锅炉设计 毕业设计l

摘要1摘要在国民经济日趋进步的今天，国家要求工农业每年总产值翻两番，但能源只能一番，这就要求通过节能措施，以提高能源的有效利用，有效地弥补能源供应方面的缺口，是一迫切的任务。显然，面对量大面广的供热锅炉，如何挖掘潜力，提高它的热效率，有着极为重要的实际意义。此外，使锅炉能因地制宜地有效地燃用地方燃料，并为满足环境保护的要求而努力解决烟尘污染问题，以提高操作管理水平，减轻劳动强度，保证锅炉额定出力及运行效率，安全可靠地供热等课题，这就要求我们通过对有关知识的学习，设计出一整套比较合理的运行设备。本文综合锅炉燃烧的各种控制思路，比较并加以筛选，对锅炉控制进行了较为深入的了解，最终确定了双交叉燃烧控制方案，实现锅炉的计算机控制系统，从而达到降低锅炉能耗、提高燃烧的经济性目的。双交叉燃烧控制系统实质上是以水温调节为主回路，以燃料量和空气流量调节并列为副回路的串级调节系统，加上高、低信号选择器组成的带有逻辑功能的比值调节系统。它的重要作用是改善系统动态性能，即当炉子负荷变化，即使是大幅度变化引起水温变化时，也能自动调节空气流量与燃料量保持合适的比值，以维持水温在给定值上，使燃烧工况始终处于低过剩空气系数，达到最佳燃烧的经济合理状态。软件部分采用了美国研华的GENIE软件，该软件是一个较优的工业控制软件，它能够很好的完成本次以双交叉燃烧控制系统对锅炉控制任务，并且能够很好的实现工作人员对系统的在线调整，提高了工业锅炉控制的智能化，达到了节约能源，降低污染和对锅炉控制系统的安全智能控制的目的。2ABSTRACTTHENATIONALECONOMYBEINGLIVINGADVANCEDGRADUALLYTODAY，THECOUNTRYREQUIRESTHEINDUSTRYANDAGRICULTUREEACHYEARTOTALOUTPUTVALUETURNSAROUNDTWICE，YETTHEENERGYRESOURCESCANONLYONEABORIGINES，THISWILLBEREQUESTTEDBYMEANSOFTHESAVEENERGYSTEP，WITHVALIDUSESOFTHERAISEENERGYRESOURCES，EFFECTIVELYMAKEGOODTHEENERGYRESOURCESSUPPLYRESPECTSGAPS，ITISONEPRESSINGMISSION。APPARENTLY，GREATOFFACEAMOUNTVASTFEEIESTHEWARMHEARTEDBOILER，HOWUNEARTHTHELATENTCAPACITY，LIFTITSRATEOFHEAT，THEREISTHEEXTREMELYSIGNIFICANTACTUALSENSE。MOREOVER，CAUSINGTHEBOILERBEABLETOTAKEMEASURESSUITEDTOLOCALCONDITIONS,THEEARTHEFFECTIVELYIGNITESINTHEWAYOFFUELINSPACE，MOREOVERINTHEINTERESTOFMEETINGTHEENVIRONMENTALPROTECTIONDEMANDRESOLVESTHESMOKEANDDUSTPOLLUTIONPROBLEMHARD，MANIPULATETOADMINISTERTHELEVELWITHTHERAISE，EASELABOURINTENSITY，GURRANTEETHATRATEDTHEEXERTTINGONESELFOFBOILERREACHESTHEMOVINGEFFECTIVENESS，SAFEANDRELIABLELYFEEDTHETASKSSUCHASTEMPERATUREANDSOON，THISWILLBEREQUESTTEDUSBYMEANSOFSTUDYTHATADJUSTRELEVANTINFORMATION，ONECOMPLETEOFSETCOMPARATIVELYMORERIGHTFULOPERATIONINSTALLATIONISCOMEOUTINTHEDESIGN。DIFFERENTCONTROLTHINKINGSTHATTHESYNTHETICALBOILEROFTHEORIGINALKINDLES，COMPARATIVELYSELECT，CARRYONTHECOMPREHENSIONRELATIVELYPENETRATEINTOTOBOILERCONTROL，FINALLYFIXTHATTHEDOUBLECROSSPITCHESTHEINFLAMMATIONCONTROLSCHEME，ACHIEVETHEBOILERCOMPUTERCONTROLSYSTEM，THEREBYATTAIINGCUTSDOWNTHEBOILERENERGYCONSUMPTION、ECONOMYAIMTHATTHERAISEISKINDLE。DOUBLECROSSTHEPITCHINGINFLAMMATIONCONTROLSYSTEMISIN摘要3ESSENCEWITHTHEWATERTEMPERATUREREGULATEINGGIVINGPRIORITYTOINTHERETURN，WITHFUELAMOUNTANDAIRFLOWRATEREGULATETHECOORDINATIONANDREGULATESTHESYSTEMINTHEINTERESTOFTHEPAIRRETURNCASCADECONNECTION，PUTALTITUDE、THERATIOTHATHASTHELOGICFUNCTIONTHATTHELOWSIGNALSELECTORISMAKEEDUPISREGULATEEDTHESYSTEM。