锅炉出口压力单回路控制系统.docx

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锅炉出口压力单回路控制系统

1.概述

锅炉是一种能量转换设备，向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能、高温烟气的热能等形式，而经过锅炉转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体。

锅的原义指在火上加热的盛水容器，炉指燃烧燃料的场所，锅炉包括锅和炉两大部分。

锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。

提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。

产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，常简称为锅炉，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。

锅炉是由锅和炉组成的，上面的盛水部件为锅，下面的加热部分为炉，锅和炉的一体化设计称为锅炉。

《特种设备安全监察条例》所定义的锅炉是指利用各种燃料、电或者其他能源，将所盛装的液体加热到一定的参数，并对外输出热能的设备。

其范围规定为容积大于或者等于30L的承压蒸汽锅炉；出口水压大于或者等于0.1MPa（表压），且额定功率大于或者等于0.1Mw的承压热水锅炉；有机热载体锅炉。

2.热电厂的生产工艺

2.1热电厂生产工艺概要

热电公司是利用煤和天然气作为燃料发电、产汽的，这也是目前世界上主要的电能生产方式。

生产工艺是将燃料送入炉膛内燃烧，放出的热量将水加热成为具有一定压力和温度的过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮机膨胀做功，高速气流冲击汽轮机叶片带动转子旋转，同时带动同轴发电机转子发电。

2.2锅炉工序

热电厂生产有四道工序：

输煤工序，化水工序，锅炉工序，汽机工序。

其中锅炉工序主要任务是生产蒸汽，集团现有两种锅炉，一种是煤粉炉；一种是循环流化床锅炉。

因节能、污染程度低等因素，目前行业应用较多为循环流化床锅炉。

以循环流化床锅炉为例，工艺过程简单地说就是煤炭燃烧后的热量加热循环水，产生蒸汽，在一定的压力下，形成过热蒸汽，蒸汽可直接进入生产系统或者进入汽轮机发电。

3.锅炉蒸汽压力出口控制

3.1锅炉按其出口蒸汽压力分类

锅炉按其出口蒸汽压力分为：

低压锅炉（P≤2.45Mpa，T≤400℃）、中压锅炉（2.94Mpa＜P≤4.9Mpa，400℃＜T≤450℃）、高压锅炉（7.84Mpa＜P≤10.8Mpa，460℃＜T≤540℃）、超高压锅炉（11.8Mpa＜P≤14.7Mpa，540℃＜T≤555℃）、亚临界压力锅炉（P15.7～19.6Mpa，540℃＜T≤570℃）、超临界压力锅炉（P25～27Mpa）。

此次控制系统设计选择中压锅炉为控制对象，所以查得中压锅炉出口蒸汽压力规定为3.83MPa，蒸汽温度为450℃。

3.2控制的重要性

压力是热电厂的一个重要参数，因为热点是靠蒸汽推动汽轮机转动，汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械。

又称蒸汽透平。

蒸汽的压力会影响后面的整个工序，如果蒸汽的压力不够的话将使汽轮机无法正常工作，势必会印象到工厂的效益和蒸汽机的寿命。

还有就是压力过高或过低也会导致汽轮机的不正常运行，有可能会出现极端事故。

3.3锅炉工艺流程原理

图1:

锅炉工艺流程图

4.控制系统设计

4.1控制系统参数选择

被控参数选择：

由于此系统为压力控制系统，所以选用锅炉出口的蒸汽压力为被控参数

控制参数选择：

由锅炉流程图可知，引起蒸汽压力变化的因素有外部扰动和内部扰动。

外部扰动是指外界对锅炉产生蒸汽的需求发生变化，使平衡关系被破坏，导致蒸汽压力改变。

内部扰动是指锅炉本身工况变化引起的蒸汽压力变化。

控制参数确定：

由于外部扰动暂不考虑，只考虑内部扰动，所以控制参数可以是燃料供给量，或者为蒸汽出口管阀门的开关大小。

两者比较，控制蒸汽出口管阀门大小，更容易，更直接。

4.2系统方框图的设计

图2：

出口蒸汽压力单回路控制系统

4.3现场仪表的选型

根据方框图和流程图可知，需要选择一个压力变送器，一个压力调节器和一个压力调节阀。

4.3.1压力变送器的选择：

由于高压锅炉蒸汽温度在450°C左右，压力3.83Mpa，而且腐蚀性弱，所以用不锈钢变送器即可，但是由于压力有时会因为扰动无规律变化，需要传感器反应灵敏。

综上所述可使用PTG503H压力变送器，它采用高精度高稳定性耐高温电阻应变计做为变送器的感压芯片，可以承受600°C高温。

由于量程应选为工作压力的1.5~3倍，所以量程选为1-10Mpa，综合精度：

±0.25%FS、±0.5%FS，响应时间：

≤10mS，过载能力：

150%FS，相对湿度：

0～95%RH。

4.3.2压力调节器的选择：

选用SK-808/900系列智能PID调节器。

可以实现对温度、压力、液位、容量、力等物理量的测量显示、智能PID调节仪并配合各种执行器对电加热设备和电磁、电动、气动阀门进行PID调节和控制、报警控制、数据采集、记录。

