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1、 电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 57页 共57 页引言锅炉的工作过程是根据负荷的要求，生产具有一定压力和温度的蒸气。为确保锅炉正常运行和实现自动调节功能，必须安装相关的仪表，用于记录各种参数，如压力、水位等，给自动化控制提供依据。早期锅炉多采用继电器控制，硬接点较多，容易氧化，造成接触不良，使控制失灵。随着计算机和控制理论的发展，锅炉控制技术在国外发展越来越快。据有关资料介绍，目前，国外新兴的工业锅炉上都安装有五个独立的控制系统:燃烧控制系统、炉膛负压控制系统、给水控制系统，蒸汽温度控制系统、空气预热器冷端温度控制系统。上世纪七十年代前，锅炉控制只注重安全性和可靠性，到1927年由
2、于世界能源危机的出现和能源价格的直线上升，各国都把节约能源和开辟能源作为基本国策。在我国的能源消耗中，煤占70%，油占30%。我国设计锅炉的热效率大多在70%一80%之间，锅炉的热效率降低。由于燃油的雾化不好或配风不合理，使锅炉的热效率降低。因而，在原油价格不断上涨的今天，对于工业锅炉的控制，就是要提高锅炉的热效率，使锅炉在最佳工况下运行己成为人们瞩目的课题。而可编程序控制器是一种替代继电器控制系统的新型工业自动化控制装置，具有体积小、功能强、可靠性高、操作简单、维修方便等优点，在工业电气控制领域中得到广泛应用。本文介绍利用PLC编程功能实现对燃油锅炉自动化控制的方法。1 绪论1.1 课题研究
3、目的及意义随着社会生产的发展，人类社会对能源的需求不断增加，我国是世界能源生产大国，也是能源消耗大国，但人均占有量低于世界平均水平，这就使得节约能源在我国显得尤为重要。锅炉是一次性能源煤炭、石油、天然气转换成二次能源蒸汽量的重要动力设备。据有关资料统计，目前我国各类工业锅炉约25万多台，每年耗煤量占全国产量的1/3，同时还消耗大量的石油和天然气。工业锅炉是生产过程中的重要动力设备。在石油化工领域，他主要作用是向各生产装置提供合格的蒸汽，其控制质量的优劣不仅关系到锅炉自身运行的效果，而且还将直接影响到相关装置生产过程的稳定性。目前大多数锅炉在启动和运行的过程中都需要精确的实时控制，然而锅炉的控制
4、系统还采用继电器逻辑控制。这类系统自动化程序很低，大部分操作还是由手动来完成，只能处理一些开关量的问题，无法处理系统的模拟量，即控制一些开关量，其电器线路复杂，可靠性不高，不便维护。四级锅炉系统控制中，每台炉就需要一套继电器控制系统。而采用可编程控制器设计的控制系统实现了锅炉系统的自动控制。本课题的主要目的就是开发一套安全可靠、性能优越的燃油锅炉的控制系统，采用PLC作为整个系统的逻辑控制单元。可编程序控制器PLC是目前最常用的控制装置，其最大的特点就是可靠性高、功能强大，它的高可靠性的设计非常适合在工业现场环境下应用。它不仅能实现复杂的逻辑顺序控制，而且还能完成少量模拟量的过程控制。此外，P
5、LC编程简单，使用方便，现场安装调试的时间短。1.2燃油锅炉的简述燃油锅炉是指燃料使用燃油的锅炉,包括柴油,废油等油料的锅炉。其中使用的燃油是一种液体燃料，它的沸点总是低于着火点，所以燃油的燃烧总是在气态下进行的。燃油经雾化后的油粒喷进炉膛以后，被炉内高温烟气所加热，进行气化，气化后的油气和周围空气中的氧相遇，形成火焰。燃烧产生的热量有一部分传给油粒，使油粒不断气化和燃烧，直到燃烬。油粒直径越小，油粒的燃烧愈快。同样，油粒燃烧所需的氧能及时地供给，油粒的燃烧也愈快。1.2.1 燃油锅炉系统工艺燃油锅炉控制系统是由PLC 来控制燃油锅炉的起动、停止、出现异常情况时能暂停且异常情况消失后能自动按起
6、燃顺序重新工作的。它是由燃油预热器、喷油泵、喷油口、鼓风机、点火变压器、瓦斯阀、压力蒸汽开关、进水阀、排水阀、上下水位开关等组成, 如图1 所示。燃油经燃油预热器预热，由喷油泵经喷油口打入锅炉进行燃烧。燃烧时，鼓风机送风喷油口喷油点火变压器接通（子火燃烧）瓦斯阀打开（母火燃烧）将燃油点燃。点火完毕后，关闭子火与母火，继续送风和喷油，使燃烧持续。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气。锅炉的进水和排水分别由进水阀和排水阀执行，上、下水位分别由水位上限、下限阀检测，蒸汽压力由蒸汽压力阀检测。1.2.2
