10t燃煤蒸汽锅炉给水燃烧系统自动控制新版专业系统设计.doc

天津理工大学

专业设计阐明书
—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： 柴晋芳
学 号： 0905
指引教师:江菊元，田禾

目录
第一某些 设计任务书
一．设计题目·······················································3
二．基本参数·······················································3
三．设计任务·······················································3
四．设计内容·······················································3
五．参照资料·······················································3
第二部设计阐明书摘要
一.系统阐述
1、 燃煤蒸汽锅炉自动控制系统现状 ·····························4
2、 燃煤蒸汽锅炉自动控制系统发展 ·····························4
3、 燃煤蒸汽锅炉自动控制系统对象特性 ·························4
二.方案论证
1、 单冲量控制系统 ·············································6
2、 双冲量控制系统 ·············································7
3、 三冲量控制系统 ·············································7
三.重要仪表选取及计算
a、已知条件 ···················································8
b、辅助计算 ···················································8
c、计算 ·······················································9
四.设备选型 ······················································12
五.参照文献 ······················································16
六.道谢词 ························································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、基本参数：
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:2—10T/h工作温度:60℃压力损失尽量小
蒸汽性质:饱和蒸汽340℃容许压力损失:不大于0.1MPa
三、设计任务：
1)设计锅炉燃烧系统自动控制系统。
2）熟悉课题内容，查阅有关资料。
3）论证、设计自控系统方案。
4）系统硬件设计。
5）撰写设计阐明书、绘制图纸（完毕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现状及发展趋势
2）理解燃煤蒸汽锅炉自动控制系统对象特性，对特性进行分析
3）针对燃煤蒸汽锅炉自动控制系统对象特性及工艺规定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硬件配备，合理选取传感器、变送器、控制器、执行器、显示仪表等，进行有关辅助计算（孔板开孔直径计算）
5）进行燃煤蒸汽锅炉自动控制系统经济分析
五、参照资料：
1)范玉久,化工测量及仪表,化学工业出版社,北京
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,

