燃煤热水锅炉的电气自动控制系统设计

山东科技大学泰山科技学院毕业论文摘要锅炉在工业或生活中都有广泛的应用，传统锅炉主要以人力为主实现其控制过程。随着社会的发展、科技的进步，人力逐渐被机械及自动化代替。本文介绍了锅炉的电器自动化控制实现电路。该篇主要介绍了锅炉的自动化控制实现电路，该锅炉主要用于工矿企业热水、蒸汽的供给。热水控制在100摄氏度，其加煤、加水、鼓风、排渣等工作实现了全部自动化进行。锅炉采用链条结构，燃煤在炉排上燃烧，炉排在电动机驱动下工作。排渣由排渣机驱动完成。水泵电动机拖动水泵工作，水位自动控制在适当高度。水温自动监测并由水温控制鼓风机动作状态实现水温控制。每台电动机设有不仅可以自动控制并设有人工手动操作线路，以备检修、调试时使用。关键词：送煤控制；水温控制；水位控制ABSTRACTThe boiler all has the widespread application in the industry or the life, the traditional boiler mainly primarily realizes its controlled process by the manpower.Along with societys development, the technical progress, the manpower gradually replaces by the machinery and the automation.This article introduced the boiler electric appliance automation control realization electric circuit.This mainly introduced the boiler automated control realization electric circuit, this boiler mainly uses in the industry and mining enterprise hot water, the steam supplies.The hot water control in 100 degrees Celsius, its work and so on coaling, watering, drum wind, platoon dregs realized the completely automation to carry on. The boiler uses the chain link structure, burns coal to burn on the fire grate, the fire grate works under the direct motor drive.A row of dregs actuates by the slag extractor to complete.Water pump electric motor dragging water pump work, water level automatic control in suitable altitude.The water temperature automatic monitor and controls the air blower movement condition realization water temperature control by the water temperature.Not only each Taiwan Telegraphic Transmission motive is equipped with may the automatic control and is equipped with the artificial manual operation line, prepares when the overhaul, the debugging uses.Key word: Delivers the coal control;the water temperature control;the water monitor目录摘要IABSTRACTII1 绪论12锅炉电动机的选择53 锅炉给煤及排渣63.1 锅炉自动上煤系统63.1.1 总体方案的设计63.1.2控制要求73.1.3 控制程序的设计103.2锅炉排渣104 水位控制144.1水位自动控制电路144.1.1无水时，水泵电动机得电工作154.1.2水位升至B点时LED2导通发光154.1.3水位升至A点154.1.4水位下降至A点以下，低于B点后，水泵重新启动155 