1、XX理工大學專業設計說明書10t燃煤蒸汽鍋爐給水燃燒系統自動控制系統設計院系：自動化學院專業:能源動力系統及自動化XX:柴晉芳學號：20090905指導教師:江菊元，田禾總結資料目錄第一局部設計任務書一.設計題目3根底參數3設計任務3設計內容3參考資料3第二部設計說明書摘要一.系統論述1、燃煤蒸汽鍋爐自動控制系統的現狀42、燃煤蒸汽鍋爐自動控制系統的開展43、燃煤蒸汽鍋爐自動控制系統對象的特性4一.方案論證1、單沖量控制系統62、雙沖量控制系統7三. 3、三沖量控制系統7主要儀表選擇及計算a、條件8b、輔助計算8c、計算9設備選型12參考文獻16致謝詞16專業設計任務書一、設計題目：燃煤蒸汽鍋

2、爐自動控制系統設計二、根底參數：設計額定壓力：0.4Mpa設計額定負荷：7Mw進水管DN:80mm蒸汽管DN150mm進水流量:2-10T/h工作溫度:60C壓力損失盡量小蒸汽性質:飽和蒸汽340C允許壓力損失：小于0.1MPa三、設計任務：1）設計鍋爐燃燒系統的自動控制系統。2熟悉課題內容，查閱相關資料。3論證、設計自控系統的方案。4系統的硬件設計。5撰寫設計說明書、繪制圖紙完成設計系統自控流程圖一X、儀表接線圖或傳感器安裝圖兩X。四、設計內容：1）燃煤蒸汽鍋爐自動控制系統的現狀及開展趨勢2了解燃煤蒸汽鍋爐自動控制系統對象的特性，對特性進展分析3針對燃煤蒸汽鍋爐自動控制系統的對象特性及工藝要

3、求設計燃煤蒸汽鍋爐自動控制系統4進展燃煤蒸汽鍋爐自動控制系統的硬件配置，合理選擇傳感器、變送器、控制器、執行器、顯示儀表等，進展相關的輔助計算孔板開孔直徑計算5進展燃煤蒸汽鍋爐自動控制系統的經濟分析五、參考資料：1)X玉久，化工測量及儀表，化學工業,2002年2X子玉,熱工測量與自動控制，建筑工業，,1996年3) X亮明，工業鍋爐自動控制，建筑工業，,1986年安大偉，暖通空調系統自動化，建筑工業,2009年摘要對于燃煤蒸汽鍋爐自動控制系統，在系統組成與構造一定時，機組運行的平安性和經濟性主要取決于鍋爐的平安經濟運行，而鍋爐運行的平安性和經濟性主要取決于給水調節系統和鍋爐燃燒系統統的運行性能

4、,此設計主要是對鍋爐給水調節系統的運行進展深入研究，描述了鍋爐燃燒、水位控制系統的工作原理及運行特性，分析了鍋爐水位控制系統的動態特性并給出了系統的數學模型，設計了一套完善、實用的鍋爐給水控制系統：鍋爐給水控制，采用了附加蒸汽流量負向微分信號、給水流量慣性環節的申級三沖量控制系統。介紹了鍋爐控制中變頻技術的應用和具體實現方法，指出了其先進性、可行性及實用性：進展計算機監控系統進展設計，在系統上結合先進的計算機和可編程控制器軟、硬件技術，具有面向所有過程控制應用場合的先進控制系統；綜合鍋爐自動化現狀及控制難題，展望智能控制技術在鍋爐自動控制中的應用。一、系統論述1、燃煤蒸汽鍋爐自動控制系統的現狀

5、目前我國存在很多工業和民用小型鍋爐，其中大局部自動控制水平很低，存在燃燒不徹底、排煙氧含量偏高排煙、熱損失大、提供的蒸汽水平低等問題，直接造成鍋爐熱效率低下、能量的浪費經濟性低的同時也帶來了很大的環境負擔。2、燃煤蒸汽鍋爐自動控制系統的開展2.1、鍋爐自動控制裝置的開展鍋爐是一種將一次能源煤炭、石油、天然氣等轉換為二次能源的重要設備。由于多數單位的鍋爐生產實行人工操作，不僅工作人員勞動條件差、勞動強度大，而且鍋爐的熱效率低。為了提高效率，改善工作人員的勞動強度，使儀表控制逐漸取代人工操作，鍋爐生產過程自動化就相應出現了。在生產過程中，對爐膛負壓，煙氣成分，給水管道的壓力、流量、汽包水位、蒸汽溫

