毕业论文：过热蒸汽温度控制系统的设计与实现

1、摘要随着世界经济开展，能源利用日益紧张，改善与提高当前应用广泛的锅炉控制系统的控制能力对于提高锅炉热效率、节省能源以及提高工厂经济效益等方面具有重要的实际意义。本文首先选取了吉化250厂的65t/h锅炉为研究对象，分析了锅炉的三大控制系统:锅炉给水控制采用以附加蒸汽流量的前馈-串级三冲量控制系统，消除了虚假液位带来的影响；燃烧控制采用以带有氧量修正的并列-串级燃烧控制系统，保证了燃烧的充分、平安、经济性；过热蒸汽温度控制采用以蒸汽温度为主控参数的串级控制系统，提高了系统的抗干扰能力和控制精度。最后通过仿真证实了该设计方案在实际工业中的可行性，可以推广应用。关键词：锅炉 ；汽包水位 ；燃烧系统

2、；过热蒸汽温度 AbstractWith the development of world economy，use of energy is increasingly nervous，Improve and improve the current widely used control system of boiler control for improving thermal efficiency of boiler、to save energy and improve the economic effectiveness in the factory and so on has impor

3、tant practical significance.At first, this paper selected the sunup 250 plant of 65 t/h boiler as the research object, Analysis of the three control system of boiler: boiler feed water control using additional steam flow of feedforward - the cascade three impulse control system, The effects of elimi

4、nating the false level; Oxygen combustion control adopts with modified parallel - cascade combustion control system, To ensure the combustion fully, security and economy; Superheated steam temperature control adopts steam temperature as the main control parameters of the cascade control system, To i

5、mprove the anti-interference ability of the system and control accuracy. Finally, the simulation confirms the feasibility of design scheme in the actual industry, Can be applied.Key Words：boiler；The drum water level ；Combustion system ；Superheated steam temperature 目录摘要1Abstract21 绪论1 锅炉控制系统现状1 锅炉工艺

6、流程简介2 研究意义3 本文研究的内容及关键问题42 锅炉控制方案设计5 汽包水位控制系统5 汽包水位控制对象的动态特性5 给水控制系统设计8 燃烧控制方案设计13 燃烧控制系统的控制任务13 锅炉燃烧系统控制对象特性16 锅炉燃烧控制系统的设计18 过热蒸汽温度方案设计22 过热蒸汽温度控制对象的动态特性23 过热蒸汽温度控制系统的设计253 锅炉控制系统的仿真28 仿真工具简介283.1.1 MATLAB简介283.1.2 Simulink简介28 控制系统仿真29 汽包水位控制系统仿真30 燃烧控制系统的仿真33 过热蒸汽温度控制系统的仿真374 锅炉控制系统的平安保护41 保护意义41

7、 保护工程415 锅炉控制系统的仪表选型43结论44参 考 文 献45附录 锅炉结构原理图47致谢481 绪论1.1 锅炉控制系统现状随着经济的迅猛开展，自动化控制水平越来越高，用户对锅炉控制系统的工作效率要求也越来越高，为了提高锅炉的工作效率，较少对环境的污染问题，所以利用计算机与组态软件技术对锅炉生产过程进行自动控制有着重要的意义。其优越性主要在于：首先，通过对锅炉燃烧过程进行有效控制，使燃烧在合理的空燃比条件下进行，可以提高燃烧效率。由于工业锅炉耗渣油量大，燃烧热效率每提高1%都会产生巨大的经济效益。其次，锅炉控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面使运行参数在CRT上的集中监测，

8、操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修改运行参数，这样能有效地减少人工的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、平安性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，工业锅炉的微机控制必将得到更加广泛的应用。锅炉作为重要的动力设备，其控制的根本要求是供给合格的蒸汽，使锅炉蒸发量适应负荷的需求。为此，生产过程的各个主要参数必须严格控制。锅炉设备是一个多输入、多输出的复杂控制对象，这些输入变量与输出变量之间是相互关联的。如果蒸汽负荷发生变化，必将引起汽包水位、蒸汽压力和蒸汽温度等的变化；燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、蒸汽温度、炉膛负压；给水量的变化不仅影响汽包水位，而

9、且对蒸汽压力、蒸汽温度等亦有影响；所以锅炉设备是多输入，多输出且相互关联的控制对象。锅炉的自动化控制从上世纪三、四十年代就开始了，当时大都为单参数仪表控制，进入上世纪五十年代后，美国、前苏联等国家都开始进行对锅炉的操作和控制做了进一步研究。 锅炉控制技术的开展经历了几个历史阶段：1 、纯手动阶段在六十年代以前，由于自动化技术与电子技术开展不成熟，人们的自动化观念还比拟淡薄，这段时期的锅炉一般采用纯手动的控制方式，即操作工人通过经验决定送风、给水、引风、给煤的多少，通过手动操作器等方式来到达控制锅炉的目的。这样就要求司炉人员必须有丰富的经验，增加了工人的劳动强度，事故率高，更谈不上保证锅炉的高效

