过程控制专业课程设计范文

综述

锅炉燃烧控制是一种非常复杂多变过程，其特点是控制变量多、惯性与延迟大，非线

性严重，并且在不同负荷下控制过程特性也随之不同，无定性规律可循，故难以建立较为

精准数学模型。随着火力发电机组容量和参数不断提高，该控制过程多变性也变得更为复

杂，从而对机组可控性提出了更高规定。因而，如何更全面有效地获得燃烧信息，并及时、

精确地加以调节和控制，以避免和减少事故损失，提高机组经济性，就变得更为必要。

燃料量到蒸汽压力这个通道是一种纯滞后对象，当燃料量发生扰动时，将使蒸汽压力

产生波动，影响机组正常运营。选取并引入恰当燃料负反馈信号，是实现燃料控制系统调

节精准性重要环节，而燃料量信号精确测量问题解决，是实现燃料控制基本前提。

燃烧控制系统重要涉及燃料控制系统、风量控制系统、炉膛压力控制系统。当前大某

些锅炉燃烧控制系统依然采用PID控制。燃烧控制系统由主蒸汽压力控制和燃烧率控制构

成串级控制系统，其中燃烧率控制由燃料量控制、送风量控制、引风量控制构成，各个子

控制系统分别通过不同测量、控制手段来保证经济燃烧和安全燃烧。

1锅炉燃烧系统控制目的和任务

1.1锅炉燃烧系统重要有三大控制目的

1.1.1主蒸汽压力控制

重要通过调节输入燃料量和送风量多少来实现。当“负荷流量”增长时，压力会下降,

为了保证流量供应，必要提高压力使其返回到额定值,因而调节手段重要是增长燃料输入

量和送风量；当“负荷流量”下降时，压力会上升，为了保证流量供应，须减少压力使其

返回额定值，这时调节手段重要是减少燃料输入量和送风量；当“负荷流量”恒定期，保

持压力为额定值不变。

1.1.2炉膛内含氧量控制

重要通过调节空气（即送风量）和燃料输入成一定比例来实现。普通状况下，燃料增

长时，燃料耗氧量要增长，为了保证含氧量不致于过低，调节手段是必要相应地增长一定

比例空气量（送风量）；燃料减少时，燃料耗氧量会减少，为了保证含氧量不致于过高，

这时调节手段应当是成比例地减少一定空气量（送风量）。

1.1.3炉膛负压控制

重要通过调节引风机引风量来实现。当燃料和送风需要增长时，炉膛负压势必会向正

压方向减小，为了保证负压，调节手段应当是先增长引风量；当燃料和送风需要减少时，

炉膛负压势必会向负方向增大，这时调节手段应当是先减少引风量。锅炉燃烧控制系统设

计是为了使燃料燃烧产生热量适应蒸汽负荷规定，同步保证锅炉经济、安全运营

1.2锅炉燃烧自动调节任务

锅炉燃烧过程是一种将燃料化学能转变为热能，燃烧自动调节任务是使燃料所提供热

量适应蒸汽负荷需要，同步保证锅炉经济、安全运营。每台锅炉燃烧控制系统选取，是依

照燃料种类、制粉系统类型、燃烧设备构造以及锅炉运营方式不同而有区别。普通来说控

制系统任务涉及如下几种某些。

1.2.1维持主蒸汽压力稳定

主蒸汽压力变化反映了发电机输出能量与锅炉输入能量之间能量不平衡。燃料量调节

目是调节进入锅炉燃料燃烧所产生蒸汽量与外界需求蒸汽量相适应。

1.2.2保证锅炉燃烧经济性

燃料量变化时也应当相应变化进入炉膛空气量以保证燃料完全燃烧和排烟损失最小，

