锅炉燃烧过程控制系统设计毕业设计

1、锅炉燃烧过程控制系统设计毕业设计锅炉燃烧过程控制系统设计摘要锅炉是化工、炼油、发电等工业生产 过程中必不可少的重要的动力设备之一。而锅炉燃烧所用的煤炭、重油等 又是极其重要的战略资源，不可再生。因此锅炉的燃烧控制相当重要，控制 不好将造成资源浪费、环境污染和效益低下。要使锅炉燃烧达到最佳的燃 烧状态，锅炉燃烧控制系统对锅炉的燃烧过程进行自动化控制是至关重要 的。燃烧控制系统是电厂锅炉的主控系统，主要包括燃料控制系统、风量 控制系统、炉膛压力控制系统。目前大部分电厂的锅炉燃烧控制系统仍然 采用PID控制。燃烧控制系统由主蒸汽压力控制和燃烧率控制组成串级控制系统，其 中燃烧率控制由燃料量控制、送风

2、量控制、引风量控制构成，各个子控制 系统分别通过不同的测量、控制手段来保证经济燃烧和安全燃烧。本文通 过对整个燃烧系统的分析和研究，分别确定了锅炉燃烧控制系统中的主蒸 汽压力控制系统和炉膛负压控制系统的控制方案，然后对其控制规律及参 数进行选择和整定。在仪表选型时，采用了先进的数字式仪表，井以PID 控制来实现，最后可达到锅炉安全、经济、高效的运行。论文详细介绍了锅炉控制系统的设计，其中包括硬件结构、系统主要 功能、系统硬件配置、软件设计原则、主程序流程等。系统投入运行后， 锅炉的燃烧效率和稳定运行情况都有了明显改善，有利于锅炉高效稳定运 行，实现增产降耗的目标。随着人们生活水平的提高，对能源

3、的需求量急剧增大，锅炉的数量也 就越来越多。锅炉的广泛使用也带来许多问题，诸如：（1）大量的非再生一次能 源被消耗，能源枯竭问题令人忧虑；（2）CO2等温室气体的排放，虽然会有利于植物生长，增加粮食产量，但会使地球变暖，冰山融化，海平 面升温，威胁人类的生存空间；（3）烟尘SO某,NO某,痕量重金属，二恶英等有害物质的排放，威胁人类以及动、植物的生长和生存。随着人类征服自然和改造自然的能力增强，大自然也对人类进行了惩 罚，我国西部，特别是西北地区存在的严重水土流失、土地沙漠化、草场 退化、沙尘暴频繁发生等就是特例。这些自然灾害已成为可持续发展的一 个障碍，正在缩小我们的生存和发展空间。目前，世

4、界各国都在致力于高效、低污染过路的研究和开发工作，力 求使得优于锅炉燃烧而对环境造成的破坏追小化。各种工业的生产性质与 规模不同，工业和民用采暖的规模大小也不一样，因此所需的锅炉容量， 蒸汽参数，结构，性能方面也不尽相同。锅炉是供热之源，锅炉机器设备 的任务在于安全，可靠，有效地把燃料的化学能转化成热能，进而将热能 传递给水，以生产热水和蒸汽。为了提高热量及效率，锅炉向着高压，高 温和大容量等方面发展。供热锅炉除了生产工艺有特殊需求外，所生产的 热水不需要过高的压力和温度，容量也无需很大。为了提高工业锅炉的热效率，降低燃烧对环境造成的污染，燃烧过程 控制成为一个重要的研究课题。其控制效果的好坏

5、，效率的高低，一直倍 受工业界的关注。锅炉的自动控制经历了三、四十年代的参数仪表控制， 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 计算机技术的发展，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普及和应用。锅炉燃烧优化最早是以提高锅 炉燃烧安全性和经济性为目标的。早在20世纪70年代，我国就开始了对 锅炉燃烧优化技术的研究。如我国开发的氧化锆氧量计，一次风速监测系 统等都属于早期的锅炉燃烧优化产品。20世纪80年代末期和90年代初 期“随着我国电厂“节能降耗”措施的推行，电厂开

6、始普遍关注锅炉燃烧 优化技术，通过燃烧优化降低锅炉煤耗“提高火电厂发电效率。20世纪 90年代中期和末期，随着测量技术的发展，许多企业研制开发了一系列 重要的影响锅炉燃烧参数的在线量仪表，如飞灰含碳量在线检测装置，煤 粉浓度细度在线检测装置，煤质成分在线检测装置，锅炉火焰监测系统等。同期，随着人工智能技术的发展，在分散控制系统DCS层面上控制逻 辑的优化，先进的人工智能技术在锅炉燃烧优化上应用的研究也开始受到 了广大科研人员的关注。20世纪90年代末期，随着社会对环境的关注， 电站锅炉燃烧优化已由最初的以安全性，经济性为目标的优化发展到经济 性和安全性，环保并举的时期。电子信息技术人工智能技术

7、给电站锅炉燃烧优化注入了新的活力，锅 炉燃烧优化技术进入新的快速发展时期。电厂锅炉利用煤的燃烧发热，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。锅炉燃烧自动控制系统的基本任务是使燃料燃烧所提供的热 量适应外界对锅炉输出的蒸汽负荷的需求，同时保证锅炉的安全经济运行。 锅炉燃烧过程自动控制主要包括三项控制内容：控制燃料量、控制送风量、 控制引风量。为实现对燃料量、送风量和引风量的控制，相应的有三个控 制系统，即燃料量控制系统、送风量控制系统和引风量控制系统。以上三 个控制系统之间存在着密切的相互关联，要控制好燃烧过程，必须使燃料量、 送风量及引风量三者协调变化

