锅炉出口蒸汽压力串级控制方案设计

-（2）学期过程控制与自动化仪表课程设计题目锅炉出口蒸汽压力串级控制方案设计班

级学生姓名学

号指导教师课程设计成绩评定表学期-第2学期姓名

专业

班级

课程名称过程控制与自动化仪表课程设计设计题目锅炉出口蒸汽压力串级控制方案设计成绩评分项目合格评定不合格评定设计体现1.独立工作能力独立完毕设计

不能独立完毕设计

2.上交设计时间准时

迟交

设计阐明书3.设计内容设计思路清晰，构造方案良好，设计参数选择对的，条理清晰，内容完整，成果对的

设计思路不清晰，构造方案不合理，核心设计参数选择有错误，内容不完整，有明显错误

4.设计书写、字体、排版规范、整洁、有条理，排版较好

不规范、不整洁、无条理，排版问题很大

图表5.绘图效果满足规定

很差

6.布局合理

布局混乱

仿真7.仿真模型对的

不对的

答辩8.回答下列问题基本对的或对的

不对的

9.知识点掌握好或较好

普通或差

成绩评定：评定教师签字：日期：7月1日

摘要本设计以锅炉蒸汽压力控制部分为研究对象，应用所学串级控制知识设计系统。锅炉重要任务是加热蒸汽，蒸汽可直接进入生产系统或者进入汽轮机发电。蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量与否平衡的重要指标，是蒸汽的重要工艺参数。蒸汽压力过低或过高，对于金属导管和负荷设备都是不利的。压力过高，会造成锅炉受损；压力过低，就不可能提供应负荷设备负荷质量的蒸汽；因此，控制蒸汽压力是安全生产的需要，也是确保燃烧经济性的需要。核心词：锅炉；蒸汽压力；串级控制；PID目录1绪论

