燃煤锅炉燃烧过程和热效率监控系统设计学士学位论文.docx

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燃煤锅炉燃烧过程和热效率监控系统设计学士学位论文

燃煤锅炉燃烧过程和热效率监控系统设计

摘要

燃煤锅炉是采暖供热系统的核心设备，它的主要任务是安全可靠、经济有效地把燃料的化学能转化为热能，进而将热能传递给水，生产出满足需要的蒸汽或热水。

本文对燃煤锅炉控制系统进行了研究，燃煤锅炉在燃烧过程中会影响产生的热效率，在分析影响热效率的因素后，对燃煤锅炉燃烧系统进行了控制方案的设计，其中包括蒸气压力动态特性与燃料控制系统设计、送风控制系统设计、炉膛负压控制系统设计、硬件结构、系统主要功能、软件设计原则、主程序流程等。

燃煤锅炉燃烧控制系统不仅仅要控制稳定的出水温度、保持经济燃烧、维持炉膛负压在一定范围内，更主要的是要节煤，即如何要把燃烧过程控制在热损失最小，热效率最高，对环境污染最小的所谓最佳燃烧状态。

因此提高锅炉燃烧过程中的热效率是燃煤锅炉经济运行的主要方法。

本设计采用DCS对锅炉设备控制，DCS是集散控制系统，集中管理，分散控制。

并进行组态，实现操作画面设计、流程图绘制、控制方案编写等操作对燃煤锅炉进行监控，从而使锅炉安全可靠的经济运行。

关键词：

燃煤锅炉；燃烧过程；热效率；DCS

DesignofControlSystemforCoal-firedBoilerCombustionProcessandThermal

Abstract

Coal-firedboilerheatingsystemisthecoreoftheheatingequipment,itsmaintaskistosafe,reliable,cost-effectivewaytofuelchemicalenergyintoheat,thustheheattransferwatertoproducesteamorhotwatertomeettheneeds.

Inthispaper,coal-firedboilercontrolsystemisstudied,coal-firedboilerinthecombustionprocessaffectsthethermalefficiencyoftheanalysisofthefactorsaffectingthethermalefficiencyofcoal-firedboilercombustionsystemtocontrolthedesign,includingthedynamicvaporpressureCharacteristicsandfuelcontrolsystemdesign,supplyaircontrolsystemdesign,furnacepressurecontrolsystemdesign,hardwarestructure,themainfunctionofthesystem,softwaredesignprinciples,themainprogramprocesses.Coal-firedboilercombustioncontrolsystemnotonlytocontrolthestabilityofwatertemperatureandkeeptheeconomyburns,tomaintainthefurnacenegativepressurewithinacertainrange,butthemainthingistosavecoal,namely,howtocontrolthecombustionprocessshouldminimizeheatloss,themaximumthermalefficiency,thesmallestoftheso-calledenvironmentalbestburning.Therefore,theprocessofimprovingcombustionefficiencyofcoal-firedboilersheatthemainmethodofeconomicoperation.

ThedesignoftheboilerequipmentcontrolledbyDCS,DCSisadistributedcontrolsystem,centralizedmanagementanddecentralizedcontrol.Andtheconfiguration,operationofthescreentoachievethedesign,flowcharting,andothercontrolprogramswrittentomonitortheoperationofthecoal-firedboilers,sothattheeconomicoperationoftheboilersafeandreliable.

Keywords:

coal-firedboiler;combustionprocess;thermalefficiency;DCS

第1章引言

1.1燃煤锅炉研究的背景

工业锅炉是工业生产中普遍使用的动力没备，是能源转换的重要设备之一。

目前，全国在工业锅炉有50多万台，约180万蒸吨/小时。

其中燃煤锅炉约占工业锅炉总数的85%左右，平均容量约为3.4蒸吨/小时。

链条锅炉约占工业锅炉总台数的65%，往复炉排锅炉占20%，固定炉排占10%，循环流化床锅炉约占4%，其他锅炉占1%。

每年排放烟尘约200万吨，SO2约700万吨，CO2近10亿吨，对环境造成了严重污染。

随着对生产自动化要求渐高的趋势，改变工业锅炉运行中传统的手动、半自动操作方式已势在必行尤其是近年来我国北方各大城市承受着持续低温天气和煤炭价格大幅度上涨的压力，还要面对供热标准[1]。

