第六部分 锅炉设备的控制new

1、6 6 锅炉设备的控制锅炉设备的控制 6.1 6.1 锅炉设备及基本控制要求锅炉设备及基本控制要求 6.2 6.2 锅炉汽包水位控制锅炉汽包水位控制 6.3 6.3 蒸汽过热系统的控制蒸汽过热系统的控制 6.4 6.4 燃烧控制系统燃烧控制系统 锅炉设备的控制锅炉设备的控制 常见锅炉设备的工艺流程如图。常见锅炉设备的工艺流程如图。 给水经给水泵、给水控制阀、省煤器给水经给水泵、给水控制阀、省煤器 进入锅炉的汽包进入锅炉的汽包； 燃料与经预热的空气按一定配比混合燃料与经预热的空气按一定配比混合, , 在燃烧室燃烧产生热量；在燃烧室燃烧产生热量； 汽包生成饱和蒸汽汽包生成饱和蒸汽, ,经过热器形成

2、过经过热器形成过 热蒸汽热蒸汽, ,汇集到蒸汽母管；汇集到蒸汽母管； 燃烧过程的废气将饱和蒸汽过热燃烧过程的废气将饱和蒸汽过热, , 并并 经省煤器对锅炉的给水和空气预热经省煤器对锅炉的给水和空气预热, , 最后烟气经引风机送烟囱排空。最后烟气经引风机送烟囱排空。 6.1 6.1 锅炉设备及基本控制要求锅炉设备及基本控制要求 1.1.锅炉设备的主要控制要求锅炉设备的主要控制要求 l汽包的液位蒸汽的压力：汽包的液位蒸汽的压力：保持在一定范围内，适应用户负荷的变化保持在一定范围内，适应用户负荷的变化 l过热蒸汽温度：过热蒸汽温度：保持在一定范围内保持在一定范围内 l炉膛负压：炉膛负压：保持在一定范

3、围内保持在一定范围内 l燃烧完全：燃烧完全：根据经济性和环保的要求根据经济性和环保的要求 l运行安全：运行安全：液位、炉膛负压、过热度、蒸汽压力等在安全运行范围内液位、炉膛负压、过热度、蒸汽压力等在安全运行范围内 6.1 6.1 锅炉设备及基本控制要求锅炉设备及基本控制要求 2.2.锅炉设备的主要控制系统锅炉设备的主要控制系统 给水自动控制系统：给水自动控制系统：保持物料的平衡（给水和蒸汽）保持物料的平衡（给水和蒸汽） 被控变量：汽包液位被控变量：汽包液位 操纵变量：给水量操纵变量：给水量 锅炉燃烧的自动控制系统：锅炉燃烧的自动控制系统：满足经济性、安全性和环保要求满足经济性、安全性和环保要求

4、 被控变量：蒸汽压力被控变量：蒸汽压力 操纵变量：燃料量操纵变量：燃料量 被控变量：烟气含氧量被控变量：烟气含氧量 操纵变量：送风量操纵变量：送风量 被控变量：炉膛负压被控变量：炉膛负压 操纵变量：引风量操纵变量：引风量 过热系统的自动控制系统：过热系统的自动控制系统：满足过热度、壁温等要求满足过热度、壁温等要求 被控变量：过热蒸汽温度被控变量：过热蒸汽温度 操纵变量：喷水量操纵变量：喷水量 6.2 6.2 锅炉汽包水位控制锅炉汽包水位控制 保持锅炉汽包水位在一定范围内是锅炉稳定安全运行的主要指标保持锅炉汽包水位在一定范围内是锅炉稳定安全运行的主要指标 水位稳定是安全运行的必要条件：水位稳定是

5、安全运行的必要条件： 水位高：水位高：汽包内水气分离差，蒸汽带水，造成：汽包内水气分离差，蒸汽带水，造成： 过热蒸汽的温度下降过热蒸汽的温度下降 损坏蒸汽透平叶轮片损坏蒸汽透平叶轮片 过热器管壁结垢，传热效率下降过热器管壁结垢，传热效率下降 水位低：水位低：在用户负荷大时，会全部汽化造成在用户负荷大时，会全部汽化造成 设备损坏设备损坏; ; 在急冷时，引发锅炉的爆炸在急冷时，引发锅炉的爆炸 设置水位自动控制的必要性设置水位自动控制的必要性 6.2 6.2 锅炉汽包水位控制锅炉汽包水位控制 锅炉汽包水位的动态特性锅炉汽包水位的动态特性 影响汽包水位的因素有影响汽包水位的因素有 : : 汽包汽包

