（机械工程专业论文）锅炉控制系统研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 对于火力发电机组，在系统组成与结构一定时，机组运行的安全性和经 济性主要取决于锅炉的安全经济运行，而锅炉运行的安全性和经济性主要取 决于给水调节系统和锅炉燃烧系统统的运行性能，论文结合东安热电厂燃煤 锅炉的运行情况，对锅炉给水调节系统和锅炉燃烧系统运行进行深入研究，主 要内容为：描述了锅炉燃烧、水位控制系统的工作原理及运行特性，分析了 锅炉燃烧、水位控制系统的动态特性并给出了系统的数学模型，设计了一套 完善、实用的锅炉控制系统：1 、锅炉给水控制，采用了附加蒸汽流量负向微 分信号、给水流量惯性环节的串级三冲量控制系统。2 、蒸汽压力控制，以蒸 汽压力为主控参数的p i 串级控制系统。3 、烟气含氧量控制，采用了以烟气 含氧量为控制量的含氧量燃烧调节控制系统。4 、炉膛负压控制则采用以送风 量为前馈信号，引风量为控制量的炉膛负压控制系统；介绍了锅炉控制中变 频技术的应用和具体实现方法，指出了其先进性、可行性及实用性：进行计 算机监控系统进行设计，在系统上结合先进的计算机和可编程控制器软、硬 件技术，具有面向所有过程控制应用场合的先进控制系统；综合锅炉自动化 现状及控制难题，展望智能控制技术在锅炉自动控制中的应用。 关键词：锅炉；汽包水位；燃烧系统；水位控制 哈尔滨j 二群大学硕士学位论文 a b s t r a c t mp o w e rp l a i l t s ，m es e c 嘶t ya n de c o n o m yo ft h eu n i td e p e n d so nm e d c r f o r m a i l c eo ft 1 1 eb o i l e r t h ep e r f o 衄a n c eo f l eb o i l e rd e p e n d so nm es e c 面t y a n de c o n o m yo fc o m b u s t i o ns y s t e ma 1 1 d 蛐c o n t r 0 1s y s t e m w i t ht h es t a t u so f b o i l c ri nd o n g a nt 1 1 e m a lp o w c rp l a i l t ，t l l i sd i s s e n a t i o ns t u d i e so nt h ep m b l e mo f b o i l e rc o m b u s t i o ns v s t e ma n dd r 啪c o n 仃o ls y s t e m ，t h em a i l lc o n t c n ti n c l u d e s ： t h i sa r t i c l ed e s c r i b l e st 1 1 ep r i n c i p l ea i l dn m i l i i l gc h a r a c t e r i s t i co fb o i l e r c o m b u s t i o ns y s t e m a a l y s t i n gt h ed y n a t i cc h a r a c t e r i s t i c so fb o i l e rc o m b u s t i o n s v s t e m ，t h i s a n i c l e西v e st 量1 em a m sm o d e lo f b o i l c rt h ec o m b u s t i o ns y s t e m ，w e d e s i p 皿c o n c r e t eb o i l e ra u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e r i l ，b o i l e rd n l mc o n t r 0 1s y s t e ma n d b o i l e rb u m i n 2c o n t r o ls y s t e m ：1 b o i l c r 妇sp a nu s e st h r c ee l e m e i l tl e v e i c a s c a d ec o n t r 0 1s y s t e m ；2 s t e a mp r e s s u r ep a r tu s e sm ep ic a s c a d ec o n t r 0 1s y s t e