工业蒸汽锅炉过程控制系统设计专业技术实习文档格式.docx

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据日本20世纪70年代的调查披露，日本当时运行的十万余台锅炉，在十年间共发生事故355次，其中由于管理不善而发生的事故有243次，占事故总数的70．8％。

多年来锅炉的安全工作一直受到国家劳动部门的重视，相继颁发了许多安全和劳动保护工作的法令、规范和标准，收到了显著效果。

解决普遍存在的控制系统落后、运行效率低、环境环境污染严重等问题已是刻不容缓。

为此，如何提高工业锅炉运行效率，降低能源消耗，实现其自动化节能和环保的要求已成为亟待解决的问题。

1、工艺流程

1.1锅炉设备介绍

锅炉生产过程是一个多变量多参数相互耦合的复杂过程，其汽水，燃烧过程非常复杂，受多重因素的影响，燃烧系统内部一次风、二次风，输煤，一次返料，二次返料耦合性很强，燃烧与汽水之间也有极其复杂的相互作用关系，同时过程的非线性，滞后性也导致控制系统的复杂性，难以建立精确的数学模型，无法采用有效的预估补偿措施。

锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低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、汽包及循环管等组成，常见锅炉设备工艺流程如图1。

燃料与空气按照一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，形成一定气温的过热蒸汽，在汇集到蒸汽母管。

过热蒸汽经负荷设备控制，供给负荷设备用，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。

锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。

按照这些控制要求，锅炉设备将有如下主要的控制系统：

①锅炉汽包水位控制系统：

主要是保持汽包内部的平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内。

②过热蒸汽系统控制：

主要使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过工艺允许范围。

③锅炉燃烧系统的控制：

其控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要，使燃料与空气量保持一定的比值，保证燃烧的经济型和锅炉的安全运行，使引风量与送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围内。

④锅炉水处理过程：

主要使锅炉给水的水性能指标达到工艺要求。

1.2设计介绍与构想

该锅炉所产生的蒸汽有两部分用途：

一部分作为汽轮机的动力源，蒸汽推动汽轮机转动，带动生产线上的其他生产设备正常运转，使生产顺利进行；

另一部分蒸汽用作热源，供其他车间生产线提供热源，如原料加热车间、脱水车间、烘烤车间等。

此外，在天气严寒的季节里，该锅炉生产的蒸汽还要为整个工厂和企业的所有办公室、车间、职工宿舍等提供热源暖气，供御寒之用。

因此，过路的安全、可靠、稳定运行，对工厂、企业的正常运行和员工的生活、工作、学习等具有重大意义。

A、锅炉给燃料气介绍：

燃料气煤来源于工厂的储灌，由于储罐的压力不稳，燃烧时产生的热量变化也就很频繁。

因此设计的燃烧控制系统要能及时地消除由于燃料气压力变化不均等因素所引起的燃料方面的扰动，而应用所学知识，采用压力信号的燃烧控制系统可以有效满足上述要求。

B、锅炉给水介绍：

该工厂的给水来自于工厂的自备水库，通过给水泵将水从水库里抽出，由给水管道，经给水阀门沿给水管道进入锅炉的汽包中。

由于给水泵是三相电动机拖动水泵运行，而工厂一带的电网电压、频率波动较大，为了维持汽包水位稳定在安全范围内，需对汽包水位控制系统进行精密设计，使控制信号驱动给水电磁阀门和给水泵，使二者协调工作，维持正常的安全水位。

C、锅炉减温水介绍：

用作锅炉过热蒸汽的减温水来自于该工厂的某一生产线产生的清洁温水，约20℃左右，由于生产线温水储备箱中的温水由减温水泵抽出，通过减温水电磁阀门，沿减温水管道进入减温器，对过热蒸汽减温。

同样，由于工厂附近的电压、频率扰动，对减温水的流量造成扰动，另外，由于蒸汽经过过热器会造成时间上的延迟，因此要及时有效的控制蒸汽温度，必须克服减温水泵的转速扰动和过热器的时间延迟。

结合所学理论知识，经过分析，用串级控制系统对蒸汽温度进行控制能满足要求。

D、本锅炉控制系统的控制任务：

稳定过热蒸汽的温度、维持汽包水位在规定的范围内、稳定炉膛压力、维持经济燃烧。

2、控制方案的选择

2.1锅炉水位控制系统

2.2汽包三冲量水位控制系统原理图及框图

选用三冲量控制系统的原因：

单冲量控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，该方法结构简单，但克服不了“虚假水位”的影响;

双冲量控制系统引入蒸汽流量作为前馈信号，减少了由于“虚假水位”带来的变化影响，但控制作用不能及时克服给水流量的扰动，当给水发生扰动时，要等到汽包水位信号变化时才能调节执行器，滞后时间较长。

因此本设计中的锅炉采用三冲量控制系统，即调节系统接受三个调节信号:

水位H、蒸汽流量D和给水流量G，三冲量控制是在传统的PI串级控制上，引入了前馈控制，构成串级—前馈复合控制系统。

2.3过热蒸汽温度控制系统

2.4蒸汽温度控制系统原理图及框图

过热蒸汽温度控制系统常采用减温水流量作为操纵变量，但由于控制通道的时间常数及纯滞后均较大，组成单回路控制系统往往不能满足生产的要求，因此，可采用如图7所示的串级控制系统，以减温器出口温度为副参数，可以提高对过热蒸汽温度的控制质量。

