鍋爐設(shè)備的控制

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上4.3鍋爐設(shè)備的控制鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的重要?jiǎng)恿υO(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)反應(yīng)、干燥和蒸發(fā)過程的能源，又可以作為風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、大型泵類的驅(qū)動(dòng)透平的動(dòng)力源。隨著石油化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)過程不斷強(qiáng)化，生產(chǎn)設(shè)備的不斷更新，作為全廠動(dòng)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(duì)鍋爐設(shè)備的自動(dòng)控制就顯得十分重要。4.3.1工藝流程簡介給水經(jīng)給水泵、給水控制閥、省煤器進(jìn)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

2、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽Ds。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。壓力為Pm的過熱蒸汽，經(jīng)負(fù)載設(shè)備控制供給負(fù)荷設(shè)備用。與此同時(shí)，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)熱器預(yù)熱空氣，最后經(jīng)引風(fēng)機(jī)送往煙囪，排到大氣。圖4.3-1給出了一個(gè)20T/h工業(yè)燃煤鍋爐工藝流程圖。圖4.3-1 20T/h工業(yè)燃煤鍋爐工藝流程圖給水量減溫水燃料量送風(fēng)量引風(fēng)量汽包水位蒸汽溫度蒸汽壓力過剩空氣爐膛負(fù)壓鍋爐設(shè)備負(fù)荷圖4.3-2 鍋爐控制對(duì)象鍋爐是全廠重要的動(dòng)力設(shè)備，其要求是供給合格的蒸汽，使鍋爐發(fā)熱量適應(yīng)負(fù)荷的需要。為此，生產(chǎn)過程的各個(gè)主要工藝參數(shù)必須

3、嚴(yán)格控制。鍋爐設(shè)備的主要控制要求如下。 供給蒸汽量適應(yīng)負(fù)荷變化需求或保持給定負(fù)荷。 鍋爐供給用汽設(shè)備的蒸汽壓力應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)。 過熱蒸汽溫度應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)。 汽包水位保持在一定范圍內(nèi)。 保持鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性和安全運(yùn)行。 爐膛負(fù)壓保持在一定范圍內(nèi)。鍋爐設(shè)備是一個(gè)復(fù)雜的控制對(duì)象，如圖4.3-2所示，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；主要輸出變量是汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓、過?？諝猓ㄑ鯕夂康龋?。上述輸入變量與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(shí)還會(huì)影響汽

4、包水位、過熱蒸汽溫度、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(duì)蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度等亦有影響。減溫水的變化會(huì)導(dǎo)致過熱蒸汽溫度、蒸汽壓力、汽包水位等的變化；等等。所以鍋爐設(shè)備是一個(gè)多輸入，多輸出且相互關(guān)聯(lián)的控制對(duì)象。目前工程處理上作了一些假設(shè)之后，將鍋爐設(shè)備劃分為若干個(gè)控制系統(tǒng)，主要控制系統(tǒng)如下。 鍋爐汽包水位控制（給水自動(dòng)控制系統(tǒng)）。鍋爐液位高度是確保生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要參數(shù)。特別是對(duì)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)來說，由于蒸汽量顯著提高，汽包溶劑相對(duì)減小，水位速度變化很快，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(huì)造成極其嚴(yán)重的后果。因此，主要從汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)

5、鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包中水位在工藝允許范圍內(nèi)。這是保證鍋爐，汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件之一，是鍋爐正常運(yùn)行的重要指標(biāo)。因而，此控制系統(tǒng)的受控變量是汽包水位，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，維持汽包中水位在工藝要求的范圍之內(nèi)。 鍋爐燃燒的自動(dòng)控制。蒸汽壓力、煙氣成分、爐膛負(fù)壓為三個(gè)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(gè)操縱變量。這三個(gè)被控變量和操縱變量互相關(guān)聯(lián)，組成合適的燃燒系統(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定比值，以保證最經(jīng)濟(jì)的燃燒（常以煤煙中的氧含量為受控變量），提高鍋爐的燃燒效率，滿足燃燒的完全和

