锅炉控制系统的工作原理.docx

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锅炉控制系统的工作原理

19９2ｌxm工业蒸汽锅炉的自动化操纵过程与实现

摘要：

本文叙述了工业锅炉操纵系统的工作原理,具体阐述了锅炉操纵中的几个重要的操纵回路的操纵算法，以及变频器在锅炉改造中的应用,提出了锅炉操纵系统的差不多设计思路和各个环节操纵实现方法。

关键词:

工业蒸汽锅炉炉膛负压蒸汽压力变频操纵水位三冲量

一、引言

锅炉微机操纵,是近年来开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动操纵、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉30多万台,每年耗煤量占我国原煤产量的1／3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、白费大、环境污染严峻的生产状态。

提高热效率,降低耗煤量，降低耗电量，用微机进行操纵是一件具有深远意义的工作。

工业锅炉采纳微机操纵和原有的仪表操纵方式相比具有以下明显优势：

1.直观而集中的显示锅炉各运行参数。

能快速计算出机组在正常运行和启停过程中的有用数据,能在显示器上同时显示锅炉运行的水位、压力、炉膛负压、烟气含量、测点温度、燃煤量等数十个运行参量的瞬时值、累计值及给定值,并能按需要在锅炉的结构示意画面的相应位置上显示出参数值。

给人直观形象,减少观看的疲劳和失误；

２．能够按需要随时打印或定时打印,能对运行状况进行准确地记录，便于事故追查和分析,防止事故的瞒报漏报现象;

3.在运行中能够随时方便的修改各种运行参数的操纵值,并修改系统的操纵参数；

４．减少了显示仪表，还可利用软件来代替许多复杂的仪表单元，（例如加法器、微分器、滤波器、限幅报警器等），从而减少了投资也减少了故障率;

５．提高锅炉的热效率。

从已在运行的锅炉来看，采纳计算机操纵后热效率可比往常提高５-10%,据用户统计，一台２0T的锅炉,全年平均负荷70%,以平均热效率提高５%计，全年节煤８０0吨,按每吨煤380元计算每年节约304000元;

６．锅炉系统中包含鼓风机,引风机,给水泵,等大功率电动机，由于锅炉本身特性和选型的因素，这些风机大部分时刻里是可不能满负荷输出的，原有方式采纳阀门和挡板操纵流量,白费特不严峻。

通过对风机水泵进行变频操纵能够平均节电达到3０%-４０%；

７.锅炉是一个多输入多数出、非线性动态对象，诸多调解量和被调量间存在着耦合通道。

例如当锅炉的负荷变化时，所有的被调量都会发生变化。

故而理想操纵应该采纳多变量解偶操纵方案。

而建立解偶模型和算法通过计算机实现比较方便;

8.锅炉微机操纵系统经扩展后可构成分级操纵系统,可与工厂内其他节点构成工业以太网。

这是企业现代化治理不可缺少的;　

9．作为锅炉操纵装置，其要紧任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行,减轻操作人员的劳动强度。

在采纳计算机操纵的锅炉操纵系统中,有十分周到的安全机制,能够设置多点声光报警，和自动连锁停炉。

杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。

综合以上所述种种优点能够预见采纳计算机操纵锅炉系统是行业的大势所趋。

下面我们来共同探讨锅炉操纵系统的原理和结构。

二、锅炉操纵系统的一般结构与工作原理

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，冷水在通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。

空气通过鼓风机进入空气预热器，在通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。

煤通过煤斗落在炉排上,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通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。

降温后的烟气通过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。

锅炉微机操纵系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、ＰＬC、上位机、手自动切换操作、执行机构及阀、电机等部分组成,一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机。

操纵系统包括手动和自动操作部分,手动操纵时由操作人员手动操纵，用操作器操纵变频器、滑差电机及阀等,自动操纵时对微机发出操纵信号经执行部分进行自动操作。

微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、操纵以保证锅炉正常、可靠地运行,除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，以免锅炉发生重大事故。

微机操纵系统由工控机、显示器、打印机、PLＣ、手操器、报警装置等组成,能完成对给水、给煤、鼓风、引风等进行自动操纵,使锅炉的汽包水位、蒸汽压力保持在规定的数值上，以保证锅炉的安全运行,平稳操作，达到降低煤耗、提高供送汽质量的目的,同时对运行参数如压力、温度等有流程动态模拟图画面并配有数字讲明,还可对汽包水位、压力、炉温等进行越限报警,发出声光信号，还可定时打印出十几种运行参数的数据。