7、燃油锅炉基本组成部分锅炉的机组组成部分包括锅炉本体和辅助设备两大部分。本体部分包括炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁、过热器、省煤器、空气预热器、再热器等；辅助设备包括送风机、引风机、给水泵等。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。炉膛：又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上，进行火床燃烧的炉膛称为层燃炉，又称火床炉；将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，喷入火室燃烧的炉膛称为室燃炉，又称火室炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧劣质燃料的炉膛称为沸腾炉，又称流化床炉；利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。锅筒：是自然循环和多次强制循环锅炉中，接受省煤器来的
8、给水、联接循环回路，并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排除锅水中的盐水和泥渣，避免含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中。锅筒简体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。其中汽水分离装置的作用是将从水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开来，并尽量减少蒸汽中携带的细小水滴。中、低压锅炉常用挡板和缝隙挡板作为粗分离元件；中压以上的锅炉除广泛采用多种型式的旋风分离器进行粗分离外，还用百页窗、钢丝网或均汽板等进行进一步分离。锅筒上还装有水位表、安全阀等监测和保护设施。燃烧器：是锅炉燃烧设
9、备的主要组成部分，它的作用是把燃油和燃烧所需的空气送入炉膛，并组织合理的气流结构，使燃料能迅速地着火，稳定地燃烧。它具有多级多嘴送风导向结构，这种结构经过特殊设计，能在短时间内使燃油产生高温涡流，具有高效节能，完全燃烧，热利用率高等优点，并且能够消除烟尘，改善工作条件，减轻劳动强度，是节能环保的理想产品.水冷壁：作用是吸收炉内辐射热，将水加热成饱和蒸汽。省煤器：是利用烟气余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。过热器：是将饱和蒸汽加热成具有一定温度的过热蒸汽，提高蒸汽的焓值，从而增加蒸汽的做功能力。空气预热器:是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换热器。再热器：是将
10、汽轮机高压缸的排汽再一次加热，使其温度与过热汽温相等或者相近，然后再送到中。低压缸膨胀做功。引风设备 :包括引风机，烟囱，烟道几部分，用它将锅炉中的烟气连续排除。送风设备 :由送风机和风道组成，用它来供应燃料燃烧所需要的空气。给水设备 :由给水泵和给水管路所组成。给水泵系用来克服给水管路与省煤器的阻力与省锅筒的压力，把给水送入锅筒。水处理设备:其作用为降低给水硬度和清除水中杂质，以防止在锅炉受热面上结水垢和腐蚀，从而提高锅炉经济性和安全性。燃料供给设备:包括供油管路和油枪等。1.2.3 锅炉的工作过程锅炉最基本的组成是气锅和炉子两部分。燃料在炉子里进行燃烧，将其化学能转化为热能，高温的燃料产物
