锅炉燃烧控制系统设计.docx
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锅炉燃烧控制系统设计
摘要
本文主要研究的是锅炉燃烧系统的控制问题。
锅炉是热电厂最基本也是最重要的设备，使用锅炉就是为了利用其输出的蒸汽，这也是它主要的输出变量之一。
本文设计的主蒸汽压力控制系统，其任务是维持出口处蒸汽温度在所允许的范围内，从而使得机组达到安全、经济运行。
为了达到此目标，必须对整个生产过程进行控制以及监视。
因此，需要先了解此生产过程的工艺流程和动静态特征，用理论分析和综合整个系统，以生产过程中的物流变化量作为被控量，采用合适的方式进行自动控制，以实现生产过程的控制目标。
在控制算法上，本论文综合运用了比值控制、串级控制、单回路控制等控制方式，实现了引风量控制炉膛负压、燃料量控制调节蒸汽压力、送风量控制调节烟气含氧量，并且有效地克服了彼此的扰动，使整个系统稳定运行。
本文设计的控制系统系统运行稳定可靠。
采用的计算机控制和控制系统不仅可以大大节约能源，促进环保，而且还可以提高生产自动化水平，具有可观的社会效益和经济效益。
关键词：
燃烧控制；串级控制；炉膛负压；蒸汽压力
ABSTRACT
Thispapermainlystudiestheboilercombustionsystemcontrolproblem.Thermalpowerplantboileristhemostbasicandimportantequipment,theuseofboileristousetheoutputofthesteam,whichisalsooneofitsmainoutputvariables.Inthispaperthedesignofthemainsteampressurecontrolsystem,thetaskofmaintainingoutletsteamtemperatureintheallowedrange,sothatthecrewreachedsafety,economicoperation.Inordertoachievethisgoal,mustbeontheentireproductionprocesscontrolandmonitoring.Therefore,tounderstandtheproductionprocessandthedynamicandstaticcharacteristics,usingtheoryanalysisandsynthesisofthewholesystem,intheproductionprocessoflogisticsvolumechangesasthecontrolledquantity,adoptappropriatewaystoachieveautomaticcontrol,productionprocesscontroltarget.
Incontrolalgorithms,thisthesisemploysratiocontrol,cascadecontrol,singleloopcontrolmode,toachievethecontroloffurnacenegativepressure,fuelquantitycontrolregulatingsteampressure,airflowcontrolofoxygencontentinfluegas,andeffectivelyovercomesthemutualdisturbance,makethesystemstableoperation.Inthispaper,thedesignofthecontrolsystemthesystemisstableandreliable.Usingthecomputercontrolandcontrolsystemnotonlycansaveenergy,promotingenvironmentalprotection,butalsocanimprovetheproductionlevelofautomation,andhasconsiderablesocialandeconomicbenefits.