8、。以主蒸汽压力控制系统为主回路，燃烧率 控制系统为内回路，通过传感器采集炉膛压力，含氧量和炉膛负压来调节 锅炉的给煤量，送风量和引风量从而达到最佳热效率。燃烧控制系统是电 厂热工控制的重要组成部分，目前大部分电厂的锅炉燃烧控制系统仍然采 用PID控制。燃烧控制系统由主蒸汽压力控制和燃烧率控制组成控制系统， 其中燃烧率控制由燃烧量控制、送风量控制、引风量控制三个子系统构成。 锅炉生产燃烧系统自动控制的基本任务是使燃料所产生的热量适应蒸汽负 荷的需要，同事还要保证经济燃烧和锅炉的安全运行。具体控制任务可分 为三个方面：一要稳定蒸汽母管压力。二要维持锅炉燃烧的最佳状态和经 济性。三要维持炉膛负压在一

9、定范围。这三者是相互关联的【2】。随着生产的发展，锅炉日益广泛的应用于工业生产的各个领域，成为 发展国民经济的重要热工设备之一。在现代的建设中，能源的需求是非常 大的，然而我国能源的利用率极低，所以提高锅炉的热效率具有极为重要 的实际意义。此外，锅炉是否因地制宜地有效地燃用地方燃料，并满足环 境保护的各项要求而努力解决烟尘污染问题，以提高操作管理水平，减轻 劳动强度，保证锅炉额定运行及运行效率，安全可靠的供热等课题。本课题主要方向是采用过程控制对锅炉进行控制，采用先进的控制算 法，以达到优化技术指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产率、 节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生、提高市场竞争能

10、力的作用。第二章锅炉的组成及工作原理2.1锅炉的基本构造锅炉燃烧过程自动 控制系统的任务是控制燃料燃烧过程，使燃料燃烧所提供的热量适合外界 对锅炉输出的蒸汽负荷的需求，同时保证锅炉的安全经济运行。【3】锅 炉是一种产生蒸汽或热水的热交换设备。它通过燃料的燃烧释放大量热能， 并通过热传递把能量传递给水，把水变成蒸汽或热水，蒸汽或热水直接供 给工业和生活中所需要的热能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能 有效的转化为蒸汽的热能。图1.1为简单锅炉的大体组成部分。锅炉的主要设备包括气锅、炉子、炉膛、锅筒、水冷壁、过热器、省 煤器、燃烧设备、引风设备、送风设备、给水设备、空气预热器、水处理 设备、燃

11、料供给设备以及除灰除尘设备等。气锅：由上下锅筒和三簇沸水管组成。水在管内受管外烟气加热，因 而管簇内发生自燃的循环流动，并逐渐气化，产生的饱和蒸汽积聚在上锅 筒里面。炉子：是是燃烧从充分燃烧并释放出热量的设备。炉膛：保证燃料的充分燃烧，并使水流受热面积达到规定的数值。锅筒：使自然循环锅炉个受热面能适应负荷变化的设备。（须指出， 直流锅炉内无锅筒。） 水冷壁：主要是辐射受热面，保护卢比的作用。过热器：是将气锅所产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。 过热器一般都装在炉膛出口。省煤器：是利用余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。 采用省煤器后，降低了排烟温度，提高了锅炉效率，节省了燃料

12、。同时， 由于提高了进入汽包的给水温度，减少了因温差而引起汽包壁的热适应力， 从而延长了汽包的使用寿命。燃烧设备：将燃料和燃烧所需的空气送入炉膛并使燃料着火稳定，充 分燃烧。燃烧设备主要有磨煤机、给煤机、燃烧器、风机等【4】。引风设备：包括引风机、烟道和烟囱等几部分。用它将锅炉中的烟气 连续排出。送风设备：包括有鼓风机和分道组成。用它来供应燃料所需的空气。给水设备：由水泵和给水管组成。空气预热器：是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所 需要的空气，是一个换热器。省煤器出口烟温度高，装上空气预热器后， 可以进一步降低排烟温度，也可改善燃料着火和燃烧条件，降低不完全燃 烧所造成的损失，提

13、高锅炉机组的效率。水处理设备：其作用是为清除水中的杂质和降低给水硬度，以防止在 锅炉受热面上结水垢或腐蚀。燃料供给设备：由运煤设备、原煤仓和储煤斗等设备组成，保证锅炉 所需燃料供应。除灰除尘设备：是收集锅炉灰渣并运往储灰场的设备【5】。此外，出了保证锅炉的正常工作和安全，蒸汽锅炉还必须装设安全阀、 水位表、高低水位报警器、压力表、主汽阀、排污阀和止污阀等，还有用 来消除受热面上积灰的吹灰器，以提高锅炉运行的经济型。图2.1过炉控制系统硬件组成图2.2锅炉的工作原理及过程锅炉是一 种生产蒸汽的换热设备。它通过煤、由或燃气等的燃烧释放出化学能，并 通过传热过程将能量传递给水，使水转变为蒸汽，蒸汽直

