磨煤机出口温度自动控制系统设计Word格式文档下载.docx
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1.1设计背景
随着火电机组单机容量和参数的提高及系统本体的复杂化，对自动控制的要求越来越高。
目前仅以经典控制理论为基础的自动控制系统已经不能适应工况在大范围内改变的情况。
随着全球经济迅猛发展，能源和环境问题对社会发展的困扰显得日益突出，从而引起来人们极大的关注。
我国是以煤为主要一次能源的发展中国家，而煤炭又是我国火力发电的主要原料，而且这种趋势在相当长的时间内都不会改变。
虽然在燃煤发电技术上取得很大成效，但火力发电在我国仍是一个薄弱的环节，设备效率比国外先进水平低很多，全国火电厂平均效率为32.3％，而国外先进水平为47.5％。
制粉系统作为原煤的加工处理设备，该系统运行的优劣将直接影响到电站锅炉的燃烧效率。
1.2设计任务及主要内容
本课程设计的主要内容与要求为：
按实际系统需要，按需选择控制原理；
对磨煤机出口温度进行自动的测量与处理；
描述系统的组成及工作原理；
确定控制规律；
画出系统SAMA图以及系统流程图等。
2制粉系统概述
2.1系统任务及类型
制粉系统的任务是将原煤进行磨碎、干燥，成为具有一定细度和水份的煤样，并将锅炉燃烧所需要的煤粉送入炉膛进行燃烧。
煤粉制备系统可分为直吹式和中间仓储式系统。
直吹式制粉系统是指煤经过磨煤机磨成煤粉之后，直接吹入炉膛燃烧；
而中间仓储式制粉系统是将煤磨制成煤粉先储存在煤粉仓中，然后再根据锅炉运行负荷的需要，从煤粉仓经给煤机送入炉膛燃烧。
中间仓储式制粉系统，由于有煤粉仓储粉，磨煤机可以在经济工况下运行；
锅炉运行不受磨煤机工作的影响，可靠性高；
运行调节比较灵活；
负荷调节延滞性小。
但它的系统复杂、管道多、部件多、初投资大，制粉系统电耗大。
直吹式制粉系统是将磨煤机磨制的煤粉全部直接送入炉膛内燃烧。
因此，在任何时候，每台锅炉所有运行磨煤机制粉量总和都等于锅炉耗煤量，即磨煤机出力是随锅炉负荷变化而变化。
它具有系统简单、布置紧凑、运行电耗较低等一系列优点，随着自动调节技术和运行管理水平的日益提高，逐步得到广泛采用。
2.2煤粉的特性
作为煤粉炉燃料的煤粉常被磨得很细，颗粒大小多在20~50μM，形状也不规则，并且随燃料的种类及之分设备的形式不同而异。
由于新磨制的干煤粉，小而轻，且表面有吸附大量空气的能力，所以煤粉能够与空气混合而具有良好的流动性，发电厂正是利用这个特性用管道对煤粉进行气力输送的。
因为煤粉的流动性好，所以对制粉系统的严密性和由于煤粉自流可能给运行带来的事故，应予以特别的注意。
长期贮存的煤粉因为缓慢氧化逐渐放出一些热量，在散热不良的情况下，煤粉温度会自行升高而着火，这种现象称为煤粉的自燃性。
制粉系统中的煤粉自燃或因其他火源引燃后，会造成大面积的着火燃烧，使压力骤然升高而发出巨大的响声，这一现象称为煤粉的爆炸性。
煤粉爆炸将危及人身设备安全而影响设备正常运行。
因此，在锅炉运行中要防止管道内积粉，保证气粉混合物有一定的流速，严格控制磨煤机出口温度，还在制粉系统中装设了一定数量的防爆门，防止煤粉爆炸造成设备的严重损坏。
影响煤粉爆炸的因素有煤粉的挥发分含量、水分、煤粉细度、煤粉浓度和温度等。
一般情况下，挥发分含量高及发热量高，煤粉颗粒小及干燥，煤粉浓度大（危险浓度为1.2~2.0kg/m3）,含氧量高，爆炸的可能性大。
实践证明：
当煤粉的Vdaf<
10%或颗粒大于100μM，煤粉几乎不爆炸；
对温度低于100℃，煤粉浓度避开了危险浓度或含氧浓度小于15%~16%的煤粉气流，基本上不存在爆炸的危险。
2.3制粉系统的主要设备
（一）磨煤机
