锅炉出口蒸汽压力控制系统设计要点

目录

1 热电厂的生产工艺 (1)

1.1锅炉简介................................................................................................... .. (1)

1.2工艺流程简介 (1)

2 锅炉蒸汽出口压力控制重要性 (2)

2.1控制重要性 (2)

2.2控制要求 (2)

3 锅炉出口压力控制系统的设计 (3)

3.1蒸汽出口压力分类 (3)

3.2蒸汽出口压力控制系统分析 (4)

3.3燃烧控制基本控制方案 (4)

3.4控制系统方框图 (5)

4 控制方案及仪表的选型 (6)

4.1蒸汽压力变送器选择 (6)

4.2燃料流量变送器的选用 (6)

4.3含氧量检测器 (7)

4.4控制阀的选择 (8)

5 系统参数整定和仿真 (9)

5.1PID参数对控制性能的影响 (9)

5.2用试凑法确定PID控制器参数 (9)

5.3系统的仿真 (10)

6 课程设计总结 (12)

参考文献

1 热电厂的生产工艺

1.1锅炉简介

锅（汽水系统）：由省煤器、汽包（汽水分离器）、下降管、联箱、水冷壁，过热器和再热器等设备及其连接管道和阀门组成。

炉（燃烧系统）：由炉膛、燃烧器、点火装置、空气预热器、烟风道及炉墙，构架等组成.

锅炉是工业生产过程中必不可少的重要动力设备。它通过煤、油、天然气的燃烧释放出的化学能，通过传热过程把能量传递给水，使水变成水蒸气。这种高压蒸汽即可以作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发过程的能源，又可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动透平的动力源。随着石油化学工业生产规模的不断扩大，生产过程不断强化，生产设备的不断更新，作为全厂动力和热源的锅炉，亦向着高效率，大容量发展。为确保安全，稳定生产，对锅炉设备的自动控制就显得十分重要

1.2工艺流程简介

热电厂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。给水经给水泵、给水控制阀、省煤器进入锅炉的汽包，燃料和热空气按一定的比例送入燃烧室内燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds。然后经过热器，形成一定气温的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。压力为Pm的过热蒸汽，经负载设备控制供给负荷设备用。与此同时，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，最后经引风机送往烟囱，排到大气。图1.2给出了一个20T/h 工业燃煤锅炉工艺流程图。

热空气

燃料

给水(由给水泵来)

冷空气(由送风机来)

烟气(由引风机送往烟囱)

图1.2 20T/h工业燃煤锅炉工艺流程图

2 锅炉蒸汽出口压力控制重要性

2.1控制重要性

压力是热电厂的一个重要的参数，因为热电厂是靠蒸汽推动汽轮机转动，汽轮机是将蒸汽的能量转化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是汽轮机无法正常工作。势必会影响到蒸汽机的寿命和厂子的效益。压力过高将可能导致锅炉超压运行。动力锅炉主要为炼油装置提供生产用蒸汽，若装置因紧急情况而突然减少或切断进汽，锅炉便会出现瞬时超压情况。在锅炉生产过程中，过热蒸汽温度是整个汽水通道中最高的温度。过热器温度过高将导致过热器损坏，同时还会危及汽轮机的安全进行，甚至出现爆炸等极端的事故。

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，形成一点观其文的过热蒸汽，再汇集到蒸汽母管。过热蒸汽经负荷设备控制，供给符合设备使用，与此同时，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。

蒸汽压力对象的主要干扰是燃料量的波动与蒸汽负荷的变化。当燃料流量和蒸汽负荷变动较小时，可采用利用蒸汽压力来调节燃料量的单回路控制系统，主蒸汽压力控制系统的主要目的是维持主蒸汽压力恒定，因此主蒸汽压力能否准确测量直接关系到控制质量的优劣。合理的选择压力变送器在设计中有关键作用蒸汽压力变送器将测量信号转换为标准统一信号DC4~20mA电流输出送到控制器。

2.2控制要求

锅炉是全厂重要的动力设备，其要求是供给合格的蒸汽，使锅炉发热量适应负荷的需要。

为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制。锅炉设备的主要控制要求如下。 （1）供给蒸汽量适应负荷变化需求或保持给定负荷。 （2）锅炉供给用汽设备的蒸汽压力应保持在一定范围内。 （3）过热蒸汽温度应保持在一定范围内。 （4）汽包水位保持在一定范围内。 （5）保持锅炉燃烧的经济性和安全运行。 （6）炉膛负压保持在一定范围内。