6、經(jīng)濟(jì)性。保持爐膛負(fù)壓在一定的范圍內(nèi)，使鍋爐安全運(yùn)行。 過熱蒸汽溫度的自動(dòng)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鍋爐汽包水位的控制保持汽包水位在一定范圍內(nèi)是鍋爐穩(wěn)定安全運(yùn)行的主要指標(biāo)。水位過低會(huì)造成汽包內(nèi)水量太少，當(dāng)負(fù)荷有較大變動(dòng)時(shí)，汽包內(nèi)的水量變化速度很快，如來不及控制，就會(huì)使汽包內(nèi)的水全部氣化，會(huì)導(dǎo)致水冷壁的損壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生鍋爐爆炸。水位過高則會(huì)影響汽包內(nèi)的汽水分離，產(chǎn)生蒸汽帶液現(xiàn)象，一方面會(huì)使過熱器管壁結(jié)垢，傳熱效率下降，同時(shí)由于蒸汽溫度的下降，液化的蒸汽驅(qū)動(dòng)透平機(jī)時(shí)會(huì)使透平機(jī)葉片遭

7、到毀壞，影響運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。1汽包水位的動(dòng)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(chǔ)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（蒸汽流量）和給水流量的影響。1）干擾通道的動(dòng)態(tài)特性蒸汽負(fù)荷對(duì)水位的影響在蒸汽流量（既負(fù)荷增大或減?。┑碾A躍干擾下，汽包水位的階躍響應(yīng)曲線如圖4.3-3所示。鍋爐汽包水位對(duì)干擾輸入蒸汽流量的傳遞函數(shù)可以描述為 （4.3.1）其中，為響應(yīng)速度，即蒸汽流量作單位流量變化時(shí)，汽包水位的變化速度；和分別為響應(yīng)曲線的增益和時(shí)間常數(shù)。根據(jù)物料守恒關(guān)系，當(dāng)蒸汽用量突然增加而燃料量不變的情況下，汽包

8、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(shí)必導(dǎo)致汽包內(nèi)壓力下降，因此水的沸點(diǎn)降低，汽包內(nèi)水的沸騰突然加劇，水的氣泡迅速增加，將整個(gè)水位提高，即蒸汽用量突然增加對(duì)汽包水位不是理論上的降低而是升高，這就是所謂的假水位現(xiàn)象。當(dāng)蒸汽流量突然增加時(shí)，由于假水位現(xiàn)象，開始水位先上升后下降，如圖中曲線所示。當(dāng)蒸汽流量階躍變化時(shí)，根據(jù)物料平衡關(guān)系，蒸汽量大于給水量，水位應(yīng)下降，如圖中的曲線所示。曲線是只考慮水面下氣泡容積變化時(shí)的水位變化曲線。而實(shí)際水位變化曲線是與的疊加，即。對(duì)于蒸汽用量減少時(shí)同樣可用上述方法進(jìn)行分析。假水位變化幅度與鍋爐規(guī)模有關(guān)，例如一般100-300 T/H的高壓鍋爐當(dāng)負(fù)荷變化1

9、0%時(shí)假水位可達(dá)30-40mm，因此在實(shí)際運(yùn)行中選擇控制方案時(shí)應(yīng)將其考慮在內(nèi)。2）控制通道的動(dòng)態(tài)特性給水量對(duì)汽包水位的影響給水流量作階躍變化時(shí)，鍋爐水位的響應(yīng)曲線如圖4.3-5所示，可以用下列傳遞函數(shù)描述。 （4.3.2）其中，為響應(yīng)速度，即給水流量作單位流量變化時(shí)，水位的變化速度；為時(shí)滯。當(dāng)給水量增加時(shí)，由于給水溫度必然低于汽包內(nèi)飽和水溫度，因而需要從飽和水中吸收部分熱量，因此導(dǎo)致汽包內(nèi)的水溫降低，使汽包內(nèi)水位下的氣泡減少，從而導(dǎo)致水位下降，只有當(dāng)水位下氣泡容積變化達(dá)到平衡后，給水量增加才與水位成比例增加。表現(xiàn)在響應(yīng)曲線的初始段，水位的增加比較緩慢，可用時(shí)滯特性近似描述。因此實(shí)際的水位響應(yīng)曲

