锅炉控制系统设计1文档格式.docx
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1.3锅炉过程控制系统
锅炉燃烧控制系统由主蒸汽压力控制系统和炉膛压力控制系统组成，它的控制任务是使燃料流量随蒸汽负荷的变化而变化，当燃料流量变化时，空气流量也要随之变化以维持最佳风煤比，保证锅炉燃烧的经济性；
在炉膛压力控制系统中，炉膛负压主要是受引风量的变化而变化的，所以通过改变引风量来使炉膛负压保持在-20Pa左右，从而使锅炉安全的运行！
1.4过热蒸汽温度控制系统
蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。
控制任务是使过热器出口温度维持在允许范围内，并保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度。
过热蒸汽温度过高或过低，对锅炉运行和蒸汽用户设备都是不利的。
过热蒸汽温度过高，过热器容易损坏，汽轮机也因内部过度的热膨胀而严重影响安全运行；
过热蒸汽温度过低，一方面使设备的效率降低，同时使汽轮机后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损。
所以必须把过热器出口蒸汽的温度控制在规定的范围内，并保证管壁温度控制在规定的范围内。
过热蒸汽温度控制的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，因此要采用以减温器出口温度为副参数的串级控制系统，这样可以提高对过热蒸汽温度的控制质量。
第二章锅炉控制系统设计
2.1锅炉控制系统的任务
锅炉系统的控制与燃料种类、燃烧设备以及锅炉形式等有密切关系。
现侧重以燃煤锅炉来讨论燃烧过程的控制。
燃烧过程的控制基本要求由三个：
第一、保证出口蒸汽压力稳定，能按负荷要求自动增减燃料量；
第二、燃烧良好，供气适宜，既要防止由于空气不足使烟囱冒黑烟，也不要因空气过量而增加热量损失；
第三、保证锅炉安全运行。
在该控制系统中，可选用的操纵变量也由3个：
燃料量、送风量和引风量。
组成的燃烧系统的控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要；
使燃料与空气量之间保持一定的比值，保证燃烧的经济性和锅炉的安全运行；
使引风量与送风量相适应，保持炉膛一定的负压，以免负压太小，甚至为正，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。
此外，还需防止燃烧嘴背压太高时脱火，燃
烧嘴背压太低时回火的危险。
2.2锅炉控制系统的组成
锅炉控制系统由主蒸汽压力控制系统和炉膛负压控制系统。
主蒸汽压力控制系统又包含燃料控制系统和送风控制系统，由于这两个控制系统是紧密联系的，所以一般不将它们分开讨论；
在炉膛负压控制系统中，送风量对炉膛压力的影响很小，炉膛压力主要是靠引风机来调节的，所以有时它也被称为引风控制系统。
在整个锅炉燃烧控制系统中，蒸汽压力的变化表示锅炉蒸汽的产生量与负荷的耗汽量不相适应，因此必须相应的而改变燃料的供应量，以改变锅炉蒸汽的产量。
当燃料改变时，必须相应的改变送风量，使燃料量与空气量相适应，保证燃烧过程有较高的经济性。
同时，当送风量改变时，也应该相应的改变引风量，从而使得炉膛压力保持在-20Pa左右。
2.2.1主蒸汽压力控制系统
本炉采用中间储仓式制粉系统，其特点是制粉系统出力的变化并不直接影响锅炉的负荷。
当锅炉负荷发生变动时，是通过改变给粉机转速进行的。
当锅炉负荷变化，调节给粉机转速时，给粉量的增减应缓慢进行，调节范围不易太大。
