過程控制課程設計--鍋爐爐膛溫度控制設計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　1、溫度控制系統(tǒng)結構及鍋爐控制要求1</p><p>　　1.1溫度控制系統(tǒng)結構1</p><p>　　1.2鍋爐的控制要求1</p><p>　　2、鍋爐爐膛

2、溫度控制的理論數(shù)學模型2</p><p><b>　　3、方案設計3</b></p><p>　　3.1爐膛溫度控制方法的選擇3</p><p>　　3.2 系統(tǒng)單元元件的選擇4</p><p>　　3.2.1溫度檢測變送器的選擇4</p><p>　　3.2.2流量檢測變送器的選擇5

3、</p><p>　　3.2.3主、副控制器正反作用的選擇7</p><p>　　3.2.4主回路的PID調節(jié)器和副回路的PI調節(jié)器8</p><p>　　3.2.5控制器儀表的選擇8</p><p>　　3.2.6控制閥的選擇10</p><p>　　4、控制系統(tǒng)的工作原理13</p><

4、;p><b>　　5、設計心得15</b></p><p><b>　　6、參考文獻16</b></p><p><b>　　1、摘要</b></p><p>　　溫度控制是控制系統(tǒng)中最為常見的控制類型,主要由溫度傳感器、溫度調節(jié)儀、執(zhí)行裝置、被控對象四個部分組成。</p>&

5、lt;p>　　鍋爐是工業(yè)生產中不可缺少的動力設備，它多產生的蒸汽不僅能夠為蒸餾、化學反應、干燥、蒸發(fā)等過程提供熱源，而且，還可以作為風機，壓縮機、泵類驅動透平的動力源。隨著石油化學工業(yè)規(guī)模的不斷擴大，生產過程不斷強化，生產設備不斷革新，作為全廠動力和熱源的鍋爐，亦向著大容量、高參數(shù)、高效率的方向發(fā)展。為確保安全，穩(wěn)定生產，對過路設備的自動控制就顯得尤為重要。</p><p>　　2、溫度控制系統(tǒng)結構及控制要

6、求</p><p>　　2.1溫度控制系統(tǒng)結構</p><p>　　溫控系統(tǒng)主要由溫度傳感器、溫度調節(jié)儀、執(zhí)行裝置、被控對象四個部分組成，其系統(tǒng)結構圖如圖2.1所示。</p><p><b>　　圖2.1</b></p><p>　　2.2鍋爐的控制要求</p><p>　　根據(jù)生產負荷的不同需要

7、，鍋爐需要提供不同規(guī)格（壓力和溫度）的蒸汽，同時，根據(jù)安全性和經(jīng)濟性的要求，是鍋爐安全運行和完全燃燒，鍋爐設備的主要控制要求如下。</p><p>　　1、供給蒸汽量適應負荷變化需要或者保持給定負荷；</p><p>　　2、鍋爐供給用汽設備的蒸汽壓力應當保持在一定的范圍內；</p><p>　　3 、過熱蒸汽溫度保持在一定范圍；</p><p&

8、gt;　　4、汽包水位保持在一定范圍；</p><p>　　5、保持鍋爐燃燒的經(jīng)濟性和安全性；</p><p>　　6 、爐膛負壓保持在一定的范圍內。</p><p>　　3、鍋爐爐膛溫度控制的理論數(shù)學模型</p><p>　　由于鍋爐爐膛采用的燃料為煤粉，在燃燒過程中，爐膛和汽包之間的傳熱過程是一個相當復雜的過程，爐膛的溫度的動態(tài)特性具有一

9、般的大滯后、時變、非線性和不對稱性等特點。在過程控制中，為了方便設計，同時又在一定的要求范圍內，我們通常把鍋爐爐膛的溫度的動態(tài)特性看作是一個線性的系統(tǒng)?？梢杂靡韵聜鬟f函數(shù)描述。</p><p>　　具有時滯的一階環(huán)節(jié) (1.1)</p><p>　　具有時滯的二階環(huán)節(jié)

10、 (1.2)</p><p>　　可以認為鍋爐爐膛溫度是一種具有大容積滯后和大純滯后的對象。在整個爐膛的溫區(qū)內，其動態(tài)參數(shù)隨鍋爐的工作溫度變化，在工作點附近的小溫度范圍內，爐膛的動態(tài)特性近似線性的。</p><p>　　爐膛溫度問題是比較復雜的。對爐膛溫度動態(tài)特性進行分段線性化，則在每個較小的溫度區(qū)間，鍋爐爐膛的燃料流量—爐膛溫度系統(tǒng)的動態(tài)特性可近似地用一個慣性環(huán)節(jié)和一個純滯后環(huán)節(jié)串聯(lián)的簡