10、線為如圖4.3-4所示。當(dāng)突然加大給水量時(shí)，汽包水位一開始并不立即增加而需要一段起慣性段，為滯后時(shí)間，其中為不考慮給水增加而導(dǎo)致汽包中氣泡減少的實(shí)際水位變化圖。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(gè)來源。 給水方面的干擾。例如，給水壓力、減溫器控制閥開度變化等。 蒸汽用量的干擾。包括管路阻力變化和負(fù)荷設(shè)備控制閥開度變化等。 燃料量的干擾。包括燃料熱值、燃料壓力、含水量等。 汽包壓力變化。通過汽包內(nèi)部汽水系統(tǒng)在壓力升高時(shí)的“自凝結(jié)”和壓力降低時(shí)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

11、量。基于這一原理，可構(gòu)成如圖4.3-5所示的單沖量控制系統(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(gè)變量，即汽包水位。這是一個(gè)典型的單回路控制系統(tǒng)。其特點(diǎn)主要有 結(jié)構(gòu)簡單，投資少。 適用于汽包容量較大，虛假水位不嚴(yán)重，負(fù)荷較平穩(wěn)的場合。 為安全運(yùn)行，可設(shè)置水位報(bào)警和連鎖控制系統(tǒng)。根據(jù)鍋爐水位動(dòng)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(shí)，由于假水位現(xiàn)象，控制器輸出誤動(dòng)作?？刂破鞑坏荒荛_大給水閥增加給水量，維持鍋爐的物料平衡，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，影響控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蛊唤档轿ｋU(xiǎn)

12、程度以致發(fā)生事故。因此對(duì)于停留時(shí)間短，負(fù)荷變動(dòng)較大的情況，這樣的系統(tǒng)不能適合，水位不能保證。然而對(duì)于小型鍋爐，由于汽包停留時(shí)間較長，在蒸汽負(fù)荷變化時(shí)假水位的現(xiàn)象并不顯著，配上一些連鎖報(bào)警裝置。也可以保證安全操作，故采用這種單沖量控制系統(tǒng)尚能滿足生產(chǎn)的要求。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(dòng)作，而且使控制閥及時(shí)動(dòng)作，從而減少水位的波動(dòng)，改善控制品質(zhì)。考慮到蒸汽負(fù)荷的擾動(dòng)可測但不可控，因此可將蒸汽流量信號(hào)引入系統(tǒng)中作為前饋信號(hào)，與汽包水位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

13、系統(tǒng)如圖4.3-6所示。圖中加法器的輸出為。 （4.3.3）式中，LC為液位控制器，為液位控制器的輸出；為蒸汽流量變送器（一般經(jīng)開方器）的輸出；為初始偏置值；、為加法器的系數(shù)。圖4.3-7給出了典型的雙沖量控制系統(tǒng)的原理及方框圖。這是一個(gè)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(dòng)通道在動(dòng)態(tài)特性上的差異，須加入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)。下面分析這些系數(shù)的設(shè)置。（1）系數(shù)符號(hào)的選取原則系數(shù)取正號(hào)還是負(fù)號(hào)（即進(jìn)行加法還是減法），要根據(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(jìn)行選取。如果高壓蒸汽是供給蒸汽透平機(jī)等，為保護(hù)這些設(shè)備