磨煤机是制粉系统的主要设备，它的作用是将具有一定尺寸的煤块进行干燥、破碎并磨制成粉。
按转速可以分为低速磨煤机、中速磨煤机、高速磨煤机。
（二）给煤机
给煤机的作用是根据磨煤机或锅炉负荷的需要调节给煤量，并把原煤均匀地送入磨煤机。
给煤机的型式很多，国内应用较多的给煤机有圆盘式给煤机、电磁振动式给煤机、刮板式给煤机和电动式皮带给煤机。
（三）粗粉分离器
粗粉分离器的作用是将不合格的粗粉分离出来再回到磨煤机中重磨，合格的煤粉送入细分分离器或直接供给锅炉燃烧使用。
此外它还可以调节煤粉细度，以便运行中煤种变化或干燥剂量改变时能保证所要求的煤粉细度。
（四）细粉分离器
细粉分离器的作用是将煤粉从粗粉分离器送出的气粉混合物中分离出来，以便将煤粉储藏在煤粉仓中。
（五）给粉机
给粉机的作用是根据锅炉负荷的需要，把煤粉仓中煤粉均匀地送至一次风管。
2.4双进双出钢球磨煤机直吹式制粉系统工作原理
目前，我国大多数电厂均采用双进双出钢球磨煤机配直吹式制粉系统。
直吹式制粉系统的主要特点是，在任何时候，所有运行磨煤机制粉出力总和均等于锅炉煤耗量，即制粉出力随锅炉负荷的变化而变化。
双进双出钢球磨煤机直吹式制粉系统的主要优点是，煤种适应性强、负荷调节范围广。
双进双出钢球磨煤机的结构主要由滚筒，中心管和给煤管，螺旋送煤器，筒体支撑轴承，传动大小齿轮，减速装置，电动机，润滑系统和进出口阀门等组成，相当于把两个并行的筒式磨煤机制粉系统组合在一起的高效率制粉设备。
磨煤机是以撞击和挤压碾磨方式进行制粉工作的。
其工作原理为：
电动机经棒销联轴器带动变速器、减速器、开式大齿轮减速器，从而驱动磨煤机筒体旋转。
当筒体转动时，钢球在离心力及摩擦力作用下，紧贴筒体旋转到一定高度后，沿着抛物线方向下落，撞击燃煤，把煤颗粒击碎，同时钢球还在筒体内产生旋转运动，这时球与球、球与钢瓦之间产生挤压碾磨作用，把煤粒磨成煤粉。
经过磨制的煤粉由干燥介质将其从筒体内携带出去。
携带出去的煤粉颗粒有大有小，并不完全符合燃烧的煤粉细度要求，所以磨煤机出口的煤粉通过煤粉分离器，将细度不合格的煤粉经过回粉管送回到磨煤机重新碾磨，而细度合格的煤粉进入炉膛进行燃烧。
3磨煤机出口温度控制简介
3.1温度控制的重要性
磨煤机出口温度实际上反映了磨煤机出口热风和煤粉的混合温度,因此磨煤机出口温度控制的目的具有经济性和安全性两方面:
一方面,原煤一般含有较大的水分,在磨制过程中必须有干燥剂对其同时进行干燥以减少水分,才能磨成合格的煤粉和提高可磨系数,而且干燥的煤粉也便于储存和输送。
此外,煤粉含水分少也有利于在炉内着火和燃烧。
由于煤粉水分含量与磨煤机出口的混合风温度有关:
混合风温度高时,煤粉的水分含量较少。
因此从经济性讲需要提高磨煤机出口混合风温。
另一方面,又必须注意到,混合风温提高的同时煤粉温度也提高了。
由于煤粉温度过高易造成煤粉的自燃和爆炸,所以为了防止煤粉在制粉系统中自燃和爆炸,从安全性讲这个温度又不能过高。
因此,从经济性和安全性两方面考虑必须将磨煤机出口的混合风温度控制在与煤种相适应的温度范围内。
3.2调节任务及被控对象的动态特性
磨煤机出口温度的调节任务是要保证磨煤机出口煤粉的温度在一定范围内（一般为60~90℃）。
为此被调量为磨煤机出口煤粉温度；
调节量应选为热风量。
1、冷风量阶跃扰动时，磨煤机出口温度的动态特性
热风调节门开度保持不变，冷风调节门μc阶跃增加时，磨煤机出口温度T的响应曲线如图1所示。
图1冷风量阶跃增加时磨煤机出口温度的响应曲线
从图1中可以看出冷风量与磨煤机出口温度的动态特性是一时间常数较大的反向高阶惯性环节。
2、热风量阶跃扰动时，磨煤机出口温度的动态特性
冷风调节门开度保持不变，热风调节门μH阶跃增加时，磨煤机出口温度T的响应曲线如图2所示。
