（电力电子与电力传动专业论文）燃油锅炉电气控制特性的研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y ，e n e r g yc o n s u m p t i o ni sg r o w i n gl a g e ra n d e n v i r o n m e n t np o l l u t t i o ni sg o i n gf r o mb a dt ow o r s e h o w e v e r ，b o i l e ri sa ni m p o r t a n t e n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c e ，d u et oc o a lb u r n i n gb o i l e r ss e r i o u sp o l l u t t i o n ，f u e l b o i l e r sh a v e g e tw e l ld e v e l o p e d d u et o t h ef u e lu s e db yt h ef u e lb o i l e rh a s c h a r a c t e r i s t i c so f v a s te x p l o s i o na n dv a r i o u sl o a d ，f u e lb o i l e ra d o p t sa u t oc o n t r 0 1 t h e d u t i e so fc o n t r o ls y s t e ma l ek e e p i n gw a t e rl e v e l 、t e m p a r a t u r e 、p r e s s u r e 、o x y g e n c o n t e n ti ns m o k e ，e t cp l a y s i c a lp a r a m e t e r sw i t h i nt h es e t t i n gr a n g e ，a n da u t o m a t i c a l l y a d j u s t i n gt h el o a d sc h a n g e t h e nm a k i n gt h eb o i l e rr e l i a b l ea n de c o n o m i c a l o p e r a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ec o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo f o i lb o i l e ra n di t sp r o d u c t i o n p r o c e s sa n dt e c h n o l o g yi sf i r s ti n t r o d u c e d t h e nt h ed y n a m i cb e h a v i o r so f o i lb o i l e r o b j e c ta r es t u d i e d i nt h ee n d ，b u r n i n g c o n t r o ls y s t e m ，w a t e rl e v e lc o n t r o ls y s t e ma n d c o n s t a n tp r e s s u r eo i ls u p p l ys y s t e ma r ei n t r o d u c e d w a t e rl e v e lc o n t r o la d o p t sd o u b l ew a t e rl e v e la u t o m a t i cc o n t r 0 1 w h e nb o i l e r s w a t e rl e v e lr e a c h sl o wl e v e l ，a u t o m a t i co p e nw a t e rp u m pt os u p p l yb o i l e rw a t e r ；w h e n w a t e rl e v e lr e a c h sh i 曲l e v e l ，t h e ns t o pw a t e rp u m p f o rb u r n i n gc o n t r o ls y s t e m ， m a i n l ym a i n t a i n i n gt h es t e a mp r e s s u r e 、b u r n i n ge c o n o m ya n df a r n a c ep r e s s u r ei na c e r t a i n r a n g e c o n t r o l l e rg u a r a n t e e s a l li n d e xi nr e a s o n a b l e r a n g et h o u g h r e g u l a t i n g f u e la m o u n t 、a i r o u t p u t 、a i ri n p u t w h e n h a v i n g e x t e r n a l d i s t u r b a n c e c o n s t