m ， i nw h i c hs t e a mp r e s s u r ei sp r i m a r yc o n 订o lp 孤a m e t e ra n dh e a r t ht e m p e r a n i r ei s s u b s i d i a r yp 盯锄c t c r ；3 s m o k ec o n t a i n i n go x y g e np a nu s e saa d j u s t e do x y g e n c o n t e n tc o n 订o ls y s t 锄，s e n d 协gc o a lc o n t c n ti st h ef e e d f o n v a r dc o n t r o l l e ra n d s e n d i n gw i n dc o n t e n ti st l l ep d m a r yc o n 拉0 1 1 e r ；4 f u m a c en e g a t i v ep r e s s u r ep a r t u s e ss e n d i n 窖w i n dc o n t e n ta c ta sf e e d f o r w a r dv a r i a b l e ，姐du s e sd r a w i n gw i n d c o n t e n ta c t 舔c o n t r 0 1v a r i d b l e ；t h ea p p l i c a d o no f 矗e q u e n c yc o n v e r s i o nc o n t m l i nb o i l e rc o n t r o li si n 仃o d u c e d ，a sw e l la st 1 1 e i ra d v a l l t a 星e ，r e a s o na _ b i l i t ya i l d p r a c t i c a l i t y ；w ed e s i g nb o i l e rm o l l i t o ra i l dc o n n d ls y s t e m ，t 1 1 i ss y s t e i l l u s e a d v a i l c c dc o m p u t e r ，p l c 蚰dh 锄d w a r e - b a s c dt e c l l l l o l o g y ；w ep r o s p e c tt h e 印p l y o fi m e n i g e n tc o n 仃o li nb o i l e rc o n 仃0 1 k e y w o r d s ：d m mw a t e r - 1 e v e l b o i l e r ；c o m b u s t i o ns y s t e m ；d n l i nc o n t r o l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：2 0 0 5 年1 2 月1 9 日 堕叠堡占堡叁堂堡主堂垡堡兰 第1 章绪论 1 1 锅炉控制研究的背景和意义 我国大部分中、小型电厂特别是企业自备电厂自动化水平较低，电厂锅 炉运行的主要控制方式基本上还停留在手动阶段，自动投入率一直不高，造 成电站锅炉运行工况很不稳定，燃烧效率低，厂用电率高，严重影响锅炉的 安全经济运行，如何提高中小型电站锅炉的安全、经济运行水平，减少事故， 提高设备( 系统) 效率，降低煤耗和厂用电率，成为一个亟待解决的问题， 锅炉燃烧调节和水位调节全程投入自动控制是解决问题的唯一方法。 东安集团公司热电厂建于1 9 9 6 年，一期投产2 台u g 一3 5 3 8 2 一m 1 8 中压 炉和2 台c 3 3 4 3 o 4 9 抽汽冷凝式汽轮发电机组，2 0 0 2 年扩建工程投产2 台u g 一3 5 3 8 2 一m 1 8 中压炉和1 台b 3 3 5 5 背压式汽轮发电机组，主蒸汽管道 采用切换母管制，机组监控使用机、炉、电分别监控方式，锅炉控制系统情 况如下： l 、使用d d z i i 型电动单元组合仪表； 2 、燃烧控制手动调节，手动控制给煤量、鼓风量、引风量，不能实现最 优风煤比和炉膛负压，司炉工在运行时凭经验对燃烧系统进行调节，不能保 证最经济的运行并且劳动强度大； 3 、锅炉的燃烧控制系统和水位调节系统是通过对调风板和阀门对风量和 给水量，进行控制来实现燃烧控制和水位控制，存在严重的节流损失； 4 、水位控制采用单冲量水位调节，水位控制不稳定，存在严重的安全隐 患。 