鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 鍋爐是化工、煉油、發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的重要的動(dòng)力設(shè)備之一。而鍋爐燃燒所用的煤炭、重油等又是極其重要的戰(zhàn)略資源,不可再生。因此鍋爐的燃燒控制相當(dāng)重要,控制不好將造成資源浪費(fèi)、環(huán)境污染和效益低下。要使鍋爐燃燒達(dá)到最佳的燃燒狀態(tài),鍋爐燃燒控制系統(tǒng)對(duì)鍋爐的燃燒過程進(jìn)行自動(dòng)化控制是至關(guān)重要的。 燃燒控制系統(tǒng)是電廠鍋爐的主控系統(tǒng)，主要包括燃料控制系統(tǒng)、風(fēng)量控制系統(tǒng)、爐膛壓力控制系統(tǒng)。目前大部分電廠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(jí)控制系統(tǒng)，其中燃燒率控制由燃料量控制、送風(fēng)量控制、引風(fēng)量控制構(gòu)成，各個(gè)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(jì)燃燒和安全燃燒。本文通過對(duì)整個(gè)燃燒系統(tǒng)的分析和研究，分別確定了鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中的主蒸汽壓力控制系統(tǒng)和爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)的控制方案，然后對(duì)其控制規(guī)律及參數(shù)進(jìn)行選擇和整定。在儀表選型時(shí)，采用了先進(jìn)的數(shù)字式儀表，井以PID控制來實(shí)現(xiàn)，最后可達(dá)到鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)、高效的運(yùn)行。 論文詳細(xì)介紹了鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包括硬件結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)主要功能、系統(tǒng)硬件配置、軟件設(shè)計(jì)原則、主程序流程等。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，鍋爐的燃燒效率和穩(wěn)定運(yùn)行情況都有了明顯改善，有利于鍋爐高效穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)降耗的目標(biāo)。 關(guān)鍵詞：鍋爐；燃燒控制；PID控制； 39 Control System Design of Boiler Combustion Process Abstract Boiler is chemical, oil refining, power generation and other industrial processes essential to one of the important power equipment. Used in the boiler burning coal, heavy oil is an extremely important strategic resource, non-renewable. Therefore very important to the boiler combustion control, the control will not result in waste of resources, environmental pollution and low efficiency. To burn combustion to achieve the best state，Boiler combustion control system for automatic control of the combustion process is essential. Power plant boiler combustion control system is the main control system, Including fuel control systems, air volume control system, furnace pressure control system. Currently, most power plant boiler combustion control system still uses PID control. Combustion control system consists of main steam pressure control and combustion rate control cascade control system components, Which control the amount of fuel burn rate control, air volume control, volume control of the wind structure, Respectively, each in different sub-control system Measurement, control means to ensure economic and safe burning fire. Based on the entire combustion system analysis and research, respectively, the boiler combustion control system to determine the main steam pressure control system and the furnace pressure control system of the control scheme，And its control law and parameter selection and setting. In the selection of instruments, the use of advanced digital instrument, well the PID control to achieve, and finally reach the boiler safety, economy, efficient operation. Paper introduces the boiler control system design, including hardware structure, the main function of the system, hardware configuration, software design principles the main program processes. System put into operation, the boiler combustion efficiency and stability of operation has a significant improvement is conducive to efficient and stable operation of the boiler to achieve the target yield and reducing consumption. Keywords: Boiler; combustion control; PID control; 目 錄 摘 要 I Abstract III 第一章 引言 1 第二章 鍋爐的組成及工作原理 1 2.1 鍋爐的基本構(gòu)造 1 2.2 鍋爐的工作原理及過程 3 2.2.1 燃料的燃燒過程 4 2.2.2 水的氣話過程 4 2.2.3 煙氣向水傳熱過程 5 第三章 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 3.1 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的任務(wù) 1 3.2 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的組成 2 3.2.1 主蒸汽壓力控制系統(tǒng) 2 3.2.2 爐膛壓力控制系統(tǒng) 5 3.3 