Keywords：
Combustioncontrol;Cascadecontrol;Furnacepressure;Steampressure
1绪论
1.1课题背景及研究意义
锅炉是工业当中不可缺少的非常重要的动力设备。
尤其是在大型的化工、发电、石油等工业生产部门，锅炉是为其它设备提供热源以及动力的关键性设备。
它所产生的蒸汽，不仅能够为换热器、反应器以及其它管道、设备保温伴热提供热源，且还可以为生产过程中的压缩机、泵类驱动、风机提供动力来源。
工业锅炉非常耗能的设备，每年都会用超过亿吨的煤，这个耗煤量是我国原煤产量的三分之一。
因此，提高煤的燃烧效率不仅具有重要的环保意义，还具有可观的经济效益。
但是我国现在用的锅炉设备大多数自动控制水平普遍很低，燃烧效率大多低于国家标准，工人的水平也是参差不齐，通常都是凭经验和感觉去操作的，长此以往，锅炉便处在环境污染严重、能耗高的生产状态。
据有关资料显示，世界上四成多的人口正逐渐进入工业化阶段，全球性的资源、环境和人口矛盾尖锐，使我国的现代化建设面临非常严峻的挑战，即使现在国际市场的资源能够弥补中国资源的不足，环境和生态严重破坏的沉重代价也让人难以承受。
由于工业生产的逐渐扩大，作为提供动力和热源的锅炉，也必须有其发展方向，即高参数和大容量。
为了使生产的稳定性提高和锅炉的安全性提高。
认真研究锅炉的自动化控制方法是十分必要的。
1.2锅炉燃烧控制系统国内外研究现状
工业锅炉是非常重要的提供热能和动力的设备，当今制造锅炉最多和使用锅炉最多的国家便是中国。
中国成立后，中国的锅炉业便于此时发展了起来。
特别是改革开放以后，国名经济快速发展，全国有千余家可以生产不同等级锅炉的企业。
因此采用洁净燃烧技术以及清洁燃料，并且拥有节能、高效、低污染的工业锅炉将得到很大发展，这也将是今后我国工业锅炉的发展趋势，向着高端市场发展。
今后，一些大中城市中的小容量锅炉肯定会减少，其比例还将会明显下降，而采用清洁燃烧技术的锅炉必然得到很快发展，燃气锅炉也定会有很大的进步，用生物质和生活垃圾作为燃用的锅炉市场是非常有潜力的，随着电力工业的发展，一些特殊的锅炉市场也会得到进一步的拓宽。
因此，采用清洁的燃烧技术和清洁燃料是很必要的，其节能、高效、低污染工业锅炉将会得到快速发展，这也是今后锅炉的发展趋势，并且其在高端市场也相当有潜力。
1.3锅炉燃烧控制系统的发展趋势
我国国民经济的投资规模慢慢变大，发展速度非常快，未来工业锅炉市场的发展除了受其影响外，越来越受到其它方面的要求与制约，比如环保要求和能源政策。
近年来，高性能产品逐渐普及，产品质量逐渐提高，火力发电厂的锅炉机组越来越向高效率方向发展，锅炉燃烧控制系统的控制品质也随之提高。
过去一段时间，我国的工业锅炉只有小部分被更新，今后，我国将会有越来越多的工业锅炉会被更新，还有新增的装机，从需求上来讲，如今我国每年工业锅炉的需求量会在15万吨左右。
2锅炉的工作过程
2.1锅炉简介
锅炉是由锅和炉组成的，上面的盛水部件为锅，下面的加热部分为炉，锅和炉的一体化设计称为锅炉。
锅：
由省汽包、煤器、联箱、水冷壁、下降管、再热器和过热器等设备及阀门和连接管道组成。
炉：
由燃烧器、点火装置、炉膛、烟风道及炉墙、空气预热器、构架等组成。
锅炉通过煤或天然气在炉膛内燃烧释放出热能，热能在炉膛中以辐射的方式传送给炉胆，胆壁内部热量以传导的方式传递给锅炉水，锅炉水吸收热量；炉膛中燃烧产生的烟气经烟管至烟囱排放到大气中，高温烟气在炉管中流过时，也对炉筒中的水加热，使温度提高。
锅炉是生产蒸汽的设备，它把燃料的化学能转换为热能，再利用热能产生蒸汽。
蒸汽进入汽轮机后利用膨胀做功，高速的气流冲击汽轮机叶片,带动转子旋转，同时带动同轴发电机转子,按一定速度均匀转动，从而发电。
