增湿塔自动控制系统解析

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1、增湿塔自动控制系统设计 学号：201001010125 专业：10自动化1班(卓越班) 报 告 人：张璞 选题背景 设计简介 软件设计 硬件设计选型 选题背景及意义 1水泥厂在我国的发展现状 我国是一个水泥生产大国。水泥总产量连续多年 居世界第一位，约占世界总产量的一半。随着我国国 民经济的快速发展，我国的固定资产投资越来越大， 水泥的生产需求也越来越高，同时因为水泥行业可观 的利润，我国的水泥生产企业也越来越多。但于此而 来也伴随着一系列的问题。其中环境问题是其中最重 要的。 某地水泥厂污染作业 设 计 简 介 1 增湿塔在水泥生产工作的重要作用 近年来，大多干法水泥生产线采用增湿塔对窑尾大

2、 量的高温废气进行处理，因为其操作稳定可靠、投资较 低，取得了良好的效果。 增湿塔一方面可以降低烟气温度，另一方面可以调 节烟气的比电阻，使电除尘器效率提高。对袋式除尘器 而言，入口气体温度有限制，适当喷水可以调节温度； 对电除尘器而言，喷水调节比电阻可以使烟气中粉尘电 荷变化，使极板更容易吸附粉尘，从而提高电除尘器的 收尘效率。 电力除尘 2 工作原理：静电除尘器利用高压直流电场使空气中 的气体分子电离，在电场力的作用下向两极运动，在移 动过程中碰到气流中的粉尘颗粒和细菌使其荷电，带点 的粉尘颗粒在电场的作用下向相反的沉降极运动。被补 集的固体粉尘，通过清灰过程把附着在沉降极的粉尘震 落集尘

3、箱。被补集的液珠由重力作用流入器低的集流 槽。 电除尘的性能很大程度上取决于灰尘的比电阻。实 践证明，喷雾增湿一方面可以降低烟气温度，在一定条 件下可以使比电阻处于有利收尘的范围；另一方面可以 增加粉尘表面的导电性，从而降低比电阻。 3 增湿塔的结构 增湿塔主要由五 部分组成，分别是 ：塔体、喷水装 置、水泵站、控制 装置、外保温层。 4 增湿塔的布置方式 在我国，绝大部分 的增湿塔都布置在窑尾 的高温风机之后，除尘 器之前。也有布置在窑 尾预热器之后，高温风 机之前的。 5 增湿塔前置的优点 （1）大大改善窑尾高温风机的工作条件。窑尾高温机是烧 成系统的关键设备。他的工作状况直接关系到整条生

4、产线产 量和水泥熟料质量以及系统的稳定。另外废气中还有较多粉 尘，通过增湿塔将一部分粉尘收集下来，减少风机风叶结灰 和磨损，风机叶轮失衡的隐患也大大减少，从而提高风机工 作的可靠性和受用寿命。 （2）减短窑尾管道。通常增湿塔高度在40米以上。因窑尾 管道减短，减少管道上塔架的混凝土支撑，从而降低生产成 本。 （3）省去增湿塔。爬梯采用后置多数生产线，因为工 艺布置原因，增湿塔距离预热器塔架较远，因此增湿塔 需要单独设置爬梯。增湿塔靠近预热器塔架后可以从塔 架直接步入增湿塔平台，从而增湿塔不必单独设置爬梯 ，不仅减少增湿塔制造安装费用，而且增强了增湿塔维 修人员的安全感。 （4）增湿塔更易操作。

5、由于增湿塔一般是通过出口温 度来调节喷水量，如增湿塔后置，原料磨启动时，增湿 塔入口废弃突然减少，增湿塔喷水量往往不能及时调整 ，水雾不能完全蒸发，导致增湿塔湿底，容易造成排灰 装置堵料，或让湿料进入原料均化库。 6 增湿塔喷雾系统的工作原理 在增湿塔的入口及出口处均装有温度传感器，当系统开 启时，温度传感器检测到的温度通过变送器将温度信号发送 给控制柜里的PLC，当检测到增湿塔入口处温度高于某一设 定值时，PLC会发出水泵开启供水的命令，喷雾系统开始工 作。同时在增湿塔出口处的温度传感器也将开始工作，与入 口处原理相同，电气控制柜里的PLC会通过运算后，输出一 个4-20mA的控制信号，从而