锅炉设备是一个复杂的控制对象，如图2.2所示，主要输入变量是锅炉给水量、燃料量、减温水量、送风量和引风量等；主要输出变量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（氧气含量等）。

3 锅炉出口压力控制系统的设计

3.1 蒸汽出口压力分类

锅炉按其出口蒸汽压力分类：

（1）低压锅炉出口蒸汽压力小于或等于2.45MPa 的锅炉，其蒸汽温度多为饱和温度或不高于400℃。

（2）中压锅炉出口蒸汽压力为2.94——4.90MPa 的锅炉。我国电站锅炉现行的参数系列，中压锅炉出口蒸汽压力规定为3.83MPa ，蒸汽温度为450℃。

（3）高压锅炉出口蒸汽压力为7.84—10.8MPa 的锅炉。我国电站锅炉现行参数系列，高压锅

给水量 减温水 燃料量 送风量 引风量

汽包水位 蒸汽温度 蒸汽压力 过剩空气 炉膛负压

图2 .2 锅炉控制对象

炉出口蒸汽压力为9.81MPa,出口蒸汽温度多为540℃.

（4）超高压锅炉出口蒸压力为11.8—14.7MPa 的锅炉。我国电站锅炉现行参数系列，超高压锅炉出口蒸汽压力规定为13.7MPa ，蒸汽出口温度为540℃,少数为555℃.

（5）亚临界压力锅炉出口蒸汽压力为15.7—19.6MPa 的锅炉。我国电站锅炉现行参数系列，亚临界压力锅炉出口蒸汽压力规定为16.7MPa ，出口蒸汽温度为540℃或555℃,少数为570℃. （6）超临界压力锅炉出口蒸汽压力超过临界压力的锅炉。水蒸气的临界压力为22.1MPa 。目前电站锅炉采用超临界压力多在于25——27MPa 之间 3.2 蒸汽出口压力控制系统分析

表3.2 蒸汽出口压力控制系统分析

锅炉燃烧控制系统的基本任务是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷要求，同时保证锅炉的经济、安全运行。为适应蒸汽负荷的变化，应及时调节燃料量。为完全燃烧，应控制燃烧量与空气的比值，使过剩的空气系数满足要求，为防止燃烧过程中火焰或烟气外喷，应控制炉膛的负压。这三项控制任务互相影响，应消除或削弱它们的关联。此外，从安全考虑，需设置防喷嘴背压过低的回火和防喷嘴背压过高的脱火措施。 3.3燃烧控制基本控制方案

锅炉的燃烧控制对于锅炉的安全，高效运行和节能降耗都具有重要意义，其控制和管理随之也要求越来越高。燃料控制的任务在于进入锅炉的燃料量随时与蒸汽压力要求相适应。因为蒸汽压力是衡量锅炉热量平衡的标志，燃料又是影响蒸汽压力的主要因素，因此蒸汽压力可以作为燃料控制系统的被控变量。

过热器出口、入口差压的大小与过热器流通阻力、蒸汽流量D 有关，可用下式近似为：

2

D K P P gr M b =- （3.3-1）

对上式两边取增量，为

DdD K P P d gr M b 2)(=-

令2K gr D=R gr ，则上式写成如下形式： gr

M b R P P d dD )

(-=

（3.3-2）

式中 )(M b P P d -——压力变化增量（MP a ）； dD ——蒸汽变化增量（kg/s ）； R gr ——过热器动态阻力（cm 2/s ）。

R gr 的大小与D 有关，随负荷增加而增加。将式（2—10）进行拉氏变换，得到环节3的传递函数：

gr

M b R s P s P s D s W 1

)()()()(3=

-= （3.3-3）

锅炉蒸汽压力是燃烧过程调节对象的主要被控变量，引起蒸汽压力变化的因素有很多，如燃料量，送风量，给水量，蒸汽流量以及各种使燃烧工况发生变化的原因。它受到的主要扰动分为内扰（燃料的变化）和外扰（蒸汽流量的改变）。由于每个系统的输入输出之间都有一定的系统延迟，即当输入变化的时候系统输出不能够马上反应其变化从而使系统的控制不及时。下面就系统的燃料变化，蒸汽压力之间，从系统的燃料变化后会引起系统的温度变化进而引起蒸汽压力变化期间存在时间延迟[1]。下面只对出现介于干扰的情况做个简单分析

