锅炉毕业论文
基于组态软件的供暖锅炉监控系统设计
摘 要
工业锅炉是采暖供热系统的核心设备，它的主要任务是安全可靠、经济有效地把燃料的化学能转化为热能，进而将热能传递给水，生产出满足需要的蒸汽或热水。
本文主要介绍的是通过组态软件（MCGS）做成的一套锅炉监控系统。大家都知道我们可以把锅炉分为三个相对独立的环节去控制：燃烧系统的控制，汽包液位的控制，过热蒸汽温度的控制。本文也采用了这样的分环节控制的方法。首先，用炉膛内的压力与饱和蒸汽的压力组成串级控制系统去控制燃料的供给量，继而控制了燃烧系统。当然为了安全起见我们还必须用一个压力传感器去测量炉膛内的压力。其次，用饱和蒸汽的温度和汽包的水位组成串级控制去控制给水量，继而控制汽包的水位。最后，用过了减温器的蒸汽的温度与过热后的蒸汽的温度组成串级控制去控制减温水的供给量，继而控制过热蒸汽的温度。该系统具有数据采集，实时控制，在线查询等功能，同时能够通过一些简单的传统控制（PID控制）对其进行相对稳定的控制。
本文针对过路系统三个环节中的每个环节的单独控制（燃烧系统控制，汽包液位控制，过热蒸汽温度控制），得到了比较稳定的锅炉系统，同事又对其进行了较为良好的监控。
关键词：组态软件；锅炉；串级控制；安全
目 录
摘 要 ............................................................... I
第1章 引 言 ........................................................ 1
1.1锅炉研究的背景和意义 ............................................ 1
1.2 锅炉研究的现状和存在的问题...................................... 1
第3章 锅炉工艺流程 .................................................. 4
3.1锅炉工艺流程简介 ................................................ 4
3.2锅炉控制中的控制参数 ............................................ 5
3.2.1锅炉中的主要控制参数 ........................................ 5
3.2.2锅炉参数之间的内在关系 ...................................... 5
3.3锅炉设备的控制系统 .............................................. 6
3.3.1锅炉汽包水位控制 ............................................ 6
3.3.2锅炉燃烧系统的控制 .......................................... 6
3.3.3过热蒸汽系统的控制 .......................................... 7
3.4相关对象的动态特性 .............................................. 8
3.4.1汽包水位的动态特性 .......................................... 8
3.4.2压力的动态特性 ............................................. 10
第4章 锅炉监控系统设计 ............................................. 13
4.1设计方案 ....................................................... 13
4.1.1汽包水位控制系统设计 ....................................... 13
4.1.2燃烧控制系统的设计 ......................................... 14
4.1.3过热蒸汽温度控制 ........................................... 15
第7章 结束语 ...................................................... 16