14、接供给工业生产 中所需的热能，或通过蒸汽动力机，嫩而过转变为机能，或通过汽轮发电 机转变为电能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能最有效的转变为 蒸汽的热能。因此，近代锅炉亦称为蒸汽发生器。调节系统在蒸汽锅炉热工燃烧时有着很大的辅助作用，能够为燃烧环 节提供必要的环境，协调好每个步骤的有序进行【6】.锅炉的工作过程概 括起来应该包括三个同时进行的过程：燃料的燃烧过程、水的气化过程、 烟气向水的传热过程。2.2.1燃料的燃烧过程首先将燃料（这里用煤）加到煤斗中，借助于 重力下落在炉膛排面上，炉排接电动机通过变速此轮箱减速后有链轮来带 动，将燃料煤带入炉内。燃料一面燃烧，一面向后移动燃料所需要的

15、空气 是由风机送入炉排腹中风仓后，向上穿过炉排到达燃料层，进行燃料反应 形成高温烟气。燃料燃烧剩下的灰渣，在炉排末端翻过除渣板后排入灰斗， （若是燃气式锅炉就没有这一部分了）这整个过程称为燃烧过程。2.2.2水的汽化过程水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水 循环和水分离过程。经处理的水由水泵加压，先流经省煤器而得到预热， 然后进入气锅。锅炉工作时气锅的工作介质是处于饱和状态的汽水混合物。 位于烟温较低区段的对流管束，因受热较弱，汽水工质的容量较大，而位 于烟温较高区段的对流管束，因受热强烈，相应的汽水工质的容量较小， 从而量大的工质则向上流入下锅筒，而容量小的工质则向上流入上锅筒， 形成

16、了锅水的自然循环。蒸汽所产生的过程是借助于上锅筒内设的汽水分离装置。以及在锅筒 本身空间的重力分离力作用，使汽水混合物得到分离。蒸汽在上锅筒顶部 引出后，进入蒸汽过热器，而分离出来的水仍回到上锅筒下半部的水中。 锅炉中的水循环，也保证与高温烟气相接处的金属受热面的冷却而不被烧 坏，是锅炉能长期安全运行的必要条件。而汽水混合物的分离设备则是保 证蒸汽品质和蒸汽过热可靠工作的必要设备。2.2.3烟气向水传热过程由于燃料的燃烧放热，炉内温度很高在炉膛 的四周墙面上，都布置一排水管，俗称水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强 烈的辐射换热，将热量传给管内工质水。继而烟气受引风机和烟囱的引力 而向炉膛上方流动。

17、烟气从炉膛出口掠过放渣管后，就冲刷蒸汽过热器， 一组垂直放置的蛇形管受热面，使气锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加 热而得到的过程。烟气流经过过热器后掠过胀接在上、下锅筒间的对流管 束，在管束间设置了折烟墙使烟气呈“S”型曲折地横向冲刷，再次以对 流换热的方式将热量传递给管束的工质。沿途逐渐降低温度的烟气最后进 入胃部烟道，与省煤器和空气预热器内的工质进行热交换后，以经济的较 低的烟温排出锅炉。省煤器实际上同给水预热器和空气预热器一样，都设 置在锅炉尾部（低温）烟道，以降低排烟温度提高锅炉效率，从而节省了 燃料。以上就是一般锅炉工水的过程，一个锅炉进行工作，其主要任务 是：（1）要使锅炉出口压力

18、稳定。（2）保证燃烧过程的经济型。（3）保持锅炉负压恒定。通常我们是路膛负压保持在微负压（-10一 80Pa）。为了完成上述三项任务，我们对三个量进行控制：燃料量，送风量， 引风量。从而使锅炉能正常运行。第三章锅炉燃烧控制系统设计3.1锅炉燃烧控制系统的任务锅炉燃烧 系统的控制与燃料种类、燃烧设备以及锅炉形式等有密切关系。锅炉燃烧 控制系统的设计过程中，控制方案选择的好坏对实控制目的起到了非常重 要的作用【7】。由锅炉燃烧理论可知，对燃煤锅炉热效率影响较大且可变 的热损失主要有排烟热损失、机械不完全燃烧热损失、化学不完全燃烧热 损失【8】。现侧重以燃煤锅炉来讨论燃烧过程的控制。燃烧过程的控制

19、基本要求有三个： 第一、保证出口蒸汽压力稳定，能按负荷要求自动增 减燃料量；第二、燃烧良好，供气适宜，既要防止由于空气不足使烟囱冒黑烟，也不因空气过量而增加热量；第三、保证锅炉安全运行。在该控制系统中，可选用的操纵变量也由3个: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;使燃料与空气量之间保持一定的比值，保证燃烧的经济性和锅炉的安 全运行；使引风量与送风量相适应，保持炉膛一定的负压，以免负压太小， 甚至为正，造成炉膛内热烟气往外冒出，影响设备和工作人员的安全;如 果负压过大，会使大量冷空气漏进炉内，从而使热量损失增加。此外，还 需防止燃烧嘴背压太

20、高时脱火，燃烧嘴背压太低时回火的危险。锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性的相互关联的复杂的控 制系统，调节参数与被调节参数之间，存在着许多交叉的影响，调节难度非 常大。我们将系统控制分散成给煤控制，送风控制，汽包液位控制,炉膛负 压控制等一系列闭环控【11】。3.2.1主蒸汽压力控制系统本炉采用中间储仓式制粉系统，其特点是 制粉系统出力的变化并不直影响锅炉的负荷。当锅炉负荷发生变动时，是 通过改变给粉机转速进行的。当锅炉负荷变化，调节给粉机转速时，给粉量的增减应缓慢进行，调 节范围不易太大。若转速过高，不但会因煤粉浓度过大堵塞一次风管，而 且容易使给粉机超负荷。若转速过低，则在炉膛温度不