摘要
对于燃煤蒸汽锅炉自动控制系统，在系统构成与构造一定期，机组运营安全性和经济性重要取决于锅炉安全经济运营，而锅炉运营安全性和经济性重要取决于给水调节系统和锅炉燃烧系统统运营性能，此设计重要是对锅炉给水调节系统运营进行进一步研究，描述了锅炉燃烧、水位控制系统工作原理及运营特性，分析了锅炉水位控制系统动态特性并给出了系统数学模型，设计了一套完善、实用锅炉给水控制系统：锅炉给水控制，采用了附加蒸汽流量负向微分信号、给水流量惯性环节串级三冲量控制系统。
简介了锅炉控制中变频技术应用和详细实现办法，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，在系统上结合先进计算机和可编程控制器软、硬件技术，具备面向所有过程控制应用场合先进控制系统；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应用。
一、系统阐述
1、燃煤蒸汽锅炉自动控制系统现状
当前国内存在诸多工业和民用小型锅炉，其中大某些自动控制水平很低，存在燃烧不彻底、排烟氧含量偏高排烟、热损失大、提供蒸汽水平低等问题，直接导致锅炉热效率低下、能量挥霍经济性低同步也带来了很大环境承担。
2、燃煤蒸汽锅炉自动控制系统发展
2.1、锅炉自动控制装置发展
锅炉是一种将一次能源（煤炭、石油、天然气等）转换为二次能源重要设备。由于多数单位锅炉生产实行人工操作，不但工作人员劳动条件差、劳动强度大，并且锅炉热效率低。为了提高效率，改进工作人员劳动强度，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浮现了。在生产过程中，对炉膛负压，烟气成分，给水管道压力、流量、汽包水位、蒸汽温度等热工参数进行自动监测和显示；同步，对给水系统、燃烧系统进行调节，获得了较好效果。随着工业检测技术发展，DDZ型系列仪表参加锅炉控制，当前已经由第一代DDZ-I型电子管式，到第二代DDZ-II型晶体管式，到当前最大量使用DDZ-III型集成电路式，都在锅炉控制中起重要作用。
2.2、锅炉自动控制规律发展
自从仪表取代人工成为工业锅炉控制核心以来，PID控制始终是仪表过程控制系统中应用最为广泛一种控制规律。由于PID技术发展比较成熟，在计算机锅炉控制系统中就成为了首选，是最为可靠、效果较好控制规律。随着锅炉控制发展，浮现了许多改进PID控制算法，如带死区、积分分离，参数自整定等一系列PID控制规律。随着控制理论发展，自适应控制、预测控制也被应用到锅炉控制中，近年来，以专家系统、模糊控制、神经网络控制为代表智能控制也开始应用到工业锅炉控制系统中。国内、外许多学者许多理论和实践也都表白，智能控制，特别是模糊控制将成为现阶段实际控制系统中应用较为广泛一种控制办法。
3、燃煤蒸汽锅炉自动控制系统对象特性
（注释：本次燃煤锅炉控制系统设计中本设计重要负责给水系统设计，如下均只与给水系统关于）
3.1给水量阶跃扰动下汽包水位响应曲线（内扰特性）
当蒸发量不变，而给水量阶跃扰动ΔW作用下，汽包给水位响应曲线如图4-1所示。图中H为汽包水位响应曲线，它在起始段水位变化速度很慢而在后阶段近于等速变化（积分环节特性），故汽包水位是一种无自平衡能力调节对象。如果作H渐进线先延长使之交于汽包在扰动作用前水位线H。，所截得时间，称为滞后时间。
阶跃响应曲线H可以以为由曲线H1和H2相加而成H1仅反映汽包贮水量变化所引起水平变化，当给水量W作阶跃变化时，H1变化反映了汽包水位对象积分特性。H2是反映水面下汽包容量变化时水位变化，由于当给水量增长初始阶段、温度较低给水进入水循环系统，使其中本来水温减少，从而汽水混合物中汽包容量减少，由于这个因素，促使汽包水位下降，当给水量变化时，H2变化反映了汽包水位对象惯性特性。这样H1和H2曲线相加得到总阶跃响应曲线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，大概为30—100s，如果采用沸腾式省煤器时，为100—200s。
3.2蒸发量阶跃扰动下汽包水位变化响应曲线(外扰特性)
给水量不变,而蒸发量D在时间t0处从D1突然增长到D2时,汽包水位变化响应曲线如图4-2所示。图中H1为仅考虑由蒸发量D和给水量W不平衡引起水位变化，可见，在蒸发量不不大于给水量为产生不平衡初始阶段，水位下降存在着滞后。H2是由于蒸发量变化（增长），变化汽包汽压（减少）而引起"虚假水位"变化。实际水位变化曲线H应为两者之代数和，H= H1+ H2。显见，当蒸汽量做阶跃增长时，虽然锅炉给水量不大于蒸发量，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。
虚假水位产生因素重要是蒸发气流量突然增长，包汽压下降，锅水沸点减少，使炉管和汽包内汽水混合物中汽容量增长，体积膨大，引起汽包水位上升。由于虚假水位现象，使汽包水位响应特性初期上升。当汽水混合物中汽容量与附和相适应而达到平衡时，水位才反映出物料不平衡，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。锅炉汽包水位自动控制是依照汽包水位动态特性来设计。引起水位变化因素固然较多，但重要是给水量和蒸汽量干扰因素。
为了获得更好控制品质，汽包水位控制系统，依照锅炉容量、负荷变化和调节品质规定，可依照汽包水位信号、蒸汽流量信号和给水流量信号，构成不同类型系统。应阐明，在锅炉自动控制系统中，对所使用控制信号，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
当前被控变量是汽包液位，操纵变量是给水流量。它重要是保持汽包内部物料平衡，使给水流量适应锅炉蒸汽量，维持汽包中液位在工艺容许范畴内。这是保证锅炉及用气设备安全运营必要条件 ，是锅炉正常运营重要指标。如果水位很低，则由于汽包内水量较少，而负荷却很大，水气化又快，因而汽包内水量变化速度不久，如不及时控制，就会使汽包内水所有气化，会使过热器管壁结垢导致破坏。锅炉汽包给水控制任务是维持汽包水位在一定范畴内变化。汽包水位间接地表达了锅炉负荷和给水平衡关系，随着锅炉参数提高容量扩大，重要因素有：
（1） 汽包个数和体积减小，使汽包蓄水量和蒸发面积减少，从而加快了汽包水位变化速度；
（2） 锅炉容量增大，明显地提高了锅炉蒸发受热面积负荷，使锅炉负荷变化时水位影响加剧了；
（3） 提高锅炉工作压力，给水管道系统响应复杂，流量特性更不易满足控制系统规定。
由此锅炉给水控制系统必不可少。
既有燃烧锅炉给水控制办法有单冲量，双冲量和三冲量水位控制方式。
1、单冲量控制系统
以汽包水位为唯一控制信号，构成单回路反馈控制系统称为单冲量水位控制系统。图14-45所示是运用压差变送器构成单回路控制系统，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原则电流信号，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，然后输出原则电流控制信号控制伺服放大器SF，进而控制电动调节阀V变化调节阀开度，控制给水量，以维持汽包水位在规定范畴内。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，可构成位式控制即起、停水泵控制办法。图中LK-2为手动操作器（可提高系统可靠性和便于维修）。
这种系统构造简朴，对于小容量、负荷变化不大锅炉，特别是小型锅炉很合用，例如。4t/h如下锅炉，运用这种系统控制水位可以获得满意效果。这是由于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影响。单冲量控制系统也存在着某些缺陷，由于只有水位控制信号，因此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种对的控制；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，控制器动作要通过一段时间才干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，是以锅炉汽包水位为测量信号，以蒸汽流量信号作为前馈信号构成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同样，但是过程时间较长。对于外扰，例如说蒸汽扰动，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”现象影响，h暂时下降而反馈调节使u增大，此时前馈信号则使前馈调节器Wg输出一种使u减小信号，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开始实现真正调节作用。