致 谢 ............................................................... 20
第1章 引 言
1.1锅炉研究的背景和意义
工业锅炉是采暖供热系统的核心设备，它的主要任务是安全可靠、经济有效地把燃料的化学能转化为热能，进而将热能传递给水，生产出满足需要的蒸汽或热水。 我国目前在役运行的工业锅炉共约有52万台，多为燃煤链条炉，它们的特点是应用广，容量小(绝大多数都是 10 t/h以下的分散锅炉)，设备陈旧，耗煤(或油、气)量大(年耗煤量占全国总耗煤量的三分之一)，效率低(平均约为60%)，自动化程度不高。另外由燃料燃烧产生的烟尘、SOX,NOX等对环境造成了严重污染。
随着对生产自动化要求渐高的趋势，改变工业锅炉运行中传统的手动、半自动操作方式已势在必行尤其是近年来我国北方各大城市承受着持续低温天气和煤炭价格大幅度上涨的压力，还要面对供热标准。
工业供暖锅炉的安全运行显的越来越是重要，那么这就要我们用一些方法来监控锅炉的运行。并且在出现异常的情况下能够马上显示出来，这样以便于我们进行整修。所以为了供暖锅炉能够安全有效的运行，我们必须对它进行监控，这就是我们经常说的供暖锅炉监控控制系统[1]。
1.2 锅炉研究的现状和存在的问题
随着信息技术的发展，远程教育中的重要组成部分——远程实验系统获得了越来越多的关注。作为控制类学科的典型实验对象——锅炉控制系统也成了远程实验研究的焦点。现在，绝大多数高校都是购买现成的工控机和成套的实验控制对象以及相应的控制软件(多为组态软件)，成本很高，而且产品功能也不十分完善，灵活性差，实验结果不理想。例如：学生们做 PID锅炉水位定值调节实验时，
只能设定 P、I、D的参数值，然后看下实验的运行结果就行了，这样学生们就不容易深刻理解实验背后较深的控制理论知识，不利于专业素养的培养，也不能适应现代高校控制类相关专业的教学需要和实验教学的发展趋势。因此，开发一种功能完善 、灵活性好，且能够进行自主设计型实验的远程实验监控软件就很有必要。我们选用组态软件（MCGS）作为锅炉控制系统远程实验监控软件的开发工具。锅炉微计算机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软、硬件自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的 1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作[2] 。
作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用微计算机控制，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能。
锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、微机、手自动切换操作、执行机构及阀、滑差电机等部分组成，一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机，手自动切换操作部分，手动时由操作人员手动控制，用操作器控制滑差电机以及阀等，自动时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，这是必不可少的，
以免锅炉发生重大事故[3]。
随着计算机控制系统的发展和成熟，国外发达国家的工业锅炉已经应用了成熟的DCS或FCS产品，如霍尼威尔9000、西门子Teleperm-D、SMAR Sytem302等系统,并取得了良好的效果。我国工业锅炉平均单机容量只有2.4t/h，远低于国外水平（日本为5t/h，美国为14t/h)，容量还不足以大到使用国外成套昂贵设备的程度。近十年来，国内中小型工业锅炉计算机控制系统多采用两级方式，即监管级和控制级，监管级进行监视和管理，控制级完成数据采集和控制功能[4]。
第3章 锅炉工艺流程
3.1锅炉工艺流程简介
锅炉是化工，炼油，发电等工业生产工程中必不可少的动力设备。常见的锅炉设备的主要工艺流程如图3.1所示。燃料和空气按照一定的比例送入燃烧室燃烧，生产的热量送给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过过热器，形成一定气温的过热蒸汽，汇集至蒸汽母管。具有一定压力的过热蒸汽，经负荷设备控制供给负荷设备用，与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变为过热蒸汽外，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 [5]。