减少未燃尽损失，同步要防止锅炉金属烟气侧腐蚀和减少对空气污染。因此送风量调节目

是保证锅炉燃烧过程经济性。

1.2.3维持炉膛压力稳定

目是使引风量与送风量相适应，并保持炉膛负压在规定范畴内，锅炉炉膛压力反映了

燃烧过程中进入炉膛风量与流出炉膛烟气量之间工质之间平衡关系，这关系到安全、经济

运营。

以上三项控制任务是互有关连，在设计燃烧控制系统去完毕上述三项调节任务时，可

以用三个调节器去控制三个调节变量（燃料量、送风量和引风量）以维持三个被调量（主

蒸汽压力、过剩空气系数和炉膛压力）

2锅炉控制系统普通构造与工作原理

锅炉控制系统，普通有蒸汽压力、汽包液位、炉膛负压、除氧器水位、除氢器压力等

控制系统。锅炉燃烧控制实质上是能量平衡系统，它以蒸汽压力作为能量平衡指标，不断

依照用汽量与压力变化调节燃料量与送风量，同步保证燃料充分燃烧及热量充分运用。

常用锅炉系统如图1-1所示。一方面除氧水通过给水泵进入给水调节阀，通过给水

调节阀进入省煤器，冷水在通过省煤器过程中被由炉膛排出烟气预热，变成温水进入汽包,

在汽包内加热至沸腾产生蒸汽，为了保证有最大蒸发而因而水位要保持在锅炉上汽包中线

位置，蒸汽通过主蒸汽阀输出。空气通过鼓风机进入空气预热器，在通过空气预热器过程

中被由炉膛排出烟气预热，变成热空气进入炉膛。煤通过煤斗落在炉排上，在炉排缓慢转

动下煤进入炉膛被前面火点燃，在燃烧过程中发出热量加热汽包中水，同步产生热烟气。

在引风机抽吸作用下通过省煤气和空气预热器，把预热传导给进入锅炉水和空气。通过这

种方式使锅炉热能得到节约。降温后烟气通过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通过烟

囱排出。

图2-1锅炉控制系统硬件构成

3锅炉燃烧调节系统

3.1蒸汽压力调节对象特性

引起蒸汽压力变化重要因素是燃料量和用汽负荷发生变化，其动态特性如下。

3.1.1燃料量扰动下汽压变化特性

在用汽负荷不变状况下，如锅炉燃料量(B)发生4B阶跃扰动，此时汽压飞升曲线如图

3-1(a)所示。此时对象没有自平衡能力，具备较大迟滞和惯性。但如果锅炉出口用汽阀

门开度不变，那么由于汽压因燃料量扰动而发生变化时，蒸汽流量也将发生变化。由于汽

压变化时，蒸汽流量增大自发地限制了汽压变化，因而对象有平衡能力。此时汽压飞升曲

线如图37(b)所示。

3.1.2用汽负荷扰动下汽压变化特性

负荷阶跃扰动下，汽压变化动态特性也有下列两种状况：当用汽阀门阶跃扰动时，对

象体现出具备自平衡能力，没有延迟，但有较大惯性，并有一种与阀门变化成比例启始奔

腾，飞升曲线如图3-1(c)所示；当用汽量阶跃扰动时，其飞升曲线如图3-l(d)所示，此

时对象没有自平衡能力，如果不及时增长进入锅炉燃料量，那么，汽压将始终下降。

曲线

图3-1汽压调节对象特性

3.2送风自动调节对象特性

送风调节系统工作好坏，直接影响炉膛空气过剩系数变化也就是排出烟气含氧量。引

起空气过剩系数变化重要扰动是燃料量和送风量配比。风量扰动下对象动态特性具备较大

