工業(yè)鍋爐熱工控制系統(tǒng)過程控制課程設(shè)計報告書

1、目錄一、 概述-211工業(yè)鍋爐概述-212國內(nèi)工業(yè)鍋爐發(fā)展?fàn)顩r-213國外工業(yè)鍋爐發(fā)展?fàn)顩r-214工業(yè)鍋爐的調(diào)節(jié)任務(wù)-2二、工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的基本任務(wù)和要求-321給水控制系統(tǒng)-322過熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)-323燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)-324鍋爐的主要設(shè)計參數(shù)-4三、工業(yè)鍋爐自動控制系統(tǒng)方案的設(shè)計-431給水控制系統(tǒng)-4311 鍋爐汽包給水控制對象的特點312鍋爐汽包給水控制對象的動態(tài)特性313測量給水控制系統(tǒng)儀表的選擇314給水控制系統(tǒng)的設(shè)計315給水控制系統(tǒng)的工作原理及SAMA圖32過熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)-10321過熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)對象的動態(tài)特性322測量過熱蒸汽溫度儀表的選擇323過熱蒸汽

2、溫度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計324過熱蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)的工作原理33燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)-12331燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)的對象動態(tài)特性332測量燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)儀表的選擇333燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計334燃燒控制系統(tǒng)的工作原理及爐膛負(fù)壓子系統(tǒng)的SAMA圖四、鍋爐的報警系統(tǒng)-17五、工業(yè)鍋爐熱工控制系統(tǒng)流程圖-17六、設(shè)計小結(jié)-18七、參考文獻(xiàn)-18八、附頁-19一、概述11工業(yè)鍋爐概述鍋爐由汽鍋和爐子組成。爐子是指燃燒設(shè)備，為化石燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能提供必要的燃燒空間。汽鍋是指加熱設(shè)備，為汽水循環(huán)和汽水吸熱以及汽水分離提供必要的吸熱和分離空間。鍋爐作為一種把煤、石油或天然氣等化石燃料所儲藏的化學(xué)轉(zhuǎn)換為水或水蒸氣的熱能的

3、重要設(shè)備，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)和居民生活中都扮演著重要的角色。它已經(jīng)有二百多年的歷史了，但是鍋爐工業(yè)的迅速發(fā)展卻是近幾十年的事情。國外的鍋爐制造工業(yè)50至60年代發(fā)展最快，70年代前后達(dá)到高峰。我國的鍋爐工業(yè)是在新中國成立后才建立和發(fā)展起來，1953年在上海首創(chuàng)了上海鍋爐廠1。鍋爐種類很多，按所用燃料分類，有燃煤鍋爐、燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t；有利用殘渣、殘油、池放氣等為燃料的鍋爐。所有這些鍋爐，雖然料種類各不相同，但蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和蒸汽處理系統(tǒng)是基本相同的。12國內(nèi)工業(yè)鍋爐發(fā)展?fàn)顩r我國現(xiàn)有鍋爐25萬臺，每年消耗原煤產(chǎn)量的三分之一1。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，在相當(dāng)長的一段時間里，還會有越來越多的工業(yè)鍋爐投入使用

4、。這些工業(yè)鍋爐的管理水平，運行水平以及自動化水平大多很低，熱效率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到制造廠家的設(shè)計指標(biāo)。其中比較突出的原因是管理不完善，設(shè)備落后，既沒有必要的自動化檢測和控制儀表，也缺乏應(yīng)有的技術(shù)力量，其運行水平主要決定于司爐人員的技術(shù)水平、生產(chǎn)經(jīng)驗和工作的責(zé)任心。13國外工業(yè)鍋爐發(fā)展?fàn)顩r為了使鍋爐設(shè)備既能安全可靠地運行、又能最大限度地提高效率，就必須使鍋爐設(shè)備實現(xiàn)較高水平的自動化。目前國外較大型的鍋爐設(shè)備2，其自動控制系統(tǒng)主要有：自動燃燒控制（ACC）、給水控制（FWC）、過熱蒸汽溫度控制（STC）、再熱蒸汽溫度控制（RTC）、爐內(nèi)壓力控制（BSC）等。此外，還有送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、排水的PH控制、

5、燃燒混合控制、空氣預(yù)熱器溫度控制等。14工業(yè)鍋爐的調(diào)節(jié)任務(wù)工業(yè)鍋爐的生產(chǎn)任務(wù)是根據(jù)用戶的要求，產(chǎn)生具有一定參數(shù)（溫度和壓力）的蒸汽或熱水。為了滿足用戶的要求以及保證鍋爐本身運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，工業(yè)鍋爐主要有以下五項調(diào)節(jié)任務(wù)2：（1） 保持汽包中的水位在規(guī)定范圍內(nèi)；（2） 保持燃燒的經(jīng)濟(jì)性和保證鍋爐運行的安全性；（3） 保持爐膛負(fù)壓在規(guī)定范圍內(nèi)；（4） 使鍋爐蒸發(fā)量迅速適應(yīng)用戶的需要；（5） 穩(wěn)定蒸汽或熱水的溫度和壓力。工業(yè)鍋爐自動控制主要包括以下4個方面：（1）自動檢測 自動地檢查和測量反映鍋爐運行情況的參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)，如給水流量、蒸汽流量、爐膛負(fù)壓、蒸汽壓力、排煙溫度、鍋爐水位等。（2）程

