锅炉出口蒸汽压力串级控制方案设计.doc

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1、过程控制与自动化仪表 课程设计题目 锅炉出口蒸汽压力串级控制方案设计摘要本设计以锅炉蒸汽压力控制部分为研究对象，应用所学串级控制知识设计系统。锅炉主要任务是加热蒸汽，蒸汽可直接进入生产系统或者进入汽轮机发电。蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要工艺参数。蒸汽压力过低或过高，对于金属导管和负荷设备都是不利的。压力过高，会导致锅炉受损；压力过低，就不可能提供给负荷设备负荷质量的蒸汽；因此，控制蒸汽压力是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。关键词：锅炉；蒸汽压力；串级控制；PID目录1 绪论12 控制方案设计22.1 设计任务要求22.2 串级控

2、制系统结构22.3 串级控制系统控制方案22.4 控制系统工艺流程图33 系统仪表的选型43.1 蒸汽压力变送器选择43.2 燃料流量变送器的选择43.3 控制器的选择53.4 控制阀的选择64 系统建模74.1 蒸汽压力调节对象的特性74.2 燃料流量的传递函数84.3 调节阀与变送器传递函数85 系统仿真95.1 simulink仿真程序图95.1 副回路参数整定95.2 主回路参数整定105.3 加入扰动126 结论13参考文献141 绪论近年来，我国经济的发展对电力需求快速增加，尽管以风电为代表的可再生能源发电方式迅猛发展，但是可再生能源和其它新能源尚无法替代煤电，未来相当长一段时间内

3、燃煤发电仍将是我国的主要发电方式，由于受资源、环境以及气候变化影响的制约，发电效率高、经济性和可靠性高、更具环保性的大型高参数机组是未来一段时间煤电技术发展的主流方向。燃烧系统的主要任务就是维持主蒸汽压力的稳定，主蒸汽压力是表征生产过程中的一个极为重要的参数，同时也是保证锅炉安全运行的必要条件之一。蒸汽压力过高，会导致锅炉受损；压力过低，就不可能提供给负荷设备负荷质量的蒸汽；所以，控制蒸汽压力是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。在正常运行工况下，影响主汽压波动的主要因素就是燃料量的变化，这个扰动对主汽压的影响最大; 蒸汽侧的波动也会对主汽压也有一定的影响，这个可以看做外扰。为了维持机组

4、适当的主蒸汽压力，就必须保证锅炉煤粉燃烧产生的热量能够跟随蒸汽侧波动热量的变化，以尽量保证机组热量变化平衡。火电机组通常采用调节燃料量和送风量的方式来完成对机组锅炉主蒸汽压力的调节，但是从燃料量到主蒸汽压力的传递通道是一个大滞后、大惯性时间常数的对象。针对电厂主蒸汽压力这样一个大迟延、大惯性时间常数的调节对象，通常采用串级系统对生产流程加以控制。2 控制方案设计2.1 设计任务要求本次任务的要求是设计锅炉出口蒸汽压力串级控制系统。本次设计所用锅炉为中压锅炉，要求使用串级控制对燃料流量进行控制，最终达到使锅炉出口蒸汽压力控制在3.9Mpa左右。2.2 串级控制系统结构串级控制系统是纵向分层、横向

5、串级的大型综合控制系统。它以多层计算机网络为依托，将串级在全厂范围内的各种控制、管理及决策功能。一个串级控制系统中所有设备按功能可划分为网络通信子系统、过程控制子系统和人机接口子系统。2.3 串级控制系统控制方案由如下串级控制系统方框图可知，主控制器的输出即副控制器的给定，而副控制器的输出直送往控制阀。主控制器的给定值是由工艺规定的，是一个定制，因此，主环是一个定值控制系统；而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副环是一个随动控制系统。串级控制系统中，两个控制器串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳定为目的，两个控制器协调一致，互相配合。若干扰来自副环

6、，副控制器首先进行“粗调”，主控制器再进一步进行“细调”。因此控制质量优于简单控制系统。图21 串级控制系统方案图Fig. 2-1 Cascade control system scheme diagram2.4 控制系统工艺流程图图22 控制系统工艺流程图Fig. 2-1 Process flow chart of control system3 系统仪表的选型3.1 蒸汽压力变送器选择蒸汽从锅炉经过管道到达蒸汽汽轮，其压力和温度会有所降低，但降低幅度不大，一般温度会下降24，压力会下降24%，可以近似的认为，锅炉提供的蒸汽温度和压力，与蒸汽汽轮机机组初参数相同。但我国目前尚有一些参数较低的

