循环流化床锅炉炉膛压力控制系统设计

1、热工测量及仪表课程设计 循环流化床锅炉炉膛压力控制系统设计科技大学课程设计任务书 自 动 化 专业 班课程名称 热工测量及仪表题 目 循环流化床锅炉炉膛压力控制系统设计 任务起止日期： 2012年 1月 3 日 2012年1月14日 学 生 姓 名 2012年 1 月 3 日指 导 教 师 2012年 1月 3日教研室主任 年 月 日院 长 年 月 日摘要：我国的电力工业是国民经济发展的基础产业，在我国，电力生产主要以燃煤火力发电为主，由于燃煤发电的直接污染较大，特别是so2、nox的排放。so2的排放是造成酸雨的主要原因，为了通过炉内燃烧技术的改进，降低so2、nox排放量，我国从60年代开

2、始对循环流化床锅炉进行研究，并在90年代以后和外国公司联合研究并取得了较大有发展，现在循环流化床锅炉已发展成熟并在全国广泛应用。流化床燃烧设备按流体动力特性分为鼓泡流化床和循环流化床，按工作条件分为常压和增压式流化床。循环流化床锅炉技术是一种新型的高效低污染清洁的燃烧技术，上世纪70年代的能源危机和越来越突出的环保问题使人们促进了这种燃烧技术的发展。现在大型循环流化床锅炉的主要炉型有三大流派，分别为：以德国lurgi公司为代表的鲁奇型和以美国的foster wheeler 、芬兰的alstorm公司（两者兼并）为代表的fwpyroflow型和德国babcock公司的circofluid型。我国

3、东方锅炉厂采用的是fw公司的pyroflow型的改进型循环流化床锅炉。北京bw锅炉厂采用的是德国babcock公司的架构和技术。哈尔滨锅炉厂有限责任公司(hbc)与美国ppc(奥斯龙技术)以及国内的科研单位合作也开发了自己的大型循环流化床锅炉。上海锅炉厂引进美国技术、消化吸收自行设计制造了自己的循环流化床锅。由于国内各大锅炉厂商的参与，我国的大型循环流化床技术已趋于成熟目 录1设计任务31.2 控制对象51.3 炉膛压力的动态特性52压力计选择52.1压力变送器分类52.2工作原理53.压力数字显示表选择：64.压力pi控制设计7ts 为采样周期：85设计说明116参考文献181 设计任务1.

4、1流程的介绍 图1-1典型的循环流化床锅炉原理图循环流化床锅炉工作的基本流程：煤和脱硫剂被送入炉膛后，迅速被炉膛内存在的大量惰性高温物料（床料）包围，着火燃烧所需的的一次风和二次风分别从炉膛的底部和侧墙送入，物料在炉膛内呈流态化沸腾燃烧。在上升气流的作用下向炉膛上部运动，对水冷壁和炉内布置的其他受热面放热。大颗粒物料被上升气流带入悬浮区后，在重力及其他外力作用下不断减速偏离主气流，并最终形成附壁下降粒子流，被气流夹带出炉膛的固体物料在气固分离装置中被收集并通过返料装置送回炉膛循环燃烧直至燃尽。未被分离的极细粒子随烟气进入尾部烟道，进一步对受热面、空气预热器等放热冷却，经除尘器后，由引风机送入烟

5、囱排入大气。燃料燃烧、气固流体对受热面放热、再循环灰与补充物料及排渣的热量带入与带出，形成热平衡使炉膛温度维持在一定温度水平上。大量的循环灰的存在，较好的维持了炉膛的温度均化性，增大了传热，而燃料成灰、脱硫与补充物料以及粗渣排除维持了炉膛的物料平衡。煤质变化或加入石灰石均会改变炉内热平衡，故燃用不同煤种的循环流化床锅炉在设计及运行方面都有不同程度的差异。循环流化床锅炉在煤种变化时，会对运行调节带来影响。试验表明，各种煤种的燃尽率差别极大，在更换煤种时，必须重新调节分段送风和床温，使燃烧室适应新的煤种。加入石灰石的目的，是为了在炉内进行脱硫。石灰石的主要化学成份是 cao 而煤粉燃烧后产生的so

