工业锅炉控制王晓超 5508.docx

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工业锅炉控制王晓超5508

本科学生学年论文

论文题目：

工业锅炉控制系统设计

学院：

电子工程学院

年级：

2009

专业：

自动化

姓名：

王晓超

学号：

20095508

指导教师：

沈永良

2012年年6月15日

摘要

本文叙述了工业锅炉控制系统的工作原理，具体阐述了工业锅炉设备的三个主要的控制系统：

锅炉汽包水位系统的控制、锅炉燃烧系统的控制与过热蒸汽系统的控制以及几个重要的控制回路的控制算法，提出了锅炉控制系统的基本设计思路和各个环节控制实现方法。

本文首先对国内外锅炉设备状况进行了介绍，以及主要控制系统进行了介绍，接着提出控制方案，对锅炉汽包水位系统控制系统、锅炉燃烧系统控制系统与过热蒸汽系统控制系统进行设计。

关键词

锅炉汽包；三冲量控制；水位控制；过热蒸汽控制

Abstract

Thispaperdescribestheindustrialboilercontrolsystemprincipleofwork,specificelaboratedindustrialboilerequipmentthreemaincontrolsystemofboilerwaterlevelsystem:

control,boilercombustionsystemcontrolofsuperheatedsteamcontrolsystemaswellasseveralimportantcontrolloopofacontrolalgorithm,putsforwardthebasicboilercontrolsystemdesignandeachlinkcontrolmethod.Thispaperfirstsummarizesthedomesticandforeignstatusofboilerequipmentwereintroduced,andmaincontrolsystemwereintroduced,andthentheproposedcontrolscheme,theboilerdrumlevelcontrolsystemofboilercombustionsystem,controlsystemandsuperheatedsteamsystemcontrolsystemdesign.

Keyword

Boilerdrum;threeimpulsecontrol;waterlevelcontrol;superheatedsteamcontrol

目录

摘要I

AbstractII

一、绪论1

1.1设计工业锅炉控制系统的目的和意义1

1.2工业锅炉国内发展现状1

1.3本课程的研究的主要内容1

二、工业锅炉的工艺流程2

2.1锅炉的工艺过程简介2

2.2锅炉的控制系统3

三、工业锅炉控制系统设计方案4

3.1锅炉汽包水位的控制4

3.2蒸汽过热系统的控制7

3.3锅炉燃烧过程的控制8

结论12

参考文献13

致谢14

一、绪论

1.1设计工业锅炉控制系统的目的和意义

随着生产的发展，锅炉日益广泛的应用于工业生产的各个领域，成为发展国民经济的重要热工设备之一。

在现代化的建设中，能源的需求是非常大的，然而我国的能源利用率极低，所以提高锅炉的热效率，具有极为重要的实际意义。

此外，锅炉是否能应地制宜地有效地燃用地方燃料，并满足环境保护的各项要求而努力解决烟尘污染问题，以提高操作管理水平，减轻劳动强度，保证锅炉额定运行及运行效率，安全可靠地供热等课题。

所以设计工业锅炉控制系统的目的是提高效率，意义是实现节能减排。

1.2工业锅炉国内发展现状

我国现有锅炉25万台，每年消耗原煤产量的三分之一[1]。

随着生产的发展，在相当长的一段时间里，还会有越来越多的工业锅炉投入使用。

这些工业锅炉的管理水平，运行水平以及自动化水平大多很低，热效率还远远没有达到制造厂家的设计指标。

其中比较突出的原因是管理不完善，设备落后，既没有必要的自动化检测和控制仪表，也缺乏应有的技术力量，其运行水平主要决定于司炉人员的技术水平、生产经验和工作的责任心。

1.3本课程的研究的主要内容

本课题的主要方向就是采用过程控制对工业锅炉进行控制，采用先进的控制算法，以达到优化技术指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生、提高市场竞争能力的作用处理系统是基本相同的。

二、工业锅炉的工艺流程

2.1锅炉的工艺过程简介

常见的工业锅炉系统如图1所示。

首先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，冷水在经过省煤器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成温水进入汽包，在汽包内加热至沸腾产生蒸汽，为了保证有最大的蒸发面因此水位要保持在锅炉上汽包的中线位置，蒸汽通过主蒸汽阀输出。

空气经过鼓风机进入空气预热器，在经过空气预热器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成热空气进入炉膛。