10、率运行。2、 自动化单元组合仪表控制阶段 随着自动化技术与电子技术的开展，国外已经开发并广发应用了全自开工业锅炉控制技术。60年代前期，我国工业锅炉的控制技术开始开展，60年代后期我国引进了国外的全自动燃油工业锅炉的控制技术，70年代后期已经研制了一些工业锅炉的自动化仪表，正式将自动化技术应用于工业锅炉控制领域，因而热效率有所提高，事故率也有所下降。但是，由于采用单元组合仪表靠硬件来实现控制功能，可靠性低，精度不高，而且只能完成一些简单的控制算法，不能实现一些较先进的算法和控制技术，控制效果仍然不理想。3、 采用微机测控阶段随着电子技术的开展，高集成度、高可靠性、价格低廉的微型计算机、单板机、

11、单片机、工业专用控制计算机的出现以及在我国的广泛应用，为锅炉控制领域开辟了一片广阔的天地。运用计算机技术，开发出高效率、高可靠性、全自动的微机工业测控系统同时得到重视。80年代后期至今，国内已经陆续出现了各种各样的锅炉微机测控系统，明显地改善了锅炉的运行状况，但还不够完善，并对环境和抗干扰要求较高。4、 分散控制阶段 分散控制系统DCS称集成控制系统，其本质是采用分散控制和集中管理的设计思想，分而自治和综合协调的设计，采用层次化的体系结构，从下到上依次分为直接控制层、操作监控层、生产管理层、和决策管理层。DCS是以多台DDC计算机为根底，集分散型控制系统。目前分散控制系统大多采用可编程控制器进

12、行系统设计，工控机PLC的组合，不但系统体积小、可靠性高，而且造价较低，得到了广阔用户的青睐。1.2 锅炉工艺流程简介 锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备，其作用就是有效地把燃料中的化学能转换为热能，或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活所需的能量形式，长期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用。锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变化，输送一定质量和相应数量的蒸汽。它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反响、枯燥等过程提供热源，而且还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源，其工艺流程图如下图。图1.1 锅炉设备主要工艺流程图1-燃烧嘴 2-炉膛 3-汽包

13、4-减温器 5-炉墙 6-过热器 7-省煤器 8-空气预热器由图1.1可知：燃料与热空气按一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds，然后经过过热器，形成一定气温的过热蒸汽D，再聚集到蒸汽母管。压力为Pm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，排入大气。1.3 研究意义 锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中比不可少的重要动力设备。它所产生的高压蒸汽，既可作为驱动透平的动力源，又可作为蒸馏、化学反响枯燥和蒸发等过程的热源。随着工业生产

14、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、高效率开展。为了确保平安、稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得愈加重要。由于锅炉的燃料种类、燃烧设备、制粉系统、炉体型式、锅炉功能和运行要求的不同，锅炉有各种各样的流程。按燃料种类分，在各个工业部门中，应用最多的是燃油锅炉、燃气锅炉和燃煤锅炉。在石油化工、炼油的生产过程中，往往产生各种不同的残油、残渣、释放气及炼厂气。为充分利用这些燃料，所以有油、气混合燃烧锅炉和油、气、煤混合燃烧锅炉。在化工、造纸、制糖等工艺过程中，还会产生各种可燃的废料，可利用这些“燃料产生的热量或在生产过程中化学反响所生成的热量，来生产各个部门所需

15、的蒸汽，因此又形成了废热锅炉。所有这些锅炉，燃料种类各不相同，但蒸汽发生系统和蒸汽处理系统是根本相间的。从1978年改革以来，我国年均经济增长率达9%以上，目前已经是世界上第六大经济体和第三大贸易国，中国兴起成为了当今世界的热门话题。随着科学技术的飞速开展，带动社会生产的开展，人类对能源的需求不断增加，世界上兴旺国家为了解决能源紧张而带给各行业的冲击，都努力在开发能源的同时，致力于节能新方法的研究。根据不完全统计，我国目前有各类锅炉近40万台，每年的煤耗量达3亿多吨，占我国原煤产量的三分之一。由于煤质变化大，设备陈旧，不仅供热劳动条件差，劳动强度大，而且锅炉效率低。因此，在满足工艺要求的前提下

16、，为了提高锅炉的热效率，降低能源消耗，把工人从繁重的劳动中解救出来，促进文明生产，实现锅炉自动控制十几个亟待解决的问题。据有关资料统计一台10t/h的锅炉，假设能提高效率1%，每年就能节省煤200t左右，约合人民币50000多元，经济效益是很明显的。又如对燃渣油锅炉进行改造，实行自动控制，在不需人工干预的情况下，随时调整给水量、燃料量、送风量及引风量，维持水位、蒸汽压力、蒸汽温度及负压的恒定，就有可能将锅炉的热效率提高5%以上。另外，使锅炉到达经济燃烧状态，还可以减少烟气中的含尘量，减少空气污染。总结国内外锅炉控制经验，结合实际，设计出适合锅炉的控制硬件系统，并实现先进控制算法，提高锅炉的自动

