热电厂锅炉炉膛压力控制系统设计-毕业论文.doc

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题目：

热电厂锅炉炉膛压力控制系统设计

学生姓名：

学号：

专业：

生产过程自动化

班级：

自动化0931

指导教师：

2010年12月

摘要

锅炉是所有工厂生产运行的重要设备之一，而且锅炉控制系统也比较复杂，有很多参数需要控制，如汽包水位、过热蒸汽温度及压力、烟气氧量和炉膛温度及负压控制等。

而炉膛压力控制在工业生产中也是很重要的一部分，因此选择炉膛压力控制作为此次设计主题，将炉膛压力作为控制系统的调节信号，通过变频器控制引风机转速来维持炉膛压力在期望的设定值。

在此基础上进行连锁保护，当炉膛压力测量值与设定值偏差较大时，自动调节系统切换至手动并发出报警信号，交给运行人员手动处理，减少了事故的发生。

关键词：

锅炉炉膛压力控制；变频器；引风机

目录

引言……………………………………………………………………………………1

第一章生产工艺介绍………………………………………………………………2

1.1热电厂生产工艺…………………………………………………………2

1.2热电厂锅炉生产工艺过程………………………………………………2

第二章：

热电厂锅炉炉膛压力分析…………………………………………………3

2.1热电厂锅炉炉膛压力的产生……………………………………………3

2.2锅炉炉膛压力保持负压的意义…………………………………………3

2.3炉膛负压变化的原因……………………………………………………3

第三章锅炉炉膛压力控制系统的设计……………………………………………4

3.1工艺概况…………………………………………………………………4

3.2系统工作原理……………………………………………………………4

3.3变频器原理介绍…………………………………………………………4

3.4引风机电机控制主回路…………………………………………………5

3.5被控变量和操作变量的选择……………………………………………5

3.6炉膛压力的测量…………………………………………………………5

3.7仪表的选型………………………………………………………………6

3.7.1压力变送器的选择…………………………………………………6

3.7.2控制器的选型………………………………………………………7

3.7.3控制器控制规律的选择……………………………………………7

3.7.4控制器正反作用的确定……………………………………………7

3.7.5变频器的选择………………………………………………………8

3.7.6安全栅………………………………………………………………9

3.7.7配电器………………………………………………………………9

3.7.8无纸记录仪…………………………………………………………10

参考文献………………………………………………………………………………12

附录一…………………………………………………………………………………13

附录二…………………………………………………………………………………14

自控设备表……………………………………………………………………………15

总结……………………………………………………………………………………17

引言

在科技飞速发展的今天,随着现代工业生产的迅速发展,我们对工业生产的安全运行和控制质量的要求也越来越高，工程控制是工业自动化的重要分支，也是国家经济的命脉，无论是在现代结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及能源的节约都起着非常重要的作用。

随着现代工业生产的迅速发展，变频调速技术已经广泛应用在各个生产领域，其中变频调速器是变频调速技术实际应用的具体体现。

交流变频调速器采用了领先的边缘电子技术，以专用的数字处理芯片为核心。

因此能够适用于各种场合。

变频调速器可以作为自动控制系统中的执行单元，也可以作为控制单元。

作为执行单元时，变频调速器接受来自调节单元的控制信号，柑橘控制要求改变输出电源的频率，作为控制单元时，变频调速器本身兼有调节单元的功能，单独完成控制调节作用。

其作用是通过改变电动机电源频率达到调整电动机转速的目的。

电动机是现代社会不可以缺少的设备，传统的电动机的状态只有正转、反转和静止这三种状态，不能产生转速的变化，应用变频调速器使电动机的转速变化自如，赋予了自动控制系统新的活力，过去自动控制中的难题都迎刃而解。

本课题的设计方向就是采用过程控制对工业锅炉炉膛压力进行控制，采用合理的控制系统，以达到优化技术指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生、提高市场竞争能力的作用。

