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燃气锅炉燃烧控制系统

摘要：

本文主要介绍了锅炉燃烧控制系统的设计过程。

在设计过程中介绍了锅炉燃烧控制系统的控制任务和控制特点，对于燃烧控制系统的设计方案，根据不同的控制任务分别设计了蒸汽压力控制和燃料空气比值控制以及防脱火回火选择性控制系统，并在设计中给出了不同的设计方案，以比照各自的优缺点，选择最优的控制。

然后，把分别设计的控制系统组合起来，构成完整的锅炉燃烧过程控制系统。

最后，对设计好的控制系统进行仪表选型。

关键词：

燃气锅炉，燃烧系统，比值控制，脱火回火

大型火力发电机组是典型的过程控制对象，它是由锅炉、汽轮发电机组和辅助设备组成的庞大的设备群。

锅炉的燃烧控制过程是一个复杂的物理，化学过程，影响因素众多，并且具有强耦合，非线性等特性。

锅炉的自动化控制经历了三、四十年代的单参数仪表控制，四、五十年代的单元组合仪表，综合参数仪表控制，直到六十年代兴起的计算机过程控制几个阶段。

尤其是近一、二十年来，随着先进控制理论和计算机技术的开展，加之计算机各项性能的不断增强及价格的不断下降使锅炉应用计算机控制很快得到了普及和应用。

电厂锅炉利用煤或煤气的燃烧发热，通过传热对水进行加热，产生高压蒸汽，推动汽轮机发电机旋转，从而产生强大的电能。

在锅炉燃烧系统中，燃料供应系统，送风系统以及引风系统是燃烧控制系统的重要环节。

锅炉生产燃烧系统自动控制的根本任务是使燃料所产生的热量适应蒸汽负荷的需要，同时还要保证经济燃烧和锅炉的平安运行。

具体控制任务可分为三个方面：

一，稳定蒸汽母管压力。

二，维持锅炉燃烧的最正确状态和经济性。

三，维持炉膛负压在一定范围〔-20～-80Pa〕。

这三者是相互关联的。

另外，在平安保护系统上应该考虑燃烧嘴背压过高时，可能使燃料流速过高而脱火；燃烧嘴背压太低又可能回火。

本次课程设计的题目为燃气锅炉燃烧控制系统的设计。

主要内容包括燃烧控制系统的概述；燃烧控制系统的根本方案；以及燃烧控制系统的仪表选型。

设计方案为以主蒸汽压力控制系统为主回路，燃料量与空气量比值控制系统为内回路，燃烧嘴防脱火回火选择控制系统为辅助平安保护系统。

为节省篇幅，炉膛压力控制系统在这里暂不涉及，但在实际控制系统中炉膛压力控制系统是锅炉燃烧控制系统中必不可少的组成局部之一。

锅炉是石油化工、发电等工业过程中必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、反响、加热等过程的热源。

由于锅炉设备所使用的燃料种类、燃烧设备、炉体形式、锅炉功能和运行要求的不同，锅炉有各种各样的流程。

常见的锅炉设备主要工艺流程如图2.1所示。

图2.1常见锅炉设备主要工艺流程图

由图2.1可知，燃料和热空气按一定比例进入燃烧室燃烧，产生的热量传给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds。

然后经过热器，形成一定温度的过热蒸汽D，聚集至蒸汽母管。

压力为Pm的过热蒸汽，经负荷设备控制阀供应生产负荷设备使用。

与此同时，燃烧过程中产生的烟气，将饱和蒸汽变成过热蒸汽后，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人大气。

锅炉设备的主要任务是根据负荷的需求，提供一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在平安、经济的条件下运行，为此生产过程的各个工艺参数必须严格控制。

大型锅炉是一个复杂的被控装置，它的被控变量和操纵变量繁多且相互关联，属于一个多变量耦合对象。

根据其耦合程度的疏密分为几个独立的控制区域，分别采用单变量系统（变量关联弱）或多变量耦合系统控制（变量关联强）。

燃烧控制系统是锅炉设备主要的控制系统之一。

锅炉燃烧系统的控制有3个被控变量：

负荷、经济燃烧指标和炉膛负压。

可选用的操纵变量也有三个：

燃料量、送风量和引风量。

组成的燃烧系统的控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要；使燃料与空气之间保持一定的比值，保证燃烧的经济性和锅炉的平安运行；使引风量与送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围内。