3.1 锅炉设备主要工艺流程图
图3.1 锅炉设备主要工艺流程图
3.2锅炉控制中的控制参数
3.2.1锅炉中的主要控制参数
锅炉是全厂的重要动力设备，其要求是供给合格的蒸汽，使锅炉发汽量适应负荷的需要。为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制[5]。锅炉设备是一个复杂的被控对象，主要输入变量是负荷，锅炉给水，减温水，送风和引风等。主要的输出变量是汽包水位，蒸汽压力，过热蒸汽温度，炉膛负压，过剩空气等。锅炉对象简图如图3.2所示：
3.2.2锅炉参数之间的内在关系
锅炉的这些输入变量和输出变量之间相互关联。如果蒸汽负荷发生变化，必
将会引起汽包水位，蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化。燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位，过热蒸汽温度，过热空气和炉膛负压；给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力，过热蒸汽温度也有影响；减温水的变化会导致过热蒸汽温度，蒸汽压力，汽包水位等的变化。所以锅炉设备是一个多输入多输出且相互关联的被控对象[6]。
3.3锅炉设备的控制系统
由于锅炉设备是一个多输入，多输出的且相互关联的被控对象，目前工程处理上做了一些假设后，将锅炉设备控制划为若干控制系统，主要的控制系统可分为锅炉汽包水位控制，锅炉燃烧系统控制，过热蒸汽温度的控制。
3.3.1锅炉汽包水位控制
被控变量是汽包水位，操纵变量是给水量。它主要考虑的是汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许范围内。维持汽包水位在给定范围内室保证锅炉安全运行的重要条件之一，是锅炉运行的重要指标。
如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而且负荷却很大，水的汽化速度又快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏和爆炸；水位过高会影响汽包汽水分离，产生蒸汽带液现象，会使过热器管壁结垢导致破坏，同时过热蒸汽温度急剧下降，该蒸汽作为汽轮机动力的话，还会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全与经济性。汽包水位过高过低的后果极为严重，所以必须严格加以控制。
3.3.2锅炉燃烧系统的控制
锅炉燃烧控制系统的控制的目的是使燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要(常以蒸汽压力为被控变量）；使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证经济燃烧（常以烟气成分为被控变量），提高锅炉的燃烧效率；要让引风量和送风量相适应，以保持炉膛负压在一定范围内。为了达到上述三个控制目的，控制手段也有三个，即燃料量，送风量和引风量。
锅炉燃烧控制系统的基本任务是使燃料所产生的热量能够适应锅炉的需要，同时还要保证锅炉安全经济的运行。燃烧控制的具体内容及控制系统设计因燃料种类，制粉系统，燃烧设备以及锅炉的运行方式不同而有所区别，但是大体上看来都要完成以下几个方面的任务:
（1） 主蒸汽压力的变化反映了锅炉生产的蒸汽量和汽机消耗的蒸汽量相适应的
程度。为此必须设置蒸汽压力控制系统。当负荷变化时，通过控制燃料量使蒸汽压力稳定。
（2） 当燃料量改变时，必须相应地控制送风量，以保证燃烧过程的经济性。
（3） 炉膛压力的高低关系着锅炉的安全经济运行。燃烧控制系统必须要让引风
量（烟气量）与送风量相配合以保证炉膛压力为一定值。
3.3.3过热蒸汽系统的控制
维持过热器出口温度在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。被控变量一般是过热器出口温度，操纵变量是减温水的喷水量。
现代锅炉的过热器在高温高压条件下工作。过热器出口温度是全厂工质温度的最高点，也是金属壁温的最高点，在过热器正常运行时已接近材料允许的最高温度。如果过热蒸汽温度过高，容易烧坏过热器，也会引起汽轮机内部零件过热，