煤经过煤斗落在炉排上，在炉排的缓慢转动下煤进入炉膛被前面的火点燃，在燃烧过程中发出热量加热汽包中的水，同时产生热烟气。

在引风机的抽吸作用下经过省煤气和空气预热器，把预热传导给进入锅炉的水和空气。

通过这种方式使锅炉的热能得到节约。

降温后的烟气经过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。

2.2锅炉的控制系统

锅炉设备是一个复杂的控制对象，其主要的控制变量有燃料量、锅炉给水、减温水流量、送风量和引风量等；主要的被控量有汽包水位、过热蒸汽温度、过热蒸汽压力、炉膛负压等。

这些控制变量与被控变量之间相互关联。

例如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、炉膛负压和烟气含氧量；给水量变化不仅会影响汽包水位，而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度都有影响。

因此锅炉设备是一个多输入/多输出且相互关联的控制对象[3]。

锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，提供一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全经济的条件下运行。

其主要控制任务如下。

（1）锅炉供应的蒸汽量应适应负荷变化的需要。

（2）锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内。

（3）过热蒸汽温度保持在一定范围内。

（4）汽包中的水位保持在一定范围内。

（5）保持锅炉燃烧的经济性和安全运行。

（6）炉膛负压保持在一定范围内。

为了实现上述调节任务，将锅炉设备控制划分为如下几个主要控制系统：

（1）锅炉汽包水位的控制。

被控变量是汽包水位，控制变量是给水流量。

它主要是保

持汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在工艺允许的范围内。

这是保证锅炉、汽轮机安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的主要标志之一。

（2）锅炉燃烧系统的控制。

被控变量有三个，即蒸汽压力（或负荷）、烟气含氧量（经济

燃烧指标）和炉膛负压。

控制变量也有三个，即燃料量、送风量和引风量。

这三个被控变量和三个控制变量相互关联。

组成的燃烧控制系统方案，需要满足燃料燃烧时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；使引风量和送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围内。

（3）过热蒸汽系统的控制。

被控变量是过热蒸汽，控制变量是减温器的喷水量。

控制

的目的是使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。

三、工业锅炉控制系统设计方案

3.1锅炉汽包水位的控制

如果汽包液位过高，可能会影响蒸汽质量，甚至会导致水满溢出等安全事故；反之，如果汽包液位过低，锅炉很有可能会被烧坏，甚至导致爆炸等安全事故。

能够影响汽包液位的主要有两大变量[2]，那就是给水量和蒸发量，在其他条件不变的情况下，蒸发量越大，液位越低，而给水量越大则液位越高，反之则反。

其中蒸发量是由工业的需要所决定的，而给水的主要作用就是用以维持汽包液位的，所以我们选择给水量作为操纵量对汽包液位进行控制，以汽包水位信号作为反馈量，给水流量作为被控量，构成单回路反馈控制系统，即水位单冲量控制系统。

如图3.1所示，这是一个基本的控制方案其方框图如图3.2所示。

对于小容量锅炉来说由于它的储水容量较大，水面以下的汽泡体积并不占有非常大的比重，因此水容积延迟和假水位现象并不是非常明显，因此可以采用汽包水位单冲量控制系统来控制汽包水位。

但对于大中型锅炉来说这种控制方案就不能满足控制要求，因为汽轮机蒸汽量的负荷扰动引起的假水位现象将引起给水调节机构的误动作，导致汽包水位激烈的上下振荡而不稳定，严重的影响设备的运行寿命和安全，所以大中型锅炉不宜仅仅只采用汽包水位单冲量控制系统，必须寻找其他的解决办法来控制汽包水位。

图3.1汽包水位单冲量控制系统

图3.2汽包水位单冲量控制系统框图

如果从物质平衡的角度出发，只要能够保证给水量永远等于蒸汽蒸发量就可以保证汽包水位大致不变。

因此可以采用图3.3所示的蒸汽流量随动控制系统，其中流量调节器采用PI调节器，使汽轮机的蒸汽量作为系统的给定使给水流量跟踪蒸汽流量的变化，构成了一个以蒸汽量作为给定的随动系统从而保证汽包水位的恒定。

