（控制理论与控制工程专业论文）工业锅炉监控系统的设计及延长氧化锆使用寿命的研究.pdf

摘要 摘要 本文内容主要分为两部分，第一部分介绍工业锅炉监控系统的设计；第二部分则详 细介绍了延长氧化锆使用寿命的方法。 第一部分：本文针对葫芦岛市某国企三台3 5 m 蒸汽锅炉，提出了一套基于 s h c a n 2 0 0 0 型现场总线控制系统的解决方案。以3 5 m 工业蒸汽锅炉作为研究对象，理 论与实践相结合，分别对锅炉水位回路和燃烧过程控制回路进行了系统的分析，得到了 相应的控制方案。详细论述了锅炉s h c a n 2 0 0 0 型现场总线控制系统的软件、硬件体系 结构，监控系统应用过程中软、硬件设计及具体实现。同时，介绍了上位机操作站和下 位机现场控制单元的功能组态实现。 本系统采用稳定性、可靠性高的s h c a n 2 0 0 0 系列现场智能测控组件作为现场控制 层的控制器，该控制器将p l c 、回路调节等功能有机结合在一起并采用c a n 总线技术 实现上、下位机的通讯功能。本监控系统能够实现各种回路的自动控制、数据自动采集、 友好的人机接口、数据报表的自动生成等功能。本课题设计的锅炉现场总线控制系统已 经取得了成功的应用，系统功能强大、控制效果好，具有良好的推广应用价值。 第二部分：本文以工业锅炉为背景，延长氧化锆使用寿命为目的，在充分分析了缩 短氧化锆使用寿命的原因的基础上，提出了“精确风煤比曲线+ p i d 控制的烟气含氧量 软测量 的控制方案，以此代替应用氧化锆的氧量测控方案。该方案采用的软测量模型 可以在满足一定测量精度的情况下取代烟气含氧量的实际测量，从而氧化锆可以停止工 作并退出烟道免受烟气的腐蚀，从而达到了减少氧化锆的实际工作时间，延长其使用寿 命的目的。如果出现煤种变化或者软测量模型不适合实际运行工况的情况，氧化锆传感 器重新进入烟道进行工作，同时收集各个工况的运行数据形成新的软测量模型。风煤比 是保证锅炉实现经济燃烧的关键所在。本文根据不同工况稳态运行时记录的给煤量与送 风量的运行数据形成精确风煤比曲线，以精确风煤比曲线代替原有的固定风煤比曲线 能够更适应工业锅炉各工况的变化情况。本文分别介绍了最小二乘法和b p 神经网络的 算法。通过工业锅炉监控系统获得各辅助变量( 给煤量、送风量、排烟温度、蒸汽流量、 蒸汽压力及蒸汽温度) 的历史数据作为训练样本，分别使用最小二乘法和b p 神经网络 建立烟气含氧量软测量模型，将预测值和实测值进行比较，通过两种模型的对比分析， 证明由b p 神经网络建立的模型比最d x - - 乘法具有更高的估算精度，由b p 神经网络建 立烟气含氧量软测量模型更符合实际要求。 关键词：现场总线；锅炉控制；氧化锆；风煤比；软测量 大连交通大学丁：学硕+ 学位论文 a b s t r a c t t h ea r t i c l ec o n t e n tm a i n l yc o n t a i n st w op a r t s ，t h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e d e s i g no fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mo fi n d u s t r i a lb o i l e r s ；t h es e c o n dp a r ti sad e t a i l e d i n t r o d u c t i o na b o u tt h ew a yo fp r o l o n g i n gt h eu s i n gl i f eo fz i r c o n i u mo x i d e t h ef i r s tp a r t ：a i m i n ga ts o m es t a t e o w n e dt h r e e3 5 t hs t e a mb o i l e ri nh u l u d a oc i t y l i a o n i n gp r o v i n c e ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r das e to fs o l u t i o n sb a s e do nt h es h c a n 2 0 0 0 m o d e lf i e l db u sc o n t r o ls y s t e m w i t h3 5 t hi n d u s t r i a ls t e a mb o i l e ra st h er e s e a r c ho b j e c t ， c o m b i n i n gt h e o r yw i t hp r a c t i c e ，r e s p e c t i v e l yf o rb o i l e rw a t e rl o o pa n db u r n i n gp r o c e s sc o n t r o l c i r c u i to ft h es y s t e mi sa n a l y z e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls c h e m ea r ea c q u i r e d t h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e ms t r u c t u r eo ft h es h c a n 2 0 0 0m o d e lf i e l db u sc o n t r o ls y s t e m a r ed e t a i l e dd i s c u s s e da n dt h ea p p l i c a t i o np r o c e s sf o rt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo f m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mo fi n d u s t r i a lb o i l e r sa r ed e s i g n e da n dr e a l i z e d a tt h es a m e t i m e ，t h ef i r s tp a r ta l s oi n t r o d u c e st h ew a y o ff i n i s h i n gt h ep co p e r a t i n gs t a t i o na n dt h es i t eo f t h ec o n t r o lu n i t t h i ss y s t e mu s eh i 曲s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es h c a n 2 0 0 0s e r i e si n t e l l i g e n t m e a s u r e m e n ta st h ec o n t r o l l e ro fs i t ec o n t r o ll a y e rw h i c hi st h ec o m b i n a t i o no fp l ca n dl o o p a d j u s t m e n t a n du s et h ec a nb u st e c h n o l o g yt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ep c o p e r a t i n gs t a t i o na n dt h es i t eo ft h ec o n t r o lu n i t t h es y s t e mc a nr e a l i z et h ea u t o m a t i co f v a r i o u sc i r c u i tc o n t r o lf u n c t i o n ，a u t o m a t i c a l l yd a t aa c q u i s i t i o n ，f r i e n d l yh u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e ，d a t ar e p o r to ft h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o no ff u n c t i o n ，e r e t h es y s t e mh a sa c h i e v e d s u c c e s s f u la p p l i c a t i o na n dg o o da p p l i c a t i o nv a l u e ，w i t hp o w e r f u lc o n t r o lf u n c t i o na n dg o o d c o n t r o le f f e c t t h es e c o n dp a r t ：t h i sp a p e r , w h i c hi sb a s e do nt h eb a c k g r o u n do fi n d u s t r i a lb o i l e r sa n d t h ep u r p o s eo f p r o l o n g i n gt h es e r v i c el i f eo fz i r c o n i u mo x i d e ，p r o p o s et h ec o n t r o ls c h e m et h e s o f tm e a s u r e m e n to x y g e ng a sw h i c hi sb a s e do np r e c i s ew i n d 7 c o a lr a t i oc u r v e + p i d c o n t r o l l e r , i n s t e a do ft h ea p p l i c a t i o no fz i r c o n i u mo x i d e ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h er e a s o n so f s h o r t e n i