6、( (包括循环水管包括循环水管) )中中储水量储水量和水和水 位下位下气泡容积气泡容积 水位下气泡容积与锅炉的负荷、水位下气泡容积与锅炉的负荷、 蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。 锅炉汽包水位主要受到锅炉蒸锅炉汽包水位主要受到锅炉蒸 发量发量( (蒸汽流量蒸汽流量D)D)和给水流量和给水流量W W 的影响。的影响。 锅炉汽包水位系统锅炉汽包水位系统 6.2 6.2 锅炉汽包水位控制锅炉汽包水位控制 锅炉汽包水位的动态特性锅炉汽包水位的动态特性 1 1、 给水量给水量W W对汽包水位对汽包水位H H的动态特性：的动态特性： 初始段，进入的冷水吸收水位以下饱和汽水中的热量，

7、减少了饱和初始段，进入的冷水吸收水位以下饱和汽水中的热量，减少了饱和 汽水中的气泡容积，补充气泡的空间，水位上升缓慢。汽水中的气泡容积，补充气泡的空间，水位上升缓慢。 当水位以下气泡容积不再变化时，水位呈线性升高当水位以下气泡容积不再变化时，水位呈线性升高 6.2 6.2 锅炉汽包水位控制锅炉汽包水位控制 2 2蒸汽流量蒸汽流量D D对汽包水位对汽包水位H H的动态特性：的动态特性： 蒸汽用量蒸汽用量D D增大，如给水量增大，如给水量W W不变，水位线性下降不变，水位线性下降 蒸汽用量蒸汽用量D D增大，汽包内气压下降，水呈沸腾状，水位下气包增加增大，汽包内气压下降，水呈沸腾状，水位下气包增加

8、 ，水位以一阶惯性特性上升，在一定气压下达到饱和汽水状态，水位以一阶惯性特性上升，在一定气压下达到饱和汽水状态 合成特性是反相特性，汽包水位呈虚假液位，使控制困难合成特性是反相特性，汽包水位呈虚假液位，使控制困难 6.2 6.2 锅炉汽包水位控制锅炉汽包水位控制 扰动分析扰动分析 影响气包水位的因素影响气包水位的因素 汽包（包括循环水管）中的储水量汽包（包括循环水管）中的储水量 水位下的气泡容积水位下的气泡容积 影响水位下的气泡容积的因素：影响水位下的气泡容积的因素： 锅炉的负荷锅炉的负荷 蒸汽压力蒸汽压力 炉膛热负荷等炉膛热负荷等 主要扰动：锅炉蒸发量（蒸汽流量主要扰动：锅炉蒸发量（蒸汽流量

9、D D）和给水流量）和给水流量W W 6.2 6.2 锅炉汽包水位控制锅炉汽包水位控制 单冲量水位控制系统单冲量水位控制系统 1 控制方案控制方案:单回路控制，液位控制给水量单回路控制，液位控制给水量 大型电站中，锅炉产气量达，称变量为冲量大型电站中，锅炉产气量达，称变量为冲量 单冲量即单变量，指汽包的水位单冲量即单变量，指汽包的水位 2 特点：特点： 结构简单，但调节不够及时结构简单，但调节不够及时 存在虚假液位，并且时滞大，因此，控制作用不能太大，否则存在虚假液位，并且时滞大，因此，控制作用不能太大，否则 控制品质变差控制品质变差 汽包容量较大，水位受扰动后响应速度慢汽包容量较大，水位受扰