第一章生产工艺介绍

1.1热电厂生产工艺

热电厂即为火力发电厂，火力发电是利用煤、石油、天然气等固体、液体、气体燃料燃烧时产生的热能，通过发电动力装置转换成电能的一种发电方式。

它的工作原理：

由锅炉产生蒸汽，然后送人到汽轮机，汽轮机的转动带动发电机发电，汽轮机的排气进入到一个叫凝气器的冷端设备，冷凝成水，由凝结水泵送往水泵，再进入锅炉。

这样就为一个循环。

热电厂的三大主要设备是锅炉、汽轮机、发电机。

锅炉用燃料燃烧放出的热能将水加热成具有一定压力和温度的蒸汽，然后蒸汽沿管道进入汽轮机膨胀做功，带动发电机一起高速旋转，从而发电。

整个过程中存在三种能量转换过程，在锅炉中燃烧的化学能转换成热能，在汽轮机中将热能转换成机械能，发电机中将机械能转换成电能。

图1热电厂生产工艺流程图

1.2热电厂锅炉生产工艺过程

锅炉是热电厂重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。

为此，锅炉生产过程的各个主要参数都必须严格控制。

锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风量。

主要输出变量包括汽包水位、过热蒸汽温度及压力、烟气氧量和炉膛负压等。

这些输入变量与输出变量之间相互关联。

如果蒸汽负荷发生变化，必将引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化。

燃料量的变化不仅影响蒸汽压力和汽包水位，还会影响过热蒸汽温度和烟气氧量等。

因此锅炉是一个多输入、多输出且相互关联的复杂控制对象。

锅炉的控制任务就是依据生产负荷的要求，提供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。

锅炉的工艺流程图见附录一。

第二章：

热电厂锅炉炉膛压力分析

2.1热电厂锅炉炉膛压力的产生

炉膛压力指，送入炉膛的空气，煤粉及烟气与引风机吸走的烟气量的平衡。

当炉膛空气量少时，压力就降低，或引风机风量增加和降低，则炉膛压力减少或增加。

炉膛压力的产生是由于送入的空气，燃烧产生的化合物和细小的煤灰粒，炉膛内的各种烟气的分子总是不停的作不规则的热运动，气体分子之间不断的相互碰撞，同时气体分子也不断的和炉膛壁碰撞，大量分子频繁碰撞炉壁的平均结果，就形成了炉膛压力。

2.2锅炉炉膛压力保持负压的意义

炉膛负压是反映燃烧工况稳定与否的重要参数，是运行中要控制和监视的重要参数之一。

当锅炉的燃烧系统发生故障或异常时，最先将在炉膛负压上反映出来，而后才是火检、火焰等的变化，其次才是蒸汽参数的变化。

因此，监视和控制炉膛负压对于保证炉内燃烧工况的稳定、分析炉内燃烧工况、烟道运行工况、分析某些事故的原因均有极其重要的意义。

大多数锅炉采用平衡通风方式，使炉内烟气压力地与外界大气压力，即炉内烟气负压，炉膛内烟气压力最高的部位是炉堂顶部。

所谓炉膛负压：

即指炉膛顶部的烟气压力。

当炉负压过大时，漏风量增大，吸风机电耗，不完全燃烧损失、排烟热损失均增大。

甚至使燃烧不稳定甚至灭火。

炉负压小甚至变为正压，火焰及飞灰将炉膛不严处冒出，恶化工作燃烧造成危及人身及设备安全。

故应保持炉膛负压在正常范围内。

2.3炉膛负压变化的原因

锅炉运行时，炉膛负压表上的指针经常在控制值左右轻微晃动，有时甚至出现大幅度的剧烈晃动，可见炉膛负压总是波动的。

主要原因是：

（l）燃料燃烧产生的烟气量与排出的烟气量不平衡。

（2）虽然有时送、引风机出力都不变，但由于燃烧工况的变化，因此炉膛负压总是波动的。

（3）燃烧不稳时，炉膛负压产生强烈的波动，往往是灭火的前兆或现象之一。

（4）烟道内的受热面堵灰或烟道漏风增加，在送引风机工况不变时，也使炉膛负压变化。

第三章锅炉炉膛压力控制系统的设计

炉膛压力控制系统的作用就是随时检测炉膛的压力，然后与给定值进行比较发出调节信号，控制执行单元根据调节信号调整送风量，而此时风机照常以额定的转数运转。

3.1工艺概况

本次设计是针对型号为CG-200/9.8的锅炉设计的。

该锅炉额定蒸汽量为220t/h，汽包工作压力为11.00MPa，过热器出口蒸汽压力为9.8MP，排烟温度为130℃～140℃，给水温度为220℃，过热器出口蒸汽温度为540℃。