若转速过高，不但会因煤粉浓度过大堵塞一次风管，而且容易使给粉机超负荷。
若转速过低，则在炉膛温度不太高的情况下，由于浓度不足，着火不稳，容易发生熄火。
给粉机的转速控制在300～800r/min的范围内。
调整给粉机转速的同时，应注意调整送、引风量，保持汽压和汽温的稳定。
增加负荷时，先增加风量，随之增加给粉量；
减负荷时，先减少给粉量，随之减少风量，并使同层给粉机的下粉量一致，以便于配风。
当外界负荷变化而需要调节锅炉出力时，随着燃料量的改变，锅炉的风量也需要作出相应的调节。
在锅炉运行中，实际进入炉内的空气不可能全部与燃料接触并发生完全反应。
为了减少化学不完全燃烧热损失和烟气热损失，获得良好的燃烧效率，实际送入炉内的空气量通常比理论计算空气量多一些，两者之比称为过量空气系数α。
过量空气系数的控制是通过烟气分析仪测量烟气中的O2成分来实现的。
由于目前普遍采用氧量计，过量空气系数α与烟气中O2含量关系如式3-1所示：
（3-1）
式中O2—烟气中的含氧量，%；
α—过量空气系数。
因此运行人员可直接根据氧量表的数值来控制送入炉膛内空气量，而不必换算过量空气系数。
从运行经济来看，在一定范围内，随着炉膛内过量空气系数的增大，可以改善燃料与空气的接触和混合，有利于完全燃烧，使化学不完全燃烧损失降低。
但是，当过量空气系数过大时，则因炉膛温度降低和烟气流速加快使燃烧时间缩短，可能使不完全燃烧损失反而增加，而烟气热损失则总是随着过量空气系数的增大而增加的。
所以，过量空气系数过大时，锅炉总的热损失就要增加，与此同时，还将使送、引风机的电耗增大。
合理的过量空气系数应使各项热损失之和为最小。
从锅炉工作的安全性来看，炉内过量空气系数过小，会使燃料燃烧不完全，造成烟气中含有较多的未燃尽炭黑和一氧化碳可燃气体等，在尾部烟道可能发生可燃物在燃烧。
由于灰分在还原性气体中熔点降低，易引起炉内结渣以及高温硫腐蚀等不良后果。
过大的过量空气系数使煤粉炉受热面管子和引风机叶片的磨损加剧，影响设备的使用寿命。
此外，过量空气系数增大时，由于过剩氧的相应增加，将使燃料中的硫形成三氧化硫，烟气露点也相应提高，从而使空气预热器发生腐蚀。
同时，烟气中的氧化氮也将增多，影响排放指标。
总之送风量过大或过小都会给锅炉的安全运行带来不良的影响。
锅炉总风量的调节是通过改变送风机的出力来实现的。
本炉所使用的送风机为轴流风机，通过改变风机动叶角度来调节风量。
在锅炉的风量控制中除了改变总风量外，一、二次风的配合调节也是十分重要的。
一、二次风的风量分配应根据它们所起的作用进行调节。
一次风量应已能满足进入炉膛的分粉混合物挥发燃烧及固体焦炭的氧化需要为原则，二次风量不仅应满足燃烧需要，而且还应起到补充一次风末段空气量不足的作用。
此外，二次风应能与进入炉膛的可燃物充分混合，这就需要较大的二次风速，对高温火焰起到搅拌混合的作用，以强化燃烧。
当两台风机均运行时，在调节风量的过程中，通常应同时改变两台风机的风量，并注意观察电动机的电流以及风机出口压和风量是否同步变化，并防止轴流风机进入不稳定区域运行。
风量调节时，还应通过炉膛出口氧量的变化，来判定是否已满足需要。
高负荷情况下，还应注意防止电动机的电流。
2.2.2炉膛压力控制系统
炉膛压力是反应燃烧工况稳定与否的重要参数。
炉内燃烧工况一旦发生变化，炉膛压力将迅速发生相应的变化。
当锅炉的燃烧系统发生故障时，最先将在炉膛压力的变化上反应出来，而后才是蒸汽参数的一系列变化。
因此，监视和控制炉膛压力，对于保证炉内燃烧工况的稳定具有及其重要的意义。
炉膛负压过大，将会增加炉膛和烟道的漏风，锅炉在低负荷或燃烧工况不稳的情况下运行时，便有可能由于漏入冷风而造成燃烧恶化，甚至发生锅炉熄灭。