14、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(shí)，應(yīng)考慮采用氣關(guān)閥，以防止燒干鍋，保護(hù)鍋爐設(shè)備安全。若調(diào)節(jié)閥為氣開型，則取正號(hào)；若為氣關(guān)型，則取負(fù)號(hào)。 此處考慮鍋爐蒸汽作加熱用，則項(xiàng)取負(fù)號(hào)，這樣當(dāng)蒸汽流量加大時(shí)，測量到的干擾增加，計(jì)算所得控制器的輸出則減小，調(diào)節(jié)閥開度加大。（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(shí)（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。 （4.3.4）檢測變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)以增益表示，則可按（4.3.5）式計(jì)算。 （4.3.5）式中，表示蒸汽流量變送器的輸出變化量；為蒸汽流量變化量；為蒸汽流量變送器輸出最大變化范圍；為蒸汽流量變送器

15、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)。式中，為給水流量變化量；為閥門輸入信號(hào)變化量。若令，則由（4.3.4）可得 （4.3.6）若采用靜態(tài)補(bǔ)償，則 （4.3.7）由式（4.3.1）可知，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）可知，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。根據(jù)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)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，即。因而可得系數(shù) （4.3.8）（3）系數(shù)的確定由于是與調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)的乘積，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。（4）的確定是一個(gè)恒定值，設(shè)置的目的是在正常

16、負(fù)荷下，使調(diào)節(jié)器和加法器的輸出都能有一個(gè)比較適中的數(shù)值。在正常負(fù)荷下值與項(xiàng)恰好抵消。（5）雙沖量水位控制系統(tǒng)的另一種接法為了減少儀表的投資，在采用常規(guī)儀表實(shí)施雙沖量控制系統(tǒng)時(shí)，也可采用如圖4.3-8所示的接法。由于控制器輸入端具有加法功能，因此，將前饋信號(hào)在反饋控制器前加入。該控制方案的優(yōu)點(diǎn)是水位上升與蒸汽流量增加時(shí)，控制閥動(dòng)作方向相反，信號(hào)是相減的，因此，可節(jié)省儀表。缺點(diǎn)是由于水位控制器的測量信號(hào)是水位信號(hào)與蒸汽流量信號(hào)之差，因此，采用靜態(tài)前饋時(shí)，不能保證水位無余差。雙沖量控制系統(tǒng)考慮了蒸汽流量擾動(dòng)對(duì)汽包水位的影響，但對(duì)給水流量擾動(dòng)的影響未加考慮，因此，適用于給水流量波動(dòng)較小的場合。3）三沖

17、量水位控制系統(tǒng)對(duì)于雙沖量控制系統(tǒng)主要的弱點(diǎn)，一是控制閥的工作特性要做到靜態(tài)補(bǔ)償比較困難；二是對(duì)于給水系統(tǒng)的干擾不能克服。為此，將給水流量信號(hào)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(hào)，構(gòu)成的三沖量控制方案之一如圖4.3-9所示?？梢钥闯?，這是前饋與串級(jí)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(jí)副環(huán)，將給水流量、給水壓力等擾動(dòng)引入到串級(jí)控制系統(tǒng)的副環(huán)。因此，擾動(dòng)能夠迅速被副環(huán)克服，彌補(bǔ)了雙沖量水位控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)。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(jì)采用了三沖量控制方案，能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

18、位”現(xiàn)象。 圖4.3-10給出了三沖量控制系統(tǒng)的方框圖。則前饋補(bǔ)償模型為 （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(dòng)態(tài)響應(yīng)快，其傳遞函數(shù)、可分別以靜態(tài)增益、表示，則和可分別按（4.3.10）、（4.3.11）式計(jì)算。 （4.3.10） （4.3.11）假設(shè)采用氣開閥，就取正值。令，當(dāng)考慮靜態(tài)前饋時(shí)有 （4.3.12）將式（4.3.10）、（4.3.11）代入（4.3.12）得 （4.3.13）若控制通道和擾動(dòng)通道的動(dòng)態(tài)特性不一致時(shí)，可采用動(dòng)態(tài)前饋控制規(guī)律。此時(shí)，將系統(tǒng)方框圖4.3-10中的表示為。假如副回路跟蹤很好，可近似為的環(huán)節(jié)。根據(jù)不變性原理，得到動(dòng)態(tài)前饋控制器的控制規(guī)律為