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中被控變量的選擇 6 3.4 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的控制方案 7 3.4.1主蒸汽壓力控制系統(tǒng)方案的確定 7 3.4.2 爐膛壓力控制系統(tǒng)控制方案確定 14 3.5 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的實(shí)施 17 3.5.1 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)控制器規(guī)律的選擇 17 3.5.2 主蒸汽壓力控制系統(tǒng)控制器規(guī)律的選擇 18 3.5.3爐膛壓力控制系統(tǒng)控制器規(guī)律的選擇 19 3.6 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中控制器的正、反作用的選擇 20 3.6.1 主蒸汽壓力控制系統(tǒng)控制器正、反作用的選擇 20 3.6.2爐膛壓力控制系統(tǒng)控制器正、反作用的選擇 21 3.7鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的參數(shù)整定 21 3.8儀表的選擇 25 3.8.1 變送器的選擇 25 3.8.2 控制器的選擇 26 3.8.3 調(diào)節(jié)閥的選擇 27 第四章 利用MATLAB對(duì)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)仿真 28 4.1建立數(shù)學(xué)模型 28 4.2 控制系統(tǒng)參數(shù)整定 29 4.3 控制系統(tǒng)Simulink仿真 33 第五章 總結(jié) 35 參考文獻(xiàn) 36 致謝 38 第一章 引言 工業(yè)鍋爐在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其在冶金、電力和化工生產(chǎn)中占有重要地位，其控制效果的好壞，效率的高低，一直倍受工業(yè)界的關(guān)注【1】。鍋爐生產(chǎn)的蒸汽供工業(yè)生產(chǎn)直接使用，還供取暖使用。還用于生活熱水供應(yīng)，洗浴和采暖的所謂生活鍋爐。用于工業(yè)生產(chǎn)和生活的鍋爐數(shù)量大、分布廣。 隨著人們生活水平的提高，對(duì)能源的需求量急劇增大，鍋爐的數(shù)量也就越來越多。 鍋爐的廣泛使用也帶來許多問題，諸如： (1)大量的非再生一次能源被消耗，能源枯竭問題令人憂慮； (2)CO2 等溫室氣體的排放，雖然會(huì)有利于植物生長，增加糧食產(chǎn)量，但會(huì)使地球變暖，冰山融化，海平面升溫，威脅人類的生存空間； (3)煙塵SOX,NOX,痕量重金屬，二惡英等有害物質(zhì)的排放，威脅人類以及動(dòng)、植物的生長和生存。 隨著人類征服自然和改造自然的能力增強(qiáng)，大自然也對(duì)人類進(jìn)行了懲罰，我國西部，特別是西北地區(qū)存在的嚴(yán)重水土流失、土地沙漠化、草場退化、沙塵暴頻繁發(fā)生等就是特例。這些自然災(zāi)害已成為可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)障礙，正在縮小我們的生存和發(fā)展空間。 目前，世界各國都在致力于高效、低污染過路的研究和開發(fā)工作，力求使得優(yōu)于鍋爐燃燒而對(duì)環(huán)境造成的破壞追小化。各種工業(yè)的生產(chǎn)性質(zhì)與規(guī)模不同，工業(yè)和民用采暖的規(guī)模大小也不一樣，因此所需的鍋爐容量，蒸汽參數(shù)，結(jié)構(gòu)，性能方面也不盡相同。鍋爐是供熱之源，鍋爐機(jī)器設(shè)備的任務(wù)在于安全，可靠，有效地把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能，進(jìn)而將熱能傳遞給水，以生產(chǎn)熱水和蒸汽。為了提高熱量及效率，鍋爐向著高壓，高溫和大容量等方面發(fā)展。供熱鍋爐除了生產(chǎn)工藝有特殊需求外，所生產(chǎn)的熱水不需要過高的壓力和溫度，容量也無需很大。 為了提高工業(yè)鍋爐的熱效率，降低燃燒對(duì)環(huán)境造成的污染，燃燒過程控制成為一個(gè)重要的研究課題。其控制效果的好壞，效率的高低，一直倍受工業(yè)界的關(guān)注。鍋爐的自動(dòng)控制經(jīng)歷了三、四十年代的參數(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(jì)算機(jī)過程控制幾個(gè)階段。尤其是近一、二十年來，隨著先進(jìn)控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，加之計(jì)算機(jī)各項(xiàng)性能的不斷增強(qiáng)及價(jià)格的不斷下降使鍋爐應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制很快得到普及和應(yīng)用。鍋爐燃燒優(yōu)化最早是以提高鍋爐燃燒安全性和經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的。早在20 世紀(jì)70 年代,我國就開始了對(duì)鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)的研究。如我國開發(fā)的氧化鋯氧量計(jì)，一次風(fēng)速監(jiān)測系統(tǒng)等都屬于早期的鍋爐燃燒優(yōu)化產(chǎn)品。20 世紀(jì)80 年代末期和90 年代初期"隨著我國電廠“節(jié)能降耗”措施的推行，電廠開始普遍關(guān)注鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)，通過燃燒優(yōu)化降低鍋爐煤耗"提高火電廠發(fā)電效率。20 世紀(jì)90 年代中期和末期，隨著測量技術(shù)的發(fā)展，許多企業(yè)研制開發(fā)了一系列重要的影響鍋爐燃燒參數(shù)的在線量儀表，如飛灰含碳量在線檢測裝置，煤粉濃度細(xì)度在線檢測裝置，煤質(zhì)成分在線檢測裝置，鍋爐火焰監(jiān)測系統(tǒng)等。 同期，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，在分散控制系統(tǒng)DCS層面上控制邏輯的優(yōu)化，先進(jìn)的人工智能技術(shù)在鍋爐燃燒優(yōu)化上應(yīng)用的研究也開始受到了廣大科研人員的關(guān)注。20 世紀(jì)90 年代末期，隨著社會(huì)對(duì)環(huán)境的關(guān)注，電站鍋爐燃燒優(yōu)化已由最初的以安全性，經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的優(yōu)化發(fā)展到經(jīng)濟(jì)性和安全性，環(huán)保并舉的時(shí)期。 電子信息技術(shù)人工智能技術(shù)給電站鍋爐燃燒優(yōu)化注入了新的活力，鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)進(jìn)入新的快速發(fā)展時(shí)期。電廠鍋爐利用煤的燃燒發(fā)熱，通過傳熱對(duì)水進(jìn)行加熱，產(chǎn)生高壓蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的電能。鍋爐燃燒自動(dòng)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(yīng)外界對(duì)鍋爐輸出的蒸汽負(fù)荷的需求, 同時(shí)保證鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。鍋爐燃燒過程自動(dòng)控制主要包括三項(xiàng)控制內(nèi)容: 控制燃料量、控制送風(fēng)量、控制引風(fēng)量。為實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量的控制, 相應(yīng)的有三個(gè)控制系統(tǒng), 即燃料量控制系統(tǒng)、送風(fēng)量控制系統(tǒng)和引風(fēng)量控制系統(tǒng)。