2.1燃烧控制的任务

锅炉燃烧过程实质是将燃料中的化学能转变为蒸汽热能的能量转换过程。

燃烧过程控制的根本任务是使燃料所提供的热量适应锅炉蒸汽负荷的需要，并保证锅炉平安经济运行。

燃烧过程控制的具体任务及其控制策略因燃料种类、燃烧方式以及机炉运行方式不同而有所区别。

燃烧控制系统的根本任务可归纳为以下几个方面。

维持蒸汽出口压力稳定

锅炉蒸汽出口压力作为表征锅炉运行状态的重要参数，不仅直接关系到锅炉设备的平安运行，而且它是否稳定还反映了燃烧过程中的能量供求关系。

在单元机组中，锅炉主汽压控制与汽轮机负荷控制是相关联的，锅炉燃烧控制系统的任务是及时调整锅炉燃料量，使锅炉的能量输出与汽轮机为适应对外界负荷的需求的能量输入相适应，其标志是主汽压的稳定。

保证燃烧过程的经济性

保证燃烧过程的经济性是提高锅炉效率的重要方面，一般可通过维持进入炉膛的燃料量与送风量之间的最正确比值来实现，即在有足够风量使燃料得以充分燃烧的同时，尽可能减少排烟造成的热损失。

燃烧控制还有一项非常重要的任务是维持炉膛压力稳定，关于此项任务的控制在本文中不涉及。

保证锅炉平安运行

在平安保护系统上应该考虑燃烧嘴背压过高而脱火，不但会污染环境更严重的是燃烧室内积存大量燃料气与空气的混合物，会有爆炸危险；燃烧嘴背压过低又可能回火，会危及燃料气罐发生燃烧和爆炸。

因此，必须设法加以防止。

2.2燃烧控制的特点

燃烧过程的控制系统有三个被控变量和三个操纵变量。

锅炉的运行实践说明，对燃烧过程的三个被控变量的控制存在着明显的相互影响。

这主要是由于对象内部存在相互作用，即其中每个被控变量都同时受到几个操纵变量的影响，而每个操纵变量的改变又能同时影响几个被控变量。

燃烧过程中，主汽压是锅炉燃烧产生的发热量与汽轮机需要能量是否平衡的标志；烟气含氧量是燃料量和送风量是否保持适当比例的指标；炉膛压力是送风量和引风量是否平衡的指标。

因此，虽然对象是几个操纵变量对几个被控变量都有严重影响，但如果在锅炉运行过程中，严格保持燃料量、送风量和引风量这三个操纵变量的比例，就能保持汽压、烟气氧含量和炉膛压力根本不变。

也就是说，当锅炉的负荷要求变化时，燃烧控制系统应使三个操纵变量同时按比例地快速改变，以适应外界负荷的需要；当锅炉的负荷要求不变时，燃烧过程的控制系统应能迅速消除各自的内扰，保持各自的操纵变量稳定不变。

在不同情况下，燃烧过程控制系统的设计方案是不同的，本文是以燃气蒸汽锅炉为设计对象。

3.1蒸汽压力控制和燃料空气比值控制

蒸汽压力的主要扰动是蒸汽负荷的变化与燃料量的波动。

当蒸汽负荷及燃料量波动较小时，可以采用蒸汽压力来控制燃料量的单回路控制系统；而当燃料量波动较大时，可以来用蒸汽压力对燃料量的串级控制系统。

根本控制方案

燃料流量是随蒸汽负荷而变化的，作为主流量与空气流量（副流量）组成单闭环比值控制系统，使燃料与空气保持一定比例，是燃料燃烧良好的根本保证。

图3.1燃烧过程的根本控制方案

图3.1是以蒸汽压力控制器的输出，作为燃料量单闭环控制回路和空气流量单闭环控制回路共同的设定值，燃料量的输出跟随蒸汽压力。

由于燃料量控制器的给定值是蒸汽压力，蒸汽压力又是空气流量控制器的给定值，不难理解通过控制器的设定可以保证燃料量和空气流量的适宜比例关系，且可以克服蒸汽压力变化时燃料量和空气流量控制不同步的问题。