反之，若炉膛压力偏正，则炉膛内的高温火焰就有可能外喷，不但影响环境卫生还将造成设备损坏或引起人身事故。
运行中引起炉膛负压波动的主要原因是燃烧工况的变化。
为了使炉内燃烧连续进行，必须不间断的向炉膛供给燃料燃烧所需的空气，并将燃烧后产生的烟气及时排走。
在燃烧产生烟气及其排放的过程中，如果排出炉膛的烟气量等于燃烧产生的烟气量，则进、出炉膛的物质保持平衡，此时炉膛负压就相对保持不变。
若上述平衡遭到破坏，则炉膛负压就要发生变化。
例如在引风量未变时，增加送风量，就会使炉膛出现正压。
运行中即使送、引风量保持不变，由于燃烧工况总有小量的变化，故炉膛压力总是波动的。
当燃烧不稳时，炉膛压力将产生剧烈的波动，炉膛风压表相应作大幅度的剧烈晃动。
运行经验表明：
当炉膛压力发生剧烈波动时，往往是熄火的预兆，这时必须加强监视炉内燃烧工况，分析原因，并及时进行调整和处理。
炉膛压力通常是通过改变引风机的出力来调节的。
引风机的风量调节方法要求和送风机基本相同。
2.3锅炉控制系统中被控变量的选择
被控变量的选择是控制系统设计的核心问题，选择得正确与否，会直接关系到生产的稳定操作、产品产量和质量的提高以及生产安全与劳动条件的改善等。
如果被控变量选择不当，不论采用何种仪表，组成什么样的控制系统，都不能达到预期的控制效果，满足不了生产的技术要求。
为此，自控设计人员必须深入生产实际，进行调查研究，只有在熟悉生产工艺的基础上才能正确的选择相互被控变量。
在锅炉燃烧控制系统中包含两个控制系统：
主蒸汽压力控制系统和炉膛压力控制系统，而主蒸汽压力又由主蒸汽压力与燃料流量构成的燃料控制系统和燃料流量与空气流量构成的送风控制系统组成；
炉膛压力的变化主要是由引风量的调节来实现的，所以有时，也可以把炉膛压力控制系统称为引风控制系统。
如果想要对该系统进行高效、精确的控制，首先得依次对这三个子控制系统进行被控变量的选择。
在燃料控制系统中，要完成的任务是使燃料流量的变化要随着蒸汽负荷的变化而变化，所以很明显的可以看出在该系统中，被控变量是蒸汽压力（负荷），操纵变量是燃料量；
在送风控制系统中，要求保持合理的风、煤配合，才能使锅炉经济的燃烧，所以该控制系统的被控变量是烟气成分，操纵变量是送风量；
在引风控制系统中，主要的目的是使炉膛负压能够保持在一定的范围内，从而保证锅炉的安全运行，所以它的控制变量是炉膛负压，操纵变量是引风量。
2.4锅炉控制系统控制方案的确定
2.4.1主蒸汽压力控制系统方案的确定
蒸汽压力的主要扰动是蒸汽负荷的变化与燃料量的波动。
当蒸汽负荷及燃料量波动较小时，可以采用蒸汽压力来控制燃料量的单回路控制系统，系统方框图如下：
图3.1蒸汽压力控制燃料量的单回路控制系统方框图
但是，从上图我们明显的可以看出：
当燃料流量波动较大时，等到主蒸汽压力控制器感受到这样的偏差去控制调节阀时，燃料量已不是原来的流量了，所以对它的控制总是存在着一定的偏差和滞后的。
所以，要对燃料流量设置一个调节器，让它对干扰进行快速的控制，这便构成了一个串级控制系统。
图3.2蒸汽压力控制燃料量的串级控制系统方框图
当燃料量改变时，必须相应的改变送风量，使燃料量与空气量的比值达到一个最优比以保证锅炉燃烧的经济性。
在这里，不管燃料量还是送风量都应该是可控制的，所以采用的是双闭环比值控制系统，它在提降量上也是很方便的，只要缓慢的改变主流量的给定值，就可以提降主流量，同时副变量也就跟踪提降，并保持两者比值不变。
在该系统中空气量是随着燃料量变化的，所以燃料量是主流量，空气流量是副流量。
图3.3双闭环比值控制系统方框图
通过上述的分析，得到了燃烧过程的基本控制控制方案如下
图3.4燃烧过程的基本控制方案
