2010年第五屆西門(mén)子杯全國(guó)大學(xué)生控制仿真挑戰(zhàn)賽考題

2010 年第五屆西門(mén)子杯全國(guó)大學(xué)生控制仿真挑戰(zhàn)賽考題年第五屆西門(mén)子杯全國(guó)大學(xué)生控制仿真挑戰(zhàn)賽考題 根據(jù)所提供的工藝對(duì)象 通過(guò)分析其對(duì)象動(dòng)態(tài)特性 設(shè)計(jì)和實(shí)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(duì)象描述一 被控對(duì)象描述 1 工藝流程介紹工藝流程介紹 所選被控對(duì)象為工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的自然循環(huán)鍋爐 經(jīng)處理的軟化水進(jìn)入除氧器 V1101 上部的除氧頭 進(jìn)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(duì)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(jìn)一步去除軟化水中的氧氣和二氧化碳 除氧后的軟化水經(jīng)由上水泵 P1101 泵出 分兩路 其中一路進(jìn)入減溫器 E1101 與 過(guò)熱蒸汽換熱后 與另外一路混合 進(jìn)入省煤器 E1102 進(jìn)入減溫器 E1101 的鍋爐上 水走管程 一方面對(duì)最終產(chǎn)品 過(guò)熱蒸汽 的溫度起到微調(diào) 減溫 的作用 另一方面 也能對(duì)鍋爐上水起到一定的預(yù)熱作用 省煤器 E1102 由多段盤(pán)管組成 燃料燃燒產(chǎn)生 的高溫?zé)煔庾陨隙峦ㄟ^(guò)管間 與管內(nèi)的鍋爐上水換熱 回收煙氣中的余熱并使鍋爐上 水進(jìn)一步預(yù)熱 被煙氣加熱成飽和水的鍋爐上水全部進(jìn)入汽包 V1102 再經(jīng)過(guò)對(duì)流管束和下降管進(jìn) 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(jìn) 行汽水分離 鍋爐上汽包為臥式圓筒形承壓容器 內(nèi)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(jìn)入爐膛 F1101 進(jìn)行汽相 升溫 成為過(guò)熱蒸汽 出爐膛的過(guò)熱蒸汽進(jìn)入減溫器 E1101 殼程 進(jìn)行溫度的微調(diào)并 為鍋爐上水預(yù)熱 最后以工藝所要求的過(guò)熱蒸汽壓力 過(guò)熱蒸汽溫度輸送給下一生產(chǎn)單 元 燃料經(jīng)由燃料泵 P1102 泵入爐膛 F1101 的燃燒器 空氣經(jīng)由變頻鼓風(fēng)機(jī) K1101 送 入燃燒器 燃料與空氣在燃燒器混合燃燒 產(chǎn)生熱量使鍋爐水汽化 燃燒產(chǎn)生的煙氣帶 有大量余熱 對(duì)省煤器 E1102 中的鍋爐上水進(jìn)行預(yù)熱 2 工藝過(guò)程簡(jiǎn)介工藝過(guò)程簡(jiǎn)介 軟化水流量為 F1106 溫度為常溫 20 經(jīng)由調(diào)節(jié)閥 V1106 進(jìn)入除氧器 V1101 頂 部 除氧蒸汽分兩路 一路進(jìn)入熱力除氧頭 管線(xiàn)上設(shè)有調(diào)節(jié)閥 PV1101 另外一路進(jìn) 入除氧器下水箱 管線(xiàn)上設(shè)有開(kāi)關(guān)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(jīng)由上水泵 P1101 泵出 鍋爐上水流量為 F1101 鍋爐上水管線(xiàn)上設(shè)有上水泵出口閥 XV1101 上水管線(xiàn)調(diào) 節(jié)閥 V1101 以及旁路閥 HV1101 鍋爐上水被分為兩路 一路進(jìn)入減溫器 E1101 預(yù) 熱 預(yù)熱后與另外一路混合進(jìn)入省煤器 E1102 兩路鍋爐上水管道上分別設(shè)有調(diào)節(jié)閥 V1102 和 V1103 正常工況時(shí) 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(shè)放空閥 XV1104 汽包壓力為 P1103 汽包中部設(shè)水位檢測(cè)點(diǎn) L1102 在汽包中通過(guò)汽水分離得到的飽和蒸汽溫度為 T1102 經(jīng)過(guò)爐膛汽相升溫得到 的過(guò)熱蒸汽溫度為 T1103 過(guò)熱蒸汽進(jìn)入減溫器 E1101 進(jìn)行溫度的微調(diào) 最終過(guò)熱蒸汽壓力為 P1104 溫度 為 T1104 流量為 F1105 過(guò)熱蒸汽出口管道上設(shè)調(diào)節(jié)閥 V1105 燃料經(jīng)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(xiàn)設(shè)調(diào)節(jié)閥 