锅炉的控制设计165.1锅炉温度控制165.1.1 采用串级调节还是导前微分调节165.2排除燃烧干扰195.2.1排除机组负荷干扰205.3解决执行机构传动问题215.4参数整定215.4.1串级调节系统的参数整定225.4.2 导前微分的参数整定225.5带导前微分的串级调节系统225.6带汽包压力微分前馈的调节系统的整定225.7带减温水流量反馈的调节系统的整定225.7.1流量系数225.7.2 副调的积分时间235.7.3 副调的 PID死区235.8抗积分饱和236配风设计及热效率256.1热采锅炉配风及热效率256.2配风自动控制设计266.2.1控制方案266.2.2控制策略266.2.3调节系统启停控制程序设计276.2.4鼓风机的动作287锅炉PLC自动控制系统297.1主要功能297.1.1控制功能297.1.2报警处理297.2工作原理297.2.1动圈仪表电流显示297.2.2动圈仪表电压显示297.2.3人机界面电流显示297.2.4人机界面电压显示317.2.5温度显示327.2.6压力显示337.2.7液位显示337.2.8风机风门位置显示347.2.9各个风机、泵电动机手动控制357.2.10汽包液位自动控制357.2.11锅炉缺水紧急停炉控制367.2.12超气压紧急停炉控制37结论38致 谢40401 绪论锅炉简介锅炉是利用燃料或其他能源的热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。锅炉包括锅和炉两大部分，锅的原义是指在火上加热的盛水容器，炉是指燃烧燃料的场所。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为生产和生活提供所需要的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，又叫蒸汽发生器，常简称为锅炉，是蒸汽动力装置的重要组成部分，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。锅炉承受高温高压，安全问题十分重要。即使是小型锅炉，一旦发生爆炸，后果也十分严重。因此，对锅炉的材料选用、设计计算、制造和检验等都制订有严格的法规。锅炉参数是表示锅炉性能的主要指标，包括锅炉容量、蒸汽压力、蒸汽温度、给水温度等。锅炉容量可用额定蒸发量或最大连续蒸发量来表示。额定蒸发量是在规定的出口压力、温度和效率下，单位时间内连续生产的蒸汽量。最大连续蒸发量是在规定的出口压力、温度下，单位时间内能最大连续生产的蒸汽量。蒸汽参数包括锅炉的蒸汽压力和温度，通常是指过热器、再热器出口处的过热蒸汽压力和温度如没有过热器和再热器，即指锅炉出口处的饱和蒸汽压力和温度。给水温度是指省煤器的进水温度，无省煤器时即指锅筒进水温度。锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。现阶段锅炉本体设计制造方面的问题有锅炉某些部件设计结构不合理，膨胀补偿不足。国产循环流化床锅炉的燃烧室大多是按微正压运行进行设计的，因此对炉膛的密封性能要求较高，目前运行情况反映密封很不理想。例如，有的锅炉中间水冷壁连接处，顶棚水冷壁与侧水冷壁连接处，是用钢板直角焊接，运行中一受热就拉开，往外漏灰，入煤口，二次风口，U型阀等处的密封措施效果不好，运行时漏灰；流化室与水冷壁之间密封结构不合理、炉身与分离器等由于膨胀量大而拉裂补偿器引起泄漏；运行时炉门变形，向外漏炉料。对易磨损的部位没有采取有效的防磨措施。例如，流化室、中间水冷壁、分离器附近、尾部受热面等处，由于未采取防磨措施或采取的防磨措施不理想，造成局部磨损较快，有的受热面管子甚至磨穿出现泄漏。有的厂家的锅炉制造质量也有问题，比如管材选用了不合格的材料，造成运行时爆管。再有，锅炉给煤方式、二次风口的位置、炉门的位置、点火油枪的设置、排渣管管径的选择等均存在缺陷。另外，旋风分离器的内衬材料、膨胀节的材料的等需要选用耐高温、耐磨的特种材料，国内在此类材料的研制和选择上尚需做工作。根据运行检修记录，对停炉次数和原因进行分析后得出，由于锅炉本体设计制造方面的原因造成的停炉次数占全部停炉次数10%左右。锅炉的发展18世纪上半叶，英国煤矿使用的蒸汽机，包括瓦特的初期蒸汽机在内，所用的蒸汽压力等于大气压力。18世纪后半叶改用高于大气压力的蒸汽。19世纪，常用的蒸汽压力提高到0.8兆帕左右。与此相适应，最早的蒸汽锅炉是一个盛水的大直径圆筒形立式锅壳，后来改用卧式锅壳，在锅壳下方砖砌炉体中烧火。