热电厂锅炉炉膛温度控制设计

1、毕业设计（论文）（说明书）题 目：热电厂锅炉炉膛温度控制设计姓 名：编 号：sssss学院年 月 日xxxxxxx 学院毕业设计（论文）任务书姓名专业 电厂设备运行与维护任务下达日期年月日设计（论文）开始日期年月日设计（论文）完成日期年月日设计（论文）题目：热电厂锅炉炉膛温度控制设计a. 编制设计b. 设计专题（毕业论文）指导教师系（部）主任xxxxxxxx术学院毕业设计（论文）答辩委员会记录电力工程系 电厂设备运行与维护专业,学生马一于年月日进行了毕业设计（论文）答辩。设计题目： 热电厂锅炉炉膛温度控制设计专题（论文）题目：指导老师：答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩

2、情况，经答 辩委员会讨论评定，给予学生毕业设计（论文）成绩为 o答辩委员会人，出席人答辩委员会主任（签字）：答辩委员会副主任（签字）：答辩委员会委员：,xxxxxxxxxx学院毕业设计（论文）评语第页共页学生姓名：专业年级毕业设计（论文）题目：评阅人：指导教师：（签字）年月日成绩：系（科）主任：（签字）年月日毕业设计（论文）及答辩评语：摘 要锅炉是热电厂重要且基本的设备，其最主要的输出变量之一就是主蒸汽温 度。主汽温度自动调节的任务是维持过热器出口汽温在允许范围内，以确保机 组运行的安全性和经济性。如果该温度过高，会使锅炉受热面及蒸汽管道金属 材料的蠕变速度加快，降低使用寿命。若长期超温，则会

3、导致过热器爆管，在 汽机侧还会导致汽轮机的汽缸、汽阀、前几级喷嘴和叶片、高压缸前轴承等部 件的寿命缩短，甚至损坏;假如该汽温过低，会降低机组的循环热效率，一般 汽温每降低5 °c10 °c,效率约降低1 %，同时会使通过汽轮机最后几级的蒸 汽湿度增加，引起叶片磨损；当汽温变化过大时，将导致锅炉和汽轮机金属管 材及部件的疲劳，还将引起汽轮机汽缸和转子的胀差变化，甚至产生剧烈振 动，危及机组的安全，所以有效精准的控制策略是十分必要的。锅炉炉膛温度的控制效果直接影响着产品的质量，温度低于或者高于要求 时都不能达到生产质量指标，有时甚至会发生生产事故，此设计控制以锅炉炉 膛温度为主

4、控参数、燃料和空气并列为副被控变量设计热电厂锅炉温度控制系 统，以达到精度在正负5 °c范围内。关键词：热电厂，锅炉，炉膛温度，串级控目录摘要1绪 论3福一章热电厂的工艺流程及运行特性41.1热电厂概述.41.2热电厂生产工艺.51.3热电厂的特点及运行特性.6第二章锅炉的工艺流程及控制要求锅炉82. 1锅炉的概述 82.1锅炉的工艺流程.92. 2锅炉的控制要求 10第三章锅炉炉膛温度的分析123.1锅炉炉膛温度的分析123. 2炉膛爆燃分析13第四章 锅炉炉膛温度控制系统的设计194. 1炉膛温度控制的理论数学模型194. 2炉膛温度控制系统的工作原理194. 3炉膛温度控制方法

5、的选择204.4控制系统单元元件的选择204. 4. 1温度检测变送器的选择204. 4. 2流量检测变送器的选择224. 4.3主、副调节器正反作用的选择234. 4.4主、副回路调节器调节规律的选择234. 4.5控制器仪表的选择234. 4.6控制阀的选择24总结26参考文献27致谢28绪论随着现代工业生产的迅速发展，对工艺操作条件的要求更加严格，对安全运行及对控制 质量的要求也更高。而单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求，在这样的情况下， 吊级控制系统应运而生。锅炉温度串级控制系统的生产工艺要求：1、可以实现对整个锅炉系统工艺流程的控制。2、能够自动控制锅炉温度，并达到所需精度。3

6、、有良好的人机界面，能方便地在线修改参数，并以动画实现数据和流程的“可视化。工程控制是工业自动化的重要分支。几十年来，工业过程控制获得了惊人的发展，无论 是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于 提高产品质量以及能源的节约都起着重要的作用。生产过程是指物料经过若干加工步骤而成为产品的过程。该过程中通常会发生物理化学 反应、生化反应、物质能量的转换与传递等等，或者说生产过程表现为物流过变化的过程， 伴随物流变化的信息包括物流性质的信息和操作条件的信息。由于单元机组容量的增大和参 数的提高，运行中出现许多新的控制方式和管理模式，迫切需要提供对其进行分析指导和

7、工 程研究的有效工具和手段。这就要求大型火电机组仿真机不仅要为电厂操作运行人员提供良 好的培训手段，也要为各种工况下运行技术的分析和故障诊断、性能预测、控制方式的研究 创造实时在线的环境生产过程的总目标，应该是在可能获得的原料和能源条件下，以最经济的途径，将原物 料加工成预期的合格产品。为了打到目标，必须对生产过程进行监视和控制。因此，过程控 制的任务是在了解生产过程的工艺流程和动静态特性的基础上，应用理论对系统进行分析与 综合，以生产过程中物流变化信息量作为被控量，选用适宜的技术手段。实现生产过程的控 制目标。第一章热电厂的工艺流程及运行特性1.1热电厂概述以煤、石油或天然气作为燃料的发电厂

