鍋爐設(shè)備的控制

式--可編輯--專業(yè)資料-----4.3爐設(shè)備控制鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的重要動力設(shè)備。它通過煤、油、天然氣的燃燒釋放出的化學(xué)能，通過傳熱過程把能量傳遞給水，使水變成水蒸氣。這種高壓蒸汽即可以作為蒸餾、化學(xué)反、干燥和蒸發(fā)過程的能源，又可以作為風(fēng)機、壓縮機、大型泵類的驅(qū)動透平的動力源。隨著石油學(xué)工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大產(chǎn)程不斷強化產(chǎn)設(shè)備的不斷更新為廠動力和熱源的鍋爐亦向著高效率，大容量發(fā)展。為確保安全，穩(wěn)定生產(chǎn)，對鍋爐設(shè)備的自動控制就顯得十分重要4.3.1工藝程介給水經(jīng)給水泵、給水控制閥、省煤器進入鍋爐的汽包，燃料和熱空氣按一定的比例送入燃燒室內(nèi)燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸。然后經(jīng)過熱器，形成一定氣溫的過熱蒸汽D，匯集至蒸汽母管。壓力Pm的熱蒸汽，經(jīng)負(fù)載設(shè)備控制供給負(fù)荷設(shè)備用。與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，除將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐給水和空氣預(yù)熱器熱空氣，最后經(jīng)引風(fēng)機送往煙囪，排到大氣。圖4.3-1給了一個20T/h工業(yè)煤鍋爐工藝流程圖。D

M

調(diào)節(jié)閥D

過熱蒸汽送負(fù)荷設(shè)備減溫器汽包

過熱器

爐墻熱空氣燃料

爐膛燃燒嘴

省煤器

熱空氣送往爐膛空氣預(yù)熱器給水(由給水泵來)冷空氣(由送風(fēng)機來煙氣(由引風(fēng)機送往煙圖4.3-120T/h工業(yè)燃煤鍋爐藝流程圖鍋爐是全廠重要的動力設(shè)備要求是供給合格的蒸汽爐發(fā)熱量適應(yīng)負(fù)荷的需要，生產(chǎn)過程的各個主要工藝參數(shù)必須嚴(yán)格制。鍋爐設(shè)備的主要控制要求如下。①供給蒸汽量適應(yīng)負(fù)荷變化需求保持給定負(fù)荷。

負(fù)荷

控或②鍋爐供給用汽設(shè)備的蒸汽壓力給水量

汽包水位

應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)。③過熱蒸汽溫度應(yīng)保持在一定范內(nèi)。

減溫水燃料量

鍋爐設(shè)

蒸汽溫度蒸汽壓力

圍④汽水位保持在一定范圍內(nèi)。

送風(fēng)量備

過剩空氣⑤保持鍋爐燃燒的經(jīng)濟性和安全引風(fēng)量行。

爐膛負(fù)壓

運⑥爐負(fù)壓保持在一定范圍內(nèi)。

圖4.3-2鍋爐控制對象鍋爐設(shè)備是一個復(fù)雜的控制對象，

如圖所，主要輸入變量是鍋爐給水量、燃料量、減溫水量、送風(fēng)量和引風(fēng)量等；主要輸出量是汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓、過?？諝猓ㄑ鯕夂康壬鲜鲚斎胱兞颗c輸出變量之間相互關(guān)聯(lián)。如果蒸汽負(fù)荷發(fā)生變化，必將引起汽包水位、蒸汽壓完整版學(xué)習(xí)資料分享----

f式--可編輯--專業(yè)資料-----f力和過熱蒸汽溫度等的變化。燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，同時還會影響汽包水位、過熱汽溫度、過?？諝夂蜖t膛負(fù)壓。給水量的變化不僅影響汽包水位，而且對蒸汽壓力、過熱蒸汽溫等亦有影響。減溫水的變化會導(dǎo)致過熱蒸汽溫度、蒸汽壓力、汽包水位等的變化；等等。所以鍋設(shè)備是一個多輸入，多輸出且相互關(guān)聯(lián)的控制對象。目前工程處理上作了一些假設(shè)之后，將鍋爐備劃分為若干個控制系統(tǒng)，主要控制系統(tǒng)如下。①鍋汽包水位控制（給水自動控制系統(tǒng)液高度是確保生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要參數(shù)特別是對現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)來于蒸汽量顯著提高汽包溶劑相對減小位速度變化很快稍不注意即造成汽包滿水或燒干鍋，無論滿水還是缺水都會造成極其嚴(yán)重的后果。因此，主要汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包中水位在工藝允許范圍內(nèi)。這是保鍋爐，汽輪機安全運行的必要條件之一，是鍋爐正常運行的重要指標(biāo)。因而，此控制系統(tǒng)的受控量是汽包水位，操縱變量是給水量。主要考慮汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)蒸發(fā)量，維持包中水位在工藝要求的范圍之內(nèi)。②鍋燃燒的自動控制。蒸汽壓力、煙氣成分、爐膛負(fù)壓為三個被控變量，分別利用燃料流量、送風(fēng)流量和引風(fēng)流量作為三個操縱變量。這三個被控變量和操縱變量互相關(guān)聯(lián)，組成合適燃燒系統(tǒng)控制方案，以滿足燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要，使燃料與空氣間保持一比值，以保證最經(jīng)濟的燃燒（常以煤煙中的氧含量為受控變量高鍋爐的燃燒效率，滿足燃燒完全和經(jīng)濟性。保持爐膛負(fù)壓在一定的范圍內(nèi)，使鍋爐安全運行。③過蒸汽溫度的自動控制。是以過熱蒸汽溫度為被控變量，噴水量為操縱變量的溫度控制系統(tǒng)，維持過熱器出口溫度在一定范圍內(nèi)，并保證管壁溫度不超過允許的工作溫度。4.3.2鍋爐包位控保持汽包水位在一定范圍內(nèi)是鍋爐穩(wěn)定安全運行的主要指標(biāo)。水位過低會造成汽包內(nèi)水量太少，當(dāng)負(fù)荷有較大變動時，汽包內(nèi)的水量變化速度很快，如來不及控制，就會使汽包內(nèi)的水全氣化，會導(dǎo)致水冷壁的損壞，嚴(yán)重時會發(fā)生鍋爐爆炸。水位過高則會影響汽包內(nèi)的汽水分離，產(chǎn)蒸汽帶液現(xiàn)象，一方面會使過熱器管壁結(jié)垢，傳熱效率下降，同時由于蒸汽溫度的下降，液化的汽驅(qū)動透平機時會使透平機葉片遭到毀壞，影響運行的安全性和經(jīng)濟性。1．汽包水位的動態(tài)特性影響汽包水位的因素有：汽包（包括循環(huán)水管）中儲水量和水位下氣泡容積。而水位下氣泡容積與鍋爐的蒸汽負(fù)荷、蒸汽壓力、爐膛熱負(fù)荷等有關(guān)。鍋爐汽包水位主要受到鍋爐蒸發(fā)量（蒸流量