a n tp r e s s u r eo i ls u p p l yc o n t r o ls y s t e ma d o p t sp l c c o n v e r t e r s c h e m e t h es y s t e ma p p l i e sa d v a n c e ds i e m e n sp r o g r a m m a b l ea n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t h i ss y s t e mi so f s i m p l es t r u c t u r e ，r e l i a b l eo p e r a t i o n w a n gs a nx i u ( p o w e re l e c t r o n i c s & p o w e rd r i v e r ) d i r e c t e db yj i a n gz h ij u n ( v i c ep r o f ) k e yw o r d s ：f u e lb o i l e r b u r n e rw a t e r - l e v e lc o n t r o lc o n s t a n tp r e s s u r eo i ls u p p l y p l c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成柒。据我所知，除了文中特别加良标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌太学或其他教育机 构的学位或证书两使用过豹奉孝料。与我一圈互作熊猫恋对本磷究所赦的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并袭示谢意。 学位论文作者签名：王多奄 签字日期：矿年石月旷匿 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完念了解南昌土学有关保留、使耀学位论文的规定， 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 借羹。本人授权南昌大学可以将学位论文豹全部或帮分内察编入有关数据疼进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适瘸本授权书) 学位论文作者签名： 三_ 蔫 签字日期；矿g 年石月旷日 学位论文作者毕业后去向 工 乍蕈键： 通讯地址： 导师签名：i 乙锄镶 签字同期：矿，年l ，月矿同 电话： 邮编： 燃油锅炉电气控制特性的研究 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究目的及意义 随着我国经济的日益发展和人民生活水平的不断提高，能源消费日益增大， 环境污染日益恶化；而人们环境保护意识的不断增强以及对改善环境的呼声，促 使政府加大力度以强制性政策来引导能源消费结构向洁净和节能型能源转变。受 以上因素的影响，燃油作为高效清洁的能源，越来越受到企事业的青睐，污染严 重的燃煤锅炉亦加快了向燃油炉转变的步伐，从而使燃油锅炉得到了很大发展。 鉴于燃油锅炉所用燃料的快速爆发性及负荷的多变性，燃油炉应采用自动控 制。燃油锅炉自动控制的任务主要是维持锅炉的水位、温度、压力、烟气含氧量 等物理参数在规定的范围内，并能自动适应负荷的变化，从而使锅炉安全可靠经 济的运行。燃烧器是燃油锅炉的关键设备，国内目前的锅炉企业一般都引用进口 的燃烧器以及它们的控制系统。国内企业本身却对这方面的技术研究较少。因此 本课题的主要目的就是开发一套安全可靠、性能优越的燃油锅炉的控制系统，采 用p l c 作为整个系统的逻辑控制单元。可编程序控制器p l c 是目前最常用的控 制装置，其最大的特点就是可靠性高、功能强大，它的高可靠性的设计非常适合 在工业现场环境下应用。它不仅能实现复杂的逻辑顺序控制，而且还能完成少量 模拟量的过程控制。此外，p l c 编程简单，使用方便，现场安装调试的时间短。 1 2 锅炉自动控制系统简述 锅炉，主要包括“锅”和“炉”两部分。“锅”是指锅炉中盛水或蒸汽的承压部分。 它的作用是吸收炉中燃料放出来的热量，把水加热到一定的温度和压力“炉”是 指锅炉中燃料燃烧的部分，它的作用是尽量地把燃料内的热能全部释放出来，传 递给锅内物质【4 l 。 燃油锅炉控制系统的性能优劣，直接影响燃油锅炉的性能及使用，其报警及 保护系统直接影响燃油锅炉的安全性及可靠性。因此，一套优良的燃油锅炉控制 系统对燃油锅炉的生产者及使用者都具有极为重要的意义。在本课题中，燃油锅 炉的控制系统主要包括燃烧器控制、锅炉水位控制以及油泵恒压供油控制三大部 分。 燃油锅炉电气控制特性的研究第一章绪论 1 2 1 燃烧器控制程序 燃烧器是燃油锅炉的关键设备，它应该具备效率高、稳定着火、安全性好等 特点。燃烧器主要由燃烧装置和控制装置两大部分组成。燃烧装置包括：点火装 置、鼓风机、燃油泵、电磁阀、燃烧喷嘴等。控制装置主要是程序控制器。燃油 锅炉程序控制主要有以下几点： ( 1 ) 吹扫程序 在燃烧启动前，燃烧器应对锅炉炉膛预吹扫一段时间( 通常为3 6 秒左右) ， 即风门执行器将风门由小向大打开，在风门最大位置对锅炉炉膛进行预吹扫。 ( 2 ) 自动点火程序 在吹扫及阀门密封性、供气压力检测完成后，风门执行器带动风门关d , n 设 定的点火位置，点火变压器投入工作，当点火电磁阀打开后，可燃油雾立即被高 压电火花点燃产生点火火焰。 ( 3 ) 安全运行连锁保护程序 风压安全检测在预吹扫过程和整个燃烧运行过程中都在工作，当风压低于设 定值时，燃烧器程控器进入自锁状态，中止燃烧器运行。 ( 4 ) 阀门密封性检测保护程序 在每次起动点火前阀门检漏装置都要自动进行检测，当阀门存在漏气时将锁 定燃烧器控制。 ( 5 ) 停炉、熄火保护程序 当点火火焰建立后，火焰探测器开始工作，当检测到有点火火焰后，将进行 第一次火焰探测( 燃烧火焰) ，在探测有火焰后程序控制器完成点火程序，燃烧 器进入负荷调节。不论任何一次如没有探测到火焰，程控器应该自锁并中断供气， 同时停炉并报警。 1 2 2 水位控制系统 保持锅炉水位在规定的范围，锅炉水位的高低对锅炉的安全运行极为重要。 水位太高，会使蒸汽大量带水，降低品质，甚至会发生满水事故。水位偏低，会 造成锅筒各部分的温度偏差，形成热应力，极限情况下会出现裂纹。水位过低， 则容易发生缺水事故。在负荷变化时，锅炉水位也会快速变化，因此必须采用自 动控制来维持水位在规定的范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉安全 运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的重要指标。 燃油锅炉电气控制特性的研究第一章绪论 1 2 3 恒压供油的控制系统 传统的供油采用日用油箱方式，设备庞大，造价高，占地多，压力控制精度 低，维护工作量大。为了提高供油系统的技术性能，彻底解决供油管路因压力波 动引起渗漏、爆裂等现象，确保供油系统的可靠性、安全性。变频调速恒压供油 系统以其独特的优势取代原来的供油系统。 1 3 锅炉自动控制的发展 锅炉控制系统的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂、由手动 到自动的过程。6 0 年代，锅炉的控制还只是实行人工操作，锅炉的燃烧完全是 凭司炉工人的经验，几乎谈不到自动控制。而锅炉设备采用手动操作，则有如下 缺点。 ( 1 ) 汽负荷中小波动时，燃料量不随负荷变化，造成蒸汽不稳定，增加了 燃料消耗。 ( 2 ) 手动误差大；风、燃料配比控制不能自调，热效率低。 到了7 0 8 0 年代，逐步出现了由常规检测仪表和调节仪表构成的模拟控制系 统，它具有可靠性高，成本低，易于操作和维护等优点，在大、中、小工业企业 中得到了广泛应用，解决了不少自动化方面的问题。用常规仪表控制，也有一定 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、人 工智能控制等。 ( 2 ) 用常规仪表难于实现集中监测且操作管理水平低。 ( 3 ) 改变控制方案比较困难。 ( 4 ) 一次性投资大，成本高。 到了9 0 年代，随着微型计算机技术的发展，计算机在工业锅炉的自动测试和 控制方面的技术也日趋成熟。利用微机代替常规仪表实现对工业锅炉的控制己越 来越多地被生产厂家采用。锅炉采用微机控制不仅可实现锅炉运行的自动调节， 锅炉运行的安全性也大为提高。同时可以大大减轻工作人员劳动强度，改善工作 环境，而且可以使锅炉热效率最佳，节约燃料4 5 。锅炉采用微机控制系统一 般有如下特点： ( 1 ) 计算机具有分时操作能力，可以实现一机多控。 燃油锅炉电气控制特性的研究第一章绪论 ( 2 ) 计算机的逻辑判断能力和存贮能力使它能够根据工况变化，做出正确 判断，选择最合理最有利的控制方案。 ( 3 ) 计算机控制系统能够实现多种的控制算法。 ( 4 ) 高速性，高精度性。 进入2 1 世纪以来，人类进入了一个以知识经济为特征的信息时代，检测技 术、计算机技术和通讯技术一起构成现代信息的三大基础。2 1 世纪第一个1 0 年 的热点必将是传感、执行与检测。锅炉自动化控制系统作为传感、执行与检测技 术的一个应用方面也必将跨入数字化、网络化和智能化时代。而且，对于大规模 锅炉群控，检测技术、计算机技术和通讯技术的结合在一起，形成锅炉控制系统 的集成化管理、网络化控制，这将是锅炉控制系统发展的又一个里程碑。 而在锅炉控制理论方面，也有许多优秀的控制理论相继出现。最为典型的是 p i d 控制，即比例、积分和微分控制。后来，模糊控制理论得到长足发展，目 前已经很好地应用在锅炉控制系统上。 工业组态软件的应用使软件功能性增强，内容丰富，具有良好的人机界面， 更加方便了操作人员。 1 4 本文的主要研究内容 本课题的主要内容可以概括为以下二个方面： ( 1 ) 在分析控制对象的动态特性的基础上，对燃油锅炉的燃烧控制系统、水 位控制系统、恒压供油控制系统进行了研究。 ( 2 ) 燃油锅炉自动控制系统硬件与软件实现的研究。 1 5 本论文的结构 第一章介绍了课题的来源，对锅炉自动控制系统做了简述。并阐述了锅炉自 动控制发展的状况。 第二章介绍了燃油锅炉基本组成及工作过程，详细介绍了锅炉运行过程热工 检测参数，并提出了工业燃油锅炉自动调节的基本任务。 第三章具体分析了汽包水位、燃料蒸汽压力变化、燃料空气含氧量及炉膛负 压变化的动态特性，并给出燃油锅炉自动控制系统的总体控制方案。 第四章提出了燃油锅炉自动控制的任务及程序控制。给出了燃油锅炉起动、 4 燃油锅炉电气控制特性的研究第一章绪论 停止及连锁保护程序以及相应的流程示意图。 