2.2锅炉结构以及流程
图2.1电厂发电工艺框图及设备
火力发电的三大主机是发电机、汽轮机、锅炉。
燃料燃烧时放出大量热量将水加热，而水则变为具有一定温度和压力的蒸汽，然后蒸汽通过管道进入汽轮机，膨胀做功，带动发电机转子按一定速度匀速转动，从而发电。
在这个过程中实质上是四个能量形态的转换过程，首先煤粉或燃气的化学能经过燃烧转变为热能，这个过程在燃汽机或蒸汽锅炉的燃烧室内完成；然后是热能转变为机械能，这个过程在燃汽轮机内完成；最后通过发电机将机械能转变为电能。
锅炉是火力发电厂最重要的能量转换设备之一。
在现实生活中有许多发电形式，例如水力、潮汐能、风力以及核能发电等。
在众多发电形式中火力发电仍然是我国主要的发电形式，大约占八成。
2.3燃烧控制系统的任务
设计锅炉燃烧自动控制系统的目的是控制燃烧的整个过程，使燃烧所提供的热量适应外界对锅炉输出的蒸汽负荷的需求，同时保证锅炉的安全运行、经济运行。
锅炉燃烧自动控制主要包括以下几点控制内容：
1.维持主蒸汽压力的恒定。
在汽轮机跟随方式下，燃烧系统主要是保证机组的实际功率等于蒸汽负荷的要求值；在锅炉跟随方式下，主要是保证主蒸汽的压力等于给定值；在协调方式下，两个参数都有兼顾。
2.控制空燃比。
为了实现燃烧的经济性，需要适当地调节送风量，使送风量与燃料量相适应。
燃烧过程是否符合经济的原则可以从过剩空气系数是否合适来衡量，而过剩空气系数一般都用烟气中的含氧量来间接表示，也可以通过使燃料量与送风量成一定比例的方法来实现燃烧的经济性。
3.维持炉膛压力稳定。
炉膛压力是否在所要求的范围内变化，关系到锅炉的经济运行、安全运行。
为了保证炉膛压力在所允许的范围内，送风量必须和引风量相适应。
炉膛压力太低的话，会使大量的冷风进入到炉膛，这会加大排烟损失以及引风机的负荷，可能使燃烧恶化，燃烧损失变大，甚至会燃烧不稳定乃至灭火，炉膛压力太低的话就有可能会引起内爆；反之，炉膛压力过高，并且高出大气压的话，高温烟气被排入大气，炉膛内火焰会向外泄露，不仅影响外面环境卫生，还会影响人身安全和设备安全。
2.4锅炉燃烧控制系统的基本要求
1.保证所产蒸汽压力的稳定，能按负荷的变化自行控制，自动减、增燃料量；
2.保证良好地燃烧，供气要适当，一是要防止空气不足时使得烟囱冒黑烟，二是不要因空气过量而增加热量的损失；
3.保证锅炉安全运行，这需要保持炉膛有适当的负压，负压太小的话，会造成炉膛内热烟气向外泄露，影响工作人员的安全、设备的安全，负压过大的话，会使大量的冷空气进入炉内，会使热损失增大。
此外，还需要防止烧嘴背压过高时产生脱火以及背压低时产生回火的现象发生。
2.5燃烧控制系统的控制目的
过剩空气量（%）
图2.2空气过剩系数和节能图
燃料在燃烧过程中必须加入适量的空气来协助燃烧。
空气不能太少，这样的话燃烧不完全，烟囱会冒黑烟，热效率也会随之降低；空气也不能太多，太多的话，过剩的空气会将热量带出排放掉，也会使热效率降低。
因此，燃烧过程中空气与燃料的配比问题需要进行很好的控制。
燃料在锅炉燃烧过程中节能和防污染与空气过剩系数的关系如上图所示。
曲线1表示的是燃料不完全燃烧时的热损失，曲线2表示从烟囱排出废气的热损失，曲线3表示总能量的损失。
由上图可知，在上述情况间存在着一个污染小、热效率高和热损失少的低氧燃烧区，这种情况使火焰温度升高，排烟量减少，并使得高温区热效率提高，这就是最佳燃烧区。
3锅炉燃烧控制系统组成及子系统
3.1锅炉燃烧控制系统的组成
锅炉燃烧控制系统分为炉膛负压控制系统和主蒸汽压力控制系统。
主蒸汽压力控制系统又分为送风控制系统和燃料控制系统。
在炉膛负压控制系统中，送风量对炉膛压力的影响很小，炉膛压力主要是靠引风机来调节的，所以有时它也被称作引风控制系统。