8、统称为火电厂。热电厂的分类（1）按燃料分类： 燃煤发电厂，即以煤作为燃料的发电厂；邹县、石横青岛等电厂 燃油发电厂，即以石油（实际是提取汽油、煤油、柴油后的渣油）为燃料的发电厂； 辛电电厂 燃气发电厂，即以天然气、煤气等可燃气体为燃料的发电厂； 余热发电厂，即用工业企业的各种余热进行发电的发电厂。此外还有利用垃圾及工业 废料作燃料的发电厂。（2）按原动机分类：凝汽式汽轮机发电厂、燃汽轮机发电厂、内燃机发电厂和蒸汽-燃汽 轮机发电厂等。（3）按供出能源分类： 凝汽式发电厂，即只向外供应电能的电厂； 热电厂，即同时向外供应电能和热能的电厂。（4）按发电厂总装机容量的多少分类： 小容量发电厂，其装机

9、总容量在100mw以下的发电厂； 中容量发电厂，其装机总容量在100250mw范围内的发电厂； 大中容量发电厂，其装机总容量在250600mw范围内的发电厂； 大容量发电厂，其装机总容量在6001000mw范围内的发电厂； 特大容量发电厂，其装机容量在1000mw及以上的发电厂。（5）按蒸汽压力和温度分类： 屮低压发电厂，其蒸汽压力在3.92mpa （40kgf/cm2）.温度为450°c的发电厂，单机 功率小于25mw；地方热电厂。 高压发电厂，其蒸汽压力一般为9. 9mpa （lolkgf/cm2）.温度为540°c的发电厂，单 机功率小于100mw； 超高压发电厂，其

10、蒸汽压力一般为13.83mpa （141kgf/cm2）.温度为540 / 540°c的 发电厂，单机功率小于200mw； 亚临界压力发电厂，其蒸汽压力一般为16. 77mpa（171 kgf / cm2）、温度为540 / 540°c 的发电厂，单机功率为300mw直至1000mw不等； 超临界压力发电厂，其蒸汽压力大于22. llmpa（225. 6kgf / cm2）、温度为550 / 550°c 的发电厂，机组功率为600mw及以上，德国的施瓦茨电厂。（6）按供电范围分类： 区域性发电厂，在电网内运行，承担一定区域性供电的大中型发电厂； 孤立发电厂，是不并

11、入电网内，单独运行的发电厂； 自备发电厂，由大型企业自己建造，主要供本单位用电的发电厂（一般也与电网相连）。1.2热电厂生产工艺原煤经过制粉系统将大块的煤转化成可供锅炉燃烧的煤粉，生水经过水处理系统再经过除 盐处理而除去水质里的钙、镁、钠等盐分子，然后通入锅炉，锅炉里的煤粉和通入的热空气 经过一定比例的混合后燃烧使得锅炉产牛蒸汽，这些高温的蒸汽通过汽轮机，使得汽轮机高 速运转产生的旋转机械能，发电机连接着汽轮机，发电机将汽轮机产生的旋转机械能转化成 电能，这些电压不定的电力在主变压器的作用下变成一定电压的电量，经过高压远程输电送 入各个电网输送到全国各地热电厂是联合生产电能和热能的发电厂。热电

12、厂供热系统是利用汽轮机同时生产电能和热 能的热电系统作为热源。以热电厂作为热源不仅热能利用效率高，同时有利于环保。以热电 厂作为热源的供热系统称为热电厂集中供热系统。集中热水供应系统主要由热媒系统，热水 供应系统和附件三个部分组成。热媒系统由热源，换热器和热媒管网组成。由锅炉牛产的蒸汽通过热媒管网送到换热器加 热冷水，变成高温水通过热媒管网供暖。经过热交换蒸汽变成冷凝水，大部分和新补充的软 化水经冷凝循环泵再送回锅炉加热成蒸汽，如此循环完成热传递过程。热水供水系统由热水配水管网和回水管网组成。被加热到一定温度的冷水，从换热器出来, 经配水管网送至各个热水配水点，而换热器冷水由高位水箱或给水管网

13、补给。供热后的热水 经回水管使一定量的热水经过循环水泵再流回换热器。热电厂包含有火力发电厂车间、水处 理车间和热力车间三个部分。其中火力发电厂流程为燃料的化学能f蒸汽的热势能f机械能 一电能。在锅炉中，燃料的化学能转变为蒸汽的热能；在汽轮机中，蒸汽的热能转变为轮子 旋转的机械能；在发电机中机械能转变为电能。水处理系统就是为了产出电导率0. 6 us/cm的锅炉用水。热电厂主要是有两个阴床，两 个阳床和两个混床，在其工作的时候，分别就一个工作，另一个主要是备用。另外，热力车 间燃气蒸汽联合循环发电装置一般由燃气轮机、原料气压缩机、蒸汽轮机、余热锅炉、热交 换器、发电机等组成。燃气轮机的燃料主要有

14、油、高炉煤气、水煤气、炼油长气等，如下图1. 1图1.1 热电厂生产工艺流程图13热电厂的特点及运行特性热电厂由于即发电又供热，锅炉容量大于同规模火电厂。热电厂必须比一般火电厂 多增设锅炉容量以备用，水处理量也大。热电厂必须靠近热负荷中心，往往又是人口密 集区的城镇中心，其用水、征地、拆迁、环保要求等均大大高于同容量火电厂，同时还 建热力管网。在发电的同时，还利用汽轮机的抽汽或排汽为用户供热的火电厂。一般发电厂都采 用凝汽式机组，只生产电能向用户供电。工业生产和人们生活用热则由特设的工业锅炉 及采暖锅炉房单独供应。这种能量生产方式称为热、电分产。在热电厂屮则采用供热式 机组，除了供应电能以外，

15、同时还利用作过功（即发了电）的汽轮机抽汽或排汽来满足 生产和生活上所需热量。这种能量生产方式称为热电联产。在热电联产中燃料化学能则转变为高位热能先用来发电（高品位热能），然后使用 做过功的低品位热能向用户供热，这符合按质用能和综合用能的原则。所以热电厂的特 点是，一次能源利用得比较合理，做到按质供能，梯级用能，能尽其用，使地区的整个能 量供应系统节约了能源。以热电联产为基础的热电厂，其运行特点与许多因素有关，如热负荷特性、供热机 组形式、连接电网的特性等。在装有背压式供热机组的热电厂屮，其运行特点是： 生产的热量与电量之间相互制约，不能独立调节。一般是按热负荷要求来调节电 负荷。 热负荷变化时