随着锅炉越做越大，为了增加受热面积，在锅壳中加装火筒，在火筒前端烧火，烟气从火筒后面出来，通过砖砌的烟道排向烟囱并对锅壳的外部加热，称为火筒锅炉。开始只装一只火筒，称为单火筒锅炉或康尼许锅炉，后来加到两个火筒，称为双火筒锅炉或兰开夏锅炉。1830年左右，在掌握了优质钢管的生产和胀管技术之后出现了火管锅炉。一些火管装在锅壳中，构成锅炉的主要受热面，火(烟气)在管内流过。在锅壳的存水线以下装上尽量多的火管，称为卧式外燃回火管锅炉。它的金属耗量较低，但需要很大的砌体。19世纪中叶，出现了水管锅炉。锅炉受热面是锅壳外的水管，取代了锅壳本身和锅壳内的火筒、火管。锅炉的受热面积和蒸汽压力的增加不再受到锅壳直径的限制，有利于提高锅炉蒸发量和蒸汽压力。这种锅炉中的圆筒形锅壳遂改名为锅筒，或称为汽包。初期的水管锅炉只用直水管，直水管锅炉的压力和容量都受到限制二十世纪初期，汽轮机开始发展，它要求配以容量和蒸汽参数较高的锅炉。直水管锅炉已不能满足要求。随着制造工艺和水处理技术的发展，出现了弯水管式锅炉。开始是采用多锅筒式。随着水冷壁、过热器和省煤器的应用，以及锅筒内部汽、水分离元件的改进，锅筒数目逐渐减少，既节约了金属，又有利于提高锅炉的压力、温度、容量和效率。以前的火筒锅炉、火管锅炉和水管锅炉都属于自然循环锅炉，水汽在上升、下降管路中因受热情况不同，造成密度差而产生自然流动。在发展自然循环锅炉的同时，从30年代开始应用直流锅炉，40年代开始应用辅助循环锅炉。辅助循环锅炉又称强制循环锅炉，它是在自然循环锅炉的基础上发展起来的。在下降管系统内加装循环泵，以加强蒸发受热面的水循环。直流锅炉中没有锅筒，给水由给水泵送入省煤器，经水冷壁和过热器等蒸发受热面，变成过热蒸汽送往汽轮机，各部分流动阻力全由给水泵来克服70年代石油提价后，许多国家又重新转向利用煤炭资源。这时电站锅炉的容量也越来越大，要求燃烧设备不仅能燃烧完全，着火稳定，运行可靠，低负荷性能好，还必须减少排烟中的污染物质。问题的提出及研究方向锅炉未来的发展将进一步提高锅炉和电站热效率；降低锅炉和电站的单位功率的设备造价；提高锅炉机组的运行灵活性和自动化水平；发展更多锅炉品种以适应不同的燃料；提高锅炉机组及其辅助设备的运行可靠性；减少对环境的污染。另外，实现自动化控制成为社会发展和科技进步的要求。本锅炉主要实现：锅炉各部分电路用现代电子器件的自动控制，连接PLC控制平台，各主要控制电路最后由PLC实现相应控制。本锅炉相对于传统锅炉要求较高，操作人员需要一定适应过程。2 锅炉电动机的选择电动机是常用的原动机，具体结构简单、工作可靠、控制简便和维护容易等优点。电动机的选择主要包括选择其类型和结构形式、容量（功率）和转速、确定具体型号。选择电动机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。选择时应注意以下两点： 如果电动机功率选得过小就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载使其绝缘因发热而损坏甚至电动机被烧毁。如果电动机功率选得过大就会出现“大马拉小车”现象其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利。而且还会造成电能浪费。按照要求：水泵电动机选用JO2-L-42-6型额定电压4.0KW鼓风电动机选用JQO2-51-4型（双速）额定电压7.5KW加煤电动机选用JO2-L-42-8型额定电压3.0KW排渣电动机选用JO2-L-42-8型额定电压3.0KW3 锅炉给煤及排渣锅炉送煤系统采用链条结构，由电动机拖动，由炉排传送，其过程为：燃烧煤由煤斗送至炉排上，电动机拖动链条结构带动炉排上的煤送至炉仓煤燃尽后由煤斗送出。3.1 锅炉自动上煤系统目前 ，大多数锅炉房的上煤系统仍采用常规的继电器逻辑控制，只能通过操作台按钮进行操作 ，设备陈旧、继电器数量多、动作频繁、触点易损坏且故障率高 ，并且只能采用现场手动控制方式，整个系统自动化程度低，不利于事故的处理，严重影响生产的正常运行 。 可编程控制器 PLC是一种新型的工业控制器 ，是自动控制技术 、计算机技术与通信技术三者有机结合的高科技产品。它不仅能实现复杂的逻辑运算，还能实现各种顺序控制 、数据转换 、定时 的闭环控制功能，并具有体积小 、可靠性高、组装灵活 、抗干扰能力强 、编程方便 、安装调试工作量少等优点。针对原有上煤系统多为继电器控制、自动化程度低的现状，笔者提出了基于 PLC控制的自动化控制方案。以某生活区锅炉房为参考，设计一种利用制方案。