19、（4.3.14）式中，。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常有，無法物理實(shí)現(xiàn)，實(shí)際動(dòng)態(tài)前饋控制器的控制規(guī)律近似為 （4.3.15）式中，是蒸汽流量檢測變送環(huán)節(jié)增益的倒數(shù)，通常為1。因此，實(shí)際實(shí)施時(shí)可采用蒸汽流量信號(hào)的負(fù)微分與蒸汽流量信號(hào)之和作為動(dòng)態(tài)前饋信號(hào)。（2）三沖量控制方案二為了減少成本，可采用一個(gè)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(hào)、給水流量信號(hào)和汽包水位信號(hào)一起送加法器，加法器輸出作為給水控制器的測量信號(hào)。主控制器是比例度為100的控制器，副控制器是給水控制器。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(hào)、給水流量信號(hào)和汽包水位信號(hào)的代數(shù)和，當(dāng)給水流量與蒸汽

20、流量達(dá)到物料平衡（包括排污損失），及控制器具有積分作用時(shí)，水位可達(dá)到無余差。但通常情況下，實(shí)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所示的控制方案。圖中，水位控制器輸出信號(hào)、蒸汽流量信號(hào)、給水流量信號(hào)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(hào)，因此，當(dāng)水位控制器具有積分控制作用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)汽包水位無余差。4.3.3鍋爐燃燒控制系統(tǒng)1燃燒過程的控制任務(wù)燃燒過程的自動(dòng)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

21、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(shí)，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(jì)運(yùn)行。既不能因?yàn)榭諝獠蛔愣篃焽杳昂跓?，也不能因?yàn)榭諝膺^多而增加熱量損失。所以在增加燃料時(shí)，應(yīng)先加大空氣量；在減少燃料時(shí)，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)保持一定的數(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，以保持爐膛負(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；如果負(fù)壓大，會(huì)使大量冷空氣進(jìn)入爐內(nèi)，從而使熱量損失增加，降低

22、了燃燒效率。一般爐膛負(fù)壓應(yīng)該維持在-20Pa（約-2mmH2O）左右。此外，燃燒嘴背壓太高時(shí)可能燃燒流速過高而脫火；爐嘴背壓太低時(shí)，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比值控制系統(tǒng)蒸汽壓力對(duì)象的主要干擾是燃料量的波動(dòng)與蒸汽負(fù)荷的變化。當(dāng)燃料流量和蒸汽負(fù)荷變動(dòng)較小時(shí)，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(dòng)較大時(shí)，可采用蒸汽壓力對(duì)燃料流量的串級(jí)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，與空氣流量組成的單閉環(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(jì)燃燒，也可以使用煙道氣中氧含量來校正燃料流

23、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給出了鍋爐燃燒過程控制的基本方案，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(jí)控制系統(tǒng)，以及燃料量為主動(dòng)量、送風(fēng)量為從動(dòng)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，當(dāng)燃料量變化時(shí)，送風(fēng)量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。2）基本控制方案二圖4.3-14給出了第二種控制方案。包括蒸汽壓力為主被控變量、燃料量為副被控變量的串級(jí)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(jí)控制系統(tǒng)。此方案中，燃料量與送風(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(dòng)作間接保證的，該方

24、案能夠保證蒸汽壓力恒定。3燃燒過程中煙氣氧含量閉環(huán)控制無論是方案一還是方案二，其共同的特點(diǎn)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(gè)控制回路。這是一個(gè)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(jì)燃燒。在整個(gè)生產(chǎn)過程中保證最經(jīng)濟(jì)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?yàn)?，其一，在不同的?fù)荷下，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(huì)變化；其三，流量測量的不準(zhǔn)確。這些因素都會(huì)不同程度地影響到燃料的不完全燃燒或空氣

