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过程控制设计

*

内蒙古科技大学

过程控制课程设计论文

题目：

热电厂锅炉燃烧

*

控制系统

学生姓名：

何绪宁

学号：

01

专业：

测控技术与仪器

班级：

2008-3

指导教师：

左鸿飞

、

2011年9月4日

热电厂锅炉燃烧控制系统设计

摘要

锅炉的燃烧控制系统是现代工业中重要控制系系统，包括燃烧控制，炉膛负压控制等重要的控制系统。

锅炉燃烧控制系统又包含了很多小的子系统。

锅炉控制系统可以分为汽包水位控制系统和燃烧控制系统。

其中燃烧控制系统在电厂锅炉中是最主要的控制系统。

燃烧控制系统又包括:

蒸汽压力控制系统、炉膛负压控制系统和经济燃烧控制系统。

本论文我们主要做一个锅炉的燃烧控制系统。

燃烧控制系统中包含了很多细节，我们从燃料的来源及处理，以及锅炉的燃烧安全、及燃烧控制等多方面设计了锅炉燃烧控制系统。

本论文以包钢热电厂的锅炉燃料控制部分为研究对象，应用所学专业知识设计控制系统。

目前在热电厂的锅炉燃料系统中，控制方式通常有：

以送风量为控制变量，以给煤量为控制变量，或者将两个参数相结合为控制变量。

设计方案采用两者相结合的方式进行控制系统设计，并进行了可行性分析，对系统的联锁保护也进行了相关阐述。

并且介绍仪表选型问题。

因而确保了锅炉燃烧控制的快速性和经济性。

关键词：

热电厂锅炉燃烧；燃烧控制；仪表选型；给煤量；送风量

第一章绪论

研究背景

电力工业是为国民经济和社会发展提供能源的重要基础产业，也是关系国计民生的公用事业。

我国电力工业已经走过121年的发展历程，与世界各国一样，电力在经济发展和社会进步中越来越成为不可缺少的物质资料和生活资料，电气化程度成为一个国家现代化程度的重要标志。

我国目前电力的发展情况为：

（1）水电方面,我国具有丰富的水能资源,开发水电可作为缓解能源紧张，优化能源结构,解决缺电及实现电力可持续发展的基本战略,同时世界上电力发展水平较高的国家都是优先发展水电，所以，21世纪我国的水电开发将出现新的曙光。

预计到2010年，水电装机容量应达150~160GW的水平，使我国水电占全国装机容量的比重达到24%。

（2）核电方面，2000-2010年期间，随着核电技术的不断发展、核电设备的国产化，我国的核电将步入一个高速发展的时期，成为电力供应的适当补充；到2020年，核电将初具规模，并与火电、水电共同成为我国发电构成中重要的组成部分。

预计到2020年底，我国的核电装机容量将达20GW，占总装机容量的4%。

（3）火电方面、我国电力系统中电能的生产主要靠火力发电，火电机组装机容量约占总装机容量的70%以上，火力发电机组中又以燃煤发电机组为主，约占85%左右，其他（燃气、燃油机组）约占15%左右。

其余如太阳能发电、风能发电、地热能发电、海洋能发电、生物质能发电等新型发电的总和只有约为2%。

从上面的数据我们很容易的得知火力发电占总装机容量的绝大部分，而锅炉参数的检测与控制尤为重要，所以选择一个好的控制方案对锅炉进行控制是对经济效益的一个非常好的保证。

因此我们可以清楚的了解到，要想实现预期的生产目的，锅炉的严格控制是十分必要的。

锅炉控制系统概述

锅炉设备是一个复杂的被控对象,主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引水等。

主要输出变量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过热空气等。

这些输入变量与输入变量之间相互关系。

如果整体负荷发生变化,必将会引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等变化。

燃料量的变化不仅影响蒸汽压力,同时还影响汽包水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压;给水量的变化不仅影响汽包水位,而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度等也有影响;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,目前工程处理上做了一些假设后,将锅炉设备控制划为几个控制系统。