这种前馈-反馈复合控制补偿了由于外扰引起水位变化，克服了“虚假水位”影响，改进控制品质，比单冲量反馈控制优越。同步，由于流量对水位影响，其延迟要比蒸发量对水位影响大，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，双冲量控制系统局限性，本设计引入此外一种反馈信号即给水流量信号，构成一种新型复合控制系统，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构成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P△B-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影响。
三冲量给水控制系统合用于大容量工业锅炉或给水干管为一条多台锅炉并列供水系统场合。它可迅速克服给水流量引起干扰。
三、重要仪表选取及计算
a、已知条件
1.被测介质：水
2.流量：qmmax=104kg/h qmmin=2×103kg/h qmcom=8×103kg/h
3.工作压力：P1=0.4×106Pa（表压）4工作温度：t1=60℃
5.容许压力损失：压力损失不限

6.管道内径DN:80mm（进水）DN：150mm（蒸汽）

7.管道材质为：12CrMoV钢 新轧制无缝钢管

8.节流件材质为不锈钢：1Cr18Ni9Ti
9.管道和局部阻力件敷设如图所示

10.但愿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/h
2.管道材质和节流件材质线膨胀系数
λD=11.60×10-6 /℃
λd= 16.60×10-6/℃

3工状态下管道内径
D=D20[1+λD(t1-20)]=80×[1+ 11.60×10-6×(60-20)]=80.04mm
4.工作状态下绝对压力
P1= P1表+Pa =0.4MPa+0.1MPa=0.5MPa
5.工作状态下水密度
ρ1=983.4 kg/m3
6.工作状态下水动力粘度
μ1=463×10-6 Pa·s
7.求ReDmin和ReDcom
ReDmin==1.91×105
ReDcom==7.64×105
8.管内壁粗糙度
K=0.05mm（0.05~0.10均可）
K/D==6.25×10-4＜10×10-4
符合管内壁粗糙度规定

