（控制理论与控制工程专业论文）锅炉控制系统研究.pdf

摘要 f ：锅炉是全厂重要的动力设备，其要求是供给合格的蒸汽，使锅炉发气量适应 负荷的需要。为此，生产过程朐各个主要参数必须，z 格控制。j 本文全面地介绍了 锅炉过程的各个控制系统，并对其中存在的些问题进行了深入的探讨和分析， 本文的主要内容如下： i - 较全面地回顾和分析了锅炉设备的工艺特性和各个控制系统概况， 对各种控制方案的优缺点进行了全面的分析和探讨。得出了些有 价值的结论。 2 对于当前锅炉控制系统存在的些问题进行了深入的探讨和研究， 并提出了自己的一些看法和解决方案。 3 研究了当前在工业中得到广泛应用的一些高级控制算法，对这些控 制算法进行了比较和研究，并将其应用到过热蒸汽温度控制系统， 得出了一些有用的结论。 4 介绍了本人在硕士期间做的天台热电厂锅炉控制系统计算机控制工 程的设计r 实施状况，并说明了现场调试过程中遇到的一些问题及 解决方法。 本文的主要成果有： 、- 对于锅炉控制系统中存在的一些问题，进行了深入的探讨和研究，提出了一 些很有实际应用价值的解决方案。 比如： a 锅炉燃烧控制系统中引入蒸汽量耵馈信号带来的正反馈的问题。 b 锅灯。进水系统的i 个岫节阀调节方案的问题。 c 以及计算机控制系统中，增量算法的研究等。 2 探讨了几种基于模型的预测控制算法，得出了 于过热蒸汽温度控制系统。 些有用的结论，并将其运用 3 介绍了本人在硕士期间所做的一个具体的项目，并将上述重要成果应用于现 场实际项目中- 在现场调试时所遇到的问题及解决方法。、j a b s t r a c t t h eb o i l e ri so n ek i n do fi m p o r t a n te q u i p m e n ti np l a n t s t h eb o i l e r sa i mi st o s u p p l yr e g u l a rs t e a mt o f u l f i l lf a c t o r ) n e e d s s ot oc o n t r o lb o i l e r s p a r a m e t e r si so f g r e a ti m p o r t a n c e i nt h i s p a p e r ，t h ek e yc o n t r o s y s t e mi sg e n e r a l l y i n t r o d u c e da n d s o m ek e yp r o b l e m sa b o u th o wt oc o n t r o la r er e s e a r c h e d t h e f o l l o w i n g a r et h e c o n t e n t so ft h i sp a p e r ： 1 r e v i e w i n ga n da n a l y s i s t h e e n g i n e e r i n gp r o p e r t y , o fb o i l e re n g i n e e r i n ga n d t h ec o n t r o l s y s t e m i nb o i l e r e n g i n e e r i n g s o m ev a l u a b l e s u g g e s t i o n sa n d c o n c l u s i o n sa r eg i v e n 2 s o m e k e yp r o b l e m sa b o u tt h eb o i l e r sc o n t r o la r ef o u n da n dr e s e a r c h e di nt h e p a p e r a n dg i v i n g s o r t i em e t h o d st or e s o l v et h e m 3 i n t r o d u c i n g s o m e p r e d i c t i v ea r i t h m e t i c ；c o m p a r i n g t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g eo ft h e s ea r i t h m e t i c ；g i v i n gi m p r o v e da r i t h m e t i ca n da p p l y i n g t h e mi nt h eb o i l e r s y s t e m 4 d e t a i l i n gt h ep r o c e d u r e o f i n s t a l l i n ga n dt u n i n go f t h eb o i l e rc o m p u t e rc o n t r o l s y s t e mi nt i a n t a ia n dz h e j i a n g l i s t i n gs o m ep r