火电厂锅炉温度控制系统设计

题目: 火电厂锅炉温度控制系统设计初始条件：锅炉温度的控制效果直接影响着产品的质量，温度低于或高于要求时要么不能达到生产质量指标有时甚至会发生生产事故。

采用双交叉燃烧控制以锅炉炉膛温度为主控参数、燃料和空气并列为副被控变量设计火电厂锅炉温度控制系统，以达到精度在5 ℃范围内。

要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、选择控制方案2、绘制锅炉温度控制系统方案图3、确定系统传感与变送器的选择、数据采集系统、控制电路等4、说明系统工作原理时间安排：1月21日选题、理解课题任务要求1月22日方案设计1月23、24日参数计算撰写说明书1月25日答辩目录1、绪论 (3)2、锅炉的工艺流程及控制要求 (4)2.1锅炉的工艺流程 (4)2.2锅炉的控制要求 (5)3、锅炉炉膛温度的动态特性分析 (5)4、方案设计 (7)4.1炉膛温度控制的理论数学模型 (7)4.2炉膛温度控制方法的选择 (7)4.3 系统单元元件的选择 (8)4.3.1温度检测变送器的选择 (8)4.3.2流量检测变送器的选择 (10)4.3.3主、副控制器正反作用的选择 (12)4.3.4主回路的PID调节器和副回路的PI调节器 (12)4.3.5控制器仪表的选择 (12)4.3.6控制阀的选择 (14)5、控制系统的工作原理 (16)6、设计心得 (17)7、参考文献 (18)1、绪论工程控制是工业自动化的重要分支。

几十年来，工业过程控制获得了惊人的发展，无论是在大规模的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重要的作用。

生产过程是指物料经过若干加工步骤而成为产品的过程。

该过程中通常会发生物理化学反应、生化反应、物质能量的转换与传递等等，或者说生产过程表现为物流过变化的过程，伴随物流变化的信息包括物流性质的信息和操作条件的信息。

生产过程的总目标，应该是在可能获得的原料和能源条件下，以最经济的途径，将原物料加工成预期的合格产品。

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。

生产过程总目标具体表现为生产过程的安全性、稳定性和经济性。

（1）安全性在整个生产过程中，确保人身和设备的安全是最重要和最基本的要求。

在过程控制系统中采用越限报警、事故报警和连锁保护等措施来保证生产过程的安全性。

另外，在线故障预测与诊断、容错控制等可以进一步提高生产过程的安全性。

（2）稳定性指系统抑制外部干扰、保持生产过程运行稳定的能力。

变化的工业运行环境、原料成分的变化、能源系统的波动等均有可能影响生产过程的稳定运行。

在外部干扰下，过程控制系统应该使生产过程参数与状态产生的变化尽可能小，以消除或者减少外部干扰可能造成的不良影响。

（3）经济性在满足以上两个基本要求的基础上，低成本高效益是过程控制的另外一个重要目标。

为了打到这个目标，不进需要对过程控制系统进行优化设计，还需要管控一体化，即一经济效益为目标的整体优化。

工业过程控制可以分为连续过程工业、离散过程工业和间隙过程工业。

其中，连续过程工业占的比重最大，涉及石油、化工、冶金、电力、轻工、纺织、医药、建材、食品等工业部门，连续过程工业的发展对我国国民经济意义最大。

过程控制主要指的就是连续过程工业的过程控制。

锅炉是工业生产中不可缺少的动力设备，它多产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥、蒸发等过程提供热源，而且，还可以作为风机，压缩机、泵类驱动透平的动力源。

随着石油化学工业规模的不断扩大，生产过程不断强化，生产设备不断革新，作为全厂动力和热源的锅炉，亦向着大容量、高参数、高效率的方向发展。

为确保安全，稳定生产，对过路设备的自动控制就显得尤为重要。

2、锅炉的工艺流程及控制要求2.1锅炉的工艺流程由于锅炉设备使用的燃料、燃烧设备、炉体形式、锅炉功用和运行要求的不同，锅炉有各种各样的流程。

常见流程如图2.1所示。

由图可知，蒸汽发生系统由给水泵、给水调节阀、省煤器、汽包及循环管组成。

燃料和热空气按照一定的比例进入燃烧室燃烧，产生的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽D,然后经过热器，形成一定汽温的过热蒸汽sP的过热蒸汽，经负荷设备调节阀供给生产负荷使用。

与D，汇集至蒸汽母管。

压力为M此同时，燃烧过程中产生的烟气，将饱和蒸汽变成过热蒸汽后，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入大气。

D热空气燃料2.2锅炉的控制要求根据生产负荷的不同需要，锅炉需要提供不同规格（压力和温度）的蒸汽，同时，根据安全性和经济性的要求，是锅炉安全运行和完全燃烧，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要或者保持给定负荷；2、锅炉供给用汽设备的蒸汽压力应当保持在一定的范围内；3 、过热蒸汽温度保持在一定范围；4、汽包水位保持在一定范围；5、保持锅炉燃烧的经济性和安全性；6 、炉膛负压保持在一定的范围内。

根据上述要求，锅炉设备的主要控制系统见表2.1.表2.1 锅炉设备的主要控制系统3、锅炉炉膛温度的动态特性分析火电厂的锅炉炉膛由于采用的燃料为煤粉，在燃烧过程中，炉膛和汽包之间的传热过程是一个相当复杂的过程，炉膛的温度的动态特性具有一般的大滞后、时变、非线性和不对称性等特点。

