工业燃煤锅炉dcs控制系统设计学位论文.docx
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工业燃煤锅炉dcs控制系统设计学位论文
工业燃煤锅炉DCS控制系统设计
（子课题：
控制方案的组态及监控画面的制作）
摘要：
本文叙述了工业燃煤锅炉的工作原理，具体阐述了锅炉控制中对汽水控制系统方案和自动检测的设计，利用了ControlBuilder软件、UMC800控制器和FIX软件进行35吨工业燃煤锅炉汽水系统的自动检测与控制回路的组态，并设计了友好的监控画面。
关键词：
锅炉FIXUMC800控制系统汽水系统蒸汽压力
Abstract:
thepaperintroducetheprincipleoftheboilerwhichisusedinburningcoalindustrial,itdescribestheschemeofthesteamcontrolsysteminboilercontrolandthedesignofauto-detection.itusetheControlBuildersoftware,UMC800controllerandFIXsoftwaretoauto-detect35tsteamsysteminburningcoalindustrialandconfigurationthecontrolloop,anddesignedthefriendlysupervisionappearance.
Keyword:
boiler,FIX,UMC800,controlsystem,steamsystem,steampressure
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
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指导教师签名：
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本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
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本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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日期：
年月日
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作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
引言
锅炉微机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。
提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。
工业锅炉采用微机控制和原有的仪表控制方式相比具有以下明显优势：
1．直观而集中的显示锅炉各运行参数。
能快速计算出机组在正常运行和启停过程中的有用数据，能在显示器上同时显示锅炉运行的水位、压力、炉膛负压、烟气含量、测点温度、燃煤量等数十个运行参量的瞬时值、累计值及给定值，并能按需要在锅炉的结构示意画面的相应位置上显示出参数值。
给人直观形象，减少观察的疲劳和失误；
2．可以按需要随时打印或定时打印，能对运行状况进行准确地记录，便于事故追查和分析，防止事故的瞒报漏报现象；
3．在运行中可以随时方便的修改各种运行参数的控制值，并修改系统的控制参数；