6、控制喷雾系统的喷水量。 同时，PLC检测到入口温度低于温度设定值、出口温度 低于设定值下限或高于设定值上限及增湿塔系统某部分出现 故障时系统会做出相应的报警信号，并且会停止水泵运行以 及一系列的处理故障措施。 硬件设计选型 1 增湿塔进风口 烟气进入增湿塔都是由小断面的通风管到相对较大断面 的增湿塔筒体。此时如果不采取必要的措施，会导致气体在 增湿塔内部分布不均匀，筒体内局部区域（一般为筒体中心 附近）气体流速过高。这部气体中的水在增湿塔内停留时间 较短，来不及蒸发，会导致湿料。因此，要求气流在塔内有 良好的分布情况。 增湿塔进气口有两种形式： 上进风形式 因为侧进风形式要求进气口有导流装置，

7、因此我们选用 上进风形式。上进风形式常做成圆锥形，为了使气体充满圆 锥，其锥角要小于30。 侧进风形式 要使气流沿塔断面的分布更均匀，无论哪种进风方式 ，都还必须在椎体内安装气体分布装置。气体分布装置常 采用两种形式：一种是水平放置的两层多孔板；另一种是 同心锥套。两者相比之下，水平放置虽然无孔区容易积灰 ，但制作安装简单，重量轻，气流均布更好，而且积灰宽 度不大，而且适量的积灰有利于减小多孔板的磨损，因此 采用多孔板气体分布装置。 2 增湿塔的喷水装置 增湿塔的喷水装置由喷枪、管路、过滤器阀门等组成。 喷水装置是增湿塔的 核心部分，它能将水泵站 提供的具有一定压力和流 量的水进行雾化并按照一

8、 定的布置和扩散角喷入筒 体，通过调节喷水装置的 回水量可以调整增湿塔的 工作能力和状况。通常情 况下，喷水装置设计有一 根进水管和一根回水管。 在设计增湿塔自动控制系统中我们选用的是单体回流 式喷枪，这种喷枪由回流喷嘴、具有内外管的枪体和阀门 等组成。从水泵站过来的水从枪体的外管进入到喷嘴的旋 流器，一部分通过喷嘴孔雾化喷出，另一部分水通过内管 回流到水泵站。其中喷水量的大小通过回流水的多少来调 节。回流水越多则喷水量越少。 由于回流式喷枪是通过回流水来调节喷雾的，所以其 进水压力稳定，因而不会因为调节喷水量而明显的影响雾 化效果。而且单体回流式喷嘴的孔径较大不易堵塞。 3 增湿塔系统中的阀

9、门 在增湿塔喷雾(给水)自控系统中为了达到对水路的有 效控制,一方面使自控系统在正常喷雾过程中保证正常的水 路流通,另一方面也为了避免由于当增湿塔中的灰尘温度降 低过快以低于控制系统中设定的下限温度时或是由于当无 加煤信号等指令来到时,需要快速的将在水路循环中滞留的 水泄回水箱,从而避免造成增湿塔的湿底现象。 因为设计使用高性能的两三通阀，我们为此设计选用 的是VA-7010-225二通阀, VA-7010-325型三通阀,以及 ZAZN型电动调节阀。 它们用DC24V供电，具有体积小， 寿命长的特点。尤其在对电动调节阀的设计选用中，因为 它是整个水路喷雾控制中喷枪喷水量大小调节的关键部件 ，

10、为此使用了高性能的电子式电动调节阀，它使用进口核 心部件，使系统控制更加灵敏、精确。 4 温度传感器 为了精确测定灰尘温度的实时变化,增湿塔上装有检测 入口和出口温度的热电阻。在出口处采用多点检测方法,以 防错检和漏检。 温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电 阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。 热电偶是最简单和最通用的温度传感器，但热电偶并 不适合高精度的的测量和应用。 由于热电阻具有响应速度快、可靠性高、稳定等特点 ，而且Pt100测量的准确度高范围大因此本设计中选用了 PT100作为入口及出口的温度传感器。 软件设计 1 可编程控制器及程序编写 PLC系统是整个控制系统的逻

11、辑控制中心，PLC系统通 过触摸屏操作，按照CPU内已编制好的应用程序，执行上位 机发出的各种指令，完成增湿塔的过程控制PLC选用S7-200 系列可编程序控制器。 S7-200的优点体现在可靠性高、拥有丰富的指令集、 易于掌握、便于操作及拥有丰富的拓展模块等特性上。 因此在编程时使用step7-MicroWin。 2 编程语言的选择 根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准， PLC有五种标准编程语言：梯形图语言（LD）、指令表语 言（IL）、功能模块语言（FBD）、顺序功能流程图语言 （SFC）、结构文化本语言（ST）。 本设计采用了梯形图程序设计，梯形图语言是PLC程序 设计中最常用

