（机械电子工程专业论文）石油开采高压注汽燃煤锅炉控制仿真与监控系统设计.pdf

1 i a t h e s i si nm e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c o n t r o ls i m u l a t i o na n d m o n i t o r i n gs y s t e m d e s i g no fh i g h p r e s s u r es t e a m - - i n je c t i o n c o a l f i r e db o i l e rf o ro i le x p l o r a t i o n b y c a iy i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry u a np e i x i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同学对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：才影 h 期：加哏7 ：i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名： 才罟多 签字日期：确，7 二 两年 导师签名： 签字日期： im，i 东北大学硕士学位论文摘要 石油开采高压注汽燃煤锅炉控制仿真与监控系统设计 摘要 石油开采需要在重油层中注入适当干度的高压蒸汽进行原油开采，生产高压 蒸汽的注汽锅炉一般采用原油或天然气作为燃料，但是以原油和天然气为燃料成 本比较高，所以很多油田都采用以煤代油的方式，开发了不同种类的燃煤锅炉生 产高压蒸汽，进而降低成本。 燃煤锅炉数量在国内工业锅炉仍然占有很大的比例。锅炉燃烧具有非线性、 参数不稳定、难以建立精确数学模型的特性，从而导致锅炉燃烧过程控制困难， 效率较低，造成很大的能源浪费。因此，提高锅炉燃烧效率问题一直被工程技术 人员和学者们关注。针对燃煤锅炉控制中的诸多不确定因素，采用传统的p i d 控 制，效果不佳。寻求一种新的控制方法是十分必要的。 本文对燃煤锅炉的控制系统进行了研究，将锅炉的控制系统解耦合成三个控 制回路，即汽包水位控制回路、蒸汽压力控制回路和炉膛负压控制回路。并结合 了模糊控制理论和神经网络理论，提出了带补偿的模糊神经网络的算法，对这三 个控制回路进行了补偿模糊神经网络控制器设计。并应用m a t l a b 对各个控制回 路进行仿真研究，同时，对三个控制回路也采用了传统的p i d 控制方法对系统进 行了仿真，证实了补偿模糊神经网络算法的优越性。 燃煤锅炉的监控系统采用上、下位机分层结构，上位机采用工控机，供工程 师、厂长观察监控锅炉运行状况，下位机采用p l c 实现现场实时数据采集，编程 软件采用组态软件w i n c c ( w i n d o w sc o n t r o lc e n t e r ) ，并采用d e l p h i 扩展了数据归 档、查询和打印功能，对锅炉重要参数实行在线监控，实现良好的人机交互界面， 便于浏览锅炉运行，还设计了锅炉监控系统的硬件。 本文所研究带补偿的模糊神经网络算法，通过对锅炉各控制环节的仿真比较 得知，带补偿模糊神经网络控制器克服了常规p i d 控制器的缺点，使控制系统具 有较强的鲁棒性和自适应性，学习速度快，适于在线学习控制，适用于锅炉控制 系统。 关键词：汽包水位；蒸汽压力；炉膛负压；补偿模糊神经网络；锅炉监控系统 -f f l ， 2 l 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t c o n t r o ls i m u l a t i o na n d m o n i t o r i n gs y s t e m d e s i g no fh i g hp r e s s u r es t e a m - i n j e c t i o n c o a l - f i r e db o i l e rf o ro i le x p l o r a t i o n a b s t r a c t o i le x p l o r a t i o nn e e d si n j e c t i n gs o m eh i g hp r e s s u r es t e a mw i t hp r o p e rs t e mt oa c q u i t o i l ，g e n e r a l l y , h i g hp r e s s u r es t e m - i n j e c t i o nb o i l e r sf o rp r o d u c i n gh i g hp r e s s u r es t e a m a r eo i l - f i r e do rn a t u r a lg a s f i r e d ，h o w