锅炉蒸汽出口压力控制

内蒙古科技大学

过程控制课程设计论文

题目：锅炉蒸汽出口压力控制

学生姓名：

学号：

专业：测控技术与仪器

班级：2008-3

指导教师：

2011年8月

目录

摘要 (3)

一、热电厂的生产工艺 (4)

锅炉简介 (4)

二、锅炉蒸汽出口压力控制重要性 (4)

2.1控制重要性 (4)

2.2控制要求 (5)

三、锅炉出口温度控制系统的设计 (5)

3.1蒸汽出口压力分类 (5)

3.2 蒸汽出口压力控制系统分析 (6)

3.3蒸汽控制系统的设计 (7)

3.3.1控制系统中的延时环节处理 (6)

3.3.2控制系统中控制方案选择 (9)

3.3.3反作用及控制阀的开闭形式选择 (11)

四、控制系统单元元件的选择 (11)

4.1.2蒸汽压力变送器的选用 (11)

4.2 燃料流量变送器的选用 (12)

总结 (14)

附录 (15)

参考文献 (16)

摘要

锅炉是热电厂重要且基本的设备 ,其最主要的输出变量之一就是主蒸汽压力。主蒸汽压力自动调节的任务是维持过热器出口汽温在允许范围内 ,以确保机组运行的安全性和经济性。在可能获得的原料和能源条件下，以最经济的途径。为了打到目标，必须对生产过程进行监视和控制。因此，过程控制的任务是在了解生产过程的工艺流程和动静态特性的基础上，应用理论对系统进行分析与综合，以生产过程中物流变化信息量作为被控量，选用适宜的技术手段。实现生产过程的控制目标。锅炉所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。本设计以包钢实习参观包钢热电厂为基础就锅炉出口蒸汽压力控制系统进行学习研究。

在控制算法上，综合运用了单回路控制、串级控制、比值控制、等控制方式，实现了燃料量控制调节蒸汽压力、送风量控制调节烟气含氧量、引风量控制炉膛负压，并有效地克服了彼此的扰动，使整个系统稳定的运行。

关键字：蒸汽压力，串级控制，变送器

一、热电厂的生产工艺

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。

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。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。热电厂锅炉将经过处理后的除盐水加热至430度(根据汽机工况)左右的过热蒸汽送入汽轮机,推动汽轮机保持每分钟3000转的速度带动同轴的发电机旋转,通过同轴励磁机产生的直流电输入发电机转子,在静子上产生感应电势,同时作过功的余汽可用来当作供热源

二、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，因为热点厂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是汽轮机无法正常工作势必会印象到厂得效益和蒸汽机的寿命。还有就是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至过热器损坏，同时还会危及汽轮机的安全运行，甚至出现爆炸这的极端的事故。

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，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。

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；当燃料流量波动较大时，可采用蒸汽压力对燃料流量的串级控制系统。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成标准统一信号DC4～20mA电流输出送到控制器。

2.2控制要求

1、锅炉供给用汽设备的蒸汽压力应当保持在一定的范围内；

2 、过热蒸汽温度压力保持在一定范围；

3、汽包水位保持在一定范围；

4、保持锅炉燃烧的经济性和安全性；

5 、炉膛负压保持在一定的范围内。

本设计基于过热蒸汽压力控制做的控制系统，

三、锅炉出口温度控制系统的设计

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[5]

3.2 蒸汽出口压力控制系统分析

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，其控制和管理随之要求也越来越高。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调量。

锅炉蒸汽压力是燃烧过程调节对象的主要被控量，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是系统的控制不及时。下面就系统的燃料量变化、蒸汽压力之间，从系统的燃料变化后会一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时。下面只对出现介于干扰的情况下做个简单分析图2.1燃料量阶跃变化时，蒸汽压力反应曲线[2]图2.2 蒸汽流量阶跃变化时，蒸汽压力反应曲线

M Pm t

t D

Pm t

t

图3.1 燃料量阶跃变化时，蒸汽压力反应曲线 图3.2 蒸汽流量阶跃变化时，蒸汽压力反应曲线

3.3蒸汽控制系统的设计

3.3.1控制系统中的延时环节处理

控制系统中滞后产生的主要原因有：对系统变量的测量、系统中设备的物理性质及物或信号的传递等。在实际工程控制问题中，有时因滞后系统的影响不大而在系统的设计或模型中将滞后省略。但是在更多的实际工程中，滞后是不能省略的，而且有些控制过程中，滞后往往是时变的，即滞后是时间t 的函数。所以这些对象的纯滞后时间对控制系统的控制性能都极为不利，它使系统的稳定性降低，动态特性变坏。

由于整个控制系统存在滞后，整个系统具有一阶环节和二阶环节来近似的等效

一阶滞后环节

τs e Ts K s G -+=1

)( 二阶滞后环节 τs e s T s T K s G -++=)

1)(1()(21 在现场环境中，蒸汽的压力变化是时时刻刻的，很难用一个固定的数学公式将炉温的变化规律总结出来。但是我们要对蒸汽的压力进行控制就必须要对蒸汽

的

压力变化进行一个规律的总结，所以在规定的要求范围内，对一些情况进行近似处理是很合理和必要的。在通常情况下，我们给定蒸汽一个压力范围，作为系统的给定，使蒸汽的出口压力可以达到个满意的结果。对于火电厂锅炉来说，炉体的容量、结构、检测元件及其安放位置等都影响着滞后的大小。它不是一个单一的问题，是一个系统问题(容积滞后时间就是级联的各个惯性环节的时间常数之和)。纯滞后产生的根源也要从整个测量系统来考虑，并且与温度的高低有关。热量从热源传到温度传感器要经过多个热阻与热容相串联的热惯性环节，而串联的多容对象会产生等效纯时滞后。随着温度的升高，辐射传热的比例增大，辐射具有穿透性，使传热路径缩短，传热速度加快。所以纯滞后的时间会随温度升高而减小。

解决滞后的办法

○

1选择惰性小的快速测量元件，以减小时间常数 ○

2选择合适的测量位置，以减小纯滞后 ○

3使用微分单元 加入 D 控制规律 如 一阶滞后τs e Ts K s G -+=1

)( 加入微分单元1+T D S,当适当的调整TD 后可以使T D =T.最后的传递函数就是K,这样就减少了延迟。[3]

主回路：TC 选择PI 控制，原因是主回路中所控制的参数为压力，压力这个参数滞后是比较小的，当干扰到来的时候会比较快的反应在输出的变化上，所以不必加入微分环节就可以达到很好的控制目的，也节省了成本。其中的I 环节可以消除静差，使系统的控制性能的到提高。

副回路：选择P 控制。理由是副回路是粗调所以要求随度要快，粗调也就是不要求一步到位，只是对余差进行初步的处理，最后的工作是由主回路来完成的。微分最用也是不必要的，因为加入微分后系统过于敏感，稍有扰动就会动作，这不利于系统的稳定。

整定：两步整定法。根据串级控制系统的设计原则，主、副过程的时间常数应适当匹配，要求衰减比4到10的范围内。这样主、副回路的工作频率和操作

周期相差很大，其动态联系很小，可忽略不计。所以，副调节器参数按单回路系统方法整定后，可以将副回路作为主回路的一个环节，按单回路控制系统的整定方法，整定主调节器的参数，而不再考虑主调节器参数变化对副回路的影响。