第五章概述了汽包水位控制系统，分别介绍了汽包水位位式控制系统、单冲 量控制系统、双冲量控制系统及三冲量控制系统。最后提出本课题所采用的汽包 水位控制方案。 第六章在比较日用油箱供油方式的基础上，提出了本课题采用的基于p l c 变频器的变频调速恒压供油方式。并给出系统控制原理图及p l c 程序。 第七章研究了燃油锅炉自动控制系统的硬件与软件实现。 燃油锅炉电气控制特性的研究第二章燃油锅炉工艺系统分析 第二章燃油锅炉工艺系统分析 2 1 燃油锅炉系统工艺 燃油锅炉工艺流程图见图2 1 图2 - 1燃油锅炉工艺流程图 由图2 1 可知，燃料和热空气按一定比例送入燃烧室燃烧，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，形成一定汽温的过热蒸汽 d ，汇集至蒸汽母管。压力为p m 的过热蒸汽，经负荷设备调节阀供给生产负荷 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 经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大 气。 2 2 燃油锅炉基本组成部分 燃油锅炉主要由下列几部分构成【4 j ： 气锅：由上下锅筒和三簇沸水管组成，水在管内受管外烟气加热，在管簇内 发生自然的循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽聚集在上锅筒里边。下锅筒 作为连接沸水管之用。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，由供油系统和油枪组成。 6 燃油锅炉电气控制特性的研究第二章燃油锅炉工艺系统分析 过热器：是将气锅产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。 省煤器：是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。 空气预热器：是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。为保证锅炉的正常工作，锅炉还必须有一些辅助设备，包括以下 几部分： 引风设备：包括引风机，烟囱，烟道几部分，用它将锅炉中的烟气连续排除。 送风设备：由送风机和风道组成，用它来供应燃料燃烧所需要的空气。 给水设备：由给水泵和给水管路所组成。给水泵系用来克服给水管路与省煤 器的阻力与省锅筒的压力，把给水送入锅筒。 水处理设备：其作用为降低给水硬度和清除水中杂质，以防止在锅炉受热面 上结水垢和腐蚀，从而提高锅炉经济性和安全性。 燃料供给设备：包括供油管路和油枪等。 锅炉生产中所需要的温度压力，流量，液位等检测仪表及各种自动控制装置。 2 3 锅炉的工作过程 锅炉最基本的组成是气锅和炉子两部分。燃料在炉子里进行燃烧，将其化学 能转化为热能，高温的燃料产物热气通过气锅受热面将热量传递给气锅内温度 较低的水，水被加热进而沸腾气化，生成蒸汽，蒸汽通过蒸汽母管输送给用户。 所以锅炉的工作概括起来应包括三个同时进行的过程：燃料的燃烧过程，烟气向 水的传热过程和水的汽化过程。先简要叙述如下： ( 1 ) 燃料的燃烧过程 工业锅炉的燃烧过程，具有一定温度和压力的燃料油通过油嘴喷入炉膛被雾 化成细小的油滴，然后吸收炉内热量，表面逐渐气化成油气，与进入炉膛内的空 气混合，形成可燃混合物。可燃混合物继续吸热升温，达到燃点着火燃烧。要使 燃料量，空气量和复合蒸汽量有一一对应的关系，这就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。 ( 2 ) 烟气向水的传热过程 由于燃料的燃烧放热，炉内温度很高。在炉膛的四周高温烟气与水冷壁进行 强烈的辐射换热，将热量传递给管内工质，管内工质经过对流方式进行换热，然 后烟气受引风机、烟囱的引力而向炉膛的上方流动，经过蒸汽过热器、省煤器、 燃油锅炉电气控制特性的研究第二章燃油锅炉工艺系统分析 空气预热器最后以经济的低烟温排出锅炉。 ( 3 ) 水的汽化过程 水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和汽水分离过程。经过 处理的水经过泵加压，先经过省煤器而得到预热，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下的汽水混合物。容重大的工质往下流入下锅 筒，容重小的工质则向上流入上锅筒，蒸汽产生的过程是借助于上锅筒内装设的 汽水分离设备，以及在锅筒本身空间中的重力分离作用，使汽水混合物得以分离。 2 4 工业锅炉热工参数检测 依据锅炉的工艺流程及安全需要，通常要求在自动控制过程中对下列参数进 行检测。 2 4 1 锅炉生产的温度测量 温度是工业锅炉生产过程中最基本最常用的热工参数。他一般占全部热工参 数的5 0 左右。依据工业锅炉生产工艺和控制流程的要求一般有以下方面： ( 1 ) 炉膛温度的检测指示 ( 2 ) 蒸汽温度的检测指示 ( 3 ) 锅炉给水温度的检测指示 ( 4 ) 锅炉排烟温度检测指示 2 4 2 锅炉生产的压力测量 压力参数，在生产中广泛应用它是锅炉安全生产、经济运行、系统控制过程 中的主要参数。