为了使锅炉能够充分且完全的燃烧：
在蒸汽量要求增加时，应先加大空气量，后加大燃料量；
在蒸汽量要求减小时，应先减燃料量，后减空气量。
完成该逻辑提降量是依靠系统中设置的两个选择器：
高选择器HS，低选择器LS。
如图3.5所示。
在正常工况下，即系统处于稳定状态时，蒸汽压力控制器的输出Ip等于燃料流量变送器输出I1，也等于空气流量变送器的输出呈上空气过剩系数K后的值I2。
高、低选择器的两个输入端信号是相等的，整个系统犹如不加选择器时的串级和比值控制组合的系统进行工作。
当系统进行提量时，随着蒸汽量的增加，蒸汽压力减少，压力控制器的输出Ip增加（根据串级控制系统的要求，压力控制器应选用反作用式控制器），这个增加了的信号不被低选器选中，而被高选器选中，它直接改变空气流量控制器的
图3.4燃烧过程的改进控制方案
给定值，命令空气量增加，也就使I2开始增加。
因此时I2<
Ip，I2被低选器选中，从而改变燃料流量控制器给定值，命令提量。
这一过程保证在增加燃料量前。
先加大空气量，使燃烧完全。
整个提量过程直至Ip=I1=I2时，系统又恢复到正常工况时的稳定状态。
在系统降量时，蒸汽压力增加，蒸汽压力控制器的输出减少，因而它被低选器选中，作为燃料流量控制器的给定值而命令燃料降量。
燃料降低，经变送器的测量信号为高选器选中，作为空气流量控制器的给定值，命令空气降量，降量过程直至Ip=I1=I2，系统又恢复到稳定状态。
这样就实现了提量时先提空气量，后提燃料量，降量时先降燃料量，后降空气量的逻辑要求。
前面介绍的锅炉燃烧过程的燃料与空气比值控制存在两个不足之处。
首先不能保证两者的最优比，这是由于流量测量的误差以及燃料的质量（水分、灰分等）的变化所造成的。
另外，锅炉负荷不同时，两者的最优比也应有所不同。
为此，要有一个检验燃料与空气适宜配比的指标，作为送风量的校正信号。
通常用烟气中的氧含量作为送风量的校正信号。
锅炉的热效率（经济燃烧）最简便的检测方法，是用烟气中的氧含量来表示。
根据燃烧方程式，可以计算出燃料完全燃烧时所需的氧量，从而可以得出所需的空气量，成为理论空气量QT。
但是，实际上完全燃烧所需的空气量QP要超过理论空气量QT，即需要一定的过剩空气量。
当过剩空气量增多时，不仅使炉膛温度下降，而且也使最重要的烟气热损失增加。
因此，对不同的燃料，过剩空气量都有一个最优值，即所谓最经济燃烧，如图3.5所示。
对于煤粉燃料，最优过剩空气量约为8%~15%。
过剩空气量常用过剩空气系数α来表示，即实际空气量QP与理论空气量QT之比：
（3-2）
因此，α为衡量经济燃烧的一种指标。
α很难直接测量，但与烟气中氧含量有直接关系，可用近似式表示：
（3-3）
式中AO为烟气中的氧含量。
图3.5过剩空气量与能量损失的关系
图3.6示出了过剩空气量烟气中氧含量及锅炉效率之间的关系。
从图中可看出，与锅炉最高效率对应的α在1.08~1.15，AO的最优值为（1.6%~3%）O2。
图3.6过剩空气量与O2及锅炉效率间的关系
根据上述可知，只要在图3.2的控制方案中，对进风量用烟气氧含量加以校正，就可构成图3.5所示的烟气中氧含量的闭环控制方案，在此烟气氧含量的闭环控制方
图3.7烟气中氧含量的闭环控制方案
案中，只要把氧含量成分控制器的给定值，按正常负荷下烟气氧含量的最优值设定，就能使过剩空气系数α稳定在最优值，保证锅炉燃烧最经济、热效率最高。
2.4.2炉膛压力控制系统控制发案的确定
2.4.2.1炉膛压力控制系统
炉膛负压控制系统也叫引风控制系统，它的控制一般可通过控制引风量来实现。
当锅炉负荷变化较小时，单回路的控制系统就能满足；