以某生活区锅炉房为参考，设计一种利用PLC进行控制的新型锅炉自动上煤系统 。3.1.1 总体方案的设计锅炉上煤系统是锅炉房的一套辅助设备，是实现原煤从储煤场按照锅炉的实际燃烧需要输送到锅炉里的一整套机械系统。因采用分层锅炉房，要求环境卫生，且储煤场与锅炉房之间有一定的距离，因此综合考虑多种因素，整个输煤系统主要由上煤、碎煤、输煤和卸煤 4个部分组成。输煤的整个过程：煤仓的煤经过格筛落到往复式给煤机上，大块的煤和石头等杂物被筛出；往复式给煤机将煤送到破碎机，将破碎后的煤依次经过斗式提升机、刮板输送机、胶带机送到锅炉煤仓，完成上煤过程 。图 1为锅炉自动上煤系统示意图。3.1.2控制要求该锅炉自动上煤系统既可实现联锁控制，又可实现单机控制，所以需要设计成自动和手动相结合的控制形式。(1)正常情况下，系统联锁启动。当锅炉煤仓里的传感器给出上煤信号后，按下对应的卸料器启动按钮，胶带机上的传感器检测无故障后，胶带机启动 ；考虑到工作效率和经济效益，延时5 S且刮板输送机传感器检测无故障后，刮板输送机启动；延时5 s且斗式提升机传感器检测无故障后，斗式提升机启动；延时5 S且破碎机传感器检测无故障后，破碎机启动；往复式给煤机传感器检测无故障后，往复式给煤机启动。(2)正常情况下，系统联锁关闭。当锅炉上煤完毕后，按下关闭按钮，往复式给煤机关闭；延时1O s(破碎机内无煤)后，破碎机关闭；延时40 S(斗式提升机链条转动半圈)，所有斗内都没有煤后，斗式提升机关闭 ；延时 23 S(刮板输送机链条转动半圈)，刮板输送机上没有煤后 ，关闭；延时 40 S(胶带转动半圈)，胶带机上没有煤后 ，胶带机关闭。 (3)如果按下某个卸料器开启按钮后 ，系统联锁启动 ，其间如果某个单机的传感器检测到该单机出现故障，或者按下紧急停止按钮时 ，整个系统所有单机自动紧急停止。(4)非正常情况下，单机启动。如果要对系统中某个单机进行检修 ，需要启动单机。为了保证系统在没有正常给锅炉上煤的情况下各单机上无煤、不受载荷 ，只要按下单机启动按钮后，对应的单机就会和在它之前的单机联锁启动，且延时相应的时间后，在它之前的各单机又自动联锁关闭，只有对应的单机运转。例如：如需要对斗式提升机检修，按下斗式提升机的开启按钮，这时胶带机自动开启，启动一段时间后，刮板输送机开启，同样延时一段时间，斗式提升机开启 。随后，延时一定时间后，刮板输送机上没有煤后，关闭；再延时一段时间 ，胶带机关闭，这时只有斗式提升机在运转。按下斗式提升机的关闭按钮 ，斗式提升机关闭。控制系统流程如图2所示。3.1.3 控制程序的设计 本系统中的被控设备有往复式给煤机、破碎机、斗式提升机 、刮板输送机、胶带机、3台锅炉的3组卸料器和煤仓储煤量指示灯，共 11个对象。系统共有 18个输入、11个输出，考虑到为扩展功能留有余量，采用具有26输入16输出的 CPU226作为主机模块。CPU226共有 4O个数字量Io点，可连接7个扩展模块 ，最大可扩展至248路数字量IO或35路模拟IO点，13KB程序和数据存储空间。通过对锅炉上煤系统工艺流程的研究，参考传统顺序控制系统的编程方法，结合SIMATIC STEP7软件的特点，制定了系统控制程序的流程图（图二），以此为基础组态、编写上煤系统控制程序 ，同时对程序进行实验室仿真调试 ，并得到了预期的结果 。3.2锅炉排渣1. 排渣电动机拖动排渣机工作，当煤渣积累到200kg时，排渣机将煤渣送至指定位置，倒渣后自动返回停止继续为下一个循环做准备。其实现电路为：上图1中，SB1由重量控制，当煤渣达到200kg时被按下，排渣机将煤渣送到指定处，SQ2为行程开关。煤渣到达一定时间后，即排渣后，由时间继电器KT控制排渣机将渣斗送回。图2为继电器实现电路。图3为PLC编程梯形图，以便用PLC实现控制。2.排渣，要求不能与送煤同时进行，故送煤和排渣两台电动机控制电路可用以下电路实现：上图为控制电路，以及PLC实现控制梯形图。可以看出由于采用了互锁故送煤时不能排渣，排渣时不能送煤。4 水位控制水泵电动机拖动水泵供水，水位自动控制在适当高度。水泵电动机只需单方向工作。4.1水位自动控制电路电路主要有IC1-IC2、KA继电气、VT1、VT2等元件构成IC1与IC2是一种液面专用检测集成电路，其内含：稳压器，振荡器，检测器放大单元电路，具有反压保护、温度 补偿、抗噪功能在图中，C1、C5为消振电容，C3、C7为退耦电容，C2、C6为耦合电容将8脚输出的振荡信号转送到检测输入端9脚。当探头未触水是1脚14脚输出低电平；当9脚探头A触水后，振荡信号被旁路1脚14脚输出高电平（注意：1脚14脚输出为集电极开路型），由于水中流过的是高频震荡信号从而可有效地防止探头被电解腐蚀。