V1104 燃料泵出口閥 XV1102 空氣經(jīng)由變頻風(fēng)機(jī) 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(shè)有在 線(xiàn)分析檢測(cè)儀表 煙道內(nèi)設(shè)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(cè)量 僅提供大 致溫度的參考 3 儀表及操作設(shè)備說(shuō)明儀表及操作設(shè)備說(shuō)明 1 檢測(cè)儀表 位號(hào)檢測(cè)點(diǎn)說(shuō)明單位 位號(hào)檢測(cè)點(diǎn)說(shuō)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(guò)熱蒸汽壓力MPa FT1104 空氣量m3 s PT1106 除氧器壓力MPa FT1105 過(guò)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(guò)熱蒸汽溫度 FT1107 煙氣流量kg hTT1103 進(jìn)入減溫器的過(guò)熱蒸汽溫度 LT1101除氧器液位 TT1104 最終過(guò)熱蒸汽溫度 LT1102汽包水位 TT1105 煙氣溫度 2 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 位號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說(shuō)明位號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說(shuō)明 V1101鍋爐上水管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥V1106軟化水管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥 V1102直接去省煤器的鍋爐上水管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥PV1101除氧蒸汽管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥 V1103去減溫器的鍋爐上水管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥S1101鼓風(fēng)機(jī)變頻器 V1104燃料管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥DO1101煙道擋板 V1105過(guò)熱蒸汽管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥 3 開(kāi)關(guān)閥 位號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說(shuō)明位號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說(shuō)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(xiàn)閥 4 手操閥 位號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說(shuō)明 HV1101鍋爐上水管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥旁路閥 二 比賽題目和要求二 比賽題目和要求 簡(jiǎn)介 根據(jù)甲方對(duì)于安全 穩(wěn)定 減排的生產(chǎn)目標(biāo) 設(shè)計(jì)和實(shí)施完整的控制系統(tǒng) 考核學(xué)生系統(tǒng)分析能力 系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力 綜合優(yōu)化的能力 現(xiàn)場(chǎng)要求完成 Profibus DP 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的配置 成熟的 HMI 人機(jī)界面組態(tài) 控制系 統(tǒng)參數(shù)整定和調(diào)優(yōu) 接受系統(tǒng)可能的各類(lèi)干擾的挑戰(zhàn) 決賽的主要比賽形式從某一指定 工況開(kāi)始升降負(fù)荷來(lái)觀察控制效果 1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的考慮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的考慮 1 滿(mǎn)足生產(chǎn)指標(biāo)的考慮 在過(guò)熱蒸汽產(chǎn)量穩(wěn)定的前提下 