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。

在现代工业生产过程中，对于主参数的质量指标要求很高，而对副参数的质量指标没有严格要求。

通常设置副参数的目的是为了进一步提高主参数的控制质量。

在副调节器参数整定好后，再整定主调节器参数。

这样，只要主参数的质量通过主调节器的参数整定得到保证，副参数的控制质量可以允许牺牲一些。

两步整定法简单的说就是第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。

锅炉蒸汽压力控制系统
图3.1：锅炉蒸汽压力控制系统
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。

3.3.2控制系统中控制方案选择
选择串级控制系统的理由：
○1.从回路的个数分析，由于串级控制系统是一个双回路系统，因此能迅速克服进入副回路的干扰，从某个角度讲，副回路起到了快速“粗调”作用，主回路则担当进一步“细调”的功能，所以应设法让主要扰动的进入点位于副回路内。

○2.能改善被控对象的特性，提高系统克服干扰的能力。

由于副回路等效被控对象的时间常数比副对象的时间常数小很多，因而由于副回路的引入而使对象的动态特性有了很大的改善，有利于提高系统克服干扰的能力。

○3.提高了系统的控制精度。

因此具有一定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。

以蒸汽压力为被调节量，以燃料量为调节量的串级控制系统设计如图 2.5所示。

蒸汽出口压力控制系统
图3.2 蒸汽出口控制系统结构图
主变量的选择应遵循以下原则：
副变量的选择应遵循以下原则：
①应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁的和幅度大的扰动，并力求包含尽可能多的扰动；
② 应使主、副对象的时间常数匹配；
③ 应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型
蒸汽压力控制系统采用串级控制，主蒸汽压力调节器为主调节器，燃料调节器为副调节器。

主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出信号则是通过燃料调节阀去控制生产过程。

串级系统，实质上是把两个调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被控量准确地保持为给定值。

通常串级系统副环的对象惯性小，工作频率高，而主环惯性大，工作频率低。

为了提高系统的控制性能，希望主副环的工作频率相差三倍以上，以免频率相近时发生共振现象面破坏正常工作。

串级控制系统可以看作一个闭合的副回路代替了原来的一部分对象，起了改善对象特征的作用。

除了克服落在副环内的扰动外，还提高了系统的工作频率，加快过渡过程。

串级控制系统的主回路是一个定值控制系统，在副回路确定后，相当于一个单回路系统，外扰——蒸汽压力扰动可以在此回路中得到有效抑制。

副回路是一个随动系统，能够快速有效地克服二次扰动的影响，因此内扰——给煤扰动可以在副回路中得到有效地抑制。

同时提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力，改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率。

一般来说，一个设计合理的串级控制系统，当干扰从副回路进入时，其最大偏差将会较小到控制系统的
100
1~101，即便是干扰从主回路进入，最大偏差也会缩小到单回路控制系统的51~31。

但是，如果串级控制系统设计得不合理，其优越性就不能够充分体现。

因此，串级控制系统的设计合理性十分重要。

3.3.3反作用及控制阀的开闭形式选择
○
1主控制器：选择反作用，因为当阀的开度增大后，燃料的流量增加，阀的开度为+，变送器为+，所以控制器也为+所以控制器选择反作用
○
2副控制器：选择反作用，因为当阀的开度增大后，蒸汽的温度升高压力增大
，阀的开度为+，变送器为+，所以控制器也为+所以控制器选择反作用
○3控制阀：气开型因为当锅炉出现事故时阀门一定得是关闭的，否则的话在事故出现后阀门是开的话使燃料流出。

会加重事故。

四、控制系统单元元件的选择
4.1.1蒸汽压力变送器选择
蒸汽从锅炉经过管道到达蒸汽轮机，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%。

可以近似地认为，锅炉提供的蒸汽温度和压力，与蒸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℃。

4.1.2蒸汽压力变送器的选用
公司名称：济南亿科仪器仪表制造有限公司
特点：
不锈钢一体化结构，可适应恶劣环境
小体积，高精度，高性价比，高稳定性
0~0.1~10MPA
多种标准信号输出选择，用户调试方便
防雷击，抗电磁/射频干扰
供电电源范围宽（9~40V）
具有零点，满度可调
典型应用：
液压气压控制
锅炉，蒸汽管道，真空设备
石化管道测压
自控系统和测试系统
•安装（1）压力表应安装在易观察和检修的地方。