21、太高的情况下，由 一于浓度不足，着火不稳，容易发生熄火。给粉机的转速控制在300 一 800r/min的范围内。调整给粉机转速的同时，应注意调整送、弓风量， 保持汽压和汽温的稳定。增加负荷时，先增加风量，随之增加给粉量;减 负荷时，先减少给粉量，随之减少风量，并使同层给粉机的下粉量一致， 以便于配风。当外界负荷变化而需要调节锅炉出力时，随着燃料量的改变，锅炉的 风量也需要作出相应的调节。在锅炉运行中，实际进入炉内的空气不可能全部与燃料接触并发生完 全反应。为了减少化学不完全燃烧热损失和烟气热损失，获得良好的燃烧 效率，实际送入炉内的空气量通常比理论计算空气量多一些，两者之比称 为过量空气系数a

22、。过量空气系数的控制是通过烟气分析仪测量烟气中 的02成分来实现的。由一于目前普遍采用氧量计，过量空气系数a与烟 气中O2含量关系如式3 1所示：（3-1）式中02 一烟气中的含氧量，；a 一过量空气系数。因此运行人员可直接根据氧量表的数值来控制送入炉膛内空气量，而 不必换算过量空气系数。从运行经济来看，在一定范围内，随着炉膛内过量空气系数的增大， 可以改善燃料与空气的接触和混合，有利于完全燃烧，使化学不完全燃烧 损失降低。但是，当过量空气系数过大时，则因炉膛温度降低和烟气流速 加快使燃烧时间缩短，可能使不完全燃烧损失反而增加，而烟气热损失 则总是随着过量空气系数的增大而增加的。所以，过量空气

23、系数过大时， 锅炉总的热损失就要增加，与此同时，还将使送、引风机的电耗增大。合 理的过量空气系数应使各项热损失之和为最小。从锅炉工作的安全性来看，炉内过量空气系数过小，会使燃料燃烧不 完全，造成烟气中含有较多的未燃尽炭黑和一氧化碳可燃气体等，在尾部 烟道可能发生可燃物在燃烧。由一于灰分在还原性气体中熔点降低，易引 起炉内结渣以及高温硫腐蚀等不良后果。过大的过量空气系数使煤粉炉受 热面管子和引风机叶片的磨损加剧，影响设备的使用寿命。此外，过量空 气系数增大时，由一于过剩氧的相应增加，将使燃料中的硫形成三氧化硫， 烟气露点也相应提高，从而使空气预热器发生腐蚀。同时，烟气中的氧化 氮也将增多，影响排

24、放指标。总之送风量过大或过小都会给锅炉的安全运 行带来不良的影响。锅炉总风量的调节是通过改变送风机的出力来实现的。本炉所使用的 送风机为轴流风机，通过改变风机动叶角度来调节风量。在锅炉的风量控 制中除了改变总风量外，一、二次风的配合调节也是十分重要的。一、二 次风的风量分配应根据它们所起的作用进行调节。一次风量应已能满足进 入炉膛的分粉混合物挥发燃烧及固体焦炭的氧化需要为原则，二次风量不 仅应满足燃烧需要，而且还应起到补充一次风末段空气量不足的作用。此 外，二次风应能与进入炉膛的可燃物充分混合，这就需要较大的二次风速， 对高温火焰起到搅拌混合的作用，以强化燃烧。当两台风机均运行时，在调节风量的

25、过程中，通常应同时改变两台风 机的风量，并注意观察电动机的电流以及风机出口压和风量是否同步变化， 并防止轴流风机进入不稳定区域运行。风量调节时，还应通过炉膛出口氧 量的变化，来判定是否己满足需要。高负荷情况下，还应注意防止电动机 的电流。3.2.2炉膛压力控制系统炉膛压力是反应燃烧上况稳定与否的重要参 数。炉内燃烧工况一旦发生变化，炉膛压力将迅速发生相应的变化。当 锅炉的燃烧系统发生故障时，最先将在炉膛压力的变化上反应出来，而后 才是蒸汽参数的一系列变化。因此，监视和控制炉膛压力，对于保证炉内 燃烧工况的稳定具有及其重要的意义。炉膛负压过大，将会增加炉膛和烟道的漏风，锅炉在低负荷或燃烧. 工况

26、不稳的情况下运行时，便有可能由于漏入冷风而造成燃烧恶化，甚至 发生锅炉熄灭。反之，若炉膛压力偏正，则炉膛内的高温火焰就有可能外 喷，不但影响环境卫生还将造成设备损坏或引起人身事故。运行中引起炉膛负压波动的主要原因是燃烧工况的变化。为了使炉内 燃烧连续进行，必须不间断的向炉膛供给燃料燃烧所需的空气，并将燃烧 后产生的烟气及时排走。在燃烧产生烟气及其排放的过程中，如果排出炉 膛的烟气量等于燃烧产生的烟气量，则进、出炉膛的物质保持平衡，此时 炉膛负压就相对保持不变。若上述平衡遭到破坏，则炉膛负压就要发生变 化。例如在引风量未变时，增加送风量，就会使炉膛出现正压。运行中即使送、引风量保持不变，由于燃烧