o b l e m st h a ta r ee n c o u n t e r e d i nt h ef i e l da n dp r e s e n t i n gt h em e t h o d st or e s o l v et h e m t h ea c h i e v e m e n t so ft h i st h e s i sa r e ： 1 s o m ek e yp r o b l e m si nt h eb o i l e r sc o n t r o l - s y s t e ma r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r a n ds o m e p r a c t i c a la n d v a l u a b l es o l u t i o n sa r ea st h ef o l l o w i n g a t h es o l u t i o n t os o l v et h ep o s i t i v ef e e d b a c kp r o b l e mt h a ti sc a u s e db yt h e i n t r o d u c i n gs t e a m f e e df o r w a r ds i g n a li nt h eb o i l e rf l a m m a b l ec o n t r o ls y s t e m b c o m p a r i n gt h ec o n t r o ls t r a t e g yi nt h eb o i l e ri n f a l ls y s t e m ct h ei n c r e m e n ta r i t h m e t i ci nt h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m 2 i n t r o d u c i n g s o m e p r e d i c t i v ea r i t h m e t i c ；c o m p a r i n g t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g eo ft h e s ea r i t h m e t i c ；g i v i n gi m p r o v e da r i t h m e t i ca n da p p l y i n g t h e mi nt h eb o i l e rs y s t e m 3 d e t a i l i n gt h ep r o c e d u r e o r i n s t a l l i n ga n dt u n i n go ft h eb o i l e rc o m p u t e r c o n t r o l s y s t e mi nt i a n t a i ，z h e j i a n g l i s t i n gs o m ep r o b l e m st h a ta r ee n c o u n t e r e di n t h ef i e l da n d p r e s e n t i n gt h em e t h o d s t or e s o l v et h e m 塑兰尘竺! ! ! ：兰竺丝竺 堡芝竺型墨堕竺塑 第一章绪论 锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备。 它所产生的高压蒸汽，既可作为矾机、压缩机、大型泵类的驱动透平的动力源， 又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。随着工业生产规模的不断 扩大生产设备的不断革新，作为全厂动力和热源的锅炉，亦向着大容量、高效 率发展。为了确保安全，稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得愈加重要。 锅炉是全厂重要的动力设备，其要求是供给合格的蒸汽，使锅炉发气量适 应负荷的需要。为此，生产过程的各个主要参数必须严格控制。锅炉设备是一个 复杂的控制对象，主要输入变量是负荷，锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引 风等。主要输出变量是汽包水位，蒸汽压力，过热蒸汽温度，炉膛负压，过剩空 气( 烟气氧含量) 等。锅炉对象简图如图l 所示。 於 釜 温水 燃牛 苴 世k 量 - 川4 量 - a 竹 - 城，l 吼j t 城n 几j j ，d 乖卒i - “，悼负爪 翻1 锚炉对象简幽 这些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h 向汽包水位、过热蒸汽温度、过剩空气平u 炉膛负压：给水量的变 化不仅影响汽包，k 位，而且对蕉汽压力、过热蒸汽温皮等亦有影响：减温水的变 化会导致过热燕汽温度、燕r i 爪力、汽也水何等f 门，煲化；等等。