它主要包括： ( 1 ) 汽包压力检测指示 ( 2 ) 给水压力检测指示 ( 3 ) 炉膛负压检测指示 ( 4 ) 一次风鼓风压力检测指示 ( 5 ) 空气预热器、除尘器进出口处烟气压力检测 2 4 3 锅炉生产的流量检测 在供热生产中流体( 水、蒸汽、燃料、油、空气等) 的流量直接反映设备效率、 负荷高低等运行情况。 燃油锅炉电气控制特性的研究第二章燃油锅炉工艺系统分析 ( 1 ) 给水流量的检测指示、记录和计算 ( 2 ) 蒸汽流量的检测指示、计算 ( 3 ) 燃料量的检测指示、计算( 包括来油和回油) 2 4 4 锅炉生产的汽包水位测量 汽包水位高低是关系到蒸汽质量确保安全生产的重要参数。满水和缺水都会 造成重大的安全事故。 2 4 5 烟气成分测量 在锅炉生产中，为了进行热平衡测试，达到经济燃烧常需对烟气成分进行测 量分析进行燃烧量和送风量的调节。 2 5 工业锅炉的自动调节任务 工业锅炉的生产任务是根据负荷设备的要求，生产具有一定参数( 压力和温 度) 的蒸汽和热水。为满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济 性，工业锅炉主要有下列自动调节任务： ( 1 ) 保持汽包水位在规定的范围内 锅炉汽包水位高度，关系着汽水分离的速度和生产蒸汽的质量，也是确保安 全生产的重要参数。要使锅炉的蒸发量随时适应负荷设备的需要量，汽包水位的 变化速度必然很快，稍不注意就容易造成汽包满水，无论满水或缺水都会造成事 故。因此，必须对汽包水位进行自动调节，将水位严格控制在规定的范围之内。 ( 2 ) 稳定蒸汽温度 过热蒸汽的温度是生产工艺确定的重要参数，蒸汽温度过高会烧坏过热器水 管，对负荷设备的安全运行带来不利因素。蒸汽温度过低会直接影响负荷设备的 使用，对汽轮机来说，会影响它的效率，一般情况，进汽温度每降低5 ，效率 降低1 。因此，从安全生产和技术经济指标上看，必须对蒸汽的温度进行自动 调节，使蒸汽温度保持在额定值范围之内。 ( 3 ) 控制蒸汽压力的稳定 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。在锅炉运行过 程中，蒸汽压力降低，表明负荷设备的蒸汽消耗量大于锅炉的蒸发量；蒸汽压力 9 燃油锅炉电气控制特性的研究第二章燃油锅炉工艺系统分析 升高，说明负荷设备的蒸汽消耗量小于锅炉的蒸发量。因此，控制蒸汽压力，是 安全生产的需要，是维持负荷设备正常工作的需要，也是保证燃烧经济性的需要。 ( 4 ) 控制炉膛的负压在规定的范围内 锅炉在正常运行中，炉膛压力应保持在1 0 2 0 p a 的负值范围之内。负压过大， 漏风严重，总的风量增加，烟气热量损失增大，同时引风机的电耗增加，不利于 经济燃烧；负压偏正，炉膛要向外喷火，不利于安全生产，有害于环境卫生。所 以炉膛负压必须进行自动调节。 ( 5 ) 维持经济燃烧 要使锅炉燃烧过程出现最佳工况，提高锅炉的效率和经济性，必须使空气和 燃料维持适当的比例。对于燃油锅炉，现代的运行水平可以将燃烧室里的自由氧 控制在0 5 1 之内，即过剩空气为2 4 5 左右。将过剩空气降低到近于理想水平 而又不出现c o ；f n 冒黑烟，这就需要快速而精确地对燃烧过程进行自动调节，使 空气和油呈现最佳配比。 工业锅炉生产是一个复杂的调节对象，有许多个调节参数和被调节参数，还 存在着错综复杂的扰动参数。这些参数的相互作用如图2 2 所示【5 】： 给水量 减温水 燃料量 送风量 引风量 一次风 薹|l| | l| | | l 参| - _ j 斗 斗 ：= = = = ：j j 斗 啼 汽包水位 蒸汽温度 蒸汽压力 烟气含氧量 炉膛负压 蒸汽流量 图2 2 锅炉输入参数与输出参数之间的相互影响示意图 图2 2 可以看出，输入变量与输出变量之间相互关联。如果蒸汽负荷发生变 化，必将引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化；燃料量的变化不仅 影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压； 给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度等亦有影响； 减温水的变化会导致过热蒸汽温度、蒸汽压力、汽包水位等的变化等等。 1 0 燃油锅炉电气控制特性的研究第二章燃油锅炉工艺系统分析 所以锅炉是一个多输入，多输出，多回路，非线性的相互关联的对象，调节 参数与被调参数之间，存在着许多交叉的影响。当改变任一个调节量时，也会影 响到其他几个被调量。因此，理想的锅炉自动调节系统应该是多回路的调节系统。 这样，当锅炉受到某一扰动后，同时协调地动作，改变其调节量，使所有的被调 量都具有一定的调节精度。但这种调节十分复杂，要实现这样的调节比较困难。 事实上，工业锅炉的各个参数之间的耦合程度有大有小。例如汽包水位受给水量、 蒸汽流量以及汽包压力的影响比较大，而与送风量及引风量的关系则不是那么紧 密。因此，根据锅炉运行的实际情况和运行经验，解决锅炉自动调节任务的方法 是将锅炉当作几个相对独立的调节对象所组成，相应地设置几个相对独立的调节 系统，这样可以适当简化自动调节的问题。其中锅炉的主要调节任务如前面叙述。 根据锅炉的主要调节任务，本课题将锅炉控n k j 分为若干个控制系统。主要 控制系统包括： ( 1 ) 锅炉汽包水位控制系统。受控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。 