D

）和給水流量

的影響。）干擾通道的動態(tài)特性——蒸汽負(fù)荷對水位的影響在蒸汽流量

D

（既負(fù)荷增大或減小的階躍干擾下包水位的階躍響應(yīng)曲線如圖4.3-3示。鍋爐汽包水位

H

對干擾輸入蒸汽流量

D

的傳遞函數(shù)可以描述為H(s(s)(s)kk22D(()(s)sTs2

（4.1）其中，為應(yīng)速度，即蒸汽流量作單位流量變化時，汽包水位的變化速度；k和分別為響應(yīng)f2曲線的益和時間常數(shù)。2根據(jù)物料守恒關(guān)系蒸用量突然增加而燃料量不變的情況下包內(nèi)的水位應(yīng)該是降低的。但是由于蒸汽用量突然增加，瞬時必導(dǎo)致汽包內(nèi)壓力下降，因此水的沸點降低，汽包內(nèi)水的沸突然加劇氣泡迅速增加整個水位提高，D（蒸汽流量）汽用量突然增加對汽包水位不是理論上的降是升高，這就是所謂的假水位現(xiàn)象。當(dāng)蒸汽流量突然增加時，由于假水位現(xiàn)始水位先上升后下降，如圖中曲線H所示。H（汽包水位）汽流量階躍變化時根物料平關(guān)系蒸汽完整版學(xué)習(xí)資料分享----

HH

tt

即蒸低而象開當(dāng)蒸量大圖4.3-3

H1蒸流階干下爐包位響曲

式--可編輯--專業(yè)資料-----于給水量，水位應(yīng)下降，如圖中的曲H所。曲線是只考慮水面下氣泡容積變化時的水位變1化曲線。而實際水位變化曲線

H

是

1

與

2

的疊加，即

1

2

。對于蒸汽用量減少時同樣可用上述方法進行分析。假水位變化幅度與鍋爐規(guī)模有關(guān)，例如一般T/H的高壓鍋爐當(dāng)負(fù)荷變化10%時假水位可達30-40mm，此在實際運行中選擇控制方案時應(yīng)將其考慮在內(nèi)。2）控制通道的動態(tài)特性——給量對汽包水位的影響給水流量

作階躍變化時，鍋爐水位

H

的響應(yīng)曲線如圖4.3-5所示，可用下列傳遞函數(shù)描述。(sk0W()

（4.3.2）其中，

k0

為響應(yīng)速度，即給水流量作單位流量變化時，水位的變化速度

為時滯。當(dāng)給水量增加時由于給水溫度然低內(nèi)飽和水溫度因需要從飽和中吸收部因此導(dǎo)致汽包內(nèi)的水溫降低使包內(nèi)水位泡減少，從而導(dǎo)致水位下降，只有當(dāng)水位下

