10吨燃气锅炉燃烧系统的设计课程设计（论文） .doc

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1、辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书 （论文）过程控制系统课程设计（论文）题目： 10吨燃气锅炉燃烧系统的设计 本科生课程设计（论文）摘 要在大型合成氨工厂中，蒸汽锅炉担负着向全厂提供蒸汽的任务。它正常运行与否，将直接关系到合成氨生产的全局。因此，必须对蒸汽锅炉的正常运行采取一系列的保护性措施。其中蒸汽锅炉的燃烧系统就是采取保护性措施项目之一。本设计采用双闭环比值控制系统和反馈控制系统结合的方法综合控制合成氨蒸汽锅炉，本设计着重考虑了燃料气管线的脱火和回火问题。关键词：合成氨；10t蒸汽锅炉；双闭环比值控制系统；反馈控制系统目 录第1章 绪论11.1 结合设计概括发展技术11.2 过

2、程控制装置与系统的发展趋势1第2章 课程设计的方案论证32.1 课程设计的方案32.2 方案概述32.3 系统的结构4第3章 器件选型及硬件设计63.1 调节阀气开气关的选择63.2 调节器正反作用的选择63.3 仪器的选型6第4章 控制规律的选择84.1 调节规律的比较84.2 调节规律的选择及参数的整定8第5章 系统分析及数据的处理105.1 被控对象建模方法的确定105.2 机理法建立被控对象的数学模型105.3 仿真12第6章 课程设计总结15参考文献16III第1章 绪论1.1 结合设计概括发展技术19世纪工业革命以来，工业成产过程经历了由简单到复杂、规模由小到大的不断发展，出现了许

3、多大型化、现代化、多品种、精细化的过程生产系统，提供各种产品以满足人们的需要。由于生产领域的不断扩展、系统规模不断扩大、工艺要求越来越高，对过程控制的功能、效率和可靠性提出了更高的要求，如果没有高性能的过程控制系统，则大型的生产过程根本无法实现正常运行。过程控制技术是自动化技术的重要应用领域，随着生产技术水平迅速提高与生产规模的持续扩大，对过程控制系统的要求越来越高，促使过程控制理论研究不断发展，同时，理论研究成果在电子技术、计算机技术的基础上不断地转化为自动化产品与系统，以满足生产过程不断发展的需要。生产实际问题、控制理论研究和控制系统产品的开发三者互相促进、共同推动着现代化过程控制技术的迅

4、速发展。现代过程控制系统技术在优化生产系统的经济、技术指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面发挥着越来越大的作用。1.2 过程控制装置与系统的发展趋势20世纪40年代以前，工业生产技术水平相对落后，生产过程大多处于手工操作状态，操作工通过目测判断生产过程的状态，手动调整生产过程，生产效率很低，40年代以来，特别是第二次世界大战以后，工业生产过程自动化技术发展很快，尤其是近些年来，在IT技术的带动下，过程控制技术发展十分迅速，过程控制系统主要经历了以下几个时期：局部自动化阶段、集中控制阶段、集散控制阶段。进入20世纪90年代以后，随着测量仪表数字化、通信系统网络化和集散

5、型控制技术日益成熟、现场总线技术以及基于现场总线技术的网络化分布式控制系统逐步推广、使用，使过程控制系统的开放性、兼容性和现场仪表与装置的智能化水平发生了质的飞跃。工厂自动化、计算机集成过程控制、计算机集成制造系统和企业资源综合规划等方案的规划和实施，正在成为提高工业生产过程经济效益的关键手段。在过程控制技术的发展中，控制策略与算法也经历了由简单到复杂控制、先进控制的发展历程，通常将1942年的单回路PID控制成为简单控制，以经典控制理论为基础的PID过程控制应用最多的控制规律，现在仍在各种过程控制系统中广泛应用，在DCS以及逻辑控制为主的大型PLC系统中，均设有PID控制模块。第2章 课程设

6、计的方案论证2.1 课程设计的方案设计要求中要考虑蒸汽锅炉所用的燃料为天然气或其它燃料气，工艺要求控制蒸汽压力为3.80.1Mpa，燃料气管线既要考虑“脱火”又要考虑“回火”的保护问题。脱火是指火焰短，火焰根部离开了灶具火孔一段距离燃烧，有时燃烧一会就熄灭，这种现象称为脱火。产生脱火的主要原因是一次空气量过多，产生气流速度大于燃烧速度所造成的。回火是指火焰在引射管内燃烧，并发出响声，此时火焰内外锥不再分明，有时点火是由于气量过小会发生回火并发出“喷”的一声，回火是由于燃烧速度大于气流速度所造成的。所以系统采用单闭环比值控制系统，以天然气的量为主控对象，当锅炉内气压发生变化时，只需调节主对象的值

7、即可，副对象会自动与主对象保持一定的比例关系。由于需要控制锅炉内的压力，当燃气的热值不变时考虑到锅炉内的压力与燃气的供给量成一定的函数关系，又考虑到系统的经济性与可行性，只需在单闭环控制系统的基础上增加一个单回路反馈控制系统即可。通过压力变动器测量锅炉内的压力，经过控制器的计算控制和改变燃气管道调节阀的开度即可实现合成氨锅炉内的压力控制。2.2 方案概述本设计采用单闭环比值控制系统配合单回路反馈控制系统的方法实现合成氨锅炉内压力的控制，系统具有结构简单、易于实现、经济等优点，在简单的控制场合和对系统要求不高的场合有很强的适用性。本设计采用比值控制系统可保证系统的安全生产，在合成氨的生产中，如果

