毕业设计（论文）-基于PLC的锅炉出水温度控制系统的研究与设计.doc

毕毕 业业 设设 计计 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 总计 毕业设计（论文） 61 页 表格 2 表 插图 16 幅 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 I 摘 要 随着我国经济的发展，资源和环境矛盾同趋尖锐，使我国的现代化 建设面临严峻挑战。作为温度控制系统重要能源转换设备的锅炉能耗巨 大，占我国原煤产量的三分之一左右。然而，我国目前运行的很多锅炉 控制系统自动化水平不高、安全性低，工作效率和环境污染普遍低于国 家标准，因此实现锅炉的计算机自动控制具有重要的意义。 随着科学技术的不断发展人们开始利用各种先进的仪器和技术组成 计算机控制系统来代替人工复杂的控制操作，直接数字控制DDC系统 （Direct Control） ，便是其中之一。直接数字控制DDC系统，它是工业 生产计算机控制系统中用的最广泛的一种系统应用形式，在这类系统中 的计算机，除了经过输入通道对多个工业过程参数进行巡回检测采集外， 它还代替了模拟调节系统中的模拟调节气，按预定的调节规则进行调解 运算，然后将运算结果通过过程输出通道输出并作用于执行机构，以实 现多回路调节的目的。 本设计设计了基于PLC的锅炉温度控制系统，该系统包括下位机控制 和上位机控制两部分。文中给出了通过时间和室外温度相结合的控制策 略对系统温度进行调节控制。 关键字：锅炉；计算机控制； PLC 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 II Abstract With Chinas economic development，resources and the environment has become increasingly acute contradictions，so that the modernization of our country is facing a formidable challengeAs an important energy source conversion equipment，heating system of the industrial boiler consumes about one-third of Chinas coalHowever，the majority of Chinas current operating boiler systems security and efficiency is generally lower than the national standardSo it's great significance to achieve automatic control for boiler with computer Along with science technical develop continuously people start making use of every kind of advanced instrument constituting the calculator control system with the technique to the control operation that replace the artificial complicacy, direct arithmetic figure control DDC system( Direct Control), just one of them Direct arithmetic figure control DDC system, it is an industry to produce convenient and the most extensive a kind of system in system of control of calculator application form, in addition to through importation passage to several industries process parameter proceeding cruising to return to examination to collect, it returned to replace the emulation regulates the emulation in the system regulates the spirit, at the set regulate rule proceed the intermediation carries to calculate, then will carry to calculate result pass process output passage output combine function in carry out the