IC3组成R-S触发器，其工作原理如下4.1.1无水时，水泵电动机得电工作当炉内无水时，IC1与IC2集成电路的1脚14脚输出均为低电平，该信号加至IC3的6脚与2脚（R端）与2脚的（S端）后，使IC3 3脚输出高电平，该信号加到KA继电器线圈上，使KA得电吸合，其常开触电KA1闭合，又接通3交流接触器KM线圈的电流通路而吸合，其KM1触电闭合，从而使水泵电动机得电工作，为炉内加水。4.1.2水位升至B点时LED2导通发光 当水池中的水位上升到B点时IC2的9脚由于水的导电作用而呈低电平，其1脚14脚输出为高电平。该信号一路经过R3加至VT2管基极，使该管导通而使LED2发光二极管导通发光。4.1.3水位升至A点IC1的1脚14脚也输出高电平使VT1导通，LED1发光，以示水位以升到A点，由于IC3 3脚变为低电平，KA继电器释放，其KA1触点断开KM也断开，水泵停转。4.1.4水位下降至A点以下，低于B点后，水泵重新启动 当水位下降至离开A点后，R端变为低电平，IC3又进入保持状态，水泵仍停转。只有当水位低于B点后水泵才重新开始工作。5 锅炉的控制设计5.1锅炉温度控制现如今国内有很大一部分锅炉，主汽温度控制都不大好用。这其中，有参数整定的原因，我们称之为“系统内因”；也有煤种变化等系统原因，我们可以称之为“系统外因”。系统内因问题不用修改控制策略统外因问题需要修改策略，甚至要做很大程度的变更。锅炉蓄热能力小、干扰大的中间仓储式火电厂主汽温度自动调节系统有长久的思考和试验，积累了一些经验。针对主汽温度自动调节系统存在的各种问题，有了一个比较全面的解决办法。如果把这些办法都应用到一些锅炉中，应该可以解决各种干扰的温度控制了。如果还有解决不了的问题，那多数是参数整定或者系数设置的原因了。当然，不排除一些没有预料到的情况，得共同想办法来解决。5.1.1 采用串级调节还是导前微分调节 串级调节系统在一些大容量的机组中，喷水减温器后还有比较长的一段加热管道，喷水后温度跟锅炉出口主汽温度之间有较长的一段距离。锅炉能量传导给喷水后温度后，要经过较长一段时间波动状况才能反映到主汽温度，因而用串级调节系统比较好。在串级调节系统中，超前信号固然重要，但是喷水减温后还有很大一段受热面，主回路的调节作用也非常重要，所以，往往大部分都采用主信号和超前信号作用稍微均衡的调节方式。但是，也不排除一些机组喷水减温后受热面较短、或者超前信号与主信号之间的波动传递趋势时间间隔较短的情况。这个情况下，当燃烧扰动到来的时候，超前信号作用因为不是特别突出，故而大超前信号而带来的减温水流量的调节作用就较小，等到主信号进行调节的时候，就有可能造成调节滞后，使得温度波动比较大。解决办法就是：减弱主信号的作用，增强超前信号的作用。因为超前信号和主信号之间的受热面较短，故而因经过超前信号，主信号单独波动的机会较少。所以主信号的作用可以进一步减弱。由此而带来的缺点是：如果该锅炉采用烟风挡板来调节再热蒸汽温度，可能波动较大。因为烟风挡板调节再热的时候，势必会影响烟道内烟气的流动情况。烟气流动被烟风挡板干扰后，要先干扰主汽温度，然后才会干扰主汽温度的超前信号。这时候如果超前作用强、主信号作用弱，就有可能造成温度波动比较大。所以，在加强超前作用的同时，还要管住延期扰动带来的主信号波动状况，综合衡量，才能够提高总体调节品质。导前微分调节系统在一些小锅炉中，锅炉蓄热能力小，如果喷水减温和主信号之间受热面进一步缩短，超前信号和主信号波动间隔时间减小，用串级调节系统就有可能存在局限。这时候，导前微分调节系统的重要性可能会增强了。导前微分调节系统可以充分考虑超前信号带来的影响，因而，超前作用得以大大加强。导前微分到底是怎么起到超前作用的呢？应该从两个方面分析。如图4-1 所示，当PID的输入偏差e在t1时刻开始有个上升的趋势的时候，PID的输出out在时刻也有一个阶跃；在t1 t2 之间，e以相同的速率持续上升的时候，out保持不变；在t 2时刻，e上升到一个值保持不变的时候，de/dt=0，也即e的变化速率等于 0，这个时候，纯粹数学意义的微分运算会马上使得out回归到0，而工程意义上的微分作用还有一个微分时间的参数，根据微分时间Td的值决定回归到 0 的快慢。 图5-1在t1时刻微分的超前作用，而在t2时刻，被调量停止变化的时候微分复归的作用，可能在t1时刻微分的超前作用，而在t2 时刻，被调量停止变化的时候微分复归的作用，可能调节使得温度下降之前，总要有一个温度持衡期，在这个温度持衡期内，温度还没有降低的时候，PID的输出就已经开始回调，是不是起到了很大的“超前作用”了呢？