e v e r ，i ti se x p e n s i v e ，t h e r e f o r em a n yo i l f i e l d sa d o p t c o a l - f i r e d b o i l e r si n s t e a do fo i l - f i r e db o i l e r s ，d e v e l o p i n gd i f f e r e n tk i n d so fc o a l - f i r e d b o i l e r sf o rp r o d u c i n gh i g hp r e s s u r es t e a m ，a n dr e d u c i n gt h ec o s t c o a l - f i r e db o i l e r sa c c o u n tf o ral a r g e p r o p o r t i o ni nn a t i o n a li n d u s t r i a lb o i l e r s c o m b u s t i o no fb o i l e r sh a sf e a t u r e so fn o n l i n e a ra n di n s t a b i l i t yo fp a r a m e t e r sa n di ti s h a r dt ob u i l da na c c u r a t em a t hm o d u l e t h e r e f o r e ，i ti sd i f f i c u l tt oc o n t r o lc o m b u s t i o no f b o i l e r s ，a n dt h ee f f i c i e n c yo fc o m b u s t i o ni sl o w , m a k i n gah e a v yw a s t eo fr e s o u r c e s i m p r o v e m e n to fc o m b u s t i o ne f f i c i e n c yo fb o i l e r si sc o n c e r n e db ye n g i n e e r i n ga n d t e c h n i c a lp e r s o n n e la n dr e s e a r c h e r s t h e r ea r es om a n yu n c e r t a i nf a c t o r si nc o a l f i r e d c o n t r o l ；t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o lc a nn o to b t a i nag o o de f f e c t s os e e kan e wc o n t r o l m e t h o di sv e r yn e c e s s a r y t h i sp a p e rd o e sar e s e a r c ha b o u tc o n t r o ls y s t e mo fc o a l - f i r e db o i l e r s ，a n dt h ec o n t r o l s y s t e mi sd e c o u p l e di n t ot h r e ec o n t r o ll o o p s ，t h e ya r ed r u ml e v e lc o n t r o ll o o p ，s t e a m p r e s s u r ec o n t r o ll o o pa n dn e g a t i v ep r e s s u r eo ff u r n a c eb o r ec o n t r o ll o o p t h i sp a p e r c o m b i n e sf u z z yc o n t r o lt h e o r ya n dn e u t r a ln e t w o r kt h e o r y , p u tu pa na l g o r i t h mo ff u z z y n e u t r a ln e t w o r kw i t hc o m p e n s a t i o n ，a n dd e s i g nf u z z yn e u t r a ln e t w o r kc o n t r o l l e r sw i t h c o m p e n s a t i o nf o rt h et h r e ec o n t r o ll o o p s ，a n ds i m u l a t e st h et h r e ec o n t r o ll o o p sw i t h m a t l a b i nt h em e a n