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1、课程名称：集散控制系统设计 班 级： 自动化 学 号： Xb10330214 姓 名： 饶鸿强 日 期 ： 2013 年 12 月 17 日一、设计要求 本课程设计是针对学生学习和运用专业知识的综合考核和检查，使学生接受工程类基本训练的重要环节，是自动化（热工）专业的集散控制系统专业课程学习的必修内容之一。通过理论分析和设计室学生掌握一般工业工程的集散控制系统特点、原理和应用方法。了解发电厂集散控制系统的硬件选型、设计和软件组态基本构成。本课程设计的特点是，内容所涉及的知识面较一般习题广，有较强的系统性和综合性，在运算、绘图、编写设计文本方面有较高的要求。本课程实际应针对交通运算组织学课程涉及
2、的相关理论与方法，结合具体实践背景，解决实际问题。要求：（1） 能从数字控制系统功能要求出发，制订或分析设计方案，合理地选择控制系统硬件设备，确定软件需求。 （2） 能按工艺的控制要求，选择相关模块，设计组态图。 （3） 能考虑控制系统安装与调整、使用与维护、经济和安全等问题， 对集散控制系统的安装技术要求进行设计。 （4） 图面符合国家有关标准及行规，技术要求完整合理。 硬件设计：确定集散控制对象，根据对象确定控制器基本参数、模拟量类型、控制点数和基本参数、开关类型、点数和基本参数、网络组成、类型和基本参数，绘制硬件原理图和工程设计图纸。软件设计：根据确定控制对象，绘制操作员站软件框图、组态
3、软件框图。二、课程设计应完成的任务 任选一个下述被控对象，根据其控制要求，选用浙大中 DCS 系统 JX-300 制定控600MW 机组主蒸汽温度控制系统，要求将锅炉出每个学生应完成： 总体方案图 1 张、接线图 1 张，组态图 3 张，SAMA 图 1 张；设计说明书一份，说明书应包括：确定总体方案，选定 I/O 点，控制系统的组态图等内容。三、工作计划本次课程设计安排时间为 4 周，2013 年 12 月 7 日2013 年 12 月 28 日，具体工作计划如下：1、2013 年 12 月 7 日8 日，选择硬件模件和软件模件, 设计满足热工过程控制要求的集散控制系统总体方案；2、2013
4、 年 12 月 9 日12 日， 画出系统实现图；3、2013 年 12 月 14 日16 日，组态与仿真, 画出系统实现的有关组态图 4、2013 年 12 月 28 日，书写说明, 撰写设计说明书上交评分。口主汽温控制在 5范围内。制方案，设计满足控制性能的集散控制系统。 600MW 机组主蒸汽温度控制系统1.1、过热汽温的粗调（即煤水比的调节）对于直流锅炉，控制主蒸汽温度的关键在于控制锅炉的煤水比，而煤水比合适与否则需要通过中间点温度来鉴定。在直流锅炉运行中，为了维持锅炉过热蒸汽温度的稳定，通常在过热区段中取一温度测点，将它固定在相应的数值上，这就是通常所谓的中间点温度。实际上把中间点至
5、过热汽出口之间的过热区段固定，相当于汽包炉固定过热器区段情况类似。在过热汽温调节中，中间点温度实际是与锅炉负荷有关，中间点温度与锅炉负荷存在一定的函数关系，那么锅炉的煤水比 B/G 按中间点温度来调整，中间点至过热器出口区段的过热汽温变化主要依靠喷水减温调节。对于直流锅炉，其喷水减温只是一个暂时措施，要保持稳定汽温的关键是要保持固定的煤水比。其原因是：从图 1 可以看出直流炉 G=D，如果过热区段有喷水量 d，那么直流炉进口水量为(G-d)。如果燃料量 B 增加、热负荷增加，而给水量 G 未变，这样过热汽温就要升高，喷水量 d 必然增加，使进口水量(G-d) 的数值就要减少，这样变化又会使过热