organization, to realize many the purpose that back track regulate. the paper presents a overall control thinking，the system designed to heating in winter includes superordinate computer control system and the subordinate systemTo meet all the campuss winter heating，it gives a complete control strategy which combined with time and outdoors temperature. Key Words：Boiler；Computer Control； PLC 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 III 目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 第 1 章 绪论1 1.1 锅炉温度控制系统现状.1 1.2 锅炉自动控制的发展历史.2 1.4 课题意义 4 第 2 章锅炉温度控制系统的总体介绍6 2.1 锅炉温度控制系统的组成.6 2.2 交流电机的变频调速系统介绍.7 2.2.1 变频器驱动的特点8 2.2.2 变频调速的基本原理8 2.2.3 变频器基本结构10 2.3 燃煤锅炉的工作过程11 2.3.1 燃煤锅炉的组成.11 2.3.2 燃煤锅炉的工作过程12 2.4 燃煤锅炉的自动调节任务13 第 3 章控制系统下位机的设计17 31 PLC 软件介绍 .17 3.1.1 模块式 PLC 的基本结构17 3.1.2 PLC 的特点.19 3.2 STEP7 软件简介 20 3.3 控制系统所用功能块21 3.4 锅炉控制系统的硬件组态23 3.5 锅炉系统下位机程序设计25 3.5.1 系统下位机控制程序实现.25 3.6 本章小结35 第 4 章 控制系统上位机设计37 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 IV 4.1 WINCC 软件介绍37 4.2 WINCC 的特点 37 4.3 WINCC 主要控制模块38 4.4 项目组态40 4.5 系统监控界面设计41 4.6 INTERNET远程监控46 4.6.1 WEB Navigator 简介47 4.6.2 WEB Navigator 的优点.47 4.6.3 远程 WEB 发布与浏览49 4.6.4 使用 WEB Navigator 过程中遇到的问题及解决办法49 47 本章小结.51 第 5 章 系统的抗干扰设计53 51 PLC 系统的抗干扰性.53 5.1.1 电磁干扰源及对系统的影响.53 5.1.2 系统外引线的干扰.53 5.1.3 PLC 系统内部的干扰.55 5.1.4 PLC 控制系统工程应用的抗干扰设计.55 5.2 控制系统主要抗干扰措施.55 第 6 章 结论与展望58 6.1 总结58 6.2 展望58 致 谢60 参考文献61 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 1 第 1 章 绪论 1.1 锅炉温度控制系统现状 锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力 设备。它所产生的高压蒸汽，既可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱 动透平的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。 随着工业生产规模的不断扩大，生产设备的不断创新，作为全厂动力和 热源的锅炉，办向着大容量、高参数、高效率发展。为了确保安全，稳 定生产，锅炉设备的控制系统就显得愈加重要。 随着经济的迅猛发展，自动化控制水平越来越高，用户对锅炉控制 系统的工作效率要求也越来越高，为了提高锅炉的工作效率，较少对环 境的污染问题，所以利用计算机与组态软件技术对锅炉生产过程进行自 动控制有着重要的意义。其优越性主要在于：首先，通过对锅炉燃烧过 程进行有效控制，使燃烧在合理的空燃比条件下进行，可以提高燃烧效 率。由于工业锅炉耗煤量大，燃烧热效率每提高1都会产生巨大的经 济效益。其次，锅炉控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界 面使运行参数在CRT上的集中监测，操作人员在监控计算机上能根据控 制效果及时修改运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高 生产过程的实时性、安全性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性 的提高及价格的下降，工业锅炉的微机控制必将得到更加广泛的应用。 