t i m e ，a d o p t i n gt r a d i t i o n a lp i dc o n t r o lm e t h o dt os i m u l a t ec o n t r o l l o o p s ，a n di ti sc o n f i r m e dc o m p u l s o r yf u z z yn e u t r a ln e t w o r kh a si t sa d v a n t a g e s a u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fc o a l - f i r e db o i l e r sa d o p t ss t r u c t u r ew i t ha n u p p e r c o m p u t e ra n dal o w e rc o m p u t e r t h eu p p e rc o m p u t e ra d o p t si n d u s t r i a lc o m p u t e r , i tu s e d t om o n i t o rc o a l - f i r e db o i l e rf o rm a n a g e r sa n d e n g i n e e r s ，a n dt h el o w e rc o m p u t e ra d o p t s p l ct oo b t a i nd a t aa c q u i s i t i o n ，t h ep r o g r a ms o f ta d o p t sw i n c ct om o n i t o ri m p o r t a n t p a r a m e t e r sw i t hd e l p h ie x p e n d i n gi sd a t af i l i n g ，d a t aq u e r ya n dd a t ap r i n t i n g ，o b t a i n i n g i i i liiz厂 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t ab e t t e rh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n dd e s i g n sh a r d w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e ma n d p r o g r a m sp a r to fm o n i t o r i n gs o f t w a r e t h ec o n t r o ls y s t e ms t u d i e db yt h i sp a p e ra d o p t sac o n t r o lm e t h o do ff u z z yn e u t r a l n e t w o r kw i t hc o m p e n s a t i o ni na d d i t i o nt oe n s u r eh i 曲e f f i c i e n c yo fc o m b u s t i o n i t s h o w st h a tt h ef u z z yn e u t r a ln e t w o r kc o n t r o l l e rw i t hc o m p e n s a t i o nc o v e r ss h o r t c o m i n g s o ft r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l ，m a k e sc o n t r o ls y s t e mh a sas t r o n g e rr o b u s t ，s h e l f - a d a p t a t i o n a n dah i i g hs p e e do fs t u d y t h i ss y s t e mi ss u i t a b l ef o ro n l i n el e a r n i n gc o n t r o la n db o i l e r c o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：d r a ml e v e l ；s t e a mp r e s s u r e ；n e g a t i v e p r e s s u r eo ff u r n a c eb o r e ； c o m p e n s a t o r yf u z z yn e u t r a ln e t w o r kc o n t r o l ；c o a l - f i r e db o i l e rm o n