16、，电功率随之变化，难以同时满足热负荷和电负荷要求。当满足不 了电负荷时，就要依靠电力系统的补偿容量来承担热电厂发电不足的电量。在装有抽汽、凝汽式供热机组的热电厂中，由于机组相当于背压式和凝汽式机组的 组合，所以它的运行特点是： 热、电生产有一定的自由度，在规定范围内热、电负荷可以各自独立调节。所以 它对热、电负荷变化适应性较大。 双抽汽式供热机组对工业用热、采暖及电负荷z间的独立调节范围更大，所以它 对热、电负荷变化的适应性更强。第二章锅炉的工艺流程及控制要求锅炉2. 1锅炉的概述锅炉是火力发电厂屮主要设备么一。它的作用是使燃料在炉膛屮燃烧放热，并将热量传 给工质，以产生一定压力和温度的蒸汽，

17、供汽轮发电机组发电。电厂锅炉与其他行业所用锅 炉相比，具有容量大、参数高、结构复朵、自动化程度高等特点。一、电厂锅炉的容量和参数锅炉容量即锅炉的蒸发量，指锅炉每小时所产生的蒸汽量。在保持额定蒸汽压力、额定 蒸汽温度、使用设计燃料和规定的热效率情况下，锅炉所能达到的蒸发量称作额定蒸发量。电厂锅炉的额定参数是指额定蒸汽压力和额定蒸汽温度。所谓蒸汽压力和温度是指过热 器主汽阀岀口处的过热蒸汽压力和温度。对于装有再热器的锅炉，锅炉蒸汽参数还应包括再热蒸汽参数。我国电厂锅炉的蒸汽参数及容量系列如下表所示。表2-1我国电厂锅炉的蒸汽参数及容量系列参数最大连续蒸发量(mcr)(t/h)发电功率(mw)蒸汽压

18、力(mpa)蒸汽温度(°c)给水温度(°c)2.54001052033.945014515535, 656, 12165175130259.9540205225220, 41050, 10013.8540/540220250420, 670125, 20016.8540/540250280102530017. 5540/5402602901025, 2008300, 600注蒸汽温度栏中的分子、分母分别为过热蒸汽温度和再热蒸汽温度。二、电厂锅炉的分类1. 按蒸汽参数分类(1) 中压锅炉。压力为3. 822mpa (39kgf/cm2)，温度为450°c。(2) 高

19、压锅炉。压力为6lompa,常用压力为9. 8mpa (lookgf / cm2),温度为540°c。(3) 超高压锅炉。压力为1014mpa,常用压力为13. 72mpa (140 kgf/cm2),温度 为 555°c或 540°c o(4) 亚临界压力锅炉。压力为1422. 2mpa,常用压力为16. 66mpa (170 kgf / cm2),温度为555°co（5）超临界压力锅炉。压力大于22. 2mpa （225. 65 kgf/cm2）,温度为550570°c。2、按容量分类（1）小型锅炉蒸发量小于220t/ho（2）屮型锅炉蒸发

20、量为220410t/ho（3）大型锅炉蒸发量不小于670t/ho3. 按燃烧方式分类（1）悬浮燃烧锅炉。燃料在炉膛空间悬浮燃烧，燃烧可为煤粉、油或气体燃料。（2）沸腾燃烧锅炉。固体燃料颗粒在炉排上呈沸腾状态进行燃烧，又称流化床锅炉。 4按排渣方式分类（1）固态排渣锅炉。燃料燃烧生成的灰渣呈固态排出。（2）液态排渣锅炉。燃料燃烧生成的灰渣呈液态排出。 5按循环方式分类按照锅炉蒸发受热面内工质流动的方式可将锅炉分为下列几种，。（1）自然循环锅炉，是具有由汽包、下降管和上升管组成的循环回路的锅炉。它依靠 下降管和上升管中工质柱重差产生自然循环的动力。（邹县电厂）（2）强制循环锅炉，是在循环回路下降管

21、上装有强制循环泵，以提高循环动力。（石横 电厂）（3）控制循环锅炉，是在强制循环锅炉的上升管入口加装节流圈，以控制各上升管中 的工质流，防止发生循环停滞或倒流等故障。（石横电厂）（4）直流锅炉是没有循环回路的锅炉，工质一次性通过各受热面变为过热蒸汽。（施瓦 茨电厂）2. 1锅炉的工艺流程由于锅炉设备使用的燃料、燃烧设备、炉体形式、锅炉功用和运行要求的不同，锅炉有 各种各样的流程。常见流程如图2.1所示。由图可知，蒸汽发生系统由给水泵、给水调节阀、 省煤器、汽包及循环管组成。燃料和热空气按照一定的比例进入燃烧室燃烧，产生的热量传 递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽0 ,然后经过热器，形成一定汽温的过

22、热蒸汽d,汇集至 蒸汽母管。压力为弘的过热蒸汽，经负荷设备调节阀供给生产负荷使用。与此同吋，燃烧过 程中产生的烟气，将饱和蒸汽变成过热蒸汽后，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。炉排电机丁炉膛图2.1锅炉系统工艺流程图2. 2锅炉的控制要求根据生产负荷的不同需要，锅炉需要提供不同规格（压力和温度）的蒸汽，同时，根据 安全性和经济性的要求，是锅炉安全运行和完全燃烧，锅炉设备的主要控制要求如下。1、供给蒸汽量适应负荷变化需要或者保持给定负荷；2、锅炉供给用汽设备的蒸汽压力应当保持在一定的范围内；3、过热蒸汽温度保持在一定范围；4、汽包水位保持在一定范围；5、保