4．减少了显示仪表，还可利用软件来代替许多复杂的仪表单元，（例如加法器、微分器、滤波器、限幅报警器等），从而减少了投资也减少了故障率；
5．提高锅炉的热效率。
从已在运行的锅炉来看，采用计算机控制后热效率可比以前提高5-10%，据用户统计，一台20T的锅炉，全年平均负荷70%，以平均热效率提高5%计，全年节煤800吨，按每吨煤380元计算每年节约304000元；
6．锅炉系统中包含鼓风机，引风机，给水泵，等大功率电动机，由于锅炉本身特性和选型的因素，这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的，原有方式采用阀门和挡板控制流量，浪费非常严重。
通过对风机水泵进行变频控制可以平均节电达到30%-40%；
7．锅炉是一个多输入多输出、非线性动态对象，诸多调解量和被调量间存在着耦合通道。
例如当锅炉的负荷变化时，所有的被调量都会发生变化。
故而理想控制应该采用多变量解偶控制方案。
而建立解偶模型和算法通过计算机实现比较方便；
8．锅炉微机控制系统经扩展后可构成分级控制系统，可与工厂内其他节点构成工业以太网。
这是企业现代化管理不可缺少的；
9．作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。
在采用计算机控制的锅炉控制系统中，有十分周到的安全机制，可以设置多点声光报警，和自动连锁停炉。
杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。
综合以上所述种种优点可以预见采用计算机控制锅炉系统是行业的大势所趋。
本书主要介绍了35吨燃煤锅炉的工艺过程，利用Lead-LineControlBuilder软件实现工业燃煤锅炉汽水控制系统的组态，并用FIX上位机监控软件设计了汽水控制系统的人机界面。
基于FIX与HoneywellUMC800控制器对35吨工业燃煤锅炉汽水系统的DCS控制系统的配置。
在本书的编写过程中，得到了付丽霞老师的大力支持，在此表示由衷的感谢。
由于时间仓促，加之作者的水平有限，书中错误和不妥之处在所难免，恳请读者批评指正，并提出宝贵的意见。
编者
2006年6月
第1章锅炉概述
1.1锅炉的一般结构与特点
锅炉是一种生产蒸汽的换热设备。
它通过煤、油或天然气等燃料的燃烧释放出化学能，并通过传热过程把能量传递给水，使水转变成蒸汽，蒸汽直接供给工业生产中所需的热能，或通过蒸汽动力机械转换为机械能，或通过汽轮发电机转换为电能。
所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能最有效地转换为蒸汽的热能。
因此，近代锅炉亦称作蒸汽发生器。
锅炉除了和所有动力机械产品一样，必须不断降低成本并提高效率和质量以外，由于锅炉本身的特性，它还具有以下特点。
1、可靠性要求高。
锅炉一旦事故停炉，将使电厂临时对外供电，影响甚广，其直接、间接损失远远超过锅炉本身的价值。
2、综合性强。
锅炉与汽轮机、发电机同为电厂三大主机，但锅炉除了一般性的产品内在矛盾外，还要能适应燃料性质，使整个电厂得到安全经济的运行，因而多了一个外在矛盾。
此外，锅炉还和其他工业部门的发展有着十分密切的关系，如石油化工企业中的废热锅炉，蒸汽燃气联合动力装置中的压力燃烧锅炉及核反应堆工程中的蒸汽发生器等等。
3、金属耗量和体积大。
以一台配30万千瓦机组的电站锅炉为例，金属耗量达四千多顿，体积达二万多立方米。
4、生产周期长。
一台大容量锅炉从设计、制造、安装到投入运行，目前一般需时二到三年，今后即使采用设计新技术及制造安装新工艺，提高自动化水平，要想把上述全过程在更短时间内完成，还是比较困难的。
5、锅炉产品不能在制造厂内整装试运。
除小容量工业锅炉外，不可能把锅炉在制造厂内全部组装好并投入试运行，这给鉴定和提高产品质量带来不少困难。
1.2锅炉的工作原理
现在我们以一台35顿工业燃煤锅炉为例，来说明锅炉的工作过程及原理。
