锅炉燃烧控制系统设计

摘要 锅炉燃烧控制系统最重要的任务是保持锅炉蒸汽压力稳定。当负载量改变，使蒸汽压力的变化，通过调节燃料量（或送风量），从而改变炉膛发热量，最终使蒸汽压力稳定。其次，我们应该保证燃料的经济燃烧，既不能因为空气不足而冒黑烟，也不能因为空气过多而导致热量损失增加。所以燃料量和空气量应保持一定的比例，或者说烟气中的氧气浓度应保持在一定的值。最后，鼓风量还要和引风量要相配合，以保持恒定的炉腾负压。如果负压太小，炉烟气外冒会影响设备和操作员工的安全；如果负压过大，使大量冷空气漏入炉中，导致热损失增加，降低了燃烧效率。关键字： 燃烧控制 串级控制 炉膛负压 联机控制一、工业锅炉的工作过程1.1锅炉简介锅炉结构如图所示，主要包括炉膛、汽包、省煤器、炉排以及给水粟、鼓风机、引风机、炉排电机等重要设备。煤炭通过斜皮带机和平皮带机送至炉排，然后在炉膛内燃烧，最后随排澄电机排出。炉腊内的烟气则通过省煤器交换热量以较低温状态被引风机排出。而给水粟则将储水库里的水先经过省煤器送至汽包，其给水量可通过给水调节阀控制。汽包内的蒸汽通过蒸汽管向外输送以供使用。锅炉系统主要输入变量是给水量、送风量、给煤量、引风量、蒸汽负荷等，主要输出变量是蒸汽压力、汽包水位、烟气含氧量和炉膛负压、蒸汽流量等。所以锅炉系统是一个多输入，多输出且相互关联的复杂的控制对象。系统的输入变量其实就是我们控制方法的控制量，根据控制量的不同可将锅炉系统划分为若干个子控制系统：给煤系统、送风系统、引风系统和汽包水位系统。当然他们都有自己主要的调节对象，分别为：蒸汽压力、烟气含氧量、炉腊负压、汽包水位。锅炉控制系统的控制指标为：蒸汽压力在期望压力的1%，空气燃烧比应该保证0.4%的过量氧气，汽包水位应控制在5cni。其中给煤系统、送风系统、引风系统之间又有紧密的关系，三者共同组成了锅炉燃烧控制系统。1.2为锅炉结构和工艺流程示意图燃烧的煤层厚度通过闸板控制，炉排转速可由交流变频调速电机控制。尾部受热面有省煤器和空气预热器。 锅炉结构和工艺流程示意图给水通过省煤器预热后给锅炉上水，空气经空气预热器后由炉排左右两侧6个风道进入，烟气通过除尘器除尘，由引风机送至烟囱排放，主蒸汽经过过热器送至汽柜和用汽部门。鼓风机、引风机都是由交流变频器来控制，通过调节鼓风机、引风机的速度来实现控制鼓风量、引风量。二、锅炉燃烧的控制要求2.1锅炉燃烧过程的任务、被控变量和操纵变量控制系统被控变量操纵变量控制目的锅炉燃烧控制系统蒸汽出口压力烟气成分炉膛负压燃料流量送风流量引风流量蒸汽负荷平衡燃烧的完全和经济性锅炉运行的安全性锅炉燃烧控制系统的基本任务是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷要求，同时保证锅炉的经济、安全运行。为适应蒸汽负荷的变化，应及时调节燃料量。为完全燃烧，应控制燃烧量与空气的比值，使过剩的空气系数满足要求，为防止燃烧过程中火焰或烟气外喷，应控制炉膛的负压。这三项控制任务互相影响。另外，从安全角度考虑，需设置安全控制系统即设置防止回火的联锁控制系统和防脱火的联锁控制系统。三、燃烧控制基本控制方案 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。3.1基本控制方案一：3.1.1串级控制控制系统描述：（1） 蒸汽压力为主被控变量，燃料量为副被控变量组成的串级控制系统。（2） 燃料量为主动量，空气量为从动量的比值控制系统。特点：（1） 确保燃料量与空气量的比值关系，当燃料量变化时，空气量能够跟踪燃料量变化。（2） 送风量的变化滞后于燃料量的变化。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。