基本误差：

0.5％FS或0.2％FS±1个字，分辨力：

1/20000、14位A/D转换器，采样周期：

0.5S。

4.3.3电动调节阀的选择

应选用工作温度在450°C以上，可调压力在10Mpa以内，选用ZDSV电动V型调节球阀

公称通径DN为400mm，适用介质：

水，蒸汽，油品。

适用温度-28到500°C。

精度1%FS。

公称压力1.6-6.4Mpa。

连接形式：

对夹式、法兰式，法兰按JB79-59标准

5.调节器算法的确定

5.1调节器控制规律

由于被控对象传递函数可近似为：

。

可根据对象的延时时间和对象自衡时间常数的比值

选择控制器的控制规律：

5.1.1当

＜0.2时选择比例或者比例积分控制器

5.1.2当0.2＜

＜1时选择比例微分或者比例积分控制器

5.1.3当1＜

时选择简单控制系统往往不能满足控制要求，应选用串级，前馈等复杂控制系统

根据文献《BP-PID在锅炉蒸汽压力控制中的应用》查得，传递函数为：

。

根据控制规律和被控对象的特性和控制的需要，选择PID算法。

5.2系统参数整定和仿真

系统按结构分类，可分为：

静态前馈控制、动态前馈控制、前馈-反馈复合控制系统、前馈-串级复合控制系统等。

其中，前馈-反馈复合控制系统的特点是利用前馈抑制对系统影响较大的干扰，利用反馈控制抑制其他干扰以及前馈所“遗留”部分干扰。

前馈调节器和反馈调节器的整定方法如前所述。

一般为了实现系统无静差，反馈调节器多选PI控制方式。

前馈反馈复合控制系统仿真主要包括：

系统识别、控制系统整定和系统仿真等内容。

其中控制系统整定包括前馈控制系统整定和反馈控制系统整定两部分。

本例采用前馈、反馈分别整定的方法。

假设被控对象传递函数中各部分传递函数如下：

干扰通道传递函数为：

Gf（s）G2（s）=

e-10s

系统被控部分传递函数为：

G1（s）G2（s）=

e-8s

给定部分传递函数为：

Gc（s）=1

2.1前馈控制系统整定。

由于采用前馈反馈分别整定方法，所以，前馈整定参数为：

Kd=-2.5,

Tdl=8。

若系统采用PID控制，则系统结构框图如图：

2.1.1前馈-反馈复合控制系统方框图

2.2反馈控制系统前向通道稳定性分析。

系统稳定性分析是实验调试中正确把握试验方法、试验参数的基本依据。

对2.1.1所示系统反馈环节中开环稳定性分析（不含PID调节器部分），为分析方便，取：

不含PID调节器的开环传递函数可近视写成：

2

开环Bode图如图2.2.1所示，可见开环系统不稳定。

2.2.1反馈控制（不含控制器）开环Bode图

2.3、反馈控制系统整定。

本例反馈控制器取为PI形式。

采用阶跃响应法整定PI参数。

开环阶跃响应Simulink框图如图所示。

单位阶跃响应曲线如图2.3.1所示。

2.3.1开环阶跃响应Simulink框图

2.3.2开环系统单位阶跃响应

其中阶跃输入控制量u=1。

因此得：

2.4、系统仿真。

利用各整定参数及系统模型辨识结果构建系统前馈-反馈复合控制Simulink框图2.4.1所示，其中各个模块的具体结构如2.4.2所示，仿真结果如2.4.3所示。

2.4.1系统前馈-反馈复合控制Simulink框图

2.4.2系统主要模块结构图

图3：

Simulink仿真框图

首先根据调节器经验试凑法来整定调节器参数。

设定调节器PID参数的初始值为K=24，TI=0.3min经仿真后的响应曲线为

图4：

参数设定值仿真图

经反复试凑比例度、积分时间、微分时间的大小，得出K=24，TI=0.3。

响应曲线呈4:

1-10:

1衰减，结果令人满意。

图5：

参数设定值仿真图

6.课程设计心得体会

我通过本次课程设计学会了Matlab这个软件上的Simulink调试，虽然累，虽然难，但是我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助。

在这次设计中遇到了很多实际性的问题，这些问题在书本上是学不到的，只有在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维，并且提高自己思考问题的能力。

一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升，思想更加完善。

对于教材，其过程是比较简单的，主要是解决设计控制过程中的问题，而设计是一个很灵活的东西，它能真实反映你解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。

所以这次课程设计真是恰到好处。

在整个设计过程中大部分时间是用在控制理念上面的。

很多是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个环节才是关键的问题所在，这需要对系统的结构很熟悉。

因此可以说系统的设计是软件和硬件的结合，二者是密不可分的。

通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。

这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。

其次，这次课程设计让我充分认识到团队合作的重要性，只有分工协作才能保证整个项目的有条不絮。

另外在课程设计的过程中，当我们碰到不明白的问题时，指导老师总是耐心的讲解，给我们的设计以极大的帮助，使我们获益匪浅。

因此非常感谢老师的教导。

通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。

我觉得作为一名过程控制工程专业的学生，这次课程设计是很有意义的。

更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中。

虽然自己对于这门课懂的并不多，很多基础的东西都还没有很好的掌握，觉得很难，也没有很有效的办法通过自身去理解，但是靠着这一个多礼拜的“学习”，在同学的帮助和讲解下，渐渐对这门课逐渐产生了些许的兴趣，自己开始主动学习并逐步从基础慢慢开始弄懂它。

因为这次的课程设计，我发现控制的乐趣，我发现自己的能力还欠缺很多，正因为有这次的课程设计，让我们不断创新，不断进步。

参考文献

[1]《过程装备控制技术及其应用》王毅主编化学工业出版社

[2]《过程控制仪表》徐春山主编冶金工业出版社

[3]BP-PID在锅炉蒸汽压力控制中的应用

[4]锅炉压力表的选用

[5]中小型工业锅炉压力仪表的选用

[6]热电厂蒸汽压力控制系统的设计

[7]锅炉压力自动控制系统

[8]压力表精度选择指南