它主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在 工艺允许的范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉、汽轮机安全运行的 必要条件之一，是锅炉正常运行的重要指标。 ( 2 ) 锅炉燃烧控制系统。其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽 负荷的需要( 常以蒸汽压力为受控变量) ；使燃料与空气量之间保持一定的比值， 以保证最经济燃烧( 常以烟气成分为受控变量) ，提高锅炉的燃烧效率；使引风 量与送风量相适应，以保持锅炉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，即燃料量、送风量和引风量。 ( 3 ) 油泵恒压供油控制系统。其控制目的是维持锅炉供油管路内部的压力 稳定。采用变频器完成过程控制任务，实现加油系统的恒压供油。 本课题主要讨论如何解决燃油锅炉的控制问题，通过对燃油锅炉动态特性的 分析，开发其控制器以及实现对锅炉的远程监控。 本章小节 本章主要对工业锅炉的结构组成，工艺流程及工作过程进行了简要介绍同时 分析了锅炉工作过程中的热工检测内容。进而提出了工业燃油锅炉自动调节的基 本任务。 燃油锅炉电气控制特性的研究第三章控制对象动态特性分析及总体控制方案 第三章控制对象动态特性分析及总体控制方案 在自动控制中，把被控制量不随时间变化的平衡状态称为系统的静态，而把 被控制量随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。在一个系统中，静态是暂 时的、相对的、有条件的，而动态才是普遍的、绝对的、无条件的。系统的动态 特性是决定系统控制方案及控制器设计的关键。因此了解系统的动态特性是自动 控制系统研究的重点。 3 1 汽包水位的动态特性分析 工业锅炉的汽包水位是锅炉正常运行的主要指标之一，工业锅炉给水自动调 节的任务是使给水量跟踪蒸发量并维持汽包中的水位在工艺允许的范围内。 图3 1 是锅炉汽水系统示意图 2 8 图3 1 锅炉汽水系统示意图 1 一给水母管；2 一给水调节阀；3 省煤器；4 汽包； 5 一下降水管；6 一上升水管；7 一过热器；8 蒸汽母管 锅炉汽包水位自动调节，是根据汽包水位的动态特性来确定的。引起水位变 化的因素很多，但主要扰动是给水流量( 称为内扰) 和蒸汽流量( 称为外扰) 变化， 调节阀就是依据水位信号、蒸汽流量和给水流量的偏差信号进行调节的。为分析 汽包水位的变化规律这里列出了汽包水位调节的动态特性方程： 正正窘+ 正警弧鲁+ k 。u w ) - ( 警+ k d u d ) ( 3 - ) 式中： h 一汽包水位高度 燃油锅炉电气控制特性的研究第三章控制对象动态特性分析及总体控制方案 l 一给水流量项的时间常数单位：s 死一蒸汽流量项的时间常数单位：s k 。一给水流量项的放大倍数 k n 一蒸汽流量项的放大倍数 d 一锅炉蒸汽流量单位：k g s 形一锅炉给水流量单位：k g s a d 2 o m a x2 正 互、瓦一时间常数，单位：s 下面我们具体分析汽包水位动态特性 ( 1 ) 汽包水位在给水流量作用下的动态特性8 】 如果蒸汽负荷量不变，给水流量发生变化时，汽包水位调节对象的运动方程 式可以表示为： 正疋窘+ 正警= l 鲁喁” ( 3 - 2 ) 将上列微分方程式两边进行拉氏变换后可得到下式： t i t 2 s 2 ( s ) + t l s h ( s ) = t w suw ( s ) + k wuw ( s ) ( 3 - 3 ) 从( 3 3 ) 中，可以得到汽包水位调节对象在给水流量作用下的传递函数： g ( s ) ：塑婴：& 兰茎兰( 3 - 4 ) 、7 u ( s ) 正s ( 瓦s + 1 ) 在工程上，对于中压以下的锅炉，给水流量项的时间常数一般较小，常常可 以忽略不计，因此式( 3 4 ) 可以简化为： g ( s ) ：旦婆：_ = ! 一 ( 3 5 ) 、。u ( s ) s ( 疋s + 1 ) 式中，：拿称为反应速度，即给水流量改变单位流量时水位的变化速度。 1 从式( 3 5 ) 可以看出，汽包水位在给水流量作用下的动态特性，是由一个 积分环节和一个一阶惯性环节组成。这样，在给水流量发生阶跃变化时，汽包水 位变化的动态特性如图3 2 所示 燃油锅炉电气控制特性的研究第三章控制对象动态特性分析及总体控制方案 o h h o o l i , d w 一 图3 2 汽包水位变化的反应曲线 由曲线可知：当突然加大给水量后( 假定蒸发量不变) ，给水量大于蒸发量， 但汽包水位一开始并不增加，而呈现出一段起始惯性段，而在后阶段近于等速度 变化。如果做h 线的渐进线并延长使之交于汽包在受扰动作用前的水位h o ，所截 得的时间t ，称为滞后时间。 反应曲线h 可以认为由曲线h l 和h 2 相加而成。h l 仅仅反映汽包蓄水量的变化 所引起的水位变化，当给水量w 作阶跃变化时，h l 的变化反映了汽包水位对象的 积分特性。h 2 是反映水面下汽包容量变化时水位的变化，因为当给水量增加的初 级阶段，温度较低的给水进入了水循环系统，使其中原来的水温度降低，从而汽 水混合物中的汽包容量减少，由于这个原因，促使汽包的水位下降。所以当给水 量变化时，h 2 的变化反映了汽包水位对象的惯性特性，总的曲线h 可以看作反应 曲线h l 和h 2 相加而得。 ( 2 ) 汽包水位在蒸汽流量扰动作用下的动态特性【8 】 在给水量不变化的情况下，当负荷蒸汽量发生阶跃a d 变化时，汽包水位调 节对象的动态特性微分方程式，可以从( 3 1 ) 式导出： 正瓦百d 2 h + 正鲁= _ ( 警+ k o u d ) ( 3 - 6 ) 对微分方程式进行拉氏变换得： t 1 t 2 s 2 h ( s ) + t 1s h ( s ) 2 - t d s u d ( s ) + k d u d ( s ) 】( 3 7 ) 所以，在蒸汽流量扰动下汽包水位调节对象的传递函数为： 1 4 燃油锅炉电气控制特性的研究第三章控制对象动态特性分析及总体控制方案 g 砸，2 器一揣 b 8 ， 上式化简可看作两个动态环节的并联组成，即： g 的，2 器一去+ 畚 9 ， 式中 k = ( k d t 2 一t d ) 厂r l ； t - t l k d 因此，在蒸汽流量扰动下，汽包水位调节对象的动态特性曲线如图3 3 所 示 图3 3 汽包水位变化的反应曲线 汽包水位的特征曲线h 可分为h l 和h 2 两部分，图中h l 是仅仅考虑由于蒸汽流 量和给水流量不平衡，引起的水位变化；h 2 是由于蒸汽流量的扰动，改变了蒸汽 的压力而引起“虚假”水位的变化。 当锅炉的蒸汽负荷突然增加时，蒸发量大于给水量，从汽包蓄水量来看，汽 包水位应该下降，如图h o 直线所示。但在蒸发量和蓄水量产生不平衡的初级阶段， 因水位下降存在滞后时间t ，所以实际水位的变化应为h l 曲线。但实际上，当蒸 汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，可水位不但不下降，反而迅速上 升，这种特殊现象称为“虚假水位”现象。 “虚假水位”产生的原因是，蒸汽流量增加，汽包内的汽压下降，炉水的沸点 降低，使炉管和汽包内的汽水混合物的汽容积增加，体积膨大，引起汽包水位上 燃油锅炉电气控制特性的研究 第三章控制对象动态特性分析及总体控制方案 升。 所以，由于虚假水位现象，使汽包水位特性曲线h 开始上升，当汽水混合物 中汽的容量与负荷想适应而达到平衡时，水位才反映出物料的不平衡，开始下降。 应当指出，当蒸汽负荷作阶跃变化时，一开始h 2 的变化速度比h l 快得多。 另外，当锅炉的负荷突然减小时，则汽包水位变化的情况是相反的，汽包水 位先下降后上升。 3 2 燃料蒸汽压力系统的动态特性分析 给定值锅炉燃烧过程调节对象的动态特性锅炉汽包蒸汽压力是燃烧过程调 节对象的主要被调量，分析燃烧过程调节对象的动态特性，是确定燃烧系统自动 调节方案的主要依据。为此，下面分析一下在主要扰动作用下，汽包蒸汽压力变 化的动态特性【l l 】。以蒸汽压力作为被调量的燃烧调节对象的生产过程如图3 4 所示 图3 4 燃烧过程示意图 m b 一燃料调节阀开度；b 一燃料量；v 一送风量；q 一炉膛发热量；w 一给水量 p 一汽包出口蒸汽压力；d 蒸汽流量；m d 一用气设备调节阀开度 引起蒸汽压力变化的因素是很多的，如燃料量、送风量、给水量、蒸汽流量 以及各种使燃烧工况变化的原因。它的主要扰动是燃料量的改变( 称为内扰动) 及 蒸汽流量改变( 称为外扰动) 。 ( 1 ) 燃料量改变时蒸汽压力变化的动态特性( 内扰特性) 【1 5 】 锅炉在正常运行时，若进入炉膛的燃料量发生变化，则炉膛发热量立即改变， 几乎没有迟延和惯性，即为比例环节。而蒸发部分可以看作是一个储热量的容积， 反映储热量多少的主要参数是汽包压力p 。当炉膛发热量q 和蒸汽流量d 所带走的 热量不相等时，汽包压力p 就要发生变化，其关系式为： 1 6 燃油锅炉电气控制特性的研究 第三章控制对象动态特性分析及总体控制方案 q d = c d 讲p 式中q 一单位时间内锅炉炉膛发热量： d 一蒸汽流量( 用热量表示) ； c 一锅炉蒸发部分的容量系数，即汽包压力变化一个单位时，锅炉蒸发 部分储热量的改变； 宰一锅炉汽包压力对时间的变化率。 d t 蒸汽压力变化的动态特性与锅炉的供汽条件有关，如果用汽量d 不变，而燃 料量改变产生内扰时，蒸汽压力成积分规律变化，蒸汽压力变化的阶跃反应曲线 如图3 5 所示。 b 1 图3 5 蒸汽压力变化的反应曲线 如用汽设备的调节阀开度m 不变，则随着汽压p 的升高，蒸汽流虽也将增加， 这时蒸汽压力成指数规律变化，它的反应曲线如图3 6 所示。 8 图3 6 蒸汽压力变化的反应曲线 氐 p h o p n o 燃油锅炉电气控制特性的研究第三章控制对象动态特性分析及总体控制方案 从图中可知，当蒸汽流量多带走的热量等于燃料量增加的热量时，蒸汽压力 又在新的数值上稳定下来，系统达到新的平衡。 ( 2 ) 蒸汽流量改变时蒸汽压力变化的动态特性( 外扰特性) 【1 5 】 蒸汽流量改变时蒸汽压力扰动称为外扰。外扰有两种情况，一种是负荷设备 的蒸汽阀门开度改变。另一种是负荷设备用汽量的突然增加( 或减少) 所产生的。 m d m d d d o 0 p p 丁c 图3 7 锅炉气压p 的反应曲线 如果负荷设备的蒸汽调节阀开度m d 突然改变，锅炉的汽压也随即改变其反 应曲线如图3 7 所示。 当m d 突然开大，则从汽包中流向负荷设备的蒸汽流量d 立即增) ) h a d 。但是， 由于燃料量没有增加，因此汽包蒸汽压力逐渐下降，从汽包中流出的蒸汽量也逐 渐减少，最后蒸汽量只能恢复原值。也就是说燃料量不改变，在平衡状态时，锅 炉供应的蒸汽流量也不会改变。至于阀门开度m 增大后，短时间增加的蒸汽量是 依靠锅炉蒸发部分储热量减少( 压力降低) 放出来的。 