所以锱炉i 筻褥址 浙江人学i 学位论文 锅炉挣制系统 究 一个多输入、多输出且相互关联的控制列象目前工程处理上作了些假殴后， 将锅炉设备控制划为若干个控制系统。主要控制系统如下： l ，锅炉汽包水位控制系统。受控变量是汽包水位，操纵变量是给水流跫。 他主要考虑汽包内部的物料平衡使给水量适应锅炉的蕉发量，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，是锅炉正常运行的重要指杯。 2 锅炉燃烧系统的控制。其控制目的是使燃利燃烧所产生的热量适应蒸汽 负荷的需要l 常以蒸汽压力为受控变量) ；使燃料与空气量之间保持 定的比值，阻保证最经济燃烧( 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，咀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 过热蒸汽系统的控制。维持过热器出口温度在允许的范围内，并保证管 壁温度不超过允许的工作温度。受控变量一般是过热器出口温度，操纵 变量是减温器的喷水量。 对当前应用的锅炉控制系统的详细介绍见论文的第二章。 锅炉控制系统虽然经过了多年深入的研究，形成了一些成熟的控制方案。但 些控制仍然需要更深入的探讨和研究。本论文的第三章对当前锅炉控制系统中 存在的一些问题进行了分析，比如压力控制系统中蒸汽量前馈信号引入的正反馈 的问题等。跄文中总结了韵人已经提出的一些解决方案，也阐述了本人所提出的 一些解决方案。 第四章介绍了一些先进的控制算法比如：i m c ( 内模控制器) ，s m p c ( 简单模 型预测控制器) c m b c ( 基于保守模型的控制器) 等。对这些算法的优缺电进 亍了深入的研究，并将这些算法应用于锅炉控制系统，得到丁一些有用的结论。 笫 章介绍了我在硕士阶段承担的一个科研项目，即天台热电厂计算机控 制系统改造工程。简单地介缁了该系统从设计到安装到调试所遇到的困难及解决 方法。 1 。1 。- _ _ _ 。_ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ 。- _ _ _ _ _ _ 。- 。_ - _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ - _ 。_ - 。_ _ _ _ _ _ - 1 。1 _ 。1 1 _ 。1 “。 一塑坚生兰塑! ：兰竺堡兰堡尘丝型墨竺坐塞 第二章锅炉系统的工艺简述及控制系统介绍 2 1 引言 锅炉可分为两种基本设计型式，即火管( f i r e t u b e ) 锅炉和水管 ( w b t e r t u b e ) 锅炉。火管锅炉通常局限于产生2 5 ，0 0 0 b h r ( 3 1 5 k g s ) a n d 2 5 0 p s l 6 ( 1 7 m p a ) 饱和蒸汽的锅炉系统。尽管它具有对负荷变化能很快响应的优 势，因为这种锅炉系统的尺寸和压力的局限使得它不能应用到大的工业设备中。 因为从热动力学考虑，锅炉系统必须产生高温，高压以使锅炉系统产生最大的工 作效率。而这只有水管锅炉能做到，所以我们这旱只讨论水管锅炉。 盘青慢p i 圈2l 锅炉设矗土耍上岂洫程囝 在工业中，蒸汽锅炉既用束发电也用于工业用汽。常见的锅炉设备主要工 艺流程图见圈2 【。由图可知，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八 大气。 锅炉系统必颈满足工厂对蒸汽刷量的要求。所以其控制系统必须能适应工 浙江人学倾卜学位论史 锅炉牲制系统哪f 宄 艺负荷的快速变化。此外控制系统也必须使锅炉系统产生最大的效率。这些可 以通过最优化实现。一般燃油锅炉效率在8 5 8 8 之间而燃气锅炉效率一般 在8 3 左右。而燃煤锅炉的效率还要更低一些。 锅炉控制系统控制目标为压力控制在期望压力值的! 1 。燃料空气比( 简称 燃空比) 应该保证有2 的过量空气( 即0 4 的过量氧气) 。汽包水位应控制 在1 英寸，蒸汽温度应控制在6 4 锅炉设备是一个多输入、多输出且相互关联的控制对象，绪论中也曾提到 过。目前工程上作了一些假设之后，将锅炉设备控制划分为若干个控制系统。以 下就分别介绍这些控制系统的概兄。 2 2 锅炉控制系统介绍 2 2 1 汽包水位的控制系统。 汽包水位是锅炉运行的主要指标。如果水位过低，则由于汽包内水量较少， 而负荷却很大，水的汽化速度又很快，因而汽包内的水量变化速度很快，如果不 及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏和爆炸；水位过高会影响 汽包的汽水分离，产生蒸汽带液的现象，会使过热器管壁结堀导致破坏，同时过 热蒸汽温度急剧下降该蒸汽作为汽轮机的动力的话，还会损坏汽轮机叶片影 响运行的安全和经济性。汽包水位过高或过低的后果极为严重，所以必须严格加 以控制。 2 2 1 1 汽包水位的动态特性 蒸汽负荷( 蒸汽流量) 对水位的影响即干扰通道的动态特性。