工业供暖锅炉的安全运行显的越来越是重要，那么这就要我们用一些方法来控制锅炉的运行，从而控制燃烧过程热效率的损失。

并且在出现异常的情况下能够马上显示出来，这样以便于我们进行整修。

所以为了供暖锅炉能够安全有效的运行，我们必须对它进行控制，这就是我们经常说的燃煤锅炉燃烧过程和热效率控制系统[2]。

1.2燃煤锅炉研究的现状

工业锅炉的节能和正常运行与锅炉设计和燃烧控制有直接的关系。

锅炉热效率是锅炉设计和运行中关键的技术指标。

影响锅炉热效率的因素包括：

排烟热损失、化学不完全燃烧热损失、机械不完全燃烧热损失、散热损失以及其它热损失。

对于中小型工业燃煤锅炉排烟热损失和机械不完全燃烧热损失在各项损失中比例较大。

提高燃煤锅炉燃烧过程的热效率是非常重要的环节。

锅炉微计算机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软、硬件自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。

提高热效率，降低耗煤量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作[3]。

作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。

采用微计算机控制，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能。

锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、微机、手自动切换操作、执行机构及阀、滑差电机等部分组成，一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机，手自动切换操作部分，手动时由操作人员手动控制，用操作器控制滑差电机以及阀等，自动时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。

微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，这是必不可少的，以免锅炉发生重大事故[4]。

第2章锅炉监控系统方案设计

2.1锅炉工艺流程简介

锅炉是发电，炼油，化工等工业部门的重要能源、热源动力设备。

常见的锅炉设备的主要工艺流程如图2.1所示。

燃料和空气按照一定的比例进入燃烧室燃烧，燃烧释放的热量通过蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。

然后经过过热器，形成一定气温的过热蒸汽，汇集至蒸汽母管。

具有一定压力的过热蒸汽，经负荷设备控制，供给负荷设备用。

与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变为过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气[5]。

图2.1锅炉设备主要工艺流程图

2.2燃煤锅炉控制中的控制参数

2.2.1燃煤锅炉中的主要控制参数

锅炉是一个比较复杂的控制过程，为保证提供合格的蒸汽适应负荷的需要以及锅炉的运行安全，各个环节的工艺参数必须严格控制。

锅炉系统主要的被控参数有汽包水位、过热蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、燃-空配比；主要的控制变量有：

锅炉给水、燃料量、减温水流量、送风量和引风量等。

锅炉对象简图如图2.2所示：

图2.2锅炉对象

2.2.2燃烧过程中参数之间的关系

锅炉的这些被控变量和控制变量之间相互影响的关系相当复杂。

例如燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、送风量和炉膛负压参数等；如果过热蒸汽流量发生变化，必将会引起汽包水位，蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化；给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力，过热蒸汽温度也有影响；减温水的变化会导致过热蒸汽温度，蒸汽压力，汽包水位等的变化。

所以锅炉设备是一个多输入多输出且相互关联的被控对象[6]。

2.3燃煤锅炉设备的监控系统

锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。

由于锅炉设备是一个多输入，多输出的且相互关联的被控对象，工程上将锅炉的控制划分为若干控制系统，主要的控制系统可分为锅炉汽包水位控制，锅炉燃烧系统控制，过热蒸汽温度的控制。

本文主要介绍燃煤锅炉燃烧系统控制。

2.3.1燃煤锅炉燃烧系统的控制

锅炉燃烧控制系统的控制的目的是使燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要（常以蒸汽压力为被控变量）；使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证经济燃烧（常以烟气成分为被控变量），提高锅炉的燃烧效率；要让引风量和送风量相适应，以保持炉膛负压在一定范围内。

为了达到上述三个控制目的，控制手段也有三个，即燃料量，送风量和引风量。

锅炉燃烧控制系统的基本任务是使燃料所产生的热量能够适应锅炉的需要，同时还要保证锅炉安全经济的运行。

燃烧控制的具体内容及控制系统设计因燃料种类，制粉系统，燃烧设备以及锅炉的运行方式不同而有所区别，但是大体上看来都要完成以下几个方面的任务:

（1）主蒸汽压力的变化反映了锅炉生产的蒸汽量和汽机消耗的蒸汽量相适应的程度。

为此必须设置蒸汽压力控制系统。

当负荷变化时，通过控制燃料量使蒸汽压力稳定。

（2）当燃料量改变时，必须相应地控制送风量，以保证燃烧过程的经济性。

（3）炉膛压力的高低关系着锅炉的安全经济运行。

燃烧控制系统必须要让引风量（烟气量）与送风量相配合以保证炉膛压力为一定值[7]。

2.3.2燃烧系统中影响热效率的动态特性

（1）气压的动态特性

气压对象由一系列装置组成，它包括给煤机，炉膛，汽水系统，过热器，汽轮机进气阀和汽轮机。

在燃料量和风量同时变化时对发气量基本上是一个纯滞后环节。

汽包的压力对象，反映过热器的过热蒸汽压力对象都是一个积分环节。

其它的都可以看做是一个比例环节。

但是需要指出的是气压的动态特性是与汽轮机调速运行系统的运行情况有关的。

当然主蒸汽压力的变化反映了锅炉生产的蒸汽量和汽轮机消耗的蒸汽量相适应的程度，为此我们要设置蒸汽压力控制系统，这也是有气压的动态特性决定的。

这里所指的气压是燃料量扰动下的气压和负荷扰动下的气压[8]。

（2）炉膛压力对象特性

为了保证炉膛安全，一般要求炉膛压力略小于大气压力，所以炉膛压力一般称之为炉膛负压。

炉膛负压放映了引风量与送风量之间的平衡关系。

当送风量或引风量单独改变时，炉膛负压惯性变化很小，故可以将炉膛负压对象近似看成是一个时间常数很小的一阶惯性环节。

（3）关于经济燃烧

众所周知，对于燃烧过程应保持燃料量与空气量成比例。

但是假若配置的是燃料量与空气量固定的比值控制系统，却因为以下原因，并不能保证在整个生产过程中始终保持经济燃烧。

因为其一，在不同的负荷下，两流量的最优比值是不相同的；其二，燃料成分（如含水分，灰分的量）有可能变化；其三，流量测量的不准确。

这些因素都不同程度的影响到燃料的不完全燃烧或空气的过量，造成炉子热效率下降。

为了改进这一情况，最好有一个指标来闭环修正两流量的比值。

目前常用的是烟气中的含氧量。

烟气中的各种成分，如O2,CO2,CO和未燃烧烃的含量，基本可以反映燃料燃烧的情况，最简便的方法是用烟气中的氧量A0来表示。

根据燃烧反应方程式，可以计算出使燃料完全燃烧时所需要的氧量，从而可以得到所需的空气量，称为理想空气QT。

但是实际上完全燃烧所需的空气量QP，要超过理论计算的量，即要有一定的过剩空气量。

由于烟气的热损失占锅炉热损失的绝大部分，当过剩空气增多时，一方面使炉膛温度降低；另一方面使烟气热损失增多。

因此过剩空气量对不同的燃料都有一个最优值，以满足经济燃烧的要求[9]。

过剩空气量常用过剩空气系数

来表示，即实际空气量QP与理论空气量QT之比为：

=QP/QT（2.1）

因此，

是衡量经济燃烧的一种指标。

保证锅炉热效率最高的

值称为最佳

值，最佳

值与锅炉负荷有关，一般

在1.2-1.4之间。

很难直接测量，但是可用烟气氧含量百分数A0来衡量。

在完全燃烧情况下，存在以下近似式

=21/（21-A0）（2.2）

当

=1.2-1.4时，相应A0为3.5-6（O2%）.最佳的氧量值与负荷关系为

A0=6-D/50（2.3）

式中，D为负荷百分数。

2.4燃烧过程控制系统的方案设计

由于锅炉是一个复杂的控制对象，其中有很多环节，它们之间是相互联系的。

本文针对锅炉燃烧过程对热效率影响进行研究和控制系统的设计。

锅炉燃烧过程的控制与燃料种类、燃烧设备以及锅炉形式有密切关系。

以燃煤锅炉来讨论燃烧过程的控制，要提高燃煤锅炉的热效率，需要做到强化燃烧，以减少不完全燃烧热损失；控制适当的空气过剩系数，减少锅炉排烟热损失及其它热损失；保证锅炉安全运行，保持炉膛一定的负压。