12控制方案设计

22.1设计任务规定

22.2串级控制系统构造

22.3串级控制系统控制方案

22.4控制系统工艺流程图

33系统仪表的选型

43.1蒸汽压力变送器选择

43.2燃料流量变送器的选择

43.3控制器的选择

53.4控制阀的选择

64系统建模

74.1蒸汽压力调节对象的特性

74.2燃料流量的传递函数

84.3调节阀与变送器传递函数

85系统仿真

95.1simulink仿真程序图

95.1副回路参数整定

95.2主回路参数整定

105.3加入扰动

126结论

13参考文献

141绪论近年来，我国经济的发展对电力需求快速增加，尽管以风电为代表的可再生能源发电方式迅猛发展，但是可再生能源和其它新能源尚无法替代煤电，将来相称长一段时间内燃煤发电仍将是我国的重要发电方式，由于受资源、环境以及气候变化影响的制约，发电效率高、经济性和可靠性高、更具环保性的大型高参数机组是将来一段时间煤电技术发展的主流方向。燃烧系统的重要任务就是维持主蒸汽压力的稳定，主蒸汽压力是表征生产过程中的一种极为重要的参数，同时也是确保锅炉安全运行的必要条件之一。蒸汽压力过高，会造成锅炉受损；压力过低，就不可能提供应负荷设备负荷质量的蒸汽；因此，控制蒸汽压力是安全生产的需要，也是确保燃烧经济性的需要。在正常运行工况下，影响主汽压波动的重要因素就是燃料量的变化，这个扰动对主汽压的影响最大;蒸汽侧的波动也会对主汽压也有一定的影响，这个能够看做外扰。为了维持机组适宜的主蒸汽压力，就必须确保锅炉煤粉燃烧产生的热量能够跟随蒸汽侧波动热量的变化，以尽量确保机组热量变化平衡。火电机组普通采用调节燃料量和送风量的方式来完毕对机组锅炉主蒸汽压力的调节，但是从燃料量到主蒸汽压力的传递通道是一种大滞后、大惯性时间常数的对象。针对电厂主蒸汽压力这样一种大迟延、大惯性时间常数的调节对象，普通采用串级系统对生产流程加以控制。2控制方案设计2.1设计任务规定本次任务的规定是设计锅炉出口蒸汽压力串级控制系统。本次设计所用锅炉为中压锅炉，规定使用串级控制对燃料流量进行控制，最后达成使锅炉出口蒸汽压力控制在3.9Mpa左右。2.2串级控制系统构造串级控制系统是纵向分层、横向串级的大型综合控制系统。它以多层计算机网络为依靠，将串级在全厂范畴内的多个控制、管理及决策功效。一种串级控制系统中全部设备按功效可划分为网络通信子系统、过程控制子系统和人机接口子系统。2.3串级控制系统控制方案由以下串级控制系统方框图可知，主控制器的输出即副控制器的给定，而副控制器的输出直送往控制阀。主控制器的给定值是由工艺规定的，是一种定制，因此，主环是一种定值控制系统；而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副环是一种随动控制系统。串级控制系统中，两个控制器串联工作，以主控制器为主导，确保主变量稳定为目的，两个控制器协调一致，互相配合。若干扰来自副环，副控制器首先进行“粗调”，主控制器再进一步进行“细调”。因此控制质量优于简朴控制系统。图2—1串级控制系统方案图Fig.2-1Cascadecontrolsystemschemediagram2.4控制系统工艺流程图图2—2控制系统工艺流程图Fig.2-1Processflowchartofcontrolsystem3系统仪表的选型3.1蒸汽压力变送器选择蒸汽从锅炉通过管道达成蒸汽汽轮，其压力和温度会有所减少，但减少幅度不大，普通温度会下降2—4℃，压力会下降2—4%，能够近似的认为，锅炉提供的蒸汽温度和压力，与蒸汽汽轮机机组初参数相似。但我国现在尚有某些参数较低的火力发电机组仍在使用，涉及高压参数、超高压参数机组。高压参数普通为：主蒸汽压力8-10MPa，温度500-540℃。超高压参数普通为：主蒸汽压力12-14MPa，温度500-540℃。3.2燃料流量变送器的选择LUGB-06型涡街流量计根据卡门涡街原理测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计。广泛用于多个行业气体、液体、蒸汽流量的计量，也可测量含有微小颗料、杂质的混浊液体，并可作为流量变送器用于自动化控制系统中。LUGB-06型涡街流量传感器防爆型，符合GB3836-《爆炸性环境用防爆电气设备》规定，防爆标志为“ExiaIICT6”，在本次设计中，选用LUGB型涡街流量传感器其精度等级完全能够满足火电厂锅炉温度控制系统的精度规定。技术参数：仪表材质：1Cr18Ni9Ti最高流速：25m/s被测介质温度（℃）：－40～＋250℃；－40～＋350℃环境条件：温度－10～＋55℃，相对湿度5％～90％，大气压力86～106Kpa精度等级：测量液体：示值的±0.5测量气体或蒸汽：示值的±1.0、±1.5量程比：1：10；1：15输出信号：传感器：脉冲频率信号0.1～3000Hz低电平≤1V高电平≥6V变送器：两线制4～20mADC电流信号供电电源：传感器：＋12VDC、＋24VDC（可选）变送器：＋24VDC现场显示型：仪表自带3.2V锂电池信号传输线：STVPV3×0.3（三线制），2×0.3（二线制）传输距离：≤500m信号线接口：内螺纹M20×1.5防爆等级：ExdIIBT63.3控制器的选择控制器（或称调节器）将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分（PID）运算，并输出统一原则信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、液位及其它工艺变量的自动控制。要使调节过程平稳精确，必须使用输出值能持续变化的调节器。