2010 年第五屆西門子杯全國大學生控制仿真挑戰賽考題年第五屆西門子杯全國大學生控制仿真挑戰賽考題 根據所提供的工藝對象 通過分析其對象動態特性 設計和實施完整的控制方案 方案中需突出本次大賽主題 低碳 安全 一 被控對象描述一 被控對象描述 1 工藝流程介紹工藝流程介紹 所選被控對象為工業領域廣泛應用的自然循環鍋爐 經處理的軟化水進入除氧器 V1101 上部的除氧頭 進行熱力除氧 除氧蒸汽由除氧 頭底部通入 除氧的目的是防止鍋爐給水中溶解有氧氣和二氧化碳 對鍋爐造成腐蝕 熱力除氧是用蒸汽將給水加熱到飽和溫度 將水中溶解的氧氣和二氧化碳放出 在除氧 器 V1101 下水箱底部也通入除氧蒸汽 進一步去除軟化水中的氧氣和二氧化碳 除氧后的軟化水經由上水泵 P1101 泵出 分兩路 其中一路進入減溫器 E1101 與 過熱蒸汽換熱后 與另外一路混合 進入省煤器 E1102 進入減溫器 E1101 的鍋爐上 水走管程 一方面對最終產品 過熱蒸汽 的溫度起到微調 減溫 的作用 另一方面 也能對鍋爐上水起到一定的預熱作用 省煤器 E1102 由多段盤管組成 燃料燃燒產生 的高溫煙氣自上而下通過管間 與管內的鍋爐上水換熱 回收煙氣中的余熱并使鍋爐上 水進一步預熱 被煙氣加熱成飽和水的鍋爐上水全部進入汽包 V1102 再經過對流管束和下降管進 入鍋爐水冷壁 吸收爐膛輻射熱在水冷壁里變成汽水混合物 然后返回汽包 V1102 進 行汽水分離 鍋爐上汽包為臥式圓筒形承壓容器 內部裝有給水分布槽 汽水分離器等 汽水分離是上汽包的重要作用之一 分離出的飽和蒸汽再次進入爐膛 F1101 進行汽相 升溫 成為過熱蒸汽 出爐膛的過熱蒸汽進入減溫器 E1101 殼程 進行溫度的微調并 為鍋爐上水預熱 最后以工藝所要求的過熱蒸汽壓力 過熱蒸汽溫度輸送給下一生產單 元 燃料經由燃料泵 P1102 泵入爐膛 F1101 的燃燒器 空氣經由變頻鼓風機 K1101 送 入燃燒器 燃料與空氣在燃燒器混合燃燒 產生熱量使鍋爐水汽化 燃燒產生的煙氣帶 有大量余熱 對省煤器 E1102 中的鍋爐上水進行預熱 2 工藝過程簡介工藝過程簡介 軟化水流量為 F1106 溫度為常溫 20 經由調節閥 V1106 進入除氧器 V1101 頂 部 除氧蒸汽分兩路 一路進入熱力除氧頭 管線上設有調節閥 PV1101 另外一路進 入除氧器下水箱 管線上設有開關閥 XV1106 除氧器壓力為 P1106 除氧器液位為 L1101 軟化水在除氧器底部經由上水泵 P1101 泵出 鍋爐上水流量為 F1101 鍋爐上水管線上設有上水泵出口閥 XV1101 上水管線調 節閥 V1101 以及旁路閥 HV1101 鍋爐上水被分為兩路 一路進入減溫器 E1101 預 熱 預熱后與另外一路混合進入省煤器 E1102 兩路鍋爐上水管道上分別設有調節閥 V1102 和 V1103 正常工況時 大部分鍋爐上水直接流向省煤器 少部分鍋爐上水流 向減溫器 其流量為 F1102 汽包 V1102 頂部設放空閥 XV1104 汽包壓力為 P1103 汽包中部設水位檢測點 L1102 在汽包中通過汽水分離得到的飽和蒸汽溫度為 T1102 經過爐膛汽相升溫得到 的過熱蒸汽溫度為 T1103 過熱蒸汽進入減溫器 E1101 進行溫度的微調 最終過熱蒸汽壓力為 P1104 溫度 為 T1104 流量為 F1105 過熱蒸汽出口管道上設調節閥 V1105 燃料經由燃料泵 P1102 泵入爐膛 F1101 的燃燒器 燃料流量為 F1103 燃料壓力 為 P1101 燃料流量管線設調節閥 V1104 燃料泵出口閥 XV1102 空氣經由變頻風機 K1101 送入燃燒器 變頻器頻率為 S1101 被歸一化到 0 100 之間 空氣量為 F1104 