11、化模型來表征，即:</p><p>　　其中K。為過程的增益，為過程的純滯后時間，To為過程的等效容積滯后時間。在鍋爐爐膛的整個溫度范圍內，對象的增益、容積滯后時間和純滯后時間都是爐膛溫度和負載的非線性函數(shù)。K。隨鍋爐爐膛內溫度升高而減小，To隨鍋爐爐膛內的溫度升高而增大。機理建模和計算機仿真分析以及實驗辨識等也證明了這一模型的可行性。</p><p><b>　　4、方案設計&

12、lt;/b></p><p><b>　　4.1燃燒控制原理</b></p><p>　　使用雙交叉燃燒控制，使燃燒更加完善，燃燒質量大幅度提高，大大減低了生產成本，減少了廢氣污染，為生產高效奠定可靠的基礎。</p><p>　　在煤粉流量調節(jié)回路中，爐溫PID的輸出A1與根據(jù)實測空氣流量折算成需要的煤粉流量之后，分別乘以一個偏置系數(shù)K3

13、，得到信號A2，乘以一個偏置系數(shù)K4得到信號A3，A1、A2、A3三者經(jīng)過高低選擇器比較，選中者作為煤粉流量PID的設定值?？諝饬髁空{節(jié)回路中，爐溫PID的輸出B1，與根據(jù)實測煤粉流量折算成所須空氣流量之后，分別乘上一個偏置系數(shù)K1得到信號B2，乘上偏置系數(shù)K2得到信號B3，B1、B2、B3三者經(jīng)高低選擇器比較，選中者乘上流量補償系數(shù)，送到空氣PID作為設定值。</p><p>　　其系統(tǒng)組成原理圖如圖4.1所示

14、。</p><p>　　4.2 系統(tǒng)單元元件的選擇</p><p>　　4.2.1溫度檢測變送器的選擇</p><p>　　熱電偶溫度變送器與各種測溫熱電偶配合使用，可將溫度信號線性地轉換成為4～20mADC電流信號或1～5VDC電壓信號輸出，它是由量程單元和放大單元兩部分組成的。</p><p>　　熱電偶溫度變送器的主要特點是采用非線性負

15、反饋回路來實現(xiàn)線性變化。這個特殊的性質反饋回路能按照熱電偶溫度－毫伏信號間的非線性關系調整反饋電壓，以保證輸入溫度t與整機輸出或間的線性關系。</p><p>　　圖4.2熱電偶溫度變送器</p><p>　　零點調整、量程調整電路的工作原理與直流毫伏變送器大致相仿。所不同的是：在熱電偶溫度變送器的輸入回路中增加了由銅電阻等元件組成的熱電偶冷端溫度補償電路；同時把調零電位器移動到了反饋回路

16、的支路上；在反饋回路中增加了運算放大器等組成的線性化電路起線性化作用。</p><p>　　由于鍋爐爐膛內的溫度值較高，所以選用的熱電偶變送器的溫度測量值必須達到要求，這里，我選用的是DBW-1150型熱電偶溫度變送器。</p><p>　　DBW-1150型熱電偶溫度變送器是DDZ-III系列儀表的主要品種。本溫度變送器用熱電偶作為測溫元件，將被測溫度線性地轉換成標準信號1-5VDC或4

17、-20mADC輸出，供給指示、記錄、凋節(jié)器、計算機等自動化監(jiān)控系統(tǒng)。</p><p><b>　　技術參數(shù)：</b></p><p>　　●輸    入：  標準熱電偶 ●輸    出：  輸出電流：4～20mADC 

18、0;            輸出電壓：1～5VDC              輸出電阻：250Ω      

19、0;       允許負載變化范圍：100Ω●量 程：  0～1600℃●冷端補償誤差： ≤1℃●溫度漂移：  ≤0.1×基本誤差/1℃●絕緣電阻：  電源、輸入與輸出端子間≤100MΩ ●絕緣強度：  電源/輸入/輸山端子間1500VAC/分鐘&

20、#160;●工作條件：  環(huán)境溫度：0～50℃              相對濕度：≤90%（RH）●電源電壓：  24VDC±5%●功    耗：  ＜2W●防爆等級： 

21、; (ib)IICT6●重    量：  ＜2Kg</p><p>　　4.2.2流量檢測變送器的選擇</p><p>　　由于流量變送的對象是煤粉和熱空氣，所以在選擇流量變送裝置的時候，必須是能夠檢測氣體流量和和粉末混合氣體的流量的。另外，由于空氣是熱空氣，所以還要求變送裝置能夠在一定的高溫下工作，所以這里選用的流量

