过程控制课程设计（论文）锅炉给水控制系统设计.doc

内蒙古科技大学过程控制课程设计论文题 目：锅炉给水控制系统设计学生姓名：学 号：专 业：测控技术与仪器班 级：2008-1指导教师： 2011年9月6日目录前言2第一章 锅炉的工艺流程31.1锅炉的组成31.2锅炉的工作过程31.3 锅炉的分类4第二章 锅炉控制系统的整体设计思路62.1 汽包水位的控制62.2 蒸汽温度的控制62.3 锅炉燃烧的控制6第三章 锅炉给水控制系统设计73.1 锅炉水位动态特性73.2 单冲量控制系统73.3双冲量控制系统83.4 三冲量控制系统103.4.1 锅炉给水控制系统113.4.2前馈控制系统12第四章 设计心得15参考文献16前言电力是以电能作为动力的能源。发明于19世纪70 年代，电力的发明和应用掀起了第二次工业化高潮。成为人类历史18世纪以来，世界发生的三次科技革命之一，从此科技改变了人们的生活。20世纪出现的大规模电力系统是人类工程科学史上最重要的成就之一，是由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电力生产与消费系统。它将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电力，再经输电、变电和配电将电力供应到各用户。火力发电是利用燃烧燃料(煤、石油及其制品、天然气等)所得到的热能发电。火力发电的发电机组有两种主要形式：利用锅炉产生高温高压蒸汽冲动汽轮机旋转带动发电机发电，称为汽轮发电机组；燃料进入燃气轮机将热能直接转换为机械能驱动发电机发电，称为燃气轮机发电机组。火力发电厂通常是指以汽轮发电机组为主的发电厂。锅炉是石油化工、发电等工业过程中必不可少的重要动力设备。它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的锅炉也向着大容量、高参数、高效率方向发展。第一章 锅炉的工艺流程1.1锅炉的组成锅炉设备包括锅炉本体设备和锅炉辅助设备。锅炉本体设备主要由燃烧设备、蒸发设备、对流受热面、锅炉墙体构成的烟道和钢架构建等组成。锅炉的燃烧设备包括燃烧室、燃烧器和点火装置。蒸发设备主要由汽包、下降管和水冷壁等组成。对流受热面是指布置在锅炉对流烟道内的过热器、省煤器和空气预热器。锅炉的辅助设备主要包括通风设备、给水设备、燃料运输设备、制粉设备、除尘设备、除灰设备、锅炉辅机等，如给水泵、送风机、引风机、磨煤机、除尘器、烟囱、灰渣泵、安全阀、水位计等。如图1.1 所示。图1.1 锅炉的组成1.2锅炉的工作过程煤斗中的煤通过给煤机送至磨煤机，在磨煤机中对煤进行干燥（利用空气预热器引来的热空气进行干燥）和磨碎。磨成的煤粉进入粗粉分离器，经分离后，合格的煤粉进入煤粉仓或排粉机，然后由给粉机或排粉机将煤粉送往炉膛燃烧。不合格的煤粉经回粉管送回磨煤机再重新磨制。空气由进风道引入送风机，经送风机升压后送入空气预热器，被加热成热空气，然后通过热风道将其中一部分送至磨煤机，进入制粉系统用以干燥和输送煤粉，另一部分热空气直接送至燃烧器。煤粉与空气通过燃烧器进入燃烧室，进行燃烧放热，燃烧产生的高温火焰和烟气在燃烧室加热水冷壁中的水，然后高温烟气依次流过过热器、省煤器和空气预热器，加热这些受热面内的工质（汽、水和空气），在传热过程中烟气的温度逐渐降低。此后利用除尘器清除烟气中携带的大量飞灰，最后由引风机将烟气送往烟囱，排入大气。燃料燃烧后生成的灰渣，一部分落入燃烧室下部的灰渣斗中；另一部分被烟气带走，在除尘器中大部分飞灰被分离出来，落入除尘器下部的灰斗中，然后由除尘装置将灰渣和细灰送往储灰场。给水由给水泵送至锅炉房，先进入省煤器，在省煤器中加热提高温度后进入汽包，然后沿着下降管流至水冷壁下联箱，再进入水冷壁管。在水冷壁管内水吸收燃烧室中高温火焰和烟气的辐射热，一部分水汽化为蒸汽，在水冷壁内成为蒸汽和水的混合物，汽水混合物沿水冷壁上升又进入汽包。在汽包中利用汽水分离设备对汽水混合物进行汽水分离，分离出来的水沿着下降管进入水冷壁继续吸热，如此循环。