省煤器煙氣出口處的煙氣流量為 F1107 溫度為 T1105 煙氣含氧量 A1101 設有在 線分析檢測儀表 煙道內設有擋板 DO1101 爐膛壓力為 P1102 爐膛中心火焰溫度為 T1101 為紅外非接觸式測量 僅提供大 致溫度的參考 3 儀表及操作設備說明儀表及操作設備說明 1 檢測儀表 位號檢測點說明單位 位號檢測點說明單位 AI1101煙氣含氧量 PT1101 燃料壓力MPa FT1101 鍋爐上水流量kg hPT1102 爐膛壓力MPa FT1102 去減溫器的鍋爐上水流量kg hPT1103 汽包壓力MPa FT1103 燃料流量kg hPT1104 過熱蒸汽壓力MPa FT1104 空氣量m3 s PT1106 除氧器壓力MPa FT1105 過熱蒸汽流量kg hTT1101 爐膛中心火焰溫度 FT1106 軟化水流量kg hTT1102 汽水分離后的過熱蒸汽溫度 FT1107 煙氣流量kg hTT1103 進入減溫器的過熱蒸汽溫度 LT1101除氧器液位 TT1104 最終過熱蒸汽溫度 LT1102汽包水位 TT1105 煙氣溫度 2 執行機構 位號執行機構說明位號執行機構說明 V1101鍋爐上水管線調節閥V1106軟化水管線調節閥 V1102直接去省煤器的鍋爐上水管線調節閥PV1101除氧蒸汽管線調節閥 V1103去減溫器的鍋爐上水管線調節閥S1101鼓風機變頻器 V1104燃料管線調節閥DO1101煙道擋板 V1105過熱蒸汽管線調節閥 3 開關閥 位號執行機構說明位號執行機構說明 XV1101鍋爐上水泵出口閥 截止閥XV1104汽包頂部放空閥 XV1102燃油泵出口閥 截止閥XV1106通入除氧器下水箱的除氧蒸汽管線閥 4 手操閥 位號執行機構說明 HV1101鍋爐上水管線調節閥旁路閥 二 比賽題目和要求二 比賽題目和要求 簡介 根據甲方對于安全 穩定 減排的生產目標 設計和實施完整的控制系統 考核學生系統分析能力 系統設計能力 綜合優化的能力 現場要求完成 Profibus DP 現場總線的配置 成熟的 HMI 人機界面組態 控制系 統參數整定和調優 接受系統可能的各類干擾的挑戰 決賽的主要比賽形式從某一指定 工況開始升降負荷來觀察控制效果 1 控制系統設計的考慮控制系統設計的考慮 1 滿足生產指標的考慮 在過熱蒸汽產量穩定的前提下 保證蒸汽的溫度與壓力達到工藝要求 并維持在允 許的波動范圍之內 2 滿足安全指標的考慮 鍋爐汽包水位 除氧器水位 爐膛壓力 煙氣含氧量等與系統安全相關的指標必須 全程在允許范圍之內 所有操作要保證有序進行 工況要保持全程穩定 各類生產過程 中可能產生的異常要充分予以考慮 2 滿足優化指標的考慮 出于對效能 環境等因素的考慮 要求在控制系統的設計和實施中對能耗 碳排放 等指標予以充分考慮 2 比賽要求比賽要求 針對控制要求 需要選手在理解被控對象的基礎上 完成 1 基礎控制系統的設計 包括控制回路 控制算法 被控變量 操縱變量 控制 規律 閥門特性等的選擇 以及開車 正常停車順序控制系統的設計 并說明理由 2 安全相關系統的設計 包括聲光報警系統 安全聯鎖系統 緊急停車系統 安 全儀表系統等的設計 并說明理由 3 儀表選型與儀表連接 包括控制器 測量變送裝置 執行機構的選擇 并表達 出各單元之間的信號連接 4 在 SIMATIC PCS7 上完成 DCS 應用組態 包括控制算法組態和監控畫面組 態 5 自控系統調試 完成控制系統投運和控制器參數整定 6 自控方案答辯 7 自控系統交工驗收 由專家組提出控制要求 評估控制系統性能 初賽要求參加比賽的各支參賽隊完成上述任務中第 1 3 項 即控制系統設計 儀表選型及儀表連接的表達 要求選手以工程文檔方式撰寫設計方案 評委基于所撰寫 的工程文檔的合理性 