9.拟定差压上限
令β=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，ΔP=10K Pa，并选用 115DP4差压变送器
精确级别为0.2，即ξ=0.2%
10.求ΔPcom
ΔPcom=0.64ΔPcom=0.64×10KPa=6.4 KPa
c、计算
1.求A2
依照Pmcom、ΔPcom、ρ1、D计算A2
A2===0.12447
2.求β0
ReDcom＞2×105
β0===0.4507
3.进行迭代计算 求βn
（1）β1
由于液体ξ=1，由D-D/2取压原则孔板流出系数公式
C=0.5959+0.312β2.1-0.184β8+0.0029
+0.0390
将=0.4507，ReDcom=7.64×105 带入上式得：C0=0.60215
β1===0.44992
（2）求β2
由β1、ΔPcom代入C求法公式求得1
C1=0.60206
将C1代入公式计算β2得:
β2=0.44995

β2-β1=0.44995-0.44992=0.00003 ＜ E=0.0001迭代计算结束
4.求d
D=β2×D=0.60206×80.04=36.01998 mm
5.验算流量
q'mcom=0.003999=0.003999=8002.41Kg/h

δqm=×100%=×100%=0.03%＜±0.2%
上述计算合格
6.求d20和加工公差Δd20
d20===35.996 mm
Δd20=±0.05% d20=±0.018 mm
7.求压损δP
δP=△P
=×10=9.51KPa

8.拟定最小直管段长度
依照β=0.44995≈0.45
查表得L1=18D L2=5D L0=17D
9.流量测量拟定度
=±
式中当β≤0.60时
=±=±0.36(%)2
=0
×（0.4）2=0.0012(%)2
=×（0.07）2=0.0213(%)2
=（2×0.03）2=0.0009(%)2
=（1.56·ζ）2=（1.56×0.2%）2=0.0243(%)2
则流量测量不拟定度为:

=±%=±0.6385%
10、孔板和节流孔厚度及斜角：

由于 0.005D<e<0.02D
e<E<0.05D
当50mm≤D≤64mm时，E≤3.2mm

因此取 e=0.015
E=0.03D；
即： e=0.015×80.04=1.2mm
E=0.03×80.04 =2.4mm

有e=1.5mm，E=3mm而χ=45°。

四、设备选型
名称
型号
价格
差压变送器
SH-1151DP
3658元
热电偶
WRCK 321G
20-35元
三冲量调节器
LS-6T11
700-900元
电动伺服操作器
LS-50111
1600-元
电动调节阀
DKJ2100
2300-3200元
三通道记录仪
CJ4100
1360-1680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
测量范畴
0-10（kPa）
精度级别
0.20%
输出信号
4-20（mA）
防爆级别
I
防护级别
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：M16×1.5mm
管套直径：22mm
长期使用温度：350℃
测温范畴：-40—350℃
容许误差：± 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
重要技术指标
测量输入信号:三冲量:汽包水位、给水量、蒸汽量输入信号
电流：0～10mADC、0～20mADC、4～20mADC或其他等
电压：0～5VDC、1～5VDC、0～10VDC或其他等
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：0~400Ω
脉冲信号：波形-距形、正弦波、三角波、频率范畴：0-10KHz。幅度-不不大于4V（或依照 顾客需要任定）。
安全性:输入输出
电源:全隔离
电源输入:宽电压AC85～265V(50Hz±2Hz)DC24V±2V
仪表尺寸：坚状：80x160x100（宽X高X深）
开孔尺寸：76+1×152+1(宽×高）
输出信号：直流电压：0～5VDC、1～5VDC、0～10VDC(负载RL≥250KΩ)
直流电流：0～10mADC(负载RL≤750Ω)4～20mADC(负载RL≤500Ω）
测量精度：±0.2%FS，±0.5%FS
测量范畴：-1999~9999字/-199.9~999.9
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
重要技术指标
工作环境：温度0～50℃，相对湿度0～85％，无腐蚀性气体
测量精度：±0.5％
A/D辨别率：4位半
采样周期：< 1秒
显示方式：双101段LED光柱和双4位0.36″红色LED显示第1路101段LED光柱和4位数码通过组态由顾客在测量信号、阀位反馈信号、串级信号中任选其一，第2路光柱显示调节控制信号。第2路4位数码显示别的参量。
输入阻抗：a. 电压信号：> 1ＭΩ b. 电流信号：4～20 mA 、0～10 mA 为 100Ω
串级输入信号:0～10mA、4～20mA、1～5V
阀位反馈输入信号:0～10mA、4～20mA、1～5V
模仿调节输出（两路:两路输出且互相隔离）
a. 0～10mA，负载电阻＜1500Ω、4～20mA，负载电阻＜750Ω
b. 输出电流精度±0.5％
c. 输出与输入完全隔离，并且具备限幅作用
d. 用于调节回路跟踪
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开关量故障信号把仪表从“自动状态”切换到“手动状态”。
供电电源：AC220V±10％、50Hz
整机功耗：15VA
整机重量：1Kg
外形尺寸：80mm×160mm×160mm（竖式）
开孔尺寸：76+1 mm×152+1 mm（竖式）
（东莞市吉创自动化设备有限公司）
5.电动调节阀
重要技术指标
控制输入：DC：4—20mA（给定）
反馈输入：DC：4—20mA；DC：0—5V；电位器：信号0—5V（阀开度）。
输入电阻：DC： 4—20mA时，＜250Ω；DC：0—5 V电压信号时＞250KΩ。
输出负载：≤560Ω
控制敏捷度： 0—20%可设，出厂：1.0—2%。
正反转开、关时间： 0—10秒可设。
阀位偏差容许值：0—25%可设。
上排数显控制输入值（比例），下排数显阀位反馈值（比例）。
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、反馈输出完全隔离。
工作环境、温度：－10℃～60℃，湿度≤85%RH。
保护级别：IP 55
电源：AC：220VAC 50HZ。
安装尺寸：
A：220、B：245、C：130、D：152、E：86、F：35、G：100
H1：270、H2：230、H3：125、H4：20、L：360、K：15
1Φ：Φ12、2Φ：Φ25、3Φ：Φ14、键：8×7、重量：31kg
（四会市 恒和环保通风设备厂）
6.三通道记录仪
重要技术指标
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：20MΩ@500V
输入某些
电流4～20mA
电压0～20mV、0～100mV、0～5V、1～5V
热电阻Pt100-99.9～850℃Cu50
电阻0～400Ω
频率0～30kHz，（高电平：8.5～30V，低电平：0～4.5V）0～30kHz，
热电偶B、E、J、K、S、T
输出规格：
电流：4～20mA
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3A@230VAC/1A@30VDC

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容量可选取）。数据转存和备份，256M～2G优盘可选。
供电：新型开关电源，85～265VAC，45～65HZ，功耗≤35W
尺寸:外型尺寸：144×144×220mm开孔尺寸：138×138mm±1mm
保存条件:温度：-20～60℃，避免日光直晒、湿度：<85%RH（无凝结）
工作条件：温度：0～45℃、湿度：10%～85%RH（无凝结）
（上海工宝电气有限公司）

五、参照文献
[1] 范玉久.化工测量及仪表[M].北京：化学工业出版社,.
[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.
[5] 张子慧.热工测量与自动控制[M].北京：建筑工业出版社,.
6）研究生论文《燃煤蒸汽锅炉控制系统研究与设计》（）
7）三冲量锅炉液位控制系统设计毕业设计（论文）
（）
六、道谢词
感谢江教师和田教师细心指引与协助，谢谢！