22、變送器為LUGB型渦街流量計。</p><p>　　LUGB型渦街流量計根據(jù)卡門（karman）渦街原理測量氣體、蒸汽或液體的體積流量、標況的體積流量或質量流量的體積流量計。廣泛用于各種行業(yè)氣體、液體、蒸汽流量的計量，也可測量含有微小顆料、雜質的混濁液體，并可作為流量變送器用于自動化控制系統(tǒng)中。</p><p>　　LUGB型渦街流量傳感器防爆型，符合GB3836-2000《爆炸性環(huán)境用防

23、爆電氣設備》有關規(guī)定，防爆標志為“ExiaIICT6”，該儀表適用于工廠C級T6組及其以下的爆炸場所。</p><p>　　在本次設計中，選用LUGB型渦街流量傳感器其精度等級完全可以滿足火電廠鍋爐溫度控制系統(tǒng)的精度要求。</p><p><b>　　技術參數(shù)：</b></p><p>　　●公稱口徑： DN10～DN500</p>

24、<p>　　●測量介質： 氣體、液體、蒸氣</p><p>　　●可測介質溫度： -40℃～150℃；-40℃～280℃；-40℃～350℃；-40℃～450℃</p><p>　　●公稱壓力： 2.5MPa（>2.5 MPa協(xié)商供貨）</p><p>　　●精度等級： 1級，0.5級（注：0.5級量程范圍≥1：7）</p><

25、;p>　　●輸出信號： ① 電壓脈沖：低電平≤1V，高電平≥6V，脈沖寬0.4ms，負載電阻>150Ω</p><p>　?、?4—20mA轉換精度±0.5%滿度值，負載電阻19V—350Ω，24V—500Ω，30V—750Ω</p><p>　　③ 現(xiàn)場液晶顯示：瞬時流量6位顯示，（m3/h或kg/h，t/h），轉換精度±0.1%；累計流量8位顯示，（m3

26、，kg，t），轉換精度±0.1%</p><p>　　●供電電源： ① 電壓脈沖輸出：+12VDC或+24VDC</p><p>　?、?4—20mA輸出：+19VDC—+30VDC</p><p>　　③ 現(xiàn)場液晶顯示：電池供電3.6V，1節(jié)1號鋰電池，使用壽命大于3年；外部供電+12VDC或+24VDC可實現(xiàn)帶背光的液晶顯示（訂貨注明）</p&g

27、t;<p>　　●環(huán)境溫度： ① 電壓脈沖輸出：-30℃—+65℃</p><p>　?、?4—20mA輸出：-10℃—+55℃</p><p>　?、?現(xiàn)場液晶顯示  -25℃—+55℃</p><p>　　●防爆標志： ExiaIIBT6</p><p>　　●表體材料： 1Cr18Ni9Ti(其它材料協(xié)議供貨)；

28、45號鋼（法蘭連接型）</p><p>　　●全智能型儀表：① 輸出信號：標態(tài)的體積流量或質量流量</p><p>　?、?現(xiàn)場液晶顯示：循環(huán)顯示6位瞬時流量、壓力、溫度；8位顯示累積量</p><p>　　4.2.3主、副控制器正反作用的選擇</p><p>　　副控制器的正、反作用要根據(jù)副回路的具體情況決定，而與主回路無關。副環(huán)可以按照單

29、回路控制系統(tǒng)確定正、反作用的方法來確定副控制器的正，反作用。</p><p>　　主控制器的正、反作用根據(jù)主回路所包括的各環(huán)節(jié)來確定。副回路的放大倍數(shù)可視為“正”，因變送器一般為“正”，這樣主控制器的正負特性與主對象的正負特性一致。</p><p>　　本設計中,主控制器和副控制器都要反作用。</p><p>　　4.2.4主回路的PID調節(jié)器和副回路的PI調節(jié)器&

30、lt;/p><p>　　因為主回路是一個定制系統(tǒng)，主控制器起著定制控制作用。保持主變量的穩(wěn)定是首要任務，主控制器必須有積分作用。在這里采用的是PID調節(jié)器，它綜合了比例控制、積分控制和微分控制三種規(guī)律的優(yōu)點，又克服了各自的缺點。比例部分能夠迅速響應控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差，微分部分可以穩(wěn)定調節(jié)精度。</p><p>　　因為副回路是一個隨動系統(tǒng)，其給定值隨主控制器輸出的變化而變化，