23、持锅炉燃烧的经济性和安全性；6、炉膛负压保持在一定的范围内。根据上述要求，锅炉设备的主要控制系统见表2.1.表2. 1锅炉设备的主要控制系统控制系统被控变量操纵变量控制n的锅炉给水控制系 统锅炉汽包水 位给水流量锅炉内产生的蒸汽和给水的无聊 平衡过路燃烧控制系 统蒸汽压力烟气成分炉膛负压燃料流量 送风流量 引风流量蒸汽负荷的平衡 燃烧的完全和经济性 锅炉运行的安全性过热蒸汽控制系 统过热蒸汽温度喷水流量过热蒸汽的温度和安全性第三章 锅炉炉膛温度的分析3.1锅炉炉膛温度的分析火电厂的锅炉炉膛由于釆用的燃料为煤粉，在燃烧过程中，炉膛和汽包之间的传热过程 是一个相当复杂的过程，炉膛的温度的动态特性具

24、有一般的大滞后、时变、非线性和不对称 性等特点。在过程控制中，为了方便设计，同时乂在一定的要求范围内，我们通常把锅炉炉 膛的温度的动态特性看作是一个线性的系统。可以用以下传递函数描述。具有时滞的一阶环节g(s)ttsg(3-1)具有时滞的二阶环节g")了 (7> 01)(7；$ 合1) £(3-2)在现场环境中，炉膛内的温度变化是时时刻刻的，很难用一个固定的数学公式将炉温的 变化规律总结出来。但是我们要对炉膛内的温度进行控制就必须要对炉膛内的温度变化进行 一个规律的总结，所以在规定的要求范围内，对一些情况进行近似处理是很合理和必要的。 在通常情况下，我们给定炉膛一个温

25、度值，作为系统的给定，使锅炉炉膛在这个给定的温度 状态下工作。这个温度的变化乂是和炉内的燃料燃烧量和炉体的总散热量相关的。对于火电厂锅炉来说，炉体的容量、结构、检测元件及其安放位置等都影响着滞后的大 小。它不是一个单一的问题，是一个系统问题（容积滞后时间就是级联的各个惯性环节的时间 常数之和）。纯滞后产牛的根源也要从整个测量系统来考虑，并且与温度的高低有关。热量从 热源传到温度传感器要经过多个热阻与热容相串联的热惯性环节，而串联的多容对象会产牛 等效纯时滞后。随着温度的升高，辐射传热的比例增大，辐射具有穿透性，使传热路径缩短, 传热速度加快。所以纯滞后的时间会随温度升高而减小。由于火电厂锅炉使

26、用的燃料是煤粉，即锅炉能量的来源方式是通过化学燃料的燃烧获得 能量的，同时，炉膛内能量的散发形式乂是以炉膛的炉体热量散失，对汽包进行热量传导进 行散失等多种途径进行的，所以炉膛内的温度的变化是一个相当复杂的过程，是一个非线性 变化的过程。从模型参数上看，在锅炉炉膛的整个温度调节范围内，对象的增益、容积滞后 时间和纯滞后时间通常是与工作温度与负载变化有关的变参数，而且参数变化量与温度变化 量之间是非线性关系。由于锅炉炉膛内的温度是高温段的，在高温段，温度变化的纯滞后时 间和过程增益将比低温段有显著减少，而时间常数则显著增大。锅炉作为一种高负荷运转的设备，特别是火电厂内的锅炉，长期处于高负荷运转下

27、，随 着运行时间的变化，其各项性能都会逐渐发牛变化，特别是随着使用时间的增长，炉子的保 温隔热材料会逐渐老化，炉膛内部由于长期处于高温环境中，炉体的保温、密封性能变差， 通过炉体向外散失的热量增大。此外，锅炉初次使用和久停后再用时，由于绝热保温材料屮 的水分大，炉膛温度的特性差别也是很大的。另外，随着季节的变换，锅炉运行的外部环境 温度也是经常变化的，冬天外部环境相对较冷，炉体的散热较快；夏天气温炎热，炉体的散 热相对会较慢。如此种种因素都会引起炉膛温度特性的变化，但变化的速度十分缓慢而不明 显。火电厂锅炉炉膛温度具有大惯性、大滞后特性。在炉膛的整个温度范围内，对象的增益、 容积滞后时间、纯滞

28、后时间都是与工作温度有关的变参数。从传热原理可知，这些参数也与 负荷变化有关。在锅炉设计的工作温区，在工作点附近的小范围内其动特性接近于线性，较 容易控制，用常规的pid调节器也能控制得很好，但不能经受太大的扰动，也不能够大范围 地跟踪变化较快的给定信号。对于常规仪表，大范圉地改变温度要靠手动，仅当温度接近给 定值时方可投入自动。根据以上分析，可以认为火电厂锅炉炉膛温度是一种具有大容积滞后和大纯滞后的对象。在 整个炉膛的温区内，其动态参数随锅炉的工作温度变化，在工作点附近的小温度范围内，炉 膛的动态特性近似线性的。3. 2炉膛爆燃分析一、锅炉炉膛爆燃分析炉膛爆燃是指在锅炉炉膛、烟道里积存的可燃

29、性混合物瞬间被引燃，由于炉膛的空间有 限，使炉膛内烟气侧压力迅速升高，造成炉膛损坏。锅炉正常运行时，进入炉膛的燃料立即 着火，燃烧产生的烟气经烟道排人大气。当炉膛内温度足够髙、燃料与空气比例适当、燃烧 时间充分时，炉膛及烟道里没有积存的可燃性物质，锅炉不会发牛炉膛爆燃事故。当燃烧设 备或燃烧控制系统出现故障，h运行人员处理操作不当时，就可能发牛炉膛爆燃事故。爆燃 分内爆和外爆:外爆是指在锅炉的炉膛、烟道或煤粉管道中可燃混合物同时被点燃，而使烟气 侧压力急剧升高，造成炉膛、尾部烟道和煤粉管道结构严重破坏的现象；内爆则指炉膛内燃 烧不稳定或灭火造成炉膛较大负压，使烟气侧压力突然降低，使炉膛内外压差