W給水量）

于汽包分熱量，下的氣氣泡容積變化達到平衡后給量增加與水位成

t

比例增加。表現(xiàn)在響應(yīng)曲線的初始段，水位的增加慢，可用時滯特性近似描述。因此實際的水

（汽包水位

比較緩位響應(yīng)曲線為如圖4.3-4所當(dāng)突然大給水量水位一開始并不立即增加而需要一段起慣

t

時包性段為滯后時間，其中為考慮給水增加而0包中氣泡減少的實際水位變化圖。

圖4.3-4

給水作用下汽包水位階躍響線

導(dǎo)致汽2．鍋爐汽包水位的控制鍋爐汽包水位的控制系統(tǒng)中，被控變量為汽包水位，操縱變量是給水流量。主要的干擾變量有以下四個來源。①給方面的干擾。例如，給水壓力、減溫器控制閥開度變化等。②蒸用量的干擾。包括管路阻力變化和負(fù)荷設(shè)備控制閥開度變化等。③燃量的干擾。包括燃料熱值、燃料壓力、含水量等。④汽壓力變化。通過汽包內(nèi)部汽水系統(tǒng)在壓力升高時的“自凝結(jié)”和壓力降低時的“自蒸發(fā)”影響水位。1）單沖量水位控制系統(tǒng)汽包水位控制系統(tǒng)的操縱變量總選用給水流量?；谶@一原理，可構(gòu)成如4所的單沖量控制系統(tǒng)。單沖量水位控制系統(tǒng)是最簡單和基本的控制系統(tǒng)。單沖量指只有一個變量，即汽水位。這是一個典型的單回路控制系統(tǒng)。其特點主要有①結(jié)簡單，投資少。②適于汽包容量較大，虛假水位不嚴(yán)重，負(fù)荷較平穩(wěn)的場合。③為全運行，可設(shè)置水位報警和連鎖控制系統(tǒng)。根據(jù)鍋爐水位動態(tài)特性分析，該控制過程具有虛假水位的反向特性。當(dāng)水蒸氣負(fù)荷突然大幅度增加時，由于假水位現(xiàn)象，控制器輸出誤動作。控制器不但不能開大給水閥增加給水量，維持爐的物料平衡，而是關(guān)小控制閥的開度，減小給水量。等到假水位消失后，水位嚴(yán)重下降，影響制系統(tǒng)的控制品質(zhì)，嚴(yán)重時甚至?xí)蛊唤档轿ｋU程度以致發(fā)生事故。因此對于停留時間短負(fù)荷變動較大的情況，這樣的系統(tǒng)不能適合，水位不能保證。然而對于小型鍋爐，由于汽包停留間較長，在蒸汽負(fù)荷變化時假水位的現(xiàn)象并不顯著，配上一些連鎖報警裝置。也可以保證安全操，故采用這種單沖量控制系統(tǒng)尚能滿足生產(chǎn)的要求。完整版學(xué)習(xí)資料分享----

式--可編輯--專業(yè)資料-----蒸汽

蒸汽汽包

汽包

LC

C

F(P)2P省煤器給水

LC

省煤器給水圖

單沖控制系

圖

雙沖控制系2）雙沖量水位控制系統(tǒng)在汽包水位的控制中，最主要的干擾是負(fù)荷的變化。如果引入蒸汽流量來起校正作用，就可以糾正虛假水位引起的誤動作，而且使控制閥及時動作，從而減少水位的波動，改善控制品質(zhì)。慮到蒸汽負(fù)荷的擾動可測但不可控，因此可將蒸汽流量信號引入系統(tǒng)中作為前饋信號，與汽包水組成前饋－反饋控制系統(tǒng)，通常稱為雙沖量水位控制系統(tǒng)。構(gòu)成的雙沖量水位控制系統(tǒng)如4.3-6所示。圖中加法器的輸出為12F

。）式中LC為位控制器，

為液位控制器的輸出；PF

為蒸汽流量變送（一般經(jīng)開方的輸出；0

為初始偏置值；C、為法器的系數(shù)。12

2

F

m

DGPD

1

P

G

H

圖4

雙控制方框圖給了典型的雙沖量控制系統(tǒng)的原理及方框圖。這是一個前饋（蒸汽流量）加單回路反饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)。這里的前饋系統(tǒng)僅為靜態(tài)前饋，若需要考慮控制通道和擾動通道在態(tài)特性上的差異，須加入動態(tài)補償環(huán)節(jié)。下面分析這些系數(shù)的設(shè)置。（1）系數(shù)符的選取原則2系數(shù)

2

取正號還是負(fù)號（即進行加法還是減法據(jù)調(diào)節(jié)閥的特性是氣開還是氣關(guān)而定。而調(diào)節(jié)閥的選取一般要從生產(chǎn)安全角度進行選取。如果高壓蒸汽是供給蒸汽透平機等，為保護些設(shè)備以選擇氣開閥為宜。如果蒸汽作為加熱及工藝生產(chǎn)中的熱源時，應(yīng)考慮采用氣關(guān)閥，以防燒干鍋，保護鍋爐設(shè)備安全。若調(diào)節(jié)閥為氣開型，則取正號；若為氣關(guān)型，則取負(fù)號。此處考慮鍋爐蒸汽作加熱用則

2

項取負(fù)號這樣當(dāng)蒸汽流量加大量到的干擾

F

增加，計算所得控制器的輸出P則減小，調(diào)節(jié)閥開度加大。（2）

2

數(shù)值大小的確定根據(jù)前饋控制工作原理，靜態(tài)前饋時（即只有負(fù)荷干擾的條件下，汽包水位整體不變應(yīng)滿足下列不變性條件。完整版學(xué)習(xí)資料分享----

f式--可編輯--專業(yè)資料-----G(s)G(s)()G(sfPC

（4.3.4）檢測變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)

G(s)

以增益

k

表示，則

k

m

可按（）計算。k

m2

Fmaxminmax

（4.3.5）式中，

F

表示蒸汽流量變送器的輸出變化量；

為蒸汽流量變化量；

z

min

為蒸汽流量變送器輸出最大變化范圍；

QSmax

為蒸汽流量變送器的量程，從零開始。設(shè)調(diào)節(jié)閥的工作特性是線性的則它的放大系數(shù)

kvW

式，W

為給水流量變化量；

為閥門輸入信號變化量。若令

Gs)Cffm2

2

，則由（4.3.4）可得(s)(s)PD(s)G)