17、化水平，以及效率，合理利用资源，到达锅炉控制系统平安、节能、环保运行，这具有重要的经济效益和深远的社会效益。1.4 本文研究的内容及关键问题1、 主要内容本次设计包括工艺流程图的绘制和施工图设计，其中以控制方案设计为重点，进行仪表选型、系统连接和安装等方面的图纸设计并从平安角度进行连锁系统设计，从而完成锅炉的汽包水位、蒸汽温度、蒸汽压力、燃烧过程的自控工程设计工作，其中设计图纸内容和深度符合施工图设计要求，其中所涉及到的工艺参数均为实际工况参数。2、 关键问题锅炉汽包水位控制、炉膛负压控制、蒸汽温度控制、蒸汽压力控制、燃烧过程控制、平安保护及经济效应和仪表的正确选型。2 锅炉控制方案设计2.1

18、 汽包水位控制系统汽包锅炉给水自动控制的任务是维持汽包水位在一定的范围内变化，汽包水位是锅炉运行中的一个重要的监控参数，它间接地表示了锅炉负荷和给水的平衡关系，维持汽包水位是保持汽机和锅炉平安运行的重要条件。锅炉汽包水位过高，影响汽包内汽水别离装置的正常工作，造成出口蒸汽中水分过多，结果使过热器受热面结垢而导致过热器烧坏，同时还会使过热汽温产生急剧变化，直接影响机组运行的经济性和平安性；汽包水位过低，那么可能使锅炉水循环工况破坏，造成水冷壁管供水缺乏而烧坏。2.1.1 汽包水位控制对象的动态特性从理论上已经分析了对汽包水位产生扰动的两个因素,给水扰动、蒸汽流量扰动；在影响汽包水位的诸多因素中，

19、以锅炉蒸发量蒸汽流量D和给水流量W为主，汽包水位作为被控变量、给水流量作为调节变量、蒸汽流量作为干扰量，下面侧重讨论给水流量与蒸汽流量作用下的水位变化的动态特性，方框图如下图。图2.1 汽包水位根本控制函数模型图中，Wf(S)为蒸汽流量扰动函数，W0(S)为给水流量扰动下水位变化函数。1、 给水流量扰动下水位变化的动态特性，即控制通道的特性给水量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,因为它是来自控制侧的扰动,又称内扰。如果把汽包和水位看作单容量无自衡对象，水位阶跃响应曲线将如图中的1线。在给水量扰动下水位变化的阶跃响应曲线如下图。图给水流量作用下水位阶跃响应曲线2线为水位受到

20、给水量阶跃扰动后的实际响应曲线,可以认为是由1线和3线合成的。由2线可以清楚地看出给水被控对象内扰的特点是由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水量变化后，使循环管内的汽包总体积减少导致水位下降。因此实际水位响应曲线如图中2线，即当突然加大给水量后，汽包水位一开始不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。如果给水量和蒸汽量不能平衡,水位将不能稳定。由给水阶跃响应曲线可求出滞后时间和响应时间。延长H曲线的直线段与时间轴的交点A,与纵坐标的交点B,那么以OA=、OB=,的大小与省煤器的构造形式及锅炉容量的大小有关。给水温度越低，纯滞后时间越大。通常在15100S之间。对于沸腾式省煤器=100200

21、S, 对于非沸腾式省煤器=30100S。响应时间=() 2.1水位在给水扰动情况下的传递函数如公式2.2所示。 W0(S)= 2.22 、蒸汽流量扰动下水位变化的动态特性，即干扰通道的动态特性。蒸汽流量扰动主要来自蒸汽透平的负荷变化,属于外部扰动,这是一个经常发生的扰动。在蒸汽流量发生扰动的情况下,水位的阶跃响应曲线如下图。 图蒸汽流量作用下水位的阶跃响应曲线H1只考虑物质不平衡的水位响应曲线；H2只考虑蒸发面下汽包容积Vs变化的水位响应曲线；H1+H2实际水位响应曲线；当蒸汽透平的用汽量突然增加,锅炉的蒸发量大于给水量,从汽包的水量来看,水位变化曲线如图中H1所示。但是当锅炉的蒸发量突然增加

22、时,由于Vs的增加而使水位变化曲线如图中的H2所示,当锅炉负荷变化时，实际显示出的水位响应曲线如H所示(H=H1+H2)。当负荷增加时,虽然汽包的进水量小于蒸发量但在一开始水位不仅不下降,反而迅速上升,这种现象称为“虚假液位,这是由于负荷增加时水面下汽包的容积Vs增加得很快。当汽泡的容积与负荷相适应而到达稳定后,水位就主要随物质不平衡的关系的变化而下降。应当指出,当负荷突然改变时,Vs的改变而引起水位的改变是很快的,图中H2的时间常数大约只有1020S。“虚假液位“变化的幅度与锅炉的汽压和蒸发量变化的大小有关,对于一般100230t/h的中高压锅炉,当负荷突然变化10%时,虚假水位现象可使水位

23、变化3040mm。蒸汽流量扰动时,水位变化的动态特性传递函数为： WD(S)= 2.3T2H2特性的时间常数，约为1020s；K2H2特性的放大系数；响应速度。图所示的蒸汽流量扰动下水位阶跃响应曲线只是定性地说明水位变化的特点,在实际进行动态试验时是很难造成蒸汽流量阶跃扰动的。如果只改变负荷设备的用汽量,就会引起汽压的变化,这时虚假水位现象就会更严重些。2.1.2 给水控制系统设计根据汽包锅炉给水控制对象动态特性的特点,可以提出给水控制系统的一些根本设计方法:由于对象的内扰动态特性存在一定的延迟和惯性,所以给水控制系统假设采用以水为被调量的单回路系统,那么控制过程中水位将出现较大的动态偏差,给

