工业蒸汽锅炉过程控制系统设计3分解文档格式.docx
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工业蒸汽锅炉炉膛负压蒸汽压力变频控制水位三冲量
一、设计的意义
锅炉微机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、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、环境污染严重的生产状态。
提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。
二、锅炉的工艺流程
常见的工业锅炉系统如图1所示。
首先除氧水通过给水泵进入给水调节阀，通过给水调节阀进入省煤器，冷水在经过省煤器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成温水进入汽包，在汽包内加热至沸腾产生蒸汽，为了保证有最大的蒸发面因此水位要保持在锅炉上汽包的中线位置，蒸汽通过主蒸汽阀输出。
空气经过鼓风机进入空气预热器，在经过空气预热器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成热空气进入炉膛。
煤经过煤斗落在炉排上，在炉排的缓慢转动下煤进入炉膛被前面的火点燃，在燃烧过程中发出热量加热汽包中的水，同时产生热烟气。
在引风机的抽吸作用下经过省煤气和空气预热器，把预热传导给进入锅炉的水和空气。
通过这种方式使锅炉的热能得到节约。
降温后的烟气经过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。
三、控制方案的选择
锅炉控制系统，一般有蒸汽压力、汽包液位、炉膛负压、除氧器水位、除氧器压力等控制系统。
锅炉的燃烧控制实质上是能量平衡系统，它以蒸汽压力作为能量平衡指标，不断根据用汽量与压力的变化调整燃料量与送风量，同时保证燃料的充分燃烧及热量的充分利用。
3.1锅炉给水控制回路
给水自动调节的任务是使给水流量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在允许的范围内。
给水自动调节的另一个任务是保持给水稳定。
在整个控制回路中要全面考虑这两方面的任务。
在控制回路中被调参数是汽包水位（H），调节机构是给水调解阀，调节量是给水流量（W）。
对汽包水位调节系统产生扰动的因素有蒸发量D、炉膛热负荷（燃料量M），给水量（W）。
①蒸发量D扰动作用下水位对象的动态特性
当给水流量不变，蒸发量忽然增加△D时，如果只从物质不平衡角度来看，则反映曲线如图2（a）中的H1（t）所示，但由于蒸发量增加时，汽包容积增加，水位将上升，水位的反映曲线如图2（a）中的H2（t）所示。
H1（t）和H2（t）相结合，实际的水位阶跃反应曲线如图2（a）中的H（t）所示。
②炉膛负荷扰动（燃料量M扰动）时水位对象的动态特性
燃料量增加△M时，蒸发量大于给水量，水位下降。
但开始是由于有虚假水位存在，水位线上升，然后再下降。
如图2（b）中所示。
③给水流量（W）扰动时的水位对象的动态特性
当蒸发量不变，而给水量阶跃扰动时。
汽包水位如图2（c）所示。
在开始阶段。
由于刚进入得水水温较低。
使汽水混合物中的汽泡吞量减少。
水位下降，如图2（c）中的H1（t）所示。
而H2（t）反映了物质不平衡引起的水位变化，H1（t）和H2（t）相加得到了总的给水量扰动的阶跃反应曲线H（t）。
由于给水调节对象没有自平衡能力，又存在滞后。
因此在一般锅炉控制系统中汽包液位回路采用闭环三冲量调节系统。
所谓三冲量调节系统就是把给水流量W，汽包水位H，蒸汽流量D三个变量通过运算后调节给水阀的调节系统。
具体调节过程方框图如图3所示。
先通过蒸汽流量变送器和给水流量变送器取得各自的信号乘以相应的比例系数，通过比例系数可以调节蒸汽流量或给水流量对调节系统的影响力度。
通过差压变送器取得水位信号作为主调节信号H。
