200MW除氧器压力控制系统设计
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课 程 设 计 用 纸
1 绪论
1.1 锅炉除氧概述
在热力电站中，水在系统管道中循环，当水和某些 气体或空气接触时就会有一些气体溶解到水中， 这些被 溶解的气体有氧(02)、氮(N2)、二氧化碳((C02)等等。 这些气体中 N2 和 02 的存在使给水管道、 省煤器以及锅 炉等设备发生金属腐蚀， 设备工作可靠性和使用寿命降 低，同时随着温度的升高腐蚀作用也将大大加速。给水 中的溶解氧通常是造成热力设备腐蚀的主要原因， 将导 致给水系统和锅炉本身在运行期间和停运期间的氧腐 蚀。给水中的溶解氧，随水进入锅炉，完全消耗在金属 腐蚀上，造成热力系统的严重腐蚀。因此为防止和减轻 热力设备的氧腐蚀，保证热力设备安全经济运行，最重 要的措施是对锅炉给水进行除氧处理。 随着软化水处理技术的普及和发展， 锅炉及供热系 统中的除氧问题变得日益重要。 每年因氧腐蚀而对锅炉 及换热设备造成的严重损失， 己引起人们越来越多的注 意。国家标准《工业锅炉水质》GB 1576-2001 中规定， 对于蒸汽锅炉，当额定蒸发量大于或等于 6t/h 时就应 除氧。 除氧器是火电机组给水加热系统中的主要设备之 一。 主要用来除去锅炉给水中的氧和二氧化碳等非凝结 气体，以及用汽机低压侧抽汽及其他方面的余汽、疏水 等。将锅炉给水加热至除氧器运行压力下的饱和温度， 将符合含氧量标准的饱和水，储存于除氧器水箱中，随 时满足锅炉的需要，以保证锅炉的安全运行。 目前， 常用的除氧方式以其除氧机理可分为物理方 式和化学方式两大类。 其中物理方式的理论基础为亨利 定律，包括大气式热力除氧、真空除氧、解析除氧。化 -4教师批阅：
沉淀。这些氧化物中的氧就不再与金属化合，故实际上 起腐蚀作用的，都是水中的溶解氧。因此除氧的目的就 是除去水中的溶解氧。因此，我们有必要研究氧在水中 的特性及除氧的根本途径。
教师批阅：
2.1 水中气体的溶解特性
各种气体在不同压力和温度下，其饱和含量都不相 同， 表 2-1 所示即为不同压力、 温度下水的饱和含氧量， 空气中氧较多，水与空气接触后，其含氧量很容易达到 饱和或接近饱和，因此工业企业锅炉房一般不分析生 水、软水或除氧前给水的含氧量，而将该压力及温度下 水的饱和含氧量作为除氧前水的含氧量。很显然，己饱 和含氧量来代替水的含氧量，其数值比实际情况偏高， 因为水与空气接触，其含氧量不一定就真正达到饱和， 尤其是混有大量回水的给水，回水中含氧量较低，故这 种给水的含氧量都未达到饱和。
1.3 本设计的主要内容
基于上述现状，本设计以 PID 控制算法为基础，通 过 PID 参数整定， 确定了最优控制参数， 并采用 MATLAB 软件对 PID 控制进行了仿真研究， 仿真结果表明 PID 控 制能够满足超调量小、调节时间短的要求。同时对一次 仪表进行了选型，并实现与 DCS 控制板 I/O 连接，最后 利用组态软件进行组态硬件、软件及界面仿真，构成了 一整套的集散控制系统。
Keywords: the deaerator pressure PID configuration simulation Distributed Control System
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目录
1 绪论………………………………………………4 1.1 锅炉除氧概述…………………………………4 1.2 锅炉给水除氧现状……………………………5 1.3 本设计的主要内容……………………………5 2 热力除氧系统介绍………………………………5 2.1 水中气体的溶解特性…………………………6 2.2 除氧器的工作原理……………………………7 2.3 热力除氧的途径………………………………7 3 除氧器压力控制方案设计………………………7 3.1 被控对象除氧器的数学模型…………………8 3.2 PID 控制的基本原理…………………………8 3.3 控制方案的确立 ……………………………10 3.4 除氧器压力控制系统的 SAMA 图……………11 4 一次仪表选型及接线 …………………………12 4.1 一次仪表选型 ………………………………12 4.2 I/O 接线图……………………………………13 5 热力除氧器压力控制系统仿真和分析…………14 5.1 仿真环境 Simulink……………………………14 5.2 PID 参数整定…………………………………14 5.3 仿真结果建模…………………………………15 5.4 仿真结果分析…………………………………16 6 DCS 组态设计……………………………………17 6.1 工艺流程图……………………………………18 6.2 DCS 硬件组态图………………………………18 6.3 组态软件图……………………………………20 6.4 组态界面图……………………………………20 7 心得和总结………………………………………21 参考文献……………………………………………22 附件
教师批阅：
关键字：除氧器压力
PID
组态仿真
集散控制系统
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课 程 设 计 用 纸
ABSTRACT
教师批阅：