主要控制系统如下:

①锅炉汽包水位的控制。

被控变量是汽包水位,操纵变量是给水流量。

它主要考虑汽内部的物料平衡,使给水量适应锅炉的蒸汽量,维持汽包水位在给定的范围内是保证锅炉、汽轮机安全运行的必要条件之一,是锅炉正常运行的重要指标。

②锅炉燃烧系统的控制。

其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要;使燃料与空气量之间保持一定的比值,以保证最经济燃烧。

提高锅炉的燃烧效率;使引风量与送风梁相适应,以保持炉膛负压在一定的范围内。

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。

③过热蒸汽系统的控制维持过热器出口在允许的范围内,并保证管避温度不超过允许的工作温度。

被控变量一般是过热器出口温度,操作变量是减温器的喷水量。

图描述的是水经过阀门控制流入蓄水池，并使其有一定的蓄水容量，然后水从蓄水池下边的管道流出，产生其应有的工艺作用。

为了使水位保持要求的数值或在一定范围内变化，必须在蓄水池上设定一个水位计，操作人员根据水位计的指示，不断改变出水阀的开度，控制蓄水池的水流流出量，从而使水位保持在要求的某个范围内。

现场操作人员的主要工作是：

（1）观察水位计的指示值；

（2）将所观察的指示值与学水池要求的数值比较，并计算出两者的差值；

（3）当偏差偏高时，则关小出水阀门的开度，而当偏差偏低时，则开大阀门的开度，这两个开度的大小与偏差的大小程度有关。

将上述三个步骤不断重复下去，直到水位计指到系统要求的水位数值上。

人在这个调节中起到了观测、比较、判断和控制的作用，人工调节就是“检测偏差到纠正偏差”的过程。

自动控制系统就是用一整套的自动控制仪表来代替操作人员的作用，是生产过程不需要人员的参与。

图就是用测量单元、调节单元、执行单元来代替了操作人员的作用，使得这个控制过程不需要操作人员的参与也能完成控制任务。

测量单元用来测水位的大小，并转换成电信号。

调节单元就是发出一系列有规律的指令给执行单元，它所接收的信号是来自测量单元的测量值与给定值作差而得的偏差信号。

执行单元是将来自调节单元的指令去操作调节机构，调节的效果如何，与偏差信号有关。

重复前面的操作，直至系统达到新的平衡状态为止。

这样就实现了自动控制仪表代替人工调节的自动调节。

图1.2液位自动控制示意图

图液位人工控制示意图

燃烧过程的实质就是将燃料化学能转变为蒸汽热能的能量形势转换过程。

燃烧控制过程的根本任务就是及时响应主控系统的输出指令，使燃料所提供的热量适应蒸汽符合的需要，同时还要保证锅炉燃烧的安全性和经济性。

其中锅炉燃烧的过程控制要求有以下几点：

（1）必须保证出口的蒸汽压力稳定，并能按负荷要求自动增减燃料量。

（2）燃烧状况良好，供气适宜。

既要防止由于空气不足使烟囱冒黑烟，也不要因空气过量而加热量损失。

（3）锅炉要安全运行。