以形成生产日志和班、日产耗统计报表,有定时打印、随机打印、自定义时刻段打印等几种方式。

锅炉操纵系统的硬件配置,目前有几种,功能较好首推可编程序操纵器ＰLＣ,适合于多台大型锅炉操纵，由于PLＣ具有输入输出光电隔离、停电爱护、自诊断等功能，因此抗干扰能力强,能置于环境恶劣的工业现场中,故障率低。

PLC编程简单，易于通信和联网，多台PLC进行链接及与计算机进行链接,实现一台计算机和若干台PLＣ构成分布式操纵网络，另外使用ＰLC加上位机的操纵系统具有专门好的扩容性,如需要增加操纵点或操纵回路只需添加少量输入输出模块即可，为以后的操纵系统升级改造和其他功能的添加打下良好基础，也为以后一机多炉操纵系统等其他工厂级自动化网络打下良好基础。

尽管,从短期的角度看价格稍高，假如从长远观点看,其寿命长，故障率低,易于维修,值得选用。

三、锅炉操纵系统中各操纵回路的介绍

锅炉操纵系统,一般有蒸汽压力、汽包液位、炉膛负压、除氧器水位、除氧器压力等操纵系统。

锅炉的燃烧操纵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的变化调整燃料量与送风量,同时保证燃料的充分燃烧及热量的充分利用。

3.1锅炉给水操纵回路

给水自动调节的任务是使给水流量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在同意的范围内。

给水自动调节的另一个任务是保持给水稳定。

在整个操纵回路中要全面考虑这两方面的任务。

在操纵回路中被调参数是汽包水位（H），调节机构是给水调解阀，调节量是给水流量（W）。

对汽包水位调节系统产生扰动的因素有蒸发量D、炉膛热负荷（燃料量M）,给水量（W）。

①　蒸发量D扰动作用下水位对象的动态特性

当给水流量不变，蒸发量突然增加△D时，假如只从物质不平衡角度来看，则反映曲线如图2（ａ）中的H1（t）所示,但由于蒸发量增加时，汽包容积增加,水位将上升，水位的反映曲线如图2（a）中的H2（t）所示。

Ｈ１（t）和H2（ｔ）相结合,实际的水位阶跃反应曲线如图2（a）中的Ｈ（t）所示。

②炉膛负荷扰动（燃料量M扰动）时水位对象的动态特性

燃料量增加△M时，蒸发量大于给水量，水位下降。

但开始是由于有虚假水位存在，水位线上升，然后再下降。

如图2（b）中所示。

③　给水流量（W）扰动时的水位对象的动态特性　

当蒸发量不变,而给水量阶跃扰动时。

汽包水位如图2（c）所示。

在开始时期。

由于刚进入得水水温较低。

使汽水混合物中的汽泡吞量减少。

水位下降，如图２（ｃ）中的Ｈ１（ｔ）所示。

而H2（t）反映了物质不平衡引起的水位变化,H１（t）和H２（t）相加得到了总的给水量扰动的阶跃反应曲线H（t）。

由于给水调节对象没有自平衡能力，又存在滞后。

因此在一般锅炉操纵系统中汽包液位回路采纳闭环三冲量调节系统。

所谓三冲量调节系统确实是把给水流量W,汽包水位H,蒸汽流量D三个变量通过运算后调节给水阀的调节系统。

具体调节过程方框图如图3所示。

先通过蒸汽流量变送器和给水流量变送器取得各自的信号乘以相应的比例系数，通过比例系数能够调节蒸汽流量或给水流量对调节系统的阻碍力度。

通过差压变送器取得水位信号作为主调节信号Ｈ。

假如水位设定值为G,那么在平衡条件下应有Ｄ*Dk-W*Wk+H-G=0的关系式存在。

其中Dk为蒸汽流量系数Ｗk为给水流量系数。

假如再设定时，保证在稳态下D＊Ｄk=W*Wk那么就能够得到Ｈ＝G。

现在调节器的输出就与符合对应,给水阀停在某一位置上。

若有一个或多个信号发生变化,平衡状态被破坏,PＩ调节模块的输出必将发生变化。

当水位升高了,则调节模块的输出信号就减小，使得给水调节阀关小。

反之，当水位降低时，调节模块的输出值增大,使给水阀开大。

实践证明三冲量给水单极自动调节系统能保持水位稳定，且给水调节阀动作平稳。

锅炉给水系统中还有一个比较重要的操纵回路是给水压力回路,因为汽包内压力较高,要给锅炉补水必须提供更高的压力,给水压力回路的作用是提高水压,使水能够正常注入汽包。

但在蒸汽流量未达到满负荷时，对给水流量的要求也不高。

在老式的锅炉系统中一般采纳给水泵一直以工频方式运转,用回流阀降低水压防止爆管,现在一般采纳通过变频器恒压供水的方式操纵水压,具体实现方式是：

系统下达指令由变频器自动启动第一台泵运行，系统检测给水管的水压，当变频器频率上升到工频时，如水压未达到设定的压力值，系统自动将第一台电机切换至工频直供电,并由变频器拖动第二台水泵运行,如变频器运行到工频状态时供水母管压力仍未达到设定压力值系统自动将第二台水泵切换至工频直供电,再由变频器拖动第三台运行,依次类推,直至压力达到设定值。