影响安全运行；温度过低则会降低全厂的热效率，所以电厂锅炉一般要求过热蒸汽温度偏差保持在?50C以内。
过热蒸汽温度自动控制系统是锅炉控制中的难点。目前，很多实际系统并没有达到控制指标的要求。其主要原因有下述的两个方面：
（1） 扰动因素多变化大。各种扰动因素对过热蒸汽温度的静态影响的关系我们
要弄清楚。
（2） 控制通道滞后大。控制过热蒸汽温度的手段是调节减温水量。控制通道的
动态特性与减温器的安装位置有关。假若能将减温器安装在过热器的出口，显然控制通道的滞后小的多。但是这样的工艺流程安排对过热器的安全是不利的。为了保证过热器不超温，工艺上总是将减温器安装在过热器的入口，这将带来控制对象较大的滞后[7]。
3.4相关对象的动态特性
3.4.1汽包水位的动态特性
（1）蒸汽负荷对水位的影响即干扰通道的动态特性
在燃料不变的情况下，蒸汽用量突然增加，瞬时必然导致汽包压力下降，汽包内的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，将整个水位抬高，形成虚假的水位上升现象即所谓的假水位现象。
在蒸汽量的扰动下，水位变化的阶跃响应曲线如图3.3所示。当蒸汽流量突然增加时，由于假水位现象，在开始阶段水位不仅不会下降反而会上升，而后下降（反之，当蒸汽流量突然减小时，则水位先下降后上升）。蒸汽突然增加时，实际的水位变化H，是不考虑水面下气泡容积变化时的水位变化H1，与只考虑水面
图3.3 水位变化的阶跃响应曲线
下气泡容积变化所引起水位变化H2的叠加，即
H = H1 + H2 (3.1)
假水位变化的大小与锅炉的工作压力和蒸发量等有关，例如一般100-300t/h的中高压锅炉，当负荷突然变化10%时，假水位可达30-40mm。对于这种假水位现象，在设-*计方案时必须注意[8]。
（2） 给水量对水位的影响，即控制通道的动态特性
在给水流量作用下，水位的阶跃响应如图3.4所示。把汽包和给水看作单容自衡对象，水位响应曲线如图3.4中的H1线。但是由于给水温度比汽包内饱和水
的温度低，所以给水量变化后，使汽包中的气泡减少，导致水位下降。因此使劲的响应曲线是图3.4中的H线，即当突然加大给水量后，汽包水位不是立即增加，而是要呈现出一段起始惯性段。
图3.4 给水流量作用下水位的阶跃响应曲线
3.4.2压力的动态特性
（1）气压的动态特性
气压对象由一系列装置组成，它包括给煤机，炉膛，汽水系统，过热器，汽轮机进气阀和汽轮机。在燃料量和风量同时变化时对发气量基本上是一个纯滞后环节。汽包的压力对象，反映过热器的过热蒸汽压力对象都是一个积分环节。其它的都可以看做是一个比例环节。但是需要指出的是气压的动态特性是与汽轮机调速运行系统的运行情况有关的。当然主蒸汽压力的变化反映了锅炉生产的蒸汽量和汽轮机消耗的蒸汽量相适应的程度，为此我们要设置蒸汽压力控制系统，这也是有气压的动态特性决定的。这里所指的气压是燃料量扰动下的气压和负荷扰动下的气压[9]。
（2）炉膛压力对象特性
为了保证炉膛安全，一般要求炉膛压力略小于大气压力，所以炉膛压力一般
称之为炉膛负压。炉膛负压放映了引风量与送风量之间的平衡关系。当送风量或
引风量单独改变时，炉膛负压惯性变化很小，故可以将炉膛负压对象近似看成是一个时间常数很小的一阶惯性环节。
（3）关于经济燃烧
众所周知，对于燃烧过程应保持燃料量与空气量成比例。但是假若配置的是燃料量与空气量固定的比值控制系统，却因为以下原因，并不能保证在整个生产过程中始终保持经济燃烧。因为其一，在不同的'负荷下，两流量的最优比值是不相同的；其二，燃料成分（如含水分，灰分的量）有可能变化；其三，流量测量的不准确。这些因素都不同程度的影响到燃料的不完全燃烧或空气的过量，造成炉子热效率下降。为了改进这一情况，最好有一个指标来闭环修正两流量的比值。目前常用的是烟气中的含氧量。
烟气中的各种成分，如O2,CO2,CO和未燃烧烃的含量，基本可以反映燃料燃烧
的情况，最简便的方法是用烟气中的氧量A0来表示。根据燃烧反应方程式，可以
计算出使燃料完全燃烧时所需要的氧量，从而可以得到所需的空气量，称为理想空气QT。但是实际上完全燃烧所需的空气量QP，要超过理论计算的量，即要有一定的过剩空气量。由于烟气的热损失占锅炉热损失的绝大部分，当过剩空气增多时，一方面使炉膛温度降低；另一方面使烟气热损失增多。因此过剩空气量对不同的燃料都有一个最优值，以满足经济燃烧的要求[10]。
过剩空气量常用过剩空气系数?来表示，即实际空气量QP与理论空气量QT之比为：