所以我们对微分时间 Td的运用也不能漠视。但是，如果微分时间太短，会造成 PID输出频繁波动，实际运用过程中，要小心执行机构频繁动作，烧坏电机。带有超前信号微分功能的串级调节系统如果在串级和导前微分作用之间不大容易取舍的话，我们可以综合两方面的特点，做一个带有超前信号微分功能的串级调节系统。也即用串级调节系统，但是对超前信号进行微分运算。在实际调试过程中，如果想要纯粹的导前微分功能，可以把副 PID设为纯比例作用；如果想要纯粹的串级系统，可以把微分参数设为 0。当然还有第三种选择：导前微分抓串级调节系统。 图5-2导前微分实际调节效果图5.2排除燃烧干扰燃烧干扰是主汽温度控制中最常见、最大、也是最难以消除的干扰。目前为止，国内刊物上还没有见到更好的控制策略。经过较长时间的思考，笔者用了一个比较简单的办法解决了问题。传统上，解决这个问题，需要把燃烧带来的干扰进行分类，大致有如下几类：烟气流动干扰；燃料量干扰；煤质干扰；制粉系统启停。以上列出的 4条，都与燃烧有关系。其中，尤以制粉系统启停、燃料量干扰影响汽温最为剧烈。当然烟气流动干扰不仅仅与燃烧有关系，还有可能是烟风挡板开度的扰动、锅炉受管道蒸汽吹灰等因素，这里暂且不考虑其他因素有这么多影响因素，我们不能针对每一项扰动因素都制定一项应对策略。那样控制策略过于复杂，参数整定就非常麻烦，并且可能存在各扰动因素互相影响的情况，实际控制效果不见得就好。我们的目的是，在所有扰动因素中，寻找一个具有代表性的物理量。这个物理量既能代表各种扰动因素，又能够比喷水后汽温更能超前的反映汽温的变化趋势。 所有以上 条其实都跟锅炉受热面热交换有关系。在不考虑蒸发量、给水量的时候，蒸汽吸热量的改变应该首先引起压力的变化。我们用汽包压力的微分代替锅炉能量变化的趋势。锅炉能量传递给锅热器的时候，首先要反映到汽包压力上，然后才会逐渐改变汽温。以汽包压力的微分作为主汽温度自动的前馈信号，做一个串级调节系统，应用在一135MW 的机组中，效果良好。其1 个小时、10 个小时的控制效果图如图所示。 图5-3温度调节1小时效果截图 图5-4温度10小时内实际效图5.2.1排除机组负荷干扰机组负荷干扰也会影响到汽温控制。负荷扰动也会影响到汽包压力，用汽包压力的微分作为前馈信号，对汽温控制有一定的效果，但是有些机组效果不大明显。如果一些机组因为负荷干扰使得主汽温度波动比较大的话，我们可以再增加一个前馈信号，用速度级后压力或者干脆用汽机负荷来参与控制。需要注意的是，一定要考虑到负荷信号和蒸汽压力之间的关系。一般为正作用加入到温度控制的前馈中，这个看法可能存在些问题。具体应用过程中，大家可以对此予以关注，最终会取得不错的控制效果。 仅仅采用了汽包压力作为前馈，不考虑负荷信号，在变负荷情况下的控制效果如图 所示。图5-5带有汽包压力前馈的调节效果图 5.3解决执行机构传动问题执行机构传动问题包括：执行机构存在空行程；执行机构存在回差；阀门线性不好；阀门线性随时间的推移改变甚至恶化。所有这些问题都可以用一个方案解决：加入减温水流量反馈。PID调节的结果最终都去控制减温水，改变减温水流量，只要流量不改变，阀门就一直动作下去；如果阀门流量改变过大，就驱动执行机构回调.5.4参数整定参数整定是一个调节系统好坏的保证。控制策略制定得再好，如果参数整定不好，那么调节系统就不可能良好运行。但是，一般调试单位调试稳定后，移交给维护单位后，国内维护人员的主要精力都集中在对设备的熟悉和维护上了，对参数整定投入的精力不够，并且，上面一些特殊的控制策略，需要一些特殊的参数作为保证，下面针对各种控制策略提出一个大致的整定思路，不同情况可能有不同的整定办法。5.4.1串级调节系统的参数整定 要注意主副 PID之间的侧重关系。如果要加强主调的作用，可以增强 PID1 的比例作用。如果要强调超前作用，可以增强 PID2 的比例作用。不管哪一种方法，PID2 的积分作用可以减弱甚至忽略。PID1 的积分作用应该比比例作用稍弱，以能消除静差为宜。 5.4.2 导前微分的参数整定 注意微分时间的使用，可以消除因微分作用带来的执行机构的频繁波动。微分时间增大可以消除执行机构频繁动作，但是微分的超前作用会在一定程度上被削弱。微分时间减小，超前作用增强，但是执行机构可能会有抖动。需要在超前性和稳定性之间作一个综合衡量。 5.5带导前微分的串级调节系统导前微分串级调节系统需要注意的是：PID的测量值围绕在 0 左右波动，不大容易进行曲线观察。我们可以在微分作用以后叠加一个常数，这个常数不参与运算，可以方便对曲线进行观察。 5.6带汽包压力微分前馈的调节系统的整定 如果汽包压力微分参数整定合适，该系统十分好用。