图3.3-1 燃料量阶跃变化时，蒸汽压力反应曲线 图3.3-2 蒸汽流量阶跃变化时，蒸汽压力反应曲线

3.4控制系统方框图

图3.4 控制系统方框图

4 控制方案及仪表的选型

4.1蒸汽压力变送器选择

蒸汽从锅炉经过管道到达蒸汽汽轮，其压力和温度会有所降低，但降低幅度不大，一般温度会下降2—4℃，压力会下降2—4%，可以近似的认为，锅炉提供的蒸汽温度和压力，与蒸汽汽轮机机组初参数相同。

但我国目前尚有一些参数较低的火力发电机组仍在使用，包括高压参数、超高压参数机组。

高压参数一般为：主蒸汽压力8-10MPa，温度500-540℃。

超高压参数一般为：主蒸汽压力12-14MPa，温度500-540℃。

4.2 燃料流量变送器的选用

LUGB-06型涡街流量计根据卡门涡街原理测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计。广泛用于各种行业气体、液体、蒸汽流量的计量，也可测量含有微小颗料、杂质的混浊液体，并可作为流量变送器用于自动化控制系统中。

LUGB-06型涡街流量传感器防爆型，符合GB3836-2000《爆炸性环境用防爆电气设备》规定，防爆标志为“ExiaIICT6”，在本次设计中，选用LUGB型涡街流量传感器其精度等级完全可以满足火电厂锅炉温度控制系统的精度要求。

技术参数：

仪表材质：1Cr18Ni 9Ti

最高流速：25m/s

被测介质温度（℃）：－40～＋250℃；－40～＋350℃

环境条件：温度－10～＋55℃，相对湿度5％～90％，大气压力86～106Kpa 精度等级：测量液体：示值的±0.5

测量气体或蒸汽：示值的±1.0、±1.5

量程比：1：10；1：15

输出信号：传感器：脉冲频率信号0.1～3000Hz 低电平≤1V 高电平≥6V 变送器：两线制4～20mADC电流信号

供电电源：传感器：＋12VDC、＋24VDC（可选）

变送器：＋24VDC

现场显示型：仪表自带3.2V锂电池

信号传输线：STVPV3×0.3（三线制），2×0.3（二线制）

传输距离：≤500m

信号线接口：内螺纹M20×1.5

防爆等级：ExdIIBT6

4.3含氧量检测器

公司名称：济宁鲁科检测器材有限公司

型号：M289371

·体积小(钢笔型)、重量轻(含电池120-200克)

·坚固可靠，方便佩带

·数字显示，一目了然

·三键操作，类似“傻瓜”相机

·超过设定限制时，自动声、光、振动(选件)报警

·内置微处理器，显示多种测量值(STEL，TWA)

· UL认证本质安全，适用于任何工作环境

·“智能”电化学毒气传感器，用户可更换(CO，H

2S，SO

2

，CL

2

，NO，NO

2

)

M289371含氧量监测仪应用

ToxiRAE气体监测仪可用在危险场合连续监测有毒气体，氧气，可燃气浓度。按人体工学设计的ToxiRAE，可方便的佩带在口袋或腰带上。 ToxiRAE特别合适于石油化工、矿山、冶

金、防化、消防、医学、环保、卫生防疫、危险品运输、城市地下管道作业等领域的安全监测。

M289371含氧量监测仪检测范围

专用检测器M289371，不可更换传感器(技术指标) 4.4 控制阀的选择

设微分控制阀的微分部分输出信号对送到燃油调节阀输入信号的传递函数为)(1s G ；函数发生器输出信号对送到燃油调节阀输入信号的传递函数为)(2s G ；函数发生器输出信号)(2s P ；送到燃油调节阀的输入信号为)(3s P ；微分控制阀微分部分输出信号为)(0s P ；微分控制阀的微分时间为d T ，其中