但是，当炉膛负荷变化较大时，单回路就很难控制，因负荷变化后，燃料及送风量均将变化，但引风量只有在炉膛负压产生偏差时，才能由引风控制器去控制，这样引风量的变化落后于送风量。
为此用反映负荷变化的蒸汽压力作为前馈信号，K为静态前馈放大系数。
通常把炉膛负压控制在-20Pa左右。
2.4.2.2有关安全保护系统
当炉膛负压太小，甚至为正时，会造成炉膛内热烟气玩外冒出，影响设备和工作人员的安全；
如果炉膛负压过大，会使冷空气漏进炉内，从而使热量损失增加，以要采取相应的安全保护系统。
（1）防脱火系统这是一个选择性控制系统，在燃烧背压正常情况下，由蒸汽压力控制器控制燃料阀，维持锅炉出口蒸汽压力稳定。
当燃烧嘴背压过高时，为避免造成脱火危险，此时背压控制器P2C通过低选器LS控制燃料阀，把阀关小，使背压下降，防止脱火。
在上图中，低选择器输出PY与输入信号的关系如下：
当PA<
PB时，PY=PA
当PA>
PB时，PY=PB
且以上两个控制器均为反作用（这是根据系统的要求确定，有关控制器正反作用的选择问题待后面讨论），其中P1C为正常情况下工作的控制器，P2C为非正常情况下工作的控制器，而且是窄比例的（即比例放大倍数很大）。
在正常情况下，燃料压力低于产生脱火的压力（即低于给定值），P2C感受到的是负偏差，因此，它的输出PB呈现为高信号（因为P2C为反作用。
窄比例）。
而与此同时P1C的输出信号相对来说则呈现为低信号。
这样，低选器LS将选中P1C的输出PA送往控制阀，构成蒸汽压力控制系统。
当燃料压力上升到超过P2C的给定值（脱火压力）时，P2C感受到的是正偏差，由于它是反作用、窄比例。
因此P2C的输出PB一下跌为低信号。
于是低选择器LS就改选P2C的输出PB送往控制阀，构成燃料压力控制系统，从而控制燃料压力的上升，达到防止脱火的产生。
待燃料压力下降到低于给定值时，PB又迅速上升为高信号，而蒸汽压力控制P1C输出PA相对而言又成为低信号，为低选择器重新选中送往控制阀，重新构成蒸汽压力控制系统
（2）防回火系统当燃料压力不足时，燃料气管线的压力又可能低于燃烧室压力，这样就会出现危险的“回火”现象，这会危机燃料气罐发生燃烧和爆炸，因此必须设法加以防止。
为此可以在原有的炉膛负压控制系统中增加一只带下限接点的压力控制器P3C和一个电磁三通阀。
当燃料压力正常时，P3C下限接点是断开的，电磁阀是失电，低选器LS输出直通控制阀，此时系统的工作情况和以上防止脱火的工作情况相同。
一旦燃料压力下降到低于下限值，P3C下限接点接通，电磁阀得电，于是便切断了低选器LS至控制阀的通路，并使控制阀的膜头与大气相通，膜头压力将迅速降至零，于是控制阀将关闭，以防止“回火”产生。
当燃料气管线压力慢慢上升到正常值时，P3C接点又复断开，电磁阀复断开，于是低选器LS的输出又能直通控制阀，恢复到正常的工作状态。
图3.8炉膛负压与安全保护控制系统
2.5锅炉控制系统的实施
2.5.1锅炉控制系统控制器规律的选择
工业用控制器常见的有开关控制器、比例控制器、比例-积分控制器、比例-微分控制器、比例-积分-微分控制器。
过程工业中常见的被控参数有温度、压力、液位和流量。
而这些参数有些是重要的生产参数，有些是不太重要的参数，控制要求也是各种各样，因此控制器规律的选择要根据具体情况而定，但是有一些基本原则可在选择时加以考虑：
1）对于不太重要的参数，例如中间储罐液位、热量回收预热系统等，控制一般要求不太严格，可考虑采用比例控制，甚至采用开关控制；
2）对于不太重要的参数，但是惯性较大，又不希望动态偏差较大，可考虑采用比例-微分控制器，但是对于系统噪声较大的参数，例如流量，则不能选用比例-微分控制器；
3）对于比较重要的，控制精度要求比较高的参数，可采用比例-积分控制器；