需要注意的是，汽包压力微分已经进行了调节，喷水后温度前馈可能因二次调节造成震荡。这时候应该适当减弱副调作用。 5.7带减温水流量反馈的调节系统的整定该系统的整定稍微特殊，下面一一列举。 5.7.1流量系数 流量系数关系到流量反馈系统能不能投入的问题，所以很重要。流量系数过大，会造成副回路的 PID反复震荡；系数过小，会造成反馈不足。应该予以重视。 5.7.2 副调的积分时间 PID的 6 个参数为什么单单说副调的积分时间呢？我们既然在副调加入了反馈量，目的就要使反馈克服执行机构方面的问题。在调节过程中，只要流量达不到 PID 的要求，不管是过大还是过小，就要使 PID 输出继续进行调节，直至达到要求为止。那么副调的积分时间我们可以设得很短，即积分作用设得很强。只要副调的 PID输入 e 不等于 0，就要积分下去，直到 e=0 为止。 5.7.3 副调的 PID死区 因为副调的积分作用非常强，那么就有可能使得执行机构不停地动作，从而烧坏电机。为此，我们可以给副调的 PID输入偏差设置死区，以抑制震荡。 加入流量反馈的实际调节效果图如图所示。 图5-6带反馈调节系统正常工况效果图5.8抗积分饱和抗积分饱和在普通系统中，其实并不是很突出的问题。在火电厂自动调节系统中，只要参数设置恰当、系统不存在故障，一般不存在积分饱和的问题。如设置不恰当，或者系统存在故障。系统故障主要问题在于调节裕量不足。如果阀门开满或者关严仍旧不能满足要求，就需要抗积分饱和功能了。汽温控制是个例外。该系统经常会遇到阀门关严甚至开满的问题。 目前大多数 PID 本身就具有了这个功能，所以不需要过多考虑。如果存在问题的可采用下面这一种办法。在执行机构开度接近于0%或者100%的时候，发出一个bool量，这个bool量去切换PID的参数，使 PID 参数切换如下：比例带趋向于无穷大；积分时间趋向于无穷大；微分作用=0。 这个时候，PID相当于不运算，PID的输出接近于不变化，就完成了抗积分饱和的功能。当这个 bool 量复归的时候，PID切换到日常参数。6 配风设计及热效率6.1热采锅炉配风及热效率现有锅炉的配风由气动执行器通过连杆机构控制鼓风机出口挡板的开度，由于风门挡板的尺寸是固定的，在设备调试初期，气动执行器连杆机构和风门调节比例一旦设定，在随后的燃烧控制过程中空气燃料比就被固定，而现场实际运行情况表明，这种调整方式精度低，当锅炉工况发生变化时，不能确保在不同燃烧强度下的空燃比都能实现最佳。根据能量的正平衡计算方法，在未考虑锅炉散热损失时其热效率为=-3.96104+3.299（-1）104t+1.011+0.0174(-1) （1）式中，未考虑锅炉散热损失的热效率； 过量空气系数； t排烟温度； 如果不考虑燃料的特性，可以按以下公式计算过量空气系数 =21/(21-O2) （2） O2烟气含氧量，百分比表示。因此，通过烟气的含氧量检测，可以计算出过量空气系数，再依据检测到的锅炉排烟温度，就可以计算出锅炉的运行热效率。提高锅炉的热效率就需要让燃料充分燃烧，并且尽量减少锅炉的热损失；着就要求外排的烟气含量大，过量空气系数大，于此同时，锅炉外排烟热损失也就增大。位解决这一矛盾，将过量空气系数控制在一定的范围内，使热采锅炉运行在较高的热效率水平上，该过量空气系数即为最佳过量空气系数，根据我们的运行经验，过量空气系数一般控制在1.021.2为最佳，根据公式（2）烟气含氧量范围应在0.413.5%。6.2配风自动控制设计6.2.1控制方案在固定空燃比的情况下，通过鼓风机加装变频器，改变变频器的输出频率，自动地调节鼓风机的送入风量，同时对锅炉外排烟气含量进行实时检测，根据检测结果调整变频器的输出频率，保证烟气含量维持在最佳的水平，使锅炉运行于最佳效率状态。烟气含量自动控制系统包括三个部分，即烟气含量实时检测、调节控制、变频输出。通过传感器对锅炉烟气中含量实时感应，感应信号经氧量变送显示仪送入控制器中，通过控制器的内置算法计算出变频器输出频率，通过变频器输出频率改变鼓风机电机转速，从而实现鼓风机供风量的自动调节，烟气含氧量自动控制系统原理图见图。 6.2.2控制策略为了实现热采锅炉空燃比的自动调节，结合多年来热采锅炉的运行经验，设计适合烟气含氧量自动控制的算法，控制系统根据插入烟道的氧化锆传感器的感应含氧量的变化，经氧量分析仪变换的信号与含氧量设定值进行比较，如果大于设定值进一步判断含氧量是否最小，如果最小则维持变频器输出频率调节；如果小于设定值进一步判断含氧量是否最大，如果最大则维持变频器输出频率不变，否则经PID运算进行变频器输出频率调节，算法框图所示。