如图1.1所示。
锅炉通过燃煤燃烧释放热量，使水变成蒸汽，以供生产需要。
该锅炉通过链条炉排把煤送入炉膛中燃烧，锅炉的蒸发受热面都在炉子内壁上，组成水冷壁，充分利用炉膛中的高温烟气辐射出的热量，使燃烧产物在进入以后的对流受热面时，可以达到必须的冷却，同时也起到了保护炉墙的作用。
后墙水冷壁（在水平烟道前方）拉稀成数列凝渣管束。
拉稀的作用是防止结渣，同时对其后方的过热器也起了保护的作用。
过热器放在水平烟道中，位于凝渣管束的后方，过热器的作用是把从锅炉（汽包）出来的饱和蒸汽加热成过热蒸汽，目的是减少供热管道内的冷凝损失。
烟气经过过热器后温度降低，然后转弯至尾部受热面尾部受热面之一的省煤器（位于尾部竖井的上方）。
省煤器的作用是使给水在进入锅筒之前，被预先加热到某一温度（低于饱和温度或达到饱和温度，甚至产生部分蒸汽）。
另一尾部受热面，即空气预热器，它的作用是使空气在进入炉膛以前被加热到一定温度，以改善炉内燃烧过程、降低排烟温度、提高锅炉效率。
锅炉的工作情况如下：
给水在除氧器被高温蒸汽除氧并加热，由给水管道将水送至省煤器，在其中被加热到某一温度后，进入锅筒，然后沿下降管下行至水冷壁进口集箱。
水在水冷壁内吸收炉膛内的辐射热而形成汽水混合物上升到锅筒中，蒸汽经过汽水分离装置，由锅筒上部离开，流到过热器中。
在过热器内，饱和蒸汽继续吸热成为过热蒸汽，然后经汽水分离器送往储气罐。
煤经链条炉排，进而入炉膛，在炉膛燃烧放出大量的热量。
燃烧后的热烟气上升，经过凝流管束、过热器、省煤器和空气预热器后，再经除尘装置清除其中的飞灰，最后才由风机送往烟囱排往大气。
第2章锅炉控制系统中各控制回路的介绍
锅炉控制系统，一般有燃烧控制、汽水控制、气温控制三大任务，锅炉的燃烧控制实质上是能量平衡系统，它以蒸汽压力作为能量平衡指标，不断根据用汽量与压力的变化调整燃料量与送风量，同时保证燃料的充分燃烧及热量的充分利用；汽水控制主要就是对锅炉汽包的水位进行控制；气温控制则是对锅炉中蒸汽温度的调节及控制，下面就简单的介绍一下各控制系统的控制方法。
2.1燃烧控制
2.1.1锅炉汽压的调整
锅炉运行时主蒸汽压力的控制是通过锅炉出力与汽轮机蒸汽进汽量的平衡来实现的，当两者平衡时，对于定压运行的机组，便能稳定工况、变工况或各种扰动下均保持主蒸汽压力的稳定；对于变压运行的机组，便能始终保持主蒸汽压力按负荷对应的关系进行变化。
锅炉在运行时，汽压总是被作为被监视和控制的主要参数之一，汽压降低会减少蒸汽在汽轮机中膨胀作功的焓降，使蒸汽作功能力降低，在外界负荷不变情况下，汽耗量也随之增大，从而降低发电厂的经济性；同时汽轮机的轴向推力增加容易发生推力轴瓦烧坏等事故。
如果蒸汽压力降低过多会使汽轮机被迫不能保持额定负荷。
汽压过高，使汽轮机转子以及汽缸、锅炉承压管道那机械应力过大，将危及机炉和蒸汽管道的安全。
锅炉汽压高低对于汽包水位、汽温等主要运行参数也有很大影响，当汽压降低由于对应的饱和温度降低，使部分炉水蒸发，会引起炉水体积膨胀，故汽包水位要上升，反之则炉水体积要收缩，汽包水位下降，引起虚假水位。
汽压变化对汽温的影响，一般是汽压升高时，过热蒸汽的温度也升高，这是因为，当气压升高时对应的饱和温度的焓值增大，在燃料消耗量未改变时，锅炉的蒸发量要瞬间减小，在传热系数传热面积和传热温压基本不变的情况下，平均每公斤蒸汽的吸热量必然增大，导致过热蒸汽温度升高。
汽压变化的速度表明了锅炉保持及恢复汽压的能力，汽压的变化速度影响因素是：
负荷的变化速度、锅炉的储热能力及燃烧设备的惯性等。
负荷变化是主动也是影响最大的因素，负荷变化速度越快，引起汽压变化的速度也越快，对于单元制机组而言，汽轮机负荷的变化幅度将直接影响锅炉主蒸汽压力的变化。
锅炉储热能力是指当外界负荷变化而燃烧工况不变时，锅炉能够放出或者吸收热量的能力，锅炉的储热能力对汽压的变化是一个缓冲作用。