输入量蒸汽出口压力控制方框系统蒸汽压力控制器燃料控制器控制 阀副对 象主对 象燃料流量变送器蒸汽压力变送器输出量控制方案： 蒸汽 燃料 空气 FT222FTPT FYIK FC2PCFC1 燃料阀 空气阀蒸汽出口压力控制系统3.1.2控制器正反作用及控制阀的气关气开形式选择：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。会加重事故。3.2基本控制方案二：3.2.1燃烧过程中烟气氧含量闭环控制然烧过程控制保证燃料和空气的比值关系，并不保证燃料的完全燃烧。燃料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。 它在上述的方案中基础上,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。 因此，常用烟气中含氧量作为检查燃料完全燃烧的控制指标，并根据该指标控制送风量。3.2.2 锅炉的热效率 锅炉的热效率主要反映在烟气成分（主要是含氧量）和烟气温度上。烟气中各种成分例如：氧气、二氧化碳、一氧化碳和未燃烧烃含量基本可反映燃料的燃烧情况。常用的含氧量用表示。理论空气量是根据燃烧反应方程式，计算出的完全燃烧时所需的空气量。实际空气量是实际燃烧过程的中所需的空气量，。超过理论空气量的这部分空气量称为过剩空气量。过剩空气量增大，炉膛温度降低越多，烟气中带走的热损失也越大。不同的空气量有最佳值（对于液体，过剩空气量约为815），如下图： 不完全燃烧的损失 总能量损失 最高效率区 -20 过剩空气量 过剩空气量与能量损失的关系 常用过剩空气系数a表示过剩空气量，定义为：a=过剩空气系数很难直接测量，它与烟气中氧量有关。 a=2121-Ao 过滤效率 过氧量 8 6 4 2 0 10 20 30 40 过剩空气量过剩空气量与烟气含氧量、锅炉效率的关系上图显示了过剩空气系数a与烟气含氧量、锅炉效率的关系。当a在11、6范围内时，过剩空气系数a与烟气接近直线。当a在1、081、15（最佳过剩空气量8%15%）时，烟气含氧量最优值为1、6%3%。从上图也可看到，约在过剩空气量为15%18%时，锅炉有最高效率。因此，用烟气含氧量作为锅炉燃烧的经济指标。以烟气为被调节量，以燃料量为调节量的串级控制系统设计如图所示。空气调节器燃料控制器控制 阀副对 象主对 象送燃料量变送器烟气含氧量变送器输出量比值器送空气量变送器输入量 烟气含氧的闭环控制系统方框图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：烟气含氧量闭环控制系统，该系统是在原逻辑提量和减量控制系统的基础上将原来的定比值改为变比值控制，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。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。F2FY3FC1FY1FY2PCAC控制方案： 燃料量 蒸汽压力 空气量 烟气含氧量O2PT2ATPT11FT1X 燃料阀 空气阀烟气含氧的闭环控制系统3.2.3控制器正反作用及控制阀的气关气开形式选择：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。会加重事故。3.3.1上述两方案的有缺点通过对上述两种方案的详细说明,从中可以看出各种方案都有其优、 缺点:方案一: 主要优点:燃料流量是随蒸汽负荷而变化的,这样可保持蒸汽出口压力的稳定,又可以保持蒸汽出口压力的稳定,又可使燃空比维持一定,系统控制简单,使用仪表少。 主要缺点:燃料燃烧不能完全燃烧,当燃料或空气回路各自出现干扰时,不能严格保持动态的燃料与空气比的不变。方案二: 主要优点:可以保证锅炉燃烧过程的空气与燃料比值最优燃烧比,防止由于流量测量的误差以及燃料的质量的变化。 另外,锅炉负荷不同时,可以保持两者的最优比有一定的不同。 