自平衡能力，几乎没有延迟和惯性，近似为一比例环节。而燃料量扰动时;需通过输送和

燃烧过程而略有延迟。由于送风系统几乎没有延迟和惯性。因此在燃料充分状况下送风量

大小将比较直接反映在锅炉蒸汽压力上。那么如何才干保证股风量和燃料量搭配适当，这

里咱们引入了风煤比这个概念。风煤比就是在当前风量下所能燃烧煤最大值。在控制作用

中风煤比重要是依照当前风量来限制炉排转速，防止由于风量不够导致煤不能充分燃烧。

该参数对节煤和环保均有很大意义。由于如果不能充分燃烧将会导致煤渣含炭量增高，这

样比较挥霍煤，同步还会导致烟气含炭量增高影响排放。

3.3炉膛负压自动调节对象特性

炉膛负压自动调节对象动态特性较好，但扰动通道飞升时间很短，飞升速度不久。

依照以上对燃烧系统调节对象分析，下面咱们针对燃烧自动控制系统三个任务对控制

采用方案进行分析。

燃烧过程控制系统普通采用控制流程图如图3-2(a)所示，先通过蒸汽压力变送器经

滤波后获得信号，与设定蒸汽压力进行比较，判断出鼓风P1调节器调节方向和大小，通

过鼓风PT调节单元计算出鼓风变频器输出大小。同步把该信号输出给风煤比计算单元，

相应算出在当时风量下炉排最大输出值。再把蒸汽压力差值信号送给炉排PI调节器，通

过炉排PI调节单元计算出炉排变频器输出大小。通过风煤比限位，输出给炉排变频器。

在实际调试过程中咱们往往把鼓风PI调节中比例系数设比炉排PI单元大，这样可以较好

保证鼓风系统对蒸汽压力敏感度要高于炉排。实践证明通过该办法控制下锅炉蒸汽压力稳

定性好，在蒸汽负荷变化时相应限度高。灰渣含碳量低。

炉膛负压大小对于节能影响很大。负压大，被烟气带走热量大，热损失增长，煤耗量

增大，抱负运营状态应在微负压状态。它能明显增长悬浮煤颗粒在炉膛内滞留时间，增长

沉降，减少飞灰，使煤充分燃烧提高热效率。但由于负荷变化，需要变化给煤量和送风量,

随之也要变化引风量，以保证炉膛负压稳定，但由于系统有一定滞后时间，为避免鼓风变

化而引起炉膛负压波动，系统中引入鼓风信号作为前馈信号对引风机进行超前调节。炉膛

负压控制系统普通采用控制流程图如图3-2(b)所示，调节原理比较简朴属于单闭环调节

系统，它输入量是炉膛负压输出量是引风变频器，同步引入鼓风量作为前馈信号。

图3-2

此外系统各回路中都设立了手自动两种操作方式，为了实现无扰动切换，系统引入了

各控制对象反馈值，在手动操作时PLC输出会自动跟踪控制对象反馈，当切换到自动状态

时可以进行无扰动切换，使系统平稳过渡到自动状态。

4锅炉燃烧控制系统原理

锅炉燃烧控制系统由主蒸汽压力控制和燃烧率控制构成串级控制系统，其燃烧率控制

由燃料量控制、送风量控制以及引风量控制等子系统构成。各子系统互相间构成比值控制

系统。

主蒸汽压力控制任务是维持主蒸汽压力稳定。主控制器依照主蒸汽压力变化，向

燃烧率控制中各子系统发出负荷指令。以使锅炉燃烧率与外界负荷相适应。

燃烧率控制各子系统依照燃烧率指令调节炉膛热负荷，并保持燃料、送风和引风

等参数协调动作。其中燃料量控制和送风量控制两个子系统依照燃烧率指令分别调节进入