以上三個(gè)控制系統(tǒng)之間存在著密切的相互關(guān)聯(lián), 要控制好燃燒過程, 必須使燃料量、送風(fēng)量及引風(fēng)量三者協(xié)調(diào)變化。以主蒸汽壓力控制系統(tǒng)為主回路，燃燒率控制系統(tǒng)為內(nèi)回路，通過傳感器采集爐膛壓力，含氧量和爐膛負(fù)壓來調(diào)節(jié)鍋爐的給煤量， 送風(fēng)量和引風(fēng)量從而達(dá)到最佳熱效率。燃燒控制系統(tǒng)是電廠熱工控制的重要組成部分， 目前大部分電廠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控制系統(tǒng)， 其中燃燒率控制由燃燒量控制、送風(fēng)量控制、引風(fēng)量控制三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。鍋爐生產(chǎn)燃燒系統(tǒng)自動(dòng)控制的基本任務(wù)是使燃料所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要， 同事還要保證經(jīng)濟(jì)燃燒和鍋爐的安全運(yùn)行。具體控制任務(wù)可分為三個(gè)方面：一要穩(wěn)定蒸汽母管壓力。二要維持鍋爐燃燒的最佳狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)性。三要維持爐膛負(fù)壓在一定范圍。這三者是相互關(guān)聯(lián)的【2】。 隨著生產(chǎn)的發(fā)展，鍋爐日益廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，成為發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)的重要熱工設(shè)備之一。在現(xiàn)代的建設(shè)中，能源的需求是非常大的，然而我國能源的利用率極低，所以提高鍋爐的熱效率具有極為重要的實(shí)際意義。此外，鍋爐是否因地制宜地有效地燃用地方燃料，并滿足環(huán)境保護(hù)的各項(xiàng)要求而努力解決煙塵污染問題，以提高操作管理水平，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保證鍋爐額定運(yùn)行及運(yùn)行效率，安全可靠的供熱等課題。 本課題主要方向是采用過程控制對(duì)鍋爐進(jìn)行控制，采用先進(jìn)的控制算法，以達(dá)到優(yōu)化技術(shù)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生、提高市場競爭能力的作用。 第二章 鍋爐的組成及工作原理 2.1 鍋爐的基本構(gòu)造 鍋爐燃燒過程自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是控制燃料燃燒過程， 使燃料燃燒所提供的熱量適合外界對(duì)鍋爐輸出的蒸汽負(fù)荷的需求， 同時(shí)保證鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。【3】鍋爐是一種產(chǎn)生蒸汽或熱水的熱交換設(shè)備。它通過燃料的燃燒釋放大量熱能，并通過熱傳遞把能量傳遞給水，把水變成蒸汽或熱水，蒸汽或熱水直接供給工業(yè)和生活中所需要的熱能。所以鍋爐的中心任務(wù)是把燃料中的化學(xué)能有效的轉(zhuǎn)化為蒸汽的熱能。圖1.1為簡單鍋爐的大體組成部分。 鍋爐的主要設(shè)備包括氣鍋、爐子、爐膛、鍋筒、水冷壁、過熱器、省煤器、燃燒設(shè)備、引風(fēng)設(shè)備、送風(fēng)設(shè)備、給水設(shè)備、空氣預(yù)熱器、水處理設(shè)備、燃料供給設(shè)備以及除灰除塵設(shè)備等。 氣鍋：由上下鍋筒和三簇沸水管組成。水在管內(nèi)受管外煙氣加熱，因而管簇內(nèi)發(fā)生自燃的循環(huán)流動(dòng)，并逐漸氣化，產(chǎn)生的飽和蒸汽積聚在上鍋筒里面。 爐子：是是燃燒從充分燃燒并釋放出熱量的設(shè)備。 爐膛：保證燃料的充分燃燒，并使水流受熱面積達(dá)到規(guī)定的數(shù)值。 鍋筒：使自然循環(huán)鍋爐個(gè)受熱面能適應(yīng)負(fù)荷變化的設(shè)備。（須指出，直流鍋爐內(nèi)無鍋筒。） 水冷壁：主要是輻射受熱面，保護(hù)盧比的作用。 過熱器：是將氣鍋所產(chǎn)生的飽和蒸汽繼續(xù)加熱為過熱蒸汽的換熱器。過熱器一般都裝在爐膛出口。 省煤器：是利用余熱加熱鍋爐給水，以降低排出煙氣溫度的換熱器。采用省煤器后，降低了排煙溫度，提高了鍋爐效率，節(jié)省了燃料。同時(shí)，由于提高了進(jìn)入汽包的給水溫度，減少了因溫差而引起汽包壁的熱適應(yīng)力，從而延長了汽包的使用壽命。 燃燒設(shè)備：將燃料和燃燒所需的空氣送入爐膛并使燃料著火穩(wěn)定，充分燃燒。燃燒設(shè)備主要有磨煤機(jī)、給煤機(jī)、燃燒器、風(fēng)機(jī)等【4】。 引風(fēng)設(shè)備：包括引風(fēng)機(jī)、煙道和煙囪等幾部分。用它將鍋爐中的煙氣連續(xù)排出。 送風(fēng)設(shè)備：包括有鼓風(fēng)機(jī)和分道組成。用它來供應(yīng)燃料所需的空氣。 給水設(shè)備：由水泵和給水管組成。 空氣預(yù)熱器：是繼續(xù)利用離開省煤器后的煙氣余熱，加熱燃料燃燒所需要的空氣，是一個(gè)換熱器。省煤器出口煙溫度高，裝上空氣預(yù)熱器后，可以進(jìn)一步降低排煙溫度，也可改善燃料著火和燃燒條件，降低不完全燃燒所造成的損失，提高鍋爐機(jī)組的效率。 水處理設(shè)備：其作用是為清除水中的雜質(zhì)和降低給水硬度，以防止在鍋爐受熱面上結(jié)水垢或腐蝕。 燃料供給設(shè)備：由運(yùn)煤設(shè)備、原煤倉和儲(chǔ)煤斗等設(shè)備組成，保證鍋爐所需燃料供應(yīng)。 除灰除塵設(shè)備：是收集鍋爐灰渣并運(yùn)往儲(chǔ)灰場的設(shè)備【5】。 此外，出了保證鍋爐的正常工作和安全，蒸汽鍋爐還必須裝設(shè)安全閥、水位表、高低水位報(bào)警器、壓力表、主汽閥、排污閥和止污閥等，還有用來消除受熱面上積灰的吹灰器，以提高鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)型。 圖2.1 過爐控制系統(tǒng)硬件組成圖 2.2 鍋爐的工作原理及過程 鍋爐是一種生產(chǎn)蒸汽的換熱設(shè)備。它通過煤、由或燃?xì)獾鹊娜紵尫懦龌瘜W(xué)能，并通過傳熱過程將能量傳遞給水，使水轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，蒸汽直接供給工業(yè)生產(chǎn)中所需的熱能，或通過蒸汽動(dòng)力機(jī)，嫩而過轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)能，或通過汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。所以鍋爐的中心任務(wù)是把燃料中的化學(xué)能最有效的轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝臒崮?。因此，近代鍋爐亦稱為蒸汽發(fā)生器。 調(diào)節(jié)系統(tǒng)在蒸汽鍋爐熱工燃燒時(shí)有著很大的輔助作用，能夠?yàn)槿紵h(huán)節(jié)提供必要的環(huán)境，協(xié)調(diào)好每個(gè)步驟的有序進(jìn)行【6】.鍋爐的工作過程概括起來應(yīng)該包括三個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過程：燃料的燃燒過程、水的氣化過程、煙氣向水的傳熱過程。 2.2.1 燃料的燃燒過程 首先將燃料（這里用煤）加到煤斗中，借助于重力下落在爐膛排面上，爐排接電動(dòng)機(jī)通過變速此輪箱減速后有鏈輪來帶動(dòng)，將燃料煤帶入爐內(nèi)。燃料一面燃燒，一面向后移動(dòng)燃料所需要的空氣是由風(fēng)機(jī)送入爐排腹中風(fēng)倉后，向上穿過爐排到達(dá)燃料層，進(jìn)行燃料反應(yīng)形成高溫?zé)煔?。燃料燃燒剩下的灰渣，在爐排末端翻過除渣板后排入灰斗，（若是燃?xì)馐藉仩t就沒有這一部分了）這整個(gè)過程稱為燃燒過程。 