锅炉作为重要的动力设备，其控制的基本要求是供给合格的蒸汽，使锅 炉蒸发量适应负荷的需要。为此，生产过程的各个主要参数必须严格控 制。锅炉设备是一个多输入、多输出的复杂控制对象，这些输入变量与 输出变量之间是相互关联的。如果蒸汽负荷发生变化，必将引起汽包水 位、蒸汽压力和蒸汽温度等的变化；燃料量的变化不仅影响蒸汽压力， 同时还会影响汽包水位、蒸汽温度、炉膛负压；给水量的变化不仅影响 汽包水位，而且对蒸汽压力、蒸汽温度等亦有影响；所以锅炉设备是多 输入，多输出且相互关联的控制对象。 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 2 1.2 锅炉自动控制的发展历史 锅炉是一个比较复杂的工业设备，有几十个测量参数、控制参数和 扰动参数，它们之问相互作用，相互影响，存在明显的或不明显的复杂 因果关系，而且测控参数也经常变化，存在一定的非线性特性，这一切 都给锅炉的控制增加了难度。 锅炉控制技术的发展经历了几个历史阶段： 1纯手动阶段 在六十年代以前，由于自动化技术与电子技术发展不成熟，人们的 自动化观念还比较淡薄，这段时期的锅炉一般采用纯手动的控制方式， 即操作工人通过经验决定送风、给水、引风、给煤的多少，通过手动操 作器等方式来达到控制锅炉的目的。这样就要求司炉人员必须有丰富的 经验，增加了工人的劳动强度，事故率高，更谈不上保证锅炉的高效率 运行。 2自动化单元组合仪表控制阶段 随着自动化技术与电子技术的发展，国外己经开发并广泛应用了全 自动工业锅炉控制技术。60年代前期，我国工业锅炉的控制技术开始发 展，60年代后期我国引进了国外的全自动燃油工业锅炉的控制技术，70 年代后期己经研制了一些工业锅炉的自动化仪表，正式将自动化技术应 用于工业锅炉控制领域，因而热效率有所提高，事故率也有所下降。但 是，由于采用单元组合仪表靠硬件来实现控制功能，可靠性低，精度不 高，而且只能完成一些简单的控制算法，不能实现一些较先进的算法和 控制技术，控制效果仍然不理想。基于PLC的锅炉供热控制系统的设计 3采用微机测控阶段 随着电子技术的发展，高集成度、高可靠性、价格低廉的微型计算 机、单板机、单片机、工业专用控制计算机的出现以及在我固的广泛应 用，为锅炉控制领域开辟了一片广阔的天地。运用计算机技术，开发出 高效率、高可靠性、全自动的微机工业测控系统同时得到重视。80年代 后期至今，国内己经陆续出现了各种各样的锅炉微机测控系统，明显地 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 3 改善了锅炉的运行状况，但还不够完善，并对环境和抗干扰要求较高。 4分散控制阶段 分散控制系统(DCS)称集成控制系统，其本质是采用分散控制和集中管理的设 计思想，分而自治和综合协调的设计，采用层次化的体系结构，从下到上依次分 为直接控制层、操作监控层、生产管理层和决策管理层。DCS是以多台DDC计算 机为基础，集分散型控制系统。目前分散控制系统大多采用可编程控制器(PLC)进 行系统设计，工控机机PLC的组合，不但系统体积小、可靠性高，而且造价较低， 得到了广大用户的青睐。 1.31.3 锅炉工艺流程简介锅炉工艺流程简介 锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备.其作用就是有效地 把燃料中的化学能转换为热能,或再通过相应设备将热能转化为其它生 产和生活所需的能量形式,长期以来在生产和居民生活中都起很重要的 作用。 锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负 荷的变化，输送一定质量(汽压、汽温)和相应数量的蒸汽。它所产生的 蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供热源，而且还可以作 为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。 锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。 “锅”就是锅炉的汽水系 统，如图1-1所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、 给水调节阀2、给水母管1及蒸汽母管6等组成。锅炉的给水用给水泵打 入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下 的沸点，成为饱和水然后引入汽包。汽包中的水经下降管进入锅炉底部 的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。水在 水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分 蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水 和给水一起再进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热器， 蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 4 燃 烧 室 燃料 空气 1 2 34 5 6 7 8 “炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、喷燃器、空气预热器 等组成。