10、动后响应速度慢 常用于虚假液位不严重，负荷较稳定的场合常用于虚假液位不严重，负荷较稳定的场合 6.2 6.2 锅炉汽包水位控制锅炉汽包水位控制 双冲量水位控制系统双冲量水位控制系统 1 控制方案：控制方案：双冲量指汽包水位双冲量指汽包水位H和蒸汽量和蒸汽量D 蒸汽量静态前馈的液位前馈蒸汽量静态前馈的液位前馈反馈控制系统反馈控制系统 2 特点：特点： 引入前馈，补偿了虚假液位对控制的不良影响引入前馈，补偿了虚假液位对控制的不良影响 前馈改善系统的静态特性，提高了控制品质前馈改善系统的静态特性，提高了控制品质 对给水量或给水压力的扰动，与单冲量系统相当对给水量或给水压力的扰动，与单冲量系统相当 对

11、控制阀等非线性，静态补偿较困难对控制阀等非线性，静态补偿较困难 6.2 6.2 锅炉汽包水位控制锅炉汽包水位控制 12cFO IC IC II 3.前馈控制器控制规律的确定前馈控制器控制规律的确定 1) C2符号的选择：符号的选择： 与控制阀的气开、气关特性有关与控制阀的气开、气关特性有关 对象的对象的Kp0，扰动的，扰动的Kf0 从保护锅炉的后续设备考虑：阀选气开从保护锅炉的后续设备考虑：阀选气开 C2选正，使选正，使C2KvKp为正，与为正，与Kf相加后可抵消相加后可抵消 从保护锅炉本身考虑，阀选气关，从保护锅炉本身考虑，阀选气关，C2为负为负 2)C2的调整：的调整： 它是静态前馈补偿器

12、的放大系数它是静态前馈补偿器的放大系数 按前馈控制的参数调整方按前馈控制的参数调整方 法，从小到大调整或根据法，从小到大调整或根据C2=u/D计算并调整计算并调整 3) C1的调整：的调整： C1常与常与Kc一起考虑，把一起考虑，把C1设置为设置为1 4) Io的调整：的调整：前馈补偿器的偏置值前馈补偿器的偏置值 设置为正常负荷下的输出电流设置为正常负荷下的输出电流 6.2 6.2 锅炉汽包水位控制锅炉汽包水位控制 12cFO IC IC II 12SPcFO IC IC II 在液位控制器的输入端添加了加法器在液位控制器的输入端添加了加法器 采用双通道输入采用双通道输入 的控制器可少用一个加

13、法的控制器可少用一个加法 1加法器输入信号是液位和蒸汽流量加法器输入信号是液位和蒸汽流量 特点：特点： 用纯比例作用时，与原方案相同用纯比例作用时，与原方案相同 用比例积分作用时用比例积分作用时 液位测量值是液位与蒸汽信号之差液位测量值是液位与蒸汽信号之差 稳态时，测量与设定相等，故液位有余差稳态时，测量与设定相等，故液位有余差 2加法器输入信号时液位与蒸汽流量的微分加法器输入信号时液位与蒸汽流量的微分 特点：特点： 未引入蒸汽流量信号，稳态时无余差未引入蒸汽流量信号，稳态时无余差 仅在蒸汽量变化时，才有微分的超前输出仅在蒸汽量变化时，才有微分的超前输出 双冲量控制系统变型双冲量控制系统变型

14、6.2 6.2 锅炉汽包水位控制锅炉汽包水位控制 三冲量水位控制系统三冲量水位控制系统 l 三冲量：汽包的液位、蒸汽量和给水量三冲量：汽包的液位、蒸汽量和给水量 l 三冲量控制系统：以蒸汽量为前馈信号，液位为主被三冲量控制系统：以蒸汽量为前馈信号，液位为主被 控变量，给水量为副被控变量的串级控变量，给水量为副被控变量的串级前馈控制系统前馈控制系统 l 三冲量控制系统的目的：补偿给水系统的扰动，克服三冲量控制系统的目的：补偿给水系统的扰动，克服 阀的非线性等阀的非线性等 l 三冲量控制系统的结构：为了减少控制系统的设备投三冲量控制系统的结构：为了减少控制系统的设备投 资，三冲量控制系统有三种实施