i t o r i n gs y s t e m i v 二 ：k， j j 东北大学硕士学位论文 目录 目录 声明i 中文摘要l i a b s t r a c t i i i 第1 章前言1 1 1 课题的背景和研究的意义1 1 2 燃煤锅炉控制系统的国内外发展状况与前景2 1 3 燃煤锅炉在线监测技术的应用与发展3 1 4 论文研究的主要内容5 第2 章注汽燃煤锅炉自动控制系统分析6 2 1 注汽燃煤锅炉工艺流程简介6 2 2 燃煤锅炉自动控制任务及可控性分析9 2 2 1 燃煤锅炉自动控制任务9 2 2 2 系统可控性分析1 1 2 3 燃煤锅炉自动控制系统控制回路特性分析1 3 2 3 1 汽包水位控制回路分析1 3 2 3 2 蒸汽压力控制回路分析1 4 2 3 3 烟气含氧量和炉膛负压回路分析1 5 2 4 锅炉自动控制系统控制方案1 6 第3 章模糊神经网络控制1 8 3 1 模糊神经网络( f n n ) 控制理论概述1 8 3 2 模糊神经网络技术的发展动向“2 0 3 2 1f n n 理论的研究方向2 0 3 2 2 模糊神经网络的国内外应用现状2 1 3 3 带补偿的模糊神经网络2 1 3 3 1 模糊神经元的分类2 2 3 3 2 补偿模糊神经网络的结构与算法2 4 v 东北大学硕士学位论文目录 3 4 基于补偿模糊神经网络的自适应控制器”2 9 3 4 1 补偿模糊神经网络控制器的结构一2 9 3 4 2 补偿模糊神经网络控制系统的优点”3 0 第4 章燃煤锅炉控制器的设计与仿真3 1 4 1 汽包水位控制器的设计3 1 4 1 1 汽包水位的动态特性3 1 4 1 2 汽包水位补偿模糊神经网络控制器的设计3 3 4 2 蒸汽压力补偿模糊神经网络控制器的设计3 4 4 3 炉膛负压补偿模糊神经网络控制器的设计”3 4 4 4 锅炉控制系统的仿真3 5 4 4 1 仿真工具介绍3 5 4 4 2 汽包水位控制系统的仿真3 6 4 4 3 蒸汽压力控制系统的仿真3 9 4 4 4 炉膛负压控制系统的仿真”4 1 第5 章燃煤锅炉监控系统的硬件组成4 3 5 1 锅炉监控系统的i o 信号点数及硬件选择”4 3 5 2 锅炉监控系统的硬件介绍4 4 5 2 1 系统构成与特点4 4 5 2 2 模块介绍4 5 5 3 控制柜的布置与供电线路的设计4 6 5 3 1 控制柜平面布置4 6 5 3 2 监控系统的供电线路4 7 5 4 仪表的选择”4 8 第6 章燃煤锅炉监控系统的软件设计5 0 6 1w i n c c 组态软件介绍”5 0 6 2 监控系统的功能概述5 0 6 3w i n c c 组态软件的功能及控制效果5 l 6 4c a n 总线技术规范及通信软件设计5 4 6 4 1c a n 总线的技术规范5 4 v i f j l i ， ? 东北大学硕士学位论文 6 4 2c a n 总线通信软件的实现” 第7 章结论与展望 参考文献 致谢 v i i ， 东北大学硕士学位论文第1 章前言 大工程。 1 2 燃煤锅炉控制系统的国内外发展状况与前景 燃煤锅炉的自动控制是自动控制理论的具体应用。 控制理论作为一门学科，其产生可以追溯到十八世纪中叶英国的第一次技术 革命。控制理论的发展过程一般可分为三个阶段： 第一阶段“古典控制理论 时期2 0 世纪4 0 一6 0 年代。主要采用传递函数、频 率特性、根轨迹为基础的频域分析法，解决单输入输出问题。研究系统多为线性 定常系统。 第二阶段“现代控制理论 时期2 0 世纪6 0 一7 0 年代。由于计算机技术的高速 发展，给解古典控制理论中的高阶常微分方程提供了新的途径一状态空间法。这 种方法可以解决多输入多输出问题。系统从原来的线性定常系统拓宽为非线性时 变系统。最优控制理论、自适应控制理论得到了飞速的发展和广泛的应用。 第三阶段“大系统理论”和“智能控制理论 时期2 0 世纪7 0 年代以来。前 者是应用控制和信息的观点研究各种大系统的结构方案、总体设计的分解和协调 等问题的理论基础而后者是研究模拟人类智能的工程控制与信息处理系统。这使 控制理论在宽度和深度上得以开阔和挖掘。 控制理论的发展过程反映了人类由机械化时代进入电气化时代，并走向自动 化、信息化时代。 在我国，锅炉的控制大致经历了四个阶段【3 1 ，即手工控制阶段、专用仪表控制 阶段、电动单元组合控制阶段和计算机控制阶段。1 9 7 2 年能源危机之前，对锅炉 的运行控制大多是注重安全性和可靠性。 天，人们则更注重于实现最佳燃烧控制， 在越来越重视节约能源和环境保护的今 既把燃烧过程的热损失控制在最小，使 热效率最高，且对环境污染最小的所谓最佳燃烧状态。因此，国内外相继对燃煤 锅炉实行自动控制。目前，国内外锅炉主要的自动控制系统有汽包水位控制系统、 过热蒸汽温度控制系统、炉膛负压控制系统、经济燃烧控制系统、空气预热温度 控制系统等。这些控制系统最先是由一电动组合仪表来承担的，并且取得了一些 经济效益。