ITSSIGNIFICANTACTIONISTHEDYNAMICPERFORMANCEOFIMPROVEMENTSYSTEM，INIMMEDIATEFUTURESERVESASTHEFURNACEBURDENCHANGES，EVENIFCHANGINGWHENAROUSINGTHATTHEWATERTEMPERATURECHANGESBYAWIDEMARGIN，ALSOBEABLETOTHESELFREGULATIONAIRFLOWRATEAGAINSTFUELAMOUNTMAINTAINSAPPROPRIATERATIO，INORDERTOMAINTAINTHEWATERTEMPERATUREISLIVINGGIVENLYTOBEWORTH，CAUSETHEINFLAMMATIONOPERATIONALMODEBEINTHELOWSURPLUSAIRFACTORFROMSTARTTOFINISH，THEOPTIMUMINFLAMMATIONECONOMICALLYRIGHTFULCONDITIONATTAIN。THESOFTWAREPARTLYADOPTDTHEUSGENIESOFTWAREPESTLEINGCHINA，THATSOFTWAREISMORESPLENDIDINDUSTRYCONTROLSOFTWARE，ITCANBEVERYGOODCOMPLETEESTHISWITHTHEDOUBLECROSSTHEPITCHINGINFLAMMATIONCONTROLSYSTEMADJUSTTHEBOILERCONTROLTASK，MOREOVERREALIZATIONWORKPERSONNELSTAFFTHATCANBEVERYGOODADJUSTTHESYSTEMONLINEREGULATION，LIFTTHEINDUSTRYBOILERCONTROLINTELLIGENTIZATION，ATTAIINGPRACTISETHRIFTTHEENERGYRESOURCES，DEGRADUTIONPOLLUTIONANDTHESECUREINTELLIGENCECONTROLAIMTOTHEBOILERCONTROLSYSTEM。4第一章绪论11引言地球的资源是十分有限的，如何将有限的资源充分、合理的利用成为当今人类社会具有深刻意义研究的课题。而锅炉在工业方面的作用不断提高，尤其是在现代化的石油化工企业里，它不仅可以作为热力来源还可以作为动力来源，因此，锅炉往往是工厂不可缺少的重要设备。但是燃煤锅炉普遍存在热效率低于设计水平，当然原因是多方面的，除锅炉本体的问题外；自控水平低也是一个主要因素，本课题就是针对上述问题做出的解决方案。12本课题的提出与课题任务锅炉燃烧控制系统的调节，使燃料流量与空气流量调节回路参照各自对应的实测流量，在允许范围内变化，达到动态时，能维持燃料流量与空气流量恰当的关系，从锅炉的而提高燃烧效率，节省燃料，起到节能、环保作用。所以我们要完成的任务有一要用双交叉燃烧控制方案实现锅炉的节能控制；二要实现系统的微机控制，利用GINIE软件完成自动控制；三是进行对锅炉控制设备的合理选型。13工业锅炉微机DDC控制系统的发展概况锅炉的出现和发展迄今一有两百余年的历史，期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对锅炉容量，参数要求的不断提高，锅炉形式和锅炉技术得到迅速发展。随着蒸汽机的发明，18世纪末期，出现了工业用的圆筒型蒸汽锅炉。由于当时生产力的迅猛发展，蒸汽机在工业上的用途日益广泛，不久就对锅炉提出了扩大容量和提高参数的要求。于是在圆筒型锅炉的基础上，从增加受热面入手，对锅炉进行了系列的研究和技术改造，从而使锅炉得到迅速的发展。要达到工业锅炉的安全运行、节约能源及精确高能的为工业用气或采暖的目的，在提高锅炉自身性能的同时，锅炉的微机控制系统的开发研究同样是十分重要的。纵观锅炉的发展的历史，真正走上现代化的道路也不过四、五十年的时间，随着工业发展和科学技术的不断进步，现代化锅炉摘要5正朝着大容量、高参数的方向发展。对于工业锅炉的控制系统来说是没有最好，只有更好的控制系统，工业锅炉的微机DDC控制系统正慢慢的走向成熟，而锅炉的微机控制是锅炉控制的必然趋势，因此工业锅炉的微机DDC控制系统的开发与研究是十分重要的，也是十分需要的。6第二章锅炉原理21锅炉的结构及分类锅炉的基本构造，通常构成锅炉的基本组成部分合称锅炉本体，它包括锅、炉子、热水或蒸汽、过热器和空气预热器。一般常将后两者受热面总称锅炉附加受热面，其中空气预热器因装设再锅炉尾部的烟道内，又称为尾部受热面。211锅炉的结构组成锅的结构锅主要由以下几部分组成1锅筒汇架、储存、净化蒸汽和补充给水。2水冷壁锅炉主要受热面，降低炉膛温度，保护炉墙，防止受损。3对流管对流管受热面，吸收高温烟气热量，增加锅炉受热面。4下降管把锅筒里的水输送到下集箱，使受热面管子有足够的水循环，保证可靠运行，下降管必须采取绝热措施。5空气预热器由于直接将冷空气吹入炉膛会降低燃烧效率并且难以控制系统的正常工作，因此，需要将鼓入炉膛的空气加热，从而提高效率且便于控制。