27、工况总有小量的变化，故 炉膛压力总是波动的。当燃烧不稳时，炉膛压力将产生剧烈的波动，炉膛 风压表相应作大幅度的剧烈晃动。运行经验表明;当炉膛压力发生剧烈波 动时，往往是熄火的顶兆，这时必须加强监视炉内燃烧上况，分析原因， 并及时进行调整和处理。当燃料量发生变化时，炉膛燃烧发热量也立即发 生变化，此时向调节器发出的热量信号也会随之变化,调节器调节燃料量使 之恢复正常。这样，就不会由于燃料量扰动而引起汽包压力发生过大变化 【12】。炉膛压力通常是通过改变引风机的出力来调节的。引风机的风量调节 方法要求和送风机基本相同。3.3锅炉燃烧控制系统中被控变量的选择被控变量的选择是控制系统 设计的核心问题，

28、选择得正确与否，会直接关系到生产的稳定操作、产品 产量和质量的提高以及生产安全与劳动条件的改善等。如果被控变量选择 不当，不论采用何种仪表，组成什么样的控制系统，都不能达到顶期的控 制效果，满足不了生产的技术要求。为此，自控设计人员必须深入生产实 际，进行调查研究，只有在熟悉生产上艺的基础上才能正确的选择相互 被控变量【13】。在锅炉燃烧控制系统中包含两个控制系统:主蒸汽压力控制系统和炉 膛压力控制系统，而主蒸汽压力又由主蒸汽压力与燃料流量构成的燃料 控制系统和燃料流量与空气流量构成的送风控制系统组成;炉膛压力的变 化主要是由引风量的调节来实现的，所以有时，也可以把炉膛压力控制系 统称为引风控

29、制系统。如果想要对该系统进行高效、精确的控制，首先得 依次对这三个子控制系统进行被控变量的选择。在燃料控制系统中，要完 成的任务是使燃料流量的变化要随着蒸汽负荷的变化而变化，所以很明显 的可以看出在该系统中，被控变量是蒸汽压力（负荷），操纵变量是燃料量; 在送风控制系统中，要求保持合理的风、煤配合，才一能使锅炉经济的燃 烧，所以该控制系统的被控变量是烟气成分，操纵变量是送风量;在引风 控制系统中，主要的目的是使炉膛负压能够保持在一定的范围内，从而保 证锅炉的安全运行，所以它的控制变量是炉膛负压，操纵变量是引风量。3.4锅炉燃烧控制系统的控制方案3.4.1主蒸汽压力控制系统方案的 确定蒸汽压力的

30、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， 系统方框图如下：图3.2蒸汽压力控制燃料量的单回路控制系统方框图但 是，从上图我们明显的可以看出：当燃料流量波动较大时，等到主蒸汽压 力控制器感受到这样的偏差去控制调节阀时，燃料量已不是原来的流量了， 所以对它的控制总是存在着一定的偏差和滞后的。所以，要对燃料流量设 置一个调节器，让它对干扰进行快速的控制，这便构成了一个串级控制系 统。图3.2蒸汽压力控制燃料量的串级控制系统方框图当燃料量改变时， 必须相应的改变送风量，使燃料量与空气量的比值达到一个最优比以保证 锅炉燃烧的经

31、济性。在这里，不管燃料量还是送风量都应该是可控制的， 所以采用的是双闭环比值控制系统，它在提降量上也是很方便的，只要缓 慢的改变主流量的给定值，就可以提降主流量，同时副变量也就跟踪提降， 并保持两者比值不变。在该系统中空气量是随着燃料量变化的，所以燃料 量是主流量，空气流量是副流量。通过上述分析，得到了燃烧过程的基本 控制控制方案如下图3.3燃烧过程的基本控制方案图3.4双闭环比值控制 系统方框图为了使锅炉能够充分且完全的燃烧:在蒸汽量要求增加时，应 先加大空气量，后加大燃料量;在蒸汽量要求减小时，应先减燃料量，后 减空气量。完成该逻辑提降量是依靠系统中设置的两个选择器:高选择器 HS，低选择

32、器LS。如图3.5所示。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输出I1，也等于空气流量变送器的输出呈上空气过 剩系数K后的值I2。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和比值控制组合的系统进行上作。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，而被高选器选中，它直接改变空气流量控制 器的图3.4燃烧过程的改进控制方案给定值，命令空气量增加，也就使 I2开始增加。因此时I2Ip,I2被低选器选中，从

33、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 烧完全。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，蒸汽压力控制器的输出减少，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 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。前面介绍的锅炉燃烧过程的燃料与空气比值控制存在两个不足之处。 首先不能保证两者的最优比

34、，这是由于流量测量的误差以及燃料的质量 （水分、灰分等）的变化所造成的。另外，锅炉负荷不同时，两者的最优比 也应有所不同。为此，要有一个检验燃料与空气适宜配比的指标，作为送 风量的校正信号。通常用烟气中的氧含量作为送风量的校正信号。锅炉的热效率（经济燃烧）最简便的检测方法，是用烟气中的氧含量来 表示。根据燃烧方程式，可以计算出燃料完全燃烧时所需的氧量，从而可 以得出所需的空气量，成为理论空气量场QT。但是，实际上完全燃烧所 需的空气量QP要超过理论空气量QT。即需要一定的过剩空气量。当过剩 空气量增多时，不仅使炉膛温度下降，而且也使最重要的烟气热损失增加。 因此，对不同的燃料，过剩空气量都有一

