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1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化0804 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: 小型余热锅炉蒸汽温度串级控制系统的设计 初始条件在冶金等生产行业中依靠高温烟气作为热源的余热锅炉使用普遍,这种小型锅炉的主要作用是对烟气进行降温,同时产生蒸汽供其他生产工序使用。特点是：由于烟气流量和温度由前一个工序决定,直接导致锅炉热源不稳定。针对小型余热锅炉的特点,设计一控制系统（主被控变量为温度，副被控变量为锅炉内的水温，控制变量为流入锅炉的水流量，干扰变量为前一个工序产生的烟气流量和温度），使出口蒸汽温度为360，稳态误差为6。要求完成的主要任务: 1、了解小型余热锅炉设备组成及其生产工
2、艺2、基于对象特点分析并结合控制策略，绘制温度控制系统方案图3、确定系统所需检测元件、执行元件、控制器技术参数4、撰写系统调节原理及调节过程说明书 5、总结课程设计的经验及收获。时间安排12月19日 选题、理解课题任务、要求 12月20日 方案设计12月21-28日 参数计算、撰写说明书12月29日 答辩指导教师签名： 2011年 12月 29 日系主任（或责任教师）签名： 2011年 12月 29 日摘 要节约能源,提高生产工艺过程中的能量利用率和开发研究新的节能技术已成为各国研究能源利用技术的主要课题。冶金等生产行业依靠高温烟气作为热源的余热锅炉使用普遍,这种小型锅炉的主要作用是对烟气进行
3、降温,同时产生蒸汽供其他生产工序使用。本文先介绍了余热锅炉的结构和原理，控制系统采用串级控制以提高系统的控制性能，关键字 余热锅炉 串级温度控制 PID整定 Matlab仿真武汉理工大学仪表与过程控制系统课程设计说明书目 录1小型余热锅炉设备组成及生产工艺11.1余热锅炉定义11.2余热锅炉设备组成11.3工作原理21.4余热锅炉的分类与特点21.5余热锅炉现状及发展32小型余热锅炉蒸汽温度控制系统设计52.1控制方案选择52.1.1 单回路控制方案52.1.2 串级控制方案62.1.3最终选择方案62.2串级控制系统方框图72.3余热锅炉蒸汽温度控制系统原理图73元件选择及控制器参数设计83
4、.1温度传感器及变送器83.1.1温度传感器83.1.2温度变送器83.2 调节阀103.2.1调节阀气开、气关作用方式选择103.2.2 调节阀流量特性选择103.3 控制器设计103.3.1 控制器控制规律的选择103.3.2 控制器正、反作用选择113.3.3 控制器的电路实现113.3.4调节器选型113.5 控制器参数整定133.5.1 主变量的选择133.5.2副变量的选择133.5.3控制变量的选择133.5.4调节器参数的整定144 调节过程分析155 Matlab 仿真156 小结与体会176参考文献1818武汉理工大学调节仪表与过程控制系统课程设计说明书小型余热锅炉蒸汽温度
5、控制系统的设计1小型余热锅炉设备组成及生产工艺1.1余热锅炉定义余热锅炉是利用各种工业过程中的废气、废料或废液中的显热或(和)其可燃物质燃烧后产生的热量的锅炉。或者在燃油(或燃气)的联合循环机组中，利用从燃气轮机排出的高温烟气热量的锅炉。1.2余热锅炉设备组成余热锅炉由锅筒、活动烟罩、炉口段烟道、斜1段烟道、斜2段烟道、末1段烟道、末2段烟道、加料管（下料溜）槽、氧枪口、氮封装置及氮封塞、人孔、烟道的支座和吊架等组成。其原理图如图1所示。 余热锅炉共分为六个循环回路，每个循环回路由下降管和上升管组成，各段烟道给水从锅筒通过下降管引入到各个烟道的下集箱后进入各受热面，水通过受热面后产生蒸汽进入进