图2热风量阶跃增加时磨煤机出口温度的响应曲线
从图2中可以看出冷风量与磨煤机出口温度的动态特性是一时间常数较大的正向高阶惯性环节。
综上分析，磨煤机出口温度被控对象的动态特性都是有迟延，有惯性，有自平衡能力的。
4控制系统的方案设计
4.1系统的组成及工作原理
磨煤机出口温度控制系统如图3所示，磨煤机出口温度测量原理采用双变送器测量，两个变送器之间的偏差超过规定值时，表示两个变送器之一或者两个变送器同时发生了故障，这时将发生报警信号，并通过逻辑控制，使磨煤机出口温度控制由自动切换到手动，以免发生误调。
磨煤机出口温度信号经变送器及转换器T1进入磨煤机出口温度调节器PI1，与给定值进行比较，如有偏差，则PI1有控制输出，通过T2、T3去改变磨煤机热风挡板开度，使磨煤机出口温度恢复到给定值，同时经过比例器K发出一反向信号区磨煤机一次风量控制系统，去改变冷风挡板开度，以减少磨煤机出口温度控制时对一次风量的影响，以保证进入磨煤机一次风量恒定。
转换器T2的作用是实现磨煤机出口温度控制系统的自动/手动切换，自动方式时T2选通A端，手动方式时T2选通B端。
当收到来自BCS系统（燃烧器控制系统）发出的“关闭热风挡板”指令时，转换器T3切换到B端，使热风挡板迅速关闭。
磨煤机出口温度超过高限93℃或低于底限54℃时，通过监控器向BCS系统发出信号。
ZT是热风挡板位置反馈信号，当该信号与T3的输出信号的偏差超过允许的范围时（H>
20，L<
20），将发出报警信号及“磨煤机不响应指令”，将磨煤机出口温度控制系统自动切换到手动方式。
图3磨煤机出口温度控制系统
磨煤机出口温度控制系统的工艺流程图如图4所示。
此控制系统的被调量应选为磨煤机出口温度，调节量为冷风量和热风量。
图4磨煤机出口温度控制系统流程图
4.2控制原理的选择
磨煤机出口温度的动态特性是个大延迟大惯性的被控对象。
热风量、冷风量都会对磨煤机出口温度产生直接的影响。
如果选用单回路控制系统来维持磨煤机出口温度的话，将不能有效的满足控制控制质量的要求，因为当改变热风调节挡板的同时会影响一次风量，所以磨煤机出口温度控制应选用双闭环比值控制系统，保证冷热风调节门开度的比值不变。
1、双闭环比值控制系统的组成
双闭环比值控制系统的结构示意图及原理方框图如图5所示。
主动流量F1为一次风量，从动流量F2为冷热风门调节开度。
图5双闭环比值控制系统结构示意图及原理方框图
图中：
GT1（S）为主动流量调节器传递函数；
Km1为主动流量变送器传递函数；
KZ1为主动流量调节器传递函数；
Kf1为主动流量调节阀传递函数；
K为比例器传递函数；
GT2（S）为从动流量调节器传递函数；
Km2为从动流量变送器传递函数；
KZ2为从动流量调节器传递函数；
Kf2为从动流量调节阀传递函数；
r为给定值。
2、系统分析
双闭环比值控制系统是由一个主动流量定值控制回路和一个跟随主动流量变化的从动流量随动控制回路组成的。
在双闭环比值控制系统工作时，如果主动流量收到扰动，那么主动流量控制回路对其进行定值控制，使主动流量始终稳定在给定值附近，同时从动流量控制回路也会随主动流量的波动进行调整；
当从动流量收到扰动时，从动流量控制回路对其进行控制，使从动流量始终跟随给定值变化，此时主动流量不受从动流量波动的影响。
因此，由扰动引起的主动流量和从动流量波动，利用各自控制回路分别实现实际值与给定值吻合，从而保证主动流量和从动流量的比值恒定。
当调整主动流量给定值时，主动流量控制回路调整主动流量实际值与给定值吻合；
同时，根据主动流量与从动流量的比值及新的主动流量给定值，系统给出从动流量召开回路的输入值（给定值）。