在整个锅炉燃烧控制系统中，蒸汽压力的变化表示负荷的耗气量与锅炉蒸汽的产生量不相适应，因此需要相应地改变燃料的供应量，从而改变蒸汽的产生量。
当燃料量改变时，需要相应地改变送风量，使燃料和空气的量相适应，提高燃烧的经济性。
同时，当送风量改变的时侯，也应该相应地改变引风量，这样才能使得炉膛压力保持恒定。
3.2主蒸汽压力控制系统
锅炉运行时，实际进入炉膛里的空气是不可能全部与燃料接触并发生反应的。
为了减少热损失，有较好的燃烧效率，实际进入炉膛内的空气量一般要比理论计算量多一点，两者之比称为过量空气系数α。
过剩空气系数的控制是通过烟气分析仪测量烟气中O2成分来实现的。
由于目前测量O2成分普遍采用氧量计，过量空气系数α与烟气中氧气（O2）含量关系如下：
（3.1）
式中K—烟气中的含氧量（%）；α—过量空气系数。
根据氧量表的数值来控制送入炉膛内的空气量，而不用算过量空气系数。
当过量空气系数过大时，烟气的流动速度加快，炉膛温度降低，燃烧时间缩短，这会使不完全燃烧损失增大，而烟气热损失也会相应增大，同时，还将使引、送风机的用电量增大。
另外，由于炉内过量空气系数过小，会使燃料不完全燃烧，使得烟气中含有较多的一氧化碳和未烧完的炭黑等，在烟道尾部便可能会发生燃烧的现象。
由于灰分在还原性气体中熔点降低，因此易引起高温硫腐蚀以及炉内结渣等不良后果。
过大的过量空气系数还会加剧引风机的叶片和煤粉炉受热面的磨损，缩短设备的寿命。
总而言之，对于锅炉的安全运行，送风量过小或着过大都会带来不良的影响。
3.3炉膛压力控制系统
炉膛压力是反应燃烧状况是否稳定的重要参数。
炉内的燃烧状况如果发生变化，炉膛压力也会随之发生相应的变化。
一旦锅炉的燃烧系统发生故障，首先反应在炉膛压力的变化上，最后才产生一系列蒸汽参数的变化。
因此，控制和监视炉膛压力的重要意义，是保证炉内燃烧状况的稳定。
炉膛负压过大，将会增加炉膛和烟道的漏风，锅炉在低负荷或燃烧状况不稳的情况下运行时，便有可能由于漏入冷风而造成燃烧恶化，甚至发生锅炉熄灭。
反之，如果炉膛压力偏正，则炉膛内的高温火焰就有可能外喷，不但影响环境卫生还将造成设备损坏甚至引起人身事故。
燃烧状况发生变化，会使炉膛负压波动。
为了使炉内燃烧连续进行，必须不间断的向炉膛供给燃料燃烧所需的空气，并将燃烧后产生的烟气及时排走。
在产生烟气和排放烟气的过程中，如果排出的烟气量与燃烧产生的烟气量相等，那么进、出炉膛的物质是平衡的，此时炉膛负压相对保持不变。
但如果这种平衡被破坏，则炉膛负压就要发生相应的变化。
运行过程中，即使送风量和引风量保持不变，由于燃烧状况总有微小的变化，因此炉膛压力总是处于波动状态的。
当燃烧不稳定时，炉膛压力将会产生较大的波动，炉膛风压表也会有大幅度的晃动。
运行经验表明：
如果炉膛压力发生剧烈波动，这时通常会熄火，因此必须加强力度监视炉内的燃烧状况，通过分析原因，及时对其进行调整和处理。
3.4蒸汽压力变送器选择
蒸汽从锅炉出去经过管道到达蒸汽轮机，其温度和压力会有所降低，但是幅度不大，通常情况下温度会下降2—4度，压力会下降2到4个百分点。
因此可以近似地认为，锅炉提供的蒸汽压力和温度，与蒸汽轮机机组初参数相同。
如今我国还有一些参数非常低的火力发电机组仍然在使用，包括高压参数、超高压参数机组。
高压参数一般为：
主蒸汽压力8-10MPa，温度500-540℃。
超高压参数一般为：
主蒸汽压力12-14MPa，温度500-540℃。
选用下述蒸汽压力变送器：
公司名称：
上海威野仪器仪表制造有限公司
型号：
JF039001949
特点：
不锈钢一体化结构，可适应恶劣环境，小体积，高精度，高稳定性
压力0~0.1~10MPA。
可选择输出多种标准信号，用户调试方便，抗电磁和
射频干扰，防雷击。