这些仪表组成的控制系统有一定的局限性，主要表现在： ( 1 ) 难以实现复杂的控制规律，如最优控制、自适应控制、模糊控制； ( 2 ) 控制参数一旦确定后就难以修改，要改变控制方案比较困难： ( 3 ) 一组仪表只能控制一条回路，难以实现集中的监视、管理和操作； 2 ， 东北大学硕士学位论文第1 章前言 提高效率3 。 1 9 9 6 年，吕震中等研究了专家系统在锅炉燃烧安全保护系统中的应用。提出 了专家经验性知识与机理性领域知识结合适用的系统结构和方法，设计了锅炉主 燃料跳闸保护专家监控系统。 1 9 9 7 年，李雪亮等开发了锅炉燃烧分析专家系统。该系统通过对锅炉风粉系 统的实时在线监测和故障诊断，从而实现监测锅炉效率和煤耗，有效地保障了锅 炉的安全、经济、稳定运行。 1 9 9 7 年，李德英等采用广义故障树分析法，对常见锅炉故障进行分析诊断， 描述了系统故障和故障原因的逻辑关系，为锅炉系统的故障诊断，专家系统应用 和故障诊断推理控制奠定了基础。同时他们还搭建了大型电站锅炉远程监测与故 障诊断专家系统。 1 9 9 8 年孔鹏、吴占松等建立了锅炉在线故障诊断的实时支持平台，通过组态 方式构成电站锅炉的在线故障诊断专家系统，用于实现对锅炉过热器泄漏和燃烧 故障进行实时监测。 1 9 9 8 年张跃等根据锅炉系统实际运行情况，分析故障诊断的推理求解过程。 提出了专家系统中基于诊断知识的模糊描述方法，并根据诊断规则实例，采用模 糊推理方法，阐述故障诊断推理过程中正向推理，逆向推理模糊断言可信度的传 递算法。 1 9 9 9 年浙江大学热能工程研究所，阮伟等在国家八五重点攻关项目的资助下 对性能各异的数十种煤的热解、着火、燃烧、结渣等特性进行了广泛深入的研究， 并建立了相应的知识库，通过神经网络等方法对煤的混合特性进行非线性拟合， 从而建立了优化配煤的专家系统2 0 0 2 年，华中科技大学周怀春，对炉膛燃烧温度 场进行三维可视化监测方法模拟研究，对我国先进燃烧过程在线监测技术的研究 和开发提出了新的思路。 ， 锅炉是一个多参数的复杂系统，常规运行中涉及到的检测参数也很多，系统 一旦发生故障，要运行人员及时准确的找到故障点是非常困难的，尤其是现在的 f 锅炉系统多为新颖的集散控制型，事故的起因和现象往往表现得不那么紧密，无 法给出直观的判断，这就为事故的处理带来困难。以往锅炉系统现场测量条件差， 通常对于炉内燃烧过程的分析往往都是依靠有经验运行人员的主观定性分析，难 以揭示事故内在的本质原因。而另一方面，实时运行数据库中又存在大量的历史 和实时运行数据没有能够得到有效的利用，因此要充分利用这些运行数据建立炉 4 东北大学硕士学位论文第1 章前言 内燃烧在线诊断模型【5 1 【6 1 。而另一方面随着能源和环境两方面的要求，如何在提高 锅炉的燃烧效率，降低煤耗，提高经济性的同时减少污染物的排放指数1 7 - 9 1 等问题 成为热工领域专家的研究热点，为了解决这些问题，智能监测技术将成为发展的 趋势。 1 4 论文研究的主要内容 论文将介绍燃煤锅炉的工作原理和工艺流程，对燃煤锅炉的控制系统进行分 析，介绍传统的控制方法：针对锅炉这种具有非线性、多参数，并存在强耦合的、 难以建立精确的数学模型的控制系统，本文结合了模糊控制理论和神经网络理论， 并在此基础上，提出了用补偿模糊神经网络构造自适应控制系统，实现对锅炉的 过程控制，通过引入补偿模糊推理的快速学习算法，使得补偿模糊神经网络在性 能上优于一般的模糊神经网络。本文利用m a t l a b 对这种自适应控制器性能进行 仿真，验证了其可行性。 j 论文包括以下几个方面内容： ( 1 ) 分析注汽燃煤锅炉工作原理，阐述注汽燃煤锅炉的生产工艺流程。分析 锅炉控制系统，并给出传统的锅炉控制方法。 ( 2 ) 提出补偿模糊神经网络控制算法，给出补偿神经网络的结构、算法和学 习规则，并据此设计出燃煤锅炉控制系统的补偿模糊神经网络控制器。? ( 3 ) 采用m a t l a b 对补偿模糊神经网络的锅炉控制系统进行仿真，并通过与 传统的p i d 控制方法比较，以验证补偿模糊神经网络控制算法的优越性及适用性。 ( 4 ) 完成计算机监控系统的设计，根据控制的要求选择合理的硬件，设计出 与之对应的软件系统，实现燃煤锅炉在线监测与控制，使锅炉更加安全可靠的运 行。 5 东北大学硕士学位论文 第2 章注汽燃煤锅炉自动控制系统分析 第2 章注汽燃煤锅炉自动控制系统分析 2 1 注汽燃煤锅炉工艺流程简介 锅炉就是由“锅 和“炉”两个基本部分组成的动力设备。“锅”是指汽锅， 主要用于产生蒸汽或热水。“炉”是指炉膛，是使燃料充分并将化学能转化为热能 的地方。 除了这些基本设备以外，锅炉还有过热器、省煤器、空气预热器以及引风设 备、送风设备、给水设备、燃料供给设备、除尘设备等辅助设备1 1 0 1 。 汽锅：由上下锅筒和沸水管组成。水在管内受管外烟气加热，因而在管内发 生自然循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽聚集在上锅筒里面。