主要缺点:虽然可以做到保证燃烧时刻处于最经济状态,但是其控制系统、 检测设备相对来说都比较复杂,其中氧含量检测设备以目前的技术来说还不能保证检测结果十分精确,其总体控制效果不能达到理论上的水平系统控制较复杂,仪表多,容易出问题,而且仪表仪器价格昂贵。3.4.1、控制系统参数整定控制系统中滞后产生的主要原因有：对系统变量的测量、系统中设备的物理性质及物或信号的传递等。在实际工程控制问题中，有时因滞后系统的影响不大而在系统的设计或模型中将滞后省略。但是在更多的实际工程中，滞后是不能省略的，而且有些控制过程中，滞后往往是时变的，即滞后是时间t的函数。所以这些对象的纯滞后时间对控制系统的控制性能都极为不利，它使系统的稳定性降低，动态特性变坏。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 二阶滞后环节 在现场环境中，参数变化是时时刻刻的，很难用一个固定的数学公式将炉温的变化规律总结出来。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。对于火电厂锅炉来说，炉体的容量、结构、检测元件及其安放位置等都影响着滞后的大小。它不是一个单一的问题，是一个系统问题(容积滞后时间就是级联的各个惯性环节的时间常数之和)。纯滞后产生的根源也要从整个测量系统来考虑，并且与温度的高低有关。解决滞后的办法1）选择惰性小的快速测量元件，以减小时间常数2)选择合适的测量位置，以减小纯滞后3)使用微分单元 加入D控制规律如 一阶滞后 加入微分单元1+TDS,当适当的调整TD后可以使TD=T.最后的传递函数就是K,这样就减少了延迟。主回路：TC选择PI控制，原因是主回路中所控制的参数为压力，压力这个参数滞后是比较小的，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。理由是副回路是粗调所以要求随度要快，粗调也就是不要求一步到位，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。微分最用也是不必要的，因为加入微分后系统过于敏感，稍有扰动就会动作，这不利于系统的稳定。在现代工业生产过程中，对于主参数的质量指标要求很高，而对副参数的质量指标没有严格要求。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。在副调节器参数整定好后，再整定主调节器参数。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。四、炉膛的负压控制及安全连锁控制系统4.1炉膛负压控制 在锅炉燃烧控制系统中，其主要功能是控制炉膛的燃料的空气的输入量，或控制燃烧率，以适应锅炉蒸汽负荷的变化需要。对锅炉运行和控制系统来说，锅炉出口蒸汽压力的变化经常作为燃料量的输入和蒸汽量的输出之间不平衡的一个标志。引起蒸汽压力变化的因素很多，其中主要的扰动量是燃料量和蒸汽量的变化。燃烧控制系统的基本要求是：迅速适应外界负荷需求的变化；及时消除锅炉燃料侧的自发扰动；维持调节过程中各被调量在允许的范围内；保证锅炉运行的安全性和经济性。燃料控制系统一般包括燃料控制、引风控制和送风控制三个子系统。炉膛负压控制系统中被控变量是炉膛压力（控制在负压），操纵变量是引 风量。当锅炉负荷变化不大时，可采用单回路控制系统。当锅炉负荷变化较大时，应进入扰动量前馈信号，组成前馈-反馈控制系统。蒸汽压力变动较大时，可引入蒸汽压力的前馈信号；扰动来自送风机系统时，可将送风量作为前馈信号，组成前馈反馈控制系统。例如当锅炉负荷变化较大时，蒸汽压力的变动也较大，这时，可引入蒸汽压力的前馈信号，如下图(a)所示的前馈-反馈控制系统。当扰动来自送风机系统时，送风量的变化不及时引入到炉膛负压控制系统，则需要等到炉膛负压变化后才能调节引风量，即不能及时控制炉膛的负压，为此，将送风量作为前馈信号，如下图（b）所示的前馈-反馈控制系统。