锅炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器，在 空气预热器中吸收烟气热量，成为热空气后，与燃料按一定的比例进入 炉膛燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过 过热器，形成一定的过热蒸汽，汇集到蒸汽母管。具有一定压力的过热 蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产 生的烟气，其中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还预 热锅炉给水和空气，最后经烟囱排入大气。 1.4 课题意义 从1978年改革以来，我国年均经济增长率达9以上，目前已经是 世界第六大经济体和第三大贸易国，中国兴起成为了当今世界的热门话 题。随着科学技术的飞速发展，带动社会生产的发展，人类对能源的需 求不断增加，世界上发达国家为了解决能源紧张而带给各行业的冲击， 都努力在开发能源的同时，致力于节能新方法的研究。 根据不完全统计，我国共有各类锅炉近40万台，每年的耗煤量达3 亿多吨，占我国原煤产量的三分之一。由于煤质变化大，设备陈旧，不 仅工人劳动条件差，劳动强度大，而且锅炉热效率低。因此，在满足工 艺要求的前提下，为了提高锅炉的热效率，降低能源消耗，把工人从繁 重的劳动中解放出来，促进文明生产，锅炉实现自动控制是一个急待解 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 5 决的问题。据有关资料统计一台10Th的锅炉，若能提高效率1，每 年就能节省煤200吨左右，约合人民币50000多元，经济效益是很明显的。 又如对燃煤锅炉进行改进，实行自动控制，在不需要人工干预的情况下， 随时调整给水量、燃料量、送风量及引风量，维持水位、蒸汽压力、蒸 汽温度及负压的恒定，就有可能将锅炉的热效率提高5以上。另外， 使锅炉达到经济燃烧状态，还可以减少烟气中的含尘量，减少空气污染。 本课题根据该校园的实际情况，设计的集成自动化系统将现场的锅炉控 制运行和管理有机的良好结合，实现锅炉系统的安全高效运行。该系统 代表了我国中小型锅炉现场集成自动化系统的发展方向和较高的管理水 平，它不仅是一项科研任务，而且是把理论与实践结合起来，开发出的 一个真正的产品，对于提高国民经济效益，促进国家农业生产发展都有 着重要的作用和意义。 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 6 第 2 章锅炉温度控制系统的总体介绍 2.1 锅炉温度控制系统的组成 日前我国的温度系统主要以燃煤锅炉为主体。而锅炉按照温度性质 来分，可以分为热水炉和蒸汽炉两种。下面以某高校锅炉控制系统来介 绍温度控制系统的组成。该系统现有两台20T/H的热水炉、一台10T/H的 热水炉、一台6TH的蒸汽炉以及5个换热站组成。 整个供热控制系统可以分为一次网部分和二次网两个部分组成。一 次网主要是冷水经锅炉加热并传送到换热站以自订的一次侧部分；而二 次网则是在换热站中经过热交换，热水给用户供热，并返回换热站的部 分。下面分别介绍这两个部分的工作情况。 1一次网部分 一次网部分的主要设备包括1台燃煤锅炉、三个变频循环泵(两用一 备)、一台补水泵。其工作情况如下：对锅炉内的水加热，热水通过循 环泵，经由管道流入换热站，在换热站中通过换热器进行热交换，把热 量传递到二次网，完成热交换之后的低温水返回到锅炉继续循环。在加 热过程中，由于热膨胀，可能导致管网内压力过大，会造成管网损坏或 者破裂，需要打开安全阀泄压。 2二次网部分 二次网部分主要由五个换热站组成，每个换热站包括两台循环泵 (一备一用)，两台补水泵(一备一用)和一个电磁阀。其工作情况如下： 在换热站中经由换热器换热之后，被加热的水通过管网流到用户端的散 热器，对用户进行供暖，然后流回到换热站，依此循环。在此过程中， 由于管道泄露等原因可能会造成一些损失，导致管网内的压力逐渐降低， 当低到一定的给定值时，控制变频补水泵对系统进行补水；而由于加热 过程中造成的热膨胀，可能导致管网内的压力逐渐升高，当高到一定的 给定值时，开启安全阀泄压，以降低管网内部压力，避免管网损坏、破 裂。由于外部气候的原因，供热系统很多都是间歇式供热，在对用户供 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 7 热时，需要开启变频循环泵对系统加压，循环泵运行的时刻称之为动态 过程；而当不供热时，则关闭循环泵，循环泵停止运行的时刻称之为静 态过程。在动念和静态两种情况下管网压力的给定值是不同的，所以在 两种情况下补水和泄压的压力值范围是不同的，根据实际工程的要求， 静态过程的值比动态过程的值要稍高。 