7、火力发电机组仍在使用，包括高压参数、超高压参数机组。高压参数一般为：主蒸汽压力8-10MPa，温度500-540。超高压参数一般为：主蒸汽压力12-14MPa，温度500-540。3.2 燃料流量变送器的选择LUGB-06型涡街流量计根据卡门涡街原理测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计。广泛用于各种行业气体、液体、蒸汽流量的计量，也可测量含有微小颗料、杂质的混浊液体，并可作为流量变送器用于自动化控制系统中。LUGB-06型涡街流量传感器防爆型，符合GB3836-2000爆炸性环境用防爆电气设备规定，防爆标志为“ExiaIICT6”，在本次设计中，选用LUGB型涡

8、街流量传感器其精度等级完全可以满足火电厂锅炉温度控制系统的精度要求。技术参数：仪表材质：1Cr18Ni 9Ti 最高流速：25m/s被测介质温度（）：40250；40350 环境条件：温度1055，相对湿度590，大气压力86106Kpa 精度等级：测量液体：示值的0.5 测量气体或蒸汽：示值的1.0、1.5 量程比：1：10；1：15 输出信号：传感器：脉冲频率信号0.13000Hz 低电平1V 高电平6V 变送器：两线制420mADC电流信号 供电电源：传感器：12VDC、24VDC（可选） 变送器：24VDC 现场显示型：仪表自带3.2V锂电池 信号传输线：STVPV30.3（三线制），

9、20.3（二线制） 传输距离：500m 信号线接口：内螺纹M201.5 防爆等级：ExdIIBT6 3.3 控制器的选择控制器（或称调节器）将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分（PID）运算，并输出统一标准信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺变量的自动控制。要使调节过程平稳准确，必须使用输出值能连续变化的调节器。本设计采用模拟控制器：电动单元组合仪表DDZ-型调节器，该调节器采用了安全防爆措施，该调节器有两种：全刻度指示调节器和偏差指示调节器，它们的结构和线路相同，仅指示电路有差异。这两种调节器均具有一般调节器所具有的对偏差进行PI

10、D运算、偏差指示、正反作用切换、内外给定切换、产生内给定信号、手动自动双向切换和阀位显示等功能 。控制器的工作状态有“自动”、“软手操”、“硬手操”和“保持”四种，由开关进行切换。本次设计选用DP-DTZ-2100型全刻度指示调节器。DP-DTZ-2100型全刻度指示调节器是调节单元的一个基型品种对被控值与定值之差进行比例、积分、微分运算输出，4-20mA直流信号送至执行机构，实现对温度、压力、液面、流量等到工艺参数的自动调节。主要性能指标：输入测量信号：15VDC;内给定信号：15VDC;外给定信号：420MADC;现场传输信号：420MADC;输入阻抗影响：满刻度的0.1%输出信号：420

11、MADC;负载电阻：250750欧姆；比例度：P=2%500%；积分时间：0.0125min(分两档);微分时间：0.0410min；调节精度:0.5级；3.4 控制阀的选择执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构是指产生推力或位移的装置，调节机构指直接改变能量或物料输送量的装置，通常称控制阀。按所用能源形式的不同，执行器可分为气动、电动、液动三大类。本设计主要采用气动执行器，为了安全考虑，采用气开式。气动执行机构又分为薄膜式和活塞式，它们都是以压缩空气为能源，具有控制性好、结构简单、动作可靠、维修方便、防火防爆和价廉等优点，并可以方便地与气动仪表配套使用。气动薄膜调节阀的结构可以分为两部分，

12、上面是执行机构，下面是调节机构。它主要由膜片、弹簧、推杆、阀芯、阀座等零部件组成。当来自控制器的信号压力通入到薄膜气室时，在膜片上产生一个推力，并推动推杆部件向下移动，使阀芯和阀座之间的空隙减小，流体受到的阻力增大，流量减小。推杆下移的同时，弹簧受压产生反作用力，直到弹簧的反作用力与信号压力在膜片上产生的推力相平衡为止，此时，阀芯与阀座之间的流通面积不在改变，流体的流量稳定，可见，调节阀是根据信号压力的大小，通过改变阀芯的行程来改变阀的阻力大小，达到控制流量的目的。本次设计选用ZJHP型气动调节阀。ZJHP气动调节阀采用顶部导向结构，配用多弹簧执行机构。具有结构紧凑、重量轻、动作灵敏、流体通道