PY22PTPCPY1PCFT1PY1FY1 蒸汽 炉膛 送风量 炉膛f(x) f(x) 压力 负压 变送器 负压 (a)蒸汽压力前馈 （b）送风量前馈上图中PC是炉膛负压控制器，PY是加法器，PT是蒸汽压力变送器，FT-1是燃烧用送风变送器，PY和FY是前馈控制器。前馈信号与反馈信号相加。当引风系统有扰动时，也可将引风量信号引入，组成以炉膛负压为主控变量，引风量为副被控变量的串级控制系统，与上述的前馈信号一起组成前馈-串级反馈控制系统。4.2 安全连锁控制系统 炉膛负压控制系统可防止炉膛内火焰或烟气的外喷，此外，当燃料压力过高或过低，喷嘴发生堵塞情况下也会发生事故，为此，除了设置炉膛的负压控制系统外，还需设置有关的的安全连锁控制系统。4.2.1防止回火的联锁控制系统： 当燃料压力过低，炉膛内压力大于燃料压力时，会发生回火事故，为此设置入下图所示的连锁控制系统。它采用压力开关PSA，当压力低于下限设定值时，使联锁控制系统动作，切断燃料控制阀的上游切断阀，防止回火。也可采用选择性控制系统。其中从安全考虑阀门选择气关阀。SPSAPT 气源 燃料 控制阀 切断阀 防止回火的联锁控制系统4.2.2防止脱火的选择性控制系统：当燃料压力过高时，由于燃料流速过快，容易发生脱火事故。为此，可设置如图所示的燃料压力和蒸汽压力的选择性控制系统。正常时，燃料控制阀根据蒸汽负荷的大小调节；一旦燃料压力超过安全软限，燃料压力控制器PC-2的输出减小，经低选器选中，由燃料压力控制PC-1取代蒸汽压力控制器PC-2，防止脱火事故发生。其中从安全考虑阀门选择气关阀。PY2PC2PC1PY1蒸汽 燃料 防止脱火和回火的选择控制系统五、控制系统单元元件的选择5.1蒸汽压力变送器选择蒸汽从锅炉经过管道到达蒸汽轮机，其压力和温度会有所降低，但降低幅度不大，一般温度会下降2-4，压力会下降2-4%。可以近似地认为，锅炉提供的蒸汽温度和压力，与蒸汽轮机机组初参数相同。但我国目前尚有一些参数较低的火力发电机组仍在使用，包括高压参数、超高压参数机组。高压参数一般为：主蒸汽压力8-10MPa，温度500-540。超高压参数一般为：主蒸汽压力12-14MPa，温度500-540。蒸汽压力变送器的选用公司名称：上海威野仪器仪表制造有限公司型 号：JF039001949 特点：不锈钢一体化结构，可适应恶劣环境，小体积，高精度，高稳定性压力00.110MPA。多种标准信号输出选择，用户调试方便，防雷击，抗电磁/射频干扰。供电电源范围宽（940V），具有零点，满度可调。典型应用：液压气压控制锅炉，蒸汽管道，真空设备石化管道测压，自控系统和测试系统。技术性能及指标 电源：24VDC；无负载时变送器可工作在12VDC最大为40V。 负载特性：输出信号：420mA 负载特性：负载阻抗R与电源电压V的关系：R50（V-12） 量程和零点：打开接线端侧盖后连续可调，零点调整范围为最大量程的5%，量程调整范围为最大量程的40%100%。 安装（1）压力表应安装在易观察和检修的地方。 （2）安装地点应力求避免振动和高温影响。（3）测量蒸汽压力时应加装凝液管，以防止高温蒸汽直接和测压元件接触；对于有腐蚀介质时，应加装充有中性介质的隔离罐等。总之，针对具体情况（如高温、低温、腐蚀、结晶、沉淀、粘稠介质等），采取相应的防护措施。5.2 燃料流量变送器的选用LUGB-06型涡街流量计根据卡门涡街原理测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计。广泛用于各种行业气体、液体、蒸汽流量的计量，也可测量含有微小颗料、杂质的混浊液体，并可作为流量变送器用于自动化控制系统中。