2.2.2 水的汽化過程 水的汽化過程就是蒸汽的產(chǎn)生過程，主要包括水循環(huán)和水分離過程。經(jīng)處理的水由水泵加壓，先流經(jīng)省煤器而得到預(yù)熱，然后進(jìn)入氣鍋。鍋爐工作時(shí)氣鍋的工作介質(zhì)是處于飽和狀態(tài)的汽水混合物。位于煙溫較低區(qū)段的對(duì)流管束，因受熱較弱，汽水工質(zhì)的容量較大，而位于煙溫較高區(qū)段的對(duì)流管束，因受熱強(qiáng)烈，相應(yīng)的汽水工質(zhì)的容量較小，從而量大的工質(zhì)則向上流入下鍋筒，而容量小的工質(zhì)則向上流入上鍋筒，形成了鍋水的自然循環(huán)。 蒸汽所產(chǎn)生的過程是借助于上鍋筒內(nèi)設(shè)的汽水分離裝置。以及在鍋筒本身空間的重力分離力作用，使汽水混合物得到分離。蒸汽在上鍋筒頂部引出后，進(jìn)入蒸汽過熱器，而分離出來的水仍回到上鍋筒下半部的水中。鍋爐中的水循環(huán)，也保證與高溫?zé)煔庀嘟犹幍慕饘偈軣崦娴睦鋮s而不被燒壞，是鍋爐能長期安全運(yùn)行的必要條件。而汽水混合物的分離設(shè)備則是保證蒸汽品質(zhì)和蒸汽過熱可靠工作的必要設(shè)備。 2.2.3 煙氣向水傳熱過程 由于燃料的燃燒放熱，爐內(nèi)溫度很高在爐膛的四周墻面上，都布置一排水管，俗稱水冷壁。高溫?zé)煔馀c水冷壁進(jìn)行強(qiáng)烈的輻射換熱，將熱量傳給管內(nèi)工質(zhì)水。繼而煙氣受引風(fēng)機(jī)和煙囪的引力而向爐膛上方流動(dòng)。煙氣從爐膛出口掠過放渣管后，就沖刷蒸汽過熱器，一組垂直放置的蛇形管受熱面，使氣鍋中產(chǎn)生的飽和蒸汽在其中受煙氣加熱而得到的過程。煙氣流經(jīng)過過熱器后掠過脹接在上、下鍋筒間的對(duì)流管束，在管束間設(shè)置了折煙墻使煙氣呈“S”型曲折地橫向沖刷，再次以對(duì)流換熱的方式將熱量傳遞給管束的工質(zhì)。沿途逐漸降低溫度的煙氣最后進(jìn)入胃部煙道，與省煤器和空氣預(yù)熱器內(nèi)的工質(zhì)進(jìn)行熱交換后，以經(jīng)濟(jì)的較低的煙溫排出鍋爐。省煤器實(shí)際上同給水預(yù)熱器和空氣預(yù)熱器一樣，都設(shè)置在鍋爐尾部（低溫）煙道，以降低排煙溫度提高鍋爐效率，從而節(jié)省了燃料。 以上就是一般鍋爐工水的過程，一個(gè)鍋爐進(jìn)行工作，其主要任務(wù)是： (1) 要使鍋爐出口壓力穩(wěn)定。 (2) 保證燃燒過程的經(jīng)濟(jì)型。 (3) 保持鍋爐負(fù)壓恒定。通常我們是路膛負(fù)壓保持在微負(fù)壓（-10—80Pa）。 為了完成上述三項(xiàng)任務(wù)，我們對(duì)三個(gè)量進(jìn)行控制：燃料量，送風(fēng)量，引風(fēng)量。從而使鍋爐能正常運(yùn)行。 第三章 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的任務(wù) 鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制與燃料種類、燃燒設(shè)備以及鍋爐形式等有密切關(guān)系。鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中,控制方案選擇的好壞對(duì)實(shí)控制目的起到了非常重要的作用【7】。由鍋爐燃燒理論可知, 對(duì)燃煤鍋爐熱效率影響較大且可變的熱損失主要有排煙熱損失、機(jī)械不完全燃燒熱損失、化學(xué)不完全燃燒熱損失【8】。現(xiàn)側(cè)重以燃煤鍋爐來討論燃燒過程的控制。燃燒過程的控制基本要求有三個(gè)： 第一、 保證出口蒸汽壓力穩(wěn)定，能按負(fù)荷要求自動(dòng)增減燃料量； 第二、 燃燒良好，供氣適宜，既要防止由于空氣不足使煙囪冒黑煙，也不 因空氣過量而增加熱量； 第三、 保證鍋爐安全運(yùn)行。在該控制系統(tǒng)中，可選用的操縱變量也由3個(gè): 料量、送風(fēng)量和引風(fēng)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(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要;使燃料與空氣量之間保持一定的比值，保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性和鍋爐的安全運(yùn)行;使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，保持爐膛一定的負(fù)壓，以免負(fù)壓太小，甚至為正，造成爐膛內(nèi)熱煙氣往外冒出，影響設(shè)備和工作人員的安全;如果負(fù)壓過大，會(huì)使大量冷空氣漏進(jìn)爐內(nèi)，從而使熱量損失增加。此外，還需防止燃燒嘴背壓太高時(shí)脫火，燃燒嘴背壓太低時(shí)回火的危險(xiǎn)。 3.2 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的組成 燃燒系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)的第一個(gè)任務(wù)是維持鍋爐出口熱水溫度保持穩(wěn)定, 克服自身燃料方面的擾動(dòng), 保證負(fù)荷與出力的協(xié)調(diào); 第二個(gè)任務(wù)是使燃料量與空氣量相協(xié)調(diào)(風(fēng)煤比) ,保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性; 第三個(gè)任務(wù)是使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng), 維持爐膛壓在一定范圍內(nèi)【9】。鍋爐燃燒控制系統(tǒng)由主蒸汽壓力控制系統(tǒng)和爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)【10】。主蒸汽壓力控制系統(tǒng)又包含燃料控制系統(tǒng)和送風(fēng)控制系統(tǒng)，由于這兩個(gè)控制系統(tǒng)是緊密聯(lián)系的，所以一般不將它們分開討論;在爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)中，送風(fēng)量對(duì)爐膛壓力的影很小，爐膛壓力主要是靠引風(fēng)機(jī)來調(diào)節(jié)的，所以有時(shí)它也被稱為引風(fēng)控制系統(tǒng)。在整個(gè)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中，蒸汽壓力的變化表示鍋爐蒸汽的產(chǎn)生量與負(fù)荷的耗汽量不相適應(yīng)，因此必須相應(yīng)的而改變?nèi)剂系墓?yīng)量，以改變鍋爐蒸汽的產(chǎn)量。當(dāng)燃料改變時(shí)，必須相應(yīng)的改變送風(fēng)量，使燃料量與空氣量相適應(yīng)，保證燃燒過程有較高的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，當(dāng)送風(fēng)量改變時(shí)，也應(yīng)該相應(yīng)的改變引風(fēng)量，從而使得爐膛壓力保持在-20Pa左右。 鍋爐是一個(gè)多輸入、多輸出、多回路、非線性的相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜的控制系統(tǒng), 調(diào)節(jié)參數(shù)與被調(diào)節(jié)參數(shù)之間, 存在著許多交叉的影響, 調(diào)節(jié)難度非常大。我們將系統(tǒng)控制分散成給煤控制,送風(fēng)控制, 汽包液位控制, 爐膛負(fù)壓控制等一系列閉環(huán)控【11】。 3.2.1 主蒸汽壓力控制系統(tǒng) 本爐采用中間儲(chǔ)倉式制粉系統(tǒng)，其特點(diǎn)是制粉系統(tǒng)出力的變化并不直影響鍋爐的負(fù)荷。當(dāng)鍋爐負(fù)荷發(fā)生變動(dòng)時(shí)，是通過改變給粉機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行的。 當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化，調(diào)節(jié)給粉機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，給粉量的增減應(yīng)緩慢進(jìn)行，調(diào)節(jié)范圍不易太大。