为了得到干 湿度比较大的饱和蒸汽，在上锅筒中还装有汽水分离设备，下锅筒作为连接沸水 管使用，同时储存水和水垢。 炉子：是使燃料充分燃烧并放出热能的设备。煤经由煤斗落在转动的链条炉 壁上，进入炉内燃烧。燃烧所需要的空气由炉壁下面的风箱送入，燃尽的残渣被 炉壁带到除灰口，落到灰斗中。得到的加热高温烟气依次经过各个受热面，将热 量传递给蒸汽，使蒸汽变为过热蒸汽以后，经由烟囱排至大气。 省煤器：利用烟气余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。省煤 器由蛇形管组成。 空气预热器：继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空 气的换热器。热空气可以强化炉内燃烧过程，提高锅炉燃烧的经济性。 引风设备：包括引风机、烟囱、烟道几部分，将锅炉中的烟气连续排出。 送风设备：由送风机和风道组成，供应燃料燃烧所需要的空气。 给水设备：由给水泵和给水管组成。给水管用来克服给水管路和省煤器的流 动阻力和炉筒的压力，把水送入锅炉。 水处理设备：用来清除水中杂质和降低给水硬度，防止锅炉受热面上结水垢 和腐蚀锅炉，从而提高锅炉的经济性和安全性。 燃料供给设备：由运煤设备、原煤仓和送煤斗等设备组成，保证锅炉所需要 燃料的供应。 除灰除尘设备：分别为收集锅炉灰渣并运往灰场地以及除去烟气中灰粒的设 - 6 东北大学硕士学位论文第2 章注汽燃煤锅炉自动控制系统分析 备，以减少对周围环境的污染。 本课题研究的是燃煤锅炉，根据燃烧方式的不同，可分为链条炉、沸腾炉和 镁粉炉等类型。本课题的控制和研究的对象只是链条炉。 图2 1 给出了一个2 0 1 强工业燃煤锅炉工艺流程图。 2 3 4 5 6 1 省煤器2 汽包3 燃料4 热空气5 燃料室 6 调节阀7 过热蒸汽负荷设备8 减温器9 炉墙 1 0 空气预热器1 1 冷水1 2 冷空气1 3 烟气 图2 12 0 r i 协工业注汽燃煤锅炉工艺流程图 7 1 l 1 2 1 3 f i g 2 1p r o c e s sf l o wc h a r to f2 0 t hi n d u s t r i a lc o a l f i r e dw i t hi n j e c t i o nb o i l e r s 如上图2 1 所示，汲水经给水泵、给水控制阀、1 省煤器进入锅炉的2 汽包， 3 燃料和4 热空气按一定的比例送入5 燃烧室内燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生 系统，产生饱和蒸汽d s 。然后经过热器，形成一定气温的过热蒸汽d ，汇集至蒸 汽母管。压力为p m 的过热蒸汽，经过7 过热蒸汽负载设备控制供给负荷设备用。 与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经1 省煤 器预热锅炉给水和1 0 空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排到大气。 锅炉的工作过程由三个同时进行的过程组成，即燃料的燃烧过程、烟气向水 的传热过程和水的汽化过程。 ( 1 ) 燃料的燃烧过程 燃烧煤加到煤斗中，借助于自重下落在炉排面上。炉排靠电动机通过变速齿 轮箱减速后由链轮带动，将燃料煤带入炉内。新煤入炉，经预热阶段后丌始着火， 挥发物燃烧，同时焦炭也逐渐燃烧。燃烧在燃烧的同时，向后移动。燃烧需要的 7 ， 东北大学硕士学位论文 第2 章注汽燃煤锅炉自动控制系统分析 空气是由送风机送入炉体内的风仓，向上通过炉排到达燃烧燃料层。风量和燃烧 量要成比例，进行充分燃烧，形成高温烟气。燃料燃烧剩下的灰渣，在炉排未段 翻过除渣板后排入灰斗。燃烧过程进行的完善与否，是锅炉正常工作的根本条件。 要使燃烧量、空气量和负荷蒸汽量有一一对应的关系，这要根据所需要的负荷蒸 汽量来控制燃料量和送风量，同时还要通过引风设备控制炉膛负压。该过程的特 点是时间常数和滞后时间都比较大，而且随着煤质、煤种及风量的改变，这两个 参数将有很大的变化。 ( 2 ) 烟气向水的传热过程 燃料燃烧所放出的热量使得炉内的温度很高。高温烟气与布置在炉膛内四周 墙面上的水管进行强烈的辐射传热。烟气将热量传递给管内的水后，由于引风机 和烟囱的引力作用而向炉膛上方流动。经过蒸汽过热器，汽锅中产生的饱和蒸汽 被烟气加热而过热。沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道，经过省煤器和空气 预热器进行热交换，以较低的温度排出锅炉。 ( 3 ) 水的汽化过程 经过处理的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入汽锅。锅炉工 作时，汽锅中的工作介质是处于饱和状态的汽水混合物，它们位于烟气温度较低 的对流管束中。由于受热较少，汽水混合物的容量较大；而处于烟气温度较高， 使得冷水壁和对流管束受热较多，其相应工质的容量小。