30、过大，大量外 部空气急剧进入炉膛的现象。无论哪种现象都会造成对锅炉设备的损坏。二、发生炉膛爆燃事故必须具备以下三个充分必要条件：1、有燃料和助燃空气的存在。2、燃料和空气的混合物达到了爆燃的浓度（混合比）o3、有足够的点火能量。空气和燃料按一定比例混合，当煤粉浓度大于34kg/m3 （空气）或小于0. 32-0. 47kg/ni3 时不轻易引起爆炸。因为煤粉浓度太高，氧浓度太小；而煤粉浓度太低，缺少可燃物。只有 煤粉浓度为1. 22. 0kg/m3时最轻易发生爆炸。锅炉炉膛要发生爆燃，以上3个条件缺一不可，若有1个条件不存在，就不会发生爆 燃。所谓爆燃性混合物也就是可以点燃的混合物。锅炉处于不

31、同的状态所具备的爆燃条件也 不一样，当锅炉处于正常运行状态时，有足够的可燃混合物和点火能源，即上述3个条件中 的2个满足，因此要防止锅炉爆燃只有设法防止可燃混合物在炉膛或烟道内的积存。如何避 免可燃物的积存是防止锅炉炉膛爆燃的关键所在，但要做到这一点是很困难的。从发现熄火 到保护系统动作切断进入炉膛内的燃料的这段时间里，实际上己经有一定量的燃料进入炉膛, 再加上阀门、挡板等的动作滞后时间和关闭不严，以及从阀门、挡板到炉膛之间还有一段管 道，都可能将燃料继续送入炉膛而造成可燃物的积存。此外，控制逻辑的不合理设计、误操 作、误判断都有可能导致炉膛的爆燃。燃料与空气按一定比例混合时才能形成可燃混合物

32、，混合物中所含燃料浓度过大或过 小均不能被点燃，爆燃浓度范圉不仅与燃料的种类有关，而且与温度有关。温度高则可燃混 合物的浓度变化范围扩大。如升炉点火期，可燃混合物浓度范围较小，一定要有更适当的浓 度比才能被点燃，或者要有更大的点火能源（即更高的温度）才能被点燃。如果由于没有足够 的点火能量或浓度比不当，送人炉膛的燃料未能着火，或者使正在燃烧的火焰屮断，则将有 过剩的燃料和空气混合物进人炉膛，这种时问越长，炉膛内积存的可燃混合物就越多。如送 人的为可燃混合物或经扩散而达到可燃范围，则突然点燃可能发生爆燃。三、炉膛爆燃数学模型分析p1：爆燃前炉膛介质的压力；p2：爆燃后炉膛介质的压力；爆燃前炉膛介

33、质的绝对温度。cv :定容过程中炉膛介质的平均比热；qr :可燃混合物(3-3)t1：单位容积发热量；壯：可燃混合物单位容积；v：爆燃后炉膛介质的总容积； 影响爆燃后压力升高的主要因素是：（1）可燃混合物贮存容积同炉膛容积的比值ur/v（2）可燃混合物单位容积发热量qr（3）爆燃前炉膛介质的绝对温度t1容积比值vr/v是一个相对值，只有当容积比较大时才会使爆燃压力升高，大炉膛容积 屮积存少量的可燃混合物，即使爆燃也不会造成爆燃性破坏。单位容积的热值qr越大，爆燃后的压力升高越大，qr值的大小同燃料空气的浓度比有 关，在理论空气量时，qr值最高，而且这时的火焰传播速度也最快，当空气量超过理论量时

34、, 热值降低，空气过多时混合物将成为不可燃的。混合物屮燃料浓度过高则氧气不足，但是以 后有外界空气扩散进去，又将成为可燃混合物，在实际运行中如因火焰熄灭而切断燃料，炉 膛和烟道中可能有未点燃的燃料积存，暂时因空气不足是不可燃的，但是当空气扩散进入后, 又可能引起爆燃。炉膛的绝对温度越低，爆燃后压力越大，这是因为容积和压力一定时，绝对温度越低, 介质的质量就越多，这时爆燃的破坏力将更为严重，炉膛介质温度高时，将有相反的结果， 当炉膛温度超过可燃混和物的着火温度时，混合物一进人炉膛立即点燃，也就不会有可燃混 合物的积存，矿物燃料的着火温度大多不超过650°c ,理论上当炉膛温度高于此值就

35、不会有 爆燃，但是由于燃烧器送人的混合物有一定流速，要求有更高些的温度才能迅速点燃，一般 认为炉膛温度超过750 oc时发生炉膛爆燃可能较小。四、诱发炉膛爆燃的主要原因从统计数据来看，导致炉膛爆燃的因素是综合性的。它与锅炉机组及其辅机的结构设计、 制造质量、安装和运行管理水平等，都有一定的关系。在实际运行中，通常有以下几种情况 容易造成 炉膛的爆燃：1. 炉膛内可燃混合物的积存从炉膛爆燃分析可知，如何防止炉膛内可燃混合物的积存是防止爆燃的根本措施。当炉 膛灭火时，mft切断燃料供给越迅速，进入炉膛的燃料量越少，锅炉就越安全。如果炉膛灭 火后不能及时切断全部燃料，可燃物的储存容积就会随时间增大。