通过从动流量控制回路的调节使从动流量的实际值与该输入值吻合，及从动流量的实际值与主动流量变动后的数值相对应，保持主动流量和从动流量的比值不变。
可见，主动流量控制回路是一个定值控制系统，而从动流量控制回路是一个随动控制系统。
双闭环比值控制系统的突出优点是：
（1）控制系统更为稳定。
对主动流量的定值控制客服了扰动对主动流量的影响，因此主动流量变化平稳，从动流量也将平稳，进而更好的满足生产工艺要求。
（2）系统更易于调节。
当需要改变主动流量的设定值时，主动流量控制回路通过调节控制使主动流量的输出值改变为新设定值，同时从动流量也将随主动流量按给定值变化。
因此，当需要调整负荷时，只要改变主动流量控制器的给定值，就可以同步调整主动流量和从动流量。
并保持主动流量和从动流量的比值不变。
4.3控制规律的选择
双闭环比值控制系统中两流量不仅要保持恒定的比值，而且主动流量要实现定值控制，其结果是从动流量的设定值也是恒定的，所以主调节器GT1（S）和从调节器GT2（S）均选择比例积分调节规律。
4.4比值控制系统的整定
双闭环比值控制系统中主动流量控制回路实现定值控制，从动流量控制规律实现自身的稳定控制和对主动流量变化的跟踪，从而实现主从流量的比值控制所以两闭合回路的调节器均选择PI控制规律，而且应使从动流量控制回路的相应比主动流量控制回路快，这样从动流量控制系统才能跟上主动流量的变化，保证主从流量比值恒定。
主从流量控制回路都将过渡过程整定成非周期临界情况。
5控制仪表的选型
5.1变送器的选型
热电偶温度变送器与各种测温热电偶配合使用，可将温度信号线性地转换成为4～20mADC电流信号或1～5VDC电压信号输出，它是由量程单元和放大单元两部分组成的。
由于磨煤机出口温度的特殊性，所以选用的热电偶变送器的温度测量值必须达到要求，本控制系统中选用的是DBW-1150型热电偶温度变送器。
DBW-1150型热电偶温度变送器是DDZ-III系列仪表的主要品种。
本温度变送器用热电偶作为测温元件，将被测温度线性地转换成标准信号1-5VDC或4-20mADC输出，供给指示、记录、凋节器、计算机等自动化监控系统。
5.2调节器的选型
根据控制系统的要求，本系统的调节器采用KMM可编程调节器。
KMM可编程调节器是一种多输入/输出、多功能、多用途的数字式控制仪表。
它可与模拟式调节器兼容,运算、控制及通信功能丰富,通用性强、可靠性高,使用、维护方便。
用KMM进行系统设计时,只要根据控制流程图进行组态即可,非常简便。
KMM的主要功能可归纳为五个方面:
输入处理功能、运算处理功能、输出处理功能、自诊断功能和通讯功能，可直接接受标准的模拟电量信号,并输出连续的模拟控制信号。
5.3执行器的选型
执行器接受调节器的输出信号或来自手动操作信号，将其转换成调节机构（阀门、风门或挡板）动作的位移信号，从而改变被调量的大小。
执行器通常由伺服放大器和执行机构两部分组成。
执行机构主要由两相伺服电动机、机械减速器和位置发送器组成。
两相伺服电动机是执行机构的动力装置，可能将电能转换成机械能。
机械减速器将高转速、小力矩的输出功率转换成低转速、大力矩的输出，带动调节机构改变被调量的大小。
位置发送器用来提供与执行机构输出轴角位移成正比的电流信号，以表明阀门开度，改电流信号作为位置反馈信号送到伺服放大器的反馈通道。
为了保证系统有较好的流通能力，需要控制阀两端的压降在整个管线的总压降占有较大的比例。
在正常工况下，一般要求调节阀开度应处于15%～85%之间，应具体根据实际需要的流通能力的大小进行选择。
调节阀按驱动方式可分为：
气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀，即以压缩空气为动力源的气动调节阀，以电为动力源的电动调节阀，以液体价值压力为动力源的液动调节阀，由于生产现场有防爆要求，所以应选择气动执行器，并配以电/汽阀门定位器为辅助设备。