15、方案资，三冲量控制系统有三种实施方案 l 整个控制系统是串级加前馈控制系统整个控制系统是串级加前馈控制系统 主控制器是液位控制器，副控制器是流量控制器主控制器是液位控制器，副控制器是流量控制器 前馈补偿用微分环节时是动态前馈补偿用微分环节时是动态 前馈前馈 设：设： ； ；设副环是；设副环是1 1：1 1比例环节比例环节 则：则： 设设 如果如果 ；超前无法实现，则；超前无法实现，则 l 因此，动态前馈可用微分环节实现因此，动态前馈可用微分环节实现 l 引入给水量，因此，前馈偏置可不必设置引入给水量，因此，前馈偏置可不必设置 l 液位无余差条件：采用比例积分控制器液位无余差条件：采用比例积分控

16、制器 ( ) O s O P k Gse s 2 2 ( ) 1 f fD k k Gs T ss 2 2 ( )() ( ) ( )1 O fDfs o FF OO Gskkks Gse GskT s 2 / dO kkk Of kk 2 ( )1 1 d FF k s Gs T s 三冲量水位标准控制方案三冲量水位标准控制方案 三冲量水位简化控制方案一三冲量水位简化控制方案一 l整个控制系统是串级加前馈控制系统整个控制系统是串级加前馈控制系统 l主控制器比例度主控制器比例度100%100%（1 1：1 1）的纯比例控制器，副控制器是液位控制器）的纯比例控制器，副控制器是液位控制器 采用静态

17、前馈采用静态前馈 l引入给水量，因此，前馈偏置可不必设置引入给水量，因此，前馈偏置可不必设置 l 与与 的确定：稳态有的确定：稳态有 假设：蒸汽、给水的流量变送器量程是假设：蒸汽、给水的流量变送器量程是DmaxDmax、WmaxWmax 由于存在排污等消耗，有由于存在排污等消耗，有 用于物料平衡及确定前馈作用的强弱用于物料平衡及确定前馈作用的强弱 l 越大，前馈作用越强，相应的阀门开度变化也越大越大，前馈作用越强，相应的阀门开度变化也越大 l液位无余差条件：满足比值关系及采用比例积分控制器液位无余差条件：满足比值关系及采用比例积分控制器 W D DFWC II 1 W D 1 ; WMAX D

18、FWCDW MAXMAXDMAX WDW II DWD D 三冲量水位简化控制方案二三冲量水位简化控制方案二 l整个控制系统是串级加前馈控制系统整个控制系统是串级加前馈控制系统 l采用静态前馈，主控制器是液位控制器，副控制器是比例度采用静态前馈，主控制器是液位控制器，副控制器是比例度100%100% （1 1：1 1）的纯比例控制器）的纯比例控制器 l 引入给水量，因此，前馈偏置可不必设置引入给水量，因此，前馈偏置可不必设置 l 与与 的确定：稳态有的确定：稳态有 l假设：蒸汽、给水的流量变送器量程是假设：蒸汽、给水的流量变送器量程是DmaxDmax、WmaxWmax l由于存在排污等消耗，有

19、由于存在排污等消耗，有 l用于物料平衡及确定前馈作用的强弱用于物料平衡及确定前馈作用的强弱 l 越大，前馈作用越强，相应的阀门开度变化也越大越大，前馈作用越强，相应的阀门开度变化也越大 l液位无余差条件：采用比例积分控制器液位无余差条件：采用比例积分控制器 W D DFWC II 1 W D 1 ; WM AX DFWCDW M AXM AXDM AX WDW II DWD D 6.2 锅炉汽包水位控制锅炉汽包水位控制 锅炉水位控制系统的应用示例锅炉水位控制系统的应用示例 采用可编程调节器采用可编程调节器KMMKMM实现实现 注意事项：注意事项： 液位检测信号的故障诊断及报警液位检测信号的故障

20、诊断及报警 三冲量控制与单冲量控制的相互三冲量控制与单冲量控制的相互 切换切换 前馈偏置信号的设置前馈偏置信号的设置 自动和串级控制的无扰动切换自动和串级控制的无扰动切换 采用静态前馈和串级反馈控制采用静态前馈和串级反馈控制 6.3 6.3 蒸汽过热系统的控制蒸汽过热系统的控制 v 蒸汽过热系统包括蒸汽过热系统包括一级过热器一级过热器、减温器减温器、二级过热器二级过热器。 v 蒸汽过热系统的控制任务是使蒸汽过热系统的控制任务是使过热器出口温度维持在允许范围过热器出口温度维持在允许范围 内内 , , 并保护过热管管壁温度不超过允许的工作温度并保护过热管管壁温度不超过允许的工作温度。 v 影响过热