在过程控制中，为了方便设计，同时又在一定的要求范围内，我们通常把锅炉炉膛的温度的动态特性看作是一个线性的系统。

可以用以下传递函数描述。

具有时滞的一阶环节 τs e Ts K s G -+=1)( (0.1) 具有时滞的二阶环节 τs e s T s T K s G -++=)1)(1()(21 (0.2)在现场环境中，炉膛内的温度变化是时时刻刻的，很难用一个固定的数学公式将炉温的变化规律总结出来。

但是我们要对炉膛内的温度进行控制就必须要对炉膛内的温度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，我们给定炉膛一个温度值，作为系统的给定，使锅炉炉膛在这个给定的温度状态下工作。

这个温度的变化又是和炉内的燃料燃烧量和炉体的总散热量相关的。

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。

由于火电厂锅炉使用的燃料是煤粉，即锅炉能量的来源方式是通过化学燃料的燃烧获得能量的，同时，炉膛内能量的散发形式又是以炉膛的炉体热量散失，对汽包进行热量传导进行散失等多种途径进行的，所以炉膛内的温度的变化是一个相当复杂的过程，是一个非线性变化的过程。

从模型参数上看，在锅炉炉膛的整个温度调节范围内，对象的增益、容积滞后时间和纯滞后时间通常是与工作温度与负载变化有关的变参数，而且参数变化量与温度变化量之间是非线性关系。

由于锅炉炉膛内的温度是高温段的，在高温段，温度变化的纯滞后时间和过程增益将比低温段有显著减少，而时间常数则显著增大。

锅炉作为一种高负荷运转的设备，特别是火电厂内的锅炉，长期处于高负荷运转下，随着运行时间的变化，其各项性能都会逐渐发生变化，特别是随着使用时间的增长，炉子的保温隔热材料会逐渐老化，炉膛内部由于长期处于高温环境中，炉体的保温、密封性能变差，通过炉体向外散失的热量增大。

此外，锅炉初次使用和久停后再用时，由于绝热保温材料中的水分大，炉膛温度的特性差别也是很大的。

另外，随着季节的变换，锅炉运行的外部环境温度也是经常变化的，冬天外部环境相对较冷，炉体的散热较快；夏天气温炎热，炉体的散热相对会较慢。

如此种种因素都会引起炉膛温度特性的变化，但变化的速度十分缓慢而不明显。

火电厂锅炉炉膛温度具有大惯性、大滞后特性。

在炉膛的整个温度范围内，对象的增益、容积滞后时间、纯滞后时间都是与工作温度有关的变参数。

从传热原理可知，这些参数也与负荷变化有关。

在锅炉设计的工作温区，在工作点附近的小范围内其动特性接近于线性，较容易控制，用常规的PID 调节器也能控制得很好，但不能经受太大的扰动，也不能够大范围地跟踪变化较快的给定信号。

对于常规仪表，大范围地改变温度要靠手动，仅当温度接近给定值时方可投入自动。

根据以上分析，可以认为火电厂锅炉炉膛温度是一种具有大容积滞后和大纯滞后的对象。

在整个炉膛的温区内，其动态参数随锅炉的工作温度变化，在工作点附近的小温度范围内，炉膛的动态特性近似线性的。

4、方案设计4.1炉膛温度控制的理论数学模型根据以上分析可知，炉膛温度问题是比较复杂的。

对炉膛温度动态特性进行分段线性化，则在每个较小的温度区间，锅炉炉膛的燃料流量—炉膛温度系统的动态特性可近似地用一个惯性环节和一个纯滞后环节串联的简化模型来表征，即:00()1sK e G s T s τ-=+ （1） 其中K 。

为过程的增益，τ为过程的纯滞后时间，To 为过程的等效容积滞后时间。

在锅炉炉膛的整个温度范围内，对象的增益、容积滞后时间和纯滞后时间都是炉膛温度和负载的非线性函数。

K 。

随锅炉炉膛内温度升高而减小，To 随锅炉炉膛内的温度升高而增大。

机理建模和计算机仿真分析以及实验辨识等也证明了这一模型的可行性。

4.2炉膛温度控制方法的选择双交叉燃烧控制是以锅炉炉膛温度为主被控量、燃料和空气并列为副被控变量的串级控制系统。

其中，两个并列的副环具有逻辑比值功能。

使该控制系统在稳定工作的情况下保证空气和燃料的最佳比值，也能在动态过程中尽量维持空气、燃料在最佳比值附近，因此，具有良好的经济效益和社会效益。

在煤粉流量调节回路中，炉温PID 的输出A1与根据实测空气流量折算成需要的煤粉流量之后，分别乘以一个偏置系数K3，得到信号A2，乘以一个偏置系数K4得到信号A3，A1、A2、A3三者经过高低选择器比较，选中者作为煤粉流量PID的设定值。

空气流量调节回路中，炉温PID的输出B1，与根据实测煤粉流量折算成所须空气流量之后，分别乘上一个偏置系数K1得到信号B2，乘上偏置系数K2得到信号B3，B1、B2、B3三者经高低选择器比较，选中者乘上流量补偿系数，送到空气PID作为设定值。

其系统组成原理图如图4.1所示。

4.3 系统单元元件的选择4.3.1温度检测变送器的选择在本次设计中，选用热电阻温度变送器，它的量程单元的原理图如图4.2。