25、的過量，造成鍋爐的熱效應(yīng)下降，這就是燃燒流量和空氣流量定比值的缺點(diǎn)。為了改善這一情況 ，最簡單的方法是有一個(gè)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(jì)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(gè)方面。煙氣中各種成份，如、和未燃燒烴的含量，基本可以反映燃料燃燒的情況。最簡單的方法是用煙氣中含氧量來表示。根據(jù)燃燒反應(yīng)方程式，可以計(jì)算出是燃料完全燃燒時(shí)所需的氧量，從而得知所需空氣量，稱為理論空氣量。而實(shí)際上完全燃燒所需要的空氣量，要超過理論計(jì)算的量，超過理論空氣量的這部分稱為過剩空氣量。由于煙氣的熱損失占鍋爐的大部分，當(dāng)過?？諝饬吭龆鄷r(shí)

26、，一方面使?fàn)t膛溫度降低，另一方面使煙氣損失增加。因此，過?？諝饬繉?duì)不同的燃料都有一個(gè)最優(yōu)值，以滿足最經(jīng)濟(jì)燃燒的要求，如圖4.3-15所示。對(duì)于液體燃料最優(yōu)過?？諝饬考s為815。過?？諝饬砍Ｓ眠^?？諝庀禂?shù)來表示，定義為實(shí)際空氣量和理論空氣量之比 （4.3.16）因此, 是衡量經(jīng)濟(jì)燃燒的一種指標(biāo)。過?？諝庀禂?shù)很難直接測量，但與煙氣中氧含量有關(guān)，可近似表示為 （4.3.17）圖4.3-16顯示了過?？諝庀禂?shù)與煙氣含氧量、鍋爐效率的關(guān)系。當(dāng)在11.6范圍內(nèi)，與接近直線關(guān)系，這樣可根據(jù)圖4.3-16或式（4.3.17）得到當(dāng)在1.081.15（最佳過?？諝饬考s為815）時(shí)，煙氣含氧量的最優(yōu)值為1.63。

27、從圖4.3-16也可以看到，過?？諝饬考s為815時(shí)，鍋爐有最高效率。2）煙氣含氧量的閉環(huán)控制系統(tǒng)圖4.3-17所示為鍋爐燃燒過程的煙氣含氧量的閉環(huán)控制方案。在這個(gè)方案中，含氧量煙氣作為被控變量。當(dāng)煙氣中含氧量變化時(shí)，表明燃燒過程中的過?？諝饬堪l(fā)生變化，通過含氧量控制器來控制空氣量與燃料量的比值，力求使控制在最優(yōu)設(shè)定值，從而使對(duì)應(yīng)的過剩空氣系數(shù)穩(wěn)定在最優(yōu)值，保證鍋爐燃燒最經(jīng)濟(jì)，熱效率最高?？梢姡瑹煔夂趿块]環(huán)控制系統(tǒng)是將原來的定比值改變?yōu)樽儽戎?，比值由含氧量控制器輸出。?shí)施時(shí)應(yīng)注意，為快速反映煙氣含氧量，對(duì)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

28、-17也給出了煙氣中氧含量的閉環(huán)控制方案。該方案在負(fù)荷減少時(shí)，先減燃料量，后減送風(fēng)量；而負(fù)荷增加時(shí)，在增加燃料量之前，先加大送風(fēng)量?？梢姡悄軌驖M足邏輯提降要求的比值控制系統(tǒng)。正常情況下，是蒸汽壓力對(duì)燃料流量的串級(jí)控制系統(tǒng)和燃料流量對(duì)空氣流量的比值控制系統(tǒng)。蒸汽壓力控制器PC是反作用的。當(dāng)蒸汽壓力下降時(shí)（如因負(fù)荷增加），壓力控制器輸出增加，從而提高了燃料流量控制器的設(shè)定值。但如果空氣量不足會(huì)造成燃燒不完全。為此，設(shè)有低限選擇器FY1，它只允許兩個(gè)信號(hào)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。壓力控制器的輸出信號(hào)將先通過高限選擇器FY2來加大空氣流量，保證在增加燃料流量之前先