将鼓风机要鼓入炉膛的空气通过烟道的热烟加热的设备即空气预热器。炉的组成炉是由燃烧设备、炉墙、炉塔和钢架行部分构成。212锅炉设备的类型锅炉设备的种类很多，有各种分类方法，详细介绍如下。按容量分大容量锅炉额定蒸发量大于300T/H；中容量锅炉100300T/H的称；小于100T/H的称小容量锅炉。按蒸汽参数（压力、温度）分有低压、中压、高压、超高压、亚临界压力和超临界压力锅炉。目前，汽压低于3000KPA,汽温低于400度的为低压锅炉；汽压30005000KPA，汽温400450度的为中压锅炉；汽压600013000KPA,汽温460540OC为高压锅炉；汽压1400016000KPA，汽温540560OC的为超高压锅炉；汽压1700018000KPA，汽温540570OC的为亚临界压力锅炉；汽压22500KPA，汽温560600OC的为超临界压力锅炉。按使用燃料分第二章锅炉原理7有燃煤炉、燃油炉和燃气炉等。按水循环方式分有自然循环锅炉，强制循环锅炉（多次强循环锅炉和直流锅炉）、复合循环锅炉、低倍率循环锅炉等。对于石油化工工厂的锅炉按照锅炉的蒸发量，可分为小型锅炉20T/H中型锅炉2075T/H大型锅炉75T/H按照其生产蒸汽的压力，可分为低压锅炉1500T/H中压锅炉15006000KPA次高压锅炉60009000KPA高压锅炉900014000KPA超高压锅炉14000KPA按照所有燃料的种类，还可分为燃煤、燃油、燃气锅炉、混燃锅炉。目前，在各类生产部门中，应用最多的是燃煤锅炉。对于燃煤锅炉按制粉系统分，有的设有中间储存粉仓，分煤从中间储粉仓由给粉机把煤送入炉膛燃烧，这叫储仓式锅炉；有的不设中间储仓，原煤通过磨粉机，将块煤变成粉，然后由一次风将煤粉直接吹入炉膛燃烧，这叫直吹式锅炉。另外也有按燃烧形式来分有连箅炉、煤粉炉、沸腾炉等。在一些工业部门也使有燃油锅炉和燃气锅炉。在石油化工、油品炼制的生产过程中，往往产生各种不同的残油、驰放气、炼厂气，为了提高技术经济指标，降低生产成本，减少对环镜的污染，往往把它们作为燃料烧掉，因而出现了油、气混合燃烧锅炉和油、气、煤混合燃烧锅炉。22锅炉的工作原理锅炉是一种生产蒸汽的换热设备，它通过煤油或天然气等燃料的燃料释放出化学能，并通过传热程把能量传给水，或再把水变成蒸汽。热水或蒸汽直接供给工业生产中所需的热能，所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能最有效的转换为水或蒸汽的热能。目前在居民生活和工业生产中蒸汽锅炉应用的十分广泛，它的基本工作工程与热水锅炉相同，但比热水锅炉要复杂。故通过对蒸汽锅炉工作过程的认识和了解有着十分重要的意义，同时也将有助于我们这次的热水锅炉的节能系统的设计。221锅炉的基本工作过程热水锅炉的工作过程概括起来应包括三个同时进行的过程燃料的燃8烧过程、烟气向水的传热过程。燃料的燃烧过程首先将燃料加到煤斗中，借助于自重于下落在炉排面上，炉排借电动机通过变速齿轮箱减速后有链轮来带动，将燃料煤带入炉内。燃料一面燃烧，一面向后移动。燃料所需的空是由风层，风量和燃烧量成比例，进行充分燃烧形成高温烟气。燃料燃烧剩下的灰渣，在炉排末端翻过除渣板后排入灰斗，这整个过程称为燃烧过程。燃烧的阶段加热阶段煤进入炉膛加热，煤中水分开始气化蒸发，当温度升到100105度以后，蒸发完毕，煤被完全烘干。逸出挥发分成焦碳阶段温度继续升高，烘干的煤开始分解，放出可燃气体，称逸出挥发物，挥发物逸出后，剩下的固体称为焦碳。挥发物着火阶段当挥发物与空气混合物达到一定浓度时，挥发物开始着火燃烧，放出大量热，把焦碳加热，为焦碳燃烧提供条件。焦碳燃烧和形成灰渣阶段挥发物接近完全燃烧时，焦碳开始燃烧，它是固体燃料和空气的氧之燃烧化学反应，焦碳燃烧速度缓慢，约占全部燃烧时间的90，燃烧终止时，形成灰渣。烟气向水的传热过程由于燃料的燃烧放热，炉内温度很高。在炉膛的四周墙面上，都布置一排水管，俗称水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强列的辐射换热，将热量传给管内工质。继而烟气受引风机，烟囱的引力而向炉膛上方流动。烟气出烟窗（炉膛出口）并两过防渣管后，就冲刷蒸汽过热器一组垂直放置的蛇形管受热面，使汽锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加热而得到过热。烟汽流经过热器后又经过胀接在上，下锅筒间的对流管束，在管束束，在管束间设置了折烟墙使烟气呈“S”形曲折的横向冲刷，再次以对流换热方式将热量传递给管束内的工质。沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道，以降低排烟温度提高锅炉效率，从而节省了燃料。23锅炉的控制原理锅炉是一个多输入，多输出的复杂调节对象，主要输入变量是负荷、燃料量、给水、送风和引风。主要输出变量是出水温度、炉膛负压、烟气含氧量等。输入变量发生变化影响蒸汽压力、汽包水位、出水温度等参数的稳定，导致锅炉不能正常生产。锅炉自动控制系统就是通过监测锅炉运行参数的变化，来调节燃料量、进风量、排风量、给水量，控制锅炉运行在较佳状态。根据锅炉的运行经验，主要控制环节有231水温度的自动控制当负荷变化时，出水温度改变，控制锅炉的出水温度，实际上也取决于对燃烧的调节，自动控制系统监测出水温度变化情况并进行计算、判断、第二章锅炉原理9分析，按合适的燃料量、进风量比值（或监测氧含量），相应地改变燃料量和进风量（通过调节给料机、鼓风机转速或调节相应阀门来实现），调节燃烧，稳定出水温度。