该控制方案方块图如图3.2所示。

图3.2燃烧过程的根本控制方案方块图

改良控制方案

在生产过程中，有时工艺上不但要求物料量成一定的比例，而且要求在负荷变化时，它们的提、降量有一定的先后次序。

所谓逻辑规律．就是指工艺上对主、副流量提降时的先后要求而言。

所以具有逻辑规律的比值控制也称为逻辑提量。

在锅炉燃烧系统中，希望燃料量与空气量成一定的比例，而燃料量取决于蒸汽量（负荷）的需要，通常用蒸汽压力来反映。

当蒸汽量要求增加（提量）时，即蒸汽压力降低，燃料量也要增加，为了保证燃烧完全，应先加大空气量，后加大燃料量。

反之在降量时，应先减燃料量，后减空气量，以保证燃料的完全燃烧。

图3.2为改良的具有上述逻辑规律的比值控制系统。

图3.3燃烧过程的改良控制方案

图3.3所示为一串级和比值控制组合的系统，由蒸汽压力与燃料流量的串级控制系统和燃料与空气的流量比值控制系统相组合。

完成逻辑提量功能主要依靠系统中设置的两个选择器：

高选择器HS、低选择器LS。

在正常工况下，即系统处于稳定状态时，蒸汽压力控制器的输出Ip等于燃料流量变送器的输出I1，也等于空气流量变送器的输出乘上空气过剩系数K后的值I2。

也就是说高、低选择器的两个输入端信号是相等的，整个系统犹如不加选择器时的串级相比值控制组合的系统进行工作。

当系统进行提量时，随着蒸汽量的增加，蒸汽压力减少．压力控制器的输出Ip增加（根据串级控制系统的要求，压力控制器应选用反作用式控制器），这个增加了的信号不被低选器选中，而却被高选器选中，它直接改变空气流量控制器的给定值，命令空气量增加。

然后由于空气增加，使其变送器输出增加，也就使I2开始增加。

因此时I2＜Ip，I2被低选器选中，从而改变燃料流量控制器给定值，命令提量。

这一过程保证在增加燃料量前，先加大空气量，使燃烧平安。

整个提量过程直至Ip＝I1＝I2时，系统又恢复到正常工况时的稳定状态。

在系统降量时，蒸汽压力增加，蒸汽压力控制器输出减少，因而它被低选器选中，作为燃料流量控制器的给定值而命令燃料降量。

燃料量降低，经变送器的测量信号为高选器选中，作为空气流量控制器的给定值，命令空气降量。

降量过程直至Ip＝I1＝I2，系统又恢复到稳定状态。

这样就实现了提量时先提空气量，后提燃料量，降量时先降燃料量，后降空气量的逻辑要求。

3.2防脱火回火选择性控制系统

防脱火选择性控制系统

蒸汽锅炉所用的燃料为天然气或其他燃料气。

在正常情况下，根据产汽压力采控制燃料气量。

当用户所需蒸汽量增加时，蒸汽压力就会下跌，为了维持蒸汽压力，必须在增加供水量（供水量另有其他控制系统进行控制，这里暂不研究）的同时，相应地燃料气量也要增加。

当用户所需蒸汽器减少时，蒸汽压力就会上升，这时要减小燃料气量。

关于燃料气压力对燃烧过程的影响，经过研究发现：

当燃料气压力过高时，会将燃烧喷嘴的火焰吹灭，产生脱火现象。

一旦脱火现象发生，大量燃料气就会因末燃烧而导致烟囱冒黑烟。

这不但会污染环境，更严重的是燃烧室内积存大量燃料气与空气的混合物，会有爆炸的危险。

为了防止脱火现象的产生，在锅炉燃烧系统中采用了如图3.4所示的蒸汽压力与燃料气压力选择性控制方案。

图中采用了一只低选器，通过它选择蒸汽压力控制器与燃料气压力控制器两者之一的输出送往设置在燃料管线上的控制阀。

图3.4锅炉燃烧防脱火选择性控制系统

低选器输出Py与输入信号Pa、Pb加的关系如下：

‘

当Pa＜Pb时，Py＝Pa

当Pa＞Pb时，Py＝Pb

现在分析该选择性控制系统的工作情况。

为便于分析，我们先成认这两只控制器均选为反作用，其中PC1为正常情况下工作的控制器，PC2为非正常情况下工作的控制器，而且是窄比例的（即比例放大倍数很大）。

在正常情况下，燃料气压力低于产生脱火的压力（即低于给定值），PC2感受到的是负偏差，因此，它的输出Pb呈现为高信号（因为PC2为反作用、窄比例）。

而与此同时PC1的输出信号相对来说那么呈现为低信号。

这样，低选器LS将选中PC1的输出Pa送往控制阀，构成蒸汽压力控制系统。

当燃料气压力上升到超过PC2的给定值（脱火压力）时，PC2感受到的是正偏差，由于它是反作用、窄比例，因此PC2的输出Pb一下跌为低信号。

于是低选器LS就改选PC2的输出Pb送往控制阀，构成燃料气压力控制系统，从而防止燃料气压力的上升，到达防止脱火的产生。

待燃料气压力下降到低于给定值时，Pb又迅速上升为高信号，而蒸汽压力控制器PC1输出Pa相对而言又成为低信号，为低选器重新选中送往控制阀，重新构成蒸汽压力控制系统。