31、同時兩個并列的副環(huán)具有邏輯比值關系，其變化是雙交叉的，為了能快速跟蹤，同時比例調節(jié)，應該采用PI調節(jié)。</p><p>　　4.2.5控制器儀表的選擇</p><p>　　采用模擬控制器:DDZ－III型調節(jié)器，DDZ―Ⅲ基型控制器框圖如圖4.3 。</p><p>　　控制器的輸入信號為1～5V的測量信號。設定信號有內設定和外設定兩種。內設定信號為1～5V，外設定

32、信號為4～20mA。測量信號和設定信號通過輸入電路進行減法運算，輸出偏差到比例積分微分電路進行比例積分微分運算后，由輸出電路轉換為4～20mA信號輸出。手動電路和保持電路附于比例積分微分電路之中，手動電路可實現(xiàn)軟手動和硬手動兩種操作，當處于軟手動狀態(tài)時，用手指按下軟手動操作鍵，使控制器輸出積分式上升或下降，當手指離開操作鍵時，控制器的輸出值保持在手指離開前瞬間的數(shù)值上，當控制器處于硬手動狀態(tài)時，移動硬手動操作桿，能使控制器的輸出快速改變

33、到需要的數(shù)值，只要操作桿不動，就保持這一數(shù)值不變。由于有保持電路，使自動與軟手動相互切換，硬手動只能切換到軟手動，都是無平衡無擾動切換，只有軟手動和自動切換到硬手動需要事先平衡才能實現(xiàn)無擾動切換。</p><p>　　如果是全刻度指示控制器，測量信號的指示電路和設定信號的指示電路分別把1～5V電壓信號轉化為1～5mA電流信號用雙針指示器分別指示測量信號和設定信號。當控制器出現(xiàn)故障需要把控制器從殼體中取出檢查時，可

34、以把便攜式手動操作器插入手動操作插孔，以實現(xiàn)手動操作。</p><p>　　圖4.3中的4～20mA輸出信號通過精密電阻轉化為1～5V電壓反饋到控制器的輸入端，使控制器形成了自閉系統(tǒng)，提高了控制器的運算精度。</p><p>　　根據(jù)生產設計要求，采用WHSPL型調節(jié)器。</p><p>　　圖4.3 DDZ―Ⅲ基型控制器框圖</p><p>

35、;<b>　　技術參數(shù)：</b></p><p>　　●統(tǒng)一標準信號：1-5VDC或4-20mADC?！窨刂凭葹?lt;0.5%?！褙撦d電阻250～750Ω?！癖壤?％～500％?！穹e分時間0.01～2.5min與0.1～25min?！裎⒎謺r間0.04～10min?！耠娫矗?20±10%AC，0.2A?！馪ID參數(shù)范圍： （1）給定值-6.9%—106.9%

36、 （2）比例帶0.0—799.9% （3）積分時間0.0—99.9%分 （4）微分時間0.0—99.9%分 （5）采樣周期200毫秒</p><p>　　4.2.6控制閥的選擇</p><p>　　本設計采用氣動薄膜調節(jié)閥，其工作原理：當氣室輸入了0.02～0.10MPa信號壓力之后，薄膜產生推力，使推力盤向下移動，壓縮彈簧，帶動推桿、閥桿、閥芯向下移動，閥芯離開了閥座，從而使壓縮

37、空氣流通。當信號壓力維持一定時，閥門就維持在一定的開度上。</p><p>　　氣動薄膜調節(jié)閥的結構可以分為兩部分，上面是執(zhí)行機構，下面是調節(jié)機構。它主要由膜片、彈簧、推桿、閥芯、閥座等零部件組成。當來自控制器的信號壓力通入到薄膜氣室時，在膜片上產生一個推力，并推動推桿部件向下移動，使閥芯和閥座之間的空隙減小，流體受到的阻力增大，流量減小。推桿下移的同時，彈簧受壓產生反作用力，直到彈簧的反作用力與信號壓力在膜片上

38、產生的推力相平衡為止，此時，閥芯與閥座之間的流通面積不再改變，流體的流量穩(wěn)定。</p><p>　　出于安全的原因，在此次設計中使用VBD氣動端面密封蝶閥，VBD氣動端面密封蝶閥是一種重量輕，結構簡單的后座式端面密封蝶閥。閥體、閥板均用鋼板焊接或鑄造加工而成。適用于低壓狀態(tài)的空氣或其他氣體的流量、壓力控制。本產品符合GB/T4213-92標準。</p><p><b>　　技術參

39、數(shù)：</b></p><p>　　●型　　式：　 扁平式焊接或鑄造閥體●公稱通徑：　 125～2000mm（5″～80″）●公稱壓力： PN0.25、0.6、1.0、1.6MPa          JIS2K、 JIS5K、JIS10K   &#