针对东安集团公司热电联产工程锅炉控制系统存在问题对其燃烧调节系 统和水位调节系统进行改造势在必行。 1 2 火电厂热工自动化综述 哈尔滨r 程大学硕士学位论文 火力发电厂是将燃料( 煤、油、天然气等) 的化学能变成电能的工厂。原 煤经过皮带运输到原煤仓，加工成煤粉后通过燃烧器送到锅炉的炉膛中燃烧， 放出热能。锅炉水冷壁管中的水，吸收炉膛中的热量后，变成饱和蒸汽。饱 和蒸汽同水形成的汽水混合物在汽包中分离。饱和蒸汽流经过热器时，进一 步吸收烟气中的热量变成过热蒸汽，并通过蒸汽管道送到汽轮机中。过热蒸 汽在汽轮机的喷管中形成高速汽流，并冲动叶轮，带动汽轮机高速转动，动 能就转变为机械能。汽轮机带动发电机旋转而发出电能。电能通过变压器、 开关、线路送到电力系统及用户。 由火电厂生产过程可以看到，火电厂的生产过程必须是连续的，火电厂 的生产过程具有以下显著特点： ( 1 ) 生产过程连续性强； ( 2 ) 生产过程负荷( 干扰) 变化幅度大而频繁，生产的安全性、可靠性和经 济性要求高； ( 3 ) 生产过程的自动化程度要求高且复杂，必须根据电厂设备复杂程度、 工艺系统有机联系情况，综合采用程序控制、连续控制、安全保护与协调控 制等”1 。 1 2 1 火电厂热工自动化的概念、内容及功能 火电厂热工自动化是指在无人直接参与情况下通过自动化仪表和自动控 制装置( 包括计算机和计算机网络) 完成火电厂热力过程参数测量、信息处理、 自动控制、自动报警和自动保护。火电厂自动化的范围极其广泛，包括了主 机、辅助设备、公用系统的自动化。而其中最重要的是锅炉、汽轮发电机组 运行的自动化，它大致包含四个基本内容： 1 、自动检测 指热力过程中温度、压力、流量、液位、成分等热工参数的测量由自动 化仪表来完成。自动检测的热工参数是监督火电厂机组是否正常运行的依据， 是随时调整自动控制作用的根据，也是机组进行经济核算、事故分析、自动 报警等的数据来源。 2 、自动调节 一般指正常运行时，操作的自动化，即在一定范围内，自动地适应外界 哈尔滨工程大学硕士学位论文 负荷变化或其他条件变化，使生产过程自动进行。火电厂锅炉的自动调节， 主要包括以下四个部分的控制： ( 1 ) 汽包液位的控制：控制汽包液位高度在一个能保证锅炉安全运行的位 置，水位过高会影响汽水分离，产生汽带水现象；水位过低会影响汽水循环， 使金属局部过热而爆管，导致重大事故。因此，必须对汽包水位进行自动调 节，把水位严格控制在规定范围内。 ( 2 ) 汽包蒸汽压力控制：维持蒸汽压力恒定，蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽 生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要工艺参 数。蒸汽压力过低或过高，对于金属导管和负荷设备都是不利的。压力过高， 会加速金属的蠕变，导致锅炉受损；压力过低，就不可能提供给负荷设备符 合质量的蒸汽。因此，控制蒸汽压力是安全生产的需要，也是保证燃烧经济 性的需要。 ( 3 ) 最优燃烧控制：即最优风煤比控制，在保证锅炉汽压稳定的前提下， 调节炉排转速和鼓风量的配比，以使锅炉燃煤得以充分燃烧，达到最优燃烧。 ( 4 ) 炉膛负压控制：负压控制即控制引风量使锅炉运行在负压状态下，避 免锅炉炉膛向外喷火，同时也避免锅炉热量因为正压而被过多地随排放的尾 气排放，保持锅炉燃烧的经济性。 3 、远方控制及程序控制： 远方控制是通过开关或按钮，对生产过程中重要的调节机构和截止机构 实现远距离控制。程序控制主要是指机组( 或局部系统、设备) 在启动、停止、 增减负荷、事故处理时的一系列基于逻辑的操作。 4 、自动保护： 是利用自动化装置，对机组( 或系统、设备) 状态、参数和自动调节进行 监视，当发生异常时，送出报警信号或切除某些系统和设备，避免发生事故， 保证生命和设备的安全。火电厂的自动保护对象主要有锅炉、汽轮发电机本 体、辅助设备、局部工艺系统以及自动调节系统等。 大型火电厂自动化的任务是保证机组安全运行，提高机组生产效率，满 足电网负荷要求，降低操作人员的劳动强度，因此要具有相应的自动化措施 与之相适应： l 、数据采集系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) 哈尔滨上程人学硕士学位论文 广义称为计算机监视系统，包括数据采集与显示、制表打印、报警、在 线性能计算、操作指导。 