电/汽阀门定位器具有电/汽转换器和阀门定位器的双重作用。
它接受电动控制器输出的4-20mA直流电流信号，成比例地输出20—100KPa或40—200KPa汽动信号至汽动执行机构。
5.4变频器的选型
交流变频器是一种经济型调速控制器，主要是根据改变频率的方法来实现交流异步电动机的调速过程。
交流变频器是一种高性能、高可靠性的控制器，具有多段速度运行，而且采用先进的磁通矢量控制，实行新的在线自动调整功能，电动机在启动时可马上跟踪进行调整，而不影响电动机的转速。
在低速运行时，产生稳定而强大的转矩，通过磁通电流控制，自动适配负载，降低运行费用。
在保护方面具有独特性：
具有过电压/欠电压、过电流、接地故障、输出短路、温度过高、热偶、失步保护、故障信息等等保护功能。
这里采用的是日本富士电机公司生产的“FRN—G9S”型交流变频器，这种交流变频器适应于（0.2~7.5）KW的交流异步电动机，交流变频器的电源输入交流380V、50HZ。
交流变频器是一种智能控制器，属于微机控制，具有功能强，运行可靠性高等优点，所以它的保护环节非常好。
6结语
根据我国火电控制系统的现状以及将来的发展趋势，进行了磨煤机出口温度控制系统的方案设计，对提高火电控制领域自动化控制水平有一定的认识作用，能更好的认识了解磨煤机出口温度控制的重要性及制粉系统的安全有效的运行给予有效的帮助。
对于磨煤机出口温度的调节应该尽量的快,尽量的消除系统固有的迟延，另外可以设想利用磨煤机一次风温度作为出口温度的前馈信号改进出口温度的调节效果,留待进一步的探讨。
个人总结
通过两周的《热工过程控制系统》课程设计，我进一步加深了对《热工过程控制系统》这门课程的认识，更深层次掌握了设计一个安全有效的控制系统对于热工过程的重要性，体现了学以致用，突出自己劳动成果的喜悦之情，也从中发现了自己平时学习的不足和薄弱环节，也为今后的学习指明了方向。
通过本次的课程设计我更加深入的认识到理论联系实际的重要性，做设计，不能闭门造车，光有理论知识是行不通的，把理论与现实结合起来，定能上升到一个新的高度；
本次设计的完成对我独立思考问题能力也有了新的提高，课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不可少的过程。
由于有了前几次课程设计所积累的经验，本次的课程设计在构思找资料排版以及设计方法上都有了较之前显著的提高。
但同时也遇到过问题，能够顺利完成本次课程设计，离不开王鸿懿老师的指导与帮助，在我们遇到困扰时，王老师循循善诱的指导给予我们无尽的启迪，并且老师严谨细致的工作作风也是我们学习的榜样。
不光老师，同组同学的共同帮助也给本次课程设计增添了不少的推动力。
感谢老师及同学们的帮助。
参考文献
[1]《热工过程控制系统》，中国电力出版社，边立秀等编著
[2]《热工过程控制系统》，中国电力出版社，潘维加等编著
[3]《控制设备及系统》，中国电力出版社，肖大雏主编
[4]《检测技术与系统设计》，中国电力出版社，张清等主编
[5]《热工测量和控制仪表的安装》，中国电力出版社，叶江祺主编
[6]刘维.超临界机组控制方法与应用[M].北京：
中国电力出版社，2010：
146-150
[7]王东风.《钢球磨煤机制粉系统的优化控制》动力工程2003.4
[8]王国顺.火电站中磨煤机的运行机理.电站系统工程.2005.4
附录Ⅰ:
控制系统SAMA图
附录Ⅱ:
系统工艺流程图
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