3 3 炉膛负压系统的动态特性分析 炉膛负压和燃烧经济性指标是通过改变引风量和送风量进行调节的。当送风 调节阀门和引风调节阀门开度改变后，这两个被调量立即改变，它的动态特性可 以认为是比例特性。 燃油锅炉电气控制特性的研究第三章控制对象动态特性分析及总体控制方案 3 4 燃料空气含氧量系统的动态特性分析 燃烧经济性指标的测量较困难，如果采用烟气成分分析的方法来测量，滞后 时间比较长，近年来采用氧化铅来测量烟气中的含氧量，则滞后时间较短。 以上分析了单台锅炉蒸汽压力在燃料量和负荷蒸汽量扰动下的动态特性。现 场测试在燃料量改变时，对于一台锅炉的汽压对象，它的动态特性为单容积分环 节与具有传递滞后的一阶滞后环节的串联，等效纯滞后( 传递滞后) 时间不长，一 般为1 0 2 0 s 左右。 燃油锅炉燃烧系统的自动调节，有单独运行锅炉燃烧系统的调节和并列运行 锅炉燃烧系统的调节，下面介绍单独运行锅炉的调节。 单独运行锅炉燃烧系统的自动调节，不存在负荷分配问题，因此不需要主调 节器。根据燃油锅炉燃烧系统自动调节的要求，即必须尽快消除燃料方面的各种 频繁的自发性扰动，保持蒸汽母管压力恒定，燃料、送风、引风三个调节系统应 当紧密配合、协调动作，当带变动负荷时，蒸汽压力调节器根据母管压力p 的变 化，发出改变燃料量和送风量的信号，调节过程结束时，蒸汽母管p 和烟气含氧 量0 2 ，而燃料量则与新的负荷相适应。 3 5 总体控制方案 根据对工业锅炉的各个参数量的动态特性分析我们提出了燃油锅炉的整体 控制方案，方案主要包括水位控制，燃烧控制，恒压供油控制和计算机系统实现。 水位控制是由以汽包水位作为主调节参数，蒸汽流量为前馈信号的智能控制 器来控制，使水位控制在设定的范围内。 在燃烧控制方面主要保证锅炉燃烧的三项调节任务即蒸汽压力稳定，保持燃 烧经济性和保持炉膛负压在一定范围内。在外部扰动作用时控制器通过对燃料 量、送风量、引风量的测量调整保证各项指标在合理范围内。 恒压供油控制部分采用p l c 变频器混合控制方案，由变频调速技术应用于 油泵的控制。 本章小结 本章主要分析了工业燃油蒸汽炉在各种工况下的动态特性，包括汽包水位的 1 9 塑迪塑生皇墨叁型鳖丝塑婴穿 第三章控制对象动态特性分析及总体控制方案 动态特性，燃料蒸汽压力系统的动态特性，炉膛负压系统的动态特性以及燃料空 气含氧量系统的动态特性分析。根据锅炉工作过程中的动态特性提出了锅炉的总 体控制方案。 2 0 燃油锅炉电气控制特性的研究第四章燃油锅炉燃烧自动控制系统 第四章燃油锅炉燃烧自动控制系统 4 1 锅炉自动控制 4 1 1 锅炉自动控制的任务 锅炉自动控制的任务主要是维持锅炉的水位、温度、压力、烟气含氧量等物 理参数在设定的范围内，并能自动适应负荷的变化，从而使锅炉安全可靠经济地 运行【”l 。 ( 1 ) 保持锅炉水位在规定的范围蒸汽锅炉水位的高低，关系着汽水分离 的速度和产生蒸汽的质量，对锅炉的安全运行极为重要。水位太高时，会使蒸汽 大量带水，降低蒸汽品质，甚至会发生满水事故。水位偏低，会造成锅筒各部位 的温度偏差，形成热应力，极限情况下会出现裂纹。水位过低，则容易发生缺水 事故。在负荷变化时，锅炉水位也会快速变化，因此必须采用自动控制来维持水 位在规定的范围内。 ( 2 ) 保持汽压的稳定锅炉汽压的变化，实际上反映了锅炉负荷的变化。 当蒸汽量多于外界需求时，锅炉的汽压会上升：反之，锅炉的汽压就下降。汽压 偏高，会影响锅炉的安全运行，加速金属材料的蠕变。汽压偏低，说明锅炉不能 满足生产需要。因此，维持汽压稳定是安全生产和正常运行的需要。 ( 3 ) 烟道出口排烟温度控制排烟温度超过正常值时，说明锅炉缺水或烟 气短路，这些都对锅炉安全运行产生威胁，都是事故的先兆。不论什么原因造成 排烟温度超过正常值时，烟气保护装置都会自动报警、停炉并锁定，此时锅炉不 能起动，只有当排烟温度超出正常值原因被查明并处理后，方可重新起动，因而 确保锅炉在绝对安全的条件下万无一失的运行。 ( 4 ) 烟气含氧量的控制烟气含氧量高，说明送风量大，会带走锅炉的热 量；烟气含氧量低，说明燃烧不充分。因此，必须使烟气含氧量维持在最佳值， 在这样的情况下，才能保证燃烧的经济性。 ( 5 ) 热水锅炉出水温度的控制出水温度是燃烧系统控制对象的主要被调 量，引起其变化的因素很多，如燃料量、送风量、用户负荷、外界环境温度等。 出水温度过高，容易引起汽化，导致发生事故；出水温度太低，满足不了供热需 求。所以，要控制在一定的范围之内。根据外界环境温度将锅炉出水温度进行调 2 l 燃油锅炉电气控制特性的研究第四章燃油锅炉燃烧自动控制系统 整，使出水温度根据外界温度的变化来自动调节，符合一定的节能曲线，以达到 节能运行的目的。 4 1 2 程序控制 程序控制是完成锅炉起动、停止以及正常工作等一系列操作自动化进行的过 程，只有前一个条件满足，才能进行下一个动作。燃油、燃气锅炉程序控制主要 有以下几点： ( 1 ) 炉膛吹扫程序在燃烧起动前，燃烧器应对锅炉炉膛预吹扫，即风门 执行器将风门由小向大打开，在风门最大位置对锅炉炉膛进行预吹扫。 ( 2 ) 自动点火程序在吹扫及阀门密封性、供气压力检测完成后，风门执 行器带动风门关小到设定的点火位置，点火变压器投入工作，当点火电磁阀打开 后，可燃油雾立即被高压电火花点燃产生点火火焰。 ( 3 ) 安全运行连锁保护程序风压安全检测在预吹扫过程和整个燃烧运行 过程中都在工作，当风压低于设定值时，燃烧器程控