24、水流量波动较大。因此,对给水内扰动态特性延迟和惯性大的锅炉应采用串级或其它控制方案。由于对象在蒸汽负荷扰动(外扰)时,有“虚假液位现象。因此给水控制采用以水位为被调量的单回路系统。那么在扰动的初始阶段，调节器将使给水流量向与负荷变化方向相反的方向变化,从而扩大了锅炉进出流量的不平衡。所以在设计给水控制系统时,应考虑采用以蒸汽流量为前馈信号的前馈控制,以改善给水控制系统的品质。(1) 单冲量控制系统单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号,即水测量信号经变送器送到水位调节器,调节器根据汽包水位测量值与给定值偏差去控制给水调节阀,改变给水量以保持汽包水位在允许的范围内。单冲量水位控制

25、系统是汽包水位自动控制系统中最简单、最根本的一种形式，控制原理如图。 图2.4 单冲量控制系统原理图1、单冲量汽包水位控制系统的优点：系统结构简单,对锅炉汽包容量比拟小、汽包水位受到扰动后的反响速度比拟慢、“虚假液位现象不很严重的小型锅炉,采用单冲量水位控制是能满足生产要求的。2、 单冲量汽包水位控制存在着一些缺点：单冲量控制方案只根据水位信号控制给水量,在锅炉负荷变化大,即阶跃扰动很大时,由于锅炉的“虚假液位现象,例如负荷蒸汽增加时,水位一开始先上升,调节器只根据水位作为控制信号,就去关小阀门减少给水量,等到假水位消失后，由于蒸汽量增加，送水量反而减少，将使水位严重下降，波动很厉害，严重时甚

26、至会使汽包水位降到危险程度以致发生事故。因此对于停留时间短、负荷变动较大的情况，这样的系统不能适应，水位不能保证。2双冲量控制系统针对单冲量控制系统不能克服“虚假液位的影响，如果根据蒸汽流量作为校正作用，就可以纠正“虚假液位“引起的错误动作，而且也能提前发现负荷的变化，从而大大改善了控制品质。将蒸汽流量信号引入，就构成了双冲量控制系统，控制原理图如下图。 图 双冲量控制系统原理图 Ic液位控制器的输出； IF-蒸汽流量变送器的输出； I0-初始偏置值； C1、C2-加法器系数双冲量控制系统是采用互补原理对假液位现象进行控制的。当出口蒸汽流量突然增大时,它将使液位上升(假液位)。此时控制系统根据

27、变化量大小,使给水量也增大一定数值,由于当给水量突然增大时,将使汽包液位下降(假液位),这样经过叠加作用,将使汽包液位根本维持不变,从而到达克服假液位的目的。锅炉汽包双冲量液位控制系统是在单冲量液位控制的根底上引入蒸汽流量作为前馈信号,能消除“虚假液位对调节的不良影响,缩短了过渡过程时间,改善控制系统的静态特性,提高了调节质量。在给水压力比拟平稳时,用于小型低压锅炉较好。但是也存在着缺点,控制阀的工作特性不一定为线性，要做到静态补偿比拟困难；对于给水系统的干扰仍不能很好克服。当给水量扰动频繁时 , 控制系统不能很好的调节液位，满足不了液位在(H=)附近波动,不宜采用双冲量控制。3三冲量控制系统

28、锅炉汽包三冲量液位控制系统是在双冲量液位控制根底上引入了给水流量信号,由水位、蒸汽流量和给水流量组成了三冲量液位控制系统,在这个系统中,汽包水位是被控主变量；蒸汽流量、给水流量是两个辅助量信号,实质上三冲量控制系统是前馈加反响控制系统,可分为单级和串级两种控制系统。三冲量汽包给水控制系统,采用蒸汽流量信号对给水流量进行前馈控制,当蒸汽负荷突然发生变化,蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正确方向移动,即蒸汽流量增加,给水调节阀开大,抵消了由于“虚假液位引起的反向动作,因而减小了水位和给水流量的波动幅度；当水压干扰使给水流量改变时,调节器能迅速消除干扰。如给水流量减少,调节器立即根据给水流量减少的

29、信号,开大给水阀门,使给水量保持不变。另外,给水流量信号也是调节器动作后的反响信号,能使调节器及早知道控制的效果,所以三冲量给水控制系统,调节器动作快,还可防止调节过头,减少波动和失控。调节器输出的控制信号与蒸汽流量信号的变化方向相同，当给水流量发生自发性扰动时,调节器也能立即动作,控制给水流量使给水流量迅速恢复到原来的数值,从而使汽包水位根本不变。当汽包水位增加时,为了维持水位,调节器的正确操作应使给水流量减小,单级三冲量给水控制原理如下图。 图 单级三冲量给水控制原理图图所示是三冲量控制系统方案，这是一种前馈蒸汽流量与串级控制组成的复合控制系统，对于给水系统的干扰有比拟好的克服。图2.7