232炉膛负压的调节为了保持锅炉的正常运行，必须不断地向炉膛内送入燃料及所需空气，使燃料充分燃烧，并由引风机将烟气排除炉外。稳定蒸汽压力、稳定出水温度就要调节燃烧，而燃烧的调节，会引起炉膛负压的变化，自动控制系统监测炉膛负压，经比较、分析、判断，控制引风量的大小，保证炉膛负压稳定。24锅炉的自动控制系统锅炉控制系统是一个复杂的多变量控制系统，各个变量之间互相耦合。控制系统对给水量、炉排走速、鼓风和引风进行控制，以实现锅炉的高热效率运行。系统的主要控制功能包括汽包液位控制、自动燃烧控制、炉膛负压控制。241锅炉燃烧系统的控制其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应热水负荷的需要（常以热水温度为主控变量）；使燃料与空气量保持一定的比值，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；使引风量与送风量想适应，以保持炉膛负压在一定的范围内。为达到上述三个控制目的，控制手段也有三个，即燃烧量、送风量和引风量。影响水温波动的主要扰动是水温负荷的变化和燃料量的波动。当燃料流量及蒸汽负荷波动较小时，可以采用出水温度控制燃料量的简单控制系统；而当燃料量波动较大时，可采用出水温度对燃料流量的串级控制系统。燃料与空气比值控制系统为保持燃料的充分燃烧，应有足够的空气量，可采用比值控制系统加以实现。因燃料流量是随蒸汽负荷变化的，所以作为主流量，空气流量作为副流量，组成单闭环比值控制系统，以使空气与燃料保持一定比例，获得良好燃烧。为了保证经济燃烧，亦可以烟道气中氧含量来校正燃料流量与空气流量的比值，组成变比值控制系统。炉膛负压控制系统一般情况下可以根据炉膛负压来控制引风机的转速，从而达到炉膛负压稳定。也有以鼓风流量为前馈量，组成前馈反馈控制系统，通过对引风量的控制，维持额定的炉膛负压。10第三章典型控制系统31串级控制系统311基本原理及结构在多回路控制系统中，用两台控制器相串接，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这样的系统称为串级控制系统。其方框图如下图示副测量变送器主测量变送器主回路副回路副调节器T2主调节器1调节阀副对象主对象串级控制系统方框图整个串级控制系统包括两个回路，即主回路和副回路。主回路由主控制器、副回路、主对象和主变送器构成；而副回路由副控制器、控制阀、副对象和副变送器构成。312串级控制系统的特点与简单控制系统相比，串级控制系统由于在结构上增加了一个副回路，所以具有以下几个主要特点对于进入副回路的扰动具有较快、较强的克服能力。改善主控制器的广义对象的特性。对负荷操作条件的变化有一定的自适应能力。副回路可以按照主回路的需要更精确的控制操纵变量的质量流和能量流。313串级控制系统的应用场合在选择控制方案时必须坚持一个原则，凡是用简单回路控制系统能满足要求的，就不再用复杂控制系统。串级控制系统只有在下列情况下使用，它的特点才能充分发挥。于克服变化剧烈和幅值大的干扰第三章典型控制系统11于时滞较大的对象用语容量滞后较大的对象用于克服对象的非线性314串级控制系统的参数整定串级控制系统的方案设计完成后，需要进行参数的整定，即通过改变主、副控制器的参数，来改变控制系统的静动态特性，以求的最佳的控制过程。串级控制系统从主回路上看是一个定值控制系统，因而其控制质量指标和简单定值控制系统相同。从副回路看，它市一个随动系统，一般来说，对它的控制质量要求不高，只要能准确、快速地跟随主控制器的输出而变化就行了。两个控制回路完成任务的侧重点不同，对控制质量的要求也不同，因此必须根据各自完成的任务和对确定主副控制器的参数。常有的工程整定法有步逼近法当串级控制系统主副对象的时间常数相差不大，主、副回路动态联系密切时，系统可采用此法。两步整定法当串级控制系统主、副回路的动态联系不紧密时，可采用两步整定法进行整定。所谓两步整定法就是在主、副回路都闭合的情况下，按简单控制系统方法各整定一次副回路和主回路，然后按这两步求得的特征值查表计算。一步整定法所谓一步整定法就是根据经验先确定副控制器的整定参数，将其设置好，然后按简单控制系统的整定方法，整定主控制器的参数。32前馈控制系统321什么是前馈控制前馈控制系统就是一种直接根据所产生被控变量参数变化的原因进行控制的系统，其实质上是一种抗扰动进行的开环控制系统方式，它通过前馈调节器来补偿扰动对被控参数的影响。使作用在系统上的一个或几个主要扰动与被控参数完全无关或部分无关，从而达到系统提高控制精度的目的。其方框图如下12GD（S）G0（S）GT（S）F（S）前馈原理方框图所谓可测，主要是指扰动可直接测量，也不排斥可间测量的，扰动不可测，前馈无法实施。所谓显著，不在乎扰动本身的大小，而是指扰动对控制变量的数值有显著的影响。谓频繁，是指扰动出现的次数较多。322前馈控制系统的特点一种开环控制。馈调节器的控制规律是由对象特性决定的。馈控制是一种按扰动量进行调节的控制。馈控制只能克服那个可测而不可控的扰动量。323前馈控制系统的分类依据是否引入反馈控制以及两者相结合的方式，我们通常将前馈控制系统可分为三类单纯的前馈控制系统。前馈与反馈控制相结合的系统，前馈控制作用与反馈作用相乘。