本系统方块图如图3.5所示。

图3.5锅炉燃烧防脱火选择性控制系统方块图

防脱火回火混合型选择性控制系统

锅炉燃烧控制系统除了要考虑“脱火〞保护以外，还要考虑“回火〞的保护问题，因此可以设计一个混合型选择性控制系统来进行解决。

当燃料压力缺乏时，燃料气管线的压力有可能低于燃烧室压力，这样就会出现危险的“回火〞现象，这会危及燃料气罐发生燃烧和爆炸。

因此，必须设法加以防止。

为此，可在图3.4所示的蒸汽压力与燃料气压力连续型选择性控制系统的根底上，增加一个燃料气压力过低的开关型选择内容，如图3.6所示。

图3.6防脱火回火混合型选择性控制系统

在本方案中增加了一只带下限节点的压力控制器PC3和一个三通电磁阀。

当燃料气压力正常时，PC3下限接点是断开的，电磁阀失电，低选器LS输出直通控制阀，此时系统的工作情况与图3.3相同。

一旦燃料气压力下降到低于下限值，PC3下限接点接通，电磁阀得电，于是便切断了低选器LS至控制阀的通路，并使控制阀的膜头与大气相通，膜头压力将迅速下降至零，于是控制阀将关闭，以防止“回火〞的产生。

当燃料气管线压力慢慢上升到达正常值时，PC3接点又复断开，电磁阀复断电，于是低选器LS的输出又能直通控制阀，恢复成图3.4的控制方案。

图3.7脱火回火混合型选择性控制系统方块图

该系统的方块图如图3.7所示。

图中：

Gc1（s）、Gc2（s）、Gc3（s）——分别为控制器PC1、PC2、PC3传递函数；

Go1（s）——蒸汽压力对象传递函数；

Go2（s）——燃料气压力对象传递函数；

Gm1（s）、Gm2（s）、Gm2（s）——分别为蒸汽压力、燃料气上限和下限压力变送器传递函数。

3.3燃烧控制总体方案

综合上述蒸汽压力控制和燃料空气比值控制的串级和比值控制组合的系统与防脱火回火的混合型选择性控制系统，变构成了如图3.8所示燃烧控制总体方案。

该控制方案既具有逻辑提量功能，即当蒸汽量提量时，燃料量也要增加，为了保证燃烧完全，先加大空气量，后加大燃料量；反之在降量时，先减燃料量后减空气量，保证燃料的完全燃烧。

又具有防脱火回火的保护功能。

图3.8燃烧控制总体方案

4.燃烧控制系统的仪表选型

任何一套控制系统要想充分发挥它的功能作用，正确、适宜的仪表选型是至关重要的。

然而仪表的选型也时复杂的工作。

对于不同的控制对象，仪表选型会有很大不同，甚至相同控制对象的不同工况条件，仪表选型也会千差万别。

仪表选型的根本原那么是根据控制的实际对象、实际工况、实际功能来选择适宜的仪表类型。

按照图3.8，具体仪表选型如下：

压力变送器选择JKS318智能型压力变送器，该变送器采用高性能的感压芯片，配合先进的电路处理和温度补偿技术，将压力变化转化为4～20mA的线性电流，压力测量范围最大为0~40MPa，最小为0~1KPa；

流量变送器选择标准孔板的JK3351DP型差压变送器，以差动电容为检测原理组成电容式变送器，输入压力范围为0～10MPa；

HS、LS分别为DFC系列高、低值选择器；

阀1，2，3为气动蝶阀，类型都为气开阀，流量特性为线性；

PC1、PC2为反作用D520/7DD差压控制器，该控制器采用波纹管式的传感器，调节范围～1.6MPa，工作压力范围～2.5MPa。

PC3为一只带下限接点的压力控制器，设定值为燃料管线的最小压力值；

F1C、F2C为反作用GFC系列气体流量控制器，最大流量为0～1000L/min，最大压力为1000psig（70bar），信号范围0～5VDC和4～20mA；

K为燃料量与空气量的比值系数；

三通电磁阀类型为一进一出常闭式。

5.总结

本文主要介绍了锅炉燃烧控制系统的设计过程。

在设计过程中介绍了锅炉燃烧控制系统的控制任务和控制特点，对于燃烧控制系统的设计方案，根据不同的控制任务分别设计了蒸汽压力控制和燃料空气比值控制以及防脱火回火选择性控制系统，并在设计中给出了不同的设计方案，以比照各自的优缺点，选择最优的控制。

然后，把分别设计的控制系统组合起来，构成完整的锅炉燃烧过程控制系统。

最后，对设计好的控制系统进行仪表选型。

目前，国内关于锅炉燃烧控制的技术比拟成熟，控制系统能够快速响应机组负荷指令变化，有效克服锅炉燃烧率扰动和汽轮机耗汽量的扰动影响，改善机组负荷跟踪性能，提高机组运行经济性，而且结构简单，易于工程实现。

但是，我们也看到一些缺乏，比方燃烧效率不高、热量损失严重以及环境污染等问题，这些问题都还有待解决，经过一大批工程人员的不懈努力，相信不久的将来还会有更先进的控制方法使燃烧系统更加完善。

由于设计时间有限，加之本人水平有限，设计中难免会存在漏洞和问题，希望各位老师能给予指导和纠正。

参考文献

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