6、2、so3等，若直接通过烟囱排入大气层，必然会造成污染。加入石灰石后，石灰石中的的 cao 与烟气中的so2、so3等起化学反应，生成固态的 caso3 、caso4 （即石膏），从而减少了空气中的硫酸类的酸性气体的污染。另外，由于流化床锅炉的燃烧温度被控制在 800900 范围内，煤粉燃烧后产生的 nox 气体也会大大减少硝酸类酸性气体。在炉膛压力调节系统中：炉膛出口压力测量值与给定值一起送入pi中进行运算，运算结果动作引风机耦合器（或调节挡板）执行器，从而控制炉膛出口压力满足机组运行要求。由于循环流化床锅炉燃烧的特殊性，一次风量和二次风量发生变化时，需经过一段时间炉膛出口压力才发生变化，因

7、此必须把总风量（一次风机出口风量和二次风总风量之和）的微分量作为前馈信号送入pi控制输出中，以提高一、二次风量变化时控制系统响应的快速性。1.2 控制对象根据炉膛压力信号来动态协调二次风机入口风门和引风门的开度即可确保炉膛压力满足在设定的范围内1.3 炉膛压力的动态特性变化幅度大而且变化频率快 （炉膛压力设定值为-20pa，实际运行中的变化范围是-50-250 pa ）2压力计选择压力变送器的选择（压力变送器主要由测压元件传感器、测量电路和过程连接件三部分组成）2.1压力变送器分类压力变送器根据测压范围可分成一般压力变送器（0.001mpa20mpa）和微差压变送器（01.5kpa），负压变送

8、器三种压力变送器的被测介质的两种压力通入高、低两压力室，低压室压力采用大气压或真空，作用在元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器，当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。2.2工作原理当压力信号作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号，经差分放大和输出放大器放大，最后经v/a电压电流转换成与被测介质的压力成线性对应关系的4-20ma标准电流输出信号。压力和电流 大小成线性关系，一般是正比关系 ，

9、所以，变送器输出的电流 随压力增大而增大由此得出一个压力和电流的关系式 ，最终得出比较准确的压力值。3.压力数字显示表选择： 图3-1 yk-11智能数字显示控制仪表本系列产品采用表面封装模块化工艺，大大提高了仪表的抗干扰能力，具有显示、控制、变送、通讯、万能信号输入等功能，适用于温度、湿度、压力、液位、瞬时流量、速度等多种物理量检测信号的显示及控制，并能对各种非线性输入信号进行高精度的线性校正。可广泛用于电力、冶金、化工、石化、造纸印染、酿造、烟草、航天基地等领域。采用最新无跳线技术，使输入端口具备万能信号输入功能，只需通过改变内部参数，即可实现多种输入信号(各种热电偶、热电阻、远传压力、m

10、v、标准电压/标准电流信号)之间的轻松切换。线路板经过优化设计及生产工艺不断完善，降低了温度漂移，提高了抗干扰性能确保产品在长期工作中的稳定性的稳定性和可靠性。采用高亮度led数码显示和高分辨率光柱显示(比例显示)，使测量/控制值的显示更为清晰直观。输出回路均采用光电隔离, 抗干扰能力强。可带串行通讯接口，可与各种带串行接口的设备进行双向通讯，组成网络控制系统。具备多种标准外形尺寸,能适用各种测量控制场合。整机采用卡入式结构,安装十分简便。 适用范围yk-11智能数字显示控制仪表是智能型、高精度的数显温度、压力、液位、测力、扭矩等物理量控制测量仪表，与温度、压力、液位、测力、扭矩传感器及变送器

11、配接可构成各种量程和规格的温度、压力、液位测力、扭矩测控系统。(可以测量电压、电流、转速、频率等各种参数,可与plc变频器配接构成各种测量系统。可以带峰值，谷值。订货请来电说明。) 功能特点万能输入功能自动校准和人工校准功能多重保护、隔离设计、抗干扰能力强、可靠性高良好的软件平台，具备二次开发能力，以满足特殊的功能先进的模块化结构，配合功能强大的仪表芯片，功能组合、系统升级非常方便主要技术指标：基本误差：0.2fs，14位a/d转换器(最大18位a/d转换器，订货时注明)。输入信号：热电偶: b、s、k、e、j、t、wre 等热电阻: pt100、cu50、cu53、cu100、ba1、ba2

