锅炉过热蒸汽温度控制系统设计

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1、精品资料，欢迎大家下载！课程设计任务书题目：锅炉过热蒸汽温度控制系统设计摘要本文是针对锅炉过热蒸汽温度控制系统进展的分析和设计.控制系统采用串级控制以提升系统的控制性能,在系统中采用了主控-串级控制的切换装置,使系统可以适用于不同的工作环境.通过使用该系统,可以使得锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的X围内变化,并保护过热器营壁温度不超过允许的工作温度.关键字：过热蒸汽控制串级控制系统自动控制主控-串级切换目录1生产工艺介绍错误!未定义书签.1.1锅炉设备介绍31.2蒸汽过热系统的控制42控制原理简介52.1控制方案选择6单回路控制方案6串级控制方案72.2串级控制方案论证93控制系统设计103.1

2、系统控制参数确定10主变虽的选择10副变虽的选择10操纵变虽的选择103.2调节阀的选择113.3控制器设计12控制器控制规律的选择12控制器正、反作用选择12控制器的电路实现134控制仪表的选择135系统控制流程图156总结体会156.1设计总结15过程控制系统以表征生产过程的参虽为被控制虽使之接近给定值或保持在给定X围内的自动控制系统.这里过程是指在生产装置或设备中进展的物质和能虽的相互作用和转换过程.表征过程的主要参虽有温度、压力、流虽、液位、成分、浓度等.通过对过程参虽的控制,可使生产过程中产品的产虽增加、质虽提升和能耗减少.一般的过程控制系统通常采用反响控制的形式,这是过程控制的主要

3、方式.锅炉过热蒸汽温度控制系统设计1.1锅炉设备介绍锅炉是石油化工、发电等工业过程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,乂可作为精储、枯燥、反响、加热等过程的热源.随着工业生产规模的不断扩大,作为动力和热源的过滤,也向着大容虽、高参数、高效率的方向开展.锅炉设备根据用途、燃料性质、压力上下等有多种类型和称呼,工艺流程多种多样,常用的锅炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包与循环管等组成.燃料与空气根据一定比例送入锅炉燃烧室燃烧,生成的热虽传递给蒸汽发生系统,产生饱和蒸汽,形成一点观其文的过热蒸汽,在聚集到蒸汽母管.过热蒸汽经负荷设备控制,供应负荷

4、设备用,于此同时,燃烧过程中产生的烟气,除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外,还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气,最后经引风送往烟囱,排入大气完成一个循环.锅炉的控制要求根据生产负荷的不同需要,锅炉需要提供不同规格压力和温度的蒸汽,同时,根据平安性和经济性的要求,是锅炉平安运行和完全燃烧,锅炉设备的主要控制要求如下.1、供应蒸汽虽适应负荷变化需要或者保持给定负荷；2、锅炉供应用汽设备的蒸汽压力应当保持在一定的X围内；3、过热蒸汽温度保持在一定X围；4、汽包水位保持在一定X围；5、保持锅炉燃烧的经济性和安性6、炉膛负压保持在一定的X围内.图1-1锅炉设备主要工艺流程图锅炉设备的控制任务是根据生产负

5、荷的需要,供应一定压力或温度的蒸汽,同时要使锅炉在平安、经济的条件下运行.根据这些控制要求,锅炉设备将有如下主要的控制系统：锅炉汽包水位控制系统：主要是保持汽包内部的无聊平衡,使机水虽适应锅炉的蒸汽虽,维持汽包中水位在工艺允许的X围内；锅炉燃烧系统的控制：其控制方案要满足燃烧所产生的热虽,适应蒸汽负荷的需要,使燃料与空气虽保持一定的比值,保证燃烧的经济型和锅炉的平安运行,使引风虽与送风虽相适应,保持炉膛负压在一定X围内.过热蒸汽系统控制：主要使过热器出口温度保持在允许X围内,并保证管壁温度不超过工艺允许X围； 锅炉水处理过程：主要使锅炉给水的水性能指标到达工艺要求.1.2蒸汽过热系统的控制蒸汽

6、过热系统如此是锅炉系统安垒正常运行,保证蒸汽品质的重要局部.本设计主要考虑的局部是锅炉过热蒸汽系统的控制.蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器.控制任务是使过热器出口温度维持在允许X围内,并保护过热器时管壁温度不超过允许的工作温度.过热蒸汽温度过高或过低,对锅炉运行与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平安运行；过热温度过低,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X围内.锅炉过热蒸汽系统主要由一级过热器、减温器和二级过热器组成,在锅炉生产过程中,过热蒸汽