n gs e r v i c el i f eo fz i r c o n i u mo x i d e t h ew i n d c o a lr a t i oi st h ek e yt og u a r a n t e et o a c h i e v ee c o n o m i cb u r n i n g t h ec o m b u s t i o np r o c e s sc o n t r o l sd i f f i c u l t yi sh o wt os e a r c ht h e w i n d c o a lr a t i ow i t h i nv a r i o u so p e r a t i o nc o n d i t i o no fb o i l e r a c c o r d i n gt ot h es t e a d y s t a t e o p e r a t i o nr e c o r d sd a t af o rw i n da n dc o a li nd i f f e r e n tc o n d i t i o n st of o r mp r e c i s ew i n d c o a l r a t i oi nt h i sp a p e r , w h i c ha r em o r ea d a p t e dt ot h ec h a n g eo fi n d u s t r i a lb o i l e r st h a nt h ep r i m a r y r a t i o t h ew i n d c o a lr a t i on o to n l ye n s u r et h eb e s tc o m b u s t i o nb u ta l s or e d u c et h et i m el a ga n d i m p r o v et h es y s t e mo fq u a l i t yc o n t r o l ，w h i c hw i l lt r a n s f e rt h ea m o u n to fc o a lq u i c k l ya n d a c c u r a t e l yt ot h ew i n dl o o pt h r o u g ht h ef e e d - f o r w a r de f f e c t t h es o f tm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y c a nr e p l a c et h ea c t u a lm e a s u r i n go x y g e ng a si nac e r t a i ne x t e n t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e n a b s t r a c t l e a s t s q u a r em e t h o da n dt h eb pn e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h ma n di np r e v i o u ss t u d i e s ，d i g e s ta n d a b s o r bt h eb a s i s ，t h eg a so x y g e ns o f tm e a s u r em o d e li sr e s p e c t i v e l yb u i l db yu s i n gt h e l e a s t s q u a r es o l u t i o n sa n dt h eb pn e u r a ln e t w o r kt h r o u g ht a k i n gt h eh i s t o r i c a ld a t aw h i c h c o m ef r o mt h em o n i t o r i n gs y s t e mo fi n d u s t r i a lb o i l e ra u x i l i a r yv a r i a b l e s ( c o a l ，w i n d ，s m o k e t e m p e r a t u r e ，t h es t e a mf l o w , t h es t e a mp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e ) a st r a i n i n gs a m p l e s c o m p a r e dw i t hm e a s u r e dw i l lb ep r e d i c t e d ，t h r o u g l lc o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft w ok i n d so f m o d e l s i tp r o v e dt h a tt h em o d e lb yb pn e u r a ln e t w o r km o d