这样，容量大的工质向 下流入下锅筒，而容量小的工质则向上流入上锅筒，形成水的自然循环。由于上 锅筒内的汽水分离设备和锅筒本身空间内的重力分离作用，使汽水混合物得以分 离。蒸汽冲上锅筒顶部引出后进入蒸汽过热器。 工业锅炉工作流程简图如图2 2 所示。 2 2 2 2 1 燃煤锅 燃煤锅 锅炉汽包水位的高度关系着汽水分离的速度和蒸汽的质量，同时它也是确保 安全生产的重要参数。水位过高会影响汽包内汽水分离的效果，会导致汽包出口 的饱和蒸汽带出更多的水份，影响蒸汽品质。反之，水位过低会致使下降管进口 带汽、循环流动压头降低，严重时会引起水循环的破坏，使水冷壁管超温过热；严重缺 水时会造成爆炸事故【1 1 l 。因此，汽包水位必须控制在一定的范围内。水位控制系 统的基本任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量，并维持汽包的水位在工艺允许的范 围内。 ( 2 ) 燃烧控制系统 ， 锅炉燃烧控制系统的基本任务是使燃料产生的热量适应蒸汽负荷的需要，同 时保证经济燃烧和锅炉的安全运行。具体的控制任务包括三方面内容：第一是稳 定蒸汽压力，第二是维持锅炉燃烧的最佳状态，实现最为经济的燃烧，第三是维 持炉膛负压在一定的范围之内。 蒸汽压力控制：蒸汽压力是衡量蒸汽供求关系是否平衡的重要指标，是蒸 汽的重要工艺参数。蒸汽压力过高或过低对于金属导管和负荷设备都是不利的。 蒸汽压力过高会加速金属的蠕变；蒸汽压力过低就供应不上负荷设备所需的蒸汽 量。如果蒸汽压力变了就表示锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的消耗量不相适应， 因此，维持蒸汽压力不变是燃烧过程自动控制的首要任务。当蒸汽母管的蒸汽压 力变了，就必须相应地改变燃料的供应量，以改变锅炉的燃烧产生的热量，进而 改变锅炉的蒸汽产量。实际上，保持汽压在一定范围内也是保证锅炉和其他负荷 设备正常运行的必要条件。 锅炉蒸汽压力的变化是由热平衡失调引起的。而影响热平衡的因素主要是燃 烧热和蒸汽热，燃烧热的波动引起的热平衡失调称为“内扰”，而蒸汽热波动引起 的热平衡失调为“外扰 。为了克服内外扰对蒸汽压力的影响，在各个基本的单炉 蒸汽压力控制系统中，输入到锅炉的燃烧热必须跟随蒸汽热的变化而变化，以尽 9 东北大学硕士学位论文第2 章注汽燃煤锅炉自动控制系统分析 量保持热量平衡的同时根据蒸汽压力与给定的偏差适当的增减燃烧量以增加或减 蒸汽压力。锅炉的压力控制系统原理如图2 3 所示。 图2 3 锅炉蒸汽压力控制系统框图 f 噜2 3d i a g r a mo fs t e a mp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mo fb o i l e r s 燃烧经济性控s e i 燃烧的第二项任务就是维持锅炉燃烧的最佳状态和经济 性【1 2 l 。同时这也是需要解决的关键问题，因为只有锅炉在最佳状态下燃烧才能实 现节约煤炭能源。如果空气过多，会使部分热量被烟气带走排出；相反的，如果 空气过少，那么将导致燃料的不完全燃烧，严重造成热量的损失。( 如图2 4 过剩 空气损失和不完全燃烧损失示意图) 所谓锅炉燃烧的最佳状态就是指锅炉以一定 的风煤比( 送风量与燃料量的比值) 燃烧。当燃料量改变时，必须相应地调节送 风量，使之与燃料量相配合，努力实现锅炉以最佳风煤比实现经济燃烧。至今， 锅炉的燃烧效率不能通过直接测量而得知，通常采取一些间接的方法来判断燃烧 效率，而燃烧控制系统的发展与这一问题的解决方案密切相关。 热 量 损 失 损失节约损失 蠢 失一一爻 过剩窄气损失 图2 4 过剩空气损失和不完全燃烧损失示意图 f i g 2 4d i a g r a m o fe x c c s sa i rl o s sa n di n c o m p l e t ec o m b u s t i o nl o s s 炉膛负压控制：燃烧控制的第三项任务是维持炉膛负压在一定的范围内。 锅炉炉膛压力是否稳定反映了燃烧过程中进入炉膛的风量与排出炉膛的烟气量之 1 0 东北大学硕士学位论文第2 章注汽燃煤锅炉自动控制系统分析 问的工质平衡关系。炉膛负压控制的主要目的之一是保证操作工人的安全，若送 风量大于引风量，则炉膛压力升高，炉膛负压过高则炉烟外冒至喷火，危及人身 和设备安全，并污染环境。目的之二为保证系统的经济燃烧。当送风量小于引风 量时，炉膛压力下降，锅炉负压过低，会有大量冷空气进行炉膛内，降低炉膛温 度，增大引风机负荷和排烟损失。因此，是否能维持炉膛负压在一定的范围内关 系到锅炉安全经济运行。一般炉膛负压应维持在3 0 m p a 2 0 m p a 。炉膛负压调节 系统以引风机变频器作为控制机构，引风量作为控制量，当送风量随着锅炉的负 荷变化而变化时，必然导致炉膛压力变化，此时控制系统通过调节引风机变频器 使引风量承受之变化，保证炉膛负压控制在给定范围内1 1 3 】【1 4 l 。