2 、协调控制系统( c o o r d i n a t i o nc o n t r o ls y s t e mc c s ) 或模拟量控制系 统( m o d u l a t i n gc o n t r o ls y s t e mm c s ) ： 通过控制回路协调汽轮机和锅炉工作状态，同时给锅炉自动控制系统和 汽轮机自动控制系统发出指令，以达到快速响应负荷变化的目的，尽最大可 能发挥机组的调频、调峰能力，稳定运行参数。它通常指机、炉闭环控制系 统总体，及其相关子系统。 3 、锅炉炉膛安全监控系统( f u r n a c es a f e g u a r ds u p e r v i s o r ys y s t e m ， f s s s ) 或燃烧器管理系统( b u r n e rm a n g e m e n ts y s t e m ，b m s ) ： 主要功能是保护锅炉炉膛的安全，避免发生爆炸事故，以及监视锅炉内 工况，对气、油、煤燃烧器进行遥控或程控管理。 4 、顺序控制系统( s e q u e n c ec o n t r 0 1s y s t e m ，s c s ) ： 在生产过程中，对某工艺系统或某大型主设备及有关的辅助设备群，包 括电动机、阀门、档板的启动、停止、和运行中的事故处理，按预先制定的 序列( 时间、判据等) 进行相关和有序的逻辑控制。顺序控制系统递阶式结构， 包括：机组级、组级顺控、子组级顺控和设各级控制等四级组成，实现整个 机组中各主要设各的监视操作、顺序启停和联锁保护等功能。机组级是最高 一级的顺序控制，也称机组自启停系统，它能在少量人工干预下自动完成机 组的启停。功能组级是操作人员发出功能组启动指令后，同一功能组的相关 设备按预先规定的操作顺序和时间间隔自动启动。以完成生产流程的一个特 定功能目标。根据命令请求可以自动完成这些相关子组和设备的自动顺序操 作联动、成组试验以及备用设备的选择和自动切换等。子组级顺控是将某台 辅机及其附属设备( 如润滑油系统、相关挡板、阀门) 作为一个整体进行控制。 设备级( 又称驱动级) 控制包括了单台设备的基本控制回路和联锁保护逻辑。 1 2 2 我国火电厂热工自动化的发展概况 火电机组是由锅炉、汽机和辅助设备组成的复杂的设备群，对过程控制 的要求非常高。随着火电机组容量的增大、参数的提高，过程控制在电厂中 的应用，经历了由简单到复杂，从低级到高级，并日臻完善的发展过程。2 0 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 世纪5 0 年代初，我国火电机组单机容量为6 5 0 m w ，过程控制主要是凭生产 实践经验，局限于一般的控制元件及机电式控制仪器，采用基地式仪表和部 分d d z i 型单元组合式仪表实现机、炉、电各自独立的分散的就地控制。机、 炉、电各控制系统之间没有或很少有联系。2 0 世纪6 0 7 0 年代，随着中间 再热机组出现，通过热力系统将锅炉、汽轮机联成一个整体，一般把机、炉 作为一个单元整体来进行集中控制，把仪表盘装在一起进行监视，使机炉启 停运行更为协调，热工自动化系统装备以模拟仪表、单元组合仪表、组装仪 表和继电器等组成。7 0 年代末期和8 0 年代初期，随着仪表工业的迅速发展 和机组容量的增大，进口的2 0 0 m w 3 0 0 m w 火电厂进一步发展为机、炉、电集 中控制。到八十年代中期，由于大规模集成电路技术及电子计算机技术的发 展，以及通讯理论和技术的发展，国外在对局域网的大量研究基础上，推出 了用于过程控制的网络型分散控制系统，即d c s 系统，一九八七年，作为原 电力部计算机监控科研试点的望亭电厂等项目投运成功实现数据采集( d a s ) 和模拟量控制( m c s ) 功能，为d c s 在电厂的推广应用起了一个良好的开端。d c s 功能主要是数据采集和模拟量控制两个功能。与此同时华能国际电力开发公 司在进口成套发电设备时候，也随主机成套进口了以d c s 为基础的控制系统。 经过数年的安装调试，这些电厂的d c s 均随机组同时投产、能满足大机组的 运行要求，解决了用户所担心的可靠性问题，但也保留了较多的模拟仪表和 硬手操设备，c r t 控制台与集控室后备控制盘( b t g ) 上的后备仪表控制盘同时 存在。 