e li sh i g h e re s t i m a t i n ga c c u r a c y t h a nt h em o d e lb yt h el e a s t s q u a r em e t h o da n dm o r ea c c o r dw i t ht h ea c t u a lr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：f i e l d b u s ；b o i l e rc o n t r o l ；z i r c o n i a ；w i n d c o a lr a t i o ；s o f tm e a s u r e m e n t i i i 大连交通大学学位论文独创性声明 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 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：高嗣 e l 期：山口，年上月f 7 日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太董銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。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及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 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 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：岛川铽 日期：邳o 年f l 月f ，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 导师签名： 日期：2 口。7 年忆月7 日 电话： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究背景 随着经济的飞速发展，人们对能源的需求也与日俱增。在各种形式的一次能源消费 比例中，煤炭几乎占世界能源总需求的3 0 ，据世界能源会议预测，煤炭作为一次能源 重要组成部分的地位在相当长的时间内不会改变，预计2 0 2 0 年煤炭将占世界一次能源 消费的3 3 7 左右。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭占我国一次能源的 7 5 左右，大大超出了2 7 的世界平均水平，有着极其重要的地位i l j 。 工业锅炉作为将一次能源转化为二次能源的设备，被广泛用于炼油、冶金、化工、 轻工等行业，每年都消耗大量的燃料资源。目前全国已有各种工业锅炉近4 0 多万台。 随着国民经济的不断发展和人民生活的不断改善，锅炉数量还在不断增加。作为能源转 换的重要设备，其工作情况的好坏直接关系到能源的利用率的高低。 由于我国工业锅炉控制自动化整体水平不高，部分工业锅炉的操作基本上停留在手 工和简单模拟仪表操作的水平，操作人员不仅劳动强度大，还容易造成运行事故。由于 调节量过大波动引起执行机构过度磨损、燃烧不稳定、热力设备与管道的热应力破坏， 并且锅炉冒黑烟，产生大量氮氧化物造成环境污染。 然而，随着计算机控制技术的日益成熟，我国工业锅炉的计算机自动控制系统也得 到不断发展和完善。越来越多的工业锅炉生产采用自动控制，不仅可以大大减轻操作人 员的劳动强度，改善工作环境和条件，而且可以在更大程度上提高锅炉燃烧效率，达到 节能降耗的目的。据有关资料统计，一台3 5 m 的锅炉，全年平均负荷7 0 ，以平均热 效率提高5 计算，全年节煤1 4 0 0 吨，按每吨煤7 8 0 元计算每年节约1 0 9 2 0 0 元【2 1 。因 此，实现锅炉自动化控制是工业锅炉生产控制的必然发展方向。实现工业锅炉的自动控 制具有以下益处1 2 j ： ( 1 ) 节约能源 工业锅炉节能途径很多，如进行炉体改造、工艺优化、废气余热回收等。工业锅炉 存在着如何实现最佳燃烧的问题。多数手动操作的锅炉废气中其烟气含氧量约为8 1 0 ，耗能过大。操作人员虽然可以根据火焰形状、透明度和颜色辨别炉膛内是否缺氧， 但是却不能通过人员观察是否氧气超量。而在计算机监控系统下工作可以实现燃料的经 济燃烧，从而节约能源。 ( 2 ) 改善环境 在锅炉燃烧过程中，如果燃料不能充分燃烧，缺少足够的氧气，导致燃烧不充分， 人连交通大学t 学硕十学位论文 便会冒出黑烟。而如果氧气过量，则会产生有害气体( 如氮氧化合物n o x 等) 。计算机 监控系统对燃烧过程进行有效的控制，使燃烧在合理的风煤比条件下运行，大大地减少 了锅炉对环境的污染。 ( 3 ) 提高产品产量和质量 计算机监控系统能够为锅炉生产提供了更稳定的生产条件和控制精度。对汽包水 位、蒸汽压力、烟气含氧量和炉膛负压的精确控制，有利于提高蒸汽的产量和质量。同 时，可以有效防止热气从炉内喷出造成热量损失和导致炉壁烧损，影响锅炉寿命，从而 减少锅炉维修次数。 ( 4 ) 改善劳动条件 计算机监控系统代替了部分人工频繁操作，减少了工人炉前操作时间，改善了工人 的劳动条件。 ( 5 ) 为生产管理和技术改造提供条件 计算机监控系统具有过程参量检测、显示、记录以及处理等功能，不但为生产管理、 设备检查、维修提供了条件和依据，同时也为锅炉在炉体改造和锅炉特性测试分析方面 提供了数据，为技术改造创造条件。 1 2 锅炉自动化控制现状 锅炉计算机硬件的配置，目前有以下几种【3 j ： 第一种是可编程序控制器p l c ，适合于多台大型锅炉控制，由于p l c 具有输入输 出光电隔离、停电保护、自诊断等功能，所以抗干扰能力强，能置于环境恶劣的工业现 场中，故障率低。p l c 编程简单，易于通信和联网，多台p l c 进行同位链接及计算机 进行上位链接，实现一台计算机和若干台p l c 构成分布式控制网络，但是，价格较高， 如果是控制单台，资源不能充分利用，多台锅炉控制能提高性能价格l l , , t 4 1 。 第二种是1 6 位s t d 总线工业控制机为主机构成的系统，由于其性能价格比较高， 所以国内用的较多，微机内部一般采用总线式模块结构，组态灵活，维修方便，s t d 总 线结构很适于工业环境，按测量参数的多少和控制回路的数目选配相应的模板，在操作 上，考虑到现场人员的技术水平，对开机操作，控制目标，控制参数的修改，手自动切 换等设置了最简便的操作。国内有许多厂家搞这方面的研制，就其产品而言，使用较好 的是大连一系列产品，适用于1 0 吨以上锅炉使用，价格适中。 第三种是现场总线控制，以单( 双) 回路可编程控制器为主，以p c 机为上位机， 以现场控制单元为下位机，彼此间采用以太网相连，它可以接受多路模拟量及开关量输 入，实现复杂的运算、控制、通信及故障诊断功能，是现代自动控制、计算机及通信技 2 第一章绪论 术最新发展产物。 由于现场总线控制具有较高的系统精度，标准统一全开放，彻底分散控制等诸多优 点，因此采用现场总线控制成为当今研究的重点。c a n 总线作为现场总线的标准之一， 由于其具有高性能、高可靠性、及独特的设计，越来越受到人们的重视，其应用范围越 来越广，并被认为是最有前途的现场总线之一。三合s h c a n 2 0 0 0 型现场总线控制系统 便是基于c a n 总线的现场总线控制系统，具有以下特点【5 j ： ( 1 ) 经济性：智能测控组件以仪表单元柜的形式就近安放在锅炉现场，省去大量 的信号连线，实现低投入带来高效益。 ( 2 ) 高可靠性：f c s 的体系结构，锅炉现场仪表单元柜与上位机操作站之间完全 是数字通信，使系统运行安全可靠。 ( 3 ) 方便性：完善的现场智能测控组件类型、强大的组态功能、统一的远程下载 与调试方式，给用户设计、维护带来极大的方便。 ( 4 ) 灵活性：大、中、小型系统的统一解决方案。自动完成现场智能测控组件识 别、网络连接，建立系统时灵活自如。 ( 5 ) 适应性：通用的系统硬件、软件操作平台和独立软件商提供的通用组态软件， 使用户跟上时代的步伐。 ( 6 ) 高效率：高速度的通用驱动程序、高倍压缩的网上数据格式，充分发挥系统 的高效率。 ( 7 ) 独特功能：现场智能测控组件分布实时数据库结构、网络的自动故障诊断、 系统的统一时钟，实现其它系统难以实现的功能。 1 3 氧化锆传感器在锅炉燃烧过程中的重要意义 氧化锆传感器的起源要追溯到上世纪7 0 年代，美国西屋公司率先将用于航天计划 的氧化锆电池转化为非采样式工业氧量分析仪，制造出了世界上第一台氧化锆氧量分析 仪。目前氧化锆氧量分析仪已广泛应用于电力、冶金、石化等行业的氧含量的测量。 工业锅炉的最佳燃烧状况的控制是工业锅炉一个非常重要的问题。由于工业锅炉是 动态运行的，各个工况下的最佳空气过量系数是不同的，当锅炉的负荷或燃料发生变化 时运行人员必须及时根据最佳空气过量系数调整送风量，使燃烧过程继续保持在最佳 燃烧状态下进行，以保证获得较高的燃烧效率。对于人工调整送风量来说，特别是对 于没有烟气分析设备，仅通过对火焰及排烟的颜色来判断送分量是否合适，不可能保 证锅炉处在最佳燃烧状态。由于过剩空气系数很难直接测量，而烟气中的含氧量可以直 接反映过量空气系数的大小，因此，烟气含氧量被作为表征燃烧工况好坏的标准。它表 3 大连交通人学l ：学硕十学位论文 征燃烧工况优劣，也是控制进入炉膛的空气量、实现优化燃烧的根本依据。而作为烟气 含氧量的测量仪器一氧化锆传感器便成为了锅炉燃烧过程监控系统中不可缺少的一环。 由于氧化锆传感器价格昂贵，需要长期的精心维护，给用户带来了沉重的经济负担。 实际使用中普遍存在着氧化锆传感器使用寿命不长的现象，大部分氧化锆的实际使用寿 命只有一年左右。工作环境恶劣和操作维护不当是造成使用寿命不长的主要原因。 因此，延长氧化锆使用寿命，保证氧化锆的测量精度对于锅炉燃烧过程控制具有重 要意义。 基于上述原因，文献6 提出了应用预测控制算法实现氧化锆的间歇工作的方法。然 而，此方法由于需要氧化锆每2 个小时工作一次，在其时间间隔内，利用广义预测控制 的多步预测能力，通过预测间隔时间内的烟气含氧量对送风量进行控制。虽然此方法缩 短了氧化锆的工作时间，但是频繁的启动、停止导致氧化锆传感器升温、降温的次数增 加，并且氧化锆停止工作后，一直处于烟道之中遭受烟气侵蚀，仍然缩短了氧化锆传感 器的实际使用寿命。 