29、把控制量加大，使燃燒完全。當(dāng)蒸汽壓力上升時(shí)，壓力控制器輸出減小，降低了燃料量控制器的設(shè)定值，在減燃料量的同時(shí)，通過比值控制系統(tǒng)，自動(dòng)減少空氣流量。其中比值由含氧量控制器輸出。該系統(tǒng)不僅能夠保證在穩(wěn)定工況下空氣和燃料在最佳比值，而且在動(dòng)態(tài)過程中能夠盡量維持空氣、燃料配比在最佳值附近。因此具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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），操縱變量是引風(fēng)量。當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化不大時(shí)，可采用單回路控制系統(tǒng)。當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化較大時(shí)，應(yīng)引入擾動(dòng)量的前饋信號(hào)，組成前饋反饋控制系統(tǒng)。例如，

30、當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化較大時(shí)，蒸汽壓力的變動(dòng)也較大，這時(shí)，可引入蒸汽壓力的前饋信號(hào)，組成如圖4.3-18（a）所示的前饋反饋控制系統(tǒng)。若擾動(dòng)來自送風(fēng)機(jī)時(shí)，送風(fēng)量隨之變化，引風(fēng)量只有在爐膛負(fù)壓產(chǎn)生偏差時(shí)，才由引風(fēng)調(diào)節(jié)器去調(diào)節(jié)，這樣引風(fēng)量的變化落后于送風(fēng)量，必然造成爐膛負(fù)壓的較大波動(dòng)。為此可引入送風(fēng)量的前饋信號(hào)，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(dòng)作，使?fàn)t膛負(fù)壓保持恒定。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(shí)，會(huì)發(fā)生回火事故。為此設(shè)置圖4.3-19所示連鎖控制系統(tǒng)。采用壓力開關(guān)PSA，當(dāng)壓力低于下限設(shè)定值時(shí)，切斷燃料控制閥的上游切斷

31、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(hào)送背壓控制器，與蒸汽壓力和燃料量串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行選擇控制。正常時(shí)，由蒸汽壓力和燃料量組成的串級(jí)控制系統(tǒng)控制燃料控制閥，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(jí)控制系統(tǒng)，根據(jù)噴嘴背壓控制燃料控制閥。3）防止脫火的選擇控制系統(tǒng)當(dāng)燃料壓力過高時(shí)，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4.3-20所示。正常時(shí)，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的輸出減小，被低選器選中，由燃料壓力控制器P1C取代蒸汽壓力控制器，防止脫火事故

32、發(fā)生。圖4.3-21給出了防止回火和脫火的系統(tǒng)組合，并設(shè)置回火報(bào)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(duì)應(yīng)的儀表信號(hào)。4）燃料量限速控制系統(tǒng)當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然增加時(shí)，燃料量也會(huì)相應(yīng)增加。當(dāng)燃料量增加過快時(shí)，會(huì)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(hù)設(shè)備免受損壞。4.3.4 蒸汽過熱系統(tǒng)的控制蒸汽過熱系統(tǒng)包括一級(jí)過熱器、減溫器、二級(jí)過熱器。蒸汽過熱系統(tǒng)自動(dòng)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(hù)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。過熱器正常運(yùn)行時(shí)的溫度一般接近材料所允許的最

33、高溫度。如果過熱蒸汽溫度過高，則過熱器容易損壞，也會(huì)使氣輪機(jī)內(nèi)部引起過度熱膨脹，嚴(yán)重影響運(yùn)行安全。若過熱蒸汽溫度過低，則設(shè)備的效率降低，同時(shí)使通過氣輪機(jī)最后幾級(jí)的蒸汽濕度增加，引起頁片磨損。因此對(duì)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）、流經(jīng)過熱器的煙氣溫度和流速等。在各種擾動(dòng)下，過熱器出口溫度的各個(gè)動(dòng)態(tài)特性都有較大的時(shí)滯和慣性，因此選擇合適的操縱變量和合理的控制方案對(duì)于控制系統(tǒng)滿足工藝要求是十分必要的。目前廣泛選用減溫水流量作為操縱變量，過熱器出口溫度作為被控變量，組成單回路控制系統(tǒng)。但是控制通