6、口集箱，再由上升管引入锅筒。各个烟道之间均用法兰连接。其实物图如图2所示。图1 余热锅炉原理图图2 余热锅炉实物图1.3工作原理燃烧设备出来的高温烟气经烟道输送至余热锅炉入口，再流经过热器、蒸发器和省煤器，最后经烟囱排入大气，排烟温度一般为 150180，烟气温度从高温降到排烟温度所释放出的热量用来使水变成蒸汽。锅炉给水首先进入省煤器，水在省煤器内吸收热量升温到略低于汽包压力下的饱和温度进入锅筒。进入锅筒的水与锅筒内的饱和水混合后，沿锅筒下方的下降管进入蒸发器吸收热量开始产汽，通常是只用一部分水变成汽，所以在蒸发器内流动的是汽水混合物。汽水混合物离开蒸发器进入上部锅筒通过汽水分离设备分离，水落
7、到锅筒内水空间进入下降管继续吸热产汽，而蒸汽从锅筒上部进入过热器，吸收热量使饱和蒸汽变成过热蒸汽。根据产汽过程的三个阶段对应三个受热面，即省煤器、蒸发器和过热器，如果不需要过热蒸汽，只需要饱和蒸汽，可以不装过热器。当有再热蒸汽时，则可加设再热器。1.4余热锅炉的分类与特点按余热的性质可分为以下几大类: 1.高温烟气余热:它是常见的一种形式,其特点是产量大,产点集中, 连续性强, 便于回收和利用, 其带走热量占总热量4050%,该余热锅炉回收热量,可用于生产或生活用热及发电。 2. 高温炉渣余热:如高炉炉渣,转炉炉渣,电炉炉渣等,该炉渣 温度在1000以上,它带走的热量占总热量的20%。3.高温
8、产品余热:如焦炉焦碳,钢锭钢坯,高温锻件等,它一般 温度.很高,含有大量余热.。4.可燃废气、废液的余热:如高炉煤气,炼油厂的催化裂化再生废气,造纸厂的黑液等,它们都可以被利用。5.化学反应余热:如冶金,硫酸,磷酸,化肥,化纤,油漆等工 业部门,都产生大量的化学反应余热。 6.冷却介质余热:如工业炉窑的水套等冷却装置排出的大量冷却 水,各种汽化冷却装置产出的蒸汽都含有大量的余热,它们都可 以被合理利用。7.冷凝水余热:各工业部门生产过程用汽在工业过程后冷凝减 时所具有的物理显热。由于余热是与其它生产设备及工艺密切相关,故余热利用又具有以下特点: 1. 热负荷不稳定,主要有工艺生产过程所决定。2
9、.烟尘的成分,浓度,粒度差别比较大，从而使锅炉的受热面布置受影响,必须考虑防磨、堵灰及除尘。 3.烟气成分的多样性,使有的烟气具有腐蚀性。如烟气中的二氧化硫,烟尘或炉渣中的各种金属和非金属元素等都可能对余热设备产生低温或高温腐蚀和积灰。 4.受安装物所固有条件的限制。如有的对锅炉进,出烟口标高 的限制;有的对锅炉排烟温度的限制,使其满足生产工艺的要求。1.5余热锅炉现状及发展目前，国外利用余热发电的新趋势，是单机功率小，载热体温度低(即利用中低温余热发电)。国内也有一些利用余热发电，如炭黑工业中的低热值尾气余热和硫酸工业中的硫酸余热发电等，所发的电能主要供工厂自用。目前，已把如何利用中低温的低
10、品位余热发电，作为开发节能新技术的重要课题。余热锅炉是一种理想的节能设备， 它不但能节约能源，而且对提高主流程的质量，减轻公害和满足某些工艺流程要求，都起着十分重要的作用。现有的余热锅炉按进锅炉的介质特性，有以下几种主要型式：(1)废烟气不需要进一步处理的余热锅妒；(2)废烟气需要进一步处理的余热锅炉；(3)废烟气要进一步处理， 且其冷却应在给定的间时内完成的余热锅炉；(4)固体显热的余热锅炉近十几年，余热锅炉技术发展十分迅猛。七十年代初我国着手并开始实施发展余热锅炉的规划。从1974年到1980年，先后投资扩建余热锅炉研究和制造基地， 现已形成具有一定的余热锅炉研制能力以及科研基础。至今已开