The deaerator is dissolved in a harmful gas in the water, particularly the dissolved oxygen the dissolved oxygen in the water removed from the water, to avoid these harmful gases into the boiler system causing corrosion of thermal equipment, thereby affecting the normal operation of the boiler system, so deaerator in the thermal power plantsplay a very important role. In order to guarantee the deaerator to get good oxygen scavenging effect must adopt appropriate control algorithms. Before scholars have carried out relevant research on the the deaerator temperature, water level control, the design deaerator charged object, using the traditional PID control algorithm design deaerator pressure control system, full use of the PID control principle is simple Easy to use, applicability, advantages of anti-jamming capability. It based on the PID control algorithm, and through the PID parameters whole set to determine the optimal control parameters, also using MATLAB software PID control carried out a simulation study, the simulation results show that the PID control be able to meet the small overshoot, adjust the short time requirements. The primary instrument selection, and with DCS control panel I / O connections, and finally the use of configuration software to configure the hardware, software and interface simulation, constitute a set of distributed control system.
气体溶解定律(亨利定律)指出:任何气体在水中的溶解 度与该气体在水界面上的分压力成正比。所谓分压力， 就是在液面上的空间中，如果没有其它气体或蒸汽，仅 有这种气体单独存在时的压力，称为这种气体的分压 力。气体在液体中的溶解度，取决于液体温度及液面上 这种气体的分压力，也就是说，汽水界面上某种气体的 分压力越小，水中溶解的该气体量就越小，分压力等于 零时，则溶解气体的量就为零。由该定律以及表 2-1 可 见:在加热水时， 汽水分界面上水蒸气的分压力将增加， -6-
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其他气体的分压力就会相应减少。
教师批阅：
2.2 除氧器的工作原理
热力除氧的原理是:将锅炉给水加热至沸点， 使氧的 溶解度降低，水中的氧不断逸出，再将水面上产生的氧 气连同水蒸气一道排除， 这种方法还能除掉水中的各种 气体(包括游离态 C02, N2)。除氧后的水不会增加含盐 量，也不会增加其它气体溶解量，操作控制相对容易， 而且运行稳定。 为保证热力除氧器具有可靠的效果，在设计和运行 中应满足下列条件: (1)增加水与蒸汽的接触面积，水流分配要均匀; (2)保证氧气在水中的溶解压力与水面上的分压力之间 有压力差;
2 热力除氧系统介绍
前面己提到， 热力除氧器主要是用来除去锅炉给水 中的氧和二氧化碳等非凝结气体， 由于氧气是很活泼的 气体，它能跟很多非金属直接化合，而且能跟绝大多数 金属(金、银、铂等少数金属除外)直接化合。当其与非 金属或金属化合以后，往往形成稳定的氧化物，或生成
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2.3 热力除氧的途径
从氧在水中的溶解特性及其活泼的化学性质， 我们 可以得出，去除水中氧气可以从以下几个方面着手: (1)使水加热，减少其中氧的溶解度，水中氧气就可以 逸出; (2)使水面上空间的氧气分子都排除，或转变成其它气 体(如二氧化碳)。既然水面上没有氧的分子存在，氧的 分压力就为零，水中氧的溶解度就为零，水中的氧气就 不断逸出; (3)使水中的溶解氧在进入锅炉前就转变为与金属或其 他药剂的稳定化合物而消耗干净。 而本课程设计主要从压力控制方面着手， 达到除氧 器除氧的目的。