12、的编程语言。它是与继电器线路类似的一种 编程语言。它不仅可实现逻辑运算，还具有算术运算、数 据处理、联网通信等功能，是具有工业控制指令的微机系 统。 3 系统组成及原理图 4 水路工作原理 供水管路由水泵经过三通阀供水环管，三通阀可构成两 个通路，一个是供水通路（由通电时导通），即水泵出水与 供水环管之间的通路，另外一个则是排水通路（由断电时导 通），即供水环管与排水管的通路，排水管将水返回水箱； 回水管由回水环管经过电动调节阀将水返回水箱。其中排水 管路上装有电动二通阀，其作用是通电时截止输水，断电时 打开。增湿塔顶部运用的事会流式喷枪，喷枪与供水环管相 接。 离心水泵由循环水箱向系统供水，

13、为了保证水位的一定 ，该水箱通过浮球阀和液位计来控制水位。当水位低于设定 的最低限度时，系统会通过传感器向控制柜发出报警信号， 同时发出控制信号给水泵，使水泵停止工作从而达到防止泵 因为缺水而造成的损坏。 增湿塔出口和入口同时设置了两只热电偶，目的是检测 气体的温度，当增湿塔入口的热电偶检测到湿气的温度高于 设定值时，控制柜内的PLC会向水泵发出命令开启供水，同 时使电动三通阀，电动二通阀和电动调节阀开始通电工作。 5 气路工作原理 该增湿塔系统是一个需要快速反应的温度控制系统， 为了保障系统的安全可靠运行在出口处安装了3只温度传感 器，平时可以监测出口的烟气温度在管道内的分布情况。 增湿塔对

14、于温度的检测十分重要，系统工作的好坏情况很 大程度上取决于温度的检测速度与检测的准确性。在温度 检测系统中我已经采取了一些适当的措施来提高系统的性 能，如采用带有保护装置的热电偶；作为被调参数的增湿 塔出口温度值采用多点检测的方法等。 增湿塔的出口及入口处均为温度的测量取值点。增湿塔 的入口温度则作为整个喷雾系统的通断、条件之一，在控制 器及温度控制器中设置了温度的上下限，当烟气温度超过设 定的温度上限时，喷雾系统会自动开启工作状态，当烟气温 度低于设定的温度下限时，喷雾系统则自动关闭。这样就可 以防止在单独的工作点附近产生震荡。增湿塔出口温度被作 为调节参数，控制器将增湿塔出口温度作为参考值

15、与设定温 度比较，从而完成自动调节出口温度的恒定及控制塔内的喷 水量。即温度传感器检测到出口温度经变送器变送为4- 20mA的控制信号，使用该信号控制电动调节阀的开度，进 而完成对喷水量的控制。 本系统采用可编程控制器作为核心，完成了模拟量、开 关量的输入以及输出、数学运算等功能如： 故障报警：对出口的温度上下限进行了设置，在超过温度上 限或低于温度下限时能自动发出报警信号同时也在在异常情 况如缺水、停窑、温传故障等情况下能自动声光报警及处 理。 信号采集：PLC实时的会检测增湿塔入口及出口温度温度， 水位等模拟量信号，同时完成A/D转换。 PID调节:设定两个温度值以适应于生料磨的开停，并且

16、在磨 机由停机转换到运转时应及时加大回流阀开度。 6 系统简介 远程控制：当开关开在现控位置上时，对系统科在控制柜 上进行操作；而当调到远程开关位置上时，只能由上位机对 控制柜进行运行和停止操作。其中控制柜能送出五个信号， 他们分别是正常运转信号、综合报警、启动信号和停止信 号。当自动喷雾系统正常运信使，在远程控制的状态下控制 柜会向上位机发出一个正常运行信号；当自动喷雾系统出现 故障时，控制柜会发出一个综合报警信号。 系统给水(启动)条件:(须同时满足) 塔前温度210;塔后温度高限温度值;水箱低水位信号关( 水位正常);； 系统泄水条件:(条件之一) 塔前温度180;塔后温度低限温度值;水箱低水 位信号开(水位低)； 报警条件:(条件之一) 塔后温度高限温度值;塔后温度低限温度值; 水箱低水位信 号开(水位低)；电偶故障。 注:高限温度值=塔出口温度的设定值+30 低限温度值=塔出口温度的设定值-30