动态过程中，由于管道泄露等情况造成一些损失，导致管道压力降 低，当回水压力动态低于补水泵启动给定值的时候，启动补水泵，为系 统补水；随着补水泵的补水，管道内压力逐渐升高，当管道内压力升达 到动态补水泵停止给定值时，停止补水泵。静态过程和动态过程的控制 原理是相同的，只是补水泵启动给定值和补水泵停止给定值不同。而在 动态过程中，由于加热产生的热膨胀作用，使管道内压力逐渐升高，当 管道压力达到母管压力上限时，即开启安全阀，进行泄压。 根据实际工程项目要求，为了避免逻辑混乱，静态补水泵启动给定 值要高于动态补水泵停止给定值。在整个控制系统中，需要控制的设备 主要是变频控制补水泵和燃煤锅炉，所以在本章以后几节将着重介绍交 流电机的变频调速系统以及燃煤锅炉的控制。 2.2 交流电机的变频调速系统介绍 传统的给水调节系统和燃烧系统都是采用定速泵和风机，以改变调 节阀门开度来改变给水流量和风量。这种调节方式的缺点是给水泵消耗 功率大，调节阀门承受的压力大，容易造成调节阀门的迅速磨损。为了 节约能源，目前在大型锅炉中广泛采用变频调节，变频调整是一种高效 的交流调整方法，它利用变频器实现了异步电动机的无级变速，锅炉控 制采用变频调整是节能的有效途径锅炉的应用面很广，应用量也很大。 在化工、炼油、发电、造纸、制糖、化纤、纺织、印染等工业部门，锅 炉是必不可少的重要的动力设备。锅炉风机一般按满足锅炉最大负荷设 计选型，而正常工作却在额定负荷的70左右，因此，风机驱动电机的 裕量较大，节电潜力很大。锅炉风机的风量调节常用风门控制，即增加 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 8 管路阻力，而驱动电机全速运转，其效率低、能耗大，大量电能被白白 浪费掉，采用变频调整调节风量，不需要风门，管路阻力减少，系统所 需风量减少，电机转速可以降低，由于电机的轴功率与转速的立方成正 比，因此耗电量大幅度下降，节能效果是十分显著的。 2.2.1 变频器驱动的特点 随著大功率晶体管电子技术的迅速发展、大规模集成电路和微机技 术的突飞猛进，交流电动机变频调速技术已同趋完善。变频器用交流异 步电动机调速，其性能比任何一种交流调速更佳，而且结构简单，因而 成为电动机调速的最新潮流。变频器技术是-f-j综合性的技术，它建立 在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与 传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有 许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范 围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。容易实现电动机的J 下反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对 电动机进行高速驱动。电机在带动较大负载在启动时，会有较大的冲击 电流，采用变频器时，可以实现软启动，减小冲击电流，解决大负载的 启动问题。电源功率因数大，所需容量小，可以组成离性能的控制系统 等。完善的保护功能：变频器保护功功能强，在运行过程中能随时检测 到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流 过电压，功率模块过热，电机短路等1，并立即封锁输出电压这种 “自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。 2.2.2 变频调速的基本原理 当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电 压将产生一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转 时，位于该磁场中的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 9 的感应电动势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产 生电磁力，即转矩，使转子跟随旋转磁场旋转当将三相异步电动机绕 组的任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场的方向将发生改变。因此， 电动机的转向也将发生改变。异步电动机定子磁场的转速被称为异步电 动机的同步转速，其同步转速由电动机的磁极个数和电源频率所决定 N1=60fP (21) 其中，N1为同步转速值，f为电源频率值，P为磁极对数。异步电动 机的转速总是小于其同步转速，异步电机的实际转速可由下式给出 N=N1(15)=60f(1-s)p (22) 其中，N为电动机实际转速，S为异步电动机的转差率。 由式(22)可知，改变参数f、S中的任意一个就可以改变电动机的 转速，即对异步电动机进行调速控制。