燃烧设备的惯性是指从燃料量开始变化到炉内建立新的热负荷所需要的时间，在锅炉运行时，燃烧设备惯性越大，负荷变化时，汽压变化的速度就越慢。
汽压变化反应了锅炉蒸发量与外界负荷之间的平衡，由于外界负荷、炉内燃烧工况、换热情况以及锅炉内工作情况经常变化，引起锅炉蒸发量的不断变化，所以汽压的变化与波动是必然的，汽压稳定只是相对的。
引起锅炉汽压的变化原因很多，主要有两方面：
一是锅炉内部因素，一是锅炉外部因素。
外部因素是指非锅炉设备本身的原因造成的扰动，主要有外界负荷的变化；高压加热器因故障退出运行；给水压力变化。
内部因素主要是指炉内燃烧工况的变动和锅炉内工作情况的异常。
当外界负荷不变时，汽压的稳定主要取决于炉内燃烧工况，此外，锅炉换热状况的改变也会影响汽压的稳定。
对于判断汽压变化的原因主要可以考虑：
当蒸汽压力与蒸汽流量的变化方向相反时，是由外部因素造成的；若汽压与蒸汽流量的变化一致时，通常是由于内部扰动的影响。
当汽压下降时蒸汽流量下降，说明燃料燃烧的供热量不足，当汽压上升的同时，蒸汽流量增加，说明燃烧供热量偏多。
2.1.2锅炉燃烧的调整
炉内燃烧调节的具体任务归纳为四点：
（1） 保证产汽量适应外界负荷的需要，汽压汽温和汽包水位稳定在正常范围内。
（2） 着火稳定，燃烧中心适当，火焰分布均匀，不烧毁喷燃器过热器等设备，避免结渣 。
（3） 燃烧完全，使机组处于最佳经济状况 。
（4）炉膛负压的参数调整。
负荷变化是锅炉运行中经常碰到的，此时必须及时调整送入炉膛的燃媒量和空气量，相应的改变燃烧工况。
锅炉在高负荷下运行时，由于炉膛温度高，着火与混合条件较好，故燃烧一般是稳定的，此时可适当减少过量空气系数，这样既可以减少排烟，又可使炉内温度提高。
锅炉在低负荷下运行时，燃烧弱，炉膛温度低，火焰充满度差，燃烧不稳定，可以将炉膛负压适当减小，以减少漏风，提高炉膛温度。
燃烧的调节主要包括送引风量的调节。
燃料量的调节和燃烧调节等。
锅炉负荷发生改变而需要调节进入炉内的燃料量时，通过增加或者减少送煤量的多少来实现。
锅炉负荷变化时，送入炉内的风量必须与送入炉内的燃料量相适应，同时也必须对引风量进行相应的调整，通常采用送引风机风量来进行炉内风量调节，目前大型锅炉多采用轴流式风机，通过调节送引风机动叶的角度来改变送引风量的大小。
2．2汽水控制
2.2.1汽包水位的调整及控制
当汽包水位过高时，由于汽包蒸汽容积和空间高度减小，蒸汽携带的水份会增加，从而蒸汽的品质恶化，容易造成过热器积盐垢，使管子过热损坏。
同时，盐垢增加，传热热阻也增大，将引起传热恶化，过热汽温下降使经济性下降。
汽包严重满水时，会造成蒸汽大量进水，除引起蒸汽温度急剧下降外，还会引起蒸汽管道和汽轮机内产生严重水冲击，甚至打坏汽机叶片。
汽包水位过低则可能破坏水循环，使水冷壁管的安全受到威胁，如果出现严重缺水而又处理不当时，则可能造成水冷壁爆管。
汽包水位是否稳定首先取决于锅炉负荷的变动量及其变动速度，因为它不仅影响蒸发设备中水的消耗量，而且还会造成压力的变化，从而引起炉水状态发生变化，促使它的体积也发生变化。
锅炉负荷突然增加时，在给水量和燃烧未做相应的调整之前，汽包水位先升高，而后再逐渐降低；而汽压则很快下降。
汽压下降的结果，一方面造成汽水混合物比容增大，水位上升；另一方面使饱和温度降低，造成金属和炉水放出部分热量用来蒸发炉水，因此炉水内的蒸汽数量大大增加，汽水混合物体积膨胀，促使水位很快上升，形成虚假水位。
因此，在负荷突然增加时，水位暂时很快上升，从物质不平衡的情况看，蒸发量大于给水量，炉水不是多了而是少了，水位会很快下降。
在锅炉负荷和给水量未发生变化的情况下，炉内燃烧工况发生变动多数是由于燃烧不良，给煤量的不稳定所引起。
当燃烧加强时，炉内放热量增加，受热面吸热量也增加，炉水汽水加强，炉水中产生的蒸汽汽泡数量增多，体积膨胀，水位暂时提高，由于产生的蒸汽量不断增多，汽压上升，相应提高了饱和温度，使炉水中的蒸汽汽泡数量有所减少，水位又会下降。