(

k)sT2(es

（4.3.6）若采用靜態(tài)補償，則G()ffs

kfkkv

Cm

2

（4.3.7）由式4.3.1）知f

為在蒸汽流量作用下的汽包水位的階躍響應(yīng)曲線的速度；由式（4.3.2可，

k0

為在給水流量作用下的汽包水位的階躍響應(yīng)曲線的速度據(jù)達到穩(wěn)態(tài)時滿足物料平衡的原理，有

。由于排污等水損失，因此給水流量的增量

應(yīng)大于蒸汽流量用量，。因而可得系數(shù)sC2

kv2

（4.3.8）（3）系數(shù)的定由于是與調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)的乘，相當(dāng)于簡單調(diào)節(jié)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)的作用。一般取1

。（4）C的確定

0

是一個恒定值設(shè)C的的是在正常負(fù)荷下使調(diào)節(jié)器和加法器的輸出都能有一個比較0適中的數(shù)值。在正常負(fù)荷下C值P02F

項恰好抵消。（5）雙沖量水位控制系統(tǒng)的另種接法為了減少儀表的投資，在采用常規(guī)儀表實施雙沖量控制系統(tǒng)時，也可采用如4.3-8所示接法。由于控制器輸入端具有加法功能，因此，將前饋信號在反饋控制器前加入。該控制方案的優(yōu)點是水位上升與蒸汽流量增加時制動作方向相反號相減的此可節(jié)省儀表。缺點是由于水位控制器的測量信號是水位信號與蒸汽流量信號之差，因此，采用態(tài)前饋時，不能保證水位無余差。完整版學(xué)習(xí)資料分享----

ff式--可編輯--專業(yè)資料-----ff

LC

LCP圖雙沖控系統(tǒng)的一種法

FC圖量控系統(tǒng)方一雙沖量控制系統(tǒng)考慮了蒸汽流量擾動對汽包水位的影響，但對給水流量擾動的影響未加考慮，因此，適用于給水流量波動較小的場合。3）三沖量水位控制系統(tǒng)對于雙沖量控制系統(tǒng)主要的弱點，一是控制閥的工作特性要做到靜態(tài)補償比較困難；二是對于給水系統(tǒng)的干擾不能克服。為此，將給水流量信號引入，構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)。（1）三沖量控制方案一引入給水流量信號，構(gòu)成的三沖量控制方案之一如圖4所示。可以看出，這是前饋與串級控制組成的復(fù)合控制系統(tǒng)。與雙沖量水位控制系統(tǒng)比較，設(shè)置了串級副環(huán)，將給水流量、給水力等擾動引入到串級控制系統(tǒng)的副環(huán)。因此，擾動能夠迅速被副環(huán)克服，彌補了雙沖量水位控制統(tǒng)的缺點。從系統(tǒng)的安全角度來考慮，為供熱中心鍋爐設(shè)備的工程設(shè)計采用了三沖量控制方案，夠有效的維持汽包水位在工藝允許范圍內(nèi)，也有效地克服了系統(tǒng)中存在的“假水位”現(xiàn)象。3

D

2

PD_

1

_

P1

Hm2m1三系統(tǒng)方圖4.3-10給了三沖量控制系的方框圖。則前饋補償模型為(s)G()(sPDm2(sP1

（4.3.9）其中，蒸汽流量和給水流量的檢測變送環(huán)節(jié)因動態(tài)響應(yīng)快，其傳遞函數(shù)

G(s)m

、

G(s)

可分別以靜態(tài)增益

k

m

、

k

表示，則

k

m

和

k

可分別按（4.3.10）計算。k

m3

minQmax

（4.3.10）k

m

z

minmax

（4.3.11）假設(shè)采用氣開閥，

2

就取正值。令

Gs)ff23

，當(dāng)考慮靜態(tài)前饋時有完整版學(xué)習(xí)資料分享----

2fd式--可編輯--專業(yè)資料-----2fdCk2m3

kk

f0

k

m2

2m

）將式（4.3.10）入4.3.12得Cm2km3

（4.3.13）若控制通道和擾動通道的動態(tài)特性不一致時，可采用動態(tài)前饋控制規(guī)律。此時，將系統(tǒng)方框圖4.3-10中C表示為G

'

()

。假如副回路跟蹤很好，可近似為:1的環(huán)節(jié)。根據(jù)不變性原理，得到動態(tài)前饋控制器的控制規(guī)律為G

'ff

G(s)Q()PDSmaxG(s)(zPm

sdkTs02

）式中，

kk2k0

。實際應(yīng)用時，通常有

0f

，

e

無法物理實現(xiàn)，實際動態(tài)前饋控制器的控制規(guī)律近似為ks'()KTs2

）式中，K是汽流量檢測變送環(huán)節(jié)增益的倒數(shù)，通常為1因此，實際實施時可采用蒸汽流量信號的負(fù)微分與蒸汽流量信號之和作為動態(tài)前饋信號。（2）三沖量控制方案二汽包