7、温度是整个汽水通道中最高的温度.过热器温度过高将导至过热器损坏,同时还会危与汽轮机的安全运行.过热器温度过低如此将使设备效率降低,影响经济指标.影响过热蒸汽温度的因素很多,其中主要的有：过热器是一个多容且延迟较大的惯性环节,设备结构设计与控制要求存在假设矛盾,各种扰动因素之闻相互影响,如蒸汽虽、燃烧工况、锅炉给水温度、进入过热蒸汽的热始,流经过热器的烟气温度与流速的变化等.而对各种不同的扰动,过热蒸汽温度的动态特性也各不一样.因此,过热蒸汽温度控制的主要任务就是：(1)克制各种干扰因素,将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许的X围内,从而保持蒸气品质合格：(2)保护过热器管壁温度不超过允许的工作温

8、度.本设计主要以控制减温水流虽的变化来阐述对过热蒸汽温度的自动调节.2控制原理简介随着控制理论的开展,越来越多的智能控制技术,如自适应控制、模型预测控制、模糊控制、神经网络等,被引入到锅炉过热蒸汽温度控制中.但这些控制技术主要是为了改善和提升控制系统的控制品质,并没有从引起过热蒸汽温度波动的源头入手.通常,烟气温度过高是引起过热蒸汽温度过高的主要原因.一般,过热蒸汽温度在烟气扰动下延迟较小,而在减温水虽扰动下延迟较大,这种特性将使过热蒸汽温度的控制滞后.在运行过程中.改变减温水流实际上是改变过热器出口蒸汽的热焙,亦改变进口蒸汽温度,如如下列图所示.从动态特性上看,这种调节方法是最不理想的,但由

9、于设备简单,因此,应用得最多.减温器有外表式和喷水式两种.减温器应尽可能地安装在靠近蒸汽出口处,但一定要考虑过热器材科的平安问题,这样能够获得较好的动态特蛀.但作为控制对象的过热器,由于管壁金属的热容虽比较大,使之有较大的热惯性.加上管道较长有一定的传递滞后,如果用如下列图所示的控制系统,调节器承受过热器出口蒸汽温度t变化后,调节器才开始动作,去控制减温水流Hw.W的变化乂要经过一段时向才能影响到蒸汽温度t这样,既不能与早发现扰动,乂不能与时反映控制的效果,将使蒸汽温度t发生不能允许的动态偏差.影响锅炉生产的平安和经济运行.以上资料仅供参考，如有侵权，留言删除！入口蒸汽出口蒸汽温度减温水图2-

10、1改变减温水虽控制蒸汽温度系统实际中过热蒸汽控制系统常采用减温水流H作为操纵变H,但由于控制通道的时间常数与纯滞后均较大,组成单回路控制系统往往不能满足生产的要求.因此常采用串级控制系统,减温器出口温度为副参数,以提升对过热蒸汽温度的控制质虽.过热器出口蒸汽温度串级控制系统的方框图如如下列图所示.采用两级调节器,这两级调节器串在一起,各有其特殊任务,调节阀直承受调节器1的控制,而调节器1的给定值受到调节器2的控制,形成了特有的双闭环系统,由副调节器调节器和减温器出口温度形成的闭环称为副环.由主调节器和主信号一出口蒸汽温度,形成的闭环称为主环,可见副环是串在主环之中.图2-2过热蒸汽温度串级调节

11、系统原理图调节器2称主调节器,调节器1称为副调节器.将过热器出口蒸汽温度调节器的输出信号,不是用来控制调节阀而是用来改变调节器2的给定值,起着最后校正作用.串级系统是一个双回路系统,实质上是把两个调节器串接起来,通过它们的协调工作,使一个被控虽准确地保持为给定值.通常串级系统副环的对象惯性小,工作频率高,而主环惯性大,工作频率低.为了提升系统的控制性能,希望主副环的工作频率相差三倍以上,以免频率相近时发生共振现象面破坏正常工作.串级控制系统可以看作一个闭合的副回路代替了原来的一局部对象,起了改善对象特征的作用.除了克制落在副环内的扰动外,还提升了系统的工作频率,加快过渡过程.串级控制由于副环的