保持炉膛具有一定的负压，如果负压太小，或为正值，造成炉膛内热烟气往外冒，影响设备和工作人员的安全；负压太大，导致大量冷空气漏进炉内，从而增加热量损失。

锅炉燃烧控制系统主要包括燃料控制系统、风量（送风）控制系统、炉膛压力（引风）控制系统、磨煤机控制系统等几个子控制系统。

这个系统的任务是根据机组主控制器发出的锅炉燃烧指令来协调燃料、送风量和引风量，在保证锅炉安全、经济燃烧的前提下，是燃料燃烧所产生的热量适应锅炉蒸汽负荷的需要。

当机组负荷发生改变时,需要进行锅炉燃烧调整。

燃料种类、制粉系统、燃烧设备以及锅炉的运行方式决定了每台锅炉燃烧过程的控制任务及策略。

燃料量控制系统将燃料量作为调节量,将主蒸汽压力作为被调量,使锅炉燃烧所产生的蒸汽量满足外部负荷要求,维持主蒸汽压力稳定。

在燃料量控制系统中，燃料量影响主蒸汽压力、送风量、引风量、蒸汽蒸发量及主蒸汽温度等参数。

当单元机组采用锅炉跟踪汽轮机负荷控制方式时,汽轮机通过调节阀调节机组负荷,锅炉通过燃料量调节主蒸汽压力。

对于直吹式制粉系统锅炉的燃料量调节,由于其过程缓慢、给煤机给煤量与控制电流呈非线性、对象特性随负荷发生变化以及机组运行时情况复杂多变（如原煤的物理状况变化）等原因,使得对象特性存在不确定性。

论文结构

全文共分四章，内容安排如下：

第一章首先叙述了国内外锅炉燃烧控制系统的应用和研究现状，总案的优缺点；其次，概述了随机分布控制理论的发展历史及现状；最后研究内容。

第二章首先对锅炉炉内燃烧过程进行机理分析，说明燃烧控制系统的方案选择和各个子系统的设计分析。

第三章系统的介绍了仪表选型的规则和本设计的仪表选型。

最后对论文的工作进行了总结，并指出了需要进一步研究的问题。

第二章燃烧控制系统设计与分析

燃烧控制系统分析

2.1.1燃烧过程自动控制的任务

锅炉燃烧过程自动控制的任务在于使锅炉的燃烧工况与锅炉的蒸汽负荷要求相适应，同时保证锅炉燃烧过程安全经济地运行。

因此，当锅炉的负荷改变时，需要进行燃烧的调整。

每台锅炉燃烧过程的具体控制任务及控制策略因燃料种类、制粉系统、燃烧设备以及锅炉的运行方式不同而异。

锅炉燃烧控制有以下几项内容：

   1．燃料量控制   燃料量控制就使进入锅炉的燃料燃烧所产生的蒸汽量满足的外部负荷要求信号。

燃料量控制是锅炉控制中最基本也是最主要的一个系统。

因为给煤量的多少既影响主汽压力，也影响送、引风量的控制，还影响到汽包中蒸汽蒸发量及汽温等参数，所以燃料量控制的好坏对锅炉运行有重大影响。

当单元机组采取机跟炉负荷控制方式时，锅炉调机组负荷，汽机调汽压，直接将电网的负荷要求N0作为锅炉的负荷要求信号；当单元机组采取炉跟机负荷控制方式时，汽机调机组负荷，锅炉调汽压，由于锅炉出口汽压是表征锅炉生产的蒸汽量与汽机耗汽量之间的平衡指标，所以取锅炉出口汽压作为锅炉的负荷要求信号；当单元机组采用机炉协调负荷方式，负荷控制系统（主控系统）的锅炉主控信号作为锅炉的负荷要求信号。