供电电源范围宽（9~40V），具有零点，满度可调。
典型应用：
液压气压控制锅炉，蒸汽管道，真空设备石化管道测压，自控系统和测试系统。
技术性能及指标：
电源：
24V DC；无负载时变送器可工作在12V．DC最大为40V。
负载特性：
输出信号：
4～20mA
负载特性：
电源电压V与负载阻抗R的关系：
R≤50（V-12）Ω
量程和零点：
打开接线端侧盖后连续可调，零点调整范围为最大量程的±5%，量程调整范围为最大量程的40%～100%。
4整体设计
4.1系统设计方案图
过程控制的内容包括：
采用正确的控制策略、配置合理的控制系统、选用合适的控制设备及恰当的通讯网络等。
通过对整个热工控制系统的分析，根据锅炉的燃烧特点，本系统采用了如下的方式进行控制，并依次对整个热工控制系统进行了总体设计。
如图：
图4.1系统设计方案图
4.2系统流量信号的检测
4.2.1孔板的测量原理
通过节流元件使孔板产生差压，用差压变送器把流体流过孔板所产生的压力差，按比例变换为标准电流信号。
在充满流体的管道中找个位置放一个流通面积小于管道截面积的节流元件，当流体流经节流元件时就会造成局部收缩。
在收缩处，流速增加，使静压力降低，节流件前后便会产生静压差。
通过实践得知，对于一定尺寸和形状的节流件，前后直管处和一定的测压位置，在一定的流体参数情况下，流量q与节流件前后的差压之间是有一定关系的。
对此，测量节流元件前后的压差便可得到系统流量信号。
流动情况如图：
图4.2流体对管道产生的压力变化
从Ⅱ-Ⅱ截面之后，流速便开始膨胀，直到Ⅲ-Ⅲ截面，此时恢复到Ⅰ-Ⅰ截面前的情况，此时流体的平均流速由V1慢慢降低到V3，静压P也由低到高恢复之前值。
在流体进入节流元件前、后的管道壁附近形成涡流，涡流中，流体不仅有横向的运动，而且还有逆向的运动，这种流动状态是非常复杂的，孔板的压力损失之所以比较高，就是由这些涡流的能量耗散造成的。
4.2.2差压变送器
差压变送器是一种变送单元，它能够将流体流过节流元件时所产生的压力差，按比例变换为标准的电流信号。
节流式差压变送器的优点：
1）结构简单，成本低，工作可靠，具有一定的准确度，基本上能满足工程测量的需要。
2）对于差压变送器研究和使用有悠久的历史，有着丰富、可靠的实验数据，差压变送器具有标准化的设计加工。
只要是按照标准设计加工的节流式流量计，不需要进行标定，也可以在已知的不确定范围内进行流量测量。
4.2.3系统流量检测装置的选型及检测方式
1、孔板的选型
本系统孔板测量方式采用法兰取压方式。
孔板的型号根据实际需求采用标准孔板。
孔板的设计以及选用，也需要参考介质的特性，再委托专业厂家来进行计算和制作。
使用孔板进行流量测量，使用状况和精度都是比较理想的。
2、流量测量检测方框图
需要检测的流量信号有二段高炉煤气流量和二段空气流量。
流量传感器选用的是孔板及差压式电容传感器，流量的节流装置必须参考以下技术参数：
表4.1孔板的型号
FE101
FE102
FE103
FE104
测量介质名称
一次风
二次风
一次风
二次风
最大流量
25000NM3/H
35000NM3/H
25000NM3/H
35000NM3/H
平均流量
20000NM3/H
30000NM3/H
20000NM3/H
30000NM3/H
最小流量
0
0
0
0
被测介质压力
10KPa
40KPa
10KPa
40KPa
被测介质温度
常温
常温
常温
常温
相对湿度
77%
77%
77%
77%
计算差压
2.5KPa
2.5KPa
2.5KPa
2.5KPa
200C时管道内径
DN710
DN910
DN810
DN910
管道壁厚
5mm
5mm
5mm
5mm
采用节流件形式
孔板
孔板
孔板
孔板
取压方式
法兰取压
法兰取压