11、热气通过气锅受热面将热量传递给气锅内温度较低的水，水被加热进而沸腾气化，生成蒸汽，蒸汽通过蒸汽母管输送给用户。所以锅炉的工作概括起来应包括三个同时进行的过程:燃料的燃烧过程，烟气向水的传热过程和水的汽化过程。先简要叙述如下:(1)燃料的燃烧过程燃油锅炉的燃烧过程，具有一定温度和压力的燃料油通过油嘴喷入炉膛被雾化成细小的油滴，然后吸收炉内热量，表面逐渐气化成油气，与进入炉膛内的空气混合，形成可燃混合物。然后对燃料进行预热后点火使其燃烧。要使燃料量，空气量和复合蒸汽量有一一对应的关系，这就要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。(2)烟气向水的传热过程由于
12、燃料的燃烧放热，炉内温度很高。在炉膛的四周高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热，将热量传递给管内工质，管内工质经过对流方式进行换热，然后烟气受引风机、烟囱的引力而向炉膛的上方流动，经过蒸汽过热器、省煤器、空气预热器最后以经济的低烟温排出锅炉。(3)水的汽化过程水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和汽水分离过程。经过处理的水经过泵加压，先经过省煤器而得到预热，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。容重大的工质往下流入下锅筒，容重小的工质则向上流入上锅筒，蒸汽产生的过程是借助于上锅筒内装设的汽水分离设备，以及在锅筒本身空间中的重力分离作用，使汽水混合物得以
13、分离。1.3 锅炉自动控制的发展锅炉控制系统的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂、由手动到自动的过程。60年代，锅炉的控制还只是实行人工操作，锅炉的燃烧完全是凭司炉工人的经验，几乎谈不到自动控制。而锅炉设备采用手动操作，则有如下缺点。(1) 蒸汽负荷小波动时，燃料量不随负荷变化，造成蒸汽不稳定，增加了燃料消耗。(2)手动误差大;风、燃料配比控制不能自调，热效率低。到了70 -80年代，逐步出现了由常规检测仪表和调节仪表构成的模拟控制系统，它具有可靠性高，成本低，易于操作和维护等优点，在大、中、小工业企业中得到了广泛应用，解决了不少自动化方面的问题。用常规仪表控制，也有一定的局限性，主
14、要表现在:(1)难以实现复杂的控制规律。如最优控制、自适应控制、模糊控制、人工智能控制等。(2)用常规仪表难于实现集中监测且操作管理水平低。(3)改变控制方案比较困难。(4)一次性投资大，成本高。到了90年代，随着微型计算机技术的发展，计算机在工业锅炉的自动测试和控制方面的技术也日趋成熟。利用微机代替常规仪表实现对工业锅炉的控制己越来越多地被生产厂家采用。锅炉采用微机控制不仅可实现锅炉运行的自动调节，锅炉运行的安全性也大为提高。同时可以大大减轻工作人员劳动强度，改善工作环境，而且可以使锅炉热效率最佳，节约燃料4%-5%。锅炉采用微机控制系统一般有如下特点:(1)计算机具有分时操作能力，可以实现
15、一机多控。(2)计算机的逻辑判断能力和存贮能力使它能够根据工况变化，做出正确判断，选择最合理最有利的控制方案。(3)计算机控制系统能够实现多种的控制算法。(4)高速性，高精度性。进入21世纪以来，人类进入了一个以知识经济为特征的信息时代，检测技术、计算机技术和通讯技术一起构成现代信息的三大基础。21世纪第一个10年的热点必将是传感、执行与检测。锅炉自动化控制系统作为传感、执行与检测技术的一个应用方面也必将跨入数字化、网络化和智能化时代。而且，对于大规模锅炉群控，检测技术、计算机技术和通讯技术的结合在一起，形成锅炉控制系统的集成化管理、网络化控制，这将是锅炉控制系统发展的又一个里程碑。而在锅炉控制理论方面，也有许多优秀的控制理论相继出现。最为典型的是PID控制，即比例、积分和微分控制。后来，模糊控制理论得到长足发展，目前己经很好地应用在锅炉控制系统上。工业组态软件的应用使软件功能性增强，内容丰富，具有良好的人机界面，更加方便了操作人员。1.4 本文的主要研究内容本系统在进行实际调研和广泛收集相关资料的基础上，设计燃油锅炉电气系统，主要电机采用Y-D起动控制，并且设计了电机过流保护：运行中当电机电流大于额定电流的1.05倍时产生过流跳闸,同时产生声光报警信号。论文中对燃油锅炉电气系统主回路进行详细的计算，分析并选择电动机、断路器、交流接触器、继电器、互感器、电缆线等主要电器的
