鍋爐燃燒控制系統(tǒng)

1、燃氣鍋爐燃燒控制系統(tǒng)摘要這篇文章主要介紹了鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計過程。在設(shè)計過程中介紹了鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的控制任務(wù)和控制特點，對于燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，根據(jù)不同的控制任務(wù)分別設(shè)計了蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制以及防脫火回火選擇性控制系統(tǒng)，并在設(shè)計中給出了不同的設(shè)計方案，以對比各自的優(yōu)缺點，選擇最優(yōu)的控制。然后，把分別設(shè)計的控制系統(tǒng)組合起來，構(gòu)成完整的鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng)。最后，對設(shè)計好的控制系統(tǒng)進行儀表選型。關(guān)鍵詞： 燃氣鍋爐，燃燒系統(tǒng)，比值控制，脫火回火0引言: 大型火力發(fā)電機組是典型的過程控制對象，它是由鍋爐、汽輪發(fā)電機組和輔助設(shè)備組成的龐大的設(shè)備群。鍋爐的燃燒控制過程是一個復雜的物理

2、，化學過程，影響因素眾多，并且具有強耦合，非線性等特性。 鍋爐的自動化控制經(jīng)歷了三、四十年代的單參數(shù)儀表控制，四、五十年代的單元組合儀表，綜合參數(shù)儀表控制，直到六十年代興起的計算機過程控制幾個階段。尤其是近一、二十年來，隨著先進控制理論和計算機技術(shù)的發(fā)展，加之計算機各項性能的不斷增強及價格的不斷下降使鍋爐應用計算機控制很快得到了普及和應用。 電廠鍋爐利用煤或煤氣的燃燒發(fā)熱，通過傳熱對水進行加熱，產(chǎn)生高壓蒸汽，推動汽輪機發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生強大的電能。在鍋爐燃燒系統(tǒng)中，燃料供給系統(tǒng)，送風系統(tǒng)以及引風系統(tǒng)是燃燒控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。鍋爐生產(chǎn)燃燒系統(tǒng)自動控制的基本任務(wù)是使燃料所產(chǎn)生的熱量適應蒸汽負荷的

3、需要，同時還要保證經(jīng)濟燃燒和鍋爐的安全運行。具體控制任務(wù)可分為三個方面：一，穩(wěn)定蒸汽母管壓力。二，維持鍋爐燃燒的最佳狀態(tài)和經(jīng)濟性。三，維持爐膛負壓在一定范圍（-20-80Pa）。這三者是相互關(guān)聯(lián)的。另外，在安全保護系統(tǒng)上應該考慮燃燒嘴背壓過高時，可能使燃料流速過高而脫火；燃燒嘴背壓太低又可能回火。 本次課程設(shè)計的題目為燃氣鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計。主要內(nèi)容包括燃燒控制系統(tǒng)的概述；燃燒控制系統(tǒng)的基本方案；以及燃燒控制系統(tǒng)的儀表選型。設(shè)計方案為以主蒸汽壓力控制系統(tǒng)為主回路，燃料量與空氣量比值控制系統(tǒng)為內(nèi)回路，燃燒嘴防脫火回火選擇控制系統(tǒng)為輔助安全保護系統(tǒng)。為節(jié)省篇幅，爐膛壓力控制系統(tǒng)在這里暫不涉及，

4、但在實際控制系統(tǒng)中爐膛壓力控制系統(tǒng)是鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中必不可少的組成部分之一。 燃燒控制系統(tǒng)是鍋爐的主控系統(tǒng)，主要包括燃料控制系統(tǒng)、風量控制系統(tǒng)、爐膛壓力控制系統(tǒng)。目前大部分的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)仍然采用PID控制。燃燒控制系統(tǒng)由主蒸汽壓力控制和燃燒率控制組成串級控制系統(tǒng)，其中燃燒率控制由燃料量控制、送風量控制、引風量控制構(gòu)成，各個子控制系統(tǒng)分別通過不同的測量、控制手段來保證經(jīng)濟燃燒和安全燃燒。燃燒過程自動控制系統(tǒng)的方案，與鍋爐設(shè)備的類型、運行方式及控制要求有關(guān)，對不同的情況與要求，控制系統(tǒng)的設(shè)計方案不一樣。將單元機組燃燒過程被控對象看作是一個多變量系統(tǒng)，設(shè)計控制系統(tǒng)時，充分考慮工程實際問題，既保