前馈与反馈控制相结合的系统，前馈控制作用与反馈作用相加。（代数和）324前馈加反馈的优点我们通常将前馈控制与反馈控制相结合起来，这样的优点在于前馈控制的基础上设置反馈控制，可以大大简化前馈控制系统，只须对影响被控参数最显著的干扰进行补偿，而对其它许多次要的干扰，可依靠反馈予以克服，这样既保证了精度，有简化了系统。于反馈回路的存在，降低了对前馈控制算式精度的要求。由于对前馈控制精度的要求降低，为工程上实现较简单的控制创造了条件。系统中，提高反馈控制的精度与系统稳定性有矛盾，往往为了保证系统的稳定性，而不能实现高精度的控制。而前馈反馈控制则能实现高精度的控制、稳定性好和控制及时的作用。反馈控制的存在，提高了前馈控制模型的适应性。在实际工作中，如果对象的主要干扰频繁而又剧烈，而生产过程对被控参数的控制精度要求又很高，这时则可采用前馈串级控制。这种系统的优点是能同时克服进入前馈回路和进入串级副回路的干扰对被控参数第三章典型控制系统13的影响。此外，由于前馈算式的输出不直接加在调节阀上而作为副控制器的给定值，这样便降低了对阀门特性的要求。实践证明，这种前馈串级控制系统可以获得很高的控制精度，在计算机控制系统中常被采用。图前馈控制系统的前馈控制原理方框图及其前馈补偿过程图如下图所示扰动作用控制作用TY（T）0前馈补偿过程33比值控制系统331基本原理及结构有些生产过程需要保持两中物料的流量成一定的比例关系，一旦比例失调就会影响产品质量和数量，甚至回造成生产和安全事故。例如在以重油为燃料的燃烧系统中，要求重油与空气保持某一比值。比值过高，会使喷嘴、耐火砖烧坏，甚至会导致炉子爆炸；比值过低，会因碳黑增多，堵塞管道，污染环境，增加能耗。再需要保持比例的两种物料中，必定有一种物料处于主导地位，称此物料量为主动量，而另一种物料量按主动量进行配比，跟随主动量的变1G化，称此物料量为从动量。2332控制方案的分类比值系统的结构方案可分成三大类，即开环控制、简单控制和串级控制。开环控制开环控制是比值控制中最简单的控制方案。在稳态时，两物料的关系是K的要求。系统结构虽然简单，但是，只有变化时才起控制作2G11G用，因此，只有当从动量干扰小，比值关系要求不太严格的情况下才使用这种方案。单闭环控制简单鼻子控制方案有单闭环和双闭环比值控制系统。单闭环比值控制系统是为了克服开环比值方案的不足设计的，他是在开环比值系统的基础上，增加了一个从动量控制回路而构成的。它不但能使从动量跟随主动量的变化而变化，而且能克服从动量本身扰动对比值的14影响，从而实现主动量从动量的精确比值。但因主控量不受控，在他因受干扰出现大幅度波动时，从动量的设定值也将出现较大的偏差，同时导致总物料量较大的波动。因此，这种方案对于动态比值要求严格的，系统总物料要求平稳的场合是不合适的。双闭环比值控制系统由于实现了对主控量的鼎峙控制，大大克服了主动量干扰的影响，使主动量边的比较平稳。双闭环的另一个优点是升降负荷比较方便。串级控制前面介绍的比值控制系统都是实现两种物料量间的定比值控制，在运行中它们的比值设定值是不变的。为了保证产品的质量和产量或安全生产，第三章典型控制系统15必须适当修正两流量的比值，即重新设置比值系数。由于这些干扰往往是随机的，干扰幅值又各不相同，虽然无法用人工方法去经常修正系数。因此，出现了自动修正比值系数的变比值控制系统。变比值控制系统实际上是以比值控制系统为副回路的串级控制系统。副回路的任务是克服干扰，保证主控制器输出设定的比值系数，从而使主回路保证表征产品质量指标的主被控变量恒定。例如，再燃烧控制系统中，真正的被控变量是氧含量，而把空气用途燃料的流量比值作为控制手段，因此，比值控制器的设定值由氧含量控制器给出。串级比值控制系统方框图控制系统的投运过程实现无扰动切换。实际上它包含两层含义。一方面，当控制器从手动工作状态转入自动控制状态时，必须保证尽可能16第四章锅炉节能控制系统双交叉燃烧控制系统17第四章锅炉节能控制系统双交叉燃烧控制系统41锅炉的微机控制系统锅炉是一个多输入，多输出的复杂调节对象，主要输入变量是负荷、燃料量、给水、送风和引风。主要输出变量是蒸汽压力、汽包水位（此两项对蒸汽锅炉）、出水温度（对热水锅炉），炉膛负压、烟气含氧量等。输入变量发生变化影响蒸汽压力、汽包水位、出水温度等参数的稳定，导致锅炉不能正常生产。要使锅炉的出口水温稳定。因此，当负荷扰动而使出口水温变化时，通过控制燃料量（或送风量）使之稳定。411锅炉燃烧的主要任务是要使锅炉出口水温稳定。因此，当负荷扰动而使出水温度变化时，通过控制燃料量（或送风量）使之稳定。保证燃烧过程的经济性。在出口水温恒定的条件下，要使燃料量消耗的最少，且燃烧尽量完全，热效率最高，为此，燃料量与空气量应保持一个合理的比例。保持炉膛负压恒定。通常用引风量来使炉膛负压保持在微负压（2080PA）。如果炉膛负压太小或者为正，则炉膛内热烟气甚至火焰将向外冒出，影响设备和操作人员的安全。反之，炉膛负压太大，会使大量的冷空气漏进炉内，从而使热量损失增加，降低燃烧效率。为了实现这三个任务，有三个可调节的手段燃料量、引风量和送风量。锅炉自动控制系统就是通过监测锅炉运行参数的变化，来调节燃料量、进风量、排风量、给水量，控制锅炉运行在较佳状态。用微机DDC系统实现锅炉的自动控制，可以成分的发挥微机强有力的逻辑运算和数学运算功能，组成各种性能优越、结构复杂、功能特殊的控制系统，进一步提高控制指标，取得更为满意的经济效益。