蒸汽

C

G

PD省煤器給水控制閥

1

G

G

HC

G

原理圖

(b)控制系統(tǒng)方塊圖圖4.3-11沖量控制系統(tǒng)方案二為了減少成本，可采用一個控制器的控制方案如圖4.3-11所示。該方案中，將蒸汽流量信號、給水流量信號和汽包水位信號一起送加法器，加法器輸出作為給水控制器的測量信號。主控制是比例度為100％的控制器，副控器是給水控制器。加法器的比例系數(shù)可以設(shè)置。由于汽包水位控制器的測量值是蒸汽流量信號、給水流量信號和汽包水位信號的代數(shù)和，當(dāng)給水流量與蒸汽流達到物料平衡（包括排污損失控器具有積分作用時，水位可達到無余差。但通常情況下，實施該控制方案的水位存在余差。（3）三沖量控制方案三為使水位無余差，將水位控制器移到加法器前，組成如圖4.3-12所的控制方案。圖中，水位控制器輸出信號、蒸汽流量信號、給水流量信號送加法器，加法器輸出送給水控制閥。因此該控制方案中，主控制器是水位控制器，副控制器是比例度為100％的比例控制器。由于水位控制器測量值是汽包水位信號，因此，當(dāng)水位控制器具有積分控制作用時，可實現(xiàn)汽包水位無余差。完整版學(xué)習(xí)資料分享----

式--可編輯--專業(yè)資料-----汽包

蒸汽

DPD省煤器給水控制閥

G

H

G(a)鍋爐燒制統(tǒng)

(b)1．燃燒過程的控制任務(wù)燃燒過程的自動控制系統(tǒng)與燃料種類、燃燒設(shè)備及鍋爐形式有著密切的關(guān)系。這里討論燃油鍋爐的燃燒過程控制系統(tǒng)。燃燒過程控制任務(wù)很多，最基本的任務(wù)是使鍋爐出口蒸汽壓力穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)荷變化時，通過調(diào)節(jié)燃料量使之穩(wěn)定。其次，要保證燃料燃燒良好，燃燒過程經(jīng)濟運行。既不能因為空氣不足而使囪冒黑煙，也不能因為空氣過多而增加熱量損失。所以在增加燃料時，應(yīng)先加大空氣量；在減少料時，也應(yīng)先減少空氣量?？傊?，燃料量與空氣量應(yīng)保持一定的比值，或者煙道中的氧含量應(yīng)保一定的數(shù)值。再次，為防止燃燒過程中火焰或煙氣外噴，應(yīng)該使排煙量與空氣量相配合，以保持膛負(fù)壓不變。如果負(fù)壓太小，甚至為正，則爐膛內(nèi)熱煙氣向外冒出，影響人員和鍋爐設(shè)備安全；果負(fù)壓大，會使大量冷空氣進入爐內(nèi)，從而使熱量損失增加，降低了燃燒效率。一般爐膛負(fù)壓應(yīng)維持在-20Pa（約2mmH）右。此外，燃燒嘴背壓太高時可能燃燒流速過高而脫火；爐嘴背壓太低時，又可能回火。因此，從安全考慮，應(yīng)該設(shè)置一定的防備措施。2．蒸汽壓力控制和燃料與空氣值控制系統(tǒng)蒸汽壓力對象的主要干擾是燃料量的波動與蒸汽負(fù)荷的變化燃料流量和蒸汽負(fù)荷變動較小時，可采用利用蒸汽壓力來調(diào)節(jié)燃料量的單回路控制系統(tǒng)；當(dāng)燃料流量波動較大時，可采用蒸壓力對燃料流量的串級控制系統(tǒng)。燃料流量是隨蒸汽負(fù)荷而變化的，所以為主流量，與空氣流量成的單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，可使燃料與空氣保持一定的比例，獲得良好的燃燒。為了保證經(jīng)濟燃，也可以使用煙道氣中氧含量來校正燃料流量與空氣流量的比值，組成變比值控制系統(tǒng)。1）基本控制方案一圖4.3-13給了鍋爐燃燒過程制的基本方案，包括蒸汽壓力為主被控變量、燃料量為副被控變量組成的串級控制系統(tǒng)，以及燃料量為主動量、送風(fēng)量為從動量的比值控制系統(tǒng)。方案一能夠確保燃料量與空氣量的比值關(guān)系料量變化時風(fēng)能夠跟蹤燃料量的變化。但送入的空氣量滯后于燃料量的變化。

PTF1T

F2T

AT

F1TPT

F2TAT

PCF1CF2C

F1C

F2C)

)

)

