工业蒸汽锅炉过程控制系统设计(专业技术实习)

专业技术实习设计报告《工业蒸汽锅炉过程控制系统设计》

专业：测控技术与仪器

班级： 09级3班

*名：***

指导教师：石明江、张禾

2013 年 1 月 9日

前言

当前，节约资源、提高热能利用率已为各方面所重视及关心。锅炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动的动力源，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，作为动力和热源的锅炉，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。在我国，工业锅炉是能源转换和耗能的主要设备之一，耗能量约占全国原煤产量的三分之一，锅炉由于设计、制造不合理，尤其是使用管理不当，导致事故的频率很高。据日本 20 世纪 70 年代的调查披露，日本当时运行的十万余台锅炉，在十年间共发生事故 355 次，其中由于管理不善而发生的事故有 243 次，占事故总数的 70．8％。多年来锅炉的安全工作一直受到国家劳动部门的重视，相继颁发了许多安全和劳动保护工作的法令、规范和标准，收到了显著效果。解决普遍存在的控制系统落后、运行效率低、环境环境污染严重等问题已是刻不容缓。为此，如何提高工业锅炉运行效率，降低能源消耗，实现其自动化节能和环保的要求已成为亟待解决的问题。

1、工艺流程

1.1 锅炉设备介绍

锅炉生产过程是一个多变量多参数相互耦合的复杂过程，其汽水，燃烧过程非常复杂，受多重因素的影响，燃烧系统内部一次风、二次风，输煤，一次返料，二次返料耦合性很强，燃烧与汽水之间也有极其复杂的相互作用关系，同时过程的非线性，滞后性也导致控制系统的复杂性，难以建立精确的数学模型，无法采用有效的预估补偿措施。

锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，常用的锅炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成，常见锅炉设备工艺流程如图1。

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，形成一定气温的过热蒸汽，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。

图1 常见锅炉主要设备工艺流程

锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽，

同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求，锅炉设备将有如下主要的控制系统：①锅炉汽包水位控制系统：主要是保持汽包内部的平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内。

②过热蒸汽系统控制：主要使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过工艺允许范围。

③锅炉燃烧系统的控制：其控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要，使燃料与空气量保持一定的比值，保证燃烧的经济型和锅炉的安全运行，使引风量与送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围内。

④锅炉水处理过程：主要使锅炉给水的水性能指标达到工艺要求。

1.2 设计介绍与构想

该锅炉所产生的蒸汽有两部分用途：一部分作为汽轮机的动力源，蒸汽推动汽轮机转动，带动生产线上的其他生产设备正常运转，使生产顺利进行；另一部分蒸汽用作热源，供其他车间生产线提供热源，如原料加热车间、脱水车间、烘烤车间等。此外，在天气严寒的季节里，该锅炉生产的蒸汽还要为整个工厂和企业的所有办公室、车间、职工宿舍等提供热源暖气，供御寒之用。因此，过路的安全、可靠、稳定运行，对工厂、企业的正常运行和员工的生活、工作、学习等具有重大意义。

A、锅炉给燃料气介绍：燃料气煤来源于工厂的储灌，由于储罐的压力不稳，燃烧时产生的热量变化也就很频繁。因此设计的燃烧控制系统要能及时地消除由于燃料气压力变化不均等因素所引起的燃料方面的扰动，而应用所学知识，采用压力信号的燃烧控制系统可以有效满足上述要求。

B、锅炉给水介绍：该工厂的给水来自于工厂的自备水库，通过给水泵将水从水库里抽出，由给水管道，经给水阀门沿给水管道进入锅炉的汽包中。由于给水泵是三相电动机拖动水泵运行，而工厂一带的电网电压、频率波动较大，为了维持汽包水位稳定在安全范围内，需对汽包水位控制系统进行精密设计，使控制信号驱动给水电磁阀门和给水泵，使二者协调工作，维持正常的安全水位。

C、锅炉减温水介绍：用作锅炉过热蒸汽的减温水来自于该工厂的某一生产线产生的清洁温水，约20℃左右，由于生产线温水储备箱中的温水由减温水泵抽出，通过减温水电磁阀门，沿减温水管道进入减温器，对过热蒸汽减温。同样，

由于工厂附近的电压、频率扰动，对减温水的流量造成扰动，另外，由于蒸汽经过过热器会造成时间上的延迟，因此要及时有效的控制蒸汽温度，必须克服减温水泵的转速扰动和过热器的时间延迟。结合所学理论知识，经过分析，用串级控制系统对蒸汽温度进行控制能满足要求。

D、本锅炉控制系统的控制任务：稳定过热蒸汽的温度、维持汽包水位在规定的范围内、稳定炉膛压力、维持经济燃烧。

2、控制方案的选择

2.1锅炉水位控制系统

2.2汽包三冲量水位控制系统原理图及框图

图2 锅炉水位控制系

图3 三冲量水位控制系统原理图蒸汽D 给水G

图4 汽包三冲量水位控制系统框图

选用三冲量控制系统的原因：单冲量控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，该方法结构简单，但克服不了“虚假水位”的影响;双冲量控制系统引入蒸汽流量作为前馈信号，减少了由于“虚假水位”带来的变化影响，但控制作用不能及时克服给水流量的扰动，当给水发生扰动时，要等到汽包水位信号变化时才能调节执行器，滞后时间较长。

因此本设计中的锅炉采用三冲量控制系统，即调节系统接受三个调节信号:水位H、蒸汽流量D和给水流量G，三冲量控制是在传统的PI串级控制上，引入了前馈控制，构成串级—前馈复合控制系统。

2.3过热蒸汽温度控制系统

图5 蒸汽温度控制系统

2.4蒸汽温度控制系统原理图及框图