13、呈S流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性精确、拆装方便等优点。广泛应用于精确控制气体、液体等介质的工艺参数对压力、流量、温度、液位保持在给定值。4 系统建模4.1 蒸汽压力调节对象的特性在主蒸汽负荷变化时，在锅炉燃料量(B)发生B的阶跃扰动下，此时气压的过渡过程曲线如图4-1所示。图4-1 燃料量扰动下的气压曲线图Fig. 4-1 Vapor pressure curve under disturbance of fuel quantity可见，在燃料量扰动下，气压被控对象有一定延迟时间，随着锅炉蒸发量增加，主蒸汽压力逐渐增加，由于汽轮机调节阀开度不变，而使汽轮机进汽量逐渐增加，于是自发地限

14、制了汽压的进一步升高。最后当汽轮机进汽量与锅炉蒸发量相平衡时，汽压维持在一个新的平衡值。故汽压被控对象是一个有自平衡能力的对象。锅炉燃料量(B)发生B的阶跃扰动时，输出主蒸汽压力是带滞后的一阶惯性环节如下式所示，为： （4-1）式中：延迟时间； 惯性环节的时间常数。通过引用BP_PID在锅炉蒸汽压力控制中的应用中具体参数，可得到近似数学模型为： （4-2）4.2 燃料流量的传递函数燃料流量被控对象的微分方程为： （4-3）由此可得燃料流量被控对象的传递函数为： （4-4）4.3 调节阀与变送器传递函数调节阀与变送器的传递函数均为： （4-5）5 系统仿真5.1 simulink仿真程序图图5-

15、1 simulink仿真程序图Fig 5-1 Simulink simulation program diagram5.1 副回路参数整定副回路使用比例调节，使用临界比例度法先调节Kc2m，再根据查表得到Kc2=0.5kc2m，带入回路。图5-2 副回路等幅震荡Fig 5-2 the oscillations such as the vice loop当出现等幅震荡时，测得Kc2m=3.5，则Kc2=1.75，输出如图5-3。图5-3 副回路Kc=1.75输出图像Fig. 5-3 output image of secondary loop Kcf1.755.2 主回路参数整定在副回路整定好的

16、基础上，再对主回路进行整定，同样使用临界比例度法进行参数整定，先将Ti=，Td=0，再调节比例系数Kc，使图像出现等幅振荡，记录Kc1m、Tm，其中主回路输入值为3.9。图5-4 主回路等幅振荡Fig. 5-4 Equal amplitude oscillation of main loop通过图5-4可得到Tm=136s，Kc1m=3.65，通过查表5-1求得PID的数值。表5-1 临界比例度法整定公式Table 5-1 critical proportionality method setting formula调节规律KcTiTdP0.5KcmPI0.45Kcm0.85TmPID0.6K

17、cm0.5Tm0.125Tm通过计算得出Kc=2.19，Ti=68，Td=17即KI=0.0322,KD=37.23。先使用PI，再带入D，观察状况。图5-5 主回路使用PI控制输出图Figure 5-5 use PI control output diagram in the main circuit图5-6 主回路使用PID控制输出图Fig. 5-6 main loop output diagram using pid control通过比较图5-1与5-2，可以看出带入微分环节之后，系统更快进入稳定状态，超调更小，但曲线没有PI控制平滑。系统最终在3.9Mpa的数值位置下稳定，达到了控制

18、的要求。5.3 加入扰动在PID控制下500s的时候加入一个幅值为2的单位阶跃扰动，得到图5-6。图5-7 加入干扰后的曲线图Fig. 5-7 Diagram after adding interference由图5-7可以看出，在500s时刻加入干扰后，系统经短暂时间调节回到原稳定状态，可得此系统有足够的抗干扰能力。6 结论这次课程设计做的是锅炉出口蒸汽压力串级控制方案设计，主参数选择的是锅炉出口蒸汽压力，副参数选择的是燃料流量，主控制器选用PID控制，副控制器选用P控制。通过进行仿真对比分析得出系统在串级控制下满足出口蒸汽压力保持在设定值的范围内，满足系统设计要求。参考文献1 蒋敏华,黄斌.燃煤发电技术发展展望J.中国电机工程学报,2012,32(29):1-8+19.2 李兴如,王东风,韩璞.基于GSO的锅炉主蒸汽压力串级PID优化控制J.计算机仿真,2016,33(08):382-386.3 刘姝廷,金太东,胡博等.BP-PID在锅炉蒸汽压力控制中的应用J.武汉工程大学学报,2009,31(07):91-94.4 马舜,李顺荣,刘松国等.数学建模锅炉节能操作仿真培训系统及装置J.中国测试,2015,41(03):73-77.14