35、个最优值，即所谓最经济燃烧， 如图3.5所示。对于煤粉燃料，最优过剩空气量约为8%-15%。过剩空气量常用过剩 空气系数a来表示，即实际空气量QP与理论空气量QT之比：（3-2）因 此，a为衡量经济燃烧的一种指标。a很难直接测量，但与烟气中氧含量 有直接关系，可用近似式表示：（3-3）式中AO为烟气中的含氧量。图3.5过剩空气量与能量损失的关系图3.6过剩空气量与O2及锅炉 效率间的关系图3.7烟气中含氧量的闭环控制方案案中，只要把氧含量成 分控制器的给定值，按正常负荷下烟气氧含量的最优值设定，就能使过剩 空气系数a稳定在最优值，保证锅炉燃烧最经济、热效率最高。3.4.2炉膛压力控制系统控制方

36、案确定1.炉膛压力控制系统炉膛负压 控制系统也叫引风控制系统，它的控制一般可通过控制引风量来实现。当 锅炉负荷变化较小时，单回路的控制系统就能满足;但是，当炉膛负荷变 化较大时，单回路就很难控制，因负荷变化后，燃料及送风量均将变化，但引风量只有在炉膛负压产生偏差时，才能由引风控制器去控制，这样引 风量的变化落后于送风量。为此用反映负荷变化的蒸汽压力作为前馈信号， K为静态前馈放大系数。通常把炉膛负压控制在-20Pa左右。2.有关安全保护系统当炉膛负压太小，甚至为正时，会造成炉膛内热 烟气玩外冒出，影响设备和工作人员的安全;如果炉膛负压过大，会使冷 空气漏进炉内，从而使热量损失增加，以要采取相应

37、的安全保护系统。（1）防脱火系统这是一个选择性控制系统，在燃烧背压正常情况下， 由蒸汽压力控制器控制燃料阀，维持锅炉出口蒸汽压力稳定。当燃烧嘴背 压过高时，为避免造成脱火危险，此时背压控制器几P2C通过低选器LS 控制燃料阀，把阀关小，使背压下降，防止脱火。在上图中，低选择器输 出PY与输入信号的关系如下：当PAPa时，PY=PB且 以上两个控制器均为反作用（这是根据系统的要求确定，有关控制器正反 作用的选择问题待后而讨论），其中P1C为正常情况下工作的控制器，P2C 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，燃料压力低于产生脱火的压力（即低于给定值），P

38、2C 感受到的是负偏差，因此，它的输出PB呈现为高信号（因为P2C为反作用。 窄比例）。而与此同时P1C的输出信号相对来说则呈现为低信号。这样， 低选器LS将选中P1C的输出PA送往控制阀，构成蒸汽压力控制系统。当燃料压力上升到超过P2C的给定值（脱火压力）时，P2C感受到的是 正偏差，因此它是反作用、窄比例，因此P2C的输出PB 一下跌为低信号。 于是低悬着器LS就改选P2C的输出PB送往控制阀，构成燃料压力控制系 统，从而控制燃料压力的上升，达到防止脱火的产生。待燃料压力下降到低J几给定值时，PB又迅速上升为高信号，而蒸汽压力控制P1C输出PA相对而言又成为低信号，为低选择器重新选中 送往

39、控制阀，重新构成蒸汽压力控制系统。(2)防回火系统当燃料压力不足时，燃料气管线的压力又可能低于燃 烧室压力，这样就会出现危险的“回火”现象，这会危机燃料气罐发生燃 烧和爆炸，因此必须设法加以防止。为此可以在原有的炉膛负压控制系统中增加一只带下限接点的压力控 制器P3C和一个电磁三通阀。当燃料压力正常时，P3C下限接点是断开的， 电磁阀是失电低选器LS输出直通控制阀，此时系统的工作情况和以上防 止脱火的工作情况相同。一旦燃料压力下降到低于下限值，P3C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，膜头压力将迅速降至零，于是控制阀将关闭，以防 止“

40、回火”产生。当燃料气管线压力慢慢上升到正常值时，P3C接点又复 断开，电磁阀复断开，一于是低选器LS的输出又能直通控制阀，恢复到 正常的工作状态。图3.8路膛负压与安全保护控制系统3.5锅炉燃烧控制系统的实施 3.5.1锅炉燃烧控制系统控制器规律的选择工业用控制器常见的有开关控 制器、比例控制器、比例-积分控制器、比例-微分控制器、比例一积分- 微分控制器。过程工业中常见的被控参数有温度、压力、液位和流量。而 这些参数有些是重要的生产参数，有些是不太重要的参数，控制要求也是 各种各样，因此控制器规律的选择要根据具体情况而定，但是有一些基本 原则可在选择时加以考虑：对于不太重要的参数，例如中间储

41、罐液位、 热量回收预热系统等，控制一般要求不太严格，可考虑采用比例控制，甚 至采用开关控制；(2)对于不太重要的参数，但是惯性较大，又不希望动态 偏差较大，可考虑采用比例-微分控制器，但是对于系统噪声较大的参数， 例如流量，则不能选用比例一微分控制器;(3)对于气比较重要的，控制精 度要求比较高的参数，可采用比例一积分控制器;(4)对于比较重要的，控 制精度要求比较高，希望动态偏差较小、控制对象的时间滞后比较大的参 数，应当采用比例一积分一微分控制器【14】。3.5.2主蒸汽压力控制系统控制器规律的选择在该控制系统中，蒸汽 压力和燃料流量构成的是串级控制系统:在串级控制系统中，主、副控制 器的