6、度等熱工參數進展自動監測和顯示；同時，對給水系統、燃燒系統進展調節，取得了很好的效果。隨著工業檢測技術的開展，DDZ型系列儀表參與鍋爐控制，目前已經由第一代DDZ-I型電子管式，到第二代DDZ-II型晶體管式，到目前最大量使用的DDZ-III型集成電路式，都在鍋爐控制中起主要作用。2.2、鍋爐自動控制規律的開展自從儀表取代人工成為工業鍋爐的控制核心以來，PID控制一直是儀表過程控制系統中應用最為廣泛的一種控制規律。由于PID技術開展的比擬成熟，在計算機鍋爐控制系統中就成為了首選，是最為可靠、效果很好的控制規律。隨著鍋爐控制的開展，出現了許多改良的PID控制算法，如帶死區的、積分別離的，參數自整

7、定的等一系列PID控制規律。隨著控制理論的開展，自適應控制、預測控制也被應用到鍋爐的控制中，近年來，以專家系統、模糊控制、神經網絡控制為代表的智能控制也開場應用到工業鍋爐的控制系統中。國內、外許多學者的許多理論和實踐也都說明，智能控制，尤其是模糊控制將成為現階段實際控制系統中應用較為廣泛的一種控制方法。3、燃煤蒸汽鍋爐自動控制系統對象的特性注釋：本次燃煤鍋爐控制系統設計中本設計主要負責給水系統設計，以下均只與給水系統有關3.1給水量階躍擾動下汽包水位響應曲線內擾特性當蒸發量不變，而給水量階躍擾動W作用下，汽包給水位響應的曲線如圖4-1所示。圖中H為汽包水位的響應曲線，它在起始段水位變化的速度很

8、慢而在后階段近丁等速變化積分環節特性，故汽包水位是一個無自平衡能力的調節對象。如果作H的漸進線先延長使之交丁汽包在擾動作用前的水位線H。，所截得時間，稱為滯后時間階躍響應曲線H可以認為由曲線Hi和H2相加而成Hi僅反映汽包貯水量的變化所引起的水平變化，當給水量W作階躍變化時，Hi的變化反映了汽包水位對象的積分特性。H2是反映水面下汽包容量變化時水位的變化，因為當給水量增加的初始階段、溫度較低的給水進入水循環系統，使其中原來的水溫降低，從而汽水混合物中的汽包容量減少，由丁這個因素，促使汽包水位下降，當給水量變化時，H2的變化反映了汽包水位對象的慣性特性。這樣Hi和H2曲線相加得到總的階躍響應曲線

9、H，它在開場時有一段滯后時同。當鍋爐采用非沸騰式省煤器時，大約為3卜100§如果采用沸騰式省煤器時，為10卜200&3.2蒸發量階躍擾動下汽包水位變化的響應曲線（外擾特性）給水量不變，而蒸發量D在時間t0處從Di突然增加到D2時，汽包水位變化的響應曲線如圖4-2所示。圖中Hi為僅考慮由蒸發量D和給水量W不平衡引起的水位變化，可見，在蒸發量大丁給水量的為產生不平衡的初始階段，水位下降存在著滯后。H2是由丁蒸發量變化增加，改變汽包的汽壓降低而引起的"虛假水位”的變化。實際水位變化的曲線H應為兩者之代數和，H=Hi+H20顯見，當蒸汽量做階躍增加時，雖然鍋爐的給水量小丁蒸

10、發量，但在響應初期水位不但不下降，反而迅速上升，這種現象稱為“虛假水位”現象。虛假水位產生的原因主要是蒸發氣流量突然增加，包汽壓下降，鍋水的沸點降低，使爐管和汽包內的汽水混合物中的汽容量增加，體積膨大，引起汽包水位上升。由丁虛假水位現象，使汽包水位的響應特性初期上升。當汽水混合物中汽的容量與附和相適應而到達平衡時，水位才反映出物料的不平衡，使汽包水位開場下降。當鍋爐蒸汽負荷減少時，其水位的響應曲線與上述相反，即氣包水位先下降后上升。鍋爐汽包水位的自動控制是根據汽包水位的動態特性來設計的。引起水位變化的因素固然較多，但主要是給水量和蒸汽量的干擾因素。為了獲得更好的控制品質，汽包水位控制系統，根據