炉膛燃料量与送风量，保证炉膛热负荷满足外界负荷变化需要，同步保证燃烧经济性。引

风量控制子系统依照炉膛压力调节引风量，由于炉膛压力能迅速反映送风和引风扰动，因

而依照炉膛压力调节引风与送风协调变化，维持炉膛压力稳定。

5锅炉燃烧控制系统被控对象环节划分

锅炉燃烧流程是一种复杂过程：燃料与相应送风量进入炉膛，燃料燃烧产生热量被布

置在炉膛四周蒸发受热面吸取而产生蒸汽，蒸汽流进过热器加热成过热蒸汽，过热蒸汽由

蒸汽管道送入汽轮机做功C依照其生产流程，可画出

压调节对象方框图，如图5T所示。

图5T汽压被控对象方框图

5.1锅炉燃烧某些

锅炉燃烧某些涉及燃料调节机构动作之后，燃料进入炉膛燃烧，所释放热量由炉

内受热面吸取整个过程。单位时间炉膛内燃烧燃料量B变化一方面引起炉膛受热面燃料发

热量（炉膛热负荷）Qr变化，燃烧和传热过程是一种复杂化学物理过程，燃料量变化后，

一方面将热量传给受热面金属管壁（辐射传热和对流传热同步进行），然后将热量传给锅

炉汽水容积。而金属管壁热量及汽水热容量乂是一种有分相参数容积。因而，简朴乂精

确表达上述燃烧和传热动态关系较为困难，普通可用一种滞后环节（其中大某些是容积滞

后）来表达，不致引起过大误差，因此环节1传递函数可近似用一种带有纯滞后比例环节

来表达：

用（5）=忌="3，

B（S）（5-1）

式中KB——燃料量B变化引起锅炉炉膛热负荷Qr变化比例系数，kj/kg；

TB——燃料量变化至炉膛热负荷变化纯滞后时间.s0

5.2蒸发某些

对于锅炉受热面，其流入量是燃料燃烧后传给受热而热量Qr,并有一某些热量储

存在锅炉中。炉膛热负荷变化会引起汽包压力Pb变化，而汽包压力Pb反映了流入热量与

流出热量平衡关系。以热量信号DQ与蒸汽流量信号D之差为输入量，以汽包压力Pb为输出

量，这是一种积分环节，其积分时间大小取决于锅炉蓄热系数Cb。因此环节2传递函数表

达为:

W3=Ai

功⑸一。⑸c,s

(5-2)

其中Cb——蓄热系数，kg/MPa；

DQ——用蒸汽流量单位表达锅炉汽水容积吸热量，kg/so

其中i”——过热器焰值，kj/kg；

is——给水焰值，kj/kg；

5.3过热器某些

过热器进口压力是汽包压力Pb,出口压力为主蒸汽压力PT,汽包压力与主蒸汽压

力之差Pb-PT与过热器流通阻力、蒸汽流量D关于，它们之间关系可用一种比例环节来表

达，其传递函数为：

巴⑸一丹⑸(5-3)

其中Rrh——过热器动态阻力，cm2/sc

5.4主蒸汽管道某些

把主蒸汽管道看作一种容量系数为CM容积，则以锅炉蒸汽量与进入汽轮机蒸汽量

(汽轮机通汽量)之差D-DT为输入，以主蒸汽压力开为输出，它们之间关系表达为一种

积分环节，其传递函数为：

.P7(S)1

%D(S)-DM—(5-4)

其中CM——主蒸汽管道容量系数，kg/MPao

5.5汽轮机某些

汽轮机通汽量DT决定于主蒸汽压力PT和汽轮机调节阀开度uT,它们之间关系可

近似描述为:

。,⑸=O"P『(s)+K/")(5-5)