34、道的時(shí)滯和時(shí)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，引入減溫器出口溫度為副被控變量，組成串級(jí)控制系統(tǒng)，如圖4.3-22所示。此控制方案對(duì)于提前克服擾動(dòng)因素是有利的，這樣可以減少過熱器出口溫度的動(dòng)態(tài)偏差，以滿足工藝要求。另一種控制方案是組成如圖4.3-23所示的雙沖量控制系統(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(hào)作為前饋信號(hào)，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化時(shí)才引入前饋信號(hào)，穩(wěn)定工況下，該微分信號(hào)為零，此時(shí)為單回路控制系統(tǒng)。4.3.5 采用可編程控制器的鍋爐控制實(shí)例以某學(xué)校供熱中心鍋爐房工業(yè)對(duì)象,討論其控制系統(tǒng)方案。現(xiàn)場有兩臺(tái)15

35、噸的蒸氣燃煤鍋爐，鍋爐控制系統(tǒng)采用PLC與計(jì)算機(jī)組合成的計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)。并利用4臺(tái)西門子變頻器驅(qū)動(dòng)引風(fēng)（75KW）、鼓風(fēng)（30KW）、供水（30KW）、爐排（3KW）進(jìn)行調(diào)節(jié)。計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，PLC使用兩臺(tái)作為直接數(shù)字控制（DDC）級(jí)。上位機(jī)采用RS232標(biāo)準(zhǔn)與PLC進(jìn)行通訊，完成數(shù)據(jù)監(jiān)控與人機(jī)接口的功能。上位機(jī)通過采集PLC的相應(yīng)寄存器中的數(shù)據(jù)，可以監(jiān)控整個(gè)鍋爐的運(yùn)行狀況，并可設(shè)置PLC各個(gè)參數(shù)，可以隨時(shí)查看溫度、壓力、流量、氧含量等曲線，還具有數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、報(bào)警提示、查詢、報(bào)表、打印等功能。PLC使用日本三菱FX2N系列，PLC的擴(kuò)展模塊采用FX2N-4AD、FX2N-4DA、FX2

36、N-4AD-PT和FX2N-4AD-TC，完成底層的I/O操作和系統(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(hào)或脈沖信號(hào)的輸出，來完成基本的控制任務(wù)。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4.3-24所示。工業(yè)控制機(jī) RS232 RS232F940觸摸屏F940觸摸屏PLC2及其AD、DA擴(kuò)展模塊485BD(用于485通訊)PLC1及其AD、DA擴(kuò)展模塊485BD(用于485通訊) RS422 RS422工業(yè)鍋爐 1工業(yè)鍋爐 2 圖4.3-24 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖下面對(duì)幾個(gè)主要控制系統(tǒng)作簡單介紹。1鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)圖4.3-25 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)采用串級(jí)三沖量給水

37、控制系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖4.3-25所示。該系統(tǒng)由主副兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器和三個(gè)沖量構(gòu)成，與單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)多采用了一個(gè)PI調(diào)節(jié)器，兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)工作，分工明確。PI1為水位調(diào)節(jié)器，它根據(jù)水位偏差產(chǎn)生給水流量設(shè)定值；PI2為給水流量調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給水流量偏差控制給水流量并接受前饋信號(hào)。蒸汽流量信號(hào)作為前饋信號(hào)，用來維持負(fù)荷變動(dòng)時(shí)的物質(zhì)平衡，由此構(gòu)成的是一個(gè)前饋串級(jí)控制系統(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(duì)單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)要容易些，不要求穩(wěn)態(tài)時(shí)給水流量蒸汽流量測量信號(hào)嚴(yán)格相等，即可保證穩(wěn)態(tài)時(shí)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)。2燃燒控制系統(tǒng)鍋爐的燃燒過程是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換和傳遞的過程，其控制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）；使燃料與空氣量之間保持一定的比值，以保證最佳經(jīng)濟(jì)效益的燃燒（常以煙氣成分為被控變量），提高鍋爐的燃燒效率；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)。