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学方式的原理是使含氧水中的溶解氧与还原剂发生氧 化还原反应，进而达到除去水中溶解氧的目的。
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1.2 锅炉给水除氧现状
目前我国的工业锅炉 （含热水锅炉） 中只有 50～60% 有除氧措施，除氧方式主要为热力除氧，其次为化学除 氧，还有少部分采用真空除氧、解吸除氧及树脂除氧； 因此很大一部分锅炉， 特别是中小型低压锅炉没有除氧 设备，能正常运行的除氧设备更是少数，这是因为炉外 除氧设备不仅购置费用高、能耗高，而且不好操作，特 别是对于用汽不均衡的单位，这些装置很难使用，从而 从而造成除氧效果不佳，有的成了摆设，长期闲置，使 锅炉设备和热力系统的氧腐蚀严重， 影响了锅炉的使用 寿命和安全运行。因此，锅炉水的除氧势在必行，应引 起高度的重视。
课 程Baidu Nhomakorabea设 计 用 纸
摘要
除氧器是将溶解在水中的有害气体尤其是水中的 溶解氧从水中除去， 以免这些有害气体进入锅炉系统造 成热力设备腐蚀，从而影响锅炉系统的正常运作，所以 除氧器在热力发电厂中起到了很重要的作用。 为了保证 除氧器能得到很好的除氧效果， 必须采用恰当的控制算 法。而之前的学者已对除氧器温度、水位控制进行了相 关研究，本设计以除氧器为被控对象，采用传统 PID 控 制算法设计了除氧器压力控制系统， 充分利用了 PID 控 制原理简单、使用方便、适用性强、具有抗干扰能力的 优点。 文中以 PID 控制算法为基础， 通过 PID 参数整定， 确定了最优控制参数，并采用 MATLAB 软件对 PID 控制 进行了仿真研究， 仿真结果表明 PID 控制能够满足超调 量小、 调节时间短的要求。 同时对一次仪表进行了选型， 并实现与 DCS 控制板 I/O 连接， 最后利用组态软件进行 组态硬件、软件及界面仿真，构成了一整套的集散控制 系统。
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1 绪论
1.1 锅炉除氧概述
在热力电站中，水在系统管道中循环，当水和某些 气体或空气接触时就会有一些气体溶解到水中， 这些被 溶解的气体有氧(02)、氮(N2)、二氧化碳((C02)等等。 这些气体中 N2 和 02 的存在使给水管道、 省煤器以及锅 炉等设备发生金属腐蚀， 设备工作可靠性和使用寿命降 低，同时随着温度的升高腐蚀作用也将大大加速。给水 中的溶解氧通常是造成热力设备腐蚀的主要原因， 将导 致给水系统和锅炉本身在运行期间和停运期间的氧腐 蚀。给水中的溶解氧，随水进入锅炉，完全消耗在金属 腐蚀上，造成热力系统的严重腐蚀。因此为防止和减轻 热力设备的氧腐蚀，保证热力设备安全经济运行，最重 要的措施是对锅炉给水进行除氧处理。 随着软化水处理技术的普及和发展， 锅炉及供热系 统中的除氧问题变得日益重要。 每年因氧腐蚀而对锅炉 及换热设备造成的严重损失， 己引起人们越来越多的注 意。国家标准《工业锅炉水质》GB 1576-2001 中规定， 对于蒸汽锅炉，当额定蒸发量大于或等于 6t/h 时就应 除氧。 除氧器是火电机组给水加热系统中的主要设备之 一。 主要用来除去锅炉给水中的氧和二氧化碳等非凝结 气体，以及用汽机低压侧抽汽及其他方面的余汽、疏水 等。将锅炉给水加热至除氧器运行压力下的饱和温度， 将符合含氧量标准的饱和水，储存于除氧器水箱中，随 时满足锅炉的需要，以保证锅炉的安全运行。 目前， 常用的除氧方式以其除氧机理可分为物理方 式和化学方式两大类。 其中物理方式的理论基础为亨利 定律，包括大气式热力除氧、真空除氧、解析除氧。化 -4教师批阅：
沉淀。这些氧化物中的氧就不再与金属化合，故实际上 起腐蚀作用的，都是水中的溶解氧。因此除氧的目的就 是除去水中的溶解氧。因此，我们有必要研究氧在水中 的特性及除氧的根本途径。
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2.1 水中气体的溶解特性
各种气体在不同压力和温度下，其饱和含量都不相 同， 表 2-1 所示即为不同压力、 温度下水的饱和含氧量， 空气中氧较多，水与空气接触后，其含氧量很容易达到 饱和或接近饱和，因此工业企业锅炉房一般不分析生 水、软水或除氧前给水的含氧量，而将该压力及温度下 水的饱和含氧量作为除氧前水的含氧量。很显然，己饱 和含氧量来代替水的含氧量，其数值比实际情况偏高， 因为水与空气接触，其含氧量不一定就真正达到饱和， 尤其是混有大量回水的给水，回水中含氧量较低，故这 种给水的含氧量都未达到饱和。
1.3 本设计的主要内容
基于上述现状，本设计以 PID 控制算法为基础，通 过 PID 参数整定， 确定了最优控制参数， 并采用 MATLAB 软件对 PID 控制进行了仿真研究， 仿真结果表明 PID 控 制能够满足超调量小、调节时间短的要求。同时对一次 仪表进行了选型，并实现与 DCS 控制板 I/O 连接，最后 利用组态软件进行组态硬件、软件及界面仿真，构成了 一整套的集散控制系统。
Keywords: the deaerator pressure PID configuration simulation Distributed Control System