36、同时，一部分可燃物被抽 到锅炉尾部积存起來，在高温炉膛屮温度慢慢升高，氧化反应不断加速进而造成爆燃。这种 爆燃的能量较大，易伤人或损坏锅炉设备。实际上，从发现灭火到切断燃料这段时间内，已 有一定数量的燃料进人炉膛，再加上给煤机的滞后时间，阀门和挡板的滞后及关闭不严等因 素等都可能使送入炉膛的燃料量达到爆燃浓度。误判断、误操作（如继续投粉、投油）更会加 剧燃料和助燃空气的积存。炉膛内最容易发生可燃混合物积存的危险工况有以下几种。 整个炉膛熄火而未能及时发现，造成燃料和空气可燃混合物的积存。 在多个燃烧器正常运行时，一支或几支燃烧器突然失去火焰而不能在炉内被继续点燃, 从而积聚可燃混合物。 燃料漏

37、入停用的炉膛。2. 炉膛灭火或燃烧恶化实践证明，炉膛灭火是导致炉膛爆燃最常见的原因，锅炉燃烧不稳往往是炉膛灭火的预 兆。容易引起锅炉燃烧不稳，甚至发生炉膛灭火的工况如下。 锅炉辅机发生故障，如引风机、送风机、磨煤机等突然停止运行。 水冷壁爆管，大量汽水喷出吹灭火焰。 水冷壁吹灰不及时造成大而积掉渣扑灭火焰。 发生fcb或rb时，自动处理不当。 燃料性质突然改变，而未及时调整，导致变化后的新燃料不能适应原燃料配风，特别 是当燃料挥发分降低时这种影响因素更为突出。 由种种原因（如直吹系统中磨煤机、给煤机故障，原煤管、一次风管堵，原煤仓烧空等）造 成锅炉断煤。 炉内严重结焦，破坏了炉内正常的动力场，

38、使炉内风粉混合不良。 锅炉长时问低负荷运行或大量的冷风漏入炉膛，致使炉内温度水平很低，严重时就会造成 灭火。 锅炉启动过程中，投入第一台磨煤机运行前未充分暖磨，或炉膛内没有足够点燃煤粉的温 度和点火能量。五、炉膛爆炸的危害发生炉膛爆炸时，爆炸压力因燃料种类、可燃性混合物体积等的不同而不同，一般不 超过impa。对锅壳锅炉的金属炉膛炉胆，这样的爆炸压力不会造成严重损害，但与炉胆相连的炉门、烟气转向室、烟箱等会被冲开和损坏，并伤害近旁人员。对水管锅炉的砌筑 炉膛，炉膛爆炸可使炉墙塌垮或开裂，锅炉水冷壁等受压部件变形移位甚至破裂，围绕炉膛 设置的构架、楼梯、平台变形或损坏，并常造成人员伤亡。炉膛爆炸

39、对锅炉（特别是水管锅炉）的损害是大范围的，有时是很严重的。不仅需要 强迫停炉，而且需要对锅炉进行较大投入、较长时间的修理维护，造成巨大的经济损失。锅 炉炉膛爆燃是造成锅炉设备严重损坏的恶性事故，也是国电公司关于防止重大事故的二十五 项重点要求的反措内容之一。造成炉膛爆燃的原因和现彖是多样化的，运行操作人员必须 予以高度重视。六、炉膛爆燃的防止1.设置可靠的保护并严禁随意解除（1）设置炉膛吹扫程序在任何情况下，锅炉点火前，炉膛安全监控系统（fsss）都必须执行炉膛吹扫程序。吹扫时要 求吹扫风量大于额定总风量的30%,吹扫延续时间为5 min,以保证对炉膛进行35次全量 换气，并以此吹扫风量作为点

40、火风量。因暖炉期间的燃料量一般不超过额定燃料量的10%, 这就使炉膛内的空气与燃料的比例偏高，即使送入的燃料未被点燃，也将被冲淡为不可燃的 混合物，从而可以避免爆燃。（2）设置锅炉灭火保护火扫器检测运行油枪无火焰后，跳掉相应的运行油枪；运行磨煤机层火焰故障后， 跳掉相应的运行磨煤机。全炉膛灭火逻辑判断锅炉灭火后，mft动作，立即切断全部燃料供 应，即停止制粉系统，关闭磨煤机入口和出口闸板，关闭全部油枪的油阀，将引、送风量减 小至吹扫风量并控制好炉膛压力。（3）设置炉膛压力保护该保护能在锅炉灭火保护失灵时，依据炉内可靠的压力信号及时切断燃料供应。（4）严禁随意解除保护炉膛压力高低锅炉跳闸保护和火

41、焰故障锅炉跳闸保护在锅炉启动前应投入运行。 因设备缺陷需退出保护时，应经总工程师批准并事先做好安全措施，运行人员必须做好事故 预想。锅炉运行期间，严禁采用插火焰钥匙的办法模拟火焰扫描器的信号，严禁随意退出火 焰探头或连锁装置。运行中临时解除保护进行维护后，应尽快恢复。2预防锅炉灭火事故的发生，预防锅炉灭火事故的发生是防止炉膛爆炸的重点。(1) 加强煤质管理和化验严格执行混配煤规定，严格控制和化验煤质、煤粉细度、水分和挥发分，并将煤质情况及 时通知主控值长，避免因调整不及时、燃烧不稳定造成锅炉灭火。(2) 保持锅炉良好燃烧工况，防止炉膛结焦燃用设计煤种时煤粉细度r88控制在15%以下，燃用贫煤与

42、无烟煤的混合煤种时r88 控制在10%以下，r200均控制在0.3%以下。按规定保持磨煤机最佳出口温度、风量和运行 组合方式，避免2台磨煤机隔层组合运行。在燃煤挥发分小于10%或锅炉燃烧不稳时，值长应向中调说明情况，避免深度调峰, 必要时可向屮调申请涨负荷或投油助燃。燃用灰熔点较高的煤种并保持煤质稳定，调整好磨 煤机运行组合方式，组织好锅炉配风燃烧，并加强锅炉吹灰和看火孔的监视。一旦发现结焦 应及时处理，影响锅炉安全运行时应立即停炉。(3) 做好监盘和操作工作锅炉运行期间，运行人员除根据有关表计对燃烧工况进行监视调整外，还应根据火 焰扫描器和火焰电视的指示，结合就地观察，对燃烧情况进行综合判断