3、控制系统设计

3.1系统控制参数确定

3.1.1主参数的选择

串级控制系统选择主参数时要遵循以下原则：

在条件许可的情况下，首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为主变量；

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量；

所选的主变量必须有足够的变化灵敏度。

综合以上原则，在本系统中选择送入负荷设备的出口蒸汽温度作为主参数。

该参数可直接反应控制目的。

3.1.2副参数的选择

副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键。

副参数的选择应遵循以下原则：

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

综合以上原则，选择减温器和过热器之间的蒸汽温度作为副参数。

3.1.3控制参数的选择

工业过程的输入变量有两类：

控制变量和扰动变量。

其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而控制参数是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。

控制参数的基本原则为：

选择对所选定的被控参数影响较大的输入变量作为控制参数；

在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制参数，以便易于控制；

在

的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制参数，使控制系统响应较快；

综合以上原则，选择减温水的输入量作为控制参数。

3.2调节阀的选择

在本系统中，调节阀是系统的执行机构，是按照控制器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节流体流量的装置。

调节阀的口径的大小，直接决定着控制介质流过它的能力。

为了保证系统有较好的流通能力，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：

生产安全角度：

当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故；

保证产品质量：

当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低；

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。

调节阀的流量特性的选择，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量特性选择线性特性。

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，它接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馈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及各运动部件的干摩擦，从而提高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量特性。

3.3控制系统建模

3.3.1汽包三冲量水位控制系统建模

◆汽包（主过程）等效为一个一阶惯性过程和纯滞后过程串联，其传递函数为（设

，

）：

◆副过程数学模型：

◆干扰通道数学模型可看成是一个比例环节（设）:

◆执行器选择直线流量特性，则传递函数为：

=2（设为2）

◆设流量变送器数学模型为

，液位变送器数学模型为

◆副调节器选择比例控制规律，则传递函数为:

（参数整定后确定）

◆主调节器选择比例积分控制规律，这传递函数为：

◆前馈补偿器采用静态补偿，其传递函数为：

3.3.2蒸汽温度串级控制系统建模

◆过热器数学模型：

◆减温器数学模型：

◆副温度变送器和主温度变送器都等效为增益为1的比例环节，即

。

◆执行器选择直线流量特性，可等效为增益为1的比例环节。

◆副调节器选比例调节规律：

◆主调节器选PID调节规律：

3.4实验仿真及调节器参数整定

3.4.1汽包三冲量水位控制系统

●副调节器参数整定：

（1）

（2）

通过上面仿真可知，

越大控制效果越好，控制月迅速，但

过大，会导致整个系统开环增益过大，影响系统稳定性，综合考虑分析，选

●前馈补偿器传递函数确定为：

，补偿效果仿真：

●主调节器参数整定：

（1）Ki=2,Kp=3

（2）Ki=0.5,Kp=3

（3）Ki=1,Kp=3

（4）Ki=1,Kp=1

（5）Ki=1,Kp=5

根据以上仿真，兼顾响应速度和稳定性分析，选Ki=1,Kp=3。

3.4.2蒸汽温度串级控制系统

●副调节器参数整定：

：

（3）

根据以上仿真结果分析，在考虑到副回路是粗调和开环增益过大系统容易不稳定，因此应选择

（1）主调节器PID调节

（4）

（6）

（5）

（7）

综合分析仿真结果，从

（2）、（3）、（4）结果可知，选Kp=7;

从（4）、（5）结果比较，选Ki=1;

从（4）、（6）、（7）结果比较，应选Kd=1。

4、总结

本设计是在结合使所学的过程控制系统与自动化仪表技术，联系工厂实际客观情况的基础上，对该工厂的锅炉控制系统进行的设计。

设计中把整个锅炉控制系统分为两个子系统分别设计：

汽包水位控制系统和蒸汽温度控制系统。

在对锅炉设备充分了解的基础上包括对锅炉的结构、组成、工作过程以及锅炉性能参数等，对各个子系统被控对象正确确定和合理分析之后，提出了自己的设计方案，进而确定控制规律、传感器、变送器、执行器的选择，最后还对调节器进行了参数整定。

整体上看，本次设计是可以的，在工厂现有条件下，基本上能实现对锅炉的自动化调节控制。

本论文的不足之处：

本论文所用的控制方案大都是基于比较传统、常规的控制控制理论，而许多先进的控制理论和方案没有涉及；

关于设计中的参数整定问题，由于自己操作不熟练、试验设备的精度、不能到工业现场调试等原因，整定的参数可能会不很准确；

对于变送器、传感器、执行器的选择，本人对此知之甚少，不太了解，因此所选设备可能会对控制效果造成一定的影响；

关于本设计中的软件设计，由于本人知识和能力有限，也有不妥之处，也没有设计锅炉的实时自动监控系统和自动记录系统。

这些不妥之处当然是可以通再努力来改善解决的。

通过仔细而有计划的市场调查，多与有经验的专业技术人员交流，多多了解锅炉行业的有关业内动态和先进控制技术的发展，积极主动地学习先进的技术，多在工业现场锻炼自己，积累经验，在现实条件下，以节能、降耗、环保为设计原则，设计出实用、可靠、而投资又少的控制方案是条很好的途径。

5、参考文献：

《过程控制与自动化仪表》第2版-----------机械工业出版社

《自动控制原理》第2版--------------------高等教育出版社

附录：

Matlabsimulink仿真软件。