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1 绪论………………………………………………4 1.1 锅炉除氧概述…………………………………4 1.2 锅炉给水除氧现状……………………………5 1.3 本设计的主要内容……………………………5 2 热力除氧系统介绍………………………………5 2.1 水中气体的溶解特性…………………………6 2.2 除氧器的工作原理……………………………7 2.3 热力除氧的途径………………………………7 3 除氧器压力控制方案设计………………………7 3.1 被控对象除氧器的数学模型…………………8 3.2 PID 控制的基本原理…………………………8 3.3 控制方案的确立 ……………………………10 3.4 除氧器压力控制系统的 SAMA 图……………11 4 一次仪表选型及接线 …………………………12 4.1 一次仪表选型 ………………………………12 4.2 I/O 接线图……………………………………13 5 热力除氧器压力控制系统仿真和分析…………14 5.1 仿真环境 Simulink……………………………14 5.2 PID 参数整定…………………………………14 5.3 仿真结果建模…………………………………15 5.4 仿真结果分析…………………………………16 6 DCS 组态设计……………………………………17 6.1 工艺流程图……………………………………18 6.2 DCS 硬件组态图………………………………18 6.3 组态软件图……………………………………20 6.4 组态界面图……………………………………20 7 心得和总结………………………………………21 参考文献……………………………………………22 附件
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关键字：除氧器压力
PID
组态仿真
集散控制系统
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ABSTRACT
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The deaerator is dissolved in a harmful gas in the water, particularly the dissolved oxygen the dissolved oxygen in the water removed from the water, to avoid these harmful gases into the boiler system causing corrosion of thermal equipment, thereby affecting the normal operation of the boiler system, so deaerator in the thermal power plantsplay a very important role. In order to guarantee the deaerator to get good oxygen scavenging effect must adopt appropriate control algorithms. Before scholars have carried out relevant research on the the deaerator temperature, water level control, the design deaerator charged object, using the traditional PID control algorithm design deaerator pressure control system, full use of the PID control principle is simple Easy to use, applicability, advantages of anti-jamming capability. It based on the PID control algorithm, and through the PID parameters whole set to determine the optimal control parameters, also using MATLAB software PID control carried out a simulation study, the simulation results show that the PID control be able to meet the small overshoot, adjust the short time requirements. The primary instrument selection, and with DCS control panel I / O connections, and finally the use of configuration software to configure the hardware, software and interface simulation, constitute a set of distributed control system.