炉膛负压要保持在-20Pa-～40Pa才符合工艺要求。

3.2系统工作原理

炉膛负压是一个快过程，只要PI参数整定合适，一般单回路即可达到目的。

图2控制方框图

炉膛负压给定由仪表调节器面板设定，同变送器检测到的负压实际值比较，经仪表调节器PI运算后输出4～20mA电信号，作为变频器频率给定信号，用于变频器控制电机转速，达到自动控制风量的目的。

3.3变频器原理介绍

变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。

对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。

变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。

变频器的基本原理是：

n=60f（1-s）/p（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

3.4引风机电机控制主回路

图3引风机电机控制主回路单线图

通常情况下采用变频运行方式，在变频运行时，K1、K2触点吸合，软起动主回路触点K3、K4和旁路主回路触点断开。

在变频运行时，引风机入口挡板全开，负压调节系统自动控制变频器的输出频率来调节电机的转速，达到对负压的控制。

系统投入运行时，风机风门完全打开，调节风机电机转速，实现了风量、风压自动调节。

根据对用汽量的要求和季节变化不同，正常达到33～34t/h蒸汽量时，变频器输出频率在40～46Hz范围内调节变化，在最少用汽量16～17t/h时，变频器输出频率为25～30Hz，完全能够满足生产过程对分量的调节变化要求。

3.5被控变量和操作变量的选择

炉膛压力控制系统主要的目的是控制引风量来使炉膛负压能够保持在一定的范围内，从而保证锅炉的安全运行，所以它的控制变量时炉膛负压，操作变量是引风量。

3.6炉膛压力的测量

炉压的检测采用微差压变送器，由于炉膛压力在炉膛内是不均匀分布的,炉膛内不同位置不同高度上炉膛压力都是不同的。

取样过高由于屏式过热器管系影响，使烟气流速增加，且该处易产生涡流。

取样过低由于火焰的上部变化和闪烁造成压力变化稳定性差。

根据试验和实践，我们认为取样点以选在炉膛遮焰角高度=lm处为好，在此水平截面上的左、右墙各安装3个负压测点。

左右墙测量值各自三取中后再取平均值，以此值作为炉膛压力实测值,三取中的冗余配置提高了测量的可信度,取平均值提高了测量的可靠性。

3.7仪表的选型

3.7.1压力变送器的选择

压力变送器根据测压范围可分成一般压力变送器和差压变送器两种，主要由测压元件传感器、测量电路和过程连接件等组成。

它能将接收的气体、液体等压力信号转变成标准的电流或电压信号，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。

此控制系统考虑到炉膛温度较高，变送器必须是高精度、高稳定性扩散硅压力敏感芯片，并采用特殊铝合金表面处理技术和独特的传感器，为此，我选用 KYB14系列差压变送器，它经精密温度补偿及放大处理，将被测介质的差压信号转换成4–20mADC或0–5VDC标准信号，高质量的传感器、精湛的封装技术以及完善的装配工艺确保了KYB14系列差压变送器的最佳性能价格比而且用户安装调试十分便捷。

特点：

◇测量介质:

非腐蚀、无粉尘、干燥气体

◇量程范围:

-300Pa～1000Pa 

◇过载压力:

最大量程的2倍 

◇输出信号:

4-20mADC（两线制）0-5VDC（三线制） 

◇工作电压:

14-36VDC（两线制）12-36VDC（三线制）

◇工作温度:

-10～+70℃（标准补偿）20～+85℃（特殊补偿） 

◇标准24VDC±5%，纹波小于1％ 

性能指标：

◇精 度:

 ±0.25%、±0.5%、±1.0% 

◇零点迁移:

输出量程的±20% 

◇量程调节:

输出量程的±20% 

◇静压影响:

不超过其最大量程的0.5% 

◇电源影响:

小于输出量程的0.01%/V 

◇温度影响:

±1.5%FS（0.25级）、±3.0%FS（0.50级）、±5.0%FS（1.0级）。

◇绝缘电阻:

>50MΩ/50V

◇外壳材料：

硬铝合金表面喷塑或氧化处理不锈钢（1Cr18Ni9Ti）

◇引线方式：

电缆线或航空插头

◇重量：

约0.3kg

◇过程接口：

Φ8气嘴带Ml2×l安装螺纹气嘴；

3.7.2控制器的选型

XMGA6000系列高级PID调节器具有4个模拟量输入，2个模拟量输出，1个开关量输入、3个开关量输出和先进的专家自整定PID控制算法，适合于温度、压力、液位、流量等工业过程参数测量、显示和精确控制。

