锅炉安全控制技术.docx

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锅炉安全控制技术

锅炉安全控制技术

　锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。

常见的锅炉设备的主要工艺流程如图18—1所示。

由图可知，燃料和热空气按一定比例送入燃料室燃烧，生产的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds。

然后经过热器，形成一定气温的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。

压力为户M的过热蒸汽经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，最后经引风机送往烟囱，排人大气。

　　锅炉是工厂重要的动力设备，其要求是供给合格的蒸汽，使锅炉发汽量适应负荷的需要。

为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制。

锅炉设备是一个复杂的被控对象，主要参数变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等。

主要输出参数变量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等。

锅炉对象简图如图18—2所示。

　　这些参数变量之间相互关联。

如果蒸汽负荷发生变化，必将会引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化。

燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压；给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度等亦有影响；减温水的变化会导致过热蒸汽温度、蒸汽压力、汽包水位等的变化。

所以锅炉设备是一个参数且相互关联的被控对象，目前锅炉的安全生产将锅炉设备控制划为若干个安全控制系统。

主要控制系统如下。

（1）锅炉汽包水位的控制被控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。

它主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内。

维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉、汽轮机安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的重要指标。

（2）锅炉燃烧系统的控制其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要（常以蒸汽压力为被控变量）；使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证最经济燃烧（常以烟气成分为被控变量），提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压在一定的范围内。

为了达到上述三个控制目的，控制手段也有三个，即燃料量、送风量和引风量。

　　（3）过热蒸汽系统的控制维持过热器出口温度在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。

被控变量一般是过热器出口温度，操纵变量是减温器的喷水量。

　　一、汽包水位的控制

　　汽包水位是锅炉运行的主要指标。

如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又快，因而汽包内的水量变化速度很快，如不及时控制，就会使汽包的水全部汽化，导致锅炉烧坏和爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液现象，会使过热器管壁结垢导致破坏，同时过热蒸汽温度急剧下降，该蒸汽作为汽轮机动力的话，还会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全与经济性。

汽包水位过高过低的后果极为严重，所以必须严格加以控制。

　　1.汽包水位的动态特性

（1）蒸汽负荷（蒸汽流量）对水位的影响，即干扰通道的动态特性在燃料量不变的情况下，蒸汽用量突然增加，瞬时间必然导致汽包压力下降，汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，将整个水位抬高，形成虚假的水位上升现象，即所谓假水位现象。

　　在蒸汽流量振动下，水位变化的阶跃响应曲线如图18—3所示。

蒸汽流量突然增加时，由于假水位现象，在开始阶段水位不仅不会下降，反而先上升，然后下降（反之，当蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升）。