1 4 课题来源 近年来，我国年均经济高速增长，中国的兴起已经成为了当今世界的热门话题。但 是，推动我国经济增长的高投入、高消耗的道路已经到了尽头。节能减排势在必行。 本课题来源于葫芦岛市某大型国企三台蒸汽锅炉具体工程项目。整个控制系统要求 能够按照安全可靠、经济高效、人机和谐、优化管理的方针进行设计。利用先进的计算 机和网络技术，实现现场锅炉系统稳定可靠地运行，远程监控站的信息融合和集中监控， 提高控制系统的自动化水平和企业的管理水平。 1 5 论文研究内容及结构安排 工业锅炉是生产过程中的主要动力设备，它的主要作用是向各生产装置提供所需要 的合格蒸汽。其控制质量的优劣不仅关系到锅炉自身运行的效果，而且还直接影响相关 生产过程的稳定性和对环境的污染。 本文分为二大部分，第一部分工业锅炉监控系统的设计，第二部分为延长氧化锆使 用寿命的方法研究。 其中，第一部分主要针对燃煤锅炉的控制系统进行研究，在保证供汽质量和生产稳 定的前提下，达到节能减排、实现经济燃烧的目的。鉴于以上原因，本论文的主要工作 是以工业锅炉为被控对象，在深入地了解工业锅炉本体的组成和具体的工作过程后，针 对锅炉监控系统需要完成的控制任务，分析锅炉给水系统和燃烧过程的可控性，设计了 4 第一章绪论 工业锅炉监控系统的自动控制方案，并在此基础上，针对葫芦岛三台蒸汽锅炉具体项目， 应用“三合s h c a n 2 0 0 0 现场总线控制系统设计一套锅炉监控系统。 第二部分主要从控制的角度介绍延长氧化锆使用寿命的方法。提出基于精确风煤比 曲线+ p i d 控制的烟气含氧量软测量方法，并进行计算机仿真研究。 论文基本内容如下： 第一章包括课题研究的背景、锅炉自动化控制的发展现状、课题的来源和意义、论 文的研究内容及章节安排。 第二章详细介绍了工业锅炉主体结构，及其相应的具体工作原理。结合蒸汽锅炉工 艺流程及工作过程，介绍了锅炉正常运行所需的控制要求。 第三章详细分析了工业锅炉给水系统被控对象的动态特性，并阐述了汽包水位控制 方案的原理及技术分析，对位式控制系统、比值控制系统、单冲量控制系统、双冲量控 制系统、三冲量串级控制系统进行了横向比较，最终本系统采用了单冲量控制系统和三 冲量串级控制系统可以无扰动切换的水位控制方案，详细介绍了方案的一些技术特点。 第四章分析了工业锅炉燃烧过程被控对象的动态特性，阐述了锅炉燃烧过程的多变 量、多回路、非线性、延迟性、时变性等特点，并且提出来具体的燃烧过程控制方案。 最后，介绍了控制回路投运次序的确定以及p i d 的系数整定方法。 第五章提出了基于精确风煤比曲线+ p i d 控制的烟气含氧量软测量方案，阐述了风 煤比曲线在锅炉燃烧过程控制中的重要作用和绘制精确风煤比曲线的方法。还介绍了烟 气含氧量的软测量方法，分别采用最小二乘法和b p 神经网络建立烟气含氧量软测量模 型，并通过m a t l a b 软件仿真得出了b p 神经网络模型比最d x - - 乘法更高的估算精度，更 适合实际要求。通过使用烟气含氧量的估算值代替氧化锆检测的反馈信号一测量值，实 现送风回路的闭环控制，从而使氧化锆传感器能够停止工作并通过伺服系统退出烟道， 达到延长传感器使用寿命的目的。 第六章主要介绍了三合s h c a n 2 0 0 0 型现场总线控制系统的软硬件体系，以及具体 阐述了工业锅炉监控系统的设计方法。 5 大连交通大学：i = 学硕士学位论文 第二章工业锅炉的结构及原理介绍 2 1 工业锅炉设备介绍 工业锅炉主要用于工业生产、采暖通风、空气调节工程和生活热水供应等领域。其 中，蒸汽锅炉在工业锅炉中占据着重要的地位。蒸汽锅炉是用热能加热水( 工质) 产生 蒸汽的设掣7 1 。工业锅炉主要由本体及辅助设备组成。下面分别介绍本体和辅助设备的 构成及功能。本课题所研究的锅炉设备为3 5 t h 燃煤蒸汽锅炉，属于中型压力锅炉，其 结构大同小异，控制过程亦基本相同。 2 1 1 工业锅炉本体的构成 锅炉中的汽包、炉膛、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汽包和炉膛。锅 炉设备具体结构简图【8 l 如图2 1 所示 ( 1 ) 汽包：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。下锅筒连接沸水管，同时储存水和 水垢【9 j 。 ( 2 ) 炉膛：是使燃料充分燃烧并放出热能的设备。燃料( 煤) 由煤斗落在转动的炉排 上，进入炉内燃烧。所需的空气由炉排下面的风箱送入，燃尽的灰渣由炉排带到除灰口， 落入灰斗中。得到的高温烟气依次经过各个受热面，将热量传递给水以后，由烟囱排到 大气中。 ( 3 ) 过热器：是将锅炉所产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。 ( 4 ) 省煤器：该设备位于锅炉尾部垂直烟道，利用烟气余热加热锅炉给水，降低排 烟温度，起到提高锅炉效率，节约燃料的作用。 ( 5 ) 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。 