控制策略如图所示。

图燃料量控制策略

NB—炉膛负荷要求；B—燃料量；F（X）—执行机构

2．送风量控制

燃料量变化时，应及时改变进入炉膛的空气量，以保证燃料的完全燃烧和排烟热损失最小。

所以送风量控制应保证锅炉燃烧过程的经济性。

燃烧过程的经济性可以用最佳过剩空气系数来保证。

而最佳过剩空气系数与烟中最佳含氧量一一对应。

过剩空气系数难以测量，通常测量烟中含氧量来判断燃烧的经济性，或者通过保证风与燃料的比值的办法来保证燃烧的经济性。

   3．引风量控制（负压控制）

引风量控制应使引风量与送风量相适应，并保持炉膛压力在要求的范围内。

因为炉膛压力反映送风量与引风量的相适应程度，在送风量一定时，炉膛压力高（炉膛负压低）说明引风不足，炉膛压力低（炉膛负压高）说明引风量过大。

炉膛压力的高低关系着锅炉运行的安全。

炉膛压力低，即炉膛负压高，使大量冷风漏入炉膛而降低炉膛温度，并且会使引风机耗电加大和排烟热损失加大。

反之，炉膛压力高，即炉膛负压低，当出现炉膛压力高于大气压力时，会使炉烟冒出，影响环境，甚至危及设备和人身的安全。

2.1.2燃料控制子系统分析

锅炉燃烧控制系统是由燃料量控制子系统、送风量控制子系统和引风量控制子系统组成，三者之间互相联系。

图给出了一种燃烧控制系统的典型策略。

锅炉与汽机构成单元机组，可以带固定负荷，也可参与电网调峰。

带固定负荷时，燃料量控制采用单回路控制方式，副调节器PI2接受功率指令N0信号，带变动负荷时，燃料量控制系统为串级系统，主调节器

接受机前压力信号

和压力定值信号P0比较后所得偏差再经过PI1运算后输出校正信号，该信号作用于副调节器PI2入口作为定值信号。

副调节器输出调节信号去改变燃料量B的值，以适应负荷要求，调节结束后，系统应保证机前压力恢复到给定值。

燃料量信号B反馈到副调节器入口，用以克服来自燃料侧的内部扰动。

当主调节器输出稳定不变时，若燃料量发生内扰，则串级系统的内回路立即动作，很快予以平衡，不使机前压力

受到影响，从而稳定了单元机组的实发功率。

图典型燃烧控制系统

带固定负荷时，送风量控制采用单回路系统，送风量调节器PI3入口接受功率指令N0和送风量的反馈信号，以便使送风量与功率指令相适应，维持炉内的经济燃烧。

从燃料量系统和送风量系统稳态时调节器入口信号平衡关系上看，有

燃料量调节器

送风量调节器

则

该式表明，系统通过功率指令

，间接地保证了送风量V与燃料量B的比例关系。

这一结论对带变动负荷时同样成立。

引风量控制也为单回路系统，引风量调节器PI4入口接受炉膛压力信号ST和给定值信号，调节器根据ST和给定值的偏差去调节引风量VS的大小。

稳态时炉膛压力等于给定值。

由于炉膛压力ST反映的是送风量V和引风量VS之间的平衡关系。

当锅炉负荷改变而使送风量变化时，将引起炉膛压力的变化，为了稳定炉膛压力，减小其动态偏差，更好地协调送、引风之间的关系，引风量控制系统中引入了来自送风量控制系统的前馈补偿信号。

前馈信号由送风量调节器PI3的输出经微分环节后产生，在动态过程中起作用。

燃烧控制子系统具体设计

2.2.1一般燃烧控制系统

1.燃料量控制子系统

（1）热量信号的燃烧控制子系统；

（2）给粉机转速反馈信号的燃料量控制子系统；

（3）一次风量总和作反馈信号的燃料量控制子系统；

（4）给煤机转速反馈信号的燃料量控制子系统；

（5）装煤量校正的燃料量控制子系统等。

2.送风量控制子系统

（1）燃烧率指令—风量系统；

（2）蒸汽量—风量系统；

（3）热量—风量系统；

（4）氧量—风燃比系统；

根据综合分析本设计采用了燃料—送风（带风燃比）交叉限制控制系统。

图燃料—送风（带风燃比）交叉限制控制系统

2.2.2燃料—送风控制系统

由锅炉运行知识知道，在机组负荷变化时，燃料量和送风量很难配合得当。

若送风量在变负荷过程中小于燃料量，则会发生缺氧燃烧，燃烧不经济且出现冒黑烟现象。

所以在变负荷时，送风量应略富裕于燃料量，为此大型单元机组的燃烧控制系统中一般都采用了燃料、送风交叉限制措施，这种控制策略如图所示。

图燃料送风交叉限制控制系统

当加负荷时，燃烧率指令B0增加，该指令不能通过小选模块，只能通过大选模块送到送风量控制子系统的副调节器PI3，增加送风量；随着送风量的增大，小选模块的输出逐渐增大，于是燃料量也不断增加，这样就实现了增加负荷时先加风、后加燃料的控制过程。