蒸汽流量突然增加时，实际水位的变化H，是不考虑水面下气泡容积变化时的水位变化H1，与只考虑水面下气泡容积变化所引起水位变化H2的叠加，即

　　H＝H1+H2

　　用传递函数来描述可以表示为

　　式中，εt为蒸汽流量的作用下，阶跃响应曲线的飞升速度；K2，T2分别为只考虑水面下气泡容积变化所引起的水位变化H2的放大倍数和时间常数。

　　假水位变化的大小与锅炉的工作压力和蒸发量等有关，例如一般100一300t／h的中高压锅炉，当负荷突然变化10％时，假水位可达30—40mm。

对于这种假水位现象，在设计控制方案时必须注意。

（2）给水流量对水位的影响，即控制通道的动态特性在给水流量作用下，水位阶跃响应曲线如图18—4所示。

把汽包和给水看作单容对象，水位响应曲线如图中H1线。

但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，使汽包中气泡含量减少，导致水位下降。

因此实际水位响应曲线如图中H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。

用传递函数来描述时，它相当于一个积分环节和一个纯滞后环节的串联，可表示为

　　式中，ε0为给水流量作用下，阶跃响应曲线的飞升速度；τ为纯滞后时间。

　　给水温度越低，线滞后时间τ亦越大。

一般，约在15一lOOs之间。

如采用省煤器，则由于省煤器本身的延迟，会使τ增加到100～200s之间。

　　（3）锅炉排污、吹灰等对水位也有影响锅炉排污直接自汽包里放水，吹灰时使用锅炉自身的蒸汽，这些都是短时间负荷的扰动。

　　2．汽包水位控制系统汽包水位的控制手段是控制给水，基于这一原理，可构成如图18—5所示的单冲量控制系统。

这里指的单冲量即汽包水位。

这种控制系统是典型的单回路控制系统。

当蒸汽负荷突然大幅度增加时，由于假水位现象，控制器不能开大给水阀增加给水量，以维持锅炉的物料平衡，而是关小控制阀的开度，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。

然而对于小型锅炉，由于汽包停留时间较长，在蒸汽负荷变化时，假水位的现象并不显著，配上一些联锁报警装置，也可以保证安全操作，故采用这种单冲量控制系统尚能满足生产的要求。

