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1、天津理工大学燃煤蒸汽锅炉自动控制系统设计说明书10t燃煤蒸汽锅炉给水燃烧系统自动控制系统设计院 系: 自动化学院专 业: 能源动力系统及自动化姓 名: 黄彪学 号： 20090925 指导教师:江菊元，张超目录第一部分 设计任务书一设计题目3二基础参数3三设计任务3四设计内容3五参考资料3第二部设计说明书摘要一.系统论述1、燃煤蒸汽锅炉自动控制系统的现状 42、燃煤蒸汽锅炉自动控制系统的发展 43、燃煤蒸汽锅炉自动控制系统对象的特性 4二.方案论证1、单冲量控制系统 62、双冲量控制系统 73、三冲量控制系统 7三.主要仪表选择及计算a、已知条件 8b、辅助计算 8c、计算 9四.设备选型 1
2、2五.参考文献 16六.致谢词 16专业设计任务书一、设计题目：燃煤蒸汽锅炉自动控制系统设计二、基础参数：设计额定压力：0.4Mpa设计额定负荷：7Mw进水管DN:80mm蒸汽管DN150mm进水流量:210T/h工作温度:60压力损失尽量小蒸汽性质:饱和蒸汽340允许压力损失:小于0.1MPa三、设计任务：1)设计锅炉燃烧系统的自动控制系统。2）熟悉课题内容，查阅相关资料。3）论证、设计自控系统的方案。4）系统的硬件设计。5）撰写设计说明书、绘制图纸（完成设计系统自控流程图一张、仪表接线图或传感器安装图两张）。四、设计内容：1)燃煤蒸汽锅炉自动控制系统的现状及发展趋势2）了解燃煤蒸汽锅炉自动
3、控制系统对象的特性，对特性进行分析3）针对燃煤蒸汽锅炉自动控制系统的对象特性及工艺要求设计燃煤蒸汽锅炉自动控制系统4）进行燃煤蒸汽锅炉自动控制系统的硬件配置，合理选择传感器、变送器、控制器、执行器、显示仪表等，进行相关的辅助计算（孔板开孔直径计算）5）进行燃煤蒸汽锅炉自动控制系统的经济分析五、参考资料：1)范玉久,化工测量及仪表,化学工业出版社,北京2002年2张子玉,热工测量与自动控制,建筑工业出版社,北京,1996年3)张亮明,工业锅炉自动控制,建筑工业出版社,北京,1986年4)安大伟,暖通空调系统自动化,建筑工业出版社,北京,2009年摘要对于燃煤蒸汽锅炉自动控制系统，在系统组成与结构
4、一定时，机组运行的安全性和经济性主要取决于锅炉的安全经济运行，而锅炉运行的安全性和经济性主要取决于给水调节系统和锅炉燃烧系统统的运行性能，此设计主要是对锅炉给水调节系统的运行进行深入研究，描述了锅炉燃烧、水位控制系统的工作原理及运行特性，分析了锅炉水位控制系统的动态特性并给出了系统的数学模型，设计了一套完善、实用的锅炉给水控制系统：锅炉给水控制，采用了附加蒸汽流量负向微分信号、给水流量惯性环节的串级三冲量控制系统。介绍了锅炉控制中变频技术的应用和具体实现方法，指出了其先进性、可行性及实用性：进行计算机监控系统进行设计，在系统上结合先进的计算机和可编程控制器软、硬件技术，具有面向所有过程控制应用
5、场合的先进控制系统；综合锅炉自动化现状及控制难题，展望智能控制技术在锅炉自动控制中的应用。一、系统论述1、燃煤蒸汽锅炉自动控制系统的现状目前我国存在很多工业和民用小型锅炉，其中大部分自动控制水平很低，存在燃烧不彻底、排烟氧含量偏高排烟、热损失大、提供的蒸汽水平低等问题，直接造成锅炉热效率低下、能量的浪费经济性低的同时也带来了很大的环境负担。2、燃煤蒸汽锅炉自动控制系统的发展2.1、锅炉自动控制装置的发展锅炉是一种将一次能源（煤炭、石油、天然气等）转换为二次能源的重要设备。由于多数单位的锅炉生产实行人工操作，不仅工作人员劳动条件差、劳动强度大，而且锅炉的热效率低。为了提高效率，改善工作人员的劳动
6、强度，使仪表控制逐渐取代人工操作，锅炉生产过程自动化就相应出现了。在生产过程中，对炉膛负压，烟气成分，给水管道的压力、流量、汽包水位、蒸汽温度等热工参数进行自动监测和显示；同时，对给水系统、燃烧系统进行调节，取得了很好的效果。随着工业检测技术的发展，DDZ型系列仪表参与锅炉控制，目前已经由第一代DDZ-I型电子管式，到第二代DDZ-II型晶体管式，到目前最大量使用的DDZ-III型集成电路式，都在锅炉控制中起主要作用。2.2、锅炉自动控制规律的发展自从仪表取代人工成为工业锅炉的控制核心以来，PID控制一直是仪表过程控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。由于PID技术发展的比较成熟，在计算机锅炉