12、电流: 010ma、420ma等(输入阻抗250)电压: 05v、1v5v、mv等(输入阻抗1m)远传压力电阻：(0400)采样周期：0.2s(10200次/秒，用户可选)显 示：双排四位led数码管显示。单排led数码显示报警输出：仪表可带多个继电器输出，继电器触点容量ac220v/5a或ac220v/1a。最多可带16个继电器，可选择上限、下限控制，控制设定值和回差值全量程内自由设定变送输出：420ma、010/20ma(负载电阻250，负载过大需注明)15v、05v、010v(负载电阻200k)。采用12位数字d/a芯片，隔离输出。通讯输出：隔离通讯接口rs485/rs232 波特率12

13、009600bps馈电输出：dc24v/30ma、dc12v/30ma温度补偿：050冷端温度自动补偿，误差：1电 源：开关电源 85265vac或dc24v或dc12v功 耗：4w环境温度：(-2070) (常温下开机运行30分钟后,可逐渐承受极限温度)(050) (热电偶信号输入)相对湿度：85% 无凝露避免在带有腐蚀性和易燃易爆气体中使用面板尺寸： 160mm80mm、96mm96mm、96mm48mm、 72mm72mm、48mm48mm(本公司仪表自行研发生产，种类多，功能全，如用户可选快速采样，最快可以200次/秒，高精度18位a/d采集，高精度16位d/a输出，输入信号20段曲线

14、修正，满5位显示或6位显示，液晶显示，特殊的输入信号，多个继电器报警蜂鸣器输出，大功率的馈电输出等，订货时注明)4.压力pi控制设计压力模糊pi控制过程： 图4-1模糊pi控制器的原理框图r(k)是输入设定值，c(k)是炉膛压力测量值，e(k)是输人偏差信号， ts 为采样周期： 4-2在式42中，ts为采样周期。这是位置式pi控制算式，为了增加可靠性，采用增量式pi控制算式，如式43所示。增量式pi控制与位置式pi控制相比，仅仅是算法上有所改变，但是它只输出增量，减少了dsp误操作时对系统的影响。 在式4-7中，令a系数=kpki， b系数kp，则最终增量式pi控制器的控制算式如方程式4-8

15、所示。程序中只需计算出a系数和b系数就可以计算出当前的控制增量u（k）。 如图4所示，采用模糊控制规则，根据不同的e和e，对pi控制器的参数kp和ki进行在线自整定。本模糊控制器的输入语言变量是偏差绝对值if、偏差变化率绝对值e，输出语言变量是pi控制器的比例增益系数kp和积分增益系数ki。在模糊控制中，语言变量是用语言值（模糊量）来表示一个物理量的，而不是用符号或确定的数字来表示的。当用语言值表示一个语言变量时，应注意用多少个语言值去描述语言变量，这是语言变量的分档问题。本实例中，各语言变量用语言值描述如下：系统偏差的绝对值e（k）零、小、中、大偏差变化率的绝对值e（k）零、小、中、大只控制

16、器的比例系数kp零、小、中、大只控制器的积分系数ki零、小、中、大各语言变量用相同的语言值来描述，简化了模糊控制规则的设计。在设计模糊控制规则时，采用不同的模糊推理，语言变量的分档是有区别的。本设计采用cri（compositional ruleof inference）推理法，为了在实时控制中避免进行关系矩阵的合成运算，先在脱机状态下把所有可能的输入和输出情况计算出来，形成一张控制表去执行控制。控制表是以整数形式表示的，为了能产生控制表，在cri推理法中把语言变量的论域转换成有限整数的论域，本质上是把连续论域离散化后产生离散论域。采用式4-9把它离散化到整数论域n。 其中a为连续论域xxl，

17、xh中的某个数，b是与a对应的整数论域n中的某个数，q为模糊控制中对精确量进行模糊化时所用的量化因子。本设计中，各语言变量的档数均为4档（零、小、中、大），因此取整数论域n为0，1，2，3，4，5，6。此时，如图5和图6所示，可以取语言变量值4档如下： （图）语言变量kp、ki大（l）取在5、6附近；中（m）取在3、4附近；小（s）取在1、2附近；零（z）取在0附近。由模糊推理得到的控制表中的控制量也是一个模糊量，反模糊化是模糊化的逆向运算，当整数论域为nn，n，连续论域xxl，xh，可采用式410进行反模糊化处理。其中b为整数论域为n-n，n中的某个数，a是与b对应的连续论域xxl，xh中的

