过程装备控制与仪表课程设计

25吨过热蒸汽燃煤锅炉控制系统设计（燃烧系统自控工程设计）摘要本文是对锅炉燃烧控制系统的设计。锅炉是热电厂最基本也是最重要的设备，使用锅炉就是为了利用其输出的蒸汽，这也是它主要的输出变量之一。在控制算法上，本论文综合运用了比值控制、串级控制、单回路控制等控制方式，实现了引风量控制炉膛负压、燃料量控制调节蒸汽压力、送风量控制调节烟气含氧量，并且有效地克服了彼此的扰动，使整个系统稳定运行。关键词：燃烧控制；串级控制；烟气氧含量一，锅炉燃烧控制系统的组成锅炉燃烧控制系统分为炉膛负压控制系统和主蒸汽压力控制系统。主蒸汽压力控制系统又分为送风控制系统和燃料控制系统。在炉膛负压控制系统中，送风量对炉膛压力的影响很小，炉膛压力主要是靠引风机来调节的，所以有时它也被称作引风控制系统。在整个锅炉燃烧控制系统中，蒸汽压力的变化表示负荷的耗气量与锅炉蒸汽的产生量不相适应，因此需要相应地改变燃料的供应量，从而改变蒸汽的产生量。当燃料量改变时，需要相应地改变送风量，使燃料和空气的量相适应，提高燃烧的经济性。同时，当送风量改变的时侯，也应该相应地改变引风量，这样才能使得炉膛压力保持恒定。二，燃烧控制系统基本控制方案锅炉的燃烧控制对于锅炉的安全、高效运行和节能降耗都具有重要意义，其控制和管理随之要求也越来越高。燃料控制的任务在于进入锅炉的燃料量随时与蒸汽压力要求相适应。因为蒸汽压力是衡量锅炉热量平衡的标志，燃料又是影响蒸汽压力的主要因素，因此蒸汽压力可以作为燃料控制系统的被调量。锅炉蒸汽压力是燃烧过程调节对象的主要被控量，引起蒸汽压力变化的因素有很多，如燃料量、送风量、给水量、蒸汽流量以及各种使燃烧工况发生变化的原因。它受到的主要扰动分为内扰（燃料的变化）和外扰（蒸汽流量的改变）。由于每个系统的输入输出之间都一定的系统延迟，即当输入变化的时候系统输出不能够马上反应其变化从而是系统的控制不及时。三，控制方案的选择（1）基本控制方案一：串级控制以蒸汽压力为被调节量，以燃料量为调节量的串级控制系统设计如图所示。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，必须随着改变送风量，使空气量与燃料量的比值达到一个最优比来保证锅炉的经济性燃烧。在这里，不管是送风量还是燃料量都应该是可以控制的，只要缓慢地改变主流量的给定值，就可以升降主流量，同时副变量也跟着升降，并保持两者的比值不变。在此系统中空气量是跟随燃料量变化的，所以燃料量应该是主流量，而空气量是副流量。变量的选择应遵循以下原则：1）应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁的和幅度大的扰动，并力求包含尽可能多的扰动；2）应使主、副对象的时间常数匹配；3）应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型。串级系统，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。串级控制系统的主回路是一个定值控制系统，在副回路确定后，相当于一个单回路系统，外扰一一蒸汽压力扰动可以在此回路中得到有效抑制。副回路是一个随动系统，能够快速有效地克服二次扰动的影响，因此内-一给煤扰动可以在副回路中得到有效地抑制。同时提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力，改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率。这种方案蒸汽压力的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；而当燃料量波动较大时，可组成整齐压力对燃料流量的串级控制系统。燃料流量是随蒸汽负荷而变化的，因而作为主流量，与空气流量组成比值控制系统，使燃料与空气保持一定的比例，获得良好的燃烧，这是燃烧过程的基本控制方案。正反作用及控制阀的开闭形式选择1）主控制器：选择反作用，因为当阀的开度增大后，燃料的流量增加，阀的开度为+，变送器为+，所以控制器也为+所以控制器选择反作用2）副控制器：选择反作用，因为当阀的开度增大后，蒸汽的温度升高压力增大，阀的开度为+，变送器为+，所以控制器也为+所以控制器选择反作3）控制阀：气开型因为当锅炉出现事故时阀门一定得是关闭的，否则的话在事故出现后阀门是开的话使燃料流出，加重事故。（2）基本控制方案二：燃烧过程中烟气氧含量闭环控制燃烧过程控制保证了燃料和空气的比值关系，但并不能保证燃料的完全燃烧，让了的完全燃烧与燃料的质量（含水量、灰粉等）、热值等因素有关。不同的锅炉负荷下，燃料量和空气量的最佳比值会不同，因此，需要有一个检查燃料完全燃烧的控制指标，并根据该指标控制送风量的大小。衡量燃烧过程是否完全燃烧的常用控制指标是烟气中的含氧量。它在前述方案中基础上,加入了烟道气中氧含量的控制回路。这是一个以烟道气中氧含量为控制目标的燃料流量与空气流量的变比值控制系统，也称烟气氧含量的闭环控制系统。此方案可以保证锅炉的最经济燃烧。前述方案一，虽然也考虑了燃料与空气流量的比值控制，但它不能在整个生产过程中始终保证最经济燃烧。