若锅炉需要的给水量减少，变频操纵系统可自动降低变频器的运行频率,如变频器的频率到零仍不能满足要求，则变频器自动切换至前一台水泵进行变频运行，依次类推。

变频恒压供水操纵系统的实质是：

始终利用一台变频器自动调整水泵的转速,切换时刻以管网的实际压力和设定压力的差值决定,同时保证管网的压力动态恒定。

值得注意的是为了防止变频器报警停机或其他故障造成水泵不转会引起锅炉缺水，因此应该加反馈装置确保变频器正常工作。

除此之外锅炉的供水系统中还包括除氧器压力操纵和除氧器水位操纵，除氧器压力操纵要紧是为了保证除氧器口有足够的蒸汽压力用于将软化水除氧，这是一个单闭环操纵回路，输入参数是除氧器压力输出参数操纵除氧器进汽阀。

除氧器水位操纵要紧是为了保证除氧器内有足够的水提供给锅炉,这是一个单闭环操纵回路输入参数,是除氧器水位输出参数操纵除氧器进水阀。

3.２锅炉燃烧调节系统

燃烧过程自动调节系统的选择尽管与燃烧的种类和供给系统、燃烧方式以及锅炉与负荷的联结方式都有关系，然而燃烧过程自动调节的任务差不多上一样的。

归纳起来，燃烧过程自动调节系统有三大任务：

①维持汽压恒定。

汽压的变化表示锅炉蒸汽量和负荷的耗汽量不相适应,必须相应地改变燃料量，以改变锅炉的蒸汽量。

②　保证燃烧过程的经济性。

当燃料量改变时，必须相应地调节送风量，使它与燃料量相配合,保证燃烧过程有较高的经济性。

③调节引风量与送风量相配合，以保证炉膛压力不变。

燃烧调节系统一般有三个被调参数，汽压ｐ、烟气含氧量a和炉膛负压pt。

一般有3个调节量，他们是燃料量Ｍ，送风量F和引风量Y。

燃烧调节系统的调节对象关于燃料量,依照燃料种类的不同可能是炉排电机，也可能是燃料阀。

关于送风量和引风量一般是挡板执行机构或变频器。

燃烧调节系统是一个多参数变量调节系统。

这种调节系统通常把它简化成互相联系，紧密配合但又相对独立的3个单变量系统来实现。

为便于分析，下面我们按3个系统来分不分析。

这三个系统分不是以燃料量维持锅炉压力恒定的蒸汽压力调节系统,以送风量维持锅炉经济燃烧的送风调节系统,以引风量维持炉膛负压稳定的炉膛负压调节系统。

3.2．1蒸汽压力调节对象的特性　

引起蒸汽压力变化的要紧缘故是燃料量和用汽负荷发生变化。

其动态特性如下。

①　燃料量扰动下的汽压变化特性

在用汽负荷不变的情况下，如锅炉燃料量（B）发生△B的阶跃扰动，现在汽压的飞升曲线如图4（a）所示。

现在对象没有自平衡能力，具有较大的迟滞和惯性。

但假如锅炉出口的用汽阀门开度不变,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的变化，因此对象有平衡能力。

现在汽压的飞升曲线如图4（b）所示。

②用汽负荷扰动下的汽压变化特性

负荷阶跃扰动下，汽压变化的动态特性也有下列两种情况：

当用汽阀门阶跃扰动时，对象表现出具有自平衡能力，没有延迟,但有较大的惯性,并有一个与阀门变化成比例的启始飞跃,飞升曲线如图4（c）所示；当用汽量阶跃扰动时,其飞升曲线如图４（d）所示，现在对象没有自平衡能力，假如不及时增加进入锅炉的燃料量，那么，汽压将一直下降。

3.2．2送风自动调节对象的特性

送风调节系统的工作好坏,直接阻碍炉膛的空气过剩系数的变化也确实是排出烟气的含氧量。

引起空气过剩系数变化的要紧扰动是燃料量和送风量配比。

风量扰动下对象的动态特性具有较大的自平衡能力,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。

因此在燃料充足的情况下送风量的大小将比较直接的反应在锅炉的蒸汽压力上。

那么如何样才能保证股风量和燃料量的搭配适宜，那个地点我们引入了风煤比那个概念。

风煤比确实是在当前风量下所能燃烧的煤的最大值。

在操纵作用中风煤比要紧是依照当前风量来限制炉排的转速，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都有专门大意义。