下面就控制系统设计详细介绍。

2.4.1蒸汽压力与燃料控制系统对热效率的影响

当锅炉燃料热量（燃料量或燃料发热量）增加时，炉膛热量增加，汽包压力增大，使蒸气流量D增加，进而使蒸气压力Pm增大，最后达到新的平衡。

在燃料热量扰动Δu的作用下，蒸气流量D和蒸气压力Pm的阶跃响应如图2.3a、b所示。

图2.3锅炉燃料热量增加时蒸气流量D与过热蒸气压力Pm阶跃响应曲线

从图2.3b可以看出，在其他条件不变时，蒸气压力变化反应了锅炉燃料量的变化；反过来，通过改变燃料量就可以控制蒸气压力Pm。

从蒸气压力的响应曲线可以看出，其动态特性近似为单容过程。

从原理上讲，通过燃料量调节来实现对蒸气压力控制应该是比较容易的，但由于燃烧系统本身比较复杂，变量、参数之间相互影响很大，因此需要单独设计一套燃料控制系统。

从前面的分析可知，当蒸气流量D发生扰动或出现其他干扰，蒸气压力Pm将偏离设定值，可通过改变燃料量M使Pm回复并保持在设定值。

为了保持燃烧的经济性，还要控制送风量F，以适应燃料量M的变化。

为了保证足够的送风量F使燃料充分燃烧，在蒸气流量D（负荷）增大时，应先增大送风量F，然后增加燃料量M；在负荷减小时，应先减小燃料量M，然后减小送风量F。

必须对燃料与送风两个单回路控制系统（这里为双闭环比值控制系统）的基础上增加选择控制环节，实现燃烧过程交叉限幅协调控制方案，控制系统框图如图2.4所示，其工作原理如下。

在稳态时，燃料量和燃料设定值相等：

M=M0，送风量与燃料量成最佳配比：

F=βM。

若负荷增加，燃料设定值M0增大。

对送风控制回路而言，高选器的两个输入信号中M0>M，高选器输出M0输出乘以β后作为设定值βM。

输入风量调节器，风量调节器通过增大送风调节风阀开度使送风量F增大；而对燃料控制回路来说，虽然M0增大，但在此瞬间，送风量F还未改变，固有M0>F/β不变，因而此时燃料流量仍维持M不变。

随着送风量F增大，低选器输出F/β不断增大，燃料阀门开度增大使燃料流量M不断增加，最后在新的稳态达到平衡：

M=M0，F=βM。

图2.4空燃比交叉限幅控制系统框图

当负荷减小时，燃料设定值M0减小。

对燃料控制回路，由于送风量F还未来得及改变，因而有M0M0，高选器输出仍为M，随着燃料流量M不断减小，高选器输出减小，送风量F也不段减少，一直到新的稳态值F=βM0。

这样就保证了再负荷变化的动态过程中，有足够的风量供给，以保证燃料的充分燃烧。

2.4.2送风控制系统对热效率的影响

通过前面的分析可知，为了使锅炉适应负荷的变化，必须同时改变送风量和燃料量，维持过热蒸气压力Pm稳定。

送风控制系统的目的就是保证风量-燃料的最佳配比，使锅炉在高热效率状态运行。

现在常用过量空气系数

衡量风量-燃料配比，最佳

值与锅炉负荷有关。

由于煤粉流量不易测定，即使给粉量一定，煤质也会变化，发热量有高有低，不能保证燃料与空气的合理配比。

如何控制过剩空气系数

，保证燃烧过程的经济性是比较困难的。

而烟气中的O2含量与

之间有比较固定的关系，通过测量和控制锅炉烟气中的O2含量就可实现过量空气系数

的测量和控制，也就实现了风量-燃料配比的控制。

因此，可在图2.4空气-燃料比交叉限幅控制系统的基础上，将送风控制系统设计成带有氧量调节的串级比值控制系统，控制系统简化框图如图2.5所示。

图2.5带氧量校正的串级送风控制系统框图

副回路实现送风量F与燃料量M的比值控制。

M测量误差或煤质变化使氧含量

出现的偏差，有氧含量调节器进行调节，使

等于氧含量设定值

0。

而氧含量设定值

0是由负荷D经过函数计算得出的。

烟气中的O2含量本来就很小，如果在炉膛和取样点之间的烟道漏入空气，或测氧仪器取样管露入空气，就会造成很大的测量误差，为了保证测氧计的快速性还应满足一定要求，才能适应自动调节的要求。