40、160;      ANSI 150●連接型式： 法蘭式：125～2000mm（8″～80″）密封面型式：RF●材　　料： 25#、SUS304、SUS316、高溫耐熱鋼Ni25Mo等●標  準  型： 適用-5～200℃，公稱通徑DN550以下?！裢獠枯S承型： 公稱通徑DN600以上；公稱通徑DN550以下，溫度200～

41、600℃。●壓蓋形式：   螺栓壓緊式●填        料：    聚四氟乙烯、  聚四氟乙烯石棉（常溫用）、  柔性石墨（中溫、高溫用）閥內組件●額定行程：    全開60°或全開90°　●閥板材料：　 25#、SUS304、

42、SUS316等●旋轉軸材料：　SUS630、SUS304、SUS316●閥體、閥板密封形式    端面密封型執(zhí)行機構●型　　式　 氣</p><p>　　附　　件　●定位器、空氣過濾減壓器、保位閥、行程開關、閥位傳送器、手輪機構等</p><p>　　5、控制系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　鍋爐溫度的控制雖然已經(jīng)普遍采用了

43、計算機控制，但最常用的控制方法仍是普通PID控制，包括單回路、串級回路和分程控制等都是由PID作為基本的控制算法。</p><p>　　在此次設計中我們采用串級回路控制方法。串級調節(jié)系統(tǒng)多用于燃料源受頻繁擾動的鍋爐爐膛，該系統(tǒng)由主回路和副回路組成，主回路根據(jù)實際值與給定值的偏差由PID調節(jié)規(guī)律對燃料流量進行調節(jié)，副回路根據(jù)燃料流量實際值與主回路溫度調節(jié)器輸出的燃料流量的偏差對流量進行調節(jié)，以避免擾動對燃料流量的影

44、響。</p><p>　　在系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)時，溫度PID的輸出以A1送到煤粉流量調節(jié)回路PID作為設定值，以B1送到空氣流量調節(jié)回路PID作為設定值。</p><p>　　在負荷劇增(溫測<溫給)時,溫度PID的輸出劇增.對于空氣流量調節(jié)回路,隨著B1開始增加時,B1<B2,低選器選中B1,空氣流量增加,當B1正跳變到B1>B2時,低選器選中B2,B1被中斷,同時B3<

45、;B2,高選器選B2,B2作為該回路PID的設定值,使空氣流量隨著煤粉流量的增加而增加,交叉限制作用開始,當B2增加到B2>B1時,低選器又選中B1,B1又作為該回路PID設定值,交叉限制作用結束,系統(tǒng)穩(wěn)定。對于煤粉流量調節(jié)回路,隨著煤粉流量的增加,高選器選A1,而低選器中,開始時選A1作為該回路PID的設定值, 煤粉流量增加,A1>A2時,低選氣選A2,A1被中斷, 煤粉流量隨著空氣流量增加而增加,交叉限制作用開始,當A2

46、增加到A2>A1時,低選器又選A1,此時A1>A3,使交叉限制作用結束,系統(tǒng)恢復穩(wěn)定。負荷劇減時相反。</p><p>　　可見負荷增加過程中，先開空氣后開煤粉，煤粉和空氣交替逐漸增加，從而保證充分燃燒，不產生黑煙。負荷減少時，先關煤粉后關空氣，空氣和煤粉交替逐漸減少，保證合理燃燒，不會空氣過剩，帶走熱量。</p><p><b>　　6、設計心得</b>

47、</p><p>　　課程設計這幾天學到的東西還真不少，在一個多星期的日子里，不僅鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力，這一點對于我們走上工作崗位很重要。</p><p

48、>　　在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，但有以前一些相關課程的課程設計經(jīng)驗，面對各種問題，最終還是成功解決了。在設計方案的過程中，發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，最后不得不重新拿起課本自習閱讀相關的知識點。總而言之，在這次課程設計中，是自己的能力又有了進一步的提高。</p><p>　　同時，在課程設計的過程中也遇到了一些問題，在此，感謝所有給予我?guī)椭娜恕?/p>

49、</p><p><b>　　7、參考文獻</b></p><p>　　[1]方康玲.過程控制系統(tǒng).武漢：武漢理工大學出版社，2002.6 </p><p>　　[2]蔣慰孫，俞金壽.過程控制工程.上海：中國石化出版社，1999.9 </p><p>　　[3]何衍慶，蔣慰孫，俞金壽.工業(yè)生產過程控制.北京：化學工業(yè)出版