30、串级三冲量给水控制原理图 图2.8 串级三冲量给水控制方框图 LC为汽包液位控制器，FC为给水控制器，GHW为给水控制通道传递函数，GHD为蒸汽干扰通道传递函数，同时要引入前馈作用GMD来消除“虚假液位。3、 串级和单级控制系统的比拟串级控制系统是由两个调节器组成,而单级控制系统只有一个控制器，在调节精度上不如串级控制系统，抗干扰能力上也没有串级控制系统强。串级系统主副调节器的任务不同,副调节器的任务是用以消除给水压力波动等因素引起的给水流量的自发性扰动以及当蒸汽负荷改变时迅速调节给水流量,以保证给水流量和蒸汽流量的平衡；主调节器的任务是校正水位偏差。这样,当负荷变化时,水位稳定值是靠主调节器

31、来维持的。通过对各给水控制系统的分析比拟,可确定采用串级三冲量给水控制系统。2.2 燃烧控制方案设计锅炉燃烧系统控制的任务是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要,同时还要保证经济燃烧和锅炉的平安运行。具体控制任务可概括为三个方面：蒸汽母管压力、锅炉燃烧的最正确状态和经济性、炉膛负压。2.2.1 燃烧控制系统的控制任务1、稳定蒸汽母管的压力维持蒸汽母管压力不变,这是燃烧过程自动控制的第一项任务。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蒸汽消耗量不相适应,因此,必须改变燃料的供给量,以改变锅炉的燃烧发热量,从而改变锅炉的蒸发量,恢复蒸汽母管压力为额定值。蒸汽压力是反映蒸汽供需关系平衡

32、与否的重要指标,也是表征蒸汽的重要参数。汽压偏高,会加速金属材料的蠕变；汽压偏低,说明供需关系不平衡,设备消耗的蒸汽量大于现有的产汽量,难以维持长期稳定的运行。因此,维持压力稳定是平安生产和维持运行的需要。对于燃渣油锅炉蒸汽压力的控制主要通过给渣油量的调节来实现。给渣油量大,供给的热量多，锅炉吸热多，产生的蒸汽压力增大，相反那么蒸汽压力减小，当然给渣油量必须与鼓风量配合；一定给渣油量对应最正确鼓风量，鼓风量小，燃烧不完全，鼓风量大带走过多热量。而且根据工艺要求，当负荷增加时，应先增加鼓风量，再增加给渣油量；负荷减小时，先减少给渣油量，后减少鼓风量。2 、维持锅炉燃烧的最正确状态和经济性维护锅炉

33、燃烧过程的最正确状态和经济性是锅炉燃烧过程自动控制的第二项任务。燃烧的经济性指标难于直接测量,常用锅炉烟气中的含氧量,或者燃料量与送风量的比值来表示。如果能够恰当地保持燃料量与空气量的正确比值,就能到达最小的热量损失和最大的燃烧效率。反之,如果比值不当,空气缺乏,结果导致燃料的不完全燃烧；当大局部燃料不能完全燃烧时,热量损失直线上升；如果空气过多,就会使大量的热量损失在烟气之中,使燃烧效率降低。一般说来,对燃渣油锅炉,烟气中保持小于5%氧气或40%的过剩空气左右是最适宜的,这样热损失最小。1过剩空气系数燃料的充分燃烧需要适量的空气,锅炉内的燃料也一样,空气量多了或少了都不适宜。锅炉在空气缺乏的

34、状况下进行燃烧,将产生CO而不是CO2，造成近2/3的热值释放,同时伴随着冒黑烟,浪费能源。相反,如果在过量空气的状况下燃烧,一方面大量未起反响的空气会带着大量的热量从烟道散失,另一方面空气中的氮在高温下同过剩的O2起反响,生成各种NOX的氮化物，故在过剩的空气状态下燃烧也会使热效率降低,浪费能源,污染环境，过剩空气损失和不完全燃烧损失示意图如下图。 图2.9 过剩空气损失和不完全燃烧损失示意图可见,为提高其效率,使锅炉燃烧处于最正确工况,必须维持适当的空气和燃料比例关系,也即维持炉内的过剩空气稳定。空气和燃料的比例关系通常用过剩空气系数表示,其定义为:=2 烟气含氧量空气过剩系数在实际系统中

35、测量是比拟困难的,以前多采用烟气成份分析的方法,但此种方法滞后时间比拟长。由于过剩空气系数与烟气含氧量之间存在一一对应的关系,所以,近年来大都采用氧化锆测氧仪来测量烟气中的含氧量,通过控制烟气含氧量,来保证最正确的过剩空气系数。烟气含氧量高,说明送风量大,过量的风会带走过多热量；含氧量低,说明燃烧不充分。两种情况都不能保证经济燃烧,这就需要找出锅炉燃烧所要的最正确烟气含氧量。不过在锅炉负荷变化时,此最正确值也会变化。根据锅炉的燃烧特点,在高负荷时,含氧量要稍低一点,而低负荷时,含氧量要稍高一些。因此,一个理想的含氧量校正信号还必须用负荷进行修正,即根据负荷变化修正含氧量的给定值。一般情况下,可