本设计采用模拟控制器：电动单元组合仪表DDZ-Ⅲ型调节器，该调节器采用了安全防爆方法，该调节器有两种：全刻度批示调节器和偏差批示调节器，它们的构造和线路相似，仅批示电路有差别。这两种调节器均含有普通调节器所含有的对偏差进行PID运算、偏差批示、正反作用切换、内外给定切换、产生内给定信号、手动／自动双向切换和阀位显示等功效。控制器的工作状态有“自动”、“软手操”、“硬手操”和“保持”四种，由开关进行切换。本次设计选用DP-DTZ-2100型全刻度批示调节器。DP-DTZ-2100型全刻度批示调节器是调节单元的一种基型品种对被控值与定值之差进行比例、积分、微分运算输出，4-20mA直流信号送至执行机构，实现对温度、压力、液面、流量等到工艺参数的自动调节。重要性能指标：输入测量信号：1～5VDC;内给定信号：1～5VDC;外给定信号：4～20MADC;现场传输信号：4～20MADC;输入阻抗影响：满刻度的0.1%输出信号：4～20MADC;负载电阻：250～750欧姆；比例度：P=2%～500%；积分时间：0.01～25min(分两档);微分时间：0.04～10min；调节精度:0.5级；3.4控制阀的选择执行器由执行机构和调节机构构成。执行机构是指产生推力或位移的装置，调节机构指直接变化能量或物料输送量的装置，普通称控制阀。按所用能源形式的不同，执行器可分为气动、电动、液动三大类。本设计重要采用气动执行器，为了安全考虑，采用气开式。气动执行机构又分为薄膜式和活塞式，它们都是以压缩空气为能源，含有控制性好、构造简朴、动作可靠、维修方便、防火防爆和价廉等优点，并能够方便地与气动仪表配套使用。气动薄膜调节阀的构造能够分为两部分，上面是执行机构，下面是调节机构。它重要由膜片、弹簧、推杆、阀芯、阀座等零部件构成。当来自控制器的信号压力通入到薄膜气室时，在膜片上产生一种推力，并推动推杆部件向下移动，使阀芯和阀座之间的空隙减小，流体受到的阻力增大，流量减小。推杆下移的同时，弹簧受压产生反作用力，直到弹簧的反作用力与信号压力在膜片上产生的推力相平衡为止，此时，阀芯与阀座之间的流通面积不在变化，流体的流量稳定，可见，调节阀是根据信号压力的大小，通过变化阀芯的行程来变化阀的阻力大小，达成控制流量的目的。本次设计选用ZJHP型气动调节阀。ZJHP气动调节阀采用顶部导向构造，配用多弹簧执行机构。含有构造紧凑、重量轻、动作敏捷、流体通道呈S流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性精确、拆装方便等优点。广泛应用于精确控制气体、液体等介质的工艺参数对压力、流量、温度、液位保持在给定值。4系统建模4.1蒸汽压力调节对象的特性在主蒸汽负荷变化时，在锅炉燃料量(B)发生△B的阶跃扰动下，此时气压的过渡过程曲线如图4-1所示。图4-1燃料量扰动下的气压曲线图Fig.4-1Vaporpressurecurveunderdisturbanceoffuelquantity可见，在燃料量扰动下，气压被控对象有一定延迟时间，随着锅炉蒸发量增加，主蒸汽压力逐步增加，由于汽轮机调节阀开度不变，而使汽轮机进汽量逐步增加，于是自发地限制了汽压的进一步升高。最后当汽轮机进汽量与锅炉蒸发量相平衡时，汽压维持在一种新的平衡值。故汽压被控对象是一种有自平衡能力的对象。锅炉燃料量(B)发生△B的阶跃扰动时，输出主蒸汽压力是带滞后的一阶惯性环节以下式所示，为：（4-1）式中：─延迟时间；─惯性环节的时间常数。通过引用《BP_PID在锅炉蒸汽压力控制中的应用》中具体参数，可得到近似数学模型为：（4-2）4.2燃料流量的传递函数燃料流量被控对象的微分方程为：（4-3）由此可得燃料流量被控对象的传递函数为：（4-4）4.3调节阀与变送器传递函数调节阀与变送器的传递函数均为：（4-5）5系统仿真5.1simulink仿真程序图图5-1simulink仿真程序图Fig5-1Simulinksimulationprogramdiagram5.1副回路参数整定副回路使用比例调节，使用临界比例度法先调节Kc2m，再根据查表得到Kc2=0.5kc2m，带入回路。图5-2副回路等幅震荡Fig5-2theoscillationssuchastheviceloop当出现等幅震荡时，测得Kc2m=3.5，则Kc2=1.75，输出如图5-3。图5-3副回路Kc=1.75输出图像Fig.5-3outputimageofsecondaryloopKcf1.755.2主回路参数整定在副回路整定好的基础上，再对主回路进行整定，同样使用临界比例度法进行参数整定，先将Ti=∞，Td=0，再调节比例系数Kc，使图像出现等幅振荡，统计Kc1m、Tm，其中主回路输入值为3.9。图5-4主回路等幅振荡Fig.5-4Equalamplitudeoscillationofmainloop通过图5-4可得到Tm=136s，Kc1m=3.65，通过查表5-1求得PID的数值。表5-1临界比例度法整定公式Table5-1criticalproportionalitymethodsettingformula调节规律KcTiTdP0.5Kcm

PI0.45Kcm0.85Tm

PID0.6Kcm0.5Tm0.125Tm

通过计算得出Kc=2.19，Ti=68，Td=17即KI=0.0322,KD=37.23。先使用PI，再带入D，观察状况。图5-5主回路使用PI控制输出图Figure5-5usePIcontroloutputdiagraminthemaincircuit图5-6主回路使用PID控制输出图Fig.5-6mainloopoutputdiagramusin