若轉(zhuǎn)速過高，不但會(huì)因煤粉濃度過大堵塞一次風(fēng)管，而且容易使給粉機(jī)超負(fù)荷。若轉(zhuǎn)速過低，則在爐膛溫度不太高的情況下，由一于濃度不足，著火不穩(wěn)，容易發(fā)生熄火。給粉機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在300一800r/ min的范圍內(nèi)。調(diào)整給粉機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)，應(yīng)注意調(diào)整送、弓}風(fēng)量，保持汽壓和汽溫的穩(wěn)定。增加負(fù)荷時(shí)，先增加風(fēng)量，隨之增加給粉量;減負(fù)荷時(shí)，先減少給粉量，隨之減少風(fēng)量，并使同層給粉機(jī)的下粉量一致，以便于配風(fēng)。 當(dāng)外界負(fù)荷變化而需要調(diào)節(jié)鍋爐出力時(shí)，隨著燃料量的改變，鍋爐的風(fēng)量也需要作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。 在鍋爐運(yùn)行中，實(shí)際進(jìn)入爐內(nèi)的空氣不可能全部與燃料接觸并發(fā)生完全反應(yīng)。為了減少化學(xué)不完全燃燒熱損失和煙氣熱損失，獲得良好的燃燒效率，實(shí)際送入爐內(nèi)的空氣量通常比理論計(jì)算空氣量多一些，兩者之比稱為過量空氣系數(shù)α。過量空氣系數(shù)的控制是通過煙氣分析儀測量煙氣中的02成分來實(shí)現(xiàn)的。由一于目前普遍采用氧量計(jì)，過量空氣系數(shù)α與煙氣中O2含量關(guān)系如式3一1所示: (3-1) 式中02一煙氣中的含氧量，%; α一過量空氣系數(shù)。 因此運(yùn)行人員可直接根據(jù)氧量表的數(shù)值來控制送入爐膛內(nèi)空氣量，而不必?fù)Q算過量空氣系數(shù)。 從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)來看，在一定范圍內(nèi)，隨著爐膛內(nèi)過量空氣系數(shù)的增大，可以改善燃料與空氣的接觸和混合，有利于完全燃燒，使化學(xué)不完全燃燒損失降低。但是，當(dāng)過量空氣系數(shù)過大時(shí)，則因爐膛溫度降低和煙氣流速加快使燃燒時(shí)間縮短，可能使不完全燃燒損失反而增加，’而煙氣熱損失則總是隨著過量空氣系數(shù)的增大而增加的。所以，過量空氣系數(shù)過大時(shí)，鍋爐總的熱損失就要增加，與此同時(shí)，還將使送、引風(fēng)機(jī)的電耗增大。合理的過量空氣系數(shù)應(yīng)使各項(xiàng)熱損失之和為最小。 從鍋爐工作的安全性來看，爐內(nèi)過量空氣系數(shù)過小，會(huì)使燃料燃燒不完全，造成煙氣中含有較多的未燃盡炭黑和一氧化碳可燃?xì)怏w等，在尾部煙道可能發(fā)生可燃物在燃燒。由一于灰分在還原性氣體中熔點(diǎn)降低，易引起爐內(nèi)結(jié)渣以及高溫硫腐蝕等不良后果。過大的過量空氣系數(shù)使煤粉爐受熱面管子和引風(fēng)機(jī)葉片的磨損加劇，影響設(shè)備的使用壽命。此外，過量空氣系數(shù)增大時(shí)，由一于過剩氧的相應(yīng)增加，將使燃料中的硫形成三氧化硫，煙氣露點(diǎn)也相應(yīng)提高，從而使空氣預(yù)熱器發(fā)生腐蝕。同時(shí)，煙氣中的氧化氮也將增多，影響排放指標(biāo)?？傊惋L(fēng)量過大或過小都會(huì)給鍋爐的安全運(yùn)行帶來不良的影響。 鍋爐總風(fēng)量的調(diào)節(jié)是通過改變送風(fēng)機(jī)的出力來實(shí)現(xiàn)的。本爐所使用的送風(fēng)機(jī)為軸流風(fēng)機(jī)，通過改變風(fēng)機(jī)動(dòng)葉角度來調(diào)節(jié)風(fēng)量。在鍋爐的風(fēng)量控制中除了改變總風(fēng)量外，一、二次風(fēng)的配合調(diào)節(jié)也是十分重要的。一、二次風(fēng)的風(fēng)量分配應(yīng)根據(jù)它們所起的作用進(jìn)行調(diào)節(jié)。一次風(fēng)量應(yīng)已能滿足進(jìn)入爐膛的分粉混合物揮發(fā)燃燒及固體焦炭的氧化需要為原則，二次風(fēng)量不僅應(yīng)滿足燃燒需要，而且還應(yīng)起到補(bǔ)充一次風(fēng)末段空氣量不足的作用。此外，二次風(fēng)應(yīng)能與進(jìn)入爐膛的可燃物充分混合，這就需要較大的二次風(fēng)速，對(duì)高溫火焰起到攪拌混合的作用，以強(qiáng)化燃燒。 當(dāng)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)均運(yùn)行時(shí)，在調(diào)節(jié)風(fēng)量的過程中，通常應(yīng)同時(shí)改變兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，并注意觀察電動(dòng)機(jī)的電流以及風(fēng)機(jī)出口壓和風(fēng)量是否同步變化，并防止軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)域運(yùn)行。風(fēng)量調(diào)節(jié)時(shí)，還應(yīng)通過爐膛出口氧量的變化，來判定是否己滿足需要。高負(fù)荷情況下，還應(yīng)注意防止電動(dòng)機(jī)的電流。 3.2.2 爐膛壓力控制系統(tǒng) 爐膛壓力是反應(yīng)燃燒上況穩(wěn)定與否的重要參數(shù)。爐內(nèi)燃燒工況一旦‘發(fā)生變化，爐膛壓力將迅速發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)鍋爐的燃燒系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，最先將在爐膛壓力的變化上反應(yīng)出來，而后才是蒸汽參數(shù)的一系列變化。因此，監(jiān)視和控制爐膛壓力，對(duì)于保證爐內(nèi)燃燒工況的穩(wěn)定具有及其重要的意義。 爐膛負(fù)壓過大，將會(huì)增加爐膛和煙道的漏風(fēng)，鍋爐在低負(fù)荷或燃燒.工況不穩(wěn)的情況下運(yùn)行時(shí)，便有可能由于漏入冷風(fēng)而造成燃燒惡化，甚至發(fā)生鍋爐熄滅。反之，若爐膛壓力偏正，則爐膛內(nèi)的高溫火焰就有可能外噴，不但影響環(huán)境衛(wèi)生還將造成設(shè)備損壞或引起人身事故。 運(yùn)行中引起爐膛負(fù)壓波動(dòng)的主要原因是燃燒工況的變化。為了使?fàn)t內(nèi)燃燒連續(xù)進(jìn)行，必須不間斷的向爐膛供給燃料燃燒所需的空氣，并將燃燒后產(chǎn)生的煙氣及時(shí)排走。在燃燒產(chǎn)生煙氣及其排放的過程中，如果排出爐膛的煙氣量等于燃燒產(chǎn)生的煙氣量，則進(jìn)、出爐膛的物質(zhì)保持平衡，此時(shí)爐膛負(fù)壓就相對(duì)保持不變。若上述平衡遭到破壞，則爐膛負(fù)壓就要發(fā)生變化。例如在引風(fēng)量未變時(shí)，增加送風(fēng)量，就會(huì)使?fàn)t膛出現(xiàn)正壓。 運(yùn)行中即使送、引風(fēng)量保持不變，由于燃燒工況總有小量的變化，故爐膛壓力總是波動(dòng)的。當(dāng)燃燒不穩(wěn)時(shí)，爐膛壓力將產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)，爐膛風(fēng)壓表相應(yīng)作大幅度的劇烈晃動(dòng)。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明;當(dāng)爐膛壓力發(fā)生劇烈波動(dòng)時(shí)，往往是熄火的頂兆，這時(shí)必須加強(qiáng)監(jiān)視爐內(nèi)燃燒上況，分析原因，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和處理。