43、，仔细调整。尤其是 在锅炉启动、停运和低负荷运行以及煤种改变时，更应加强对运行工况参数变化的监督，注 意燃烧和风煤比的调整。当锅炉燃烧不稳时应提前投油助燃，但对于已濒临灭火的锅炉严禁 投油助燃和采用爆燃法复燃。锅炉停止运行后，应及时关闭油枪手动门和点火枪可燃气的手动门。锅炉点火时要求用点火器点燃油枪，油枪点燃煤粉，禁止采用隔层或隔角引燃的办 法进行油枪点火。投停磨煤机时必须按规定投油助燃。启动磨煤机时必须进行充分暖磨，以免冷粉 进入炉膛使燃烧不稳定或加剧燃烧恶化。启动跳闸磨煤机必须按运行规程规定进行抽粉。当锅炉需要在较低负荷下运行时，可停用部分磨煤机和燃烧器，使其它运行的磨煤 机和燃烧器在高于

44、最低稳燃负荷下运行。根据煤质的情况及时控制好煤粉细度和过磨风流量, 在磨制阳泉无烟煤等硬质煤时过磨风流量不能过大，防止在涨负荷时，突然加大过磨风流量, 造成煤粉变粗，从而导致燃烧恶化。避免锅炉在长期低负荷下运行，或在涨负荷时煤量加得过快而二次风量增加不及时, 导致烟道内积存可燃物较多。尤其是在锅炉启动过程中，应根据锅炉燃烧情况和机组启动的 需要投入磨煤机和增加磨煤机出力，不要不管炉内的燃烧情况而匆忙从下层往上层投磨。3、加强设备维护加强锅炉mft保护和炉膛吹扫程序的维护。定期对油枪油阀、点火枪可燃气阀、燃 油跳闸阀、可燃气跳闸阀和磨煤机出入口闸板进行试验，确保闸门动作正确，关闭严密。发 现泄漏

45、点应及时消除，并定期进行油枪的更换和吹扫工作。加强设备检修管理，重点解决炉 膛漏风、一次风管不畅、送风不正常脉动、磨煤机堵煤、断煤和热控设备失灵等缺陷。第四章锅炉炉膛温度控制系统的设计4.1炉膛温度控制的理论数学模型根据以上分析可知，炉膛温度问题是比较复杂的。对炉膛温度动态特性进行分段线性化, 则在每个较小的温度区间，锅炉炉膛的燃料流量一炉膛温度系统的动态特性可近似地用一个 惯性环节和一个纯滞后环节串联的简化模型来表征，即：k etsg ($)二一(4-1)7> + 1其屮k。为过程的增益，厂为过程的纯滞后时间，to为过程的等效容积滞后时间。在锅炉炉 膛的整个温度范围内，对彖的增益、容积

46、滞后时间和纯滞后时间都是炉膛温度和负载的非线 性函数。ko随锅炉炉膛内温度升高而减小，to随锅炉炉膛内的温度升高而增大。机理建模 和计算机仿真分析以及实验辨识等也证明了这一模型的可行性。4. 2炉膛温度控制系统的工作原理锅炉炉膛温度的控制，我选用普通的pid控制，由pid作为基木的控制算法。在此次设计 中我采用串级回路控制方法。木系统具有两个调节器和 两个闭合回路，两个调节器分别设置在主、副回路中，设在 主回路的调节器称主调节器，设在副回路的调节器称为副调节器。两个调节器串联连接， 主调节器的输出作为副回路的给定量，副调节器的输出去控制执行元件串级调节系统多用于燃料源受频繁扰动的锅炉炉膛，该系

47、统由主回路和副回路组成，主 回路根据实际值与给定值的偏差由pid调节规律对燃料流量进行调节，副回路根据燃料流量 实际值与主回路温度调节器输出的燃料流量的偏差对流量进行调节，以避免扰动对燃料流量 的影响。在系统稳定状态时，温度pid的输出以a1送到煤粉流量调节回路pid作为设定值，以 b1送到空气流量调节回路pid作为设定值。在负荷剧增(温测温给)时，温度pid的输出剧增对于空气流量调节回路，随着b1开始增 加时,bkb2,低选器选中b1,空气流量增加，当b1正跳变到b1>b2时，低选器选中b2, b1被中 断，同时b3<b2,高选器选b2, b2作为该回路pid的设定值,使空气流量

48、随着煤粉流量的增加而 增加，交叉限制作用开始，当b2增加到b2>b1时,低选器乂选中bl, b1又作为该回路pid设定 值，交叉限制作用结束，系统稳定。对于煤粉流量调节回路,随着煤粉流量的增加，高选器选a1, 而低选器中，开始时选a1作为该回路pid的设定值，煤粉流量增加,a1>a2时，低选气选a2, al被中断，煤粉流量随着空气流量增加而增加，交叉限制作用开始，当a2增加到a2>a1时，低选 器又选a1,此时a1>a3,使交叉限制作用结束，系统恢复稳定。负荷剧减时相反。可见负荷增加过程中，先开空气后开煤粉，煤粉和空气交替逐渐增加，从而保证充分燃 烧，不产生黑烟。负荷减