在燃利h i 变的情况下，蒸汽用量突然增加，瞬时削必然导致汽包压力下降，汽包内水的沸 腾突然加剐， 水中汽泡迅速增d i i ，将整个水位抬高，彤成虚假水位上升现象，即所嘣的假 水位现象。 f 一1 6 锅妒羟州氧缝i 一t 在蒸汽流量干扰下，水位变化的阶跃向应曲线如图2 , 2 所示。当蒸汽流量突 然增加时，出于假水位现象，在丌始阶段水位不仅不会下降，反而先上升，然后 f 1 。1 1 。1 。 ” ，一i 一 _ l ? ：一。 ， i i h ! = 擅，l 洫：l ：i 。* r ，k 化的计l l h q i i i i 埕 下降( 反之，当蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升) 。蒸汽流量突 然增加时，实际水位的变化h ，是不考虑水面下汽泡容积变化时的水位变化h i 与只考虑水面下汽泡容积变化所引起水位变化h 2 的叠加，即： h 2 h l + h 2 一( 2 1 ) 用传递函数来描述还可以表述为 等= 篱+ 等一+ 斋1 ( 2 z ) d ( s )d 和)0 0 ) j 疋j + 、 式中er ，在蒸汽流量的作用下，阶跃响应曲线的飞升速度： k 2 ，t 2 分别为只考虑水面下汽泡容积变化所引起的水位变化h 2 的放大 倍数和时问常数。 假水位变化的大小与锅炉的工作压力和蒸发量等有关，例如一般1 0 0 3 0 0 t h 的中高压锅炉，当负荷突然变化1 0 时，假水位可达3 0 4 0 m m 。对于这 种假水位现象，在设计控制方案时必须注意。 给水流最对水位的影响即控制通道的动态特性。在给水流量作用f ， 水位阶跃响应曲线如图2 3 所示。把汽包和给水看作单容无自衡对象。水位响应 曲线为h l 曲线。但由于给水温度变化后，使汽包中汽泡含量减少，导致水位下 降。因此实际水位向应龃线如图中h 曲线即当突然加大给水量后，汽包水位 丌始不立即增u ，而坚生现山段起始惯肚段。用传递函数柬描述时，他相当 于一个积分环节干一个纯滞后川：前的串联，c lj 表示为 h ( s )t 一 u 【) o r 一 塑坚叁兰塑! ：兰些堡墨 塑竺丝型墨堑! ! ! 生 式中eo 给水流量作用下，阶跃响应曲线的飞升速度： ：纯滞后时洲 c r 。“。1 。- 。_ - 。1 。 l t 州23 给水流甘作片i 下水位的阶跃响廊- m 线 给水温度越低，纯滞后时f a jt 越大。般t 约在l5 1 0 0 秒之间。如果采用 省煤器，则由于省煤器本身的延迟会使一增加到l o o 2 0 0 秒之倒。 锅炉排污、吹狄等对水位也有影响。锅炉排污直接自汽包里放水，吹狄 时使用锅炉自身的蒸汽，这些都是短时间负荷的干扰。 2 , 2 1 2 汽包水位控制系统 汽包水位的控制有单冲量控制，双冲量控制以及三冲量控制几种控制方案。 因为单冲量控制系统不能克服假 水位带柬的控制问题双冲节控制系 统还有不能做到静念补偿以及不能对 给水系统干扰及时克服两个的弱点。 因此一般汽包水位控制系统都采用三 冲量控制系统。即蒸汽流量、给水流 量、汽包水位三个冲量作为输入变量， 给水调节阀作为控制变量柬控制汽 包水位。图2 4 为汽包水位三冲量控制 系统的流挫i 划。l 冬| ：5 山；一l li i i - 4 ，ij l “系 统的连接图和方块图。 刊二4 兰”7 。| l l i 嘶n 川勺 浙江人学坝1 1 学位论史 锅炉拌制系统州究 在图2 5 所示的联接方式中，加法器的输出是： p o = c 1p c + c 2 p f + c o( 2 4 ) 式中：p o 加法器的输出 p c 液位控制器的输出 p ，蒸汽流量变送器( 一般经开方器) 的输出 c o 初始偏置值 c i ，c 2 加法器系数 系数的设置是这样的：c l 通常可取l 或鞘小于1 的数值。不难看出c i 与控 制器的放大倍数的乘积相当于简单控制系统中控制器放大倍数k c 的作用。 c 2 的数值计算相当简单，按物料平衡要求， a e 。= 融q 、 a 为等于或大于l 的数值 当变送器采用丌方器时， 叽= 罴( z 。z m 、， 叫p j = 告警( k - z 。) 由式( 2 6 ) 得 ( 25 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 曾。= a p f 坦。( z 。一z 。) = a q ，= 跳一口。【z 。，一z m m )一( 2 8 ) 由式( 2 7 ) 得 塑坚苎兰竺! 兰些堡兰塑! ! ：型至竺坐壅 g 。= c ! d 一g 圳m ( z 一z 删)- ( 2 9 ) 根据式( 2 5 ) 础q 。= 尸g ，。( z 一一z 。) = c 2 p ，e 。、( z 。一z 。) f 2 j0 ) 所以 f ，：a 坠 。 q 。 式甲 9 ，一给k 流鞋变化喧 p f 蒸汽流量变送器输出的变化量 a q s 蒸汽流量变化量 n 蒸汽流量变送器量程( 从零开始) ； q 、。给水流量变送器量程( 从零丌始) ： z 卅。乙，一变送器输出的变化范围。 