當(dāng)燃料量發(fā)生變化時(shí), 爐膛燃燒發(fā)熱量也立即發(fā)生變化, 此時(shí)向調(diào)節(jié)器發(fā)出的熱量信號(hào)也會(huì)隨之變化, 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)燃料量使之恢復(fù)正常。這樣, 就不會(huì)由于燃料量擾動(dòng)而引起汽包壓力發(fā)生過大變化【12】。 爐膛壓力通常是通過改變引風(fēng)機(jī)的出力來調(diào)節(jié)的。引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)方法要求和送風(fēng)機(jī)基本相同。 3.3 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中被控變量的選擇 被控變量的選擇是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題，選擇得正確與否，會(huì)直接關(guān)系到生產(chǎn)的穩(wěn)定操作、產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的提高以及生產(chǎn)安全與勞動(dòng)條件的改善等。如果被控變量選擇不當(dāng)，不論采用何種儀表，組成什么樣的控制系統(tǒng)，都不能達(dá)到頂期的控制效果，滿足不了生產(chǎn)的技術(shù)要求。為此，自控設(shè)計(jì)人員必須深入生產(chǎn)實(shí)際，進(jìn)行調(diào)查研究，只有在熟悉生產(chǎn)上藝的基礎(chǔ)上才‘能正確的選擇相互被控變量【13】。 在鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中包含兩個(gè)控制系統(tǒng):主蒸汽壓力控制系統(tǒng)和爐膛壓力控制系統(tǒng)，’而主蒸汽壓力又由主蒸汽壓力與燃料流量構(gòu)成的燃料控制系統(tǒng)和燃料流量與空氣流量構(gòu)成的送風(fēng)控制系統(tǒng)組成;爐膛壓力的變化主要是由引風(fēng)量的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的，所以有時(shí)，也可以把爐膛壓力控制系統(tǒng)稱為引風(fēng)控制系統(tǒng)。如果想要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行高效、精確的控制，首先得依次對(duì)這三個(gè)子控制系統(tǒng)進(jìn)行被控變量的選擇。在燃料控制系統(tǒng)中，要完成的任務(wù)是使燃料流量的變化要隨著蒸汽負(fù)荷的變化而變化，所以很明顯的可以看出在該系統(tǒng)中，被控變量是蒸汽壓力(負(fù)荷)，操縱變量是燃料量;在送風(fēng)控制系統(tǒng)中，要求保持合理的風(fēng)、煤配合，才一能使鍋爐經(jīng)濟(jì)的燃燒，所以該控制系統(tǒng)的被控變量是煙氣成分，操縱變量是送風(fēng)量;在引風(fēng)控制系統(tǒng)中，主要的目的是使?fàn)t膛負(fù)壓能夠保持在一定的范圍內(nèi)，從而保證鍋爐的安全運(yùn)行，所以它的控制變量是爐膛負(fù)壓，操縱變量是引風(fēng)量。 3.4 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的控制方案 3.4.1主蒸汽壓力控制系統(tǒng)方案的確定 蒸汽壓力的主要擾動(dòng)是蒸汽負(fù)荷的變化與燃料量的波動(dòng)。當(dāng)蒸汽負(fù)荷及燃料量波動(dòng)較小時(shí)，可以采用蒸汽壓力來控制燃料量的單回路控制系統(tǒng)，系統(tǒng)方框圖如下: 圖3.2 蒸汽壓力控制燃料量的單回路控制系統(tǒng)方框圖 但是，從上圖我們明顯的可以看出:當(dāng)燃料流量波動(dòng)較大時(shí)，等到主蒸汽壓力控制器感受到這樣的偏差去控制調(diào)節(jié)閥時(shí)，燃料量已不是原來的流量了，所以對(duì)它的控制總是存在著一定的偏差和滯后的。所以，要對(duì)燃料流量設(shè)置一個(gè)調(diào)節(jié)器，讓它對(duì)干擾進(jìn)行快速的控制，這便構(gòu)成了一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)。 圖3.2 蒸汽壓力控制燃料量的串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖 當(dāng)燃料量改變時(shí)，必須相應(yīng)的改變送風(fēng)量，使燃料量與空氣量的比值達(dá)到一個(gè)最優(yōu)比以保證鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性。在這里，不管燃料量還是送風(fēng)量都應(yīng)該是可控制的，所以采用的是雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，它在提降量上也是很方便的，只要緩慢的改變主流量的給定值，就可以提降主流量，同時(shí)副變量也就跟蹤提降，并保持兩者比值不變。在該系統(tǒng)中空氣量是隨著燃料量變化的，所以燃料量是主流 量，空氣流量是副流量。通過上述分析，得到了燃燒過程的基本控制控制方案如下 圖3.3 燃燒過程的基本控制方案 圖3.4 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖 為了使鍋爐能夠充分且完全的燃燒:在蒸汽量要求增加時(shí)，應(yīng)先加大空氣量，后加大燃料量;在蒸汽量要求減小時(shí)，應(yīng)先減燃料量，后減空氣量。完成該邏輯提降量是依靠系統(tǒng)中設(shè)置的兩個(gè)選擇器:高選擇器HS，低選擇器LS。如圖3.5所示。 在正常工況下，即系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，蒸汽壓力控制器的輸出IP等于燃料流量變送器輸出I1，也等于空氣流量變送器的輸出呈上空氣過剩系數(shù)K后的值I2。高、低選擇器的兩個(gè)輸入端信號(hào)是相等的，整個(gè)系統(tǒng)猶如不加選擇器時(shí)的串級(jí)和比值控制組合的系統(tǒng)進(jìn)行上作。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行提量時(shí)，隨著蒸汽量的增加，蒸汽壓力減少，壓力控制器的輸出Ip增加(根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)的要求，壓力控制器應(yīng)選用反作用式控制器)，這個(gè)增加了的信號(hào)不被低選器選中，而被高選器選中，它直接改變空氣流量控制器的 圖3.4 燃燒過程的改進(jìn)控制方案 給定值，命令空氣量增加，也就使I2開始增加。因此時(shí)I2 Pa時(shí)，PY=PB 且以上兩個(gè)控制器均為反作用(這是根據(jù)系統(tǒng)的要求確定，有關(guān)控制器正反作用的選擇問題待后而討論)，其中P1C為正常情況下工作的控制器，P2C為非正常情況下工作的控制器，而且是窄比例的(即比例放大倍數(shù)很大)。 在正常情況下，燃料壓力低于產(chǎn)生脫火的壓力(即低于給定值)，P2C感受到的是負(fù)偏差，因此，它的輸出PB呈現(xiàn)為高信號(hào)(因?yàn)镻2C為反作用。窄比例)。而與此同時(shí)P1C的輸出信號(hào)相對(duì)來說則呈現(xiàn)為低信號(hào)。這樣，低選器LS將選中P1C的輸出PA送往控制閥，構(gòu)成蒸汽壓力控制系統(tǒng)。 當(dāng)燃料壓力上升到超過P2C的給定值(脫火壓力)時(shí)，P2C感受到的是正偏差，因此它是反作用、窄比例，因此P2C的輸出PB 一下跌為低信號(hào)。于是低懸著器LS就改選P2C的輸出PB送往控制閥，構(gòu)成燃料壓力控制系統(tǒng)，從而控制燃料壓力的上升，達(dá)到防止脫火的產(chǎn)生。 待燃料壓力下降到低J幾給定值時(shí)，PB又迅速上升為高信號(hào)，’而蒸汽壓力控制P1C輸出 PA相對(duì)而言又成為低信號(hào)，為低選擇器重新選中送往控制閥，重新構(gòu)成蒸汽壓力控制系統(tǒng)。 (2)防回火系統(tǒng)當(dāng)燃料壓力不足時(shí)，燃料氣管線的壓力又可能低于燃燒室壓力，這樣就會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)的“回火”現(xiàn)象，這會(huì)危機(jī)燃料氣罐發(fā)生燃燒和爆炸，因此必須設(shè)法加以防止。 