21、器出口温度的主要因素有影响过热器出口温度的主要因素有 : : 蒸汽流量蒸汽流量、燃烧工况燃烧工况、引、引 入过热器的蒸汽热焰入过热器的蒸汽热焰 ( ( 减温水量减温水量 ) ) 、流经过热器的烟气温度、流经过热器的烟气温度 和流速等。过热器出口温度的各个动态特性都有时滞和惯性和流速等。过热器出口温度的各个动态特性都有时滞和惯性 , , 因此因此 , , 选择合适的操纵变量和合理的控制方案十分必要。选择合适的操纵变量和合理的控制方案十分必要。 6.3 6.3 蒸汽过热系统的控制蒸汽过热系统的控制 一一 系统分析系统分析 1被控变量：过热器出口温度被控变量：过热器出口温度 2操纵变量：减温水流量操

22、纵变量：减温水流量 3扰动：蒸汽流量、减温水热、燃烧情况、烟气温度及流速等扰动：蒸汽流量、减温水热、燃烧情况、烟气温度及流速等 二控制方案二控制方案 1简单控制系统：简单控制系统： 2串级控制系统：串级控制系统： 副被控变量：减温器出口温度副被控变量：减温器出口温度 有效克服进入副环干扰，响应快，控制品质改善有效克服进入副环干扰，响应快，控制品质改善 3双冲量控制系统：双冲量控制系统： 减温器出口温度的微分减温器出口温度的微分 这是串级控制系统的变型这是串级控制系统的变型 6.4 6.4 燃烧控制系统燃烧控制系统 一一 燃烧控制的任务燃烧控制的任务 二二 燃烧过程的控制燃烧过程的控制 1 燃烧

23、过程基本控制燃烧过程基本控制 2双交叉燃烧控制双交叉燃烧控制 三三 燃烧过程中烟气氧含量闭环控制燃烧过程中烟气氧含量闭环控制 1 锅炉的热效率锅炉的热效率 2 烟气含氧量的闭环控制系统烟气含氧量的闭环控制系统 四炉膛负压控制及安全控制系统四炉膛负压控制及安全控制系统 1炉膛负压控制系统炉膛负压控制系统 2安全联锁控制系统安全联锁控制系统 五五 锅炉控制的实例锅炉控制的实例 1燃烧过程的控制燃烧过程的控制 2.汽包水位的三冲量控制系统汽包水位的三冲量控制系统 6.4 6.4 燃烧控制系统燃烧控制系统 二、燃烧过程的控制二、燃烧过程的控制 1.1.燃烧过程简单控制方案：燃烧过程简单控制方案： 蒸汽

24、压力控制和燃烧与空气的比值控制蒸汽压力控制和燃烧与空气的比值控制 空气量与燃料组成比值控制空气量与燃料组成比值控制 控制系统特点：控制系统特点： 方案简单，实施方便方案简单，实施方便 蒸汽负荷增大时，先开燃料再开空气，会冒黑烟蒸汽负荷增大时，先开燃料再开空气，会冒黑烟 系统的响应较慢系统的响应较慢 使燃料燃烧产生的热量适应蒸汽负荷需求，并保证锅炉经使燃料燃烧产生的热量适应蒸汽负荷需求，并保证锅炉经 济和安全运行。为此应保证：济和安全运行。为此应保证： 蒸汽压力恒定：蒸汽压力恒定： 调节燃料流量调节燃料流量 经济燃烧：经济燃烧： 调节送风量调节送风量 炉膛负压：炉膛负压： 调节抽风量调节抽风量

25、一、一、 燃烧控制的任务燃烧控制的任务 6.4 6.4 燃烧控制系统燃烧控制系统 二、燃烧过程的基本控制方案二、燃烧过程的基本控制方案 基本控制方案一：基本控制方案一： 蒸汽压力与燃料量组成串级控制蒸汽压力与燃料量组成串级控制 燃料量与空气量组成比值控制燃料量与空气量组成比值控制 特点：特点： 空气量的变化滞后燃料的变化空气量的变化滞后燃料的变化 对完全燃烧缺乏衡量指标对完全燃烧缺乏衡量指标 基本控制方案二：基本控制方案二： 蒸汽压力与燃料量组成串级控制蒸汽压力与燃料量组成串级控制 蒸汽压力与空气量组成串级控制蒸汽压力与空气量组成串级控制 特点：特点： 较难实现燃料量与空气量的正确配比较难实现