6、序控制 使鍋爐的起動、停止以及正常運行等一系列操作自動化，程序是根據(jù)操作順序和條件編制的，如燃油鍋爐是按先起動鼓風(fēng)機(jī)、再起動油泵、點火和主油閥的順序進(jìn)行的。（3）自動保護(hù) 可以分為以下幾種保護(hù)：（a）聯(lián)鎖保護(hù)（b）限值保護(hù)（c）緊急保護(hù)（d）指示和報警（4）自動調(diào)節(jié) 鍋爐的一些被調(diào)參數(shù)應(yīng)自動地適應(yīng)運行條件的變化，使鍋爐保持在所要求的工況下運行。二、工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的基本任務(wù)和要求21給水控制系統(tǒng)給水控制系統(tǒng)的任務(wù)是保證汽包水位在容許的范圍內(nèi)，并兼顧鍋爐的平穩(wěn)運行。被調(diào)量是汽包水位，調(diào)節(jié)量是給水流量，它主要考慮汽包內(nèi)部物平平衡，使水量適應(yīng)鍋爐的蒸汽量，維持汽包中水位在工藝允許范圍內(nèi)。鍋爐在低負(fù)荷

7、（30%額定負(fù)荷）運行時，使用單沖量給水控制系統(tǒng)；當(dāng)鍋爐負(fù)荷大于30%額定負(fù)荷時，自動切換為串級三沖量控制系統(tǒng)。為使水位信號測量更為準(zhǔn)確，對水位信號要求通過汽包壓力Pb進(jìn)行修正。22過熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)汽溫控制主要是過熱汽溫控制。其基本任務(wù)是維持過熱器出口溫度在允許范圍之內(nèi)，并保證管理溫度不超過允許工作溫度，要求采用串級控制。由于大型鍋爐的過熱器是在接近過熱器金屬的極限溫度的條件下運行的，金屬管強(qiáng)度的安全系數(shù)不大，過熱蒸汽溫度過高會降低金屬管的強(qiáng)度，影響設(shè)備的安全；而溫度過低又會使熱效率下降。同時過熱蒸汽溫度也是影響安全生產(chǎn)的重要因素，維持過熱蒸汽溫度相對穩(wěn)定顯得極為重要。23燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)

8、鍋爐燃燒過程自動控制的基本任務(wù)是既要提供適當(dāng)?shù)臒崃恳赃m應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要，又要保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性和運行的安全性，即使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要；使燃料量與空氣量之間保持一定比例，以保證經(jīng)濟(jì)燃燒，使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，以保證爐膛負(fù)壓穩(wěn)定。 為此設(shè)置了如下三個相互關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)。（1）主蒸汽壓力與流量的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng) 以主被調(diào)量為出口蒸汽壓力PM，副被調(diào)量為燃料流量所組成的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這系統(tǒng)帶有燃料閥后壓力選擇性調(diào)節(jié)。為保證燃燒器的正常運行，當(dāng)燃燒器前（調(diào)節(jié)閥后）的壓力PBM低于某數(shù)值時，壓力調(diào)節(jié)器PC發(fā)出大信號，通過高值選擇器的切換動作，取代正常工況的蒸汽壓力調(diào)節(jié)器去控制燃料調(diào)節(jié)閥，從而

9、使PBM保持在一定數(shù)值，不致過低而產(chǎn)生熄火。當(dāng)鍋爐帶固定負(fù)荷時，鍋爐負(fù)荷由定值器給定。此時，燃料流量決定于定值器的輸出信號，而與汽壓調(diào)節(jié)器的輸出無關(guān)。（2）以煙氣含氧量作為燃燒經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，送風(fēng)調(diào)節(jié)是以煙氣含氧量為主被調(diào)量，而以風(fēng)量F（風(fēng)量信號經(jīng)風(fēng)溫度校正）為副被調(diào)量的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。煙氣含量的定值隨鍋爐負(fù)荷改變。（3）帶有送風(fēng)調(diào)節(jié)器的輸出為前饋信號，以爐膛負(fù)壓Pf為被調(diào)節(jié)量，引風(fēng)量為調(diào)節(jié)量的前饋-反饋復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)。為了保證燃料在動態(tài)過程中完全燃燒，在系統(tǒng)中應(yīng)用高值選擇器1和低值選擇器2以實現(xiàn)加負(fù)荷時先加風(fēng)，后加燃料，減負(fù)荷時先減燃料后減風(fēng)。為了消除蒸汽流量、空氣流量、鍋爐汽包水位和爐膛負(fù)壓等被測