為此可以在原有的爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)中增加一只帶下限接點(diǎn)的壓力控制器P3C和一個(gè)電磁三通閥。當(dāng)燃料壓力正常時(shí)，P3C下限接點(diǎn)是斷開的，電磁閥是失電低選器LS輸出直通控制閥，此時(shí)系統(tǒng)的工作情況和以上防止脫火的工作情況相同。一旦燃料壓力下降到低于下限值，P3C下限接點(diǎn)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，膜頭壓力將迅速降至零，于是控制閥將關(guān)閉，以防止“回火”產(chǎn)生。當(dāng)燃料氣管線壓力慢慢上升到正常值時(shí)，P3C接點(diǎn)又復(fù)斷開，電磁閥復(fù)斷開，一于是低選器LS的輸出又能直通控制閥，恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。 圖3.8 路膛負(fù)壓與安全保護(hù)控制系統(tǒng) 3.5 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的實(shí)施 3.5.1 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)控制器規(guī)律的選擇 工業(yè)用控制器常見的有開關(guān)控制器、比例控制器、比例-積分控制器、比例-微分控制器、比例一積分-微分控制器。過程工業(yè)中常見的被控參數(shù)有溫度、壓力、液位和流量。而這些參數(shù)有些是重要的生產(chǎn)參數(shù)，有些是不太重要的參數(shù)，控制要求也是各種各樣，因此控制器規(guī)律的選擇要根據(jù)具體情況而定，但是有一些基本原則可在選擇時(shí)加以考慮: (1)對(duì)于不太重要的參數(shù)，例如中間儲(chǔ)罐液位、熱量回收預(yù)熱系統(tǒng)等，控制一般要求不太嚴(yán)格，可考慮采用比例控制，甚至采用開關(guān)控制; (2)對(duì)于不太重要的參數(shù)，但是慣性較大，又不希望動(dòng)態(tài)偏差較大，可考慮采用比例-微分控制器，但是對(duì)于系統(tǒng)噪聲較大的參數(shù)，例如流量，則不能選用比例一微分控制器; (3)對(duì)于氣比較重要的，控制精度要求比較高的參數(shù)，可采用比例一積分控制器; (4)對(duì)于比較重要的，控制精度要求比較高，希望動(dòng)態(tài)偏差較小、控制對(duì)象的時(shí)間滯后比較大的參數(shù)，應(yīng)當(dāng)采用比例一積分一微分控制器【14】。 3.5.2 主蒸汽壓力控制系統(tǒng)控制器規(guī)律的選擇 在該控制系統(tǒng)中，蒸汽壓力和燃料流量構(gòu)成的是串級(jí)控制系統(tǒng):在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副控制器的類型是根據(jù)控制的要求進(jìn)行選擇的。串級(jí)系統(tǒng)中主變量是生產(chǎn)上藝的主要操作指標(biāo)，它直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)的安全，工藝上對(duì)它的要求比較嚴(yán)格，一般來說，主變量不允許有余差。而對(duì)副變量的要求一般都很不嚴(yán)格，允許它有波動(dòng)和有余差【15】。因?yàn)楦弊兞康姆€(wěn)定并不是目的，設(shè)置副變量的目的就在于保證和提高主變量的控制質(zhì)量。在干擾作用下，為了維持主變量的不變，副變量就要變。另外，從串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看，主環(huán)是一個(gè)定值系統(tǒng)，主控制器起著定值控制作用。為了主變量的穩(wěn)定，主控制器必須有積分作用，因此主控制器一般選用比例-積分控制器。然而副環(huán)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的給定值跟隨主控制器的愉出的變化而變化，為了能快速跟蹤，副控制器不帶積分，因?yàn)榉e分會(huì)使跟蹤變的緩慢。所以副控制器采用比例控制器。 燃料流量與空氣流量組成的是雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，在該閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中，主流量是燃料流量，副流量是空氣流量。首先兩流量不僅要保持恒定的比值，而且主流量要實(shí)現(xiàn)定值控制，其結(jié)果是副流量的設(shè)定值也是恒定的，所以兩個(gè)調(diào)節(jié)器均應(yīng)選比例-積分控制規(guī)律。 3.5.3爐膛壓力控制系統(tǒng)控制器規(guī)律的選擇 在該系統(tǒng)中，爐膛負(fù)壓是一個(gè)單純的前饋-反饋控制系統(tǒng):反饋回路是一個(gè)簡單的單回路控制系統(tǒng)，它的對(duì)象是爐膛負(fù)壓，所以該控制器可以選比例一積分控制規(guī)律，前饋控制器則直接選用具有比例作用的控制器;安全保護(hù)控制系統(tǒng)是一個(gè)混合型選擇性控制系統(tǒng):一般正常上作的控制器起著保證產(chǎn)品質(zhì)量的作用，因此，應(yīng)選比例積分形式，由一于該控制系統(tǒng)的對(duì)象是壓力對(duì)象，所以不考慮微分作用;至于在非正常情況工作下的控制器，為了使它能在生產(chǎn)處于不正常情況時(shí)迅速而及時(shí)地采取措施，以防事故的發(fā)生，其控制規(guī)律應(yīng)選窄比例式(即比例放大倍數(shù)很大)。選擇器的類型可以根據(jù)生產(chǎn)處于不正常情況下、非正常情況控制器的輸出信號(hào)高、低來確定，如果在這種情況下它的輸出為高信號(hào)，則應(yīng)選高選器;如果在這種情況下它的輸出為低信號(hào)，則應(yīng)選低選器。 3.6 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中控制器的正、反作用的選擇 3.6.1 主蒸汽壓力控制系統(tǒng)控制器正、反作用的選擇 主、副控制器正、反作用的選擇順序應(yīng)該是先副后主。副控制器的正、反作用要根據(jù)副環(huán)的具體情況決定，而與主環(huán)無關(guān)?？紤]問題的出發(fā)點(diǎn)與單回路控制系統(tǒng)相同，即為了使副回路構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，對(duì)于副回路可將它視為一個(gè)放大倍數(shù)為“正”的環(huán)節(jié)來看待，因?yàn)楦被芈肥且粋€(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)它的要求是:副變量能快捷的跟蹤給定值。在蒸汽壓力和燃料流量構(gòu)成的串級(jí)控制系統(tǒng)中，蒸汽壓力控制器為主控制器，燃料流量控制器為副控制器，當(dāng)系統(tǒng)處于危險(xiǎn)狀況時(shí)，燃料閥應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，則閥門為氣開閥，所以Kv為正;當(dāng)閥門開度增加時(shí)，燃料流量增加，所以KO場為正，變送器一直為正，故K m為正;由KvKoKmKc為正可得Kc為正，所以燃料控制器(副控制器)為反作用控制器，這樣，只根據(jù)主對(duì)象與主變送器放大倍數(shù)的符號(hào)就可以確定主控制器的正、反作用;當(dāng)閥門打開時(shí)，主蒸汽壓力上升，所以瑜K01為正，主變送器為正，Km為正，所以KC1為正，故主壓力控制器(主控制器)為反作用控制器。同理可知空氣流量控制器也為反作用控制器。 3.6.2爐膛壓力控制系統(tǒng)控制器正、反作用的選擇 在爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)中，當(dāng)該系統(tǒng)處于危險(xiǎn)狀況時(shí)，閥門應(yīng)處于打開狀態(tài)，則閥門為氣閉閥，所以Kv為負(fù);當(dāng)閥門開度增加時(shí)，爐膛壓力降低，所以KO與為負(fù);變送器一直為正，故Km為正;由KvKoKmKc為正可得Kc為負(fù)，所以爐膛壓力控制器為正作用控制器。 