该方案的结构框图如图3.4所示。

图3.3蒸汽流量随动控制系统

图3.4蒸汽流量随动控制系统框图

采用该方案的优点是系统完全根据物质平衡条件工作，给水量的大小只取决于汽轮机的耗汽量，假水位现象不会引起给水调节机构的误动作。

但是这个系统对于汽包水位来说只是开环控制系统。

由于给水量和蒸汽量的测量不准确以及锅炉系统引入的其他扰动使得给水量和蒸汽量并非准确的比值关系而保持水位恒定。

由于水位对于二者的偏差是积分关系，微小的偏差长时间积累也会形成很大的水位差，因此不宜采用随动控制系统。

如果把以上所述两种方案结合起来，就构成了汽包水位双冲量控制系统如图3.5所示[5]，其结构框图如图3.6所示。

双冲量指的是同时引入两个测量信号：

汽包水位和蒸汽流量。

这个系统对以上所分析的两种方案取长补短，可以极大的提高汽包水位的控制质量。

当汽轮机耗汽量出现阶跃增大时，一方面由于“假水位现象”汽包水位会暂时有所升高，将使调节机构做出误动作错误的减少给水量；另一方面汽轮机耗汽量的增大又通过比值控制系统指挥调节机构增大给水量，实际给水量的增减情况要根据实际情况通过参数整定来确定。

当假水位现象消失后水位和蒸汽信号都能正确的指挥调节机构动作。

只要参数整定合适，给水量必然等于蒸汽量从而保证水位恒定。

图3.5汽包水位双冲量控制系统

图3.6汽包水位双冲量控制系统框图

3.2蒸汽过热系统的控制

根据已知该系统的基本任务是维持过热器出口温度在允许范围之内，并保证管理温度不超过允许工作温度，所以要求采用串级控制。

过热蒸汽温度串级控制系统原理方框图

对象在喷水量Wj扰动下，过热器出口汽温θs有较大的容积迟延，但减温器出口蒸汽温度θｄ则有明显的导前作用，若以θd为副参数、θs为主参数组成如图3-2所示的串级控制系统，可使控制质量得到改善。

该系统中副回路及副控制器的任务是快速消除作用于内回路的干扰的影响，主回路及主控制器则保证过热器出口汽温恒定。

目前大多数机组过热器都分段布置采用两级喷水减温常规串级控制方式，Ⅰ、Ⅱ级汽温控制系统是各自独立的串级系统，如下图所示。

如仅从过热器出口主蒸汽温度的控制效果来考虑，则Ⅰ级汽温控制系统相当于粗调，Ⅱ级汽温控制系统相当于细调；Ⅰ级汽温控制的任务是消除来自燃烧工况变化等扰动的影响，稳态时维持屏式过热器出口汽温为给定值，该给定值随负荷而改变。

同时Ⅰ级喷水减温还具有防止屏式过热器超温确保机组安全运行的作用；Ⅱ级汽温控制的任务则是保证过热器出口主蒸汽温度等于给定值。

为了改善控制质量在系统设计上还考虑了机组负荷等作为前馈信号。

过热蒸汽温度控制系统图

3.2.1过热蒸汽温度串级控制系统的工作原理

对象在喷水量扰动下，过热器出口汽温有较大的容积迟延[6]，但减温器出口蒸汽温度则有明显的导前作用，若以为θd副参数、θs为主参数组成如图所示的串级控制系统，可使控制质量得到改善，该系统中副回路及副控制器的任务是快速消除作用于内回路的干扰的影响，主回路及主控制器则保证过热器出口汽温恒定。