6、汽温上升。因此喷水量变化只是维持过热汽温的暂时稳定（或暂时维持过热汽温为额定值） ，但最终使其过热汽温稳定，主要还是通过煤水比的调节来实现的。而中间点的状态一般要求在各种工况下为微过热蒸汽。加热区段 过热区段G - ddD图 1 超临界压力锅炉工作示意图超临界压力直流锅炉中间点温度选择为内置式分离器的出口温度，以该点作为中间点有以下几方面的好处：(1) 能快速反应出燃料量的变化。当燃料量增加时，水冷壁最先吸收燃烧释放出的辐射热，分离器出口温度的变化比依靠吸收对流热量的过热器快得多。(2) 中间点选在两极减温器之前，基本上不受减温水流量变化的影响，即使发生减温水量大幅度变化，按锅炉给水量=给水泵
7、入口流量-减温水量，中间点温度送出的调节信号仍保证正确的调节方向。(3) 当锅炉负荷大于 37%MCR 时,分离器呈干态，分离器出口处于过热状态，这样在分离器干态运行的整个负荷范围内，中间点具有一定的过热度，而且该点靠近开始过热的点。从直流锅炉汽温控制的动态特性可知：过热汽温控制点离开工质开始过热点越近，汽温控制时滞越小，即汽温控制的反应明显。根据中间点温度可以控制燃料给水之间的比例。在运行中，当负荷变化时，如煤水比维持或控制得不准确，中间点温度就会偏离设定值。中间点温度的偏差信号指示运行人员或计算机及时调节煤水比，消除中间点温度的偏差。如能控制好中间点温度（相当于固定过热器区段） ，就能较方
8、便地控制其后各点的汽温值。但需要强调的是，中间点温度的设定值与锅炉特性和负荷有关，如变压运行，饱和温度随压力下降而降低，中间点温度也随之下降（保证有一定的过热度） ，而不是一个固定值。超临界压力直流锅炉是以锅炉给煤量与总燃料量为基础的函数作为基本的需求信号，再加上燃烧器摆角修正、分离器出口温度修正、分离器出口温度微分信号就产生了给水需求信号。在机组启动状态中，或机组自动启停系统(UAM)在自动方式下，则给水需求信号由自动启停系统发生，其原理如图 2 所示。F ( X )TP I总燃料量U A M 需求喷嘴倾角修正分离器出口温度修正分离器出口温度前馈U A M投入P V省煤器入口流量给水需求倾角
9、修正值2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 02 04 06 08 01 0 0总燃料量 ，基本的的给水需求 F ( X ) , %图 2 给水需求信号原理图分离器出口温度修正，即为中间点温度修正，其作用就是修正煤水比，其修正原理是：对给定的锅炉负荷，其允许的喷水量与分离器出口温度有一定关系。或者说，当喷水量与给水量的比例增加时，说明煤与水的比例中煤多一些，而煤量一多，反应最快的是分离器出口温度。正常的分离器出口温度与分离器压力有一定的函数关系，喷水量与给水量的比例又是锅炉负荷的函数。分离器出口温度修正原理与图 3 所示。F ( x )P I DF ( x )F ( x )分离器压力分离器出
10、口温度3 5 M C R基本给水流量需求分离器出口温度修正锅炉负荷喷水 / 给水比-+-+-9 1 9 2 22 0 03 2 03 8 04 0 05 0 0分离器压力 ， M P a分离器出口温度1 0 3 0 5 0 7 0 9 0 1 0 0锅炉负荷 ，1 . 82 . 83 . 84 . 85 . 8喷水给水比图 3 分离器出口温度修正原理1.2、过热汽温的细调考虑到实际运行中锅炉负荷的变化，给水温度、燃料品质、炉膛过量空气系数以及受热面结渣等因素的变化，对过热汽温变化均有影响，因此在实际运行中要保证比值 B/G 的精确值也是不容易的。特别是燃煤锅炉，控制燃料量是比较粗糙的，这就迫使
11、除了采用 B/G 作为粗调的调节手段外，还必须采用在蒸汽管道设置喷水减温器作为细调的调节手段。超临界锅炉的过热汽温调节方法一般采用水煤比进行粗调，二级喷水减温进行细调。其中第一级喷水减温器装置在前屏过热器与后屏过热器之间，消除前屏过热器中产生偏差；第二级喷水减温器装置在后屏过热器与高温过热器之间，维持过热器出口汽温在额定值。超临界机组屏式过热器汽温调节以屏式过热器入口汽温与锅炉负荷作为基本调节回路，再加上修正信号，通过改变喷水调节器（一级喷水减温）的开度来调节汽温。图 4 为屏式过热器汽温调节的基本回路。在机组自启停装置（UAM ）投自动时，喷水调节阀开度决定于 UAM 指令。当 UAM 指令