KT

其中，RT为汽轮机动态通流阻力系数；KT为调节阀静态放大系数。

6控制方案

锅炉燃烧自动控制系统基本任务是使燃料燃烧所提供热量适应外界对锅炉输出蒸汽

负荷规定，同步还要保证锅炉安全经济运营。一台锅炉燃料量、送风量和引风量三者控制

任务是不可分开，可以用三个控制器控制这三个控制变量，但彼此之间应互相协调，才干

可靠工作。对给定出水温度状况，则需要调节鼓风量与给煤量比例，使锅炉运营在最佳燃

烧状态。同步应使炉膛内存在一定负压，以维持锅炉热效率、避免炉膛过热向外喷火，保

证了人员安全和环境卫生C

6.1控制系统总体框架设计

燃烧过程自动控制系统方案，与锅炉设备类型、运营方式及控制规定关于，对不同状

况与规定，控制系统设计方案不同样。将单元机组燃烧过程被控对象看作是一-种多变量系

统，设计控制系统时，充分考虑工程实际问题，既保证符合运营人员操作习惯，乂要最大

限度实行燃烧优化控制。控制系统总体框架如图6-1所示。

立品£设定值■

s热

王7任设主性力后P,

ffi定例计H制系境

写

保

炉

燃

位2

过

粗

图6-1燃烧过程控制原理图

P为机组负荷热量信号为D+dPb/dt。控制系统涉及：滑压运营主汽压力设定值计算模

块(由热力系统实验获得数据，再拟合成可用DCS折线功能块实现曲线)、负荷一送风量

模糊计算模块、主蒸汽压力控制系统和送、引风控制系统等。主蒸汽压力控制系统采用常

规串级P1D控制构造。

6.2燃料量控制系统

当外界对锅炉蒸汽负荷规定变化时，必要相应变化锅炉燃烧燃料量。燃料量控制是锅

炉控制中最基本也是最重要一种系统。由于给煤量多少既影响主汽压力，也影响送、引风

量控制,还影响到汽包中蒸汽蒸发量及汽温等参数,因此燃料量控制对锅炉运营有重大影

响。燃料控制可用图6-2简朴表达。

图6-2燃料量控制方略

其中：NB为锅炉负荷规定；B为燃料量；F(x)为执行机构。

设立燃料量控制子系统目之一就是运用它来消除燃料侧内部自发扰动，改进系统调节品

质。此外，由于大型机组容量大，各某些之间联系密切，互相影响不可忽视。特别是燃料

品种变化、投入燃料供应装置台数不同等因素都会给控制系统带来影响。燃料量控制子系

统设立也为解决这些问题提供了手段。

6.3送风量控制系统

为了实现经济燃烧，当燃料量变化时，必要相应变化送风量，使送风量与燃料量相适

应。燃料量与送风量关系见图6-3。

图6-3燃料量与送风量关系

燃烧过程经济与否可以通过剩余空气系数与否适当来衡量，过剩空气系数通惯用烟气

含氧量来间接表达。实现经济燃烧最基本办法是使风量与燃料量成一定比例。

送风量控制子系统任务就是使锅炉送风量与燃料量相协调，可以达到锅炉最高热效率，保

证机组经济性，但由于锅炉热效率不能直接测量，故普通通过某些间接办法来达到目。如

图6-4所示，以实测燃料量B作为送风量调节器给定值，使送风量V和燃料量B成一定比

例。

B

图6-4燃料量空气调节系统

在稳态时，系统可保证燃料量和送风量间满足

B-avV

选取。v使送风量略不不大于B完全燃烧所需要理论空气量。这个系统长处是实现简朴,

可以消除来自负荷侧和燃料侧各种扰动。

6.4引风量控制系统

为了保持炉膛压力在规定范畴内，引风量必要与送风量相适应C炉膛压力高低也关系

着锅炉安全和经济运营。炉膛压力过低会使大量冷风漏入炉膛，将会增大引风机负荷和排

烟损失，炉膛压力太低甚至会引起内爆；反之炉膛压力高且高出大气压力时候，会使火焰

和烟气冒出，不但影响环境卫生，甚至也许影响设备和人生安全。引风量控制子系统任务

是保证一定炉膛负压力，且炉膛负压必要控制在容许范畴内，普通在-20Pa左右。