对于单元机组，如果此时汽压不能恢复则汽轮机调节机构将要关小调速汽门，进汽量减少，因此水位又会上升。
燃烧减弱时，情况与之相反。
给水压力升高则给水量增多，从而破坏了给水量与蒸发量的平衡，因此必然引起汽包水位的波动，在其他情况为改变的情况下，给水压力升高使给水量增大，水位升高，给水压力低使给水量减少时，水位下降。
2．3汽温控制
2.3.1过热器和再热器
蒸汽过热器是锅炉的重要组成部分，它的作用是把从汽包出来的饱和蒸汽加热到具有一定过热度的合格蒸汽，并要求在锅炉变工况运行时，保证过热蒸汽温度在允许范围内。
汽轮机高压缸的排汽先送到锅炉的再热器中，经过再一次加热升温到一定的温度后，返回到汽轮机的中低压缸和低压缸中继续膨胀做功。
通常，再热蒸汽压力为过热蒸汽压力的20%左右，再热蒸汽温度与过热蒸汽温度相近。
我国125MW及以上机组都采用了中间再热系统。
随着蒸汽参数的提高，过热蒸汽和再热蒸汽的吸热量份额增加，在现代高参数大容量锅炉中，过热器和再热器的吸热量占工质总吸热量的50%以上，因此，过热器和再热气受热面在锅炉总受热面中占有很大比例。
再热器的进汽是汽轮机高压缸的排汽，它的压力约为主蒸汽压力的20%左右，温度稍高于相应的饱和温度，流量约为主蒸汽流量的80%，离开再热器后的蒸汽温度约等于主蒸汽温度。
再热器与过热器相比，有以下几个特点。
（1）再热蒸汽压力低，蒸汽与管壁之间的对流放热系数小，再热蒸汽对管壁的冷却效果差；
（2）再热蒸汽压力低、温度高、比容大，再热蒸汽的容积流量比主蒸汽大的多，再热蒸汽连接管道直径比过热蒸汽大；
（3）再热蒸汽对汽温偏差较敏感；
（4）再热蒸汽出口气温受进口气温的影响；
（5）当汽轮机甩负荷或机组起停时，再热蒸汽无蒸汽冷却，可能烧坏，因此过热器和再热器之间装有高压旁路，将过热蒸汽通过高压旁路快速减温减压后引入再热器，从而起到保护再热器的作用。
通常采用的汽温调节方法有：
使用喷水减温器，喷水减温是将水直接喷入过热蒸汽中，水被加热、汽化和过热，吸收蒸汽中的热量，达到调节汽温的目的。
汽－气热交换器；蒸汽旁通法；烟气再循环；分隔烟道挡板调温法，当再热器布置在锅炉尾部烟道内时，为了调节再热气温，有时把尾部烟道用隔墙分开，分别将再热器和低温过热器布置在两个并联的烟道中，在它们后面布置省煤器，在出口处设有可调烟气挡板，调节烟气挡板，可以改变流经两个烟道的烟气流量，从而调节再热汽温。
2.3.2蒸汽温度的调整及控制
过热器出口汽温是蒸汽质量的重要指标之一，过热蒸汽汽温过高，会加快金属材料的蠕变，还会使过热器蒸汽管道汽轮机高压部分产生额外的热应力，从而缩短设备的使用寿命。
汽温过低，会使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，对叶片的侵蚀作用加剧。
严重时还会发生水冲击。
当压力不变时汽温加大，蒸汽的热焓必然减少，蒸汽的做功能力将减少，汽耗必然增加，工厂经济性降低。
影响汽温变化的主要因素是多种多样的，这些因素还可以同时发生。
烟气侧的主要影响有：
燃料性质的变化，挥发分降低，含炭量增加时，火焰中心上移，炉膛出口烟温升高，将使得汽温升高，燃煤水份增加，炉膛出口烟温增加，烟气流速增加，这样使得对流过热器的传热系数增大，吸热增多汽温升高。
风量及其分配的变化，由于送风量或者漏风量增加而使炉内过量空气系数增加时，燃烧生成的烟气量增多，烟气流速提高，导致对流过热器汽温升高，但是，如果风量不足，燃烧不好而在烟道再燃烧时，会使烟气对流过热器的升高，而且可能造成过热器超温损坏。
蒸汽侧的主要影响有：
锅炉负荷的变化，实际锅炉中，联合过热器的负荷特性通常是呈对流式的，即过
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