可行性 完整性 嚴謹性 創新性等方面進行初賽評判 初賽通過的參賽隊進入西門子創新技能夏令營 在較短時間內完成第 4 5 項 任務 決賽由 6 7 兩項任務組成 自控方案答辯時 專家組根據選手闡述和回答 問題情況打分 自控系統交工驗收時 專家組隨機指定生產工況來測試自控系統性能 最終以初賽和決賽的綜合成績作為比賽名次的判定依據 三 其它說明三 其它說明 1 比賽形式 比賽形式 大賽以一個虛擬的控制工程項目為背景展開 大賽組委會作為甲方發布模糊的控制 工程招標需求 各參賽隊伍以乙方身份進行技術方案設計和應標 即初賽 在通過初 賽招標后 乙方以甲方工程承包商的身份進入現場實施控制工程項目 即決賽 2 評價體系 評價體系 生產要求 安全要求 優化要求等等在實際項目中遇到的各種要求都將是甲方評價 的指標 針對目前學校工程教育的薄弱環節 參賽隊伍的工作需要在以下幾個方面優先 考慮 實用性 控制系統的設計 控制工程的實施 控制項目的規劃等是否以實用為出發點 成熟度 參賽隊伍的各項工作是否體現出工業現場項目所需的成熟度 而不僅僅是在做一道 應用題 滿意度 在保證項目可實施的前提下 參賽隊伍的各項工作的結果是否充分達到了讓甲方滿 意的效果 四 附錄 開車步驟 四 附錄 開車步驟 1 啟動前閥位檢查 啟動前閥位檢查 檢查所有的閥門和開關都處于關閉狀態 2 除氧器投運 除氧器投運 1 將軟化水管線調節閥 V1106 打開 手動向除氧器充水 使液位指示達到 400 mm 并保持穩定 開除氧器下水箱蒸汽管線閥 XV1106 加熱到 100 后關閉 2 打開除氧蒸汽管線調節閥 PV1101 將除氧器壓力升至 1000mmH2O 3 鍋爐上水 鍋爐上水 1 打開汽包放空閥 XV1104 2 開啟上水泵出口閥 XV1101 全開去省煤器鍋爐上水管線調節閥 V1102 3 緩開給水調節閥的小旁路閥 HV1101 手控上水 注意上水流量不得大于 10t h 因為上水過快 排氣不暢 會導致局部受壓 損壞設備 待水位升至 250mm 關閉旁路閥 HV1101 4 調節 V1101 使汽包水位達到 300mm 并保持穩定 5 調節 PV1101 將除氧器壓力達到 2000 mmH2O 并保持穩定 4 鍋爐點火升壓 鍋爐點火升壓 1 檢查汽包放空閥 XV1104 是否打開 2 全開煙道擋板 DO1101 開啟風機 S1101 通風 5 分鐘 使爐膛不含可燃氣體 3 將煙道擋板 DO1101 調至 20 左右 4 按下操作臺上的點火按鈕 點燃開工燒嘴 5 打開油路截止閥 XV1102 開調節閥 V1104 投入主燃料系統 6 升壓過程應緩慢平穩 時間應嚴格控制不得小于 10 分鐘 以免過熱器管壁溫度 急劇上升和對流管束脹口滲水等現象發生 當蒸汽壓力達到 1 5MPa 時 關閉汽包放空 閥 XV1104 7 過熱蒸汽溫度達到 400 時 投入減溫器 打開 V1103 開度為 50 8 當壓力升至 3 6MPa 之后 保持此壓力達到平穩 5 鍋爐負荷提升 鍋爐負荷提升 1 檢查蒸汽溫度不低于 420 2 調整汽包水位為 250 300mm 3 調整過熱蒸汽壓力在 3 6 3 65MPa 4 緩慢開蒸汽管線調節閥 V1105 約 5 5 調節蒸汽壓力達到 3 8MPa 并保持穩定 6 緩慢調節蒸汽管線調節閥 V1105 提升燃燒負荷 使產汽量達到 20t h 左右 7 檢查燃油管線調節閥 V1104 位于小開度 調節蒸汽管線調節閥 V1105 使負荷 提至 35t h 8 緩慢調節 V1105 繼續提升負荷 提升速度每分鐘不得超過 3 5t h 同時注意調節 燃油管線調節閥 V1104 補充燃油量 直至負荷升至 65t h 9 調整蒸汽溫度達到 440 并使其保持穩定 6 鍋爐正常運行工況