10、信號的脈動，可采用阻尼器f(t)以平滑高頻脈動干擾，使整個控制系統(tǒng)工作平穩(wěn)。24鍋爐的主要設(shè)計參數(shù)最大連續(xù)蒸發(fā)量： 35t/h主蒸汽壓力： 3900kPa主蒸汽溫度： 450省煤器進(jìn)口給水溫度 150 熱風(fēng)溫度160 冷風(fēng)溫度30排煙溫度：140鍋爐設(shè)計效率：85.7%三、 工業(yè)鍋爐自動控制系統(tǒng)方案的設(shè)計31給水控制系統(tǒng)311 鍋爐汽包給水控制對象的特點 影響鍋爐汽包水位的因素很多，不僅受到給水量（鍋爐的輸入量）和蒸汽量（流出量）之間平衡關(guān)系的影響，同時還要受到汽水循環(huán)管路中汽水混合物內(nèi)汽水容積變化的影響。因為鍋爐汽包中的液位H值不僅反映了汽包（包括水循環(huán)的管路）中的蓄水容積，也反映了水面下汽

11、泡的容積。水面下汽泡的容積又和鍋爐的負(fù)荷和蒸汽的壓力有關(guān)。所以影響鍋爐汽包水位變化的因素是很多的，概括起來有四個方面2：一是給水方面的擾動，包括給水母管壓力的變化和給水調(diào)節(jié)閥開度的變化；二是蒸汽負(fù)荷的變化；三是燃料量的變化，還包括影響燃料發(fā)熱量變化的種種因素；四是汽包壓力變化，壓力變化對汽包水位的影響是通過汽包內(nèi)部汽水系統(tǒng)的“自凝力”和自“蒸發(fā)力”過程起作用的。工業(yè)鍋爐汽水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示。汽包及蒸發(fā)管系中貯藏著蒸汽和水，貯藏量的多少是以被控制量水位表征的，汽包的流入量是給水量，流出量是蒸汽量，當(dāng)給水量等于蒸汽量時，汽包水位就恒定不變。引起水位變化的主要擾動是蒸汽流量的變化和給水流量的

12、變化。如果只考慮主要擾動，那么汽包水位調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性可表示為： （3-1）式中 h汽包水位的高度； TW給水流量項的時間常數(shù)，s； TD蒸汽流量項的時間常數(shù)，s； KW給水流量項的放大系數(shù)； KD蒸汽流量項的放大系數(shù)； D鍋爐蒸汽流量，kg/s； W鍋爐給水流量，kg/s； T1、T2時間常數(shù)，s.；312鍋爐汽包給水控制對象的動態(tài)特性3121汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性如果蒸汽負(fù)荷不變，給水流量產(chǎn)生變化時，汽包水位調(diào)節(jié)對象運動方程式可以表示為：（3-2）將上列微分方程式兩邊進(jìn)行拉氏變換后可得到下式：（3-3）從上式中，可以得到汽包水位調(diào)節(jié)對象在給水流量作用下的傳遞函數(shù)：（3-4）在

13、工程上，對于中壓以下的鍋爐，給水流量項的時間常數(shù)一般較小，常?？梢院雎圆挥嫞虼松鲜娇梢院喕癁椋海?-5）式中 稱為反應(yīng)速度，即給水流量改變單位流量時水位的變化速度。從式（3-5）可以看出，汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性，是由一個積分環(huán)節(jié)和一個一階慣性環(huán)節(jié)組成。這樣，在給水流量發(fā)生階躍變化時，汽包水位的動態(tài)特性如圖2-1所示的反應(yīng)曲線。由曲線可知：當(dāng)突然加大給水流量后（假定蒸發(fā)量不變），給水量大于蒸發(fā)量，但汽包水位一開始并不增加，而呈現(xiàn)出一段起始慣性段，而在后階段近等于速度變化。如果做h線的漸進(jìn)線并延長使之交于汽包在手?jǐn)_動作用前的水位線h0，所截得的時間r，稱為滯后時間。反應(yīng)曲線h可以認(rèn)為

14、由曲線h1和h2相加而成。h1僅僅反映蓄水量的變化所引起的水位的變化，當(dāng)給水W作階躍變化時，h1的變化反映了汽包水位對象的積分特性。h2是反映水面下的汽泡容量變化時水位的變化，因為當(dāng)給水量增加的初級階段，溫度較低的給水進(jìn)入了水循環(huán)系統(tǒng)，使其中原來的水溫度降低。所以當(dāng)給水量變化時，h2的變化反映了起爆1水位對象的慣性特性，總的曲線h可以看作反應(yīng)曲線h1和h2相加而得。3122汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性在給水量不變化的情況下，當(dāng)負(fù)荷蒸汽量發(fā)生階躍變化時，汽包水位調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性微分方程式，可以從（3