◇使用条件：

环境温度：

0～50℃;相对湿度：

≤90%

◇电源电压：

AC90V～265V（50～60HZ）或DC24±10%V

◇基本误差：

0.5%F.S±1字

◇显示分辨率：

0.001,0.01,0.1,1

◇输入特性：

电偶型：

输入阻抗大于10MΩ、电流型：

输入阻抗250Ω

电压型：

输入阻抗大于300kΩ

电阻型：

引线电阻要求0～5Ω，三线相等

◇输出特性：

继电器容量：

3A/220VAC或3A/24VDC，阻性负载

电流型变送器输出负载阻抗：

小于600Ω

电压型变送输出负载：

大于200KΩ

◇内部冷端补偿温度范围：

0～50℃

◇变送器电源输出：

电压24±10%VDC，最大电流100mA

可直接配接二线制无源变送器

◇功耗：

<3W◇重量：

<0.5kg

3.7.3控制器控制规律的选择

只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用，但是，不能最终消除余差的缺点限制了它的单独使用。

克服余差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制作用。

比例积分控制器是目前应用最为广泛的一种控制器，多用于工业生产中液位、压力、流量等控制系统。

由于引入积分作用能消除余差，弥补了纯比例控制的缺陷，获得较好的控制质量。

但是积分作用的引入，会使系统稳定性变差。

对于有较大惯性滞后的控制系统，要尽量避免使用。

本控制系统中不适合引入微分作用，会使得动作过于频繁，因此本调节器的控制规律为PI控制规律。

3.7.4控制器正反作用的确定

在炉膛负压控制系统中，当该系统处于危险状况时，阀门应该处于打开状况，则阀门为气关阀，所以Kv为负：

当阀门开度增加时，炉膛压力降低，所以Ko为负：

变送器一直为正，故Km为正：

由KvKoKmKc为负可得Kc为负。

所以炉膛压力控制器为反作用控制器。

3.7.5变频器的选择

根据电源功率变化来选择变频器，我选择西门子M420变频器

1.主要特征：

◇电源电压和功率范围：

三相交流380V至480V±10%0.37KW至11KW

◇输入频率：

47Hz至63Hz

◇输出频率：

0Hz至650Hz

◇功率因素：

≥0.95

◇变频器功率：

96%至97%

◇过载能力：

1.5倍额定输出电流，60秒（重复周期每300秒一次）

◇工作温度范围：

-10℃至+50℃

2.控制功能

◇线性v/f控制，平方v/f控制，可编程多点设定v/f控制；

◇ 磁通电流控制（FCC），可以改善动态响应特性；

◇最新的IGBT技术，数字微处理器控制；

◇数字量输入3个，模拟量输入1个，模拟量输出1个，继电器输出1个；

◇集成RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP通讯模块/Device-Net模板；

◇具有7个固定频率，4个跳转频率，可编程；

◇"捕捉再起动"功能；

◇在电源消失或故障时具有"自动再起动"功能；

◇快速电流限制（FCL），防止运行中不应有的跳闸；

◇有直流制动和复合制动方式提高制动性能；

◇采用BiCo技术，实现I/O端口自由连接。

 2.保护功能

◇过载能力为150％额定负载电流，持续时间60秒；

◇ 过电压、欠电压保护；变频器过温保护；接地故障保护，短路保护；I2t电动机过热保护；

◇采用PTC通过数字端接入的电机过热保护；

◇采用PIN编号实现参数连锁；

◇闭锁电机保护，防止失速保护.

3.7.6安全栅

型号:

S2022

S2000系列齐纳安全栅能与各种现场的一次仪表如：

4－20mA的压力、温度、流量、电信号变送器；电器转换器、电气阀门定位器、各类热电偶、热电阻、开关量、报警器、脉冲信号等各种特殊仪表，组成本质安全防爆系统，用于现代化工业的自动化过程控制，广泛地用于石油化工、冶金、医药、船舶等领域。

可限制危险能量进入具爆炸性危险气体环境的可靠设备。

◇工作电压：

24V

◇开路电压：

26V

◇短路电流:

30mA

◇防爆标志：

Ex（ia）IICT6

◇允许分布电容：

　０．１μＦ

◇允许分布电感：

　５ｍＨ

◇工作环境温度：

－20ºC～+40ºC

3.7.7配电器

型号：

RPG-3110S

给处于现场的变送器提供隔离的直流电源，检测来自变送器的4~20mA电流信号，经过隔离、干扰抑制等处理后，输出直流电流或电压信号。

该隔离配电器需要独立的直流电源供电，供电电源-输入-输出1-输出2之间电磁隔离。

隔离能力强，转换精度高。

该产品采用底座与主机拔插式结构设计，可以带电拔插。

端子接线采用螺丝压紧连接方式，标准的35mmDIN导轨卡式安装。

可以与单元组合仪表及DCS、PLC等系统配合使用。

◇电源电压：

24VDC±10%

◇电源指示：

通电时，绿色LED电源灯亮

◇电流消耗：

<60mA（24VDC供电时）

◇功率损耗：

<1.5W（24VDC供电时）

◇输入信号：

变送器直流电流信号4～20mA

◇输入阻抗：

100Ω

◇给变送器的配电电压：

18.5~28.5VDC

◇最大输入电流限制：

约22mA

◇输出电流：

4～20mA；其它指定电流

◇输出电压：

1～5V；其它指定电压

◇电流输出允许负载：

≤350Ω

◇电压输出阻抗：

≤500Ω

◇标准精度：

±0.1%

◇温度漂移：

±0.015%/℃

◇响应时间：

<0.5s（0~90％）

◇稳定时间：

≤3s

◇电源变化影响：

<±0.1%（允许电压范围）

◇零点调整范围：

-5~+5%（通过零点旋钮调整）

◇满度调整范围：

95~105%（通过满度旋钮调整）

◇隔离能力：

输入-输出-电源之间1.5KV,1min,50Hz

◇绝缘电阻：

输入-输出-电源之间≥100MΩ/500VDC

◇工作环境温度：

-20～＋60℃

◇环境湿度范围：

5~95%（无冷疑）

◇整机重量：

约85g

3.7.8无纸记录仪

AR3000经典记录仪是一种集信号采集、显示、处理、记录、积算、报警、配

电等于一身的多功能无纸记录仪。

AR3000运算记录仪采用32位微处理器和5.6英寸TFT彩色/单色液晶显示屏，内置32MBNANDFLASH作为历史数据的存储介质，具有12路模拟量输入、2路脉冲量输入、4路模拟量变送输出、12路开关量输出、100mA配电输出。

通过RS-232/RS-485和以太网通讯接口，可实现远程实时监控、组态管理、历史数据读取等功能，通过CF卡可实现组态管理、监控画面管理和历史数据管理等功能。

AR3000运算记录仪按照IEC61010-1:

2001设计，已通过CE认证，前方面板防护等级符合IP54的要求。

适用于冶金、石油、化工、建材、造纸、食品、制药、热处理和水处理等各种工业现场。

◇输入信号：

最多12通道隔离型万能信号输入，通道间隔离电压大于250VAC，通道和地之间隔离电压大于500VAC。

◇信号类型：

标准信号：

0～10mA、4～20mA、0~5V、1~5V、0~10V；

 毫伏信号：

0～20mV、0～100mV；

热电偶：

B、E、J、K、S、T、WRe5-26、R、N；

 热电阻信号：

Pt100、Cu50。

◇记录间隔:

支持更多记录间隔0.125s×Z,1s×Z,1m×Z,1h×Z

（1≤Z≤60,Z为倍乘项）

◇采样周期：

0.125秒。

◇存储容量：

内部Flash存储器的最大容量32MB

◇配电：

额定电压24VDC,最大电流100mA,隔离型限流输出

◇报警输出：

最多12通道，250VAC3A继电器常开触点,或者同时具有6路常开和长闭触点

◇通讯接口：

以太网,RS-232C和隔离型RS-485接口，通讯波特率为1200、9600、19200、57600、115200bps可选

◇供电：

电压范围（100～240）VAC；频率范围：

（47～63）Hz；

最大功耗：

30VA

◇工作条件：

工作温度：

0～50℃；湿度：

10～85％（无结露），

参考文献

1、蒋慰孙,俞金寿.过程控制工程.北京:

中国石化出版社.1999

2、宋琪．炉膛正负压保护系统的设计安装[J]．华北电力技术，1999

3、王洋，常太华，郝祖龙．基于sIS中炉膛压力信号的燃烧状