7、控制系统中就成为了首选，是最为可靠、效果很好的控制规律。随着锅炉控制的发展，出现了许多改进的PID控制算法，如带死区的、积分分离的，参数自整定的等一系列PID控制规律。随着控制理论的发展，自适应控制、预测控制也被应用到锅炉的控制中，近年来，以专家系统、模糊控制、神经网络控制为代表的智能控制也开始应用到工业锅炉的控制系统中。国内、外许多学者的许多理论和实践也都表明，智能控制，尤其是模糊控制将成为现阶段实际控制系统中应用较为广泛的一种控制方法。3、燃煤蒸汽锅炉自动控制系统对象的特性（注释：本次燃煤锅炉控制系统设计中本设计主要负责给水系统设计，以下均只与给水系统有关）3.1给水量阶跃扰动下汽包水位响
8、应曲线（内扰特性） 当蒸发量不变，而给水量阶跃扰动W作用下，汽包给水位响应的曲线如图4-1所示。图中H为汽包水位的响应曲线，它在起始段水位变化的速度很慢而在后阶段近于等速变化（积分环节特性），故汽包水位是一个无自平衡能力的调节对象。如果作H的渐进线先延长使之交于汽包在扰动作用前的水位线H。，所截得时间，称为滞后时间。 阶跃响应曲线H可以认为由曲线H1和H2相加而成H1仅反映汽包贮水量的变化所引起的水平变化，当给水量W作阶跃变化时，H1的变化反映了汽包水位对象的积分特性。H2是反映水面下汽包容量变化时水位的变化，因为当给水量增加的初始阶段、温度较低的给水进入水循环系统，使其中原来的水温降低，从而
9、汽水混合物中的汽包容量减少，由于这个因素，促使汽包水位下降，当给水量变化时，H2的变化反映了汽包水位对象的惯性特性。这样H1和H2曲线相加得到总的阶跃响应曲线H，它在开始时有一段滞后时同。当锅炉采用非沸腾式省煤器时，大约为30100s，如果采用沸腾式省煤器时，为100200s。 3.2蒸发量阶跃扰动下汽包水位变化的响应曲线(外扰特性)给水量不变,而蒸发量D在时间t0处从D1突然增加到D2时,汽包水位变化的响应曲线如图4-2所示。图中H1为仅考虑由蒸发量D和给水量W不平衡引起的水位变化，可见，在蒸发量大于给水量的为产生不平衡的初始阶段，水位下降存在着滞后。H2是由于蒸发量变化（增加），改变汽包的
10、汽压（降低）而引起的虚假水位的变化。实际水位变化的曲线H应为两者之代数和，H= H1+ H2。显见，当蒸汽量做阶跃增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在响应初期水位不但不下降，反而迅速上升，这种现象称为“虚假水位”现象。 虚假水位产生的原因主要是蒸发气流量突然增加，包汽压下降，锅水的沸点降低，使炉管和汽包内的汽水混合物中的汽容量增加，体积膨大，引起汽包水位上升。由于虚假水位现象，使汽包水位的响应特性初期上升。当汽水混合物中汽的容量与附和相适应而达到平衡时，水位才反映出物料的不平衡，使汽包水位开始下降。当锅炉蒸汽负荷减少时，其水位的响应曲线与上述相反，即气包水位先下降后上升。锅炉汽包水位的自动
11、控制是根据汽包水位的动态特性来设计的。引起水位变化的因素固然较多，但主要是给水量和蒸汽量的干扰因素。为了获得更好的控制品质，汽包水位控制系统，根据锅炉的容量、负荷变化和调节品质要求，可根据汽包水位信号、蒸汽流量信号和给水流量信号，组成不同类型的系统。应说明，在锅炉自动控制系统中，对所使用的控制信号，习惯称为“冲量”，故汽包水位控制系统分为：单冲量控制系统、双冲量控制系统和三冲量控制系统。二、方案论证目前被控变量是汽包液位，操纵变量是 给水流量。它主要是保持汽包内部的物料平衡，使给水流量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中液位在工艺允许的范围内。这是保证锅炉及用气设备安全运行的必要条件 ，是锅炉正常运行