6 第二章工业锅炉的结构及原理介纠 圉21 锅炉设备简图 f i g2 1 t h es i m p l e $ 1 1 3 1 c 1 1 1 1 o f b o i l e re q u i p m e n t 212 工业锅炉辅助设备的组成 为保证锅炉的正常工作，锅炉还必须具有一些辅助设备，主要包括燃料供给设备、 送、引风设备、汽、水系统设备、除灰除尘设各、仪表及自动控制系统设备等。 ( 1 ) 燃料供给设备：由运煤设备、原煤仓和煤斗等设备组成，保证锅炉所需燃料的 供应。 ( 2 ) 送、引风设备：其主要作用是利用送风设备给锅炉送入燃烧所需要的空气， 并利用引风设备从锅炉炉膛内引出烟气，以保证锅炉的正常燃烧。送、引风设备主要包 括送风机、引风机、冷风道、热风道、烟道和烟囱等。 ( 3 ) 汽、水系统设备：汽、水系统主要包括蒸汽、给水、排污等三大系统。蒸汽 系统的作用是将合格的蒸汽送往用户。给水系统出给水泵和给水管组成。给水系统将经 过水处理后的符合锅炉水质要求的水送入锅炉以此保证锅炉正常运行。排污系统将水中 的沉渣和盐分杂质清除使锅水符合锅炉水质标准。该系统主要包括给水泵、水箱、给 水管、水的除硬、除碱、除盐和除气等设备。 ( 4 ) 除灰除尘设备：除灰设备是收集锅炉灰渣并运往储狄场地的设备。除尘设备是 大连交通大浮t 学硕十学位论文 除去烟气中的灰粒，以减少对周围环境污染的设备。 ( 5 ) 仪表及自动控制系统设备：其作用是对运行的锅炉进行自动检测、程序控制、 自动保护和自动调节。 2 2 工业锅炉的工作过程 锅炉的工作过程大致可以分为燃料的燃烧过程、热量传递过程和水的汽化过程。三 者在锅炉运行时是同时进行的。 燃料的燃烧过程是燃料在炉膛内与空气中的氧气发生化学反应并放出热量的过程， 它直接影响到锅炉的出力和热效率。燃料燃烧放出热量的多少与燃料的种类及燃烧效率 有关。为了提高燃烧效率，要选用合理的燃烧方式和炉膛结构，特别是在锅炉运行时保 持良好的燃烧工况。其具体过程如下：a 预热阶段：原煤仓中的煤依靠自身重量进入煤 斗中并落在缓缓向前移动的炉排上，经过煤闸门进入燃烧室。进入炉膛以后逐渐被加热 至可以燃烧的临界状态。b 燃烧阶段：燃料一边燃烧一边向前移动，燃料燃烧所需要的 空气经送风机压入空气预热器，升温后进入燃烧室，进而与炉排上面的煤充分接触、混 合，进行强烈的燃烧反应，风量应该与燃料量( 煤量) 成一定比例，以便进行充分燃烧， 形成高温烟气。c 燃尽阶段：煤燃在被带到除灰口前，应该燃尽成煤渣状态，如果依然 有明火存在，则表明煤在炉膛中没有被充分燃烧。燃料燃烧后所剩下的灰渣，在炉排末 端通过除渣装置排入灰斗并送往渣场【引。锅炉燃烧过程【_ 7 】如图2 2 所示。 煤空气 i 原煤仓 空气预热器 ii l 煤斗燃烧室 上上 i 煤在炉排上燃烧 _ 上 r i 灰渣 i 高温烟气 上 i 灰渣斗 l l ；壹场 图2 2 锅炉燃烧系统 f i g 2 2b o i l e rc o m b u s t i o ns y s t e m 8 第二章t ) l k 锅炉的结构及原理介绍 热量传递过程( 即烟气向水的传热过程) 是锅炉正常运行的重要环节。如果传热过 程进行得不好，燃烧产生的热量不能被充分有效的利用，会增加热损失，降低锅炉热效 率。其具体过程如下：燃料燃烧后产生的高温烟气，以辐射换热的方式向燃烧室四周水 冷壁内的水或汽水混合物传递热量。高温烟气经过炉膛出口通过凝渣管后冲刷蒸汽过热 器，然后经过安装接在上、下炉筒间的对流管束，使烟气冲刷管束，再次以对流换热方 式将热量传递给管束内的汽、水等工质。沿途温度逐渐降低的烟气进入尾部受热面，与 省煤器和空气预热器内的水进行热交换后，以较低的烟温排出锅炉。传热过程是一个很 复杂的过程，受到各种因素的影响，其中包括一些很难确定的随机过程，如受热面的结 焦、煤质变化、火焰中心的移动等。 水的汽化过程即蒸汽的产生过程，主要包括水循环和汽水分离过程【9 l 。经过水处理 系统处理并符合锅炉水质要求的供水由给水泵经给水管送入省煤器( 水在省煤器中吸收 尾部烟道内烟气的热量) ，预热后的水，然后进入上锅筒。上锅筒中的一部分水由下降 管进入前水冷壁，并吸收炉内高温辐射热后形成汽水混合物流入上锅筒；上锅筒中的另 一部分水沿着受热较弱的管束向下流入下锅筒，并由下锅筒经过受热较强的管束形成汽 水混合物再流回上锅筒。这样就形成了水的自然循环。 汽水分离过程则是借助上炉筒内装设的汽水分离装置进行汽水分离，饱和蒸汽由锅 筒上部进入蒸汽过热器，蒸汽在蒸汽过热器内与管外高温烟气进行对流换热，吸收高温 烟气的热量形成过热蒸汽，而分离下来的水仍回到上锅筒的下半部分的水中。锅炉汽、 水系统i7 j 如图2 3 所示。 9 大连交通大学丁学硕十学位论文 水 图2 3 锅炉汽、水系统 f i g 2 3b o i l e rs t e a ma n dw a t e rs y s t e m 2 3 工业锅炉监控系统的控制要求 为了实现工业锅炉的正常运行和经济燃烧，监控系统需完成两个主要控制任务，一 个是给水系统控制，另一个是燃烧系统控制。 给水系统的控制的基本任务是消除汽包水位受到不同扰动下所产生的“虚假水位 现象，通过控制锅炉的给水量，以保持汽包水位在定允许范围内变化。 燃烧过程控制的基本任务是使燃料燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要，还要 保证燃烧的经济性和锅炉运行的安全性。