c o 是个恒值，设置c o 的目的是在f 常负荷下，使控制器和加法器的输出 都能有一个比较适中的数值。最好在f 常的负荷下c o 值与c 2 p f 项正好抵消。 水位控制器和流量控制器的参数整定方法与一般的串级控制系统相同。 2 2 2 锅炉燃烧控制系统。 燃烧过程控制任务很多，最主要的是使锅炉出口蒸汽压力稳定。当负荷变化 时通过调节燃料量使之稳定。其次，应保持燃料燃烧良好，即不要因为空气不 足而使烟囱冒黑烟，也不要因空气量过多而增加热量损失。所以在增加燃料时， 空气量应先加大，在减少燃料时空气量也要减少。总之燃料量与空气量应保持 一定比值，或者烟道气中氧含量应保持一定的数值。再次，应该使排烟量与空气 量相配合，以保持炉膛负压不变。如果负压太小，甚至为i f ，则炉艟内热烟气 主 外冒出，影响设备与工作人员的安全；如果负压大，会使大量冷空气漏进炉内 从而使热量损失增加降低燃烧效率。一段炉膛负压应该维持在2 0 p a ( 约2 m m h l 0 左右。 一 塑坚! ：兰! 坐! ! ! 垡堕塞 堡望篓塑墨塑型! 1 2 2 2 1 锅炉燃烧系统控制对象的特性 锅炉汽包蒸汽压力是燃烧系统对象的主要被调量，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。他的主要扰动是燃烧量的改变( 称为内扰动) 和蒸汽流量的改变( 称为外 扰动) 。 + a 燃料量改变州。蒸汽压力变化的动态特性( 内扰特性) 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 o 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： 0 一d ：c d e 一 讲 式中： q 一单位时涮内锅炉炉膛发热量； 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： 一d p 锅炉压力对时阳j 的变化率。 a t 蒸汽压力变化的动态特性与锅炉的供气条件有关，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2 7 所示。 如果用汽设备的调节阀丌度m d 不变，则随着汽压p 的升高，蒸汽流量也将 增加，这时蒸汽压力成指数规律变化，它的反应曲线如图2 8 所示。从图中可知， 当蒸汽流量多带走的热量等于燃料增加的热量时，蒸汽压力又在新的数值上稳定 下柬，系统达别新的平摘。 一一堡至! ：竺塑! ：兰竺堕! 垡竺竺：! ! ：! 墨竺! ! 堑 一1 i 一 二u b 日? r 一 一 f i i ， 小 r b 1 博27 点 溉斗 芏 f - 髓耕t 衍 1 ：8 燕 7 4 * 州，咔腰h 巾业州，f j 髓 ：i 罐 执到j b 作崩下燕汽币力的压呲| | = | 址 断瓠托动 b 作剐下燕汽厍力的压映线 b 蒸汽流量改变时蒸汽压力变化的动念特性( 外扰特性) 蒸汽流量改变时对蒸汽压力扰动称为外扰。外扰有两种情况，种是负 荷设备的蒸汽阀门丌度改变，另种是负荷设备用汽量的突然增加( 或减少) 所 产生的。下面就分析两种情况的扰动下蒸汽压力变化的动态特性。 如果负荷设备的蒸汽调节阀门丌度m d 突然改变，锅炉的汽压也随即改变， 其反应陆线如图2 9 所示。可见m d 突然丌犬，则从汽包中流向负荷设备的蒸汽 流量d 立即增加d 。但由于燃料量没增加，因此汽包蒸汽压力逐渐下降，从汽 包中流出的蒸汽流量也会逐渐减少，最后蒸汽流量只能恢复原值。也就是谠燃料 量不改变，在平衡状态时，锅炉供应的蒸汽流量也不会改变。至于阀门丌度m d 增大后，j ；立时恻增加的蒸汽流量是依靠锅炉蒸发部分储热量的减少( 压力降低) 放出来的。 外扰的另种隋况，是当负荷设备蒸汽用量突然增加时，汽包蒸汽压力的反 应曲线如图21 0 所示。从图中可以看出，汽包蒸汽压力随蒸汽流量的增加而下、 降。如果蒸汽流量继续保持增大后的数值，由于燃料量没有增加，热量不平衡， 所以蒸汽压力一卣下降，直到改变燃料量使其产生的热量与蒸汽流量相平衡，j 能恢复保持锅炉的筵氏m _ j 。 妒，膛负爪秆燃烧鲐济中啪e 卅杯址迎过成变r j f 4 屉例送l 墁+ 进fj ：拧i 驯。”1 送 t1 一一： p r 0一 浙江人学坝 j 学位论史 锅”拧制系统究 风调节阀门和引风调节阀门丌度改变后，这两个被控量立即改变，它的动态特性 可认为是比例特性。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，滞后时侧比较长，近年来采用氧化锆来测量烟气中的含氧量，则滞后 时削较短。 阳29 执；i 设需蕉汽阀门开度阶跃娈阳21 0 蒸汽流请m 跃变化 d 时锚妒麓 化a 岫肘锚妒汽压的厦赢蛙汽压力的反麻帕线 综上所述可得如下结论： r 1 1 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，因此，根据蒸汽压力的变化，去调解燃 料量能够及时而有效地控制蒸汽压力，并适应负荷的需要。