26、燃料量与空气量的正确配比 对完全燃料缺乏衡量指标对完全燃料缺乏衡量指标 6.4 6.4 燃烧控制系统燃烧控制系统 逻辑提量和逻辑减量控制系统：逻辑提量和逻辑减量控制系统： 采用负荷增加（提量）时，先提空气，后提燃料采用负荷增加（提量）时，先提空气，后提燃料 负荷减少（减量）时，先降燃料，后降空气的逻辑比值控制负荷减少（减量）时，先降燃料，后降空气的逻辑比值控制 特点：特点： 满足环保要求，不冒黑烟满足环保要求，不冒黑烟 可增加烟气含氧量控制器，组成变比值控制可增加烟气含氧量控制器，组成变比值控制 二、燃烧过程的控制二、燃烧过程的控制 燃烧控制系统燃烧控制系统 双交叉燃烧控制系统双交叉燃烧控制系

27、统 以蒸汽压力为主被控变量，燃料量和空气量以蒸汽压力为主被控变量，燃料量和空气量 并列为副被控变量的串及控制燃料量和空气量并列为副被控变量的串及控制燃料量和空气量 是有一定逻辑关系的比值控制是有一定逻辑关系的比值控制 稳定工况：稳定工况： PVPV1 1=SP=SP1 1；PVPV2 2=SP=SP2 2；OP=SPOP=SP1 1；SPSP2 2=K=K* *OPOP； 所以，所以，PVPV2 2=K=K* * PV PV1 1 负荷增加：负荷增加： OPOP，SPSP1 1受受LSELSE1 1限制，最大增量限制，最大增量K K1 1 SP SP2 2受受LSELSE2 2限制，最大增量限

28、制，最大增量K K4 4K K 因因K K4 4K KK K1 1，故，故SPSP1 1 增加较增加较SPSP2 2 要小即负荷要小即负荷，空气增量大于燃料增量，空气增量大于燃料增量 当当PVPV2 2增加后，才使增加后，才使SPSP1 1增加，即空气增加，即空气，再燃料，再燃料，再空气，再空气，再燃料，再燃料 负荷减少：负荷减少： OPOP，SPSP1 1受受LSELSE1 1限制，最大减量限制，最大减量K K2 2 SP SP2 2受受HSEHSE2 2限制，最小减量限制，最小减量K K3 3K K 因因K K3 3KKKK2 2，故，故SPSP1 1 减少较减少较SPSP2 2 要大即负

29、荷要大即负荷，燃料减量大于空气减量，燃料减量大于空气减量 当当PVPV1 1减少后，才使减少后，才使SPSP2 2减少，即减少，即OPOP，再燃料，再燃料，再空气，再空气，再燃料，再燃料 6.4 6.4 燃烧控制系统燃烧控制系统 三、燃烧过程中烟气氧含量闭环系统三、燃烧过程中烟气氧含量闭环系统 衡量燃烧的质量控制：衡量燃烧的质量控制：由于流量测量有误差，燃料成分（热值）有由于流量测量有误差，燃料成分（热值）有 变化，生产负荷有不同，因此需要有衡量燃烧完全程度的质量指标变化，生产负荷有不同，因此需要有衡量燃烧完全程度的质量指标 锅炉燃料的热效率：锅炉燃料的热效率：用烟气含氧量和烟气温度反映用烟气含氧量和烟气温度反映 烟气含氧量的分析：烟气含氧量的分析： 理论空气量理论空气量QT: QT: 燃料完全燃烧所需的空气量燃料完全燃烧所需的空气量 实际空气量实际空气量QP: QP: 实际使燃料完全燃烧所需的空气量实际使燃料完全燃烧所需的空气量 过剩空气系数过剩空气系数：实际空气量：实际空气量QPQP与理论空气量与理论空气量QTQT之比之比 过剩空气量与能量损失的关系：过剩空气量与能量损失的关系