8、比例失调会影响生产的正常进行，影响产品质量，造成环境污染，甚至引发生产事故，在锅炉燃烧系统中要保证燃料和空气的合适比例，才能保证燃烧的经济性，在合成氨的生产中，天然气的量和空气的量要保持一定的比例关系，若氧-天然气的比例过高时，因炉内温度过高使天然气的燃烧嘴和耐火砖烧坏，严重时甚至引起炉子的爆炸；如果比例过低时，则会造成炭黑增多，发生堵塞燃烧嘴的现象，这都是工业生产中所不允许的。所以基于系统的安全性和经济性，本设计采用了比值控制系统，而天然气的量是要根据炉内气压变化的，所以本系统采用单闭环比值控制系统。2.3 系统的结构如图2.1所示为系统结构图 图2.1 系统结构图Gc1Go1Gm1Gc2G

9、v2Go2Gm2Gv1+-+-Gm3Gc3如图所示图2.1是系统的结构框图,通过压力变送器检测锅炉内压力，锅炉内压力与天然气的量成一定的函数关系，压力检测完成后，检测到的压力信号通过控制器调节天然气管道阀的开度，系统采用的是单闭环比值控制系统，所以空气的进气量与天然气的进气量成比例关系。如图2.2是系统的结构框图 图2.2 系统结构框图 如图2.2 为系统结构框图,Gm1是压力变送器的传递函数， Gm2是空气输送管道流量变送器的传递函数，Gm3是天然气管道流量变送器的传递函数， Gc1天然气管道流量变送器对应的控制器的传递函数， Gc2是空气管道阀控制器的传递函数，Gc3是压力变送器对应的控制

10、器的传递函数，Go1是被控对象天然气流量的传递函数，Go2是被控对象空气流量的传递函数，Gv1天然气管道调节阀的传递函数，Gv2是空气管道调节阀的传递函数。第3章 器件选型及硬件设计3.1 调节阀气开气关的选择本设计需要控制的对象为天然气，属于易燃易爆物质，因此所有仪表均采用气动式仪表。调节阀开、关作用方式的选择主要以不同生产工艺条件下，人员安全、生产安全、系统及设备安全的需要为首要依据。气开调节阀随着控制信号的增加而开度加大，当午压力信号时，阀门处于全关闭状态；与之相反，气开式调节阀随着压力信号的增加，阀门逐渐关小，当无信号时，阀门处于全开状态。本设计被控对象为锅炉压力，当设备发生故障时，需

11、要系统停止加热，即没有压力信号时，阀门处于全关状态，所以阀门采用气开式。本设计采用的是上海方高阀门制造有限公司的ZJHP气动单座调节阀。此调节阀价格较为经济。3.2 调节器正反作用的选择当设定值不变时，随着测量量的增加，调节器的输出也增加，则称之为“正作用”方式；同样，当测量值不变时，设定值减小时，调节器的输出也增加，称为“正作用”方式。反之，如果测量值增加或设定值减小时，调节器的输出减小，则称为“反作用”方式。本设计中被控对象为加热炉内压力，当炉内压力升高时，需要减小燃料的供给，即应当减小调节阀的开度，所以压力变送器应为正作用，炉内压力升高，压力变送器输出的值增大，对应的控制器应为反作用，即

12、对应控制器的输出应当减小。3.3 仪器的选型本设计所采用的仪表均为DDZ-型仪表，电压输出为1-5V，电流输出为4-20mA,气动仪表输出为0.02-0.1MPa，压力变送器采用安徽常辉仪表有限公司的DX133压力变送器。该压力变送器有两个量程0-100KPa和100KPa-60MPa型号，设计要求控制压力在3.8MPa,所以本设计采用100KPa-60MPa量程的压力变送器。流量变送器采用丹东东华测控有限公司的QZL-250AW的气体流量变送器。此流量变送器测量的最大流量为250L/min,电气转换采用常熟市常仪仪表有限公司的QZD1000B-B的电气转换器，输出压力为20KPa-100KP

13、a,气源压力为0.14MPa。调节器采用DTZ-2100S型调节器。可进行PI或PID调节，输出信号给电气转换器，电气转换器驱动气动执行器动作。第4章 控制规律的选择4.1 调节规律的比较比例调节(P)是利用偏差实现控制的，是一种有差调节，比例调节系统的净差随比例度的增大而增大，对于设定值不变的系统，即定值控制系统采用比例调节可使被控参数对设定值实现有差跟踪，但若设定值随时间匀速变化时，其跟踪误差将会随时间的增大而增大，因此比例调节不适合设定值对时间变化的情况。比例调节是最简单的调节，比例调节适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有无差要求的系统。积分调节(I)是无差调节，调节器的输出

14、信号与输入偏差积分成正比关系，积分调节不存在静差，但与比例调节相比，积分调节系统的稳定性差，消除偏差速度比较缓慢，系统的过渡时间长，积分调节使系统的相频特性增加了90的相位滞后。比例积分调节(PI)结合了比例的快速性和积分的无静差，比例积分调节器是适用最普遍的调节器，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有静差的系统。采用积分调节的调节器要注意防止积分饱和现象发生。比例微分调节(PD)也是有差调节，比例微分环节具有提高系统稳定性、抑制过渡过程最大动态偏差的作用，同时，比例微分调节还有利于提高系统的响应速度，减小系统静差，但比例微分调节存在不足之处，那就是当微分作用太强时，容易导致调节阀的频繁开启，甚至向两端饱和，容易造成震荡，也就是说比例微分调节器的抗干扰能力较差。比例积分微分调节器把比例调节的快速性、积分调节消除静差的能力、微分调节的可预见性结合起来，就构成了比例积分微分调节器（PID）4.2 调节规律的选择及参数的整定比例调节是最简单啊调节规律，它对控制作用和扰动作用的响应都很迅速，比例调节只有一个参数，整定简便，比例调节的主要缺点是存在静差，对象调节通道小、负荷变化与外部扰动小、工