1 2 3 我国火电厂热工自动化现状 1 9 8 5 年，经当时水电部电力规划设计总院批准，在望亭电广选用美国西 屋公司w d p f 进行d c s 的应用试点，但功能还只限于d a s 、d c s 和s c s ( 顺序控 制系统) 同时还保留了较多的模拟仪表和硬手操设备，经过十几年的应用， 目前己取得了很大的进展，从开始仅在引进机组上采用，在国产大机组上试 点，发展到现在在3 0 0 删及以上机组全部采用分散控制系统( d c s ) ：其功能和 应用范围正在深入和扩大，从开始的只有数据采集系统( d a s ) 和模拟量控制 系统( m c s ) 两个功能，发展到现在的包括锅炉炉膛安全监控系统( f s s s ) ，顺序 控制系统( s c s ) 、汽轮机数字电液控制系统( d e h ) 、给水泵用小汽轮机数字电 哈尔滨工程人学硕十学位论文 液控制系统( m e h ) 、汽机跳闸系统( e t s ) 、旁路控制系统( b p s ) ，目前新上马的 一些大型机组已将电气系统的参数监视，发变组控制，厂用电控制也由分散 控制系统完成，实现了真正的机炉电集中控制。随着计算机技术、通讯技术、 显示器技术的不断发展，分散控制系统的可靠性不断提高，过去因担心d c s 是否可靠问题而采取的保险措施一一配备部分常规仪表和硬手操设备，而事 实上只要软件设计完善，完全可以保证机组的安全运行，所以近年设计和投 运的机组，除少数紧急停机按钮外，几乎全部取消硬手操和模拟仪表，使自 动化系统大大简化，用c r t 操作台，配以大屏幕显示屏代替原来庞大的机组 控制盘，因而所占用的空间大大减少，为减少运行人员创造了条件。随着远 程i o 站和可编程序控制( p l c ) 应用经验的增加，部分电厂己实现了循环水 泵房，氢站，凝结水处理的无人值班。目前火电厂内的监控系统，厂级信息 管理系统( m i s ) 的应用也越来越广泛、成熟，有些电厂已实现了全厂管理计算 机化。 目前在火电厂中应用最多的仍然是以p i d 调节器为基础的各种控制策 略，包括单回路调节、串级调节等。自1 9 9 0 年以来随着智能控制理论研究热 潮的兴起，现代控制理论和智能控制理论的一些成果被学者和专家引进到火 电厂热工自动化中，提出有别于传统单回路p i d 调节的大量先进控制策略， 其中有些成功应用于火电厂实践中，诸如用于过热汽温控制的s m i t h 预估控 制、预测智能控制、模糊控制，随着d c s 和f c s 的发展已有许多公司将先进 控制技术的模块加入系统。 1 2 4 我国火电厂热工自动化技术应用展望 进入2 1 世纪，我国火电厂自动化技术应用将以更快的速度发展，2 1 世 纪的火电厂必将随着不可抗拒的潮流加速进入信息网络时代，火电厂乃至电 力系统和电力企业集团将形成生产过程自动化和管理现代化的信息网络，厂 级自动化系统由厂级监控信息系统( s u p e r v i s o r yi n f o r m a t i o ns y s t e mi n p l a n tl e v e i ，简写s i s ) 和厂级管理信息系统( n a g e m e n ti n f o r a t i o n s y s t e mi np l a n t1 e v e l ，简写m i s ) 组成。s i s 主要处理全厂实时数据完成 厂级生产过程的监控和管理，厂级故障诊断和分析，厂级性能计算、分析和 经济负荷调度等；m i s 主要为全厂运营、生产和行政的管理工作服务，主要 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 完成设各和维修管理、生产经营管理( 包括电力市场报价子系统) 、财务管理 等。厂级s i s + h i s 系统，对内是实现厂级生产过程自动化和管理现代化的系 统，对外是电网运营和调度系统，以及电力企业集团m i s 在发电厂侧的支持 系统。 因此未来电单元机组自动化必将在下列几个方面进一步向前发展： 1 、控制系统全计算机化，驾驶仓式控制室将出现。单元机组实现全c r t 监控，传统监控盘台将取消，控制室紧凑小型化。 2 、监控系统的物理配置原则重新安排 随着计算机技术的发展，监控系统将由以前的全部集中到一个控制楼里 的配置方式，逐步趋向于采用适度物理分散配置的方式。庞大的控制楼将取 消，变成若干个小型的电子设备间，分别布置在锅炉、汽轮机房或其它主设 备附近。节省电缆，并为主厂房模块化设计、安装、缩短工期，以及主厂房 合理布局创造条件。对现场来的信号，将大量采用远程i o ，其中驱动器控 制用的i 0 ，经过实践，也将广泛采取现场配置，这种配置方式必将为大量 节约监控电缆，降低基建费用，缩短工期做出贡献。 3 、现场总线智能化仪表和f c s 概念将熔入d c s 中，推动d c s 功能迸一步 发展，使用户的配置方式更加灵活。 f c s 的全数字化通信将引起真正的革命。