412锅炉控制系统的功能根据一般现场的实际情况，锅炉微机控制系统要满足的检测、控制及管理应有如下功能控制功能要实现对锅炉的气包水位、蒸汽压力、风煤比值、烟气含氧量和炉膛压力控制，以保证安全生产，达到降低煤耗、提高效率的目的。参数的在线修改功能控制系统中个被控参数的给定值、个控制参数的整定值以及各工艺变动参数均应该能在不停的控制情况下实现在线修改，使系统的投运和参数的整定简便快捷。18自平衡无扰动切换功能控制系统设置了后备贿赂操作器，自动控制和手动控制之间应该能实现自平衡的双向无扰动切换。所谓自平衡双向无扰动切换，是指由手动到自动或由自动到手动的切换之前，无须由人工进行手动输出控制信号与自动输出控制信号之间的对位平衡调整操作，在切换时也不会对执行机构的现在位置产生冲击性的切换扰动。这样可以方便操作，提高了微机系统的适应性。打印、显示和报警功能控制系统配有CRT显示器，用软件设计了多个CRT显示画面。画面有表格方式和直方图方式两种，均采用汉字显示。这样，系统的全部整定参数都能在CRT画面上直观显示，方便操作人员对控制系统的集中管理。控制系统有三种打印功能，它们是定时自动表格打印、随机各工艺参数现时值的打印和CRT画面的拷贝。42燃烧控制方案的选定为了实现节能环保的目的，故本热水锅炉燃烧控制系统选择双交叉限幅并联副回路串级调节系统。双交叉燃烧控制与热效率控制的目的是相同的，但手段不同，后者采用的是测量烟气含量和烟气温度为手段，从而保证较高的燃烧效率；而双交叉燃烧控制是以维持合适的空气、燃料的比值为手段，达到燃烧时始终维持低过剩空气系数，从而保证较高的热率，同时减少了排烟对环境的污染。图41表示锅炉的双交叉燃烧控制系统。这个系统实质上是以水温调节为主回路，以燃料量和空气流量调节并列为副回路的串级调节系统，加上高、低信号选择器组成的带有逻辑功能的比值调节系统。它的重要作用是改善系统动态性能，即当负荷变化，即使是大幅度变化引起水温变化时，也能自动调节空气流量与燃料量保持合适的比值，以维持炉温在给定值上，而且使燃烧工况始终处于低过剩空气系数的经济合理状态。第四章锅炉节能控制系统双交叉燃烧控制系统19鼓风机炉排电机煤空气水锅炉测速发电机图421工业锅炉双交叉燃烧控制系统图下面分三种情况进行讨论。定工况时炉温温度在给定值上，炉温调节器TIC的输出信号通过高、低限模0I块HLM、LLM后，又分别通过燃烧调节系统的高、低模块HSE1、LSE1和空气调节系统SHE2、LSE2，相应的加到燃料量调节器FIC1和空气调节器FIC2作为它们的给定值，使燃料量和空气流量自动调节到正常数值上，从而保证炉温维持在给定值上。在稳定工况下，所有高选、低选和高限、低限模块，对主控信0I号不起限制作用。负荷在正常范围内波动时1当负荷增加时，炉温下降，主控制信号增加（记为），此时0I0I0I通过HSE1，但不同过LSE1，此时通过LSE1的信号为（），156KFAK4及小。所以先加到FIC2上，使空气流量先行提量。空气提量后，F0I（）值增加，使（），LSE1让信号通过，6KA50156KFA0I加到FIC1之后，燃料流量才提量。可见，设置LSE1的目的是使负荷增0I加时，先增加空气量，后增加燃料量，防止在提量过程中囱冒黑烟。设置HSE1对负荷正常波动范围不起限制作用。增设DVD和SUB模块的目的是把空气流量折算到对应的燃料流量。2当负荷减小时炉温升高，减小（记为），此时通过LSE2，但0I0I0I20当时通过HSE2，因为刚减小瞬间，燃料流量尚未减小，所以（0IF0I）HSE2阻止通过，此时通过HSE2的信号为（），空气F3KF3K量暂时还不能减小。但是此时仍然大于（），所以0IA652通过HSE1，当然也通过LSE1，加到FIC1，使燃料流量首先减少。0I当燃料量减少之后，（此时燃料量记为），使（），通FF30I过HSE2加到FIC2上，此时才使空气流量相应的减少。可见设置HSE2是保证负荷减小时，燃料先行减量，而后空气再减量，这是为了在减量过程中避免烟囱冒黑烟。设置LSE2对负荷正常波动不起限制作用。3当荷大幅度增（减）时,变化幅度很大，为了避免空气流量和燃料0I量先行提（减）量过大，分别设置了HSE1与LSE2模块相应完成K1与K4运算模块。当负荷大增时，不允许空气先行提量过度。增设了LSE2模块和完成K运算模块，就能限制先行提量过度，因为大增，结果使0I，LSE2模块阻止了通过，使信号加不到FIC2上，从而限0I4KF0I0I制了空气量的大增。同理，增设了HSE1模块和完成K2运算模块，能使大减时，加不到FIC1上，从而限制了燃料先行减量过度的目的。00I炉温，空气温度都经过线性化处理；空气流量测量信号经温度补偿和处理。43双交叉燃烧控制系统的工作原理燃烧流量调节回路第四章锅炉节能控制系统双交叉燃烧控制系统21图431燃烧控制回路信号选择关系图负荷急增负荷急减见图431左半部分。其中高值选择器和低值选择器有两个重要的选择比较参数B、D，是根据实测空气流量信号算出的。其中，D是不出AF现缺氧燃烧时燃料流量的上限值D（1）A1KB是不出现过氧燃烧时的燃料流量的下限值B（1）AF2K式中空气过剩率理论空气量校正系数空气过剩率由手动设定，或可通过燃烧效率计算测定进行修正，或是由动态自动寻优控制系统来设定。MAX0AF一般，0810，5，51K2单位燃烧所必须的理论空气量；0燃料流量测定范围的最大值；MAXF空气流量测定的最大值；A图（431）中出口水温调节器TC输出的是系统要求的染俩流量信号。