5、證符合運行人員的操作習慣，又要最大限度的實施燃燒優(yōu)化控制。1 鍋爐情況：燃氣蒸汽鍋爐是用天然氣、液化氣、城市煤氣等氣體燃料作燃料，在爐內(nèi)燃燒放出來的熱量，加熱鍋內(nèi)的水，并使其汽化成蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備。水在鍋（鍋筒）中不斷被爐里氣體燃料燃燒釋放出來的能量加熱溫度升高并產(chǎn)生帶壓蒸汽。由于水的沸點隨壓力的升高而升高，鍋是密封的，水蒸氣在里面的膨脹受到限制而產(chǎn)生壓力形成熱動力，嚴格的說鍋爐的水蒸氣是水在鍋筒中定壓加熱至飽和水再汽化形成的，作為一種能源廣泛使用。燃氣鍋爐控制系統(tǒng)由自動控制系統(tǒng)控制、故障報警控制、電氣控制系統(tǒng)等控制單元組成。系統(tǒng)主要功能是：人機界面實時顯示各種監(jiān)測點運行參數(shù)，如：燃燒系統(tǒng)溫

6、度、壓力、水流量等，隨時、定時打印各類數(shù)據(jù)報表和運行曲線；自動/手動無擾動切換功能，保證系統(tǒng)在非正常狀態(tài)下也能夠安全運行；報警、聯(lián)鎖保護功能：鍋爐系統(tǒng)超溫、鍋爐系統(tǒng)超壓、各鍋爐排煙超溫、水流開關(guān)檢測、流量計水流檢測、補水壓力異常、供回水壓力異常、燃氣泄漏檢測等，各報警產(chǎn)生后均自動執(zhí)行相應的聯(lián)鎖保護措施；設(shè)備故障診斷功能：對鍋爐、測量儀表、電動開關(guān)閥、電動調(diào)節(jié)閥等設(shè)備的工作狀態(tài)進行診斷，及時對故障設(shè)備作報警指示。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)由三部分組成：中央監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場工作站系統(tǒng)和遠程傳輸系統(tǒng)。中央監(jiān)控系統(tǒng)即調(diào)度室計算機監(jiān)控系統(tǒng)，負責接收現(xiàn)場各站點傳來的數(shù)據(jù)，存儲并顯示，以便操作人員查看和

7、生成報表。在必要的情況下，可由操作人員向現(xiàn)場各站點發(fā)送控制命令或修改參數(shù)。遠程傳輸部分負責完成調(diào)度室和各現(xiàn)場站點之間的數(shù)據(jù)傳輸，采用調(diào)制解調(diào)器構(gòu)成的傳輸方式。2鍋爐控制系統(tǒng)描述鍋爐是石油化工、發(fā)電等工業(yè)過程中必不可少的重要動力設(shè)備，它所產(chǎn)生的高壓蒸汽既可作為驅(qū)動透平的動力源，又可作為精餾、反應、加熱等過程的熱源。由于鍋爐設(shè)備所使用的燃料種類、燃燒設(shè)備、爐體形式、鍋爐功能和運行要求的不同，鍋爐有各種各樣的流程。常見的鍋爐設(shè)備主要工藝流程如圖2.1所示。圖2.1 常見鍋爐設(shè)備主要工藝流程圖由圖2.1可知，燃料和熱空氣按一定比例進入燃燒室燃燒，產(chǎn)生的熱量傳給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽Ds。然后經(jīng)過熱