12、不在自动时则由锅炉负荷的函数得到屏式过热器入口汽温的设定值。当燃烧器倾角变化、屏式过热器入口汽温变化或其它运行工况变化时，则在该入口汽温的设定值上再加上修正信号，实际的屏式过热器入口汽温与设定值的偏差决定喷水减温器的开度。这一屏式过热器汽温调节的修正信号综合了煤水比修正与屏式过热器出口汽温偏差的修正，其中屏式过热器出口汽温的设定值由锅炉负荷函数与高温过热器的喷水函数的差值得到。这样设计的目的是当高温过热器的喷水量大于或小于一定范围后，通过改变屏式过热器的出口汽温，以使高温过热器的喷水量恢复到前述范围内，保证高温过热器有一定的可调范围。而煤水比修正信号是通过前馈方式送到过热器入口汽温设定值修正回
13、路，如图 5 所示。F ( X )P I DT锅炉负荷温度前馈P V屏过入口汽温U A M指令至喷水阀3 0 7 04 1 04 2 04 3 04 4 04 5 04 6 0屏过入口汽温，图 4 屏式过热器汽温调节的基本回路F （ X ）F （ X ）P I D锅炉负荷屏过入口汽温修正信号总燃料量末级过热器喷水指令P V屏过出口汽温给水流量喷水量屏过入口汽温屏过入口汽温负荷图 5 屏式过热器入口汽温设定值修正在屏式过热器汽温调节回路中，屏式过热器汽温有一个切换点，它是由于分离器由湿态到干态的切换影响。在启动过程中，分离器由湿态转向干态运行时，用增加燃料量的方法。当炉内燃料量增加时，炉膛出口烟
14、温也增加，使炉膛内单位公斤燃料的放热量反而减少，就是说对于前、后屏过热器，单位公斤燃料的吸热量反而减少。另外，在湿态转换到干态运行过程中，通过前屏过热器的蒸汽流量是增加的，这样屏式过热器的汽温是随着负荷的增加反而减少（相当于辐射过热器的汽温特性） ，因此屏式过热器入口（后屏入口）汽温有一个下降的过程。当分离器转入干态运行后，也即锅炉转入直流运行，其汽温变化是随着锅炉负荷（燃料量）的增加而增加的。因此分离器由湿态转入干态运行过程中屏式过热器入口汽温有一个明显切换点。超临界机组高温过热器汽温调节从控制原理来看，高温（末级）过热器的汽温控制回路与屏式过热器的汽温控制回路基本相同，它也是一个基本回路和
15、一个修正回路所组成。在机组自动启停装置(UAM )投自动时，喷水调节阀开度决定于 UAM 指令。当 UAM 指令不在自动时则由锅炉负荷的函数得到基本的高温过热器入口汽温的设定值。同样在其它工况变化时，则在这一基本设定值上再加上修正信号。在高温过热器入口汽温曲线上同样有一个切换点，它也是由于分离器由湿态转换到干态运行的影响。主汽温度控制的修正信号，其原理如图 6 所示，主汽温度设定值的修正参考了锅炉热应力裕度、汽机热应力裕度与汽机需求温度。其中汽机需求温度是在暖机、初负荷阶段使用。正常后，这一信号用主蒸汽温度设定值代替，见图4-6。主汽温度设定值，高温过热器入口汽温设定值均为锅炉负荷的函数，其曲
16、线见图 7。V P I DK V A汽机需求温度 锅炉热应力裕度汽机热应力裕度操作员偏置S PP V终端过热器出口汽温修正信号终端过热器出口温度图 6 主汽温度修正信号2 5 5 0 7 5 1 0 04 6 04 0 54 6 94 7 44 7 8锅炉负荷 ，终端过热器入口温度 ， 2 5 5 0 7 5 1 0 0锅炉负荷 ，主汽温度 ， 5 3 04 9 04 5 0图 7 高温过热器入口、出口温度与锅炉负荷关系2.超临界机组再热汽温控制2.1 再热蒸汽温度调节特点1) 再热蒸汽压力低于过热蒸汽，一般为过热蒸汽的 1/41/5。由于蒸汽压力低，再热蒸汽的定压比热较过热蒸汽小，这样在等量的蒸汽和改变相同的吸热量的条件下，再热汽温的变化就比过热汽温变化。因此当工况变化时，再