分离出来的蒸汽从汽包顶部的饱和蒸汽引出管引致过热器，在过热器中饱和蒸汽被加热成为过热蒸汽，然后经主蒸汽管道送往汽轮机做功。1.3 锅炉的分类按蒸发量的大小，锅炉有小型、中型、大型之分，但它们之间没有固定的分界。一般来讲420t/h以下的锅炉为小型锅炉，420t/h以上至1000t/h以下为中型锅炉，1000t/h以上为大型锅炉。按照蒸汽压力的高低，锅炉可以分为低压、中压、高压、超高压、亚临界压力、超临界压力和超超临界压力锅炉。按照燃料的燃烧方式锅炉一般分层燃炉、室燃炉和循环流化床锅炉。按照水的循环方式分为自然循环锅炉、强制循环锅炉和直流锅炉。第二章 锅炉控制的整体设计思路2.1 汽包水位的控制汽包水位是锅炉运行的重要指标，保持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。首先，水位过高会影响汽包内的汽水分离，饱和水蒸气将会带水过多，导致过热器管壁结垢并损坏，使过热蒸汽的温度严重下降。如以此过热蒸汽被用户用来带动汽轮机，则将因蒸汽带液损坏汽轮机的叶片，造成运行的安全事故。然而水位过低，则因汽包内的水量较少，而负荷很大，加快水的汽化速度，使汽包内的水量变化速度很快，若不及时加以控制，将有可能使汽包内的水全部汽化，尤其对大型锅炉，水在汽包内的停留时间极短，从而导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。所以必须对汽包水位进行严格的控制。2.2 蒸汽温度的控制过热蒸汽温度过高或过低，对锅炉运行及蒸汽用户设备都是不利的。过热蒸汽温度过高，过热器容易损坏，汽轮机也因内部过度的热膨胀而严重影响安全运行；过热蒸汽温度过低，一方面使设备的效率降低，同时使汽轮机后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损。所以必须把过热器出口蒸汽的温度控制在规定范围内。2.3 锅炉燃烧的控制锅炉燃烧过程的好坏，不仅直接关系到锅炉的生产能力和生产过程的可靠性，而且在很大程度上决定了锅炉运行的经济性。进行燃烧调节的目的是：在满足外界电负荷需要的蒸汽数量和合格的蒸汽品质的基础上，保证锅炉运行的安全性和经济性。具体可归纳为：1保证正常稳定的汽压、汽温和蒸发量；2着火稳定、燃烧安全，火焰均匀充满炉膛，不结渣、不烧损燃烧器和水冷壁，过热器不超温；3使机组运行保持最高的经济性；4减少燃烧污染物排放。第三章 汽包水位的控制3.1 锅炉水位动态特性锅炉运行中，引起水位变化的根本原因是蒸发区内物质平衡的破坏或者水质状态发生了改变。稳定情况下，给水量与产汽量相等，水位不变。而当给水量与产气量不相等时， 汽包水位会发生变化。在汽包压力变化很快时，汽包水位不止取决于物质平衡，还与工质状态变化有关。例如在锅炉跟随方式下，当汽轮机调门突然开打而增加负压时，汽压迅速降低，所产生的附加蒸汽量会使水位涨起，造成所谓的“虚假水位”。因为从调节来看，此时本应加大给水量，但单纯根据水位判断为减小给水量。在汽轮机跟随方式下，如果是上升管出口在水空间内，锅炉增加负压过快，也会产生“虚假水位”。当燃料量增加而给水来不及调整时，水冷壁蒸发量增多会使水位胀起，之后则由于输出汽量大于输入的给水量以及汽压的升高，水位下降。对上升管出口在汽空间内的蒸发系统，锅炉会增加产汽量不会产生“虚假水位”，汽压变化与物质平衡对水位影响方向一致，若负荷增加率过大，亦会加剧水位的变化。3.2 单冲量控制系统单冲量控制系统即汽包水位的单回路液位控制系统。这种控制系统结构简单，对于汽包内水的停留时间长，负荷变化小的小型锅炉，单冲量水位控制系统可以保证锅炉的安全运行。但是，单冲量控制系统存在三个问题。1 当负荷变化产生虚假液位时，将使控制器反向错误动作。2 对负荷不灵敏。负荷变化时，需引起汽包水位变化后才起控制作用。由于控制缓慢，导致控制质量下降。3 对给水干扰不能即使克服。当给水系统出现扰动时，同样需等水位发生变化时才起控制作用，干扰克服不及时。单冲量控制系统如图1.1所示。LTLC蒸汽图1.1 单冲量控制系统3.3双冲量控制系统针对单冲量控制系统不能克服虚假水位的影响，如果根据蒸汽流量作为校正作用，就可以纠正虚假水位引起的误动作，而且也能提前发现负荷的变化，从而大大改善了控制品质。