保證蒸汽的溫度與壓力達(dá)到工藝要求 并維持在允 許的波動(dòng)范圍之內(nèi) 2 滿(mǎn)足安全指標(biāo)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(tǒng)安全相關(guān)的指標(biāo)必須 全程在允許范圍之內(nèi) 所有操作要保證有序進(jìn)行 工況要保持全程穩(wěn)定 各類(lèi)生產(chǎn)過(guò)程 中可能產(chǎn)生的異常要充分予以考慮 2 滿(mǎn)足優(yōu)化指標(biāo)的考慮 出于對(duì)效能 環(huán)境等因素的考慮 要求在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施中對(duì)能耗 碳排放 等指標(biāo)予以充分考慮 2 比賽要求比賽要求 針對(duì)控制要求 需要選手在理解被控對(duì)象的基礎(chǔ)上 完成 1 基礎(chǔ)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 包括控制回路 控制算法 被控變量 操縱變量 控制 規(guī)律 閥門(mén)特性等的選擇 以及開(kāi)車(chē) 正常停車(chē)順序控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 并說(shuō)明理由 2 安全相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 包括聲光報(bào)警系統(tǒng) 安全聯(lián)鎖系統(tǒng) 緊急停車(chē)系統(tǒng) 安 全儀表系統(tǒng)等的設(shè)計(jì) 并說(shuō)明理由 3 儀表選型與儀表連接 包括控制器 測(cè)量變送裝置 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇 并表達(dá) 出各單元之間的信號(hào)連接 4 在 SIMATIC PCS7 上完成 DCS 應(yīng)用組態(tài) 包括控制算法組態(tài)和監(jiān)控畫(huà)面組 態(tài) 5 自控系統(tǒng)調(diào)試 完成控制系統(tǒng)投運(yùn)和控制器參數(shù)整定 6 自控方案答辯 7 自控系統(tǒng)交工驗(yàn)收 由專(zhuān)家組提出控制要求 評(píng)估控制系統(tǒng)性能 初賽要求參加比賽的各支參賽隊(duì)完成上述任務(wù)中第 1 3 項(xiàng) 即控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 儀表選型及儀表連接的表達(dá) 要求選手以工程文檔方式撰寫(xiě)設(shè)計(jì)方案 評(píng)委基于所撰寫(xiě) 的工程文檔的合理性 可行性 完整性 嚴(yán)謹(jǐn)性 創(chuàng)新性等方面進(jìn)行初賽評(píng)判 初賽通過(guò)的參賽隊(duì)進(jìn)入西門(mén)子創(chuàng)新技能夏令營(yíng) 在較短時(shí)間內(nèi)完成第 4 5 項(xiàng) 任務(wù) 決賽由 6 7 兩項(xiàng)任務(wù)組成 自控方案答辯時(shí) 專(zhuān)家組根據(jù)選手闡述和回答 問(wèn)題情況打分 自控系統(tǒng)交工驗(yàn)收時(shí) 專(zhuān)家組隨機(jī)指定生產(chǎn)工況來(lái)測(cè)試自控系統(tǒng)性能 最終以初賽和決賽的綜合成績(jī)作為比賽名次的判定依據(jù) 三 其它說(shuō)明三 其它說(shuō)明 1 比賽形式 比賽形式 大賽以一個(gè)虛擬的控制工程項(xiàng)目為背景展開(kāi) 大賽組委會(huì)作為甲方發(fā)布模糊的控制 工程招標(biāo)需求 各參賽隊(duì)伍以乙方身份進(jìn)行技術(shù)方案設(shè)計(jì)和應(yīng)標(biāo) 即初賽 在通過(guò)初 賽招標(biāo)后 乙方以甲方工程承包商的身份進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施控制工程項(xiàng)目 即決賽 2 評(píng)價(jià)體系 評(píng)價(jià)體系 生產(chǎn)要求 安全要求 優(yōu)化要求等等在實(shí)際項(xiàng)目中遇到的各種要求都將是甲方評(píng)價(jià) 的指標(biāo) 針對(duì)目前學(xué)校工程教育的薄弱環(huán)節(jié) 參賽隊(duì)伍的工作需要在以下幾個(gè)方面優(yōu)先 考慮 實(shí)用性 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 控制工程的實(shí)施 控制項(xiàng)目的規(guī)劃等是否以實(shí)用為出發(fā)點(diǎn) 成熟度 參賽隊(duì)伍的各項(xiàng)工作是否體現(xiàn)出工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目所需的成熟度 