因为假如不能充分燃烧将会导致煤渣的含炭量增高，如此比较白费煤,同时还会造成烟气含炭量增高阻碍排放。

3.2.３炉膛负压自动调节对象的特性

炉膛负压自动调节对象的动态特性较好,但扰动通道的飞升时刻专门短，飞升速度专门快。

依照以上对燃烧系统调节对象的分析，下面我们针对燃烧自动操纵系统三个任务对操纵采纳的方案进行分析。

燃烧过程操纵系统一般采纳的操纵流程图如图5（a）所示,先通过蒸汽压力变送器经滤波后取得信号，与设定蒸汽压力进行比较,推断出鼓风ＰI调节器调节的方向和大小,通过鼓风ＰＩ调节单元计算出鼓风变频器的输出大小。

同时把该信号输出给风煤比计算单元,相应的算出在当时的风量下炉排的最大输出值。

再把蒸汽压力的差值信号送给炉排PI调节器,通过炉排PI调节单元计算出炉排变频器的输出大小。

通过风煤比限位,输出给炉排变频器。

在实际调试过程中我们往往把鼓风PI调节中的比例系数设的比炉排PI单元的大,如此能够专门好的保证鼓风系统对蒸汽压力的敏感度要高于炉排。

实践证明通过该方法操纵下锅炉的蒸汽压力稳定性好,在蒸汽负荷变化时相应程度高。

灰渣含碳量低。

炉膛负压的大小关于节能阻碍专门大。

负压大，被烟气带走的热量大，热损失增加，煤耗量增大，理想运行状态应在微负压状态。

它能明显增加悬浮煤颗粒在炉膛内的滞留时刻,增加沉降，减少飞灰,使煤充分燃烧提高热效率。

但由于负荷变化,需要改变给煤量和送风量,随之也要改变引风量，以保证炉膛负压的稳定,但由于系统有一定的滞后时刻,为幸免鼓风变化而引起炉膛负压的波动,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。

炉膛负压操纵系统一般采纳的操纵流程图如图５（ｂ）所示,调节原理比较简单属于单闭环调节系统,它的输入量是炉膛负压输出量是引风变频器,同时引入鼓风量作为前馈信号。

另外系统各回路中都设置了手自动两种操作方式，为了实现无扰动切换，系统引入了各操纵对象的反馈值，在手动操作时ＰLC输出会自动跟踪操纵对象的反馈，当切换到自动状态时能够进行无扰动切换,使系统平稳的过渡到自动状态。

四、锅炉操纵系统组成结构

上面我们针对锅炉操纵系统的各操纵回路原理的做了简要分析，依据以上分析，我们明白构建一个可靠的、智能随动的智能操纵系统是保证锅炉安全生产的基础。

锅炉操纵系统是典型的多变量、纯滞后、强耦合的操纵系统，假如不能在操纵策略和软件实现上专门好地解决多变量解偶关系和滞后响应问题，那么,实施智能锅炉操纵系统改造后同样也将无法实现预期的目标。

在操纵系统设计上我们采纳集中操纵分散驱动（P—T方案）的集散操纵思想，把操纵系统分为三层：

a）　信息治理层：

完成系统关键技术数据的设定、实时数据和运行状态的监视与操纵、历史数据的查看、数据报表的记录与打印、报警与故障的提示处理等功能；要紧由上位工控机（ＩＰC）、组态开发软件、应用程序、通讯模块等组成；

b）操纵层:

要紧完成各种操纵动作命令、实时数据的采样与处理、连锁动作的关联表达、操纵算法的实现、异常现象的自动处理等功能;要紧由可编程逻辑操纵器（ＰＬC）的开关量模块、模拟量模块、智能PIＤ调节仪、变频器、ＰLＣ应用程序等组成；

c）设备层：

要紧同意来自PLＣ的操纵命令，执行相应的动作或提供相应的检测数据。

要紧由断路器、交流接触器、压力变送器、温度变送器、流量变送器、电动开关阀、模拟信号隔离分配器等组成。

五、结束语　

综上所述,锅炉操纵系统改造具有专门好的市场进展空间和投资收益前景,值得广泛地推广。

它不仅能够通过自动化操纵技术实现安全生产的目的,还能够节煤节电并能使排放更环保,总之锅炉的计算机自动化操纵是锅炉行业进展的大势所趋,也是一项利国利民的进展方向。