减负荷时，燃烧率指令B0减小不能通过大选模块，只能通过小选模块先减少燃料量。

随着燃料量的减少，通过大选模块，使送风量逐渐减少，从而实现减负荷时先减燃料、后减风的控制过程。

这样就可以保证变负荷过程中有一定的送风量裕量，燃料充分燃烧而不致于发生缺氧燃烧。

系统中的低值限幅模块限制送风量不低于最小允许风量Vmin；高值限幅模块限制燃料量不大于最大燃料量Bmax值，以维持锅炉燃烧工况的稳定。

第三章控制系统各环节仪表的配置、选型及参数的确定

仪表选型原则

1.性价比：

转子，涡街，电磁，质量都可以使用的流量场合，当然用转子最实惠，质量流量计太贵。

2.准确性：

测量准确度要求比较高的场合要用精度高的仪表，比如计量，配方的场合用质量流量计较好。

3.针对性：

许多液位测量，浮筒就比雷达在气、液、或有汽化的场合使用的好，浮筒在测界面时也比差压得测量范围大。

4.方便性：

锅炉汽包的就地压力显示，大表盘刻度的比小表盘的压力表方便巡检的人观看。

 高处不便于现场记录的管线，分体式流量表比一体式好（如，分体式涡街，电磁，质量计，高的罐上的液位采用显示表安装在地面），不便在线拆离的场合，双支热电阻比单支只在有一支故障时方便替换。

5.抗干扰性：

震动大，电磁干扰大的场合不要用质量、电磁流量计。

6.安全性：

所有的仪表选择都应当遵循安全使用的原则。

调节器的选型

所选调节器的型号为DTZ－2200

1.工作原理

DTZ—2200全刻度指示调节器是调节单元的一个基型品种，对被控值与给定值之差进行比例、微分、积分运算输出，4～20mA直流信号送至执行机构，实现对温度、压力、液面、流量等到工艺参数的自动调节。

全刻度指示调节器前面板有一双针或双光柱，全刻度指示表，在同一刻度标尺上同时指示测量值及给定值。

由二指针的示差直接读出偏差量，指示醒目，容易观察调节结果，手动和自动之间的切换是无平衡无扰动的，操作方便。

全刻度指示调节器，还具有前馈功能，和抗积分、饱和功能，前馈调节器，可以克服滞后现象，提高调节质量。

抗积分饱和调节在工艺过程异常，情况下能迅速关闭或打开安全阀，不致使被调参数进入非安全值区域，常用于化工设备的放空系统，或后缩机的防喘系统。

2.技术参数:

输入信号：

内给定信号：

1～

外给定信号：

4～

调节作用：

比例+积分+微分

比例带：

2～500%

积分时间：

～分～25分　　　　　　

微分时间：

～10分（可切除）

输入，给定指示表：

指示范围：

0～100%，误差：

±1%

输出指示表：

指示范围0~100%，误差±%

输出信号：

4～20mA，DC

切换特性：

属于无平衡无扰动切换。

自动／软手动切换扰动量小于满度的±%

硬手动／软手动或自动切换扰动量小于满度的±%

软手动／硬手动切换扰动量小于满度的±5%

负载阻抗：

250Ω～750Ω

最大工作电流：

约200mA

功耗：

6W

电源:

重量：

6kg

工作条件：

周围环境温度：

0—40℃

相对湿度：

≤85%

工作振动：

频率≤25HZ全振幅≤0.1mm

前馈信号：

1～4～（适用于前馈调节器）

前馈系数：

～（适用于前馈调节器）

刻度误差：

±%（适用于前馈调节器）

限制范围：

高限：

75～105%（适用于抗饱和调节器）

低限：

-5～25%（适用于抗饱和调节器）

刻度误差：

±%

3.端子接线图

图DTZ－2200端子接线图

执行器的选型

本系统所选用的执行器为ZMA电动二通调节阀。

1.技术参数：

型     式：

直通铸造球型阀公称通径：

合流阀：

25～300mm、分流阀：

80～300mm公称压力：

、、法兰标准：

JB/～等材     料：

铸钢（ZG230-450）、铸不锈钢（ZG1Cr18Ni9Ti）等上阀 盖：

标准型-17～+230℃、散热型+230～+450℃、波纹管密封-40～+350℃压盖型式：

螺栓压紧式填     料：

V型聚四氟乙烯填料、含浸聚四氟乙烯石棉填料、石墨填料结构形式：

标准型、散热型和波纹管密封型

2.阀体结构

阀芯型式：

薄壁圆筒型阀芯流量特性：

抛物线特性和线性特性材     料：

不锈钢（1Cr18Ni19Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti、17-4PH、9Cr18、316L）、不锈钢堆焊司太莱合金、钛和耐腐蚀合金等

3.执行机构

（1）型号：

电动执行器DKZ-410

（2）技术参数：

表技术参数

项目名称

DKZ标准型

控制机构

输入信号

4-20mA或0-10VDC

反馈信号

0—10mADC4—20mADC

死区

0．4％—3％

基本误差

±2．5％

回差

≤1．5％

限位

开侧/闭侧

开度检测

精密导电塑料电位器

动力

动力

220V/50Hz

驱动电机

伺服电机

附属机构

加热器

选择件

手动机构

手轮

安装条件

环境温度

无加热器—25℃～+70℃

相对湿度

<95％

环境气体

无腐蚀性气体

接线口

十四线插头

防护等级

（3）端子接线图

图DKZ-410接线图

变送器的选型

控制系统中所选的流量变送器的型号为DwyerT涡轮式流量计。

1.DwyerT涡轮式流量计特点

该传感器的工作原理是采用一个涡轮和一个光电检测器把流量转换成一个可记录的0-5VDC的线性信号输出。

这种流量传感器也适用于液体，可为流量总计提供一个脉冲信号输出。

2.流量变送器性能物理数据

媒介：

洁净空气或低粘度液体（≤10厘斯），主要看型号而定精度：

±3%满量程线性：

±3%满量程重复性：

±%满量程（液体型）±1%满量程（气体型）信号输出：

0-5VDC（气体）,0-5VDC和VDC最大脉冲信号输出;0-400pps典型值（液体）最大使用温度：

122℉（50℃）温度敏感度：

每摄氏度±%最大操作温度：

液体：

20℃时，100psibar）气体：

20℃时，40psi压力敏感度：

每毫米汞柱±%（气体：

1-3atm）；供电电压：

±2VDC,30mA（适配器单卖）湿润部件：

40%玻璃填充的聚苯硫酶传感器,配件，轴承和O形环；重量：

1lb（0.5kg）。

3.端子接线图

图端子板接线图

总结

工业锅炉燃烧系统采用微型计算机控制,是工业锅炉生产自动化发展的必然趋势。

微型计算机具有运算速度快,精度高,准确可靠,成本低等特点,可适应复杂的、难于处理的控制系统,它可以弥补常规仪表控制系统的不足,因而得到广泛的运用。

控制系统的设计中,既要尽力满足用户提出的任务要求,又要考虑场地和经费的限制;设计的硬件系统必须满足软件的使用要求,并能与现场原有的控制仪表衔接;控制系统要能适应现场使用环境,不能为此增加投资和建设面积;使设计的控制系统能连续可靠稳定运行,使其操作简单;维修方便,对系统中的故障能迅速准确的诊断和排除。

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