在改变燃料量 的同时，应协调改变送m 量和引风量。 ( 2 ) 蒸汽压力控制对象的动念特性，随着负荷大小而变，因而平稳操作足 使燃烧系统运行良好的重要条件否则需要考虑负荷变化的动念校币。 ( 3 )为了使锅炉承担规定的负荷，必须币确而又快速地测量燃烧率( 燃料 量和送j x l 量) ：为了保证经济燃烧，必须准确而又快速地测量反映燃烧的经 济性指标。这些问题的妥善解决，是实现燃烧系统自动控制的关键。 。了i m m p c 0 。 d 孓 p 0 兰叁兰塑：i ：兰些堡兰 塑竺堡型墨堑坐壅 2 2 2 2 锅炉燃烧过程的自动控制 根据锅炉系统燃料的不同有不同的控制方案。 a 对于燃油锅炉，其压 力调节可直接接受汽压 信号，指挥电动执行机构 动作。电动执行机构通过 连卡1 ：可以按比例改变油 阀的丌度，比值调节器l 按燃风比控制送风阀的 开度，氧量调节器根据氧 含量改变比值调节器l 的比值。同时比值调节器 2 根据比值调节器1 的输 出改变引风阀门丌度，同 图! 【i 燃油锅炉调节系统图 时炉膛负压调节器改变比值调节器2 的比值以使炉膛负压稳定。泼调节系统图如 图1 2 所示。 b 对于燃煤锅炉，如链条炉排锅炉、往复炉排锅炉等，锅炉负荷变化较频繁， 压力不稳定+ 燃料品种也不固定。因此，燃烧调节具有如下特点。 ( 1 ) 靠燃料量的变化柬适应负荷变化的需要，具有较大的迟延和惯性。因此， 燃烧量改变后需要一定的输送、燃烧和热量传递时i b j ，才能反应到蒸汽量或汽压 的变化上。 ( 2 ) 炉排上有一定的燃料储存，瞬删改变送风量加快燃烧，能较快地适应负荷 变化的需要。即当需要增加负荷时先增；0 n ；x t 量，可使储存在炉排上的燃料迅速 燃烧，很快提高锅炉的蒸发量或汽压，阻后再靠增加燃料量来保证负荷的要求。 ( 3 ) 靠给煤机转数、挡板 度、+ 巳流垲等米n 1 j 接计量燃煤量，? f i j f j 度 随低凶 此仍采刷热量信号d o 米叫接代表燃料量信号。 ( 4 ) 由于燃料品种经常变化给合理送j x l 带来一定困难。为此可采用烟气氧量作 为送风调h 的信l 扎新型的删氧) i 件一一氧化锆测氧器的氧量信号反应迅速、可 靠。 浙江人学倾l j 学位论文 锅炉摔制系统圳j e 图2 1 2 为“热量一风量”燃烧删节系统，该系统用蒸汽量信号和蒸汽压力变 化速度信号之和作为热量信号，送入燃料调节器。蒸汽压力信号送入燃料调节器 和送风调节器后，使空气量很快变化以适应蒸汽压力的变化。经过一段时矧燃 料量的变化就能满足负荷的要求。另外，将送触量信号引入引风调节器，也可以 保证炉膛负压为一定。炉膛负压也是引胍机调节器的输入信号。 图2 13 为采用氧量信号的调节系统。该系统的燃烧调节部分采用热量信号， 送, e x l 调节部分采用氧量信号。图2l3 还表示出了逻辑提降功能，当负荷增加时， 应馥先提送风量，再提燃料量：当负荷降低时一先降燃料量，再降送风量。这样 能保证锅炉系统的安全运行， 2 2 3 锅炉过热蒸汽温度自动控制系统 锅炉蒸汽过热系统的控制任务，是维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围 内，并保护过热器管壁漏度不超过允许的工作温度。 锅炉蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二缴过热器等。过热器- 艺流 程如图2 1 4 所示。 过热蒸汽温度自动控制是锅炉自动化的重要任务之一，它的控制十扰凼素 锅炉件圳景墙j l j | ，i 多，困难较大，主要干扰因素有下列几方面： ( 1 ) 过热器作为控制对象柬看，它是一个具有较大延迟的多容惯性环节。在 发生扰动后，温度往往不会立即变化。另外，测量温度的感受元件也有较大的惯 性，动态特性较差。 ( 2 ) 瑷备的结构殴汁与控制要求存在着矛盾。从控制焦度浣，减温设备应装 在过热蒸汽出口的地方，这样可以使调节作用的滞后时删小一些使输出的蒸汽 温度波动小。但从设备安全方面讲，则减温设备应安装在过热器的入口以最有 效地保护过热器的本体。 f 3 ) 造成迄热器出习蒸汽温度变化的扰到因素很多而且各种扰动因素之i 日j 又相互影响使对象的动态过程十分复杂。能使过热器出口蒸汽温度改变的困素 有：蒸汽流量的变化、燃烧工况的变化，锅炉给水温度的变化、进入过热器蒸汽 热焓的变化、流经过热器的烟气温度及流速的变化、锅炉受热面结垢等。 造成过热器出口蒸汽温度变化的主要因素有蒸汽流量( 即负荷) 的变化，减 温水的变化，烟气方面的热量变化。对于不同的扰动，过热蒸汽温度的动态特性 各不相同下面就阐述他们的动态特性： 2 2 3 1 锅炉过热蒸汽温度系统的对象特性 a 蒸汽温度在减温水量扰动作用下的动态特性 减温水量扰动时，其扰动地点( 过热器入口，即械温器的安装位置) 与测量 蒸汽温度的地点( 过热器出口) 之间有着较大的距离此时过热器是一个有纯滞 后的多容列象。图2 1s 是减温水量扰动下过热器出口蒸汽温度的飞升曲线。 b 烟。e 侧热量扰动卜熊汽茴度划象的动态特性 烟气侧热量扰动，包括烟气流速和烟气温度的扰动。