因此，可以通过改变该电源的频 率来实现对异步电动机的调速控制。从某种意义上说，变频器就是一个 可以任意改变频率的交流电源。在电动机调速时，一个重要的因素是希 望保持每极磁通量fm为额定值不变。磁通太弱，没有充分利用电机的磁 芯，是一种浪费；若要增大磁通，又会使磁通饱和，从而导致过大的励 磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直流电机来说，励磁 系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持中f m不变是很 容易做到的，在交流异步电机种，磁通是定子和转子合成产生的。 三相异步电机定子每相电动势的有效值是： Eg=444f1N1KN1m (23) 其中，Eg为气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为 V，fl为定子频率，单位为HZ，N1为定子每相绕组串联匝数，KN1为基波 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 10 绕组系数，m为每极气隙磁通t，单位为wb。 由公式可知，只要控制好Eg和f，便可以控制磁通m不变。 2.2.3 变频器基本结构 1变频器的主电路 (1)电力电子开关器件：电力半导体器件已经历了以晶闸管为代 表的分立器件，以可关断晶闸管(GTO)，巨型晶体管(GTR)，功率 MOSFET、绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的功率集成器件(PDI)，以智 能化功率集成电路(SPIC)，高压功率集成电路H(VlC)为代表的功率集成 电路(PIC)等三个发展时期。从晶闸管靠换相电流过零关断的半控器件 发展到PID，PIC通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控 器件。在器件的控制模式上，从电流型控制模式及发展到电压型控制模 式，不仅大大降低了门极(栅极)的控制功率，而且大大提高了器件导通 与关断的转换速度，从而使器件的工作频率不断提高。在器件结构上， 从分立器件发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块，继而将 功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复 杂模块。 (2)整流电路：一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥 组成。它主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制 电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式，可以是直流电压 源，也可以是直流电流源。直流中问电路的作用是对整流电路的输出进 行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。 (3)逆变电路：逆变电路是变频器主要的部分之一。它是利用六 个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的 主开关元器件的通与断，得到任意频率的三相交流电输出由于逆变器 的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动还是发电制 动状态，变频器功率因素总不会为l，因此，在直流环节和电动机之间 总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠之间直流环节的储能元件来 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 11 缓冲。它的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电 源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频 器的输出，它被用来对异步电动机的调速控制。 2变频器的控制电路 变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、 外部接口电路以及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。控制电 路的优劣决定了变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是完成对逆变 器开关控制，对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。 随着电力半导体器件和微型计算机控制技术的迅速发展，促进了电 力变频技术新的突破性发展，70 年代后期发展起来的脉冲调控技术成 了现在常用的变频器功率开关器件的控制策略。