12、的重要指标。如果水位很低，则由于汽包内水量较少，而负荷却很大，水的气化又快，因而汽包内水量变化速度很快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部气化，会使过热器管壁结垢导致破坏。锅炉汽包给水控制的任务是维持汽包水位在一定范围内变化。汽包水位间接地表示了锅炉负荷和给水平衡的关系，随着锅炉参数的提高容量的扩大，主要原因有：（1） 汽包个数和提及的减小，使汽包的蓄水量和蒸发面积减少，从而加快了汽包水位的变化速度；（2） 锅炉容量的增大，显著地提高了锅炉蒸发受热面积的负荷，使锅炉负荷变化时水位的影响加剧了；（3） 提高锅炉的工作压力，给水管道系统响应复杂，流量特性更不易满足控制系统的要求。 由此锅炉给水控制
13、系统必不可少。 现有的燃烧锅炉给水控制方法有单冲量，双冲量和三冲量水位控制方式。 1、单冲量控制系统以汽包水位为唯一的控制信号，组成单回路的反馈控制系统称为单冲量水位控制系统。图14-45所示是利用压差变送器组成的单回路控制系统，通过双室平衡器将锅炉内实际水位信号取出，通过压差变送器LB将其水位信号转换为标准电流信号，并送入控制器LC-1。控制器对其水位偏差信号进行P或PI 运算，然后输出标准电流控制信号控制伺服放大器SF，进而控制电动调节阀V改变调节阀的开度，控制给水量，以维持汽包水位在规定的范围内。这是P或PI控制系统当水位测量采用电极式水位传感器时，可组成位式控制即起、停水泵的控制方法。
14、图中LK-2为手动操作器（可提高系统可靠性和便于维修）。 这种系统结构简单，对于小容量、负荷变化不大的锅炉，尤其是小型锅炉很适用，例如。4t/h以下锅炉，利用这种系统控制水位能够取得满意的效果。这是因为小型锅炉相对来说汽包容积大，水位分升时间长，虚假水位现象不严重，汽包蒸发强度小，水位波动不会给蒸汽品质带来明显的影响。单冲量控制系统也存在着一些缺点，因为只有水位控制信号，所以在锅炉负荷发生较大变化时，不能克服虚假水位现象而得到一个正确的控制；当给水量变动时从其水位响应特性看，存在着滞后，也就是说，控制器动作要经过一段时间才能对汽包水位发生影响。2、双冲量控制系统双冲量锅炉给水控制系统，是以锅炉
15、汽包水位测量信号，以蒸汽流量信号作为前馈信号构成的锅炉汽包水位自动控制系统。该系统对内扰抑制作用与单冲量一样，但是过程时间较长。对于外扰，比如说蒸汽扰动，若设蒸发量下降d，则从物质平衡来看，水位h应上升，给水阀门开度u应减小，但是由于“虚假水位”现象的影响，h暂时下降而反馈的调节使u增大，此时前馈信号则使前馈调节器Wg输出一个使u减小的信号，u，Wg两者结合起来，可是u不动作直至水位真实反映物质平衡关系，调节器Wr开始实现真正的调节作用。这种前馈-反馈复合控制补偿了由于外扰引起的水位变化，克服了“虚假水位”的影响，改善控制品质，比单冲量反馈控制优越。同时，由于流量对水位的影响，其延迟要比蒸发量
16、对水位影响大，用水位作为反馈信号控制不够及时，使得其动态偏差增大。3、三冲量控制系统为了克服单，双冲量控制系统的不足，本设计引入另外另外一个反馈信号即给水流量信号，构成一个新型复合控制系统，称为前馈-反馈三冲量给水控制系统。以汽包水位为主控制信号，蒸汽流量和给水流量为辅助控制信号组成的系统称三冲量水位控制系统。图14-47是其原理示意图，图中开方器FKS-5，压差变送器PB-2为给水流量信号。由于引入给水流量信号，便能有效地消除水压变化而引起水位变化的影响。三冲量给水控制系统适用于大容量的工业锅炉或给水干管为一条多台锅炉并列的供水系统的场合。它可迅速克服给水流量引起的干扰。三、主要仪表选择及计
17、算a、已知条件1.被测介质：水2.流量：qmmax=104kg/hqmmin=2103kg/hqmcom=8103kg/h3.工作压力：P1=0.4106Pa（表压）4工作温度：t1=605.允许压力损失：压力损失不限 6.管道内径DN:80mm（进水）DN：150（蒸汽）7.管道材质为：12CrMoV钢 新的轧制无缝钢管8.节流件材质为不锈钢：1Cr18Ni9Ti9.管道和局部阻力件的敷设如图所示10.希望采用孔板角接取压方式b、辅助计算1.质量流量标尺刻度上限qmmax=104kg/h2.管道材质和节流件材质的线膨胀系数D=11.6010-6 /d= 16.6010-6/3工状态下管道内径