36、以用如下简单的线性关系来修正: 2.4 图 含氧量与负荷的关系 其中，0SP为含氧量设定值，0SPI为含氧量设定值上限，OSPL为含氧量设定值下限，Fpv为蒸汽流量，FPVI为蒸汽流量上限，FPVL为蒸汽流量下限。当蒸汽流量在上下限间变化时，含氧量设定值也在上下限间线性变化。3、维持炉膛负压在一定范围炉膛负压的变化,反映了引风量与送风量的不相适应。通常要求炉膛负压保持在2040Pa的范围内。这时燃烧工况,锅炉房工作条件,炉子的维护及平安运行都最有利。如果炉膛负压太小,炉膛容易向外喷火,既影响环境卫生,又可能危及设备与操作人员的平安。负压太大,炉膛漏风量增大,增加引风机的电耗和烟气带走的热量。因

37、此,需要维持炉膛压力在一定的范围之内。这三项控制任务是相互关联的,它们可以通过控制燃料量、送风量和引风量来完成,对于燃烧过程自动控制系统的要求是:在负荷稳定时,应使燃料量、送风量和引风量各自保持不变,及时地补偿系统的内部扰动,这些内部扰动引起的燃料量、送风量和引风量的变化等。在负荷变化的外扰作用时,那么应使燃料量、送风量和引风量成比例的改变,既要适应负荷的要求,又要使三个被控量:蒸汽母管压力、炉膛负压和燃烧经济性指标保持在允许范围内。2.2.2 锅炉燃烧系统控制对象特性锅炉汽包蒸汽压力是燃烧系统控制对象的主要被调量,分析燃烧系统控制对象的动态特性,是确定燃烧控制方案的主要依据。为此,下面分析一

38、下在主要扰动作用下,汽包蒸汽压力变化的动态特性。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)和蒸汽流量的改变(称为外扰动)。1、燃料量改变时蒸汽压力变化的动态特性锅炉在正常运行时,当进入炉膛的燃料量发生变化,那么炉膛发热量立即改变,几乎没有迟延和惯性,即为比例。而蒸发局部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。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响曲线如下图。图2.11 蒸汽调节阀开度

39、不变时，在燃料量阶跃扰动时，蒸汽压力的反响曲线如果用汽设备的调节阀开度不变,那么随着汽压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,它的反响曲线如下图。从图中可知,当蒸汽流量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来,系统到达新的平衡。2 蒸汽流量改变时蒸汽压力变化的动态特性蒸汽流量改变时对蒸汽压力扰动称为外扰。外扰的情况是负荷设备的蒸汽阀门开度改变，下面就分析这种情况下蒸汽压力变化的动态特性。如果负荷设备的蒸汽调节阀开度突然改变,锅炉的汽压也随即改变,其反响曲线如下图。当调节阀开度突然开大,那么从汽包中流向负荷设备的蒸汽流量D立即增加D。但是由于燃料量没有增加

40、,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,最后蒸汽流量只能恢复原值，也就是说燃料量不改变,在平衡状态时,锅炉供给的蒸汽流量也不会改变。至于阀门开度增大后,短时间增加的蒸汽量是依靠锅炉蒸发局部储热量减少(压力降低)放出来的。 图 负荷设备蒸汽阀门开度阶跃变化时，锅炉汽压的反响曲线以上分析的只是主要被控参数蒸汽压力的动态特性,至于燃烧系统另外两个被控参数,燃烧经济性指标和炉膛负压,是保证良好燃烧和平安操作的内部参数,只要送风量、引风量随时与燃料量在变化时保持适当比例,就能使燃烧经济性指标和炉膛负压不会有较大变化。2.2.3 锅炉燃烧控制系统的设计组成燃烧控制系统的根本原那么是首先

41、要求它能迅速地适应外部负荷的扰动,且在动态过程下能保证燃烧的经济性及各被控参数在允许的指标。1 控制方案设计1无“氧量修正的并列-串级燃烧控制系统 该系统是以控制燃料量和空气量的比例来保证燃烧的经济性，控制系统原理图如所示。图2.13 无“氧量修正的并列-串级燃烧控制系统原理图图2.14 无“氧量修正的并列-串级燃烧控制结构图主调节器PI1根据母管压力PM与给定值的偏差对各台并列运行锅炉按比例发出增、减负荷的信号(中用NolNo3表示对l3号炉的负荷要求信号),各并列运行锅炉接受主调节器来的负荷要求信号。 燃料调节器PI2接受负荷要求信号和燃料反响信号M,其任务是使燃料与“负荷要求相适应。送风

42、调节器PI3接受负荷要求信号和进风量V负反响信号,其任务是使送风量与“负荷要求相适应,从而间接地使送风量与燃料量成适当比例,即保证燃烧的经济性。负压调节器PI4接受炉膛负压信号,当ST偏离给定值时,它控制引风量Vs，维持负压ST在给定值。在静态平衡时,母管压力PM等于给定值PMO;炉膛负压ST等于给定值。而燃料调节器的总输入信号Nol一K1M=0;送风调节器的总输入信号Nol一K2V=0,从而间接地保证了燃料量与送风量成一定比例: K1M=K2V 2.5该系统的动态过程可简述如下:当负荷发生变化时,母管压力PM很快变化并偏离给定值,使主调节器输出的“负荷要求信号发生变化,通过燃料调节器和送风调