（2）安装地点应力求避免振
动和高温影响。

（3）测量蒸汽压力时应加装凝液管，以防止高温蒸汽直接和测
压元件接触；对于有腐蚀介质时，应加装充有中性介质的隔离罐等。

总之，针对具体
情况（如高温、低温、腐蚀、结晶、沉淀、粘稠介质等），采取相应的防护措施。

4.2 燃料流量变送器的选用
LUGB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
公称压力（Mpa）：PN1.6Mpa；PN2.5Mpa；PN4.0Mpa
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
总结
大四刚开学学校并没有给我们安排课程，而是留给我们做设计，通过三年的学习现在到了验收的时候，课程设计是培养学生综合运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。

这次设计是基于大三下个学期钢厂实习所作的，所做的设计也比较自由自主选题针对热电厂的某个控制环节展开。

我选择的是热电厂的锅炉蒸汽压力控制。

课程设计为期两周，第一周基本上是收集资料和选题，期间把以前学过的专业课又选节的浏览了一遍，回忆了以前的知识，再就是上图书馆查阅了一些资料，主要还是在网上查阅相关的资料了解，论文的写作、热电厂的工艺。

同事也学到
很多新东西，对热电厂的认识也加深了，特别是对锅炉的一部分控制系统。

查阅资料的时候也有遇到过很多的苦难，不过随着设计的推进这些苦难也得到解决。

还有就是设计期间得到了老师的指导，给我们讲了工厂控制系统，和如何写好写论文以及论文的格式。

为以后的工作和今年的毕业设计做好前期的准备。

在完成设计的过程中也发现单单读懂看懂书上那点东西是远远不够的，书上只是写理论，而理论要真的联系到实际的应用中还有很多的过程要走。

只用通过动手才会发现自己在那些方面的不足。

这样便可以有针对性的学习。

两周的课程设计是个面对问题解决问题的过程、是自我认识的过程。

两周的设计虽然不是很长，但是使自己对三年来所学的知识有个系统的整理和总结。

总而言之，本次设计是一次能力的提升。

附录
Thermal-hydraulic analysis of a 600MW supercritical CFB
boiler with low mass flux
Abstract
MANUSCRI CEPTED
Supercritical Circulating Fluidized Bed (CFB) boiler becomes an important development trend for coal-fired power plant and thermal-hydraulic analysis is a key factor for the design and operation of water wall. According to the boiler structure and furnace-sided heat flux, the water wall system of a 600MW supercritical CFB boiler is treated in this paper
as a flow network consisting of series-parallel loops, pressure grids and connecting tubes. A mathematical model for predicting the
thermal-hydraulic characteristics in boiler heating surface is based on
the mass, momentum and energy conservation equations of these components, which introduces numerous empirical correlations available for heat transfer and hydraulic resistance calculation. Mass flux distribution and pressure drop data in the water wall at 35%, 75% and 100% of the boiler maximum continuous rating (BMCR) are obtained by iteratively solving the model. Simultaneity, outlet vapor temperatures and metal temperatures in water wall tubes are estimated. The results show good heat transfer performance and low flow resistance, which implies that the water wall design of supercritical CFB boiler is applicable.
Key words: Supercritical CFB boiler; Mass flux distribution; Pressure drop; Outlet vapor temperature; Metal temperature
参考文献
[1].袁敬秋钱艳平.基于自适应Smith预估的链条锅炉蒸汽压力控制系统[J].工业控制计算机,2006,19(4):-22-23
[2].马然孔昭东王文兰.德国西门子公司主蒸汽温度控制策略的分析与应用[J].热力发电,2011,(2)
[3]孙红程翁维勤魏杰《过程控制系统及工程》第三版化学工业出版社 2010（7）
[4].葛超孙艳彬张景春孙丽英.基于模糊神经网络的锅炉蒸汽压力控制系统[J].可编程控制器与工厂自动化,2010(1)
[5]周菊华操高城《电厂锅炉》第二版中国电力出版社 2009（8）
[6].陈景通李忠舒.火电厂锅炉主汽温模糊控制系统的研究[J].沈阳师范大学学报：自然科学版,2010,(4)
[7].汤振志.改进型锅炉主汽温控制系统[J].云南电力技术,2010(1)
[8] Dong Yang, Gongming Chen Thermal-hydraulic analysis of a 600MW supercritical CFB boiler with low mass flux , 2010(4)
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