量有关。例如,一般100~200t/h的中高压锅炉,当负荷变化10%时,“虚假水位”可以达到30~40mm。“虚假水位”现象属于反向特性,这给控制带来一定困难,在设计控制方案时,必须加以注意。⑵燃料量M扰动作用下水位的动态特性D蒸汽量阶跃Dt水位阶跃响应HtH2(tH(tH1(t图5燃料量扰动下的水位反应曲线燃料量增加M水位先上升,然后再下降,如上图5所示。⑶给水量W变化时的水位对象的动态特性图6给水量扰动下的水位反应曲线在开始阶段,由于刚进入的给水水温较低,使汽水混合物中的汽包吞吐量减小。水位下降,如上图6中的Hl(t所示，而H2(t反应了物质不平衡引起的水位变化,Hl(t和H2(t相给水量阶跃Wt水位阶跃响应HtH1(tH(tH1(t燃料量阶跃Mt水位阶跃响应Ht加得到了总的给水量变化的阶跃反应曲线H(t，即当给水量作阶跃变化后，汽包水位一开始不立即增加,而要呈现出一段起始惯性段。用传递函数描述,它近似于一个积分环节和时滞环节的串联，可以用如下的传递函数表示:0((skHseGsst-=式中0k-响应速度,即给水流量变化单位流量时，水位的变化速度,mm/s或者t/h;t-时滞。给水温度低，时滞t就越大。对于非沸腾式的省煤器的锅炉,t=30〜100s，对于沸腾式省煤器锅炉,t=100〜200s。3.4蒸汽压力的对象特性分析蒸汽压力是反映蒸汽供需关系平衡与否的重要指标,也是表征蒸汽的重要参数。汽压偏高,会加速金属材料的蠕变;汽压偏低,说明供需关系不平衡,设备消耗的蒸汽量大于现有的产汽量,难以维持长期稳定的运行。因此,维持压力稳定是安全生产和维持运行的需要。而引起蒸汽压力变化的主要原因是燃料量和用气负荷发生变化。⑴燃料量扰动下蒸汽压力变化的特性图7用汽负荷不变时的汽压飞升曲线B0燃料量阶跃B蒸汽压力阶跃响应Pt图8用汽阀门开度不变时的汽压飞升曲线在锅炉燃料量B阶跃扰动下,用气负荷不变，此时出口蒸汽压力的曲线如上图7所示。此时对象没有自平衡能力,具有较大的迟滞和惯性。但如果锅炉出口的蒸汽阀门开度不变,那么由于汽压因燃料扰动而发生变化时,蒸汽流量也将发生变化。由于汽压变化时,自发改造限制汽压的变化,因此对象有自平衡能力,此时汽压的飞升曲线如上图8所示。⑵蒸汽负荷扰动下汽压变化的动态特性负荷阶跃扰动下,汽压变化的动态特性也有两种下列情况。当用蒸汽阀门阶跃扰动时,对象表现出具有自平衡能力,没有迟延,但有较大的惯性,并有一个与阀门变化成比例的起始阶跃。飞升曲线如下图9所示。当蒸汽量阶跃扰动时,其飞升曲线如下图10所示,此时对象没有自平衡能力。如果不及时调节进入锅炉的燃料量,那么汽压将一直往下降。图9用汽阀阶跃扰动时的汽压飞升曲线B0料量阶跃Bt蒸汽压力阶跃响应Pt图10蒸汽量阶跃扰动时的汽压飞升曲线3.5送风设备的特性分析:送风调节系统工作的好坏,直接影响炉膛的空气过剩系数的变化。引起空气过剩系数变化的主要扰动是燃料量和送风量。风量扰动下对象的动态特性具有较大的自平衡能力,几乎没有迟延和惯性,近似为一比例环节。而燃料量扰动时,需经过输送和燃烧过程而略有延迟。由于送风系统几乎没有延迟和惯性。所以在燃料充足的情况下送风量的大小将比较直接的反应在锅炉的蒸汽压力上。那么怎样才能保证送风量和燃料量的搭配适宜,这里我们引入了风煤比这个概念。风煤比就是在当前风量下所能燃烧的煤的最大值。在控制作用中风煤比主要是根据当前风量来限制炉排的转速,防止由于风量不够导致煤不能充分燃烧。该参数对节煤和环保都有很大意义。因为如果不能充分燃烧将会导致煤渣的含炭量增高,这样比较浪费煤,同时还会造成烟气含炭量增高影响排放。3.6过热蒸汽温度的对象特性影响:过热蒸汽温度变化的扰动因素很多,如蒸汽负荷、炉膛热负荷、烟气温度、火焰中心位置、炉膛负压、送风量、减温水量以及蒸汽母管压力等。但归纳起来有三大类:进入过热器的蒸汽热量变化、烟气传热量变化和蒸汽流量变化。⑴蒸汽温度在减温水量扰动下的动态特性tD汽量阶跃Dt蒸汽压力阶跃响应PwAWtT图11减温水量阶跃扰动下蒸汽温度的飞升曲线减温水量扰动时,其扰动地点（过热器的入口,即减温器的安装位置与测量蒸汽温度的地点（过热器出口之间有着较大的距离,此时,过热器是一个纯滞后对象。