锅炉燃烧过程控制包括三个任务： ( 1 ) 压力调节任务：调节给煤量，保证蒸汽压力为一恒值。 ( 2 ) 烟气含氧量调节任务：改善炉膛燃烧工况，提高热效率。 ( 3 ) 炉膛负压调节任务：维持炉膛负压在一定范围内。 在燃烧过程中，蒸汽负荷、送风量、引风量、给煤扰动、煤种和煤质发生变化均可 以引起控制系统的扰动。评价一个燃烧控制系统性能优劣有一个重要标准是：当被控变量 由于受到扰动偏离给定值时，能否很快地恢复到给定值。锅炉监控系统对燃烧过程的控 1 0 第j ：章x , l k 锅炉的结构及原理介绍 制的基本要求有三个： ( 1 ) 保证出口蒸汽压力稳定，能按照负荷的变化自动增减燃料( 煤) 量； ( 2 ) 保证燃烧状况良好，既要防止空气不足使烟囱冒黑烟，也不能因为空气过量 而增加热量损失； ( 3 ) 保证锅炉安全运行。保持炉膛负压维持在一定的范围内，如果出现负压太小， 甚至为正的情况，会造成炉膛内热烟气往外冒出，影响设备和工作人员的安全；如果负 压过大，会使大量冷空气漏进炉内，从而使热量损失增加。 本章小节 本章针对工业锅炉的特点，详细介绍了工业锅炉本体及辅助设备的组成、锅炉的三 个主要工作过程及主要的控制任务，为工业锅炉监控系统的设计打下基础。 大连交通大学t 学硕十学位论文 第三章工业锅炉汽包水位自动控制系统 汽包水位是锅炉安全运行的重要参数，汽包水位控制的主要任务是使给水量跟随锅 炉的蒸发量并维持汽包水位在一定范围内变化。水位的过高、过低都会给锅炉以及蒸汽 用户的安全操作带来不利的影响。汽包水位如果过高，会影响锅炉内汽水分离装置的正 常工作，造成出口蒸汽中水分含量过多，影响蒸汽质量；汽包水位如果过低，则会破坏 锅炉水循环工况，造成水冷壁管供水不足而被烧坏，甚至可能发生锅炉爆炸事故。 现阶段随着锅炉参数的不断提高和容量的扩大，对给水控制提出了更高的要求，其 主要原因【1 0 】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； ( 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，对汽包水位进行严格的自动化控制是十分必要的。下面详细介绍一下汽 包水位在各种干扰下的动态特性。 3 1 给水被控对象的动态特性分析 锅炉给水控制对象结构如图2 1 所示，汽包水位是由汽包中的贮水量和水面下的汽 泡容积所决定的。因此，凡是引起汽包中贮水量变化和水面下的汽泡容积变化的各种因 素都是对给水控制对象的扰动。除了给水量w 和输出蒸汽量d 外，汽包压力、燃料的 变化和炉膛热负荷也会对汽包水位产生影响。在影响汽包水位的诸多因素中，以锅炉蒸 汽量d 、给水量w 和燃料量m 为主。给水控制对象的动态特性是指上述引起水位变化 的各种扰动与汽包水位间的动态关系【1 1 l 。 1 2 第三章工业锅炉汽包水位臼动控制系统 图3 1 给水系统控制对象结构 f i g 3 1t h ea d j u s t a b l eo b j e c to ft h ew a t e rs u p p l y l 一给水母管；2 一给水调节阀；3 一省煤器；4 一锅炉汽包：5 一过热器 1 w a t e rj e l l y f i s h ；2 - w a t e rr e g u l a t o r ；3 - e c o n o m i z e r ；4 b o i l e rd r u m ；5 - - s u p e rh e a t e r ( 1 ) 蒸汽流量d 扰动下水位变化的动态特性 当负荷( 蒸汽流量) 增加时，如果不考虑汽泡容积v s 的影响，从汽包的贮水量来 看，水位变化应如图中h 2 所示。但是由于汽泡容积v s 的存在，虽然锅炉汽包的蒸发 量大于给水量，在初始阶段，汽包水位不仅不下降反而先上升，反之，当负荷突然减少 时，水位反而先下降，这种不正常的现象被称为“虚假水位”。产生这种现象的原因是 负荷增加时水面下的汽泡容积迅速增加，使水面的蒸汽泡膨胀，从而使水位上升，如图 3 2 中h 1 所示。而实际水位是受贮水量和汽泡容积共同影响的，故其响应曲线应为 h = h i + h 2 ，即实际水位应该在初期上升，之后迅速下降1 1 引。 水。 k | 立 h 1 z ，一。 弋 丽 图3 2 蒸汽流量d 扰动下的水位响应曲线 f i g 3 2t h e w a t e rl e v e lr e s p o n dc u r v eu n d e rt h ed i s t u r b a n c eo ft h es t e a mf l u x ( 2 ) 给水量扰动下汽包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，在给水量 w 扰动下，水位变化的阶跃响应曲线如图3 3 所示。 大连交通大学1 = 学硕十学位论文 如果不考虑水面下汽泡容积的变化，则给水量w 发生阶跃变化时，水位的变化曲 线如图中的h 1 所示。实际水面下的汽泡容积v s 是有变化的，其对水位的影响可用图 中的h 2 表示。当在起始平衡状态下突然加大给水量w ，水位h 并不能立即增加，虽然 此时给水量大于蒸发量，但是由于受给水的过冷度( 即给水温度低于汽包内贮水温度) 影响，水面下汽泡容积会有所减少，这就造成了水位h 在加大给水量后，水位不升反