4）对于比较重要的，控制精度要求比较高，希望动态偏差较小、控制对象的时间滞后比较大的参数，应当采用比例-积分-微分控制器。
2.5.1.1主蒸汽压力控制系统控制器规律的选择
在该控制系统中，蒸汽压力和燃料流量构成的是串级控制系统：
在串级控制系统中，主、副控制器的类型是根据控制的要求进行选择的。
串级系统中主变量是生产工艺的主要操作指标，它直接关系到产品的质量和生产的安全，工艺上对它的要求比较严格，一般来说，主变量不允许有余差。
而对副变量的要求一般都很不严格，允许它有波动和有余差。
因为副变量的稳定并不是目的，设置副变量的目的就在于保证和提高主变量的控制质量。
在干扰作用下，为了维持主变量的不变，副变量就要变。
另外，从串级控制系统的结构上看，主环是一个定值系统，主控制器起着定值控制作用。
为了主变量的稳定，主控制器必须有积分作用，因此主控制器一般选用比例-积分控制器。
然而副环是一个随动系统，它的给定值跟随主控制器的输出的变化而变化，为了能快速跟踪，副控制器不带积分，因为积分会使跟踪变的缓慢。
所以副控制器采用比例控制器。
燃料流量与空气流量组成的是双闭环比值控制系统，在该闭环比值控制系统中，主流量是燃料流量，副流量是空气流量。
首先两流量不仅要保持恒定的比值，而且主流量要实现定值控制，其结果是副流量的设定值也是恒定的，所以两个调节器均应选比例-积分控制规律。
2.5.1.2炉膛压力控制系统控制器规律的选择
在该系统中，炉膛负压是一个单纯的前馈-反馈控制系统：
反馈回路是一个简单的单回路控制系统，它的对象是炉膛负压，所以该控制器可以选比例-积分控制规律，前馈控制器则直接选用具有比例作用的控制器；
安全保护控制系统是一个混合型选择性控制系统：
一般正常工作的控制器起着保证产品质量的作用，因此，应选比例积分形式，由于该控制系统的对象是压力对象，所以不考虑微分作用；
至于在非正常情况工作下的控制器，为了使它能在生产处于不正常情况时迅速而及时地采取措施，以防事故的发生，其控制规律应选窄比例式（即比例放大倍数很大）。
选择器的类型可以根据生产处于不正常情况下、非正常情况控制器的输出信号高、低来确定，如果在这种情况下它的输出为高信号，则应选高选器；
如果在这种情况下它的输出为低信号，则应选低选器。
2.6锅炉控制系统中控制器的正、反作用的选择
2.6.1主蒸汽压力控制系统控制器正、反作用的选择
主、副控制器正、反作用的选择顺序应该是先副后主。
副控制器的正、反作用要根据副环的具体情况决定，而与主环无关。
考虑问题的出发点与单回路控制系统相同，即为了使副回路构成一个稳定的系统，对于副回路可将它视为一个放大倍数为“正”的环节来看待，因为副回路是一个随动系统，对它的要求是：
副变量能快捷的跟踪给定值。
在蒸汽压力和燃料流量构成的串级控制系统中，蒸汽压力控制器为主控制器，燃料流量控制器为副控制器，当系统处于危险状况时，燃料阀应处于关闭状态，则阀门为气开阀，所以KV为正；
当阀门开度增加时，燃料流量增加，所以K0为正，变送器一直为正，故Km为正；
由KVK0KmKC为正可得KC为正，所以燃料控制器（副控制器）为反作用控制器，这样，只根据主对象与主变送器放大倍数的符号就可以确定主控制器的正、反作用；
当阀门打开时，主蒸汽压力上升，所以K01为正，主变送器为正，Km为正，所以KC1为正，故主压力控制器（主控制器）为反作用控制器。
同理可知空气流量控制器也为反作用控制器。
2.6.2炉膛压力控制系统控制器正、反作用的选择
在炉膛负压控制系统中，当该系统处于危险状况时，阀门应处于打开状态，则阀门为气闭阀，所以KV为负；
当阀门开
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