s T s T s P s P s G d d +==

1)()()(301 Ts

K

s P s P s G +=

=1)()()(322 式中：K ——增益；T ——时间常数

5系统参数整定和仿真

5.1 PID参数对控制性能的影响

（1）控制器增益

K或比例度δ

C

增益

K的增大（或比例度δ下降），使系统的调节作用增强，使稳定性下降；

C

（2）积分时间

T

i

积分作用的增强（既

T下降），使系统消除余差的能力加强，但控制系统的稳定性下降；

i

（3）微分时间

T

d

微分作用的增强（既

T增大），可使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但对高频噪声

d

起放大作用，主要适合于特性滞后较大的广义对象，如温度对象等。

5.2 用试凑法确定PID控制器参数

试凑法就是根据控制器各参数对系统性能的影响程度,边观察系统的运行,边修改参数,直到满意为止[2]。

一般情况下,增大比例系数KP会加快系统的响应速度,有利于减少静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调,并产生振荡使稳定性变差。减小积分系数KI将减少积分作用,有利于减少超调使系统稳定,但系统消除静差的速度慢。增加微分系数KD有利于加快系统的响应,是超调减少,稳定性增加,但对干扰的抑制能力会减弱。在试凑时,一般可根据以上参数对控制过程的影响趋势,对参数实行先比例、后积分、再微分的步骤进行整定。

（1）比例部分整定。

首先将积分系数KI和微分系数KD取零,即取消微分和积分作用,采用纯比例控制。将比例系数KP由小到大变化,观察系统的响应,直至速度快,且有一定范围的超调为止。如果系统静差在规定范围之内,且响应曲线已满足设计要求,那么只需用纯比例调节器即可。

（2）积分部分整定。

如果比例控制系统的静差达不到设计要求,这时可以加入积分作用。在整定时将积分系数KI由小逐渐增加,积分作用就逐渐增强,观察输出会发现,系统的静差会逐渐减少直至消除。反复试验几次,直到消除静差的速度满意为止。注意这时的超调量会比原来加大,应适当的降低一点比例系数KP。

（3）微分部分整定。

若使用比例积分(PI)控制器经反复调整仍达不到设计要求,或不稳定,这时应加入微分作用,整定时先将微分系数KD 从零逐渐增加,观察超调量和稳定性,同时相应地微调比例系数KP 、积分系数KI,逐步使凑,直到满意为止

5.3 系统的仿真

假设对象模型参数分别取值为V K =1％/％，TM K =1％/℃，1T =1min ，2p K =2℃/(T/hr),p T =6min ，p τ=2min ，2d K =3℃/(T/hr),d T =3min,d τ=2min 。在此采用经验试凑法来整定调节器参数。

根据调节器参数经验数据，设定调节器PID 参数的初始值第一种是比较理想的。传函数有以此传函 τs e s s G -+=1

601)( 为一控制环节[3]

。

首先根据调节器参数经验数据，设定调节器PID 参数的初始值为K=8，I T =3min ，D T =0.5min 。 经仿真后的响应曲线为

P=8 I=3 D=0.5

经反复试凑比例度、积分时间、微分时间的大小，得出K=8，I T =0.8min ，D T =1min 。响应曲线呈4：1衰减，结果令人满意。

P=8 I=0.8 D=1

6 课程设计总结

通过本次课程设计，全面了解了锅炉的工作原理和结构特点。同时，更加直观的理解了单回路控制系统的组成和特性。对过程控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对过程控制系统设计步骤、思路有一定的了解与认识。我学到了控制系统的设计方法和步骤，拓展了知识面，了解了工业工程中控制系统起到的重要作用。在课程设计过程中，与同学交流学习，自己的专业知识有了更全面的学习，综合素质也得到了提升。最后感谢王泽兵老师和刘广璞老师在本次设计中对我们的指导，课程设计过程中所学的知识，在我以后的学习、生活、工作过程中也将受益匪浅。

参考文献

[1]朱有庭主编. 化工设备设计设计手册（上、下）. 北京：化学工业出版社

[2]黄振仁主编.过程装备成套技术设计指南工程. 北京：化学工业出版社

[3]杨为民等主编. 过程控制系统及工程. 陕西：西安电子科技大学出版社

[4]王毅，张早校等主编. 过程装备控制技术及应用.北京：化学工业出版社

[5]郭阳宽，王正林等主编. 过程控制工程及仿真. 北京：电子工业出版社

[6]王树青等主编. 工业过程控制工程. 北京：化学工业出版社

[7]常太华，苏杰等主编. 过程参数检测及仪表. 北京：中国电力出版社

[8]厉玉鸣等主编. 化工仪表及自动化（第四版）. 北京：化学工业出版社

[9]王树青，戴连奎，于玲等主编. 过程控制工程（第二版）.北京：化学工业出版社

[10]匡国柱主编.化工单元过程及设备课程设计. 北京：化学工业出版社