18、某个数，k为模糊控制中对模糊量进行反模糊化时所用的比例因子。当e(k)较大时，为了加快系统的响应速度，并为避免因开始时偏差的瞬间变大可能引起微分过饱和而使控制作用超出许可范围，应取较大的kp，同时为了防止积分饱和，避免系统响应出现较大的超调，此时应该去掉积分作用，取ki0。当e(k)和e(k)为中等大小时，为使系统响应的超调减小又不影响系统的响应速度，kp和ki都不能取大，而应取较小的ki，kp的取值要大小适中。当e（k）较小时，为使系统具有良好的稳态性能，应该增大kp和ki的值，同时为了避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑到系统的抗干扰性能，应适当地选取kp。根据以上这些原则，并参考工作中总

19、结的实际经验，得到了如表2所示的模糊pi控制器参数乌和凡的调节规则，但是这些规则都是用模糊量来表示咐。5设计说明锅炉炉膛压力控制系统的主要任务是维持炉膛压力在一定范围内变化，保证锅炉设备安全运行，一旦燃烧系统发生故障时，最先反应炉膛压力的变化，然后才反映蒸汽流量等指标的变化，尤其对于大容量，高参数的锅炉，更要求炉膛压力控制系统响应快，并保护炉内压力波动不致太厉害，因此，循环流化床锅炉炉膛压力控制有完善的控制系统外，还设置了一些安全保护措施。 引风量扰动下的负压响应曲线（图2）炉膛负压的控制对象是引风机入口挡板所控制的引风量，称为内扰。送风量变化会影响炉膛负压，称为外扰。炉膛负压动态特性是引风量

20、阶跃变化时，炉膛负压随时间变化的特性如（图2）所示。由于炉膛负压反应很快，可作比例特性来处理。 引风控制系统图燃烧控制基本方案（图3）引风控制的任务是保持炉膛负压在规定的范围内。一般炉膛压力维持在比大气压力低2050pa左右。 引风机调节器p14通过调节引风量v来维持炉膛压力稳定。由于送风量的变化是引起负压波动的主要原因，为使引风量快速跟踪送风量，以保持二者的比例，可将送风量作为前馈引入引风调节器中 ，有利于提高引风控制系统的稳定性和减小炉膛负压的动态偏差。 另外，炉膛压力控制两台引风机的导叶开度，来满足炉膛压力略低于外界大气压的要求：控制系统为带风机前馈的单回路控制系统。机组正常运行时，锅炉

21、炉膛压力按传统的前馈-反馈方案进行控制。炉膛压力控制系统方框图（图4）（图4）是用symphony系统实现的具有双执行机构的炉膛压力控制系统的方框图简图，整个系统包括pi控制器，手、自动切换逻辑，跟踪信号运算回路，系统总操，左右侧风机动叶偏置回路，超驰控制回路，速率限制回路，偏差限制逻辑和单台风机操作站等部分。系统的工作过程为：炉膛压力测量值与设定值进行比较，偏差值经pi控制器运算后在系统手/自动总操m/a站出口分成两路，再经风机出力校正回路、超驰控制回路、输出速率控制回路，最后到阀门定位操作模块idp控制执行机构的开关，实现炉膛压力控制。为避免执行机构的频繁动作，偏差运算回路中还进行了炉膛压

22、力测量值与设定值偏差的死区运算，过滤掉炉膛压力的正常波动对执行机构的影响。系统手/自动总操m/a站担负着两侧风机的出力平衡与手动跟踪功能。为提高炉膛压力对送风量扰动的响应能力，在pi控制器的z端（扰动量输入端）引入了送风前馈信号。防止炉膛压力信号的高频脉动和坏质量造成系统不必要的动作，测量信号全部进行质量判断，信号压力设置的质量判断功能块qc对输入到选炉膛压力的测量采用三选中值方案，其压力设定值由运行人员在操作站上的手动设定，为了防择块sigsel的信号进行质量判断。炉膛压力按传统的前馈-反馈控制方案进行，前馈信号来自送风控制系统，其作用是使送风控制系统动作的同时，引凤控制系统能相应的协调动作