LUGB-06型涡街流量传感器防爆型，符合GB3836-2000爆炸性环境用防爆电气设备规定，防爆标志为“ExiaIICT6”，在本次设计中，选用LUGB型涡街流量传感器其精度等级完全可以满足火电厂锅炉温度控制系统的精度要求。技术参数：仪表材质：1Cr18Ni 9Ti 最高流速：25m/s被测介质温度（）：40250；40350 环境条件：温度1055，相对湿度590，大气压力86106Kpa 精度等级：测量液体：示值的0.5 测量气体或蒸汽：示值的1.0、1.5 量程比：1：10；1：15 输出信号：传感器：脉冲频率信号0.13000Hz 低电平1V 高电平6V 变送器：两线制420mADC电流信号 供电电源：传感器：12VDC、24VDC（可选） 变送器：24VDC 现场显示型：仪表自带3.2V锂电池 信号传输线：STVPV30.3（三线制），20.3（二线制） 传输距离：500m 信号线接口：内螺纹M201.5 防爆等级：ExdIIBT6 5.3含氧量检测器公司名称：济宁鲁科检测器材有限公司型号：M289371 体积小(钢笔型)、重量轻(含电池120-200克) 坚固可靠，方便佩带 数字显示，一目了然 三键操作，类似“傻瓜”相机 超过设定限制时，自动声、光、振动(选件)报警 内置微处理器，显示多种测量值(STEL，TWA) UL认证本质安全，适用于任何工作环境 “智能”电化学毒气传感器，用户可更换(CO，H2S，SO2，CL2，NO，NO2)M289371 含氧量监测仪应用 ToxiRAE气体监测仪可用在危险场合连续监测有毒气体，氧气，可燃气浓度。按人体工学设计的ToxiRAE，可方便的佩带在口袋或腰带上。 ToxiRAE特别合适于石油化工、矿山、冶金、防化、消防、医学、环保、卫生防疫、危险品运输、城市地下管道作业等领域的安全监测。M289371含氧量监测仪检测范围传感器范围分辨率响应时间可燃气0100%LEL1%15秒O20-30%0.1%15秒VOCs099.9ppm1002000ppm0.1ppm1ppm10秒10秒CO0500ppm1ppm20秒H2S0100ppm1ppm30秒SO2020ppm0.1ppm15秒NO0250ppm1ppm20秒NO2020ppm0.1ppm25秒Cl2010ppm0.1ppm60秒HCN0100ppm1ppm60秒NH3050ppm1ppm150秒PH3 05ppm0.1ppm60秒专用检测器M289371，不可更换传感器(技术指标)总结课程设计为期一周，前几天基本上是收集资料和选题，期间把有关的专业课又复习了一遍，回忆了以前的知识，再就是在图书馆查阅了一些资料，主要还是在网上查阅相关的资料进行了解。通过这次的锅炉燃烧控制系统的设计，使我更深刻的了解了课堂上我所学到的有关工业过程控制（锅炉）方面的知识，并且这次设计是我能将这学期学到的东西联系在一起，并且能够考虑到实际中的一些实际问题。在完成设计的过程中也发现单单读懂看懂书上那点知识是远远不够的，书上只是写理论，而理论就必须要联系到实际的应用中去，这其中还有很多的东西要学习。只用通过动手和查阅资料才会发现自己在哪些方面不足。这样便可以有针对性的进行学习。一周的课程设计是个面对问题解决问题的过程、是自我认识的过程。一周的设计虽然不是很长，但是使我对所学的知识有个系统的整理和总结。由于知识有限，设计中还有很多缺陷和错误，希望老师同学帮忙指教。 参 考 文 献【1】 何衍庆，黎冰，黄海燕。工业过程控制 北京：化学工业出版社2009.8【2】 王洪国自动控制技术在工业锅炉上的应用云南冶金1999，6【3】 张亮明，夏桂娟工业锅炉自动控制北京：中国建筑工业出版社1987.【4】 陈学俊，陈听宽锅炉原理北京：机械工业出版社1979.【5】 张江微，白晓清工业燃煤锅炉燃烧系统自动控制方案1999，11【6】 刘久斌链条炉燃烧控制系统方案分析热能动力工程1996，5【7】 金以惠，方崇智过程控制北京：清华大学出版社1998- 19 -