控制炉膛负压手段是调节引风机引风量，其重要外部扰动是送风量。作为调节对象，

炉膛烟道惯性很小，无论在内扰和外扰下，都近似一种比例环节。普通采用单回路调节系

统并加此前馈办法进行控制，如图6-5所示。

图6-5引风量控制子系统

图中rs为炉膛负压给定值，S为实测炉膛负压，Q为引风量，V为送风量。由于炉膛

负压事实上决定于送风量和引风量平衡，故运用送风量作为前馈信号，以改进系统调节性

能。此外，由于调节对象相称于一种比例环节，被调量反映过于敏捷，为了防止小幅度偏

差引起引风机挡板频繁动作，可设立调节器比例带自动修正环节，使得在小偏差时增大调

节器比例带。对于负压S测量信号，也需进行低通滤波，以抑制测量值激烈波动。

7系统硬件配备

在锅炉燃烧过程中，用常规仪表进行控制，存在滞后、间歇调节、烟气中氧含量超过

给定值、低负荷和烟气温度过低等问题。采用PLC对锅炉进行控制时，由于它运算速度快、

精度高、精确可靠，可适应复杂、难于解决控制系统。因而，可以解决以上由常规仪表控

制难以解决问题。所选取PLC系统规定具备较强兼容性，可用最小投资使系统建成及运转;

另一方面，当设计自动化系统要有所变化时，不需要重新编程，对输入、输出系统不需要

再重新接线，不须重新培训人员，就可使PLC系统升级；最后，系统性能较高。硬件构造

图如图7-1所示。

S7-2UUCPI226

—AjEM231极块

CP243-1模块

CVkMSOO一存储

图7-1硬件构造图

依照系统规定,选用西门子PLCS7-200CPU226作为控制核心，同步还扩展了2个EM231

模仿量输入模块和1个CP243T以太网模块。CPU226I/O点数是24/16,这样完全可以满

足系统规定。同步，选用了EM231模块，它是AD转换模块，具备4个模仿量输入，12位

AD,其采样速度25us,温度传感器、压力传感器、流量传感器以及含氧检测传感器输出

信号通过调理和放大解决后，成为。〜5V原则信号,EM231模块自动完毕AD转换。

S7-200PPI接口物理特性为RS-485,可在PPI、MPI和自由通讯口方式下工作。为实现PLC

与上位机通讯提供了各种选取。

为实现人机对话功能，如系统状态以及变量图形显示、参数修改等，还扩展了一块Eview500

系列触摸显示屏，操作控制简朴、以便，可用于设立系统参数，显示锅炉温度等。尚有

一种以太网模块CP243-1,其作用是可以让S7-200直接连入以太网，通过以太网进行远距

离互换数据，与其她S7-230进行数据传播，通信基于TCP/IP,安装以便、简朴。

8系统软件设计

控制程序采用STEP7-Micro/Win软件以梯形图方式编写,其软件框图如图8-1所示。

图8T软件主框图

S7-200PLC给出了一条PID指令,这样省去了复杂PID算法编程过程,大大以便了顾客

使用。使用PID指令有如下要点和经验：

(1)比例系数和积分时间常数拟定。应依照经验值和重复调试拟定。

(2)调节量、给定量、输出量等参数原则归一化转换。

(3)按对的顺序填写PID回路参数表(LOOPTABLE),分派好各参数地址

9道谢

通过几天努力，我完毕了这篇《过程控制与自动化仪表课程》设计。我非常感谢教师,

她们在百忙之中抽出宝贵时间指引我完毕这篇课程设计并且申阅了本设计，详细指出了设

计中局限性和错误，并且提出了宝贵意见和建议。感谢图书馆教师热情协助我查阅资料和

有关书籍，为本设计提供了大量基本资料，使我获得了丰富知识源。

在设计过程中，还得到了同窗大量协助，通过和她们讨论设计内容和借见有关书籍、

经验，使我能更好完毕这篇设计！

在此谨向她们表达衷心感谢！并但愿后来能更好合伙！

10课程设计体会

通过这次课程设计，使我深刻结识到做