42、类型是根据控制的要求进行选择的。串级系统中主变量是生产上艺的 主要操作指标，它直接关系到产品的质量和生产的安全，工艺上对它的要 求比较严格，一般来说，主变量不允许有余差。而对副变量的要求一般都 很不严格，允许它有波动和有余差【15】。因为副变量的稳定并不是目的， 设置副变量的目的就在于保证和提高主变量的控制质量。在干扰作用下， 为了维持主变量的不变，副变量就要变。另外，从串级控制系统的结构上 看，主环是一个定值系统，主控制器起着定值控制作用。为了主变量的稳 定，主控制器必须有积分作用，因此主控制器一般选用比例-积分控制器。 然而副环是一个随动系统，它的给定值跟随主控制器的愉出的变化而变化， 为

43、了能快速跟踪，副控制器不带积分，因为积分会使跟踪变的缓慢。所以 副控制器采用比例控制器。燃料流量与空气流量组成的是双闭环比值控制系统，在该闭环比值控 制系统中，主流量是燃料流量，副流量是空气流量。首先两流量不仅要保 持恒定的比值，而且主流量要实现定值控制，其结果是副流量的设定值也 是恒定的，所以两个调节器均应选比例-积分控制规律。3.5.3炉膛压力控制系统控制器规律的选择在该系统中，炉膛负压是 一个单纯的前馈-反馈控制系统:反馈回路是一个简单的单回路控制系统， 它的对象是炉膛负压，所以该控制器可以选比例一积分控制规律，前馈控 制器则直接选用具有比例作用的控制器;安全保护控制系统是一个混合型 选

44、择性控制系统：一般正常上作的控制器起着保证产品质量的作用，因此， 应选比例积分形式，由一于该控制系统的对象是压力对象，所以不考虑微 分作用；至于在非正常情况工作下的控制器，为了使它能在生产处于不正 常情况时迅速而及时地采取措施，以防事故的发生，其控制规律应选窄比 例式（即比例放大倍数很大）。选择器的类型可以根据生产处于不正常情况 下、非正常情况控制器的输出信号高、低来确定，如果在这种情况下它的 输出为高信号，则应选高选器;如果在这种情况下它的输出为低信号，则 应选低选器。3.6锅炉燃烧控制系统中控制器的正、反作用的选择3.6.1主蒸汽压 力控制系统控制器正、反作用的选择主、副控制器正、反作用的

45、选择顺序 应该是先副后主。副控制器的正、反作用要根据副环的具体情况决定，而 与主环无关。考虑问题的出发点与单回路控制系统相同，即为了使副回路 构成一个稳定的系统，对于副回路可将它视为一个放大倍数为“正”的环 节来看待，因为副回路是一个随动系统，对它的要求是福U变量能快捷的 跟踪给定值。在蒸汽压力和燃料流量构成的串级控制系统中，蒸汽压力控 制器为主控制器，燃料流量控制器为副控制器，当系统处于危险状况时， 燃料阀应处于关闭状态，则阀门为气开阀，所以Kv为正;当阀门开度增加 时，燃料流量增加，所以KO场为正，变送器一直为正，故Km为正；由 KvKoKmKc为正可得Kc为正，所以燃料控制器（副控制器）

46、为反作用控制器， 这样，只根据主对象与主变送器放大倍数的符号就可以确定主控制器的正、 反作用；当阀门打开时，主蒸汽压力上升，所以瑜K01为正，主变送器为 正，Km为正，所以KC1为正，故主压力控制器（主控制器）为反作用控制 器。同理可知空气流量控制器也为反作用控制器。3.6.2炉膛压力控制系统控制器正、反作用的选择在炉膛负压控制系 统中，当该系统处于危险状况时，阀门应处于打开状态，则阀门为气闭阀， 所以Kv为负；当阀门开度增加时，炉膛压力降低，所以KO与为负;变送器 一直为正，故Km为正；由KvKoKmKc为正可得Kc为负，所以炉膛压力控制 器为正作用控制器。在安全保护控制系统的防脱火控制系统

47、中，阀门为气开阀，则Kv为 正;变送器为正，则Km为正。在正常情况下，该系统构成的是蒸汽压力控 制系统，当阀门开度增大时，蒸汽压力增大，则Ko为正，所以由 KvKoKmKc为正，可得Kc为正，所以蒸汽压力控制器为反作用控制器;在 非正常情况下，该系统构成的是燃料气压力控制系统，当阀门开度增大时， 燃料气压力升高，则K01为正，同理可得，燃料压力控制器也为反作用控 制器;在防回火控制系统中，根据同样的方法可得该控制器也为反作用控 制器。3.7锅炉燃烧控制系统的参数整定所谓控制系统的目的，就是对于一 个已经设计并安装就绪的控制系统，通过控制器参数（6、Ti、TD）的调整， 使得系统的过渡过程达到最

48、为满意的质量指标要求。由于蒸汽压力与燃料流量构成的控制系统为串级控制系统，串级控制 系统的整定方法比较多，有逐步逼近法、两步法和一步法等。整定的顺序 是先整副环后整主环，这是它们的共同点。但两步法较为费时，所以采用 一步整定法。所谓一步整定法，就是根据经验现将副控制器参数一次放好， 不再变动，然后按一般单回路系统的方法，直接整定出主控制器参数。一步整定法的依据是:在串级控制系统中，一般来说，主变量是上艺 的主要操作指标，直接关系到产品的质量，因此，对它的要求比较严格。而副变量的设立主要是为了提高主变量的控制质量，对副变量本身没有很 高的要求，允许它在一定的范围内变化。因此在整定时不必将过多的精