)圖4.3-13過程制方一

圖4.3-14程控二完整版學(xué)習(xí)資料分享----

式--可編輯--專業(yè)資料-----2）基本控制方案二圖4.3-14給了第二種控制方。包括蒸汽壓力為主被控變量、燃料量為副被控變量的串級控制系統(tǒng)，以及蒸汽壓力為主被控變量、送風(fēng)量為副被控變量的串級控制系統(tǒng)。此方案中，燃量與送風(fēng)量的比值關(guān)系是通過燃料控制器和送風(fēng)調(diào)節(jié)器的正確動作間接保證的方能夠保證蒸壓力恒定。3．燃燒過程中煙氣氧含量閉環(huán)制無論是方案一還是方案二，其共同的特點是在比值控制方案的基礎(chǔ)上，加入了煙道氣氧含量的一個控制回路。這是一個以煙道中氧含量為控制目標(biāo)的燃燒流量與空氣流量的變比值控制系統(tǒng)也稱煙氣氧含量的閉環(huán)控制系統(tǒng)。這一控制系統(tǒng)可以保證鍋爐最經(jīng)濟燃燒。在整個生產(chǎn)過程中保證最經(jīng)濟的燃燒，必須使得燃料和空氣流量保證最優(yōu)比值。上述方案中保證了燃料和空氣的比值關(guān)系，但并不能保證燃料的完全燃燒控制。因為，其一，在不同的負(fù)荷，兩流量的最優(yōu)比值不同；其二，燃料的成分（如含水量、灰分等）有可能會變化；其三，流量量的不準(zhǔn)確。這些因素都會不同程度地影響到燃料的不完全燃燒或空氣的過量，造成鍋爐的熱效下降，這就是燃燒流量和空氣流量定比值的缺點。為了改善這一情況，簡單的方法是有一個指標(biāo)來閉環(huán)修整兩流量的比值。目前，最常用的是煙氣中的含氧量。1）鍋爐的熱效率鍋爐的熱效率（經(jīng)濟燃燒）主要反映在煙氣成份（特別是含氧量）和煙氣溫度這兩個方面。煙氣中各種成份，如、CO、CO和燃燒烴的含量，基本可以映燃料燃燒的情況。最簡單的22方法是用煙氣中含氧量

來表示。根據(jù)燃燒反應(yīng)方程式以計算是燃料完全燃燒時所需的氧量，從而得知所需空氣量，稱為理論空氣量Q。T實際上完全燃燒所需要的空氣量

Q

超理論計算的量，超過理論空氣量的這部分稱為過?？諝饬繜煔獾臒釗p失占鍋爐的大部分當(dāng)?？諝庠龆鄷r方面使?fàn)t膛溫度降低，另一方面使煙氣損失增加。因此，過?？諝饬繉Σ煌娜剂隙加幸粋€最優(yōu)值以滿足最經(jīng)濟燃燒的要求圖4.3-15所。對于液體燃料最優(yōu)過?？諝饬考s為8％15％。過剩空氣量常用過?？諝庀禂?shù)

來表示為際空氣量Q和理論氣量之因此,

）T是衡量經(jīng)濟燃燒的一種指標(biāo)剩氣系數(shù)難直接測量與氣中氧含量有，可近似表示為圖4.3-16顯示過剩空氣系與煙氣含氧量、爐效率關(guān)

21O

）數(shù)系

在1～1.6范內(nèi)，與

接

近直線關(guān)系，這樣可根據(jù)圖或（）到當(dāng)在～（最佳過?？諝饬考s為8％～

式1.1515％）時，煙氣含氧量

的最優(yōu)值為完整版學(xué)習(xí)資料分享----

式--可編輯--專業(yè)資料-----1.6％～3％。從圖4.3-16也可看到，過剩空氣量約為8～15％，鍋爐有最高效率。2）煙氣含氧量的閉環(huán)控制系統(tǒng)圖所為鍋爐燃燒過程煙氣含氧量的閉環(huán)控制方案。在這個方案中，含氧量煙作為被控變量。當(dāng)煙氣中含氧量變化時，表明燃燒過程中的過?？諝饬堪l(fā)生變化，通過含氧量制器來控制空氣量與燃料量的比值

K

，力求使

控制在最優(yōu)設(shè)定值，從而使對應(yīng)的過?？諝庀禂?shù)穩(wěn)定在最優(yōu)值，保證鍋爐燃燒最經(jīng)濟，熱效率最高?？梢姡瑹煔夂趿块]環(huán)控制系統(tǒng)是將原來定比值改變?yōu)樽儽戎?，比值由含氧量控制器輸出。實施時應(yīng)注意，為快速反映煙氣含氧量，對煙氣含氧量的檢測變送系統(tǒng)應(yīng)選擇正確。目前，常選用氧化鋯氧量儀表檢測煙氣中的含氧量。圖4.3-17也出了煙氣中氧含的閉環(huán)控制方案。該方案在負(fù)荷減少時，先減燃料量，后減送風(fēng)量；而負(fù)荷增加時，在增加燃料量之前，先加大送風(fēng)量。可見，它是能夠滿足邏輯提降要的比值控制系統(tǒng)。煙氣燃料