如果水位设定值为G，那么在平衡条件下应有D*Dk-W*Wk+H-G=0的关系式存在。
其中Dk为蒸汽流量系数Wk为给水流量系数。
如果再设定时，保证在稳态下D*Dk=W*Wk那么就可以得到H=G。
此时调节器的输出就与符合对应，给水阀停在某一位置上。
若有一个或多个信号发生变化，平衡状态被破坏，PI调节模块的输出必将发生变化。
当水位升高了，则调节模块的输出信号就减小，使得给水调节阀关小。
反之，当水位降低时，调节模块的输出值增大，使给水阀开大。
实践证明三冲量给水单极自动调节系统能保持水位稳定，且给水调节阀动作平稳。
3.2锅炉燃烧调节系统
燃烧过程自动调节系统的选择虽然与燃烧的种类和供给系统、燃烧方式以及锅炉与负荷的联结方式都有关系，但是燃烧过程自动调节的任务都是一样的。
归纳起来，燃烧过程自动调节系统有三大任务：
①维持汽压恒定。
汽压的变化表示锅炉蒸汽量和负荷的耗汽量不相适应，必须相应地改变燃料量，以改变锅炉的蒸汽量。
②保证燃烧过程的经济性。
当燃料量改变时，必须相应地调节送风量，使它与燃料量相配合，保证燃烧过程有较高的经济性。
③调节引风量与送风量相配合，以保证炉膛压力不变。
燃烧调节系统一般有三个被调参数，汽压p、烟气含氧量a和炉膛负压pt。
一般有3个调节量，他们是燃料量M，送风量F和引风量Y。
燃烧调节系统的调节对象对于燃料量，根据燃料种类的不同可能是炉排电机，也可能是燃料阀。
对于送风量和引风量一般是挡板执行机构或变频器。
燃烧调节系统是一个多参数变量调节系统。
这种调节系统通常把它简化成互相联系，密切配合但又相对独立的3个单变量系统来实现。
为便于分析，下面我们按3个系统来分别分析。
这三个系统分别是以燃料量维持锅炉压力恒定的蒸汽压力调节系统，以送风量维持锅炉经济燃烧的送风调节系统，以引风量维持炉膛负压稳定的炉膛负压调节系统。
3.2.1蒸汽压力调节对象的特性
引起蒸汽压力变化的主要原因是燃料量和用汽负荷发生变化。
其动态特性如下。
①燃料量扰动下的汽压变化特性
在用汽负荷不变的情况下，如锅炉燃料量（B）发生△B的阶跃扰动，此时汽压的飞升曲线如图4（a）所示。
此时对象没有自平衡能力，具有较大的迟滞和惯性。
但如果锅炉出口的用汽阀门开度不变，那么由于汽压因燃料量扰动而发生变化时，蒸汽流量也将发生变化。
由于汽压变化时，蒸汽流量增大自发地限制了汽压的变化，因此对象有平衡能力。
此时汽压的飞升曲线如图4（b）所示。
②用汽负荷扰动下的汽压变化特性
负荷阶跃扰动下，汽压变化的动态特性也有下列两种情况：
当用汽阀门阶跃扰动时，对象表现出具有自平衡能力，没有延迟，但有较大的惯性，并有一个与阀门变化成比例的启始飞跃，飞升曲线如图4（c）所示；
当用汽量阶跃扰动时，其飞升曲线如图4（d）所示，此时对象没有自平衡能力，如果不及时增加进入锅炉的燃料量，那么，汽压将一直下降。
3.2.2送风自动调节对象的特性
送风调节系统的工作好坏，直接影响炉膛的空气过剩系数的变化也就是排出烟气的含氧量。
引起空气过剩系数变化的主要扰动是燃料量和送风量配比。
风量扰动下对象的动态特性具有较大的自平衡能力，几乎没有延迟和惯性，近似为一比例环节。
而燃料量扰动时，需经过输送和燃烧过程而略有延迟。
由于送风系统几乎没有延迟和惯性。
所以在燃料充足的情况下送风量的大小将比较直接的反应在锅炉的蒸汽压力上。
那么怎样才能保证股风量和燃料量的搭配适宜，这里我们引入了风煤比这个概念。
风煤比就是在当前风量下所能燃烧的煤的最大值。
在控制作用中风煤比主要是根据当前风量来限制炉排的转速，防止由于风量不够导致煤不能充分燃烧。
该参数对节煤和环保都有很大意义。
因为如果不能充分燃烧将会导致煤渣的含炭量增高，这样比较浪费煤，同时还会造成烟气含炭量增高影响排放。
3.3蒸汽过热控制
3.3.1蒸汽过热系统的控制
蒸汽过热系统则是锅炉系统安垒正常运行，确保蒸汽品质的重要部分。
本设计主要考虑的部分是锅炉过热蒸汽系统的控制。
蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。
控制任务是使过热器出口温度维持在允许范围内，并保护过热器时管壁温度不超过允许的工作温度。
过热蒸汽温度过高或过低，对锅炉运行及蒸汽用户设备都是不利的，过热蒸汽温度过高，过热器容易损坏，汽轮机也因内部过度的热膨胀而严重影响安全运行；
过热温度过低，一方面使设备的效率降低，同时使汽轮机后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损，所以必须把过热器出口蒸汽的温度控制在规定范围内。
锅炉过热蒸汽系统主要由一级过热器、减温器和二级过热器组成，在锅炉生产过程中，过热蒸汽温度是整个汽水通道中最高的温度。
过热器温度过高将导至过热器损坏，同时还会危及汽轮机的安全运行。
过热器温度过低则将使设备效率降低，影响经济指标。
影响过热蒸汽温度的因素很多，其中主要的有：
过热器是一个多容且延迟较大的惯性环节，设备结构设计与控制要求存在若矛盾，各种扰动因素之闻相互影响，如蒸汽量、燃烧工况、锅炉给水温度、进入过热蒸汽的热焓，流经过热器的烟气温度及流速的变化等。
而对各种不同的扰动，过热蒸汽温度的动态特性也各不相同。
因此，过热蒸汽温度控制的主要任务就是：
（1）克服各种干扰因素，将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许的范围内，从而保持
（2）保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。
本设计主要以控制减温水流量的变化来阐述对过热蒸汽温度的自动调节。
3.3.2控制原理简介
随着控制理论的发展，越来越多的智能控制技术，如自适应控制、模型预测控制、模糊控制、神经网络等，被引入到锅炉过热蒸汽温度控制中。
但这些控制技术主要是为了改善和提高控制系统的控制品质，并没有从引起过热蒸汽温度波动的源头入手。
通常，烟气温度过高是引起过热蒸汽温度过高的主要原因。
一般，过热蒸汽温度在烟气扰动下延迟较小，而在减温水量扰动下延迟较大，这种特性将使过热蒸汽温度的控制滞后。
3.3.3控制方案选择
①单回路控制方案
在运行过程中。
改变减温水流量，实际上是改变过热器出口蒸汽的热焙，亦改变进口蒸汽温度，如下图所示。
从动态特性上看，这种调节方法是最不理想的，但由于设备简单，因此，应用得最多。
减温器有表面式和喷水式两种。
减温器应尽可能地安装在靠近蒸汽出口处，但一定要考虑过热器材科的安全问题，这样能够获得较好的动态特蛀。
但作为控制对象的过热器，由于管壁金属的热容量比较大，使之有较大的热惯性。
加上管道较长有一定的传递滞后，如果用下图所示的控制系统，调节器接受过热器出口蒸汽温度t变化后，调节器才开始动作，去控制减温水流量w.w的变化又要经过一段时向才能影响到蒸汽温度t这样，既不能及早发现扰动，又不能及时反映控制的效果，将使蒸汽温度t发生不能允许的动态偏差。
影响锅炉生产的安全和经济运行。
图2-1改变减温水量控制蒸汽温度系统
实际中过热蒸汽控制系统常采用减温水流量作为操纵变量，但由于控制通道的时间常数及纯滞后均较大，组成单回路控制系统往往不能满足生产的要求。
因此常采用串级控制系统，减温器出口温度为副参数，以提高对过热蒸汽温度的控制质量。
②串级控制方案
过热器出口蒸汽温度串级控制系统的方框图如下图所示。
采用两级调节器，这两级调节器串在一起，各有其特殊任务，调节阀直接受调节器1的控制，而调节器1的给定值受到调节器2的控制，形成了特有的双闭环系统，由副调节器调节器和减温器出口温度形成的闭环称为副环。
由主调节器和主信号—出口蒸汽温度，形成的闭环称为主环，可见副环是串在主环之中。
图2-2过热蒸汽温度串级调节系统原理图
调节器2称主调节器，调节器1称为副调节器。
将过热器出口蒸汽温度调节器的输出信号，不是用来控制调节阀而是用来改变调节器2的给定值，起着最后校正作用。