在安全保護(hù)控制系統(tǒng)的防脫火控制系統(tǒng)中，閥門為氣開閥，則Kv為正;變送器為正，則Km為正。在正常情況下，該系統(tǒng)構(gòu)成的是蒸汽壓力控制系統(tǒng)，當(dāng)閥門開度增大時(shí)，蒸汽壓力增大，則Ko為正，所以由KvKoKmKc為正，可得Kc為正，所以蒸汽壓力控制器為反作用控制器;在非正常情況下，該系統(tǒng)構(gòu)成的是燃料氣壓力控制系統(tǒng)，當(dāng)閥門開度增大時(shí)，燃料氣壓力升高，則K01為正，同理可得，燃料壓力控制器也為反作用控制器;在防回火控制系統(tǒng)中，根據(jù)同樣的方法可得該控制器也為反作用控制器。 3.7鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的參數(shù)整定 所謂控制系統(tǒng)的目的，就是對(duì)于一個(gè)已經(jīng)設(shè)計(jì)并安裝就緒的控制系統(tǒng)，通過控制器參數(shù)(δ、Ti、TD)的調(diào)整，使得系統(tǒng)的過渡過程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。 由于蒸汽壓力與燃料流量構(gòu)成的控制系統(tǒng)為串級(jí)控制系統(tǒng)，串級(jí)控制系統(tǒng)的整定方法比較多，有逐步逼近法、兩步法和一步法等。整定的順序是先整副環(huán)后整主環(huán)，這是它們的共同點(diǎn)。但兩步法較為費(fèi)時(shí)，所以采用一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)將副控制器參數(shù)一次放好，不再變動(dòng)，然后按一般單回路系統(tǒng)的方法，直接整定出主控制器參數(shù)。 一步整定法的依據(jù)是:在串級(jí)控制系統(tǒng)中，一般來說，主變量是上藝的主要操作指標(biāo)，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量，因此，對(duì)它的要求比較嚴(yán)格。而副變量的設(shè)立主要是為了提高主變量的控制質(zhì)量，對(duì)副變量本身沒有很高的要求，允許它在一定的范圍內(nèi)變化。因此在整定時(shí)不必將過多的精力放在副環(huán)上，只要主變量達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量指標(biāo)要求即可。此外，對(duì)一于鍋爐燃燒控制這樣一個(gè)具體的串級(jí)控制系統(tǒng)來說，在一定的范圍內(nèi)，主、副控制器的放大倍數(shù)是可以匹配的，只要主副控制器的放大倍數(shù)及Kcl與Kc2的乘積等于心(Ks為主變量呈4:1衰減振蕩時(shí)的控制器比例放大倍數(shù))，系統(tǒng)就能產(chǎn)生4:1衰減過程。雖然按照經(jīng)驗(yàn)一次放上的副控制器參數(shù)不一定適合，但可以通過調(diào)整主控制器放大倍數(shù)來進(jìn)行補(bǔ)償結(jié)果仍然可使主變量呈4: 1衰減。人民根據(jù)長期的時(shí)間和大量的經(jīng)驗(yàn)積累，總結(jié)出對(duì)于不同的副變量情況，副控制器參數(shù)可按下表所給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。 表3.1 副控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置值 副變量類型 副控制器比力度δ2/% 副控制器比例放大倍Kc2 溫度 20-60 5-1.7 壓力 30-70 3-1.4 流量 40-80 2.5-1.25 液位 20-80 5-1.25 一步整定法的具體步驟如下: (1)根據(jù)副變量的類型，按上表的經(jīng)驗(yàn)值選好副控制器參數(shù)，并將其置于副控制器上(副控制器只用比例調(diào)節(jié)); (2)將串級(jí)投運(yùn)后，按單回路系統(tǒng)整定方法直接整定主控制器參數(shù); (3)觀察控制過程，根據(jù)K值匹配的原埋，適當(dāng)調(diào)整主控制器參數(shù)，使主變量 的品質(zhì)指標(biāo)達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量要求; (4) 如果系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，只要加大主、副控制器的任一參數(shù)，就可消除，如“共 振”劇烈，可先轉(zhuǎn)入手動(dòng)，待穩(wěn)定后，再在比生產(chǎn)“共振”時(shí)略大的控制器參數(shù)下重新投運(yùn)和整定，直到達(dá)到滿意時(shí)為止。 由燃料流量與空氣流量構(gòu)成的是雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，比值控制系統(tǒng)的參數(shù)整定，關(guān)鍵是先要明確整定要求。雙閉環(huán)比值的主流量回路為一般定值系統(tǒng)，可按常規(guī)的單回路系統(tǒng)進(jìn)行整定，該設(shè)計(jì)所選的是衰減曲線法:衰減曲線法是在系統(tǒng)閉環(huán)情況下將控制器的積分時(shí)間Ti放到最大，微分時(shí)間TD放到最小，比例度δ放到適當(dāng)數(shù)值(一般為100%)。然后δ由大往小逐步改變，并且每改變一次δ值時(shí)，通過改變給定值給系統(tǒng)施加一階躍干擾，同時(shí)觀察過渡過程變化情況。如果衰減比大于4:1，δ繼續(xù)減小當(dāng)衰減比小于4:1時(shí)δ應(yīng)增大，直到過渡過程呈現(xiàn)4:1衰減時(shí)為止。如下圖所示。 通過上述試驗(yàn)，可以找到4:1衰減振蕩時(shí)的比例度δs及振蕩周期Ts。在按表3-2給出的經(jīng)驗(yàn)公式，可以算出采用不用類型控制器使過渡過程出現(xiàn)4:1振蕩的控制器參數(shù)值。 圖3.9 4:1衰減曲線 按表3.2經(jīng)驗(yàn)公式算出控制器參數(shù)后，按照先比例、后積分、最后微分的程序，依次將控制器參數(shù)放好。不過在放積分、微分之前，應(yīng)將δ放在比計(jì)算值稍大(約20%)的數(shù)值上，待積分、微分放好后，再將δ放到計(jì)算機(jī)上。放好控制器參數(shù)后可以再加一次干擾，驗(yàn)證一下過渡過程是否呈4:1衰減振蕩。如果不符合要求，可適當(dāng)調(diào)整一TD 。 表3.2衰減曲線法整定控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式 控制器類型 控制器參數(shù) δ/% Ti/min TD/min P δS - - PI 1.2δS 0.5TS - PID 0.8δS 0.3TS 0.1TS 下δ值，直到達(dá)到滿意為止。副流量為隨動(dòng)控制系統(tǒng)，而對(duì)少于隨動(dòng)系統(tǒng)，希望從物料能迅速正確的跟隨主物料變化，且不宜有過調(diào)，也就是說，要使隨動(dòng)控制系統(tǒng)達(dá)到振蕩與不振蕩的臨界過程，這與一般定值控制系統(tǒng)的整定要求是不一樣的。 按照隨動(dòng)控制系統(tǒng)的整定要求，整定方法步驟為: (1)進(jìn)行比值系數(shù)計(jì)算及現(xiàn)場整定; (2)將積分時(shí)間置于最大，調(diào)整比例度由大到小，找到系統(tǒng)處一于振蕩與不振蕩的 臨界過程為止; (3)適當(dāng)放寬比例度，一般放大20%左右，然后把積分時(shí)間慢慢減小，找到系統(tǒng) 處于振蕩與不振蕩的臨界過程或微震蕩的過程為止。 3.8儀表的選擇 3.8.1 變送器的選擇 變送器的作用是將各種上藝量(如溫度、壓力、流量、液位)和電、氣信號(hào)(如 電壓、電流、頻率、氣壓信號(hào)等)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(4-20Ma或1-5V)在對(duì)主蒸汽壓力、燃料流量和空氣流量進(jìn)行測量時(shí)，所選用的變送器型號(hào)是1 151系列電