PWM 控制利用了采样控 制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲家在局有关性 环节上时，其效果基本相同。根据这个原理，可以用一系列等幅而不等 宽的脉冲来近似正弦波。切脉冲的宽度按正弦规律变化，这种方法称为 SPWM。 2.3 燃煤锅炉的工作过程 2.3.1 燃煤锅炉的组成 锅炉按燃料种类分，大致有燃油锅炉，燃煤锅炉和燃气锅炉。所有 这些锅炉，虽然燃料及其供给方式不同，但其结构大同小异，蒸汽发生 系统和蒸汽处理系统是基本相同的。本项目的研究以燃煤锅炉为对象。 该系统所用的锅炉是以煤为燃料，两台20T/H的热水炉，一台10T/H 的热水炉和一台6TH蒸汽量的水管锅炉，属中小型锅炉。以6TH的蒸 汽锅炉为例，它由以下几个部分构成： 1汽包：由上下锅筒和沸水管组成。水在管内受管外烟气加热， 因而在管簇内发生自然循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽聚集在 锅筒罩面。为了得到干度比较大的饱和蒸汽，在上锅筒中还装有汽水分 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 12 离设备，下锅筒做为连接沸水管之用，同时储存水和水垢。 2炉膛：是使燃料充分燃烧并放出热能的设备。煤由煤斗落在转 动的链条炉蓖上，进入炉内燃烧。燃烧所需要的空气由炉排下面的风箱 送入，燃尽的残渣被炉蓖带到除灰口，落入灰斗中。得到加热的高温烟 气依次经过各个受热面，将热量传递给水后，经由烟囱排至大气。 3省煤器：燃煤锅炉炉膛排除的烟气具有较高的温度，利用其热 量可以加热进入汽包的冷水，一般省煤器由蛇形管组成。 4空气预热器：继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃 烧所需要的空气的换热器。热空气可以强化炉内燃烧过程，提高锅炉燃 烧的经济性，提高锅炉热效率。 5引风设备：包括引风机、烟囱、烟道几部分，将锅炉中的烟气 连续排出，保持炉膛的负压燃烧正常。 6鼓风设备：由鼓风送风机、风道、风箱组成，供应燃料燃烧所 需要的空气。 7给水设备：由给水泵和给水管组成。给水泵用来克服给水管路 和省煤器的流动阻力和锅炉的压力，把水送入汽包中。 8水处理设备：用来清除水中杂质和降低给水硬度，防止锅炉受 热面上结水垢或腐蚀锅炉，从而提高锅炉的经济性和安全性。 9燃料供给设备：由运煤设备、原煤仓和储煤斗等设备组成，保 证锅炉所需燃料的供应。 10除灰除尘设备：分别为收集锅炉灰渣并运往存灰场地及除去烟 气中灰粒的设备，以减少对周围环境的污染。 2.3.2 燃煤锅炉的工作过程 锅炉最基本的组成是汽锅和炉子两大部分。燃料在炉子罩进行燃烧， 将其化学能转化为热能，高温的燃烧产物-烟气通过汽锅受热面将热能 传递给汽锅内温度较低的水，水被加热进而沸腾汽化，生成蒸汽。以某 高校锅炉房的锅炉为例，其工作概括起来应包括三个同时进行的过程： 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 13 1燃料的燃烧过程：燃料煤加到煤斗中，借助于自重下落在炉排 面上，炉排靠电动机通过变速齿轮减速后由链条来带动，将燃料煤带入 炉内。新煤入炉，经预热阶段后开始着火，挥发物燃烧，同时焦炭也逐 渐燃烧。燃料一面燃烧，一面向后移动。燃烧所需要的空气是由送风机 送入炉体的风仓，向上通过炉排到达燃烧燃料层。风量和燃料量要成比 例，进行充分燃烧，形成高温烟气。燃料燃烧剩下的灰渣，在炉排末端 翻过除渣板后排入灰斗。燃烧过程进行得完善与否，是锅炉正常工作的 根本条件。要使燃料量、空气量和负荷蒸汽量有一一对应的关系，这就 是根据所需要的负荷蒸汽量来控制燃料量和送风量，同时还要通过引风 设备控制炉膛负压。该过程的特点是时间常数和滞后时问都比较大，而 且随着媒质、煤种及风量的改变，这两个参数将有很大的变化。 2烟气向水(汽)等的传热过程：燃料燃烧所放出的热量使得炉内 温度很高，高温烟气与布置在炉膛四周墙面上的水管进行强烈的辐射传 热。烟气将热量传递给管内的水后，由于引风机和烟囱的引力作用而向 炉膛上方流动。沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道，经省煤器和空 气预热器进行热交换，以较低的温度排出锅炉。 3水的汽化过程：对于蒸汽炉来说，经过处理的水由泵加压，先 流经省煤器而得到预热，然后进入汽锅。锅炉工作时，汽锅中的工作介 质是处于饱和状态下的汽水混合物，它们位于烟气温度较低的对流管束 中。由于受热较少，汽水混合物的容重较大；而处于烟气温度较高区的 水冷壁和对流管束受热多，其相应工质的容重小：这样，容重大的工质 向下流入下锅筒，而容重较小的工质则向上流入上锅筒，形成水的自然 循环。由于上锅筒内的汽水分离设备和锅筒本身空间内的重力分离作用， 使汽水混合物得以分离。 2.4 燃煤锅炉的自动调节任务 燃煤锅炉的任务是根据负荷要求，生产具有一定参数(压力和温度) 的蒸汽和热水。