而不僅僅是在做一道 應(yīng)用題 滿(mǎn)意度 在保證項(xiàng)目可實(shí)施的前提下 參賽隊(duì)伍的各項(xiàng)工作的結(jié)果是否充分達(dá)到了讓甲方滿(mǎn) 意的效果 四 附錄 開(kāi)車(chē)步驟 四 附錄 開(kāi)車(chē)步驟 1 啟動(dòng)前閥位檢查 啟動(dòng)前閥位檢查 檢查所有的閥門(mén)和開(kāi)關(guān)都處于關(guān)閉狀態(tài) 2 除氧器投運(yùn) 除氧器投運(yùn) 1 將軟化水管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥 V1106 打開(kāi) 手動(dòng)向除氧器充水 使液位指示達(dá)到 400 mm 并保持穩(wěn)定 開(kāi)除氧器下水箱蒸汽管線(xiàn)閥 XV1106 加熱到 100 后關(guān)閉 2 打開(kāi)除氧蒸汽管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥 PV1101 將除氧器壓力升至 1000mmH2O 3 鍋爐上水 鍋爐上水 1 打開(kāi)汽包放空閥 XV1104 2 開(kāi)啟上水泵出口閥 XV1101 全開(kāi)去省煤器鍋爐上水管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥 V1102 3 緩開(kāi)給水調(diào)節(jié)閥的小旁路閥 HV1101 手控上水 注意上水流量不得大于 10t h 因?yàn)樯纤^(guò)快 排氣不暢 會(huì)導(dǎo)致局部受壓 損壞設(shè)備 待水位升至 250mm 關(guān)閉旁路閥 HV1101 4 調(diào)節(jié) V1101 使汽包水位達(dá)到 300mm 并保持穩(wěn)定 5 調(diào)節(jié) PV1101 將除氧器壓力達(dá)到 2000 mmH2O 并保持穩(wěn)定 4 鍋爐點(diǎn)火升壓 鍋爐點(diǎn)火升壓 1 檢查汽包放空閥 XV1104 是否打開(kāi) 2 全開(kāi)煙道擋板 DO1101 開(kāi)啟風(fēng)機(jī) S1101 通風(fēng) 5 分鐘 使?fàn)t膛不含可燃?xì)怏w 3 將煙道擋板 DO1101 調(diào)至 20 左右 4 按下操作臺(tái)上的點(diǎn)火按鈕 點(diǎn)燃開(kāi)工燒嘴 5 打開(kāi)油路截止閥 XV1102 開(kāi)調(diào)節(jié)閥 V1104 投入主燃料系統(tǒng) 6 升壓過(guò)程應(yīng)緩慢平穩(wěn) 時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格控制不得小于 10 分鐘 以免過(guò)熱器管壁溫度 急劇上升和對(duì)流管束脹口滲水等現(xiàn)象發(fā)生 當(dāng)蒸汽壓力達(dá)到 1 5MPa 時(shí) 關(guān)閉汽包放空 閥 XV1104 7 過(guò)熱蒸汽溫度達(dá)到 400 時(shí) 投入減溫器 打開(kāi) V1103 開(kāi)度為 50 8 當(dāng)壓力升至 3 6MPa 之后 保持此壓力達(dá)到平穩(wěn) 5 鍋爐負(fù)荷提升 鍋爐負(fù)荷提升 1 檢查蒸汽溫度不低于 420 2 調(diào)整汽包水位為 250 300mm 3 調(diào)整過(guò)熱蒸汽壓力在 3 6 3 65MPa 4 緩慢開(kāi)蒸汽管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥 V1105 約 5 5 調(diào)節(jié)蒸汽壓力達(dá)到 3 8MPa 并保持穩(wěn)定 6 緩慢調(diào)節(jié)蒸汽管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥 V1105 提升燃燒負(fù)荷 使產(chǎn)汽量達(dá)到 20t h 左右 7 檢查燃油管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥 V1104 位于小開(kāi)度 調(diào)節(jié)蒸汽管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥 V1105 使負(fù)荷 提至 35t h 8 緩慢調(diào)節(jié) V1105 繼續(xù)提升負(fù)荷 提升速度每分鐘不得超過(guò) 3 5t h 同時(shí)注意調(diào)節(jié) 燃油管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥 V1104 補(bǔ)充燃油量 直至負(fù)荷升至 65t h 9 調(diào)整蒸汽溫度達(dá)到 440 并使其保持穩(wěn)定 6 鍋爐正常運(yùn)行工況