8、器，形成一定溫度的過熱蒸汽D，匯集至蒸汽母管。壓力為Pm的過熱蒸汽，經(jīng)負荷設(shè)備控制閥供給生產(chǎn)負荷設(shè)備使用。與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，將飽和蒸汽變成過熱蒸汽后，經(jīng)省煤器預熱鍋爐給水和空氣預熱器預熱空氣，最后經(jīng)引風機送往煙囪排人大氣。 鍋爐設(shè)備的主要任務(wù)是根據(jù)負荷的需求，提供一定壓力或溫度的蒸汽，同時要使鍋爐在安全、經(jīng)濟的條件下運行，為此生產(chǎn)過程的各個工藝參數(shù)必須嚴格控制。大型鍋爐是一個復雜的被控裝置，它的被控變量和操縱變量繁多且相互關(guān)聯(lián)，屬于一個多變量耦合對象。根據(jù)其耦合程度的疏密分為幾個獨立的控制區(qū)域，分別采用單變量系統(tǒng)(變量關(guān)聯(lián)弱)或多變量耦合系統(tǒng)控制(變量關(guān)聯(lián)強)。燃燒控制系統(tǒng)是鍋爐

9、設(shè)備主要的控制系統(tǒng)之一。鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制有3個被控變量：負荷、經(jīng)濟燃燒指標和爐膛負壓。可選用的操縱變量也有三個：燃料量、送風量和引風量。組成的燃燒系統(tǒng)的控制方案要滿足燃燒所產(chǎn)生的熱量，適應蒸汽負荷的需要；使燃料與空氣之間保持一定的比值，保證燃燒的經(jīng)濟性和鍋爐的安全運行；使引風量與送風量相適應，保持爐膛負壓在一定范圍內(nèi)。3 燃燒器選型：燃燒器是一種將燃料和空氣，按所要求的濃度、速度、湍流度和混合方式送入爐膛，并使燃料能在爐膛內(nèi)穩(wěn)定著火與燃燒的熱能裝置。燃料以燃油和燃氣為主。一般應用在中小型燃油或燃氣鍋爐上。燃氣燃燒器構(gòu)造由以下5個系統(tǒng)組成：1、送風系統(tǒng)：送風系統(tǒng)的功能在于向燃燒室里送入一定風速

10、和風量的空氣，其主要部件有：殼體、風機馬達、風機葉輪、風槍火管、風門控制器、風門檔板、凸輪調(diào)節(jié)機構(gòu)、擴散盤。2、點火系統(tǒng)：點火系統(tǒng)的功能在于點燃空氣與燃料的混合物，其主要部件有：點火變壓器、點火電極、電火高壓電纜。3、監(jiān)測系統(tǒng)：監(jiān)測系統(tǒng)的功能在于保證燃燒器安全、穩(wěn)定的運行，其主要部件有火焰監(jiān)測器、壓力監(jiān)測器、溫度監(jiān)測器等。4、燃料系統(tǒng)：燃料系統(tǒng)的功能在于保證燃燒器燃燒所需的燃料。燃油燃燒器的燃料系統(tǒng)主要有：油管及接頭、油泵、電磁閥、噴嘴、重油預熱器。燃氣燃燒器主要有過濾器、調(diào)壓器、電磁閥組、點火電磁閥組然、燃料蝶閥。5、電控系統(tǒng)：電控系統(tǒng)是以上各系統(tǒng)的指揮中心和聯(lián)絡(luò)中心，主要控制元件為程控器，