3.3锅炉燃烧过程的控制

根据系统要求可知，为了保持在任何时刻都有足够的空气以实现完全燃烧，当负荷增大时，应先增加送风量，后增加燃料量；若负荷减小时，则应先减少燃料量，再减少送风量。

因此必须在燃料量和送风量两个单回路之间进行协调，以满足上述要求。

图3.3.1所示控制系统方框图就是在这两个单回路基础上建立的交叉限制协调控制系统。

其中和是燃料量检测变送器和送风量检测变送器传递函数。

图3.3.1带交叉限制的最佳空燃比控制系统原理方框图

进一步分析单元机组燃烧过程控制的要求及对象特性可知，燃料量控制子系统任务在于使进入锅炉的燃料量随时与外界负荷要求相适应，维持主汽压为给定值。

为了使系统有迅速消除燃料侧自发扰动的能力，燃料量控制子系统大都采用以主汽压力为主参数、燃料量为副参数的串级控制方案。

单元机组协调控制系统中锅炉主控制器就是燃料量控制系统中的主汽压控制器，即串级系统主控制器。

送风子控制系统的最终目的是达到最高的锅炉热效率，保证经济性。

如图3.3.2所示，它首先在内环快速保证最佳空燃比（燃烧经济性粗调），至于给煤量测量不准，则可由烟气中氧量作串级校正（燃烧经济性细调）。

图3.3.2带氧量串级校正的送风控制系统原理方框图

炉膛负压控制系统的任务在于调节烟道引风机导叶开度以改变引风量，保持炉膛负压为给定值以稳定燃烧减少污染，保证安全

综上可以得到单元机组锅炉燃烧过程自动控制系统组成方案如下图3.3.3所示。

图中五个控制器均采用PI控制规律[4]，稳态下含氧量（O2%）和炉膛负压分别等于各自的给定值而

图3.3.3单元机组燃烧过程控制系统组成方案图

3．3．1燃烧控制系统的工作原理

锅炉燃烧控制系统有三个被控量，即蒸汽压力、过剩空气系数（含氧量O2%）和炉膛负压；有三个控制量[2]，即燃料量B、送风量V和引风量G；与此相应可组成三个控制回路分别调节燃料量B、送风量V和引风量G来维持三个被控制量分别等于其给定值。

从对象特性看，每一个控制量对任意一个被控量都有影响，如图所示，锅炉燃烧对象是一个多输入、多输出的多变量相关对象。

因而三个回路：

燃料控制回路、送风控制回路和炉膛负压（引风）控制回路动作也必须是协调相关，不可分割的，从而构成一个包含三个彼此关联的子系统的多参数燃烧过程控制系统。

燃烧过程控制划分为三个子系统，即燃料控制系统、送风控制系统和引风控制系统。

三个子系统的动作是协调相关、不可分割的。

锅炉各控制量对各被控量的影响图

如上所述，主蒸汽压力PT被选作为反映锅炉燃烧率是否满足外界负荷要求的被控量，即根据汽压的变化改变燃烧率，以适应负荷的需要。

锅炉燃烧过程调节对象是复杂的多变量相关调节对象，为了减少系统之间的互相影响，保证系统的稳定性，必须快速而严格地保持B、V、G这三个控制量的比例关系。

为此，当负荷要求改变时，在控制系统中应考虑采用前馈控制技术，以实现B、V、G调整时的快速比例动作；在负荷不变时，在各控制系统中应采用控制量B、V、G的负反馈技术，以实现B、V、G维持稳定。

燃烧过程三个调节对象的控制通道动态特性的惯迟延都不大，因此燃烧过程的自动控制从原理上看，是不难实现的。

重要的是它的实现，需要涉及到较多的信号，如PT、O2、Pf、B、V等。

因此正确而又快速地测量出这些信号，特别是燃料量信号B、风量信号V以及氧量信号O2测量问题的解决是实现燃烧自动控制的基本前提。

燃烧自动控制系统包括三个相对独立而又紧密联系的子系统。

首先考虑到燃料量与送风量子系统间应满足：

锅炉燃烧过程中燃料量与空气（送风）量之间应保持一定比例，总应有空气（送风）量大于燃料量，它们之间存在一个最佳空燃比（最佳过剩空气系数）

一般情况下，

结论

针对工业锅炉热工控制系统复杂、难于控制的特点，设计了相应的控制系统，分为三个系统：

锅炉汽包水位的控制、蒸汽过热系统的控制和燃烧过程的控制系统。

在对各系统方案设计的过程中，介绍了其工作原理，作出系统的原理方框图。

通过这次过程控制课程设计，尤其是对工业锅炉热工控制系统的设计后，我对《过程控制系统》这门学科了解更加深入，对锅炉系统的各组成部分了解的更透彻。

同时，我在查阅文献以及从图书馆查阅图书方面的能力有了很大的提高。

参考文献

[1]吴德荣，杨泽来，周家哗编著，工业锅炉及其节能，机械工业出版社，1990

[2]张亮明，夏桂娟编著，工业锅炉热工检测与过程控制，天津大学出版社，1992

[3]冯俊凯编著，锅炉原理及计算，北京科学出版社，1992

[4]何识生，胡茗显，谢积宝编著，热工测量，电力工业出版社，1980

[5]何离庆，张涛明，朱文嘉编著，过程控制系统与装置，重庆大学出版社，2003

[6]孙秀权，唐建，于秀银，杨汝华编著，锅炉和工业炉窑实用计算机控制技术，国防工业出版社，1993

致谢

经过一个多月的辛苦和努力，终于圆满完成了本次设计，通过设计，对工业锅炉有了深刻的理解。

这次设计是把自己大学所学的知识的具体的应用和检验。

对自己将来更好地工作打下了良好的基础。

在这次工业锅炉控制系统的设计过程中，我得到了沈永良老师的帮助，并提供了参考资料，提出了很多有参考价值的意见。

在此向沈永良老师致谢

由于我学的知识有限，经验不足，又是初次研究这种复杂的设计，在此过程中难免有一些错误和不足之处，可请各位老师给予批评和指正。