蒸汽PT

空氣

含氧量ATF1CFY1FY2變頻(料)變頻(氣)圖煙氣氧含的閉控制方

AC

最優(yōu)值正常情況下，是蒸汽壓力對燃料流量的串級控制系統(tǒng)和燃料流量對空氣流量的比值控制系統(tǒng)。蒸汽壓力控制器PC是作用的當(dāng)蒸汽壓力下降時（如因負(fù)荷增加控器輸出增加，從提高了燃料流量控制器的設(shè)定值果氣量不足會造成燃燒不完全低選擇器FY1，它只允許兩個信號中較小的通過，這樣保證燃料量只在空氣量足夠的情況下才能加大。壓力控器的輸出信號將先通過高限選擇器FY2加大空氣流量，保證在增加燃料流量之前先把控制量加大，使燃燒完全。當(dāng)蒸汽壓力上升時，壓力控制器輸出減小，降低了燃料量控制器的設(shè)定值，在減料量的同時，通過比值控制系統(tǒng)，自動減少空氣流量。其中比值由含氧量控制器輸出。該系統(tǒng)不能夠保證在穩(wěn)定工況下空氣和燃料在最佳比值，而且在動態(tài)過程中能夠盡量維持空氣、燃料配比最佳值附近。因此具有良好的經(jīng)濟和社會效益。4．爐膛負(fù)壓及安全控制系統(tǒng)1）爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)為了防止?fàn)t膛內(nèi)火焰或煙氣外噴，爐膛中要保持一定的微負(fù)壓。爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)中被控變量是爐膛壓力（控制在負(fù)壓變量是引風(fēng)量。當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化不大時，可采用單回路控制系統(tǒng)當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化較大時，應(yīng)引入擾動量的前饋信號，組成前饋－反饋控制系統(tǒng)。例如，當(dāng)鍋爐荷變化較大時，蒸汽壓力的變動也較大，這時，可引入蒸汽壓力的前饋信號，組成如圖4.3-18（a所示的前饋－反饋控制系統(tǒng)。若擾動來自送風(fēng)機時，送風(fēng)量隨之變化，引風(fēng)量只有在爐膛負(fù)壓生偏差時由風(fēng)調(diào)節(jié)器去調(diào)節(jié)樣風(fēng)量的變化落后于送風(fēng)量然成爐膛負(fù)壓的較大波動。為此可引入送風(fēng)量的前饋信號，構(gòu)成如圖4.3-18（b所示的前饋－反饋控制系統(tǒng)。這樣可使引風(fēng)調(diào)節(jié)器隨送風(fēng)量協(xié)調(diào)動作，使?fàn)t膛負(fù)壓保持恒定。完整版學(xué)習(xí)資料分享----

式--可編輯--專業(yè)資料-----蒸汽壓力

PT

PC

爐膛負(fù)壓

送風(fēng)量

FT

爐膛負(fù)壓

F1Y引風(fēng)（）蒸壓力饋

引風(fēng)（b）風(fēng)量饋圖4.3-18爐負(fù)壓饋－反控制系2）防止回火的連鎖控制系統(tǒng)當(dāng)燃料壓力過低，爐膛內(nèi)壓力大于燃料壓力時，會發(fā)生回火事故。為此設(shè)置圖4.3-19所連鎖控制系統(tǒng)。采用壓力開關(guān)PSA當(dāng)壓力低于下限設(shè)定值時，切斷燃料控制閥的上游切斷閥，防止回火。也可采用選擇性控制系統(tǒng)，防止回火事故發(fā)生。將噴嘴背壓的信號送背壓控制器，與蒸汽壓力和燃料量串級控制系統(tǒng)進行選擇控制。正常時，由蒸汽壓力和燃料量組成的串級控制系統(tǒng)控制料控制閥，一旦噴嘴背壓低于設(shè)定，則背壓控制器輸出增大，經(jīng)高選器后取代原有串級控制系統(tǒng)根據(jù)噴嘴背壓控制燃料控制閥。PT

P1CP2CP2C<P1C

>

min燃料控制閥

切斷閥

燃料

蒸汽

蒸汽

燃料圖4.3-19防止火的控

圖4.3-20防止火的控

圖4.3-21防脫和回選制3）防止脫火的選擇控制系統(tǒng)當(dāng)燃料壓力過高時，由于燃料流速過快，易發(fā)生脫火事故。為此，設(shè)置燃料壓力和蒸汽壓力的選擇性控制系統(tǒng)，如圖示。正常時，燃料控制閥根據(jù)蒸汽負(fù)荷的大小調(diào)節(jié)。一旦燃料壓力過高，燃料壓力控制器P2C的出減小，被低選器選中，由燃料壓力控制器1C取蒸汽壓力控制器，防止脫火事故發(fā)生。圖4.3-21給了防止回火和脫的系統(tǒng)組合，并設(shè)置回火報警系統(tǒng)。防止脫火采用低選器，防止回火采用高選器。

表示防止回火的最小流量對應(yīng)的儀表信號。min4）燃料量限速控制系統(tǒng)當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然增加時，燃料量也會相應(yīng)增加。當(dāng)燃料量增加過快時，會損壞設(shè)備。為此，在蒸汽壓力控制器輸出設(shè)置限幅器，限定最大增速在一定的范圍內(nèi)，保護設(shè)備免受損壞。蒸汽熱統(tǒng)控蒸汽過熱系統(tǒng)包括一級過熱器、減溫器、二級過熱器。蒸汽過熱系統(tǒng)自動控制的任務(wù)是使過熱器出口溫度維持在允許范圍內(nèi)，并且保護過熱器使管壁溫度不超過允許的工作溫度。過熱氣溫是鍋爐汽水通道中溫度最高的地方熱正常運行時的溫度一般接近材料所允許的最高溫度。如果過熱蒸汽溫度過高，則過熱器容易損壞，也會使氣輪機內(nèi)部引起過度熱膨脹，重影響運行安全。若過熱蒸汽溫度過低，則設(shè)備的效率降低，同時使通過氣輪機最后幾級的蒸汽度增加，引起頁片磨損。因此對過熱器出口蒸汽溫度應(yīng)加以控制，使它不超出規(guī)定范圍。影響過熱器出口溫度的因素有很多，例如蒸汽流量、燃燒工況、引入過熱器的蒸汽熱焓（減溫水量經(jīng)過熱器的煙氣溫度流速等。在各種擾動下，過熱器出口溫度的各個動態(tài)特性都有較大的時滯和慣性因此選擇合適操縱變量和合理的控制方案對于控制系統(tǒng)滿足工藝要求是十分必要的。完整版學(xué)習(xí)資料分享----