11、鍋爐的容量、負荷變化和調節品質要求，可根據汽包水位信號、蒸汽流量信號和給水流量信號，組成不同類型的系統。應說明，在鍋爐自動控制系統中，對所使用的控制信號，習慣稱為“沖量”，故汽包水位控制系統分為：單沖量控制系統、雙沖量控制系統和二沖量控制系統。卜、人、-V一、方案論證目前被控變量是汽包液位，操縱變量是給水流量。它主要是保持汽包內部的物料平衡，使給水流量適應鍋爐的蒸汽量，維持汽包中液位在工藝允許的X圍內。這是保證鍋爐及用氣設備平安運行的必要條件,是鍋爐正常運行的重要指標。如果水位很低，那么由于汽包內水量較少，而負荷卻很大，水的氣化乂快，因而汽包內水量變化速度很快，如不及時控制，就會使汽包內的水全

12、部氣化，會使過熱器管壁結垢導致破壞。鍋爐汽包給水控制的任務是維持汽包水位在一定X圍內變化。汽包水位間接地表示了鍋爐負荷和給水平衡的關系，隨著鍋爐參數的提高容量的擴大，主要原因有：汽包個數和體積的減小，使汽包的蓄水量和蒸發面積減少，從而加快了汽包水位的變化速度；鍋爐容量的增大，顯著地提高了鍋爐蒸發受熱面積的負荷，使鍋爐負荷變化時水位的影響加劇了；提高鍋爐的工作壓力，給水管道系統響應復雜，流量特性更不易滿足控制系統的要求。由此鍋爐給水控制系統必不可少。現有的燃燒鍋爐給水控制方法有單沖量，雙沖量和三沖量水位控制方式。1、單沖量控制系統14*45單凈H水位桂制系垃¥fc«a以汽包水

13、位為唯一的控制信號，組成單回路的反應控制系統稱為單沖量水位控制系統。圖14-45所示是利用壓差變送器組成的單回路控制系統，通過雙室平衡器將鍋爐內實際水位信號取出，通過壓差變送器LB將其水位信號轉換為標準電流信號，并送入控制器LC-1。控制器對其水位偏差信號進展P或PI運算，然后輸出標準電流控制信號控制伺服放大器SF,進而控制電動調節閥V改變調節閥的開度，控制給水量，以維持汽包水位在規定的X圍內。這是P或PI控制系統當水位測量采用電極式水位傳感器時，可組成位式控制即起、停水泵的控制方法。圖中LK-2為手動操作器可提高系統可靠性和便丁維修。這種系統構造簡單，對丁小容量、負荷變化不大的鍋爐，尤其是小

14、型鍋爐很適用，例如。4t/h以下鍋爐，利用這種系統控制水位能夠取得滿意的效果。這是因為小型鍋爐相對來說汽包容積大，水位分升時間長，虛假水位現象不嚴重，汽包蒸發強度小，水位波動不會給蒸汽品質帶來明顯的影響。單沖量控制系統也存在著一些缺點，因為只有水位控制信號，所以在鍋爐負荷發生較大變化時，不能克制虛假水位現象而得到一個正確的控制；當給水量變動時從其水位響應特性看，存在著滯后，也就是說，控制器動作要經過一段時間才能對汽包水位發生影響。2、雙沖量控制系統雙沖量鍋爐給水控制系統，是以鍋爐汽包水位為測量信號，以蒸汽流量信號作為前饋信號構成的鍋爐汽包水位自動控制系統。該系統對內擾抑制作用與單沖量一樣，但是

15、過程時間較長。對丁外擾，比方說蒸汽擾動，假設設蒸發量下降d,那么從物質平衡來看，水位h應上升，給水閥門開度u應減小，但是由丁“虛假水位”現象的影響，h暫時下降而反應的調節使u增大，此時前饋信號那么使前饋調節器Wg輸出一個使u減小的信號，u,Wg兩者結合起來，可是u不動作直至水位真實反映物質平衡關系,調節器Wr開場實現真正的調節作用圖3設沖吊命水葉削系撫£"可H這種前饋-反應復合控制補償了由丁外擾引起的水位變化，克制了“虛假水位”的影響，改善控制品質，比單沖量反應控制優越。同時，由丁流量對水位的影響，其延遲要比蒸發量對水位影響大,用水位作為反應信號控制不夠及時,使得其動態偏差