49、少时，先关煤粉后关空气，空气和煤粉交替逐渐减少，保证合理燃 烧,不会空气过剩，带走热量。主调节器一次扰调节側副调节器二次扰动f炉腔淋度圧力变送器图4.1锅炉炉膛温度控制系统框图4. 3炉膛温度控制方法的选择以锅炉炉膛温度为主被控量、燃料和空气并列为副被控变量的串级控制系统。其中，两 个并列的副环具有逻辑比值功能。使该控制系统在稳定工作的情况下保证空气和燃料的最佳 比值，也能在动态过程屮尽量维持空气、燃料在最佳比值附近。4. 4控制系统单元元件的选择4. 4.1温度检测变送器的选择热电偶温度变送器与各种测温热电偶配合使用，可将温度信号线性地转换成为4 20madc电流信号或15vdc电压信号输出

50、，它是由量程单元和放大单元两部分组成的。热电偶温度变送器的主要特点是采用非线性负反馈回路来实现线性变化。表4.1不同类型的温度变送器对比类另u材质分度号测量范圉热 电 偶银路-康铜e0-1000 °c范围内任选線饼-鎳硅k0-1300 °c范围内任选钳错10-钳s0-1600°c范围内任选钳铐30-釦链6b0-1800°c范围内任选铜-康铜t0-400°c范围内任选铁-康铜j0-1200°c范围内任选热电阻铜热电阻cu50-50-+150°c范围内任选铜热电阻cui 00-50-+15 °c范围内任选钳热电阻pt

51、100-200-+600°c范圉内任选由表4.1可以看出，由于锅炉炉膛内的温度较高，而热电阻温度变送器的测量范围较小, 所以在这里我选用热电偶温度变送器，热电偶温度变送器与各种测温热电偶配合使用，可将 温度信号线性地转换成为420madc电流信号或15vdc电压信号输出，它是由量程单元 和放大单元两部分组成的。热电偶温度变送器的主要特点是采用非线性负反馈回路来实现线 性变化。在同样的都满足测量要求的条件下，考虑到经济性的原则，我选用的是dbw-1150型 热电偶温度变送器。dbw-1150型热电偶温度变送器是ddz-iii系列仪表的主要品种。本温度变送器用热电偶 作为测温元件，将被测

52、温度线性地转换成标准信号1-5vdc或4-20niadc输出，供给指示、记 录、凋节器、计算机等自动化监控系统。技术参数：输入：标准热电偶输出：输出电流：420madc输出电压：15vdc输出电阻：250 q允许负载变化范围：100q量程：0-1600°c冷端补偿误差：w1°c温度漂移：w0. ix基本误差/1°c绝缘电阻：电源、输入与输出端子间w1 oom q绝缘强度：电源/输入/输山端子间1500vac/分钟工作条件：环境温度：（t50°c相对湿度：w90% (rid电源电压：24vdc±5%功耗:<2w防爆等级：(ib)iict6重

53、量：<2kg4. 4. 2流量检测变送器的选择本次流量变送的对象是煤粉和空气，所以在选择流量变送装置的时候，必须能够既测量 煤粉固体颗粒，又能测量气体的流量。由于炉膛内的是热空气，所以述要求变送装置能够在 一定的高温下工作，所以根据具体情况，我们可以选用lugb型涡街流量计。lugb型涡街流量计根据卡门涡街原理测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流 量或质量流量的体积流量计。广泛用于各种行业气体、液体、蒸汽流量的计量，也可测量含 有微小颗料、杂质的混浊液体，并可作为流量变送器用于自动化控制系统中。lugb型涡街流量传感器防爆型，符合gb3836-2000爆炸性环境用防爆电气设备规定

54、, 防爆标志为“exiaiict6”，在本次设计中，选用lugb型涡街流量传感器其精度等级完全可以 满足火电厂锅炉温度控制系统的精度要求。产品特点：结构简单而牢固，无可动部件，可靠性高，长期运行十分可靠。安装简单，维护十分方便。检测传感器不直接接触被测介质，性能稳定，寿命长。输出是与流量成止比的脉冲信号，无零点漂移，精度高。测量范围宽，量程比可达1:10o压力损失较小，运行费用低，更具节能意义。在一定的雷诺数范围内，输出信号频率不受流体物理性质和组分变化的影响，仪表系数 仅与旋涡发生体的形状和尺寸有关，测量流体体积流量时无需补偿，调换配件后一般无需重 新标定仪表系数。应用范围广，蒸汽、气体、液

55、体的流量均可测量技术参数：公称通经（mm）： 15, 20, 25, 40, 50, 65, 80, 100, 125, 150, 200, 250, 300仪表材质：lcn8ni9ti公称压力（mpa）： pn1.6mpa； pn2.5mpa； pn4.0mpa被测介质温度（°c）： 一40+250°c； 一40+ 350°c环境条件：温度一10+ 55°c,相对湿度5%90%,大气压力86106kpa精度等级：测量液体：示值的±0.5测量气体或蒸汽：示值的±1.0、±1.5量程比：1： 10； 1： 15阻力损失系数：c

56、d<2.6输出信号：传感器：脉冲频率信号03000hz低电平w1v高电平n6v变送器：两线制420madc电流信号供电电源：传感器：+12vdc、+24vdc （可选）变送器：+24vdc现场显示型：仪表自带3.2v锂电池信号传输线：stvpv3x0.3 （三线制），2x0.3 （二线制）传输距离：<500m信号线接口：内螺纹m20x1.5防爆等级：exdiibt6防护等级：ip65允许振动加速度:l.og4.4.3主、副调节器正反作用的选择1.副调节器的止、反作用确定：根据生产工艺安全的原则，调节阀采用气开式，故kv为正；当调节阀开度增大，空燃比 增大，故ko2为止，流量变送器的kni2通常为止，为了使整个系统中各环节静态放大系数的 乘积为止，故副控制器的kc为止，选用反作用控制器。2主调节器的正、反作用确定：副回路的放大倍数可视为止，因温度变送器一般为止，当调节阀开度增大，温度升高， 故，koi为止，故主控制器的kc为止，选用反作用控制器。4.4.4主、副回路调节器调节规律的选择主调：定制控制；副调：随动控制主被控参数温度是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无静差，因此