12、存在,改善了对象的特性,使等效副对象的时间常数减小,系统的工作频率提升.同时,由于串级系统具有主、副两只控制器,使控制器的总放大倍数增大,系统的抗干扰水平增强,因此,一般来说串级控制系统的控制质虽要比单回路控制系统高.在炉温过热蒸汽温度控制系统中,为了获得更好的控制精度,所以采用串级控制系统以得到良好的控制特性.2.2串级控制方案论证一次扰动串级控制是随着工业的开展,新工艺不断出现,生产过程日趋强化,对产品质虽要求越来越高,简单控制系统已不能满足工艺要求的情况下产生的.次扰动主调节器副调节器一A调节阀副对象主对象-副参数主变送器4图2-3串级控制系统方框图由上图可知,主控制器的输出即副控制器的

13、给定,而副控制器的输出直接送往控制阀.主控制器的给定值是由工艺规定的,是一个定制,因此,主环是一个定值控制系统；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,副环是一个随动控制系统.串级控制系统中,两个控制器串联工作,以主控制器为主导,保证主变虽稳定为目的,两个控制器协调一致,互相配合.假设干扰来自副环,副控制器首先进展粗调,主控制器再进一步进展细调.因此控制质虽优于简单控制系统.串级控制有以下优点 由于副回路的存在,减小了对象的时间常数,缩短了控制通道,使控制作用更加与时； 提升了系统的工作频率,使振荡周期减小,调节时间缩短,系统的快速性增强了； 对二次干扰具

14、有很强的克制水平,对客服一次干扰的水平也有一定的提升; 对负荷或操作条件的变化有一定的自适应水平.一般来说,一个设计合理的串级控制系统,当干扰从副回路进入时,其最大偏差将会较小到控制系统的上,即便是干扰从主回10100路进入,最大偏差也会缩小到单回路控制系统的11.但是,如果35串级控制系统设计得不合理,其优越性就不能够充分表现.因此,串级控制系统的设计合理性十分重要.3控制系统设计3.1系统控制参数确定主变虽的选择串级控制系统选择主变虽时要遵循以下原如此：在条件许可的情况下,首先应尽虽选择能直接反响控制目的的参数为主变虽；其次要选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为主变虽；所选的主变

15、虽必须有足够的变化灵敏度.综合以上原如此,在本系统中选择送入负荷设备的出口蒸汽温度作为主变虽.该参数可直接反响控制目的.副回路的设计质H是保证发挥串级系统优点的关键.副变H的选择应遵循以下原如此： 应使主要干扰和更多的干扰落入副回路； 应使主、副对象的时间常数匹配； 应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型综合以上原如此,选择减温器和过热器之间的蒸汽温度作为副变里.工业过程的输入变虽有两类：控制变虽和扰动变虽.其中,干扰10/16时客观存在的,它是影响系统平稳操作的因素,而操纵变it是克制干扰的影响,使控制系统重新稳定运行的因素.操纵变虽的根本原如此为： 选择对所选定的被控变虽影响较大的输入变虽作

16、为操纵变 在以上前提下,选择变化X围较大的输入变虽作为控制变虽,以便易于控制； 在的根底上选择对被控变虽作用效应较快的输入变虽作为控制变使控制系统响应较快；综合以上原如此,选择减温水的输入虽作为操纵变虽.3.2调节阀的选择在本系统中,调节阀是系统的执行机构,是根据控制器所给定的信号大小和方向,改变阀的开度,以实现调节流体流虽的装置.调节阀的口径的大小,直接决定着控制介质流过它的水平.为了保证系统有较好的流通水平,需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例.调节阀的开、关形式需要考虑到以下几种因素： 生产平安角度：当气源供气中断,或调节阀出故障而无输出等情况下,应该保证生产工艺设备

17、的平安,不至发生事故； 保证产品质虽：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时,产品的质虽不应降低； 尽可能的降低原料、产品、动力损耗； 从介质的特点考虑.综合以上各种因素,在锅炉过热蒸汽控制系统中,调节阀选择气开阀.调节阀的流虽特性的选择,在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性和快开特性三种,在本系统中调节阀的流虽特性选择线性特性.阀门定位器的选用,阀门定位器是调节阀的一种辅助装置,与调节阀配套使用,它承受控制器来的信号作为输入信号,并以其输出信号去控制调节阀,同时将调节阀的阀杆位移反响到阀门定位器的输入端而构成一个闭环随动系统,阀门定位器可以消除阀膜头和弹簧的不稳定以与各运动部件的

18、干摩擦,从而提升调节阀的精度和可靠性,实现准确定位；阀门定位器增大了执行机构的输出功率,减少了系统的传递滞后,加快阀杆的移动速度；阀门定位器还可以改变调节阀的流虽特性.3.3控制器设计由上文论述可知,系统的控制结构选择串级控制.控制器控制规律的选择在串级控制中,主变虽直接关系到产品的质虽或生产的平安,所以主变虽一般要求不得有余差,而对副变虽的要求一般都不很严格,允许有一定的波动和余差.从串级控制的结构上看,主环是一个定制系统,主控制器起着定值控制作用,为使其稳定,主控制器通常选用比例积分控制器,对于本系统由于控制通道容虽之后较大,为克制容虽滞后,选用比例积分微分控制器作为主控制器.副环是一个随