式--可編輯--專業(yè)資料-----第一級過熱器

減溫器

第二級過熱器

第一級過熱器

減溫器

第二級過熱器蒸汽

蒸汽T1T

d/dt減溫水

T2CT1C

減溫水

T2C圖4.3-22過蒸串控系

圖4.3-23過蒸雙量制統(tǒng)目前廣泛選用減溫水流量作為操縱變量器口溫度作為被控變量成單回路控制系統(tǒng)。但是控制通道的時滯和時間常數(shù)都較大，此單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足要求。因此，引入減器出口溫度為副被控變量，組成串級控制系統(tǒng)，如圖4.3-22示。此控制方案對于提前克服擾動因素是有利的，這樣可以減少過熱器出口溫度的動態(tài)偏差，以滿足工藝要求。另一種控制方案是成如圖4.3-23所的雙沖量控制系統(tǒng)，即前饋－反饋控制系統(tǒng)。它將減溫器出口溫度的微分信號為前饋信號，與過熱器出口溫度相加后作為過熱器溫度控制器的測量。當(dāng)減溫器出口溫度有變時才引入前饋信號，穩(wěn)定工況下，該微分信號為零，此時為單回路控制系統(tǒng)。采用編控器鍋控實以某學(xué)校供熱中心鍋爐房工業(yè)對,論其控制系統(tǒng)方案?，F(xiàn)場有兩臺15噸的氣燃煤鍋爐，鍋爐控制系統(tǒng)采用PLC與算機組合成的計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)利西門子變頻器驅(qū)動引風(fēng)（風(fēng)30KW水（30KW排（3KW）進行調(diào)節(jié)。計算機作為上位機，PLC使用兩臺作為直接數(shù)字控制DDC級。上位機采用RS232標(biāo)準(zhǔn)與PLC進通訊，完成數(shù)據(jù)監(jiān)控與人機接口的功能。上位機通過采集PLC相應(yīng)寄存器中的數(shù)據(jù)，可以監(jiān)控整個鍋爐的運行狀況，并可設(shè)置PLC各個參數(shù)，可以隨時查溫度、壓力、流量、氧含量等曲線，還具有數(shù)據(jù)自動存儲、報警提示、查詢、報表、打印等功能PLC使日本三菱FX2N系列，PLC的展模塊采用FX2N-4AD、、FX2N-4AD-PT和FX2N-4AD-TC，完成底層的作和系統(tǒng)基礎(chǔ)安全管理等功能。另外通過其提供的豐富的指令集和內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)函數(shù)，以及脈寬調(diào)制信號或脈沖信號的輸出，來完基本的控制任務(wù)。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所。工業(yè)控制機RS232RS232F940觸摸屏

F940觸摸屏RS422RS422PLC1其、DA擴展模塊于通訊)工業(yè)鍋爐

PLC2及其、擴展模塊用于485通訊)工業(yè)鍋爐圖4.3-24

控制系統(tǒng)構(gòu)圖下面對幾個主要系統(tǒng)作簡單介紹。1．鍋爐汽包水位

變送器

D

控制控制系統(tǒng)采用串級三沖量

流量調(diào)節(jié)器

1

流量調(diào)節(jié)器

2

控制機構(gòu)

W

汽包

H

給水控制系統(tǒng)，其基本結(jié)

構(gòu)如變送器完整版學(xué)習(xí)資料分享----變送器圖4.3-25

串級三沖給水控制系統(tǒng)

222式--可編輯--專業(yè)資222圖4.3-25所。該系統(tǒng)由主副兩個PI調(diào)器和三個沖量構(gòu)成，與單級三沖量控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)多采用了一個調(diào)節(jié)器，兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)工作，分工明確為位調(diào)節(jié)器，它根據(jù)水位偏差產(chǎn)生給水流量設(shè)定值為給水流量調(diào)節(jié)器它根據(jù)給水流量偏差制給水流量并接受前饋信號。蒸汽流量信號作為前饋信號，用來維持負(fù)荷變動時的物質(zhì)平衡，由此構(gòu)成的是一個前饋－串級制系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但各調(diào)節(jié)器的任務(wù)比較單純，系統(tǒng)參數(shù)整定相對單級三沖量控制系要容易些要求穩(wěn)態(tài)時給水流量蒸汽流量測量信號嚴(yán)格相等保證穩(wěn)態(tài)時汽包水位無靜態(tài)偏差，其控制重量較高，是現(xiàn)場廣泛采用的給水控制系統(tǒng)，也是組織給水全程控制的基礎(chǔ)。．燃燒控制系統(tǒng)鍋爐的燃燒過程是一個能量轉(zhuǎn)換和傳遞的過程控目的是使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要（常以蒸汽壓力為被控變量燃料與空氣量之間保持一定的比值，以保證最佳經(jīng)濟效益的燃燒（常以煙氣成分為被控變量高鍋爐的燃燒效率；使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，以保持爐膛負(fù)壓在一定的范圍內(nèi)。鍋爐燃燒控制系統(tǒng)分為汽包壓力及燃料比值、排煙氧含量、爐負(fù)壓控制系統(tǒng)。）汽包壓力及燃料比值控制系統(tǒng)蒸汽壓力控制系統(tǒng)主要是在燃料量的