? = QP/QT (3.2) 因此，?是衡量经济燃烧的一种指标。保证锅炉热效率最高的?值称为最佳?值，
最佳?值与锅炉负荷有关，一般?在1.2-1.4之间。
?很难直接测量，但是可用烟气氧含量百分数A0来衡量。在完全燃烧情况下，
存在以下近似式
? = 21/(21-A0) (3.3)
当?=1.2-1.4时，相应A0为3.5-6（O2%）.最佳的氧量值与负荷关系为
A0 = 6-D/50 (3.4)
式中，D为负荷百分数。
第4章 锅炉监控系统设计
4.1设计方案
由于锅炉是一个复杂的控制对象，所以我们要想对其进行全面的监控是很难做到的，在前面我们也都讲过锅炉可以分成为若干个控制环节进行控制，所以我们设计的时候也要这么考虑。在本文中我们是将锅炉控制分为三个环节，但是这三个环节并不是孤立的，它们之间也是相互关联的。下面我们就将三个环节的设计方案一一介绍。
4.1.1汽包水位控制系统设计
前面我们已经说过液位对于整个系统的重要性，这里我们就不做叙述了。汽包水位的控制手段主要是控制给水量，基于这一原理我们可以用汽包的液位去控制给水量，这样构成的是单回路控制系统。但是由于这样控制下，控制效果并不理想，所以我们可以再引入饱和蒸汽温度这个量，蒸汽的温度越高说明炉膛内的压力越大，这样产生的热量就越多，所以自然而然需要的水量就要增加，所以我们可以用汽包液位与饱和蒸汽温度组成串级控制系统这样可以满足汽包液位在一定的稳定状态下。如图4.1所示：
图4.1 汽包水位控制简图
4.1.2燃烧控制系统的设计
现代锅炉中可以分为燃油锅炉和燃煤锅炉。本文所采用的是燃油锅炉。对于现代大型的燃油锅炉，多采用微正压燃烧。这样可以减少漏风，实现低氧燃烧，从而防止锅炉受热面积的腐蚀和污染等。由于低氧燃烧时过剩空气系数很小，在符合变动时更应该注意燃料量与空气量的配合恰当，否则会产生不完全燃烧，引起炉膛爆炸，受热面污染，尾部再燃等事故。因此燃烧系统对于压力的稳定要求很高，所以我们可以考虑用压力去控制燃烧，在本文中我们采用的是炉膛负压与饱和蒸汽压力组成串级控制去控制燃烧系统。前面我们也介绍过主蒸汽（饱和蒸汽）和炉膛压力对整个燃烧系统的重要性这里就不做叙述。但是用这两个量去控
制燃烧系统安全是没有问题，但是要做到经济燃烧却是很难。基于这一点我们还
要控制送风量，在这里我们选用主蒸汽（饱和蒸汽）的压力去控制送风量。如图
4.2所示是锅炉燃烧控制的简图。
图4.2 锅炉燃烧系统简图
4.1.3过热蒸汽温度控制
过热蒸汽的温度是锅炉生产过程的重要参数，一般由锅炉和汽轮机生产的工艺确定。从安全生产和经济技术指标上看，必须控制过热蒸汽温度在允许范围之内。需要指出的是，由于不同的工艺情况，过热蒸汽温度被控过程的控制难度具有极大的差异，假若减温器采用混合器，而且在减温器出口有允许安装测温元件，对于这种情况我们就采用如图4.3的控制方案，这样能得到满意的控制效果。这个方案是两个温度的串级控制，但是该方案设计的前提是减温器到过热器之间有
预留孔，允许安装测温元件去测量温度[11]。
图4.3 过热蒸汽温度控制简图
第7章 结束语
基于组态软件（MCGS）的锅炉监控系统具有以下几个特点：
1 控制功能完善，系统不仅能完成更加复杂的计算，逻辑控制，还加入了锅炉控制信息控制系统，保留了锅炉运行的历史曲线，实时曲线，报警显示，数据存贮，为锅炉的安全运行以及维修技术改造提供了依据。
2 集中显示操作，微机显示屏取代了庞大的现实操作盘，过程信号以多种画面或数据形式显示，运行员利用键盘操作，实现集中管理大大提高了锅炉系统的效率，减少了错误操作。
3 系统拓展灵活，应用微机技术，各种功能主要依靠软件通过公用软件完成，修改控制方案时只需要改软接线即可，系统升级更加灵活。综上所述，基于组态软件的锅炉监控控制系统是现在很实用经济的控制实施方式。
参考文献
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致 谢
在论文工作即将结束之际，在此向我的导师苏成利老师表示深深地感谢。在学习期间，能遇到这样学识渊博的好导师，我感到非常的幸运。在我做论文期间，苏成利老师给予了悉心指导，从论文的整体方向确定到具体步骤的实施，他都给予我细心的帮助，经常在百忙之中抽出时间为我指导，在理论上给我指明方向，在实践中为我解答疑问。尤其在平时的学习和工作中，苏成利老师严谨的治学态度，实事求是的工作作风，甘于奉献的高尚品德给我留下了深刻的印象，成为我终生学习的楷模。
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