19、动系统,它的给定值随主控制器输出的变化而变化,为了加快跟踪,副控制器一般不带积分作用.假设副控制器有微分作用,一旦主控制器航五输出稍有变化,控制阀就将大幅度变化,这对控制系统很不利,故副控制器只选用比例控制器.控制器正、反作用选择对于串级控制系统,主、副控制器正、反作用的选择顺序应该是先副后主.副控制器的正、反作用要根据副环的具体情况决定,而与主环无关.为了使副环回路构成一个稳定的系统,副环的开环放大系数的符号必须为负,即副环内所有各环节放大倍数符号的乘积应为负.在本设计中随着调节阀的开度增加,减温水虽增加,副对象即减温器后端蒸汽温度会降低,所以调节阀对副对象的作用为负；而调节阀为气开阀,即其

20、控制作用为正,所以负调节器的控制作用应为负作用.主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来确定,同时可将副回路视为一放大倍数为正的环节来看待,由于副回路是以随动系统.这样只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号与整个主环开环放大倍数的符号为负的要求,就可以确定主控制器的正、反作用.在本系统中,主对象的放大倍数为的符号为正,所以主控制器应选负作用.控制器的电路实现主控制器采用PID调节器,副控制器采用P调节器,可以使用单片机编程实现P、I、D的调节作用,也可以直接使用模拟电路搭建PID调节模块,在实际生产中,大多采用制作成型的PID模块以保证系统的正常运行.4控制仪表的选择控制仪表的主

21、要类型大致分为电动或气动,电动I型、II型、III型,单元组合仪表或是基地是仪表等.常用的控制仪表有电动II型、III型.在串级控制系统中,选用的仪表不同,具体的实施方案也不同.电动III型和电动II型仪表就其功能来说根本一样,但是其控制信号不一样,控制II型典型信号为010mADC,而电动III型仪表的典型信号为420mADC,此外.III型仪表较II型仪表操作、维护更为方便、简捷,同时III型仪表还具有完善的跟踪、保持电路,使得手动切换非常方便,随时都可以进展切换,且保证无扰动.所以在本设计中选用电动III型仪表.由电动III型仪表构成的串级控制系统的根本方案有如下两种:图4-1用电动II

22、I型仪表组成的串级控制系统方块图该方案中采用了两台控制器,主、副变虽通过一台双笔记录仪进展记录.由于副控制器输出的是,而控制阀只能承受0.020.1MPa气压信号,所以在副控制器与控制阀之间设置了一个电气转换器.图4-2用电动III型仪表组成的主控-串级控制系统方块图该方案较于上一方案多设置了一个主控-串级控制切换开关,可以根据不同情况使控制系统工作于主控方式和串级控制方式下.在本设计中采用第二种方式可以是控制系统更好的工作,得到更稳定的控制输出.5系统控制流程图系统整体控制流程图如如下列图:图5-1系统控制流程图6总结体会6.1设计总结本设计是基于串级控制系统的锅炉过热蒸汽温度控制系统的设计

23、,对炉温过热蒸汽的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提.采用串级控制系统,可以极大地消除控制系统工作过程中的各种扰动,使系统工作在良好的状态下,在系统中控制仪表可进展主控、串级控制的切换,可满足系统在不同情况下的控制要求.6.2心得体会本设计综合运用了模拟电子技术、自动控制理论以与过程控制理论.为了更好的完成设计,我将已经被束之高阁的一些书籍重新找出,认真阅读,从中不仅查找到了设计中需要的知识点,还发现了一些以前学习中忽略了的知识,在完成设计的同时得到了额外的收获.在做这个课程设计之前,我一直以为自己的理论知识学的很好了.但当我拿到设计任务书的时候,有一种的懵的感觉,不知道如何下手.开始了我乂总是被一些小的,细的问题挡住前进的步伐,让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间.最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的方法.并且我在做设计的过程中发现有很多东西,我都还不知道.其实在设计的时候,根底是一个不可缺少的知识,但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少.对生产过程进展控制是我们工作中非常重要的一项任务,通过此次课程设计我比较清楚地明白了控制过程的设计,以与优化控制统的思想,对我以后的工作将产生很深远的影响.