在这种扰动下烟气与 蒸汽之f a j 的换热条件发生了变化，由于这个变化是在全部过热器中同时发生的， 因此过热器吸收热最的改变应该没有传递滞后，当燃毕1 或空气量发，e 扰动时，过 热* i ：f ? 1 i 苣，i 礼l ij 立f 阿1 。i r 1 ：i ! 旦i fj i 冬12 】6j _ i ，j ；。 塑坚查兰些! ：兰些堡墨塑竺竺型墨篁型! ! 啪“黜蕊凝洲”嘣 湍度的e 川1 址靴_ “删州措粼赭姗“旧舭 温度特h - 继 c 蒸汽流量扰动下蒸汽温度对象的动态特性 蒸汽流量扰动时，过热器出口蒸汽温度变化的动态特性与烟气侧热量扰动下 的动态特性是相似的具有较小的滞后，较小的时间常数。 2 2 3 2 锅炉过热蒸汽温度自动控制 过热蒸汽温度控制有好多种控制方法，有改变烟气热量控制过热器出r 丁蒸汽 温度的方法，有改变减温水的流量控制过热器出口蒸汽温度的方法。由于前者给 工艺带束更大的投资，在这里不讨论前者，这早只介绍改变减温水的控制方案。 a 单冲量过热蒸汽温度控制系统。 调节系统图如图2 1 7 所示，这种调节方案缺点是不能及时对温度的变化进 行调节，另外其不能克服其他扰动引起的减温水量的自发变化，因此单冲量过热 蒸汽温度控制系统在稳定性、及时消除扰动和快速性等方面都不能很好地满足过 热燕汽温度调节的要求。 一 d 竺兰垒兰坐i ：兰篁堡苎： 塑塑蔓塑墨竺型 垒 刿217 甲冲置过热汽温度拧制系统 b 双冲量过热蒸汽温度控制系统 为了克服单冲量过热蒸汽温度控制系统的缺点，在减温器出口再装一个热电 偶，并取此点温度变化速度信号。即微分信号作为辅助信号送进调节器，它能比 过热器出口温度信号提前反映扰动，因此也叫导前微分信号，该调节系统又称具 有导前微分信号的双冲量汽温自动调节系统，它是电厂采用的常规系统，如图 2 1 8 所示。 h 2i # 诅冲昂：汽m ：i i 州甫最缱 c 串纵过热熊，淌 发控制系统 瞅小一。川、锅炉f f j 汽温h c 0 州竹乐筑l nh 仃哥时微分信i ，的烈冲磺汽 一一 堑垩查兰塑! ：兰些堡塞塑竺塑型至堕竺塑 温自动调节系统的调节质量已能满足生产上的要求，因而得到了广泛的应用。如 果因减温器至被调量测温点这一的迟延的惯性较大，要求进一步减少动态偏差， 可以采用串级汽温自动调节系统。如图2 1 9 所示。在该系统中，减温器后的汽 温o2 为副参数，过热器出口汽温8l ( 被调量) 为主参数。显然，82 比el 能更早 地反应减温水的扰动。减温器就是对象的导前区，过热器的高温段是对象的惰一| 生 区。该系统与具有导前微分信号双冲量汽温调节系统的主要区别是不用微分器， 而多用了一个副调节器，减温器后的导前汽温信号1 2 送到副调节器，主汽温信号 i 【送至主调节器。副调节器的给定信号由主调节器来校萨。副调节器去指挥电动 执行机构使减温水调节阎动作，从而改变减温水量。 2 3 小结 到21 9 串级汽姓自动训节系统 本章简要介绍了锅炉系统的工艺特性以及几种关键的调节系统，从机理上 分析了各种调节方案的特点、可行性。为深入的研究锅炉控制系统打f 了基础。 一 塑坚苎兰! ! ! ：兰丝堡苎 堡竺堡型至堕竺塞 第三章当前锅炉控制系统中存在的问题及其解决方法 3 1 燃烧控制系统中由蒸汽量“前馈”信号引入的正反馈问题 3 1 1 问题的提出 在链条炉汽包压力控制系统中蒸汽压力的调节主要是通过调节给煤量的多 少来控制的，而这个过程包含很大的容量滞后及纯滞后，控制起来难度较大。浚 控制系统中的主要扰动是蒸汽流量的变化，而它的大小主要是由用户的需要决定 的。只有当锅炉输入和输出的能量平衡时，汽包压力才能保持恒定。由于液位控 制系统能使给水流量等于蒸汽流量，因此汽包压力控制系统就只需控制热功率的 输入量。为了获得高质量的控制性能，可采用一个前馈回路以便按照蒸汽流量设 定燃烧率。这种方案可以克服对象特性的大滞后，对控制性能的改善有很大帮助。 其系统方块图见图3 1 ( 在图中省略了燃烧量与鼓风量配比系统) 。但这不是一 个完全意义上的前馈，因为用作前馈信号的蒸汽流量并非独立变量，它既通过前 馈控制作用影响汽包压力，而反过来汽包压力的变化又会改变蒸汽流量本身，这 还将形成一个诈反馈回路( 浚回路未在图3 1 中表述) 。 q 一_ _ _ _ _ _ 。g p 3 ( s ) 【_ _ 。一 r _ _ 【i - j g “s ) 一j 8 | ir 丽泄丽芏 l 划31 一 前馈的文也j l ：山h 、彻糸缱仃j 扯刊 p j】 c l 1 。 4 h 刚33h 向前锁的汽t 土k 山件州系统 ，真 - 粜挂l s p 为汽包压力设定值，t 为燃料量的变化到引起汽包压力的变化的纯滞后时uj 。 塑江上学坝i 。学位论文锅炉挡制系统究 g pj ( s ) ，o p 2 ( s ) ，g p 3 ( s ) ，和g 。( s ) 的浣明见下述。 蒸汽流量是衡量热功率的尺度，它受燃烧率的影响。但是，如果只依掘它的 大小来设定燃烧率，会形成一个正反馈回路。当蒸汽流量增大时，控制系统要求 增大燃料量，燃料量的增加导致汽包压力的增加，而汽包压力的增加又导致蒸汽 流量的增加，这个正反馈回路会导致控制系统不能运行，仿真结果如图( 3 2 ) 。 