传统d c s 的一个致命弱点是， 它可以控制和监视工艺过程，对自身进行诊断、维护和组态。但是，由于其 i o 信号采用传统的模拟量信号，因此，它无法在d c s 的工程师站上对现场 仪表( 变送器、执行机构等) 进行远方诊断、维护和组态。f c s 的现场总线和 全数字的现场总线智能化仪表熔入d c s 后，将彻底解决这个问题。 4 、单元机组自动化系统进一步智能化 单元机组d c s 的应用使机组的监控面貌发生了质的飞跃，但是应当说， 它的监控手法大多还是比较传统的，智能化程度不太高。从国外看，许多智 能化的监视和控制软件已日趋成熟和商品化，并在火电厂实践中取得明显的 效益，单元机组自动化系统进一步智能的趋势十分明显。因此，应当精心研 究和设计d c s 应用软件，进一步提高显示、报警、事故记录等功能的智能化 程度，实现数据存档和检索无纸化。要进一步提高模拟量控制系统的控制范 围，研究实现根据机组负荷自动启停燃烧器( 制粉系统) 和机组自启停功能， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 使控制中心进一步智能化、自动化。使值班人员控制机组运行，好似人们照 相使用“傻瓜机”那样，以提高机组运行安全性同时，要积极采用已取得成 功应用经验，安全、经济效益明显的优化控制软件、性能计算和分析软件、 机组寿命管理软件、故障诊断以及状态维修软件等，进一步提高机组运行的 安全性和经济效益，以较少投入最大限度地挖掘机组潜力。 5 、辅助车间高度集中控制 一个电厂有十几个辅助车间，过去在每个车间都设一个控制室，采用p l c 实现顺序控制，值班人员多达7 0 人，不少电厂辅助车间实际达到的自动化水 平不高。辅助车间实现高度集中控制要抓好两件事：( a ) 提高可控性，并集中 解决好某些特殊检测问题，使设计的顺序控制得以可靠运行，实现在当地基 本无人值班；( b ) 配置好辅助车间的计算机监控网络，实现若干辅助车间远方 集中监控”。 1 3 主要研究工作 基于智能控制的d c s 在电厂控制中的应用是必然的发展方向，但结合东 安热电厂的资金情况和运行、维修人员技术水平相对较低的实际情况，东安 热电厂锅炉控制系统改造主要使用d d z i i i 型电动单元组合仪表，实现变频技 术在燃烧调节系统和水位调节系统的闭环控制，实现数据采集。 本文通过对东安集团公司热电联产工程锅炉控制系统改造的设计及对控 制系统的研究，课题主要工作： l 、使用d d z 一i 型电动单元组合仪表，二次表具有通讯接口； 2 、应用计算机数据采集系统，促进运行管理； 3 、将变频调节技术应用于锅炉燃烧调节系统和汽包水位调节以达到节能 降耗的目的； 4 、实现锅炉燃烧系统调节的闭环控制，完善汽包水位自动调节； 5 、展望智能控制在中小型电厂的应用。 本文共分为六部分： 第一章：绪论。阐述选题意义，热工自动化综述及论文主要研究内容。 第二章：锅炉汽包水位自动控制 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第三章： 第四章： 第五章： 第六章： 锅炉燃烧系统的自动控制 变频调速技术在锅炉控制中的应用 计算机数据采集系统 锅炉智能控制 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章汽包锅炉给水自动控制系统 2 1 前言 汽包锅炉给水自动控制的任务是维持汽包水位在一定的范围内变化。汽 包水位是锅炉运行中的一个重要的监控参数，它间接地表示了锅炉负荷和给 水的平衡关系。维持汽包水位是保持汽机和锅炉安全运行的重要条件。锅炉 汽包水位过高，影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽中水分 过多，结果使过热器受热面结垢而导致过热器烧坏，同时还会使过热汽温产 生急剧变化，直接影响机组运行的经济性和安全性；汽包水位过低，则可能 使锅炉水循环工况破坏，造成水冷壁管供水不足而烧坏。 随着锅炉参数的提高和容量的扩大，对给水控制提出了更高的要求，其 主要原因有： ( 1 ) 汽包的个数和体积减少，使汽包的蓄水量和蒸发面积减少，从而加快 了汽包水位的变化速度； ( 2 ) 锅炉容量的增大，显著地提高了锅炉蒸发受热面的热负荷，使锅炉负 荷变化对水位的影响加剧了： ( 3 ) 提高了锅炉的工作压力，使给水调节阀和给水管道系统相应复杂，调 节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求。 