A和B经过高值选择器得出信号C，C和D再经过低值选择器，得出信号E，这就是对应于要求的燃料流量信号A。为了维持最佳燃烧，根据实测空气流量算出的容许燃烧流量信号。要特别强调指出的是，这里出现了“要求燃烧流量信号A”和“容许燃料流量信号E”这两者在稳态时是相同的，在同台时是不同的。这正是交叉限幅控制的特点。下面说明这两个信号22间相互关系。燃料流量控制回路的信号选择于图（431）所示,在正常状态下，BAD（见图中0段），则燃料流量设定值EA，即要求燃料流量信号T本身就成为燃料流量的设定值。这时系统处于常规的串级调节方式。若负荷急剧增加，要求燃料流量信号A立即上升，而空气流量的响应迟缓，这时DA。在低值选择器的选择下，燃料流量的设定值E按不出现缺氧燃烧时燃料流量的上限值D而缓缓上升，见图中段，从而维持0T1了适当的空燃比当负荷稳定时，空气流量重新适应，于是又恢复了正常状态BAD,EA,见图中段1T2假如负荷又急减,要求燃料流量信号A立即下降,仍由于空气流量信号响应迟缓,使AB。在高值选择器的选择下，燃料流量的设定值E按不出现过氧燃烧时燃料流量的下限值B而缓慢下降，见图中段，从而维2T3持了适当的空燃比。当负荷稳定后，系统又恢复了稳定状态，见图中段。3T4由上述分析可知，系统在正常工作时，就是一般的串级调节系统。而且，一旦发生扰动，由于高低值选择器的限幅作用，就使得系统的能在一定范围内维持空燃比。于是克服了一般比值调节方式的局限性。交叉限幅调节方式不但根据实测空气流量对燃料流量进行上下限幅，而且还根据实测燃料流量对空气流量进行上下限幅，这就构成了所谓的“交叉限幅”。燃料流量和空气流量按给定的关系互相制约的结果，就更能确保在动态过程中，使空燃比维持在恰当的范围。在常规的比值调节中，空气流量仅仅是被动的跟随燃料流量而变化，不可能依据当时的空气流量对燃料流量进行限制。相比之下，“交叉限幅”的优点就十分明显了流量调节回路如图第四章锅炉节能控制系统双交叉燃烧控制系统23负荷急减负荷急增图空气调节回路信号选择关系空气流量调节回路见图（432）右半部分。这里也有两个重要的参数F、H，是根据是实测燃料流量信号算出的。其中FF是不出现过氧燃烧时空气流量的上限值F（1）4KFH是不出现缺氧燃烧时空气流量的下限值H（1）3式中5。3K4该系统的工作原理与燃料流量调节回路是相同的。其信号选择关系示图于（432）锅炉燃烧的微机控制系统燃料流量的控制炉温调节器的输出值与实测的空气流量经演算得到的最优燃烧的燃料换算流量加上一个正偏移余量的值相比较，其结果比低的一方信号选择为燃料流量调节器的给定值。空气流量控制炉温调节器的输出信号与实测燃料流量换算为相应要求的空气流量附加一个值偏移余量相比较，其结果比较高的一方信号选中，选中信号进而与空气过剩率及理论空气校正系数相乘作为空气流量的设定值。这样变组成了交叉限幅的控制方式。应当指出的是，在燃料流量的控制回路中，低值选择器的比较量换算的燃料流量再加上一个正值偏移含量，就是不出现缺氧燃烧时燃料流量的上限值。在空气控制回路中，高值选择器的比较量由实测燃料流量换算成相应要求空气流量再附加一个负值偏移含量，也就是不出现缺氧燃烧时空气流量的下限值。这里的燃烧控制回路或空气控制回路只有一个比较选择器，它们都是24为了限制缺氧燃烧而设置的，这是因为缺氧会不完全燃烧而出现黑烟，热效率曲线很陡，必须加以限制。而空气过剩会造成热损失，但热效率下降变化比较平缓。为了简化控制系统，可以只选取一个主要的比较选择器。另外由于双交叉上下限幅的相互牵制，可以使空燃比保持在比较好的范围内。这样的交叉限幅系统结构可以保证当串级控制系统主调节器（温度调节器）的输出增大，即要增加输入的燃料和空气量时，首先增大空气量，接着增加燃料量。相反，当主调节器输出减少，即要减少输入的燃料和空气量时，先减少燃料量，随后再减少空气量。这样，当负荷急剧增减时，在燃料急剧增减的过渡状态期间可防止因空气不足而产生黑烟。此外，也可防止由于燃料流量的脉动而导致的燃料流量控制系统及空气流量控制系统的摆动现象。空燃比的调节采用的是直接设定理论空气量校正系数和空气过剩率的方法。由于引入对燃料量和空气过剩率的校正功能，因此，即使是在低负荷区也可获得良好的燃烧。第四章锅炉节能控制系统双交叉燃烧控制系统2526第五章锅炉控制系统的选型及软硬件配置51传感器一个完整的检测系统或检测装置通常市由传感器、检测电路和显示记录装置等几部分组成。传感器就是把被测量（如物理量、化学量、生物量等）变换为另一种之有确定对应关系，并且便于测量的量（通常是电学量）的装置。显然，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部分。它处于被测对象和检测系统的接口位置，构成了信息输入的主要窗口，为检测系统提供必需的原始信息，它是整个检测系统中最重要环节，检测系统获取信息的质量往往由传感器的性能一次性确定的。511传感器的主要类型检测技术中使用的传感器种类繁多，分类的方法也各不相同。从传感器应用的目的出发，可以按被测量的性质将传感器分为A机械量传感器，如位移传感器、力传感器、速度传感器、加速度传感器等；B热工量传感器，如温度传感器、压力传感器、流量传感器等；C化学传感器；D生物量传感器等。