　　3．双冲量汽包水位控制系统在汽包水位的控制中，最主要的扰动是负荷的变化。

如果根据蒸汽流量来校正作用，就可以纠正虚假水位引起的误动作，而且使控制阀的动作十分及时，从而减少水位的波动，改善控制品质。

将蒸汽流量信号引入，就构成汽包水位双冲量控制系统。

图18—6是典型的汽包水位双冲量控制系统的原理及方块图。

这是一个前馈（蒸汽流量）加单回路反馈控制的复合控制系统。

这里的前馈系统仅为静态前馈，若需要考虑两条通道在动态上的差异，须加入动态补偿环节。

加法器的输出是

　　P0=C1Pc十C2Ps+Co（18—3）

　　式中，Pc为液位控制器的输出；Ps为蒸汽流量变送器的输出；Co为初始偏置数；C1，C2为加法器系数。

　　由图18—6方块图可知，C2起着静态前馈控制器的作用，按前馈控制设计原理

　　因为KpD具有负号，KMD和KpH均具有正号，所以C2的符号取决于控制阀的符号。

当采用气开阀时，Kv具有正号，则C2应为正号；当采用气关阀时，则相反。

　　控制阀的气开与气关的选用，一般从生产安全角度考虑。

如果高压蒸汽是供给蒸汽透乎压缩机或汽轮机，那么为保证这些设备选用气开阀为宜；如果蒸汽仅用作热剂，为保护锅炉以采用气关阀为宜。

　　4．三冲量汽包水位控制系统双冲量汽包水位控制系统还有两个缺点：

控制阀的工作特性不一定成为线性，对蒸汽负荷变化要做到静态补偿比较困难；而对于给水系统的扰动仍不能克服。

为此，可再引入给水流量信号，构成三冲量汽包水位控制系统，如图18—7所示。

可以看出，这是前馈与串级控制组成的复合控制系统。

　　图18—8所示是三冲量汽包水位控制系统的连接图和方块图。

系数设置是这样的，系数Cl通常可取1或稍小于1。

C2可按下式取值。

　　式中，Dmax一Dmin为蒸汽流量变送范围；Wmax一Wmin为给水流量变送范围。

　　至于C0的设置与双冲量控制系统相同。

水位控制器和流量控制器的参数整定方法与一般串级控制系统相同。

　　以往，有时会采用比较简单的三冲量控制系统，如图18—9两种方案，图中的加法器正负号是针对采用气关阀及正作用的情况。

　　这些简单三冲量控制方案，能节省一台控制器，但性能均不如图18—7方案，a一般不作推荐。

特别是采用计算机控制的场合，这种简单方案更不具任何优点。

　　二、燃烧安全控制系统

　　锅炉燃烧控制系统的基本任务是使燃料所产生的热量能够适应锅炉的需要，同时还要保证锅炉的安全经济运行。

燃烧控制的具体内容及控制系统的设计因燃料种类、制粉系统、燃烧设备以及锅炉的运行方式不同而有所区别，但大体来看都要完成以下几方面任务。

　　①主蒸汽压力的变化反映了锅炉生产的蒸汽量和汽机消耗的蒸汽量相适应的程度。

为此须设置蒸汽压力控制系统。

当负荷变化时，通过控制燃料量使蒸汽压力稳定。

　　②当燃料量改变时，必须相应地控制送风量，以保证燃烧过程的安全性。

　　③炉膛压力的高低关系着锅炉的安全经济运行。

燃烧控制系统必须使引风量（烟气量）与送风量相配合以保证炉膛压力为一定值。

　　1．气压对象的动态特性气压对象由一系列装置组成，如图18—10所示，它包括给煤机1、炉膛2、汽水系统3、过热器4、汽轮机进气阀5和汽轮机6。

相应的方块图18—11，图中方块1表示在燃料量和风量同时相应变化时对发汽量的影响，它基本上是一个纯滞后环节。

方块2是汽包的压力对象。

方块4是反映过热器的过热蒸汽压力对象。

它们都是积分环节，其他环节因动态滞后较小，均可看成比例环节。

　　需指出，气压（Pb或Pt）对象的动态响应特性是与汽机调速系统的运行情况有关的。

　　2．炉膛压力对象特性为了保证炉膛安全，一般要求炉膛压力略低于大气压力，所以炉膛压力一般称之为炉膛负压。

炉膛压力反映了引风量与送风量之间的平衡关系。

当送风量或引风量单独改变时，炉膛负压变化的惯性很小，故可将炉膛负压对象近似看成是一个时间常数很小的一阶惯性环节。

　　3．燃烧系统安全控制图18—12给出了燃烧控制系统的基本方案，PtC是蒸汽压力控制器，它的输出同时去改变燃烧量控制器FvC和进风量控制器FvC的设定值，使燃烧量和进风量成比例变化。

氧量控制器02C的输出作为乘法器的一路输入，它可起到修改燃空比的作用。

氧量控制器的设定值应等于最佳含氧量，它应随负荷变化而有所变化。

PfC为炉膛负压控制器，因为对象滞后很小，一般用单回路控制即能满足要求。

　　图18—12方案适用于燃烧量B和进风量V1均能较好检测的情况。

事实上，很多燃煤锅炉燃料量测量的准确性较低。

这时，宜采用热量信号作为燃料量的间接度量，对蒸发受热面和锅筒列热量平衡式，可求得以下关系式

　　式中，Qb为代表蒸发受热面吸热量的信号，即热量信号。

上式表明Qb可用蒸汽流量D和汽包压力的微分信号之和来表达。

引入热量信号Qb后，燃烧控制方案改为图18—13所示。

图中C为热量运算装置。

　　燃油锅炉的情况与燃煤锅炉有较大差异。

对于现代大型燃油锅炉，多采用微正压燃烧。

这样可以减少漏风，实现低氧燃烧，从而防止锅炉受热面的腐蚀和污染等。

由于低氧燃烧时过剩空气系数很小，在负荷变动时更应注意燃料量与空气量的配合恰当，否则会产生不完全燃烧，引起炉膛爆炸、受热面污染、尾部再燃等事故。

因此在锅炉增减负荷时提出这样的逻辑要求：

增负荷时先增风再增泊；减负荷时先减油再减风。

具有逻辑提降功能的蒸汽压力控制系统如图18—14所示。

图中LS和HS分别为低、高值选择器。

　　三、过热蒸汽温度安全控制

　　现代锅炉的过热器在高温高压条件下工作。

过热器出口温度是全厂工质温度的最高点，也是金属壁温的最高处，在过热器正常运行时已接近材料允许的最高温度。

如果过热蒸汽温度过高，容易烧坏过热器，也会引起汽轮机内部零件过热，影响安全运行；温度过低则会降低全厂热效率，所以电厂锅炉一般要求过热蒸汽温度偏差保持在±5℃以内。

　　过热蒸汽温度自动控制系统是锅炉控制中的难点。

目前，很多实际系统并没有达到控制指标的要求。

其主要原因有下述两方面。

（1）扰动因素多变化大表18—