延迟的时间t大约为30〜70s，时间常数为100〜130s。⑵烟气传热量扰动下蒸汽温度的对象特性YAYtTt图12烟气传热量阶跃扰动下蒸汽温度的飞升曲线烟气传热量扰动，包括烟气温度和烟气流速的扰动。在这种扰动下，烟气与蒸汽之间的热交换条件发生了变化，过热气温的变化沿着整个过热器管壁同时发生的，所以它的延迟时间t较小,大约为10〜20s。当燃料或空气量发生扰动时，过热器出口蒸汽温度如上图12所示。⑶蒸汽流量扰动下蒸汽的温度对象的动态特性蒸汽流量扰动时,过热器出口蒸汽温度变化的动态特性和烟气传热量扰动下动态特性是相似的具有较小的滞后,较小的时间常数。4工业锅炉控制系统方案设计控制回路说明:在该控制系统中我设计了3个回路,1个简单回路,2个复杂控制回路（串级,比值。汽包液位和软化水流量组成的串级控制系统控制汽包的液位,由系统设定一个液位通过一个PID控制将输出值做为下一级流量PID控制器的设定值。该系统可以在内环克服来自软化水流量的扰动,而达到稳定在设定液位的作用。我设计了一个单回路来控制过热蒸汽的温度,通过控制流过减温器的软化水流量来控制过热蒸汽的温度。我还设计了比值控制来控制进入锅炉的空气流量,空气的流量会根据燃油的流量成比例变化,从而实现锅炉的完全燃烧。5力控软件介绍以及在本次课程设计中的相关应用:新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统,它们具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等鲜明优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件,它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境,能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法,其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O设备,与高可靠的工控计算机和网络系统结合,可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口,进行系统集成。力控是运行在Windows98/NT/2000/XP操作系统上的一种组态软件。使用力控,用户可以方便、快速地构造不同需求的数据采集与监控系统。力控的应用范围广泛,可用于开发石油、化工、半导体、汽车、电力、机械、冶金、交通、楼宇自动化、食品、医药、环保等多个行业和领域的工业自动化、过程控制、管理监测、工业现场监视、远程监视/远程诊断、企业管理/资源计划等系统。力控软件由以下几个主要部分组成:工程管理器开发系统（Draw界面运行系统（View实时数据库（DBI/O驱动程序网络通信程序（NetClient/NetServer串行通信程序（SCOMClient/SCOMServer拨号通信程序（TelClient/TelServerWeb服务器程序（WebServer控制策略生成器（StrategyBuilder基本步骤:创建第一个应用程序通过对力控软件的学习，熟悉了基本的软件操作创建了一个工程命名为'锅炉创建窗口创建图形对象如下:创建实时数据库根据具体的控制要求,在图中选择了相应的控制回路,并根据控制要求设置了相关的控制点,如下图:动画连接（手册中有道根据相关模拟量设置相关的动态效果图,使控制系统具有友好的人机界面。设计控制策略（力控扩展组件有道根据系统中控制回路的特性选择相应的控制器和控制点,用线将其连接起来并编译检查错误,如无错误可运行。控制策略如图:汽包液位串级控制:过热蒸汽温度单回路控制:燃油与空气的比值控制:参数整定,运行根据理论和经验对PID参数进行整定达到良好的控制效果，做到抗扰动能力强,反映速度快,鲁棒性好运行画面如如下:实时趋势及历史趋势