11、发并制造了涉及15个类剐、74个品种、101个规格的余热锅炉2000余台。我国余热锅炉产品技术水平， 除少数接近或达到国际上同类产品的先进水平外， 大多数相当于国外五， 六十年代的水平，其主要差距反映在以下几个方面；(1)热利用率低；(2)自控水平落后；(3)积灰率高和清除效果差(特别是有色冶炼工艺中的余热锅炉)。实践证明，余热锅炉在各企业的节能中发挥了相当有效的作用， 获得了较好的经济效益， 其投资一般可在3 4年内回收。余热锅炉的作用现已超越了单纯的余热利用，事实上它的作用与工艺流程现代化和防止环境污染方面已无法截然分开， 所以各种类型的余热锅炉相继问世。我国近几年产量每年约在400500
12、蒸吨之间，尚不能满足市场的需要。据预测，1990年，全国余热锅炉需要量在1000蒸吨年以上。随着技术的进步，今后工业部门将普遍采用高能效的先进工艺流程，这样能源的有效利用率提高，高温余热资源总量相应减少，而中、低温余热资源相应增长。因此，余热利用技术将由高温余热回收技术转向中，低温和固体显热的余热回收利用技术，但在近期仍以发展高温余热回收的锅炉产品为主。如干法熄焦余热锅炉，化铁炉余热锅炉， 转炉余热锅炉等。当然也必须为今后开发中、低温和固体显热回收的余热利用技术以及城市垃圾焚烧余热锅炉开展一些科研工作， 以加快设计，制造各种类型、容量和参数的余热锅炉，满足来来市场的需求。余热锅炉是机械产品及余
13、热发电设备的一个重要组成部分，因此发展余热锅炉，振兴余热锅炉行业，也是振兴机械工业和电力工业，促进产品上质量、上品种和上水平不可缺少的环节。为实现上述目的，建议采取以下措施：1改进老式产品，开发新产品，赶上世界先进水平；2在产品开发中，科研设计要与推广应用相结合；3加强与国外的技术交流，借鉴国外的先进经验；4制定必要的技术和经济政策，发挥科研人员的工作积极性。2小型余热锅炉蒸汽温度控制系统设计2.1控制方案选择随着控制理论的发展，越来越多的智能控制技术，如自适应控制、模型预测控制、模糊控制、神经网络等，被引入到锅炉过热蒸汽温度控制中。但这些控制技术主要是为了改善和提高控制系统的控制品质，并没有
14、从引起过热蒸汽温度波动的源头入手。通常，烟气温度过高是引起过热蒸汽温度过高的主要原因。一般，过热蒸汽温度在烟气扰动下延迟较小，而在减温水量扰动下延迟较大，这种特性将使过热蒸汽温度的控制滞后。蒸汽温度系统则是余热锅炉系统安垒正常运行，确保蒸汽品质的重要部分。本设计主要考虑的部分是余热锅炉蒸汽温度系统的控制。蒸汽温度系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。控制任务是使过热器出口温度维持在允许范围内，并保护过热器时管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度过高或过低，对余热锅炉运行及蒸汽用户设备都是不利的，过热蒸汽温度过高，过热器容易损坏，汽轮机也因内部过度的热膨胀而严重影响安全运行；过热温度过低，
15、一方面使设备的效率降低，同时使汽轮机后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损，所以必须把过热器出口蒸汽的温度控制在规定范围内。余热锅炉过热蒸汽系统主要由一级过热器、减温器和二级过热器组成， 在锅炉生产过程中，过热蒸汽温度是整个汽水通道中最高的温度。过热器温度过高将导至过热器损坏，同时还会危及汽轮机的安全运行。过热器温度过低则将使设备效率降低，影响经济指标。影响过热蒸汽温度的因素很多，其中主要的有：过热器是一个多容且延迟较大的惯性环节，设备结构设计与控制要求存在若矛盾，各种扰动因素之闻相互影响，如蒸汽量、锅炉给水温度、流经过热器的烟气温度及流速的变化等。而对各种不同的扰动，过热蒸汽温度的动态特性也各不相同。因此，过热蒸汽温度控制的主要任务就是：(1) 克服各种干扰因素，将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许的