将蒸汽流量信号引入，就构成了双冲量控制系统。双冲量控制系统实质上是一个前馈加单回路反馈控制的前馈-反馈控制系统。这里的前馈为静态前馈，若要考虑两条通道在控制上的差异，则还需引入动态补偿环节。双冲量控制系统如图1.2所示。LT蒸汽FTFCLC图1.2 双冲量控制系统双冲量控制系统方块图如图1.3所示。GcC1GvGpcGmGpDGmFC2IFIIoLoIc图 1.3 双冲量控制系统方块图3.4 三冲量控制系统双冲量控制系统对于单冲量控制系统存在的对给水干扰不能及时克服的问题，同样不能解决。此外，由于控制阀的工作特性不一定完全线性，做到静态补偿也比较难。为此，把给水流量信号引入，构成三冲量控制系统。 三冲量控制系统如图1.4所示。LTLC蒸汽给水F1CF1TF2C给水 图1.4 三冲量控制系统图 三冲量控制系统方块图如图1.5所示。给定偏差调节器LC调节阀水流量液位测量变送蒸汽VF2TY测量变送测量变送LT图1.5 三冲量控制系统方块图3.4.1锅炉给水控制系统 锅炉给水控制系统如图1.6所示。汽包水QFTFCLCLTDFTKpf图1.6 锅炉给水控制系统图控制目标：汽包水位是其主要工艺指标。当水位过高时，会造成蒸汽带液，这样降低蒸汽的产量和质量，而且会损坏汽轮机叶片；当水位过低时，轻则影响汽、水平衡，重则烧干锅炉，甚至会引起锅炉爆炸。锅炉汽包水位控制任务：使给水量适应锅炉的蒸发量。汽包水位是被控参数主要扰动是锅炉的蒸汽流量和给水流量。蒸汽量是负荷，它随用户需要而变化，给水流量作为调节参数。干扰-蒸汽负荷对汽包水位影响：当蒸汽用量突然增加时，会使汽包内压力瞬时降低，水沸腾加剧，加速汽化，汽泡突然增加。汽泡体积比水的体积大很多倍，结果形成了汽包内水位升高的所谓“假水位”。当蒸汽负荷突然减少时，汽包内蒸汽压力急剧上升，水的沸腾暂时停止，造成水位瞬时下降的假象。采用以蒸汽流量为前馈信号，汽包水位(主参数)和给水流量(副参数)串级，构成前馈串级控制系统通常又称为三冲量给水控制系统(见图1.4)。本系统不但能通过串级回路及时克服给水流量的扰动；还能实现对蒸汽负荷的前馈补偿，给水量Q将等于蒸汽量的变化，从而维持水位及不变。3.4.2前馈控制系统单回路控制系统,串级控制系统都是负反馈，当扰动发生,通过检测扰动引起的输出偏差进行调节。所以负反馈进行扰动调节时，输出必然有波动。前馈控制是当干扰一出现，在其影响输出之前，就进行抑制，从而对输出没有影响。所以前馈控制是测量扰动，补偿扰动的控制。前馈控制具有以下特征:1 在扰动影响输出前进行调节。2 直接测量扰动大小，通过调节，实现对扰动的完全补偿，从而实现消除扰动对输出的影响.前馈控制是相对于反馈控制而言的。1 反馈控制： 反馈控制在被控参数偏离给定值后，依据偏差，控制器发出控制指令，补偿扰动对被控参数的影响。基于偏差的控制  反馈控制特点：当干扰已经发生，但是被控参数尚未变化， 偏差=0，则控制器不产生调节作用。 例如：闭环中的干扰：冷流体流量波动。反馈控制总要滞后扰动，是一种不及时的控制。反馈控制是闭环控制，存在稳定性问题。对闭环回路中扰动都有调节作用。调节器一般采用P、I、D控制规律，具有通用性。1 前馈控制 ： 当扰动一旦出现，调节器就根据扰动的大小和性质进行控制，补偿扰动对系统的影响，使被控参数不变。    例如： 闭环中的干扰：冷流体流量波动突然增加。这种直接根据造成偏差原因-扰动进行的控制称为前馈控制。   前馈控制：当冷流体流量增加 N  时，其对输出温度影响假如为Y1，当其一产生，即改变蒸汽流量 Fs ，使得蒸汽 Fs 对输出温度影响为-Y1，那么输出温度就不会变化。通过设计前馈调节器，使得调节器改变的量刚好补偿干扰对对象的影响。前馈控制系统的特点：前馈控制器是“测量扰动，消除扰动对被控量的影响”。前馈调节器又称为“扰动补偿器”。扰动发生，前馈控制器动作及时，对抑制由于扰动引起的动、静态偏差比较快速有效。前馈控制属开环控制，只要系统中各环节稳定，控制系统必定稳定。只对被测量的可测而不可控的扰动有校正作用，而对系统中的其他扰动无校正作用。 