法兰取压
法兰取压
安装节流件的管道位置
水平管道
水平管道
水平管道
水平管道
容许压力损失
<最大压差值的3%
<最大压差值的3%
<最大压差值的3%
<最大压差值的3%
4.3燃料流量变送器的选用
LUGB-06型涡街流量计根据卡门涡街原理测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计。
广泛用于各种行业气体、液体、蒸汽流量的计量，也可测量含有微小颗料、杂质的混浊液体，并可作为流量变送器用于自动化控制系统中。
LUGB-06型涡街流量传感器防爆型，符合GB3836-2000《爆炸性环境用防爆电气设备》规定，防爆标志为“ExiaIICT6”，在本次设计中，选用LUGB型涡街流量传感器其精度等级完全可以满足火电厂锅炉温度控制系统的精度要求。
技术参数：
仪表材质：
1Cr18Ni9Ti
最高流速：
25m/s
被测介质温度（℃）：
－40～＋250℃；－40～＋350℃
环境条件：
温度－10～＋55℃，相对湿度5％～90％，大气压力86～106Kpa
精度等级：
测量液体：
示值的±0.5
测量气体或蒸汽：
示值的±1.0、±1.5
量程比：
1：
10；1：
15
输出信号：
传感器：
脉冲频率信号0.1～3000Hz低电平≤1V高电平≥6V
变送器：
两线制4～20mADC电流信号
供电电源：
传感器：
＋12VDC、＋24VDC（可选）
变送器：
＋24VDC
现场显示型：
仪表自带3.2V锂电池
信号传输线：
STVPV3×0.3（三线制），2×0.3（二线制）
传输距离：
≤500m
信号线接口：
内螺纹M20×1.5
防爆等级：
ExdIIBT6
4.4系统压力信号的检测
4.4.1电阻应变片的工作原理
电阻应变片的工作原理是在导体产生机械变形时，它的电阻值也会相应地发生变化。
这种元件会将被测物件上的应变变化转换为电信号。
它也是压阻式应变传感器的组成部分之一。
通常，电阻应变片应用最多的是半导体应变片和金属电阻应变片两种。
金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。
通常是将应变片通过特殊的粘合剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生变化，从而使加在电阻上的电压发生变化。
这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路显示或执行机构。
金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料商应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。
可用下式表示：
ρ=R*L/S
ρ-金属导体的电阻率
S-导体的截面积
L-导体的长度
4.4.2扩散硅压力传感器的选用
扩散硅压力传感器被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上，使膜片产生于介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。
扩散硅数字压力计是目前应用比较广泛的数字压力测量仪表，它所采用的扩散硅压力传感器具有体积小、灵敏度高、动态响应快、使用方便等优点。
5燃烧控制基本方案
5.1锅炉燃烧过程的任务
控制任务
被控变量
操纵变量
锅炉蒸汽出口压力稳定
燃烧过程的经济运行
锅炉炉膛负压稳定
蒸汽出口压力
燃料量与送风量比值
炉膛负压
燃料量
送风量
抽风量
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