另外，送风流量测量的准确性受到被测空气压力、温度的影响，因此在送风流量测量部分必须进行压力与温度的补偿校正，以保证送风流量检测的准确性。

2.4.3炉膛负压控制系统对热效率的影响

炉膛负压控制系统通过调节烟道引风机的风量，将炉膛负压pf控制在设定值，以保证人身和设备的安全和锅炉的经济运行。

引风控制过程的惯性很小，控制通道和干扰通道的动态特性都可以近似为比例环节。

由于空气流量存在脉动，被调量反应太灵敏会出现激烈跳动，需要采用阻尼器进行滤波，滤除高频脉动，保持控制系统平稳。

炉膛负压的主要扰动——送风量F进行前馈补偿，这样就构成如图2.6所示的炉膛负压前馈-反馈复合控制系统。

图2.6炉膛负压前馈-复合控制系统框图

锅炉燃烧控制系统由燃料量、送风量、炉膛负压三个密切联系、相互协调的控制子系统组成。

燃烧控制系统接受蒸气压力调节器的信号，调节燃料及燃烧过程的其他参数，使锅炉的过热蒸气压力稳定在设定值。

锅炉燃烧过程控制系统的简化框图如图2.7所示。

其中燃料量控制子系统使锅炉跟踪外界负荷的变化，将过热蒸气压力Pm稳定在设定值；送风量控制子系统保证锅炉燃烧系统的高效率；炉膛负压控制子系统保持炉膛负压值稳定。

这三个控制子系统组成了不可分割的整体，统称为锅炉燃烧控制系统，共同保证锅炉燃烧系统运行的安全性、经济性以及外界负荷变化的适应性[10]。

图2.7锅炉燃烧过程控制系统的简化框图

第3章锅炉燃烧控制系统硬件选型

锅炉处于能耗高、浪费大、环境污染等因素，与燃烧有直接关系，从各种燃烧装置的实际运行都可知道：

如果空气量不足，燃烧不充分，燃烧效率低；但空气过多也会使排烟带走的热量增加，锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，输入变量与输出变量之间存在着严重的相互关联。

所以锅炉控制系统设计包括多方面因素。

3.1锅炉燃烧系统仪表选型

3.1.1测量仪表选型

锅炉控制系统中测量的选型参数如表3.1所示：

表3.1锅炉控制系统中测量的选型参数

测量信号

位号

参数范围

燃料量

FI-001

空气流量

FI-002

280（T/h）

排烟量

FI-003

饱和蒸汽量

FI-004

65（t/h）

过热蒸汽压力

PI-102

3.50～3.95（MPa）

烟气含氧量

OI-001

0.5～3.0（％）

炉膛负压

PI-103

-80～-20（Pa）

过热蒸汽温度

TI-101

435～460（℃）

减温后蒸汽温度

TI-102

400（℃）

●负荷式压力计

负荷式压力计基于重力平衡原理。

其主要型式为活塞式压力计。

被测压力与活塞以及加于活塞上的砝码砝码的重量相平衡，将被测压力转换为平衡重物的重量来测量。

这类压力计测量范围宽、精确度高（可达±0.01%）、性能稳定可靠，可以测量正压、负压和绝对压力，多用作压力校验仪表。

单活塞压力范围计测量达0.04～2500MPa，此外还有测量低压和微压的其他类型的负荷式压力计。

在测量压力过程中，选择2个活塞式压力计。

●氧化锆分析器

氧化锆是一种氧化锆固体电解质作为敏感元件将氧气，这种分析器的优点是灵敏度高、稳定性好、响应快、测量范围宽，而且不需要复杂的采样和预处理系统，它的探头可以直接插入烟道中连续的分析烟气中的氧含量。

在测量烟气氧含量过程中，选择1个氧化锆氧分析器。

3.1.2执行机构的选型

执行器是自动控制系统中的操作环节，其作用是根据控制器送来的控制信号改变操作介质的大小，将被控变量维持在所要求的数值上，执行器按其操作的介质的不同有多种形式，如自动调节阀，电磁阀、电压调整装置、电流控制器件、控制电机等。

自动调节阀是能够按照所输入的控制信号自动改变开度的阀门，按其工作能源形式可分为气动、电动、液动三大类。

无论是气动执行器还是电动执行器，首先都需要接受来自调节器的输出信号，以作为执行器的输入信号即执行器动作依据；该输入信号送入信号转换单元，转换信号制式后与反馈的执行机构位置信号进行比较，其差值作为执行机构的输入，以确定执行机构的作用方向和大小；执行机构的输出结果再控制调节器的动作，以实现对被控介质的调节作用；其中执行机构的输出通过位置发生器可以产生其反馈控制所需的位置信号。

显然，执行机构的动作构成了负反馈控制回路，这是提高执行器调节精度，保证执行器工作稳定的重要手段。

此设计选用气动薄膜式执行机构，为了保证锅炉正常运行，进水管路上的调节阀，应选用气关阀，当信号中断后，阀自动打开，仍然向锅炉内送水，可避免锅炉烧坏。

3.2JX—300XDCS简介

JX集散控制系统升级、网络扩展优化，通过在JX-300X的通讯网络上挂接总线变换单元（BCU），可实现与JX-100、JX-200、JX-300系统的连接；在通讯网络上挂接通信接口单元（CIU），可实现JX-300X与PLC等数字设备的