串级系统是一个双回路系统，实质上是把两个调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被控量准确地保持为给定值。
通常串级系统副环的对象惯性小，工作频率高，而主环惯性大，工作频率低。
为了提高系统的控制性能，希望主副环的工作频率相差三倍以上，以免频率相近时发生共振现象面破坏正常工作。
串级控制系统可以看作一个闭合的副回路代替了原来的一部分对象，起了改善对象特征的作用。
除了克服落在副环内的扰动外，还提高了系统的工作频率，加快过渡过程
串级控制由于副环的存在，改善了对象的特性，使等效副对象的时间常数减小，系统的工作频率提高。
同时，由于串级系统具有主、副两只控制器，使控制器的总放大倍数增大，系统的抗干扰能力增强，因此，一般来说串级控制系统的控制质量要比单回路控制系统高。
在炉温过热蒸汽温度控制系统中，为了获得更好的控制精度，所以采用串级控制系统以得到良好的控制特性。
四、仪表的选择
4.1控制阀的选择
1）口径大小的选择；
2）开、闭形式的选择；
3）流量特性的选择；
4）结构形式的选择。
口径大小的选择尤为重要，根据控制阀流量C值的计算来确定阀座通径。
4．2电气阀门定位器
电气阀门定位器（又称：
气动阀门定位器）式调节阀的主要器件，通常与气动调节阀配套使用，他接受调解器的输出信号，然后以它的输出信号去控制气动调节阀，当调节阀动作后，阀杆的位移又通过机械装置反馈到阀门定位器，阀位状况通过电信号传给上位系统。
电气阀门定位器的工作原理：
电气阀门定位器是控制阀的主要附件。
它将阀杆位移信号作为输入的反馈测量信号，以控制器输出信号作为设定信号进行比较，当两者有偏差时，改变其到执行机构的输出信号，使执行机构动作，建立了阀杆位移倍于控制器输出信号之间的一一对应关系。
因此，阀门定位器组成以阀杆位移为测量信号，以控制器输出为设定信号的反馈控制系统。
该系统的操纵变量是阀门定位器去执行机构的输出信号。
4.3压力表的选择
此压力表安装在现场，在该控制系统则用来显示控制系统服输管道流量的仪表。
一般选用模拟仪表就可以满足要求。
阀前压力和压力仪表量程的选择条件：
最小不应小于量程的1|3；
在压力波动较大时，最大不应超过量程的2|3；
在压力较为稳定的情况下，最大不应超过量程的4|5.
4.4温度变送器的选择
温度变送器采用ZY-WD型通用型智能温度变送器。
它采用了先进的数字化技术，具备了传统模拟仪表所不具备的多项先进性能，在对高、低频干扰信号的抑制方面均有着优异的表现，即使在大功率变频控制系统中已依然能够可靠应用，同时，数字化技术的应用彻底克服了传统温度变送器线性差的缺点，内部采用数字化调校，这一系列技术的应用使产品的稳定性及可靠性得到保证。
五、结论
综上所述，锅炉控制系统改造具有很好的市场发展空间和投资收益前景，值得广泛地推广。
它不仅能够通过自动化控制技术实现安全生产的目的，还能够节煤节电并能使排放更环保，总之锅炉的计算机自动化控制是锅炉行业发展的大势所趋，也是一项利国利民的发展方向。
参考文献
1．张良仪等《工业锅炉微机控制》上海交通大学出版社1993年
2．邓想珍等《异步电动机变频调速系统及其应用》华中理工大学1995年
附录
河北建材职业技术学院
工程名称
自控设备表
编制
李小鹏
马旭
图号
设计项目
审核
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共X页
仪表位号
检测点名称
仪表名称及规格
型号
数量
安装地点
安装图号
操作条件
备注
介质及密度
温度
表压
流量
TIA-102
XXXXXXX
1.5级
1
锅炉温度
保护套管
1Cr18Ni9Ti
M27×
2
TIA-501
双金属温度计
WSS-411
XX
XXX
C3C4
76
0.76
汽包蒸汽
0~150℃l=150mm
1.5级
保护套管
PI-501
压力表1.5级
Y-100
除氧器压力
0~0.16MPa
PI-001
给水压力
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