因为其一,在不同的负荷下,两流量的最优比值是不同的;其二,燃料的成分有可能会变化;其三,流量的不准确。这些因素都会不同程度的影响到燃料的不完全燃烧或空气的过量,造成炉子热效率下降。这就是燃料流量定比值控制系统的缺点。为了改善这一情况，最好有一指标来闭环修正两流量的比值。目前最常用的是烟气中的氧含量。烟气含氧量控制系统与锅炉燃烧控制系统一起实现锅炉的经济燃烧闭环控制系统如下图：最优值燃料量空气量蒸汽压力烟气含氧的闭环控制系统该系统采用变比值控制，变比值器的比值由含氧控制器AC输出。当烟气中的含氧量变化时，表明燃烧过程中过剩空气发生变化，因此通过AC及时调节燃料和空气的比值，使燃烧过程达到经济的目的。最优值燃料量空气量蒸汽压力实施时应注意，快速反映烟气含氧量，对烟气含氧量的检测变送系统应选择正确。目前，常选用氧化锆氧量仪表检测烟气中的含氧量。正反作用及控制阀的升闭形式选择1）主控制器：选择反作用，因为当烟气的含氧量增大后，空气量应减小，阀的开度为+，变送器为+，所以控制器也为+所以控制器选择反作用2）副控制器：选择正作用，因为当阀的开度增大后，燃料流量增大，阀的开度为+，变送器为+，所以控制器也为+所以控制器选择正作3）控制阀：气开型因为当锅炉出现事故时阀门一定得是关闭的，否则的话在事故出现后阀门是开的话使燃料流出，加重事故。通过比较上述两种方案，方案一燃料流量是随着蒸汽负荷的变化而变化的，这样可保证蒸汽出口压力的稳定，又可以使燃空比保持不变，系统控制比较简单，使用仪表少。方案二可以保证燃烧过程中燃料与空气比值的最优比，防止由于燃料的质量以及流量测量的误差的变化。另外，锅炉负荷不同时，可以保持燃料与空气的最优比有一定的差别。综合两张方案，最终选择方案二。四，传感器选型本课题采用的是接触式测温方法。选用的是热电阻Pt100传感器。为上海维连电子科技有限公司生产的T-2系列温度传感器。该产品为德国进口芯片，精度高，固定螺纹安装，互换型好。型号为T-2Pt100AGS，所代表的含义是：T-2:基本型号；Pt100：分度号；A：精度等级；G:温度范围（0〜850°C）；S：三线制接法五，变送器选型所选用型号为SBWR/Z2061，技术参数为:测量精度：±0.1%F.S；环境温度影响：±0.1%F.S/C；电源输出二线制：24VDC、4-20mA；长期稳定性：＜1°/F.S/年；负载电阻：0-600Q；电源：24VDC；环境温度：-25C〜+85C；贮存温度：-25C〜+125C；测量介质温度：-200C〜+1600C；响应时间：@10mS；可具有防暴特性。六，执行器：本设计选用的是Honeywell的电动执行器，型号为ML7420A3055-E,其特点是：无需连杆，安装方便快捷，标准导管式接线连接，无需调整，阀门定位准确，低功耗，高的关断压力，终端推力限位开关，同步马达，0〜10VDC或2〜10VDC信号输入，正反作用可选，防腐设计。七，控制系统参数整定滞后产生的主要原因有：系统中设备的物理性质原因，对系统变量的测量以及信号的传递等。在实际进行工程控制的时候，由于有时侯滞后系统的影响不大，在系统的设计或者模型中通常会将滞后省略。但是更多的时候，滞后是不能被省略的，而且在有些控制系统中，滞后通常是时变的，也就是说滞后是时间t的函数。因此这些对象的纯滞后时间对控制系统的控制能力都使非常不利的，它会使动态特性变差，系统的稳定性降低。由于整个控制系统存在滞后，整个系统具有一阶环节和二阶环节来近似的等效。一阶滞后环节

G(s)=e-stTs+1(5.1G(s)=e-stTs+1(5.1)(5.2)(Ts+1)(Ts+1)在现场环境中，参数变化是每时每刻都在进行的，想用一个固定的公式将其表示出来很不方便。所以在规定的要求范围内，对一些情况进行近似处理是很合理和必要的。在通常情况下，我们给定主控变量一个范围，作为系统的给定，使可以达到个满意的结果。对于火电厂的锅炉来说，炉体的结构、检测元件、容量及其安放位置等都对滞后的大小有一定影响。它并不是一个简单单一的问题，而是一个复杂的系统问题。纯滞后的产生需要从整个测量系统来考虑，并且它还和温度的高低有关。决滞后的办法选择惰性小的快速测量元件，以减小时间常数选择合适的测量位置，以减小纯滞后使用微分单元加入D控制规律主回路：TC选择PI控制，原因是压力是主回路中所控制的参数，压力参数的滞后是非常小的，当干扰到来的时候会比较快的反应在输出的变化上，所以不必加入微分环节就可以达到很好的控制目的，也节省了成本。其中的I环节可以消除静差，使系统的控制性能的到提高。副回路：选择P控制。副回路是粗调，所以要求速度要快，粗调也就是不需要一步到位，只是对余差进行初步的处理，最后的工作是由主回路来完成的。在工业生产过程中，对于主参数的质量指标要求较高，而对副参数的质量指标没有太高的要求。通常设置副参数的目的是为了进一步提高主参数的控制质量。先将副调节器参数整定好后，再对主调节器参数进行整定。这样，只要主参数的质量通过主调节器的参数整定得到保证，副参数的控制质量可以允许牺牲一些。总结燃煤锅炉作为一种工业锅炉是一个典型的多输入、多输出、非线性相关联的对象。一般将燃煤锅炉分为几个相对独立的控制系统，如汽包液位控制系统、过热蒸汽温度控制系统、燃烧控制系统。汽包液位的控制对于整个锅炉的安全运行起