3 1 2 几种解决方法： 为了克服上述前馈补偿引入的正反馈的影响，提出了如下几种解决方案。 1 一般的反馈加前馈控制 当采用汽包压力反馈加蒸汽流量前馈控制系统时，正确地选择控制器的 参数，将使系统有条件地稳定，系统的稳定程度与汽包压力反馈控制器及前 馈补偿器的参数选择都有关。前馈加反馈控制系统的控制流程图如图( 3 3 ) ， 系统仿真如图( 3 4 ) 所示。由图可见。虽然回路中仍存在正反馈，但由于系 统负反馈的加入，使得系统有可能稳定下来。 毒二1 ki 吐 、蕾：o j i ：；| 一r 一 喾二1 二 。4 。一、l j g 二二二ii 图3 3 前馈加反馈控制系统流程图 图3 4 系统仿真图 这种控制方案在工程实践上需要注意的是当控制器从自动切换到手操时，要 将前馈和反馈信号同时切除，这样就避免控制回路成为f 反馈。控制系统的方块 图如图3 5 所示该控制方案中考虑了无扰动切换的问题。 = 一一 陬纵 堑垩叁兰竺! 兰些兰塞 塑塑丝! ! ! ! ! 墨堕坐壅 型35 一般的前馈加及埙拄制系统方块倒 注：这里仿真所用的对象描述如下： p 为用户端蒸汽压力，p 。为汽包压力，呶为蒸汽流量，f 为燃料流量，a 表 示阀位信号( 0 。1 0 0 ) ，t 为燃料量的变化到引起汽包压力的变化的纯滞后时问， g p l 为炉排转速控制器对燃料流量的传递函数，g p 2 为燃料量对汽包压力的传递 函数，g p 3 为干扰信号蒸汽流量对汽包压力的传递函数。g p 4 为蒸汽用户阀位信 号对蒸汽流量的传递函数，g p 5 为汽包压力对蒸汽流量的传递函数( 此处没有考 虑模型动态特性) ，g 为前馈控制器。 模型的各个算式为： g l = 1 0 ( 0 1 s + 1 ) g 啦= k l i c s g p 3 = i c s 6 p 4 = 啮 6 5 = 庐 g t 2 1 ig p 4 ( 3 1 i ) ( 3 【2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 14 ) 4 ) ( 3 】5 ) g p 2 g p 3 ，g p 4 则是通过线性化得到的。 u p o s 为假设的阀位信号对蒸汽流量的影响。 中为蒸汽几i 力和蒸汽流量的对应比例值。 各个工程量稳态值为：p f 3 7 6 k g f c m ，0 。= 3 0 t h ，f = l o t h 2 2 第二种解决方案，是用用户“阀位”信号作为萨反馈信号 r j 锅竹拧制景境冗 ( 1 ) 文献 珊：旨提出种方法，可以解块由i i 馈引入正反馈的问题。这种方 法原理如下： 实际上真t f 需要的荫馈信号是蒸汽流量需求信号，蜘i 如用户的阔位。 关键是如何得到这样的“阀位信号”，文献 3 i 提出用蒸汽流量和正力 信号适当地配合起柬，就能产生这样的一个“阀位信号”。 假定现在用一个阀门柬代表用f - - 的需求其热功率0 随阀门丌 发u 和汽包压刀pm 变化 q 2 op ( 3 1 6 ) 对于饱和蒸汽压力来说，压力和温度并不是彼此独立的变量，可以用其中的 任意一个来表示密度。所以有下式成立： w 2 k 忉一一( 3 1 7 ) 如果用蒸汽流量来指示实际的热功率输出，那么热功率只随压力 和压差而变化了，所以： q 2 w h 2 k h o 4 币一：- 一( 3 18 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) 式中：w 一质量流量；k 孑l 板的流量系数： h 流量计的前后压羞：p 一静压，以表压记 d 定压下的热功率需求量。 把蒸汽流量汁的表达式( 3 17 ) 与( 3 1 8 ) 结合起来，就可以解出热 功率的需求量为 a - o ( 3 1 9 ) 图3 6 是个把式( 4 ) 作为负荷指标的前馈系统。 置 厂= h 三芦z = 叫互h 茎，二 | i i 。 、一i + 1 * 一一 = = l 图36 ，之 【) 方法控制原理图 锅炉f 。；1 j | j 系统川允 的。 由于引入的是“阀位”信号，系统就不存在引入一反馈的问题，系统是稳定 ( 2 ) 这罩提出一种方法陈述如下： 正反馈的存在主要是由于汽包压力对主蒸汽流量的影响如果能在系统 中减掉这部分影响，那萨反馈也就不存在了。根掘式( 31 6 ) 主蒸汽流量主 要受“阎位”倍弓捌，i 也上匠力的影响，剥1 3 1 6 ) 式进行线性化，可得：【j = a ut a ! p = 1 妊果能在系统中减掉p ，这部分的分量，把a 。十u 作为前馈分量那 么萨反馈就不存在了，问题也就得到了解决，控制系统方块图如图3 7 ， q c - m s ( s ) 卜 图3 7 第三种控制方案控制系统方块图 系统仿真如图3 8 ，图3 9 所示。图3 8 为系统准确线性化时的系统仿真图。 图9 为系统线性化参数a 2 偏离实际值2 0 时的仿真图。仿真时所用的扰动信 号为蒸汽需求量变化6 。 图38 系统：位确线性化时系统仿真r , a 图39 系统线一| 生化参数a 2 编离实际值2