18、D=D201+D(t1-20)=801+ 11.6010-6(60-20)=80.04mm4.工作状态下的绝对压力P1= P1表+Pa =0.4MPa+0.1MPa=0.5MPa5.工作状态下水的密度1=983.4 kg/m36.工作状态下水的动力粘度1=46310-6 Pas7.求ReDmin和ReDcomReDmin=1.91105ReDcom=7.641058.管内壁粗糙度K=0.05mm（0.050.10均可）K/D=6.2510-41010-4符合管内壁粗糙度要求9.确定差压上限令=0.5，C=0.6 则：P=（）2=2=2324Pa由于压损不限，圆整到最接近差压值，P=10K Pa
19、，并选用 115DP4差压变送器准确等级为0.2，即=0.2%10.求PcomPcom=0.64Pcom=0.6410KPa=6.4 KPac、计算1.求A2根据Pmcom、Pcom、1、D计算A2A2=0.124472.求0ReDcom21050=0.45073.进行迭代计算 求n（1）1因为液体=1，由D-D/2取压标准孔板的流出系数公式C=0.5959+0.3122.1-0.1848+0.0029 +0.0390将=0.4507，ReDcom=7.64105 带入上式得：C0=0.602151=0.44992（2）求2由1、Pcom代入C求法公式求得1C1=0.60206将C1代入公式计
20、算2得:2=0.449952-1=0.44995-0.44992=0.00003 E=0.0001迭代计算结束4.求dD=2D=0.6020680.04=36.01998 mm5.验算流量qmcom=0.003999=0.003999=8002.41Kg/hqm=100%=100%=0.03%0.2%上述计算合格6.求d20和加工公差d20d20=35.996 mmd20=0.05% d20=0.018 mm7.求压损PP=P=10=9.51KPa8.确定最小直管段长度根据=0.449950.45查表得L1=18DL2=5DL0=17D9.流量测量的确定度=式中当0.60时=0.36(%)2=
21、0（0.4）2=0.0012(%)2=（0.07）2=0.0213(%)2=（20.03）2=0.0009(%)2=（1.56）2=（1.560.2%）2=0.0243(%)2则流量测量的不确定度为:=%=0.6385%10、孔板和节流孔的厚度及斜角：因为0.005De0.02DeE0.05D当50mmD64mm时，E3.2mm所以取 e=0.015E=0.03D； 即： e=0.01580.04=1.2mm E=0.0380.04 =2.4mm 有e=1.5mm，E=3mm而=45。四、设备选型名称型号价格差压变送器SH-1151DP3658元热电偶WRCK 321G20-35元三冲量调节器
22、LS-6T11700-900元电动伺服操作器LS-501111600-2000元电动调节阀DKJ21002300-3200元三通道记录仪CJ41001360-1680元1.差压变送器型号1151DP类型远传差压变送器测量介质液体测量范围0-10（kPa） 精度等级0.20%输出信号4-20（mA） 防爆等级I防护等级IP65(上海宝侯实业有限公司)2.热电偶材质：单支铜 -康铜，外套 1Cr18Ni9Ti不锈钢保护管 管套外径：M161.5mm管套直径：22mm长期使用温度：350测温范围：-40350允许误差： 1或 0.75%t（兴化市仪华测控仪表有限公司）3.三冲量调节器主要技术指标测量
23、输入信号:三冲量:汽包水位、给水量、蒸汽量输入信号电流：010mADC、020mADC、420mADC或其它等电压：05VDC、15VDC、010VDC或其它等热电偶:K、E、B、S、B、J、T、R、N、F1、F2、等热电阻：CU50、CU100，Pt100等线性电阻：0400脉冲信号：波形-距形、正弦波、三角波、频率范围：0-10KHz。幅度-大于4V（或根据用户需要任定）。安全性:输入输出电源:全隔离电源输入:宽电压AC85265V(50Hz2Hz)DC24V2V仪表尺寸：坚状：80x160x100（宽X高X深）开孔尺寸：76+1152+1(宽高）输出信号：直流电压：05VDC、15VDC