43、节器同时改变每台锅炉的燃料量和送风量。进风量的变化使炉膛负压ST偏离给定值,促使引风调节器动作去改变引风量Vs,控制过程结束后,PM和ST恢复到给定值,主调节器输出的负荷要求信号稳定在一新的数值上,M和V与新的负荷要求数值成比例。该系统中还考虑到燃料量与送风量成一定比例关系,但是这两个量成一定比例关系并不能确保燃烧的经济性,因此,最好能有一个检查燃料量和送风量是否恰当配备的直接指标,以此来校正送风量。 优缺点：无“氧量修正“的并列-串级燃烧控制系统较为简单，但存在有较大的缺点,即燃料调节器以给渣油调节机构的位置作为反响信号,虽然能够对燃料调节过程起着有效的稳定作用,但不能消除燃料内部的扰动，当

44、燃料方面经常发生扰动时(数量、质量),这种控制系统不能自动保证正常工作。无“氧量修正“的并列-串级燃烧控制系统只适用于燃料量和送风量能够准确测量,同时燃料品种不变化的锅炉。2具有“氧量修正的并列-串级燃烧控制系统 根据实际工艺需求，锅炉的燃烧控制系统中不仅要考虑燃料控制、炉膛负压控制、蒸汽压力控制，且还要考虑到经济性，因此还需要保证给于空气中O2的量，控制方案中要带有氧量修正的控制环节；所以采用并列串级燃烧能满足这种要求。具体控制原理图如下图，由图可看出该控制系统中对于燃烧控制能到达一个比拟好的效果，保证了锅炉燃烧的良好性。图 燃烧并列串级系统原理图图 具有“氧量修正的燃烧并列串级控制系统方框

45、图在该系统中,氧量校正调节器PI5接受测量炉烟含氧量变送器输出的电流信号。由于最正确含氧量与锅炉负荷有关,一般负荷增加,最正确含氧量减少,故通过一个函数转换器f(x)对它进行负荷修正。经过修正的氧量信号进入PI5调节器与最正确含氧量给定值进行比拟,当产生偏差时,PI5输出电流给送风调节器PI3进行风量校正,但给校正进行得相当缓慢,因为PI3的调节作用已根本上保证了风、渣油比例。经过校正后的送风量能满足烟气中最正确含氧量要求。在静态平衡时,送风调节器PI3及PI2入口信号的代数和为零,即No1-KVV+I5=0 (2.6)No1=KMM 2.7KMM-KVV+I5=0 (2.8) (2.9)I5

46、PI5的输出电流； Kv、Km风量、燃料比例系数。由上式可以看出,燃料一空气比值()与氧量校正调节器的输出电流即“氧量修正值有关,这时燃烧经济性由炉烟中最正确含氧量来保证。参加氧量校正器后，根据烟气含氧量校正送风量，不仅能消除由于风量测量不准、燃料品质变化等因素给燃烧经济性带来的影响，而且在动态过程中对经济燃烧亦有一定的校正作用。同时，最正确烟气含氧量随负荷的增加而减小，这可以通过改变氧量校正器的给定值，保证在不同负荷下的燃烧经济性。引风调节器调节引风量，稳定炉膛负压，由送风调节器引入的动态联系，可以使负荷变化时引风量跟上送风量的变化、减小炉膛负压的波动。静态时，动态联系信号消失，炉膛负压仍等

47、于规定值。且引入氧量校正器后，燃料量和送风量的比值为一常数，燃烧经济性得到保证，能随机地调节烟气中氧气的含量。通过比拟燃烧控制亦采用“氧量修正的并列-串级控制系统，能满足实际的65t/h的工艺生产需求。2.3 过热蒸汽温度方案设计在锅炉运行中，过热蒸汽温度是一个很重要的控制参数，过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一，过热蒸汽温度较高，可能造成过热器蒸汽管道损坏；过热蒸汽温度过低，会降低内功率。所以在锅炉运行中，必须保持过热蒸汽温度稳定在规定值附近。蒸汽过热系统那么是锅炉系统平安正常运行，确保蒸汽品质的重要局部。 锅炉过热蒸汽系统主要由一级过热器、减温器和二级过热器组成， 在锅炉生产过程中，

48、过热蒸汽温度是整个汽水通道中最高的温度。过热器温度过高将导致过热器易损坏，同时还会危及汽轮机的平安运行。过热器温度过低那么将使设备效率降低，同时使汽轮机后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损，影响经济指标，所以必须把过热器出口蒸汽的温度控制在规定范围内。影响过热蒸汽温度的因素很多，过热器是一个多容且延迟较大的惯性环节，设备结构设计与控制要求存在假设干矛盾，各种扰动因素之间相互影响，而对各种不同的扰动，过热蒸汽温度的动态特性也各不相同。因此，过热蒸汽温度控制的主要任务就是： (1) 克服各种干扰因素，将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许的范围内，从而保持蒸气品质合格：(2) 保护过热器管壁温度不超过允