从传感器研究的目的出发，着眼于变化过程的特征可以将传感器按输出量的性质分为参量型传感器它的输出是电阻、电感、电容等无源电参量，乡音的有电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器等。发电型传感器它的输出是电压或电流，相应的有热电偶传感器、光电传感器、磁点传感器、压电传感器等。在本锅炉控制系统中，需要用到热电阻式传感器及热电偶式传感器，下面就介绍一下这两种传感器。1）热电阻式传感器热电阻是利用导体的电阻率随温度而变化这一物理现象来测量温度的。1作为测温的热电阻应具有以下特性A电阻值与温度变化具有良好的线性关系。B电阻温度系数大，便于精确测量。C电阻率高，热容量小，反应速度快。D在测量范围内具有稳定的物理性质和化学性质。E材料质量要纯，容易加工复制，价格便宜。第五章锅炉控制系统的选型及软硬件配置27根据以上特性，最常用的材料是铂和铜，在低温测量中则使用铟、锰及炭等材料制成的热电阻。2热电阻式传感器的应用A热电阻温度计B热电阻流量计512热电偶传感器热电偶将两种不同成分的导体组成一个闭合回路，当闭合回路的两个接点分别置于时路将产生一个电动势。该电动势的方向与大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称之为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”。热电偶的两个接点，一个称为工作端或热端，另一个称为自由端或冷端。电偶结构A普通工业热电偶结构热电偶通常是由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几部分组成B铠装热电偶的结构铠装热电偶是将热电极、绝缘材料和保护套管一起拉制后加工而成的坚实缆状组合体。绝缘材料为氧化镁，保护套管通常是不锈钢管。热电偶的种类A标准型热电偶所谓标准型热电偶是指制造工艺比较成熟、应用广泛、能批量生产、性能优良而稳定并以列如工业标准化文件中的那些热电偶。分别是1铂铑铂铑热电偶其分度号为“B”。测温范围为01700。306特点是测温上限高，性能稳定。在冶金反应、钢水测温等高温领域中得到广泛应用。2铂铑铂热电偶其分度号为“S”。测温范围为01600。其10特点是热点性能稳定，抗氧化性强，宜在氧化性，惰性气体中工作。常用做标准热电偶或用于高温测量。3镍铬镍硅热电偶其分度号为“K”。测温范围为2001200。其特点是测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大及价格低。缺点是热电动势的稳定性较B型或S型热电偶差，且负极有明显的导磁性。4镍铬康铜热电偶其分度号为“E”。测温范围为200900。其特点是热电动势较其他常用热电偶大。适宜在氧化性或惰性气氛中工作。285铁康铜热电偶分度号为“J”。测温范围为200350。其特点是价格便宜，热电动势较大，仅次于E型热电偶。其缺点是铁极易氧化。6铜康铜热电偶其分度号为“T”。测温范围为0200。其特点是精度高，在0200范围内，可制成标准热电偶，准确度可达01。缺点是铜极易氧化。B非标准型热电偶非标准型热电偶包括铂铑系、铱铑系及钨铼系热电偶等。52变送器现场变送器是将被测工艺参数，通过其传感元件的检测，转换部件的放大和变换，输出一个统一的相应的气压或电流信号。检测部件和转换部件一般是做在一起的，因此结构紧凑，体积较小。521变送器的构成及类型变送器的种类很多，按工作能源分，有气动变送器、电动变送器；按被测参数分，有差压、压力、流量、液位等变送器。不少检测仪表虽然习惯上不叫变送器，其检测部件和转换部件也不制作在一起，但就其功能来说，他们也是将被测参数转换成统一的标准信号，也具有变送功能。例如氧化锆氧量分析仪、电磁流量计、超声波流量计、旋涡流量计等等。因此，可以这样说，随着电子技术、计算机技术以及微机加工技术的发展，现在只用于就地自动检测、自动分析的仪表很少了，他们大多还有变换功能，有统一的标准信号输出，以便和记录仪、调节器、运算器，以及工业控制计算机想连。变送器的构成原理通常是由输入转换部分、放大器、和反馈部分组成，如图所示第五章锅炉控制系统的选型及软硬件配置29输入转换部分D放大器K反馈部分调零、零点迁移521变送器原理方框图输入转换部分包括敏感元件，它的作用是感测被测参数X，并把被测参数X转换成某一中间模拟量ZI。中间模拟量ZI可以是电压、电流、位移和作用力等物理量。反馈部分把变送器的输出信号Y转换成反馈信号ZF与ZI是同一类型的物理量。放大器把ZI和ZF的差值（ZIZF）放大，并转换成标准输出信号Y。由图可以求得整个变送器输入与输出关系为KDX1式中D输入转换部分的转换系数；K放大器的放大系数；反馈部分的反馈系数。当满足K1的条件时，DXY在满足K1的条件时，变送器的输出与输入关系仅取决于输入转换部分的特性和反馈部分的特性。由于ZIDXZFY因此由式可得ZIZF在满足K1的条件时，变送器输入转换部分的输出信号ZI，与整机输出信号Y经反馈部分到放大器输入端的反馈信号ZF基本相等，即放大器的净输入趋向与零（0）。量程（满度）调整量程（满度）调整的目的，是使变送器的输出信号上限值YMAX与测量30范围的上限值XMAX相对应。如图为变送量程调整前后的输入输出特性。由该图可见，量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是改变变送器输出信号Y与输入信号X之间的比例系数。实现量程调整的方法，通常