24、、010VDC(负载RL250K)直流电流：010mADC(负载RL750)420mADC(负载RL500）测量精度：0.2%FS，0.5%FS测量范围：-19999999字/-199.9999.9保护方式：输入断阻、断偶、断线、欠/超量程断电器状态保持，显示闪烁示警（广州韩深自动化有限公司）4.电动伺服操作器主要技术指标工作环境：温度050，相对湿度085，无腐蚀性气体测量精度：0.5A/D分辨率：4位半采样周期： 1 b. 电流信号：420 mA 、010 mA 为 100串级输入信号:010mA、420mA、15V阀位反馈输入信号:010mA、420mA、15V模拟调节输出（两路:两路输
25、出且相互隔离）a. 010mA，负载电阻1500、420mA, 负载电阻750b. 输出电流精度0.5c. 输出与输入完全隔离，并且具有限幅作用d. 用于调节回路的跟踪伺服输出信号：固态开关信号，触点容量为AC220V、10A仪表从为“自动手动”无扰动切换，仪表从“手动自动”为斜波光滑过渡切换。仪表有“手动自动”状态开关量输出和由外来的开关量的故障信号把仪表从“自动状态”切换到“手动状态”。供电电源：AC220V10、50Hz整机功耗：15VA整机重量：1Kg外形尺寸：80mm160mm160mm（竖式）开孔尺寸：76+1 mm152+1 mm（竖式）（东莞市吉创自动化设备有限公司）5.电动调
26、节阀主要技术指标控制输入：DC：420mA（给定）反馈输入：DC：420mA；DC：05V；电位器：信号05V（阀开度）。输入电阻：DC： 420mA时，250；DC：05 V电压信号时250K。输出负载：560控制灵敏度： 020%可设，出厂：1.02%。正反转开、关时间： 010秒可设。阀位偏差允许值：025%可设。上排数显控制输入值（百分比），下排数显阀位反馈值（百分比）。自动 / 手动；控制电机正、反转。可现场即时按键标定；控制输入：（-10%99%）可标定零点；（1%110%）可标定满度。反馈输入：（0%49%） 可标定零点 ； （51%110%）可标定满度。控制输入、反馈输出完全隔
27、离。工作环境、温度：1060，湿度85%RH。保护等级：IP 55电源：AC：220VAC 50HZ。安装尺寸：A：220、B：245、C：130、D：152、E：86、F：35、G：100H1：270、H2：230、H3：125、H4：20、L：360、K：151：12、2：25、3：14、键：87、重量：31kg （四会市 恒和环保通风设备厂）6.三通道记录仪主要技术指标基本误差：0.2%F.S,全隔离单模块1-16路万能输入，隔离阻抗：20M500V输入部分电流420mA电压020mV、0100mV、05V、15V热电阻Pt100-99.9850Cu50电阻0400频率030kHz，（高
28、电平：8.530V，低电平：04.5V）030kHz，热电偶B、E、J、K、S、T输出规格：电流：420mA通讯：RS232/485通讯接口波特率：1200、9600、19200、38400、57600可选报警：最多12个继电器接点，触点负载3A230VAC/1A30VDC精度：实时显示：0.2%F.S.；曲线显示：0.5%F.S.；追忆精度：0.2%F.S.；共模抑制比：120dB；串模抑制比：50dB注：热电偶应去掉冷端误差。记录间隔：1秒至240秒，共分11档：1/2/4/8/12/24/36/60/120/180/240秒。记录容量：64/128/192/248MB（FLASH容量可选
29、择）。数据转存和备份，256M2G优盘可选。供电：新型开关电源，85265VAC，4565HZ，功耗35W尺寸:外型尺寸：144144220mm开孔尺寸：138138mm1mm保存条件:温度：-2060，避免日光直晒、湿度：85%RH（无凝结）工作条件：温度：045、湿度：10%85%RH（无凝结）（上海工宝电气有限公司）五、参考文献1 范玉久.化工测量及仪表M.北京：化学工业出版社,2002.2 张子玉.热工测量与自动控制M.北京：建筑工业出版社,1996.3 张亮明.工业锅炉自动控制M.北京:建筑工业出版社,1986.4 安大伟.暖通空调系统自动化M.北京:建筑工业出版社2009.5 张子慧.热工测量与自动控制M.北京：建筑工业出版社,2007.6）硕士论文燃煤蒸汽锅炉控制系统研究与设计（http:/