11、針對不同的燃燒器配有不同的程控器，常見的程控器有：LFL系列、LAL系列、LOA系列、LGB系列，其主要區(qū)別為各個程序步驟的時間不同。當可燃氣體（城市煤氣、天然氣、液化石油氣）由微電腦控制系統(tǒng)按程序控制進入燃燒器的燃燒頭內(nèi)，由一次風與可燃氣體混合，點火燃燒，二次風助燃，實現(xiàn)充分燃燒。燃燒狀況由火焰自動跟蹤系統(tǒng)檢測控制燃燒，當燃燒出現(xiàn)故障（燃燒室缺氧、可燃氣體欠壓、可燃燒氣體斷流、氣量不足等），控制系統(tǒng)發(fā)出指令，供氣系統(tǒng)的電磁閥迅速關(guān)閉，切斷氣電源，燃燒器自動吹掃后停機，指示故障。本設(shè)計選用威索(-weishaupt-)燃氣燃燒器WM G10/4-A / ZM (W-FM50)型號。4燃燒與汽壓

12、控制設(shè)計：4.1燃燒過程特點、工況要求：鍋爐燃燒自動控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是使燃料燃燒所提供的熱量適應外界對鍋爐輸出的蒸汽負荷的要求，同時還要保證鍋爐安全經(jīng)濟運行。一臺鍋爐的燃料量、送風量和引風量三者的控制任務(wù)是不可分開的，可以用三個控制器控制這三個控制變量，但彼此之間應互相協(xié)調(diào)，才能可靠工作。對給定出水溫度的情況，則需要調(diào)節(jié)鼓風量與給煤量的比例，使鍋爐運行在最佳燃燒狀態(tài)。同時應使爐膛內(nèi)存在一定的負壓，以維持鍋爐熱效率、避免爐膛過熱向外噴火，保證了人員的安全和環(huán)境衛(wèi)生。4.2燃氣鍋爐汽包壓力與爐膛火力的控制系統(tǒng)原理圖：4.3燃燒火力給定信號形態(tài)及其與燃燒器的關(guān)聯(lián)作用方式：P為機組負荷熱量信號為D+

13、dPbdt。控制系統(tǒng)包括：滑壓運行主汽壓力設(shè)定值計算模塊（由熱力系統(tǒng)實驗獲得數(shù)據(jù)，再擬合成可用DCS折線功能塊實現(xiàn)的曲線）、負荷送風量模糊計算模塊、主蒸汽壓力控制系統(tǒng)和送、引風控制系統(tǒng)等。主蒸汽壓力控制系統(tǒng)采用常規(guī)串級PID控制結(jié)構(gòu)。當外界對鍋爐蒸汽負荷的要求變化時，必須相應的改變鍋爐燃燒的燃料量。燃料量控制是鍋爐控制中最基本也是最主要的一個系統(tǒng)。因為給煤量的多少既影響主汽壓力，也影響送、引風量的控制，還影響到汽包中蒸汽蒸發(fā)量及汽溫等參數(shù)，所以燃料量控制對鍋爐運行有重大影響。燃料控制可用圖3簡單表示。燃燒過程的經(jīng)濟與否可以通過剩余空氣系數(shù)是否合適來衡量，過?？諝庀禂?shù)通常用煙氣的含氧量來間接表示

14、。實現(xiàn)經(jīng)濟燃燒最基本的方法是使風量與燃料量成一定的比例。送風量控制子系統(tǒng)的任務(wù)就是使鍋爐的送風量與燃料量相協(xié)調(diào)，可以達到鍋爐的最高熱效率，保證機組的經(jīng)濟性，但由于鍋爐的熱效率不能直接測量，故通常通過一些間接的方法來達到目的。4.4說明調(diào)節(jié)過程和控制原理：在鍋爐燃燒過程中，用常規(guī)儀表進行控制，存在滯后、間歇調(diào)節(jié)、煙氣中氧含量超過給定值、低負荷和煙氣溫度過低等問題。采用PLC對鍋爐進行控制時，由于它的運算速度快、精度高、準確可靠，可適應復雜的、難于處理的控制系統(tǒng)。因而，可以解決以上由常規(guī)儀表控制難以解決的問題。所選擇的PLC系統(tǒng)要求具有較強的兼容性，可用最小的投資使系統(tǒng)建成及運轉(zhuǎn)；其次，當設(shè)計的自