即前馈控制具有指定性补偿的局限性。前馈控制器的控制规律，取决于被控对象的特性，因此，有时控制规律比较复杂。特点比较：前馈基于干扰控制，反馈基于偏差控制；抑制干扰，前馈控制比反馈控制及时有效，前馈控制属于开环控制系统，反馈控制是闭环控制系统；前馈控制使用的是与实施对象特性而定的专用控制器，反馈控制采用通用PID控制器一种前馈控制只能克服一种干扰，反馈控制只用一个控制器就可克服多个干扰。前馈控制的应用场合   系统中存在着可测但不可控的变化幅度大，且频繁的干扰，这些干扰对被控参数影响显著，单用反馈控制达不到质量要求时。  当控制系统的控制通道滞后时间较长，由于反馈控制不及时影响控制质量时，可采用前馈或前馈反馈控制系统 。第四章 设计心得通过本学期的过程控制课程设计，我们学到很多东西。我认为，在这次的课程设计中，我收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在课程设计中我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。通过这次的课程设计，我更多的了解了本专业的一些知识。而且我对上学期学习的过程控制这门功课也有了更多的理解。在课程设计中，我心学到了一种画图的发放，用Visio这个工具，它比World这个工具画出的图更漂亮，我所学到的这个，是一种锻炼，一种知识的积累，能力的提高。我把这些当作基础东西，只有掌握了这些最基础的，才可以更进一步，取得更好的成绩。很少有人会一步登天吧。永不言弃才是最重要的。而且，这对于我的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。我的课程设计没有做到最好，但是，最起码我没有放弃，它是我的骄傲！相信以后我会以更加积极地态度对待我们的学习、对待我们的生活。我的激情永远不会结束，相反，我们会更加努力，努力的去弥补自己的缺点，发展自己的优点，去充实自己，只有在了解了自己的长短之后，我们会更加珍惜拥有的，更加努力的去完善它，增进它。只有不断的测试自己，挑战自己，才能拥有的成功和快乐！to us, happiness equals success! 快乐至上，享受过程，而不是结果！认真对待每一个实验，珍惜每一分一秒，学到最多的知识和方法，锻炼自己的能力，这个是我们在实课程设计中学到的最重要的东西，也是以后都将受益匪浅的！ 参考文献1 庄兴稼.过程控制工程M.武汉：华中理工大学出版社，1993.2金以慧.过程控制M.北京：清华大学出版社19933孙洪程.过程控制系统及工程M.北京：化学工业出版社4王乃华.锅炉设备与运行M.北京:中国国电力出版社，20005黄新元.电站锅炉运行与燃烧调整M.北京：中国电力出版，20006何大方.大型锅炉燃烧优化调整M.华东电力，2001，No27金维强.大型锅炉运行M.北京：中国电力出版社，19988吴东根.机组负荷变化对过热器安全性的影响M.锅炉技术、1997，No59叶涛.热力发电场M.北京：中国电力出版社，200410唐必光.燃烧锅炉机组M.北京：中国电力出版社，200311 刘禾,段泉圣,侯国莲. 工业燃煤锅炉智能控制系统设计J. 现代电力, 1997,(03)12 刘培章,刘奇志. 燃煤锅炉微机控制系统J. 电子技术应用, 1999,(06) . 13 黎英. 燃煤锅炉优化燃烧控制系统J. 云南工业大学学报, 1994,(04) . 14 郭幸,王小曼. 小型燃煤锅炉微机控制系统的设计应用J. 化工设计通讯, 2004,(02) . 15 党志军,范卫红. 燃煤锅炉的微机控制J. 管道技术与设备, 1996,(04) . 16 骆建,杨陶. 工业燃煤锅炉自动控制及实施J. 节能技术, 2000,(02) . 17 李江,罗峰,石志进. 工业锅炉微机控制系统的应用J. 石河子科技, 1994,(04) . 18 李敏. 燃煤锅炉节能控制系统J. 硫磷设计与粉体工程, 1997,(03) . 19 韩永林,高曼. 燃煤锅炉电控系统设计J. 长春理工大学学报, 2002,(04)