49、力 放在副环上，只要主变量达到规定的质量指标要求即可。此外，对一于锅 炉燃烧控制这样一个具体的串级控制系统来说，在一定的范围内，主、副 控制器的放大倍数是可以匹配的，只要主副控制器的放大倍数及Kcl与 Kc2的乘积等于心为主变量呈4:1衰减振荡时的控制器比例放大倍数）， 系统就能产生4:1衰减过程。虽然按照经验一次放上的副控制器参数不一 定适合，但可以通过调整主控制器放大倍数来进行补偿结果仍然可使主变 量呈4:1衰减。人民根据长期的时间和大量的经验积累，总结出对于不同 的副变量情况，副控制器参数可按下表所给出的数据进行设置。表3.1副控制器参数经验设置值副变量类型副控制器比力度6 2/%副 控

50、制器比例放大倍Kc2温度20-605-1.7压力30-703-1.4流量40-802.5- 1.25液位20-805-1.25 一步整定法的具体步骤如下：（1）根据副变量的类 型，按上表的经验值选好副控制器参数，并将其置于副控制器上（副控制 器只用比例调节）；（2）将串级投运后，按单回路系统整定方法直接整定主 控制器参数；（3）观察控制过程，根据K值匹配的原埋，适当调整主控制器 参数，使主变量的品质指标达到规定的质量要求；（4）如果系统出现振荡， 只要加大主、副控制器的任一参数，就可消除，如“共振”剧烈，可先转 入手动，待稳定后，再在比生产“共振”时略大的控制器参数下重新投运 和整定，直到达到

51、满意时为止。由燃料流量与空气流量构成的是双闭环比值控制系统，比值控制系统 的参数整定，关键是先要明确整定要求。双闭环比值的主流量回路为一般 定值系统，可按常规的单回路系统进行整定，该设计所选的是衰减曲线法: 衰减曲线法是在系统闭环情况下将控制器的积分时间Ti放到最大，微分 时间TD放到最小，比例度6放到适当数值（一般为100%）。然后6由大 往小逐步改变，并且每改变一次6值时，通过改变给定值给系统施加一 阶跃干扰，同时观察过渡过程变化情况。如果衰减比大于4:1,6继续减 小当衰减比小于4:1时6应增大，直到过渡过程呈现4:1衰减时为止。 如下图所示。通过上述试验，可以找到4:1衰减振荡时的比例

52、度6及振荡周期T。 在按表3-2给出的经验公式，可以算出采用不用类型控制器使过渡过程出 现4:1振荡的控制器参数值。图3.94:1衰减曲线按表3.2经验公式算出控制器参数后，按照先比 例、后积分、最后微分的程序，依次将控制器参数放好。不过在放积分、 微分之前，应将6放在比计算值稍大（约20%）的数值上，待积分、微分 放好后，再将6放到计算机上。放好控制器参数后可以再加一次干扰， 验证一下过渡过程是否呈4:1衰减振荡。如果不符合要求，可适当调整一 TD表3.2衰减曲线法整定控制器参数经验公式控制器类型控制器参数 6/%Ti/minTD/minP6S-PI1.2 6S0.5TS-PID0.8 6S

53、0.3TS0.1TS 下 6 值， 直到达到满意为止。副流量为随动控制系统，而对少于随动系统，希望从 物料能迅速正确的跟随主物料变化，且不宜有过调，也就是说，要使随动 控制系统达到振荡与不振荡的临界过程，这与一般定值控制系统的整定要 求是不一样的。按照随动控制系统的整定要求，整定方法步骤为：进行比值系数计 算及现场整定；（2）将积分时间置于最大，调整比例度由大到小，找到系统 处一于振荡与不振荡的临界过程为止；（3）适当放宽比例度，一般放大20% 左右，然后把积分时间慢慢减小，找到系统处于振荡与不振荡的临界过程 或微震荡的过程为止。3.8仪表的选择3.8.1变送器的选择变送器的作用是将各种上艺量

54、 （如温度、压力、流量、液位）和电、气信号（如电压、电流、频率、气压 信号等）转换成相应的统一的标准信号（4-20Ma或1-5V）在对主蒸汽压力、 燃料流量和空气流量进行测量时，所选用的变送器型号是1151系列电容 式变送器，它的工作原理:可将生产过程中的液体、气体、蒸汽等介质的 压力、差压、液位、流量等热工参数的变化转换呈中间变量，即AC（差动 电容的变化），在把它转换成4-20mA的直流电流输出信号，送至有关单元 进行显示或控制【16】。3.8.2控制器的选择控制器（或称调节器）将来自变送器的测量值与给 定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分运算，井输出统一标准信 号，去控制执行机构的

55、动作，以实现对温度、压力、液位及其他工艺变量 的自动控制。在该设计中，所选用控制器是AI全通用人土智能调节器， 言有以下特点：（1）人性化设计的操作方法，非常方便易学，并且不同功 能档次的仪表操作相互兼容；（2）包含国际上同类仪表的几乎所有的功能， 通用性强、技术成熟可靠；（3）提供多个型号，无论事要求功能强大，还是 要求价格经济，都能获得满意的经济；（4）全球通用的85 一 264VAC输入范 围开关电源或24VDC电源供电，并具备多种外型尺寸供客户选择;（5）输入 采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精确 稳定。（6）采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功 能；（7 ）采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格，能广泛满足各种应 用场合的需要，交货迅速且维护方便【17】。在该设计中所选的型号是AI-808, AI-808型可替换原来的DD