6.2.3调节系统启停控制程序设计为了实现系统全自动、无人值守运行，在锅炉原有PLC控制程序中新增指令控制烟气含氧量自动控制的启停，根据锅炉运行特点当锅炉点火20分钟后，锅炉PLC将自动启动烟气调节系统，进行燃烧状态的自动控制，当锅炉处于前吹扫和后吹扫时，将自动切换到工频运行。其plc控制电路为：6.2.4鼓风机的动作该锅炉的鼓风机动作根据上一节中所侧得的温度进行控制。水温为100摄氏度时为正常水温，鼓风机不工作。水温在90-100摄氏度之间时，鼓风机低速工作。水温在90摄氏度以下是，鼓风机高速工作。其动作要求如下原动机Yn状态电路条件鼓风机动作Yn+1不限温度低于设定低温度IC6：OAB11温度低于设定高温度IC8：OAB00温度高于设定低温度IC6：OAB0 表6-17 锅炉PLC自动控制系统7.1主要功能动圈仪表显示、智能仪表显示、人机界面显示，见表17.1.1控制功能手动控制，通过操作面板上的按钮控制8个对象；自动控制，可控制12个对象；紧急停炉攀制，当锅炉严重缺水或锅炉输出蒸汽压力超过规定上限时，系统将强行关闭鼓风机、引风机和炉排电机，同时执行报警程序，等待司炉工处理。7.1.2报警处理各报警功能列于表1中。7.2工作原理7.2.1动圈仪表电流显示如图7-2所示，现场的电流（如引风机电流）经电流互感器变成05A电流信号，再将动圈电流表串接于05A电流回路中，从而显示现场电流大小7.2.2动圈仪表电压显示如图7-1所示，来自外电路的总电源经电源总开关送至柜内母线，再经一单极自动保护开关接至动圈电压表，以显示总电源电压的大小。7.2.3人机界面电流显示如图7-1所示，来自现场的强电流（05A）信号，经电流变送器隔离、变换以后，变成420mA标准电流信号，再程序的控制下，被转换成数字信号送入PLC某一数据寄存器，人机界面在程序控制下通过访问PLC某一特定寄存器，将其中的数字大小在人机界面上显示出来。表7-1。 图7-1 图7-27.2.4人机界面电压显示如图7-3所示，来自现场的强电压（0400V）信号，经电压变送器隔离、变换以后，变成420mA标准电流信号，经PLC，人机界面访问PLC将其显示出来。7.2.5温度显示如图7-4所示，将温度信号送入智能数显仪表并转换数字信号，在数字显示屏显示出温度值。智能数显仪表在显示温度的同时，还输出一路420mA标准电流信号送至PLC，人机界面访问PLC，将温度值显示出来。 图7-3 图7-47.2.6压力显示 如图7-5所示，压力变送器将现场压力信号转换成020mA电流信号，并以串行方式送至两处，一是送至智能数显示仪，转换成数字信号，并在数字显示屏显示出压力值；另一送至可编程序控制器，人机访问PLC，将显示出压力值。 图7-57.2.7液位显示 如图7-6所示，一是液位变送器将现场的液位信号转换成020mA电流信号，送至智能数显示仪表，转换成数字信号，并在数字显示屏显示出液位值；另一送至可编程序控制器，人机访问PLC，将显示出液位值。 图7-6如图7-7所示，涡街流量变送器将测得的流量信号转换成副值4V，频率最高为10KHZ变频脉冲信号送至PLC，对输入脉冲进行瞬时流量和累计流量分析，并将所得结果转换成数字信号，分别送入PLC的两个数据寄存器，人机界面访问PLC，将流量值显示出来。 图7-77.2.8风机风门位置显示如图7-8所示，将现场的风门位置信号转换成020mA电流信号，并送至智能数显示仪表，风门位置信号转换成数字信号显示出来；另一送至可编程序控制器，转换成数字信号，人机访问PLC，将显示出风门位置。 图7-87.2.9各个风机、泵电动机手动控制各个风机、泵电动机手动控制原理与常规的电机控制原理相同，即用两只按钮来控制各个电机的启动和停止。7.2.10汽包液位自动控制 汽包液位自动控制根据用户的需要有两种方式可供选择。第一种控制方式为PID连续控制；第二种控制方式为三位式控制，图7-9为第一种控制方式示意图，来自于液位变送器的420mA电流信号，经智能数字显示仪表送入PLC，将输入的液位信号大小与给定的液位大小相比较，并将比较结果变成420mA电流输出至电气转换器，转换成0.020.14MPa气压信号，推动气动薄膜调节阀适时调节汽包液位的高低。第二种控制方式是开关量控制方式，来自于液位变送器的420mA电流信号，小与给定的液位大小相比较经智能数字显示仪表送入PLC，将输入的液位信号大小与给定的液位大小相比较，如果测量值的现场液位高于给定液位，则PLC关闭供水泵；反之PLC开启供水泵如果测量的现场液位在正常液位范围内，则PLC保持供水泵的开关状态。 图7-97.2.11锅炉缺水紧急停炉控制 如图7-10所示，在自动控制下，当汽