23、，使引风量随送风量成比例地变化，以减小炉膛压力在变负荷时的动态偏差。引凤控制的前馈信号取自两台送风机动叶开度指令，使前馈信号通过函数块fd-fxi，直接引入引风机控制系统中炉膛压力控制器的加法块输入端，前馈信号作为炉膛负压控制的粗调。根据炉膛压力测量值和炉膛压力设定值的偏差，控制器给出两台引风机倒叶的公共控制指令，被调量为炉膛压力，控制变量为引风机倒叶开度，炉膛压力的控制器起校正作用。在手动控制方式下，运行人员在引风机站上可以手动改变两台引风机导叶的开度，炉膛压力控制器则跟踪两台引风机导叶指令之和的平均值。引风机的超驰回路（图5） 炉膛压力控制还设计了一个超弛控制系统（如图5），其作用是防止主

24、燃料跳闸时，引起炉膛灭火而产生锅炉内爆的事故。当锅炉接收到动作信号后，为了防止内爆事故的发生，当动作信号变化时，控制系统首先强制前馈信号为0，关小引风机导叶开度，以减小引风机出力，使炉膛压力不致太低。当引风机停止运行后，停止信号强制控制指令为100，导叶打开，顺控逻辑信号强制指令为5%。当炉膛压力降至低于最小值或高于最大压力时，正负偏差压力超弛控制回路将起作用。当炉膛压力低于设定的最小压力时，锁闭增起作用，迅速关小引风机导叶的开度，同时闭锁减开大送风机导叶的开度；同理，当炉膛压力高于设定的最大压力时，闭锁减起作用，迅速开大引风机导叶的开度，同时，闭锁增减小送风机导叶的开度。注意：当出现下列情况

25、之一时，一次风机导叶控制站强制切到手动控制方式：（1）一次风母管压力设定值与实际值偏差大；（2）一次风母管压力信号故障；（3）一次风机入口导叶控制指令和反馈偏差大；（4）mft超驰控制；（5）主汽流量信号故障；（6）相应一次风机未运行。 补充：引风控制系统的工况引风控制系统逻辑有3种工况，即引风挡版开度硬手操、软手操和自动。（1）引风机挡板开度硬手操。 引风机挡板开度硬手操的条件为选择引风机挡板硬手操。（2）引风机挡板开度软手操的条件。引风机调节电源故障；引风自动调节失灵；引风机掉闸；引风机挡板速率大；引风机挡板硬手操；选择引风机挡板软手操。（3）引风机挡板控制回路处于自动。 当所有手动条件不

26、存在时，系统就可以投自动。自动时由人工手动给给定值。同时只有软手动切换到硬手动，需要进行预平衡后才能实现无扰动切换；其他情况都可直接实现无扰动切换压力取样：在炉膛内选择压力取样位置要有代表性和实时性，才能指导运行和及时保护炉膛安全，根据试验和实践，我们认为取样点以选在炉膛遮焰角高度=lm处为好。在此水平截面上前。左、右两处9o度分置。每处取四点为佳。取样过高由于屏式过热器管系影响，使烟气流速增加，且该处易产生 涡流 。取样过低由于火焰的上部变化和闪烁造成压力变化稳定性差。 取样点的安装，根据有关规定，应避免2只或更多的仪表共用一个炉膛压力取样装置。只有在特殊情况下并应考虑到取样装置故障不致影响

27、机组安全和仪表的可靠性才可设置2点。取样装置应穿过两根水冷壁管之间，平水冷壁管(不可仲入炉膛内)，用一只取样盒引出。 炉膛压力测点布置图注：前墙没有测量点，两侧炉墙各有四个取样点，保证每个保护都对应一个取样点。每个保护点带一个变送器，当炉膛压力取样发生堵塞时，通过压力显示值可以判断出来。 炉膛压力安装方式取样吹扫管与水冷壁的夹角是30度，取样管口与水冷壁齐平，保证吹扫时炉膛压力取样的畅通取样管直径为60mm，那样可以延长堵管时间。取样引出表管在d处增加缓冲罐，缓冲罐作用消除炉膛内微小波动引起过调现象，即消除变送器的干扰信号。为保证炉膛压力保护响应的快速性，选用炉膛压力压力开关作为保护信号，在取样点处不加缓