由此可见，随着锅炉朝大容量、高参数发展，给水系统采用自动控制是 必不可少的，它可以大大减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行。 对于大容量高参数锅炉，其给水控制系统将是非常复杂而完善的。 2 2 给水被控对象的动态特性 分析被控对象的动态特性是设计和优化控制系统的前提和基础，锅炉内 部的工质容积组成可看作三部分，即蒸汽容积，蒸发面以下的蒸汽容积和水 容积。在汽包中有水和蒸汽的两相物质转换，同时还要进行能量交换，因此 可列出两组方程式，即物质平衡方程式和能量平衡方程式，但主要还是从能 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 量平衡方面进行分析给水被控对象的动态特性。 单位时间内汽包内积蓄的热量等于单位时间内输入的热量减去单位时间 内的热量。综合物质平衡和能量平衡两方面考虑，可以得到汽包压力的十分 重要的动态方程式。 2 2 1 汽包水位动态方程式 锅炉汽包内部的工质容积组成，可以看作由三部分构成，即蒸汽容积v 。， 蒸发面以下的蒸汽容积v 。和水容积v w 。由于在汽包里要进行水和蒸汽两相物 质的转换，同时还要进行能量的交换，因此可列出两组方程式，即物质平衡 方程式和热平衡方程式： t ! 里+ k p p = k 。u 。一k 。一k ，u ，( 2 1 ) 出 式中t 时间常数， k 。汽包压力放大系数； k 燃料量放大系数； k 。蒸汽流量放大系数： k 厂_ 给水流量放大系数。 在此基础上，可求得汽包水位十分重要的动态方程式： ”z 笋叽警堋一警卜m 鲁岷一 ( t 。! 堕+ kp 。) 一( t ，尘+ k ，p )( 2 2 ) d t d t 式中t ，给水流量项时间常数； t _ 一燃料量项的时间常数； t d _ 一蒸汽流量项的时间常数； t r 一汽包压力项的时间常数： k ，、k d 、k 。各有关项的放大系数； t 。、t 。水位的时间常数。 通过计算和测试可知，式( 2 一1 ) 和式( 2 2 ) 中的时间常数t 和t ，的数值相 哈尔滨t 程大掌硕士学位论文 差很大，大致相差一个数量级，说明汽包对压力的反应比对水位的反应更快。 这是汽包炉把给水和汽压控制分为两个独立控制系统的原因。 另外，在不同的工况下，式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 的时间常数和放大系数也是 不同的，即两式的系数是不一样的。这说明在不同的运行工况下( 尤其对滑压 运行机组) 被控对象的动态特性随负荷而变化，要求调节器有变参数自适应的 能力。将式( 2 2 ) 作拉氏变换，变成如图2 1 的形式，可以看出汽包水位被控 对象的扰动有四个来源：一是给水方面的扰动，其中包括给水压力的变化和 调书阀开度的变化，这个扰动来自给水管道和给水泵；二是蒸汽负荷的扰动， 包括蒸汽管道阻力的变化和主蒸汽调节阀开度的变化，这个扰动主要来自汽 轮发电机组的功率变化；三是燃料量的变化，包括引起燃料发热量变化的种 种因素；四是汽包压力的变化，压力变化对汽包水位的影响是通过汽包内部 汽水系统在压力升高时的“自凝结”过程和压力降低时的“自蒸发”过程起 作用的。根据对汽包水位的动态特性的分析，可知在设计给水自动控制系统 时如何考虑这些扰动因素，这便是设计给水自动控制系统的主要根据1 1 j 。 图2 1 汽包水位各通道的示意图 肌( s ) ，( s ) ，眠( s ) 、w p ( s ) 一给水、蒸汽、燃料、汽压扰动对水位的传递函数 1 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 2 2 2 汽包水位的阶跃响应试验曲线 从理论上已经分析了对汽包水位产生扰动的四个因素，其中以给水扰动、 汽机负荷扰动和锅炉热负荷扰动较为严重，下面通过实际测试，求出它们的 阶跃响应曲线，以分析它们的动态特性。 1 、给水量扰动下水位变化的动态特性 给水量w 的扰动是给水自动控制系统中影响汽包水位的主要扰动之一， 因为它是来自控制侧的扰动，又称内扰。在给水量扰动下水位变化的阶跃响 应曲线如图2 2 所示。 ， l ( 2 1 8 ) 由于在负荷扰动时，水位的最大偏差( 第一个波幅) 往往出现在扰动发生 后不久( 虚假水位现象造成) ，这个水位最大偏差的数值决定于扰动的大小， 扰动的速度和锅炉的特性，蒸汽流量信号加强后的控制作用对水位的最大偏 差起不了多大作用。加强蒸汽流量信号的作用在于减少控制过程中第一个波 幅以后的水位波动幅度和缩短控制时间，因此