为了满足负荷设备的要求，保由E锅炉本身运行的安全 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 14 性和经济性，它主要实现下列自动调节任务： 1出水温度控制：出水温度控制同路即锅炉的炉排控制回路，它 通过调节排转速即调节给煤量的多少来调节锅炉的出水温度。锅炉出水 温度是热水锅炉的最重要的参数，采用微机控制可有效克服人工控制的 缺陷微机内预存有各种室外温度下的标准供水温度及标准供水、回水 温度差曲线，微机首先根据当的室外温度及一段时问的室外温度变化情 况推算出室外温度的变化趋势，再由标准供水曲线上查得当j订锅炉的 出水温度标准值，作为出水温度控制回路的给定值。微机根据锅炉当前 出水温度与给定值的偏差大小，通过内部的控制算法调节炉排转速大小， 使锅炉出水温度逐渐达到标准值。 2回水压力控制：回水压力主要是指在一次网循环过程中，被加 热的水在换热站中完成热交换，将热量交换给二次网以后的低温水返回 锅炉中，在网管中的压力。回水压力的自动控制的目标是为了保证系统 管道的安全性，通过控制补水泵和变频阀对回水压力进行控制。加热引 起的热膨胀作用，使管道内压力逐渐身高，到升高一定值时，丌启安全 阀对系统泄压，避免由于管道压力过高引起的管道破裂或者损坏；在循 环过程中，由于在管道中的泄漏情况，使的管道内压力逐渐降低，使的 系统压力不足，影响供暖效果，需要开启补水泵对系统进行补水，以提 高系统的回水压力。 3汽包水位控制：锅炉汽包水位自动控制的目标就是使给水量跟 踪锅炉的蒸发量并维持汽包水位在工艺允许的范围内。汽包水位是锅炉 运行的主要指标，是一个非常重要的被控变量，维持汽包水位在一定的 范围内足保证锅炉安全运行的首要条件。这是因为：水位过低，则由于 汽包内水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又很快，因而汽包内的 水量变化速度很快，如果不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导 致锅炉烧坏和爆炸。水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液的 现象，会使过热器管壁结垢导致破坏，同时过热蒸汽温度急剧下降，该 蒸汽作为汽轮机的动力，还会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全和经济 性。汽包水位过高或过低的后果极为严重，所以必须严格加以控制。本 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 15 系统控制的汽包水位要求在20 ±10 cm之间。当锅炉的蒸汽负荷突然加 大时，蒸发量大于给水量，从汽包贮水量来看，汽包水位应该下降，但 实际上，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，可水位不 但不下降，反而迅速上升，这种特殊现象称为“虚假水位”现象。“虚 假水位”现象产生的原因主要是：蒸汽流量增加，汽包内的汽压下降， 炉水的沸点降低，使炉管和汽包内的汽水混合物中的蒸汽容积增加，体 积膨大，引起汽包水位上升。 4蒸汽压力控制：蒸汽压力是衡量蒸汽供求关系是否平衡的重要 指标，是蒸汽的重要工艺参数。压力过高，会加速会属的蠕变；压力太 低，不能提供负荷符合要求的蒸汽。在锅炉运行过程中，蒸汽压力降低， 表明负荷的蒸汽消耗量大于锅炉的蒸发量；蒸汽压力升高，说明负荷的 蒸汽消耗量小于锅炉的蒸发量。因此，控制蒸汽压力，是安全生产的需 要，是维持负荷正常工作的需要，也是保证燃烧经济性的需求。锅炉蒸 汽压力的变化是由于热平衡失调引起的而影响热平衡的因素主要是燃 烧热和蒸汽热，燃烧热的波动引起的热平衡失调称为“内扰”，而蒸汽 热波动引起的热平衡失调为“外扰”，为了克服内外扰对蒸汽压力的影 响，在各个基本的单炉蒸汽压力控制系统中，输入到锅炉的燃烧热必须 跟随蒸汽热的变化而变化以尽量保持热量平衡同时根据蒸汽压力与给 定值的偏差适当增减燃料量以增加或减少蒸汽压力。 5炉膛压力控制：燃烧过程中，应使引风量和送风量相适应。锅 炉正常运行中，炉膛压力应保持在微负压状态下。负压过大，漏风严重， 总的风量增加，烟气热量损失增大，不利于安全生产和环境卫生。本系 统控制的锅炉炉膛负压控制范围要求在-10-20Pa之问。 6炉排转速控制：锅炉燃烧过程，用户需要的蒸汽量和蒸汽压力 都不是不变的，用汽量有一个高峰和低谷消耗时期，为了能满足用户不 同时段的用汽需求，给煤量的多少也要随之改变，即要控制炉排转速， 调整燃烧给煤量。 7维持经济燃烧：要使锅炉燃烧过程工作在最佳工况，提高锅炉 的效率和经济性，关键问题是空气和燃料维持适当比例。要使得燃烧过 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 16 程中不出现燃料燃烧不充分而导致一氧化碳和冒黑烟的现象，这就需要 快速而精确地对燃烧进行自动调节，使空气和燃料呈现最佳的配比。 综上所述，工业锅炉作为一个调节对象，是一个多输入，多输出， 多回路，非线性的相互关联的对象。所有这些特性是由锅炉本身的物理 特性决定的。因此，理想的锅炉自动控制系统应该是多回路的调节系统。