15、動化系統(tǒng)要有所改變時，不需要重新編程，對輸入、輸出系統(tǒng)不需要再重新接線，不須重新培訓人員，就可使PLC系統(tǒng)升級；最后，系統(tǒng)性能較高。5 防脫火回火選擇性控制系統(tǒng)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)除了要考慮“脫火”保護以外，還要考慮“回火”的保護問題，因此可以設(shè)計一個混合型選擇性控制系統(tǒng)來進行解決。當燃料壓力不足時，燃料氣管線的壓力有可能低于燃燒室壓力，這樣就會出現(xiàn)危險的“回火”現(xiàn)象，這會危及燃料氣罐發(fā)生燃燒和爆炸。因此，必須設(shè)法加以防止。為此，可在圖3.4所示的蒸汽壓力與燃料氣壓力連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一個燃料氣壓力過低的開關(guān)型選擇內(nèi)容，如圖3.6所示。圖5.1防脫火回火混合型選擇性控制系統(tǒng)在本方案

16、中增加了一只帶下限節(jié)點的壓力控制器PC3和一個三通電磁閥。當燃料氣壓力正常時，PC3下限接點是斷開的，電磁閥失電，低選器LS輸出直通控制閥，此時系統(tǒng)的工作情況與圖3.3相同。一旦燃料氣壓力下降到低于下限值，PC3下限接點接通，電磁閥得電，于是便切斷了低選器LS至控制閥的通路，并使控制閥的膜頭與大氣相通，膜頭壓力將迅速下降至零，于是控制閥將關(guān)閉，以防止“回火”的產(chǎn)生。當燃料氣管線壓力慢慢上升達到正常值時，PC3接點又復斷開，電磁閥復斷電，于是低選器LS的輸出又能直通控制閥，恢復成圖3.4的控制方案。圖5.2 脫火回火混合型選擇性控制系統(tǒng)方塊圖該系統(tǒng)的方塊圖如圖5.2所示。圖中：Gc1(s)、Gc

17、2(s)、Gc3(s)分別為控制器PC1、PC2、PC3傳遞函數(shù)； Go1(s)蒸汽壓力對象傳遞函數(shù)； Go2(s)燃料氣壓力對象傳遞函數(shù)；Gm1(s)、Gm2(s)、Gm2(s) 分別為蒸汽壓力、燃料氣上限和下限壓力變送器傳遞函數(shù)。6. 燃燒控制系統(tǒng)的儀表選型圖6.1燃燒控制總體方案任何一套控制系統(tǒng)要想充分發(fā)揮它的功能作用，正確、合適的儀表選型是至關(guān)重要的。然而儀表的選型也時復雜的工作。對于不同的控制對象，儀表選型會有很大不同，甚至相同控制對象的不同工況條件，儀表選型也會千差萬別。儀表選型的根本原則是根據(jù)控制的實際對象、實際工況、實際功能來選擇合適的儀表類型。按照圖3.8，具體儀表選型如下：

18、壓力變送器選擇JKS318智能型壓力變送器，該變送器采用高性能的感壓芯片，配合先進的電路處理和溫度補償技術(shù)，將壓力變化轉(zhuǎn)化為420mA的線性電流，壓力測量范圍最大為040MPa，最小為01KPa；流量變送器選擇標準孔板的JK3351DP型差壓變送器，以差動電容為檢測原理組成電容式變送器，輸入壓力范圍為010MPa；HS、LS分別為DFC系列高、低值選擇器；閥1，2，3為氣動蝶閥，類型都為氣開閥，流量特性為線性；PC1、PC2為反作用D520/7DD差壓控制器，該控制器采用波紋管式的傳感器，調(diào)節(jié)范圍 0.011.6 MPa，工作壓力范圍 0.052.5 MPa。PC3為一只帶下限接點的壓力控制器，設(shè)定值為燃料管線的最小壓力值；F1C、F2C為反作用GFC系列氣體流量控制器，最大流量為01000L/min，最大壓力為1000psig(70bar)，信號范圍05VD