气体溶解定律(亨利定律)指出:任何气体在水中的溶解 度与该气体在水界面上的分压力成正比。所谓分压力， 就是在液面上的空间中，如果没有其它气体或蒸汽，仅 有这种气体单独存在时的压力，称为这种气体的分压 力。气体在液体中的溶解度，取决于液体温度及液面上 这种气体的分压力，也就是说，汽水界面上某种气体的 分压力越小，水中溶解的该气体量就越小，分压力等于 零时，则溶解气体的量就为零。由该定律以及表 2-1 可 见:在加热水时， 汽水分界面上水蒸气的分压力将增加， -6-
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其他气体的分压力就会相应减少。
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2.2 除氧器的工作原理
热力除氧的原理是:将锅炉给水加热至沸点， 使氧的 溶解度降低，水中的氧不断逸出，再将水面上产生的氧 气连同水蒸气一道排除， 这种方法还能除掉水中的各种 气体(包括游离态 C02, N2)。除氧后的水不会增加含盐 量，也不会增加其它气体溶解量，操作控制相对容易， 而且运行稳定。 为保证热力除氧器具有可靠的效果，在设计和运行 中应满足下列条件: (1)增加水与蒸汽的接触面积，水流分配要均匀; (2)保证氧气在水中的溶解压力与水面上的分压力之间 有压力差;
2 热力除氧系统介绍
前面己提到， 热力除氧器主要是用来除去锅炉给水 中的氧和二氧化碳等非凝结气体， 由于氧气是很活泼的 气体，它能跟很多非金属直接化合，而且能跟绝大多数 金属(金、银、铂等少数金属除外)直接化合。当其与非 金属或金属化合以后，往往形成稳定的氧化物，或生成
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2.3 热力除氧的途径
从氧在水中的溶解特性及其活泼的化学性质， 我们 可以得出，去除水中氧气可以从以下几个方面着手: (1)使水加热，减少其中氧的溶解度，水中氧气就可以 逸出; (2)使水面上空间的氧气分子都排除，或转变成其它气 体(如二氧化碳)。既然水面上没有氧的分子存在，氧的 分压力就为零，水中氧的溶解度就为零，水中的氧气就 不断逸出; (3)使水中的溶解氧在进入锅炉前就转变为与金属或其 他药剂的稳定化合物而消耗干净。 而本课程设计主要从压力控制方面着手， 达到除氧 器除氧的目的。
课 程 设 计 用 纸
学方式的原理是使含氧水中的溶解氧与还原剂发生氧 化还原反应，进而达到除去水中溶解氧的目的。
教师批阅：
1.2 锅炉给水除氧现状
目前我国的工业锅炉 （含热水锅炉） 中只有 50～60% 有除氧措施，除氧方式主要为热力除氧，其次为化学除 氧，还有少部分采用真空除氧、解吸除氧及树脂除氧； 因此很大一部分锅炉， 特别是中小型低压锅炉没有除氧 设备，能正常运行的除氧设备更是少数，这是因为炉外 除氧设备不仅购置费用高、能耗高，而且不好操作，特 别是对于用汽不均衡的单位，这些装置很难使用，从而 从而造成除氧效果不佳，有的成了摆设，长期闲置，使 锅炉设备和热力系统的氧腐蚀严重， 影响了锅炉的使用 寿命和安全运行。因此，锅炉水的除氧势在必行，应引 起高度的重视。
课 程Baidu Nhomakorabea设 计 用 纸
摘要
除氧器是将溶解在水中的有害气体尤其是水中的 溶解氧从水中除去， 以免这些有害气体进入锅炉系统造 成热力设备腐蚀，从而影响锅炉系统的正常运作，所以 除氧器在热力发电厂中起到了很重要的作用。 为了保证 除氧器能得到很好的除氧效果， 必须采用恰当的控制算 法。而之前的学者已对除氧器温度、水位控制进行了相 关研究，本设计以除氧器为被控对象，采用传统 PID 控 制算法设计了除氧器压力控制系统， 充分利用了 PID 控 制原理简单、使用方便、适用性强、具有抗干扰能力的 优点。 文中以 PID 控制算法为基础， 通过 PID 参数整定， 确定了最优控制参数，并采用 MATLAB 软件对 PID 控制 进行了仿真研究， 仿真结果表明 PID 控制能够满足超调 量小、 调节时间短的要求。 同时对一次仪表进行了选型， 并实现与 DCS 控制板 I/O 连接， 最后利用组态软件进行 组态硬件、软件及界面仿真，构成了一整套的集散控制 系统。