49、许的工作温度。本设计主要以控制减温水流量的变化来阐述对过热蒸汽温度的自动调节。2.3.1 过热蒸汽温度控制对象的动态特性1 蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的动态特性引起蒸汽流量扰动的原因有两个：一是蒸汽母管的压力变化：二是汽轮机调节阀的开度变化。结构形式不同的过热器，在相同蒸汽流量的扰动下，汽温变化的特性是不一样的。当锅炉负荷扰动时，蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的蒸汽流速几乎同时改变，从而改变过热器的对流放热系数，使沿整个过热器各点的蒸汽温度几乎同时改变，因而汽温反响较快。其传递函数可以表示为： 2.10 KD锅炉负荷扰动时被控对象的放大系数；一负荷扰动后对象的滞后时间； TD对象

50、的时间常数。从阶跃响应曲线可知，其特点是：有延迟、有惯性、有自平衡能力，但其延迟和惯性都比拟小，即时间常数和滞后时间都比拟小,且较小。动态特性曲线如图a所示。 (a)蒸汽量D或烟气传热量Q扰动 b减温水WS扰动 图2.17 扰动下温度的变化曲线2 烟气侧热量扰动下蒸汽温度对象的动态特性当燃料量、送风量或渣油等发生变化时，都会引起烟气流速和烟气温度的变化，从而改变了传热情况，导致过热器出口温度的变化。由于烟气传热量的改变是沿着整个过热器长度方向上同时发生的，因此汽温变化的迟延很小，一般在1525s之间。烟气侧扰动的汽温响应曲线如图a所示。它与蒸汽量扰动下的情况类似，它是一个具有自平衡能力、滞后和

51、惯性都不大的对象，其传递函数可表示为一个二阶系统，即：W(S)= 2.11为烟气温度但对象特征总的特点是：有迟延，有惯性，有自平衡能力，其动态特性曲线如图a所示。3 蒸汽温度在减温水量扰动下的动态特性当减温水量发生扰动时，虽然减温器出口处汽温已发生变化，但要经过较长的过热器管道才能使出口汽温发生变化，其扰动地点过热器入口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对象。动态曲线图如图b所示。当扰动发生后，要隔较长时间才能使蒸汽温度发生变化，滞后时间比拟大，滞后时间约为3060s。综上所述，可归纳出以下几点：1过热器出口蒸汽温度对象不管在哪一种扰动下都有延迟和

52、惯性，有自平衡能力。2在减温水流量扰动下，过热器出口蒸汽温度对象具有较大的传递滞后和容量滞后，缩减减温器与蒸汽温度控制点之间的距离，可以改善其动态特性。3在烟气侧热量和蒸汽流量扰动下，蒸汽温度控制对象的动态特性比拟好。由图可见，在减温水流量扰动下，减温器出口过热汽温的响应比过热器出口汽温快得多，可以肯定，在喷水减温过热蒸汽温度调节系统中，以作为导前信号构成串级调节系统，可大大改善控制系统的性能。在减温水流量扰动下，导前汽温的传递函数可表示为： 2.12减温水流量扰动下导前汽温的放大系数；为减温水流量扰动下导前汽温对象的时间常数；阶数； 在减温水流量扰动下，过热汽温的传递函数可表示为： 2.13

53、一减温水流量扰动下过热蒸汽温度的放大系数；为减温水流量扰动下过热蒸汽温度的时间常数；阶数；2.3.2 过热蒸汽温度控制系统的设计目前，过热汽温的控制方案很多，新的控制方法不断出现，汽温控制的质量也不断提高。传统的汽温控制系统有两种：单回路控制系统和串级控制系统。1 控制方案设计1单回路控制系统在运行过程中，改变减温水流量，亦改变进出口蒸汽温度，如下图。从动态特性上看，这种调节方法是最不理想的，但由于设备简单，因此，应用得最多。减温器应尽可能地安装在靠近蒸汽出口处，但一定要考虑过热器材科的平安问题，这样能够获得较好的动态特蛀。由于管道较长有一定的传递滞后，如果用图的控制系统，调节器接受过热器出口

54、蒸汽温度变化后，调节器才开始动作，去控制减温水流量的变化又要经过一段时向才能影响到蒸汽温度，这样既不能及早发现扰动，又不能及时反映控制的效果，将使蒸汽温度发生不能允许的动态偏差，影响锅炉生产的平安和经济运行。图2.18 过热蒸汽温度单回路系统原理图实际中过热蒸汽控制系统常采用减温水流量作为操纵变量，但由于控制通道的时间常数及纯滞后均较大，组成单回路控制系统往往不能满足生产的要求。因此常采用串级控制系统，减温器出口温度为副参数，以提高对过热蒸汽温度的控制质量。2串级控制系统过热蒸汽温度串级控制系统的方框图如下图。采用两级调节器，这两级调节器串在一起，各有其特殊任务，调节阀直接受调节器1的控制，而调节器1的给定值受到调节器2的控制，形成了特有的双闭环系统，由副调节器和减温器出口温度形成的闭环称为副环。图2.19 过热蒸汽温度串级调节系统原理图图2.20 过热蒸汽温度串级控制系统的方框图由图可知，温度调节器1的输出即温度调节器2的给定，而温度调节器2的输出直接送往执行器。温度调节器1的给定值是由工艺规定的，是一个定制，因此，