炉膛负压p i d 控制 系统框图如图2 5 所示。 一 鼓风压力变化 图2 5 炉膛负压p d 控制系统框图 f i g 2 5d i a g r a m o fp i dc o n t r o ls y s t e mo fn e g a t i v ep r e s s u r eo ff u r n a c eb o r e ( 3 ) 过热蒸汽温度控制系统 过热控制系统中，被调参数为过热出口气温，控制系统的基本任务是维持过 热出口气温在允许的范围内，并保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度。 它考虑的是过热器的热量平衡问题【1 5 】。 蒸汽过热系统包括级过热器、减温器、二级过热器等。在锅炉生产过程中， 整个汽水通道中温度最高的是过热蒸汽温度。过热器正常工作时，其温度一般要 接近材料所允许的最高温度。如果过热温度过高，则过热器容易损坏，影响生产 运行的安全，过热蒸汽温度偏低，则设备的效率将会降低。因此，必须控制过热 器出口蒸汽的温度，使之不能超过规定的范围。 2 2 2 系统可控性分析 工业锅炉生产过程是复杂的，有许多个调节参数和被调节参数，还存在错综 东北大学硕士学位论文第2 章注汽燃煤锅炉自动控制系统分析 复杂的干扰参数，参数之间相互影响如图2 6 所示。 给水量 燃料量 送风量 引风量 汽包水位 蒸汽温度 蒸汽压力 炉膛负压 蒸汽流量 图2 6 锅炉各参数相互影响示意图 f i g 2 6d r a w i n go fm u t u a li n f l u e n c eo fb o i l e r sp a r a m e t e r s 从图2 6 中可以看出，锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性、存在强 交叉耦合的复杂被控对象，输入参数( 调节参数) 与输出参数( 被调节参数) 之 间存在许多交叉影响。例如当锅炉的负荷变化时，所有的输出量( 被调量) 都会 发生变化。而当改变一个输入量( 调节量) 时，也会影响到其他几个输出量。所 以，锅炉是个多参数、多变化的复杂对象。 对于实现工业锅炉的生产自动化，根据其动态特性，系统应该是回路控制的。 当锅炉受到某一扰动后，系统协调动作改变其调节量，使所有的被调节量都具有 一定的调节精度。但是这种调节是十分复杂的，靠人工操作生产是达不到要求的。 影响锅炉负荷的主要因素是燃烧量和风量的大小，这两个因素应该在可控的 范围内。给煤量的控制是可以通过调节给煤机的转速或炉排转速或挡板高度来实 现的，使煤以合适的量加到炉排上，在炉膛内燃烧。给煤电机的转速是可控的， 炉排转速也是可控的。风量的控制方法是在一定的负荷变动范围内，改变鼓风机 和引风机的挡板开度，使进入腹仓中的风量与煤量达到相适应的配比。因此通过 改变给煤量和鼓风量的调节是可以满足负荷要求的。对于燃烧的经济性，可以调 节风量，使炉膛内煤和空气以最佳风煤比燃烧，实现经济燃烧。 通过以上分析可知，锅炉的燃烧系统是可控的。但是由于实际工况差别较大， 加之有许多扰动因素，因此对具体的锅炉要作具体分析。总之，燃烧系统是可控 的，且具有一定的灵活性f 圳。 1 2 东北大学硕士学位论文第2 章注汽燃煤锅炉自动控制系统分析 2 3 燃煤锅炉自动控制系统控制回路特性分析 2 3 1 汽包水位控制回路分析 工业锅炉的汽包水位是锅炉正常运行的主要指标之一，汽包水位是一个十分 重要的被调参数，保持汽包水位在一定的范围内变化是保证锅炉安全运行的重要 条件。工业锅炉汽包水位调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包中 的水位在工艺允许的范围内。 工业燃煤锅炉汽包水位的自动调节，是根据汽包水位的动态特性来设计的。 锅炉汽包中的水位不仅受到给水量锅炉的输入量和蒸发量流出量之间平衡关系的 影响，同时还受到在汽水循环管路中汽水混合物内汽水容积变化的影响。因为锅 炉汽水中水位值不仅反映了汽包包括水循环的管路中的水容积，也反映了水面下 汽泡的容积【1 7 】【瑚。水面下汽泡的容积又与锅炉的负荷和蒸汽压力有关。根据汽包 的物质平衡和热平衡关系，可以得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节阀开度的变化，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蒸汽调节阀 开度的变化；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。考虑到由于燃料 量对汽包水位的影响有较大的传送滞后和容器滞后，影响十分缓慢，可以略去不 计。对于汽包压力的变化往往是由于蒸汽负荷变化引起的，因此压力的变化可归 并到蒸汽负荷中去，所以压力变化对汽包水位的影响也可略去不计。这样引起汽 包水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和