16、增大。3、三沖量控制系統11-47三沖水侵揮物系統為了克制單，雙沖量控制系統的缺乏，本設計引入另外一個反應信號即給水流量信號，構成一個新型復合控制系統，稱為前饋-反應三沖量給水控制系統。以汽包水位為主控制信號，蒸汽流量和給水流量為輔助控制信號組成的系統稱三沖量水位控制系統。圖14-47是其原理示意圖，圖中開方器FKS-5,壓差變送器PAB-2為給水流量信號。由丁引入給水流量信號，便能有效地消除水壓變化而引起水位變化的影響。三沖量給水控制系統適用丁大容量的工業鍋爐或給水干管為一條多臺鍋爐并列的供水系統的場合。它可迅速克制給水流量引起的干擾。三、主要儀表選擇及計算a、條件被測介質：水2流量：qmm

17、ax=104kg/hqmmin=2X10*16.60X10-6/Ckg/hqm=8X103kg/h工作壓力：P1=0.4X106Pa表壓4工作溫度：t1=60C允許壓力損失：壓力損失不限管道內徑DN:80mm進水DN:150mm蒸汽管道材質為：12CrMoV鋼新的軋制無縫鋼管節流件材質為不銹鋼：1Cr18Ni9Ti管道和局部阻力件的敷設如下圖P1=P1表+Pa=0.4MPa+0.1MPa=0.5MPa工作狀態下水的密度q=983.4kg/m3工作狀態下水的動力粘度A=463XI。6Pas求R%min和險5R0)min=i鰥z殳®片yKhT91*10R%=354艾x皿二4丁10-337

18、87WTc*-7.6410管內壁粗糙度K=0.05mm0.050.10均可0.。習K/D=j=6.25X10-4v10X10-4符合管內壁粗糙度要求確定差壓上限令務0.5,C=0.6那么：P化003。劌儼1wood申Ji-甬-一口2-用如。EMoUx回.。4板*2XM=2324Pa由丁壓損不限，圓整到最接近差壓值，*=10KPq并選用115DP4差壓變送器準確等級為0.2,即£=0.2%10求八P*=0.64aP=0.64X10KPa=6.4KPac、計算1求A2根據Pm、AP所、D計算A20XIO3A2=Doo3邛況尸JApp=0,。3內x刖一0皓x*4。*勺畝=0,12447Re

19、D>2X1050.6至'+(V12447.-0.25=0.45073. 進展迭代計算求印1博0.75因為液體E=1,由D-D/2取壓標準孔板的流出系數公式2Sf106C=0.5959+0.3121-0.184噌+0.0029vRelJX偵+0.0390B"(I84)-1將9=0.4507,Re)=7.64X105帶入上式得：C0=0.60215r?!-0.25n/n.jir&=1+(茅=1+=0.449922求62由牌、歸代入C求法公式求得1C1=0.60206將6代入公式計算62得：班=0.44995阮=0.44995-0.44992=0.0000E=0.00

20、01迭代計算完畢D=fexD=0.60206X80.04=36.01998mm5.驗算流量q'm=0.003999d2jpxpl=0.003999X36019982.64。x983.4=8002.41Kg/h8U02.41-HUGOX100%=囪ooX100%=0.03%K±0.2%6. 上述計算合格求d20和加工公差問2。d36.019987. d20=1+X«t-20)=1+1網服M=(60-2(17=35."6mmd20=土0.05%d20虹0.018mm求壓損aP-(044995)*-0.60206x(0.44995)4-(fl,44995)4+0

21、,60206x""【(L44995)&*10=9.51KPa確定最小直管段長度根據件0.4499/0.45查表得L1=18DL2=5DL0=17D流量測量確實定度qm=±式中當6=±(6%)"=±0.36(%f邛七,、？Q(044995"刁(頃)*(G=5%)J'042=0.0012(%)22ntnr'-|2(頑)(a)頊44麗尸JX0.072=0.0213(%y1nptn4()=j2x0.032=0.0009(%)21op刀114(-；)=?1.56l2=耳1.56x0.2%2=0.0243(%)2

22、那么流量測量的不確定度為算±0.36+0.0012+0.0213+0.0009+0243%=±0.6385%圖2.孔板和節流板10、孔板和節流孔的厚度及斜角:因為00005D<e<0.02Dfe<E<0.05D當50mm<D<64mm時，E<3.2mm所以取re=0.0151E=0.03D;即：e=0.015x80.04=1.2mmE=0.03x80.04=2.4mm有e=1.5mm,E=3mm而質45°。四、設備選型名稱型號價格差壓發送命SH-1151DP3658元熱電偶WRCK321G20-35元二沖量調節器LS-6T

23、11700-900元電動伺服操作器LS-501111600-2000元電動調為閥DKJ21002300-3200元三通道記錄儀CJ41001360-1680元1.差壓變送器2"始M9型號1151DP類型遠傳差壓變送器測量介質液體測量X圍0-10kPa!精度等級0.20%輸出信號4-20mA防爆等級I防護等級IP65（XX寶侯實業XX）2熱電偶材質：單支銅-康銅，外套1Cr18Ni9Ti不銹鋼保護管管套外徑：M16X1.5mm管套直徑：22mm長期使用溫度：350C測溫X圍：-40350C允許誤差：土1C或土0.75%t興化市儀華測控儀表XX3. 三沖量調節器主要技術指標測量輸入信號：

24、三沖量:汽包水位、給水量、蒸汽量輸入信號電流：010mADC、020mADC、420mADC或其它等電壓：05VDC、15VDC、010VDC或其它等熱電偶:K、E、B、SB、J、T、R、N、F1、F2、等熱電阻：CU50、CU100,Pt100等線性電阻：0400Q脈沖信號：波形-距形、正弦波、三角波、頻率X圍：0-10KHZ。幅度-大于4V或根據用戶需要任定。平安性：輸入輸出電源全隔離電源輸入：寬電壓AC85265V（50Hz土2Hz）DC24V土2V儀表尺寸：堅狀：80x160x100寬X高X深開孔尺寸：76+1X152+1（寬X高輸出信號：直流電壓：05VDC、15VDC、010VDC

25、（負載RL>250KQ）直流電流：010mADC（負載RL<750Q）420mADC（負載RL<500Q測量精度：土0.2%FS,土0.5%FS測量X圍：-19999999字/-199.9999.9保護方式：輸入斷阻、斷偶、斷線、欠/超量程斷電器狀態保持，顯示閃爍示警XX韓深自動化XX4. 電動伺服操作器主要技術指標工作環境：溫度050C,相對濕度085%,無腐蝕性氣體測量精度：土0.5%A/D分辨率：4位半采樣周期：<1秒顯示方式：雙101段LED光柱和雙4位0.36”紅色LED顯示第1路101段LED光柱和4位數碼通過組態由用戶在測量信號、閥位反應信號、串級信號中任

26、選其一，第2路光柱顯示調節控制信號。第2路4位數碼顯示其余的參量。輸入阻抗：a.電壓信號：>1MQb.電流信號：420mA、010mA為100Q串級輸入信號：010mA、420mA、15V閥位反應輸入信號：010mA、420mA、15Va. 模擬調節輸出兩路：兩路輸出且相互隔離010mA，負載電阻v1500Q、420mA,負載電阻v750Q輸出電流精度土0.5%輸出與輸入完全隔離，并且具有限幅作用用于調節回路的跟蹤伺服輸出信號：固態開關信號，觸點容量為AC220V、10A儀表從為“自動手動"無擾動切換，儀表從“手動r自動"為斜波光滑過渡切換。儀表有“手動/自動&quo

27、t;狀態開關量輸出和由外來的開關量的故障信號把儀表從“自動狀態"切換到“手動狀態"。供電電源：AC220V土10%、50Hz整機功耗：15VA整機重量：1Kg外形尺寸：80mmx160mmX160mm豎式開孔尺寸：76+1mmX152+1mm豎式XX市吉創自動化設備XX5. 電動調節閥主要技術指標控制輸入：DC:4-20mA給定反應輸入：DC:4-20mA;DC:0-5V;電位器：信號0-5V閥開度。輸入電阻：DC:4-20mA時，V250Q;DC:0-5V電壓信號時250KQ。輸出負載：560Q控制靈敏度：020%可設，出廠：1.0-2%。正反轉開、關時間：010秒可設。

28、閥位偏差允許值：0-25%可設。上排數顯控制輸入值百分比，下排數顯閥位反應值百分比。自動/手動；控制電機正、反轉。可現場即時按鍵標定；控制輸入：-10%99%可標定零點；1%110%可標定滿度。反應輸入：0%49%可標定零點；51%110%可標定滿度。控制輸入、反應輸出完全隔離。工作環境、溫度：10C60C,濕度85%RH。保護等級：IP55電源：AC:220VAC50HZ。安裝尺寸：A:220B:245、C:130、D:152、E:86、F:35、G:100H1:270、H2:230H3:125、H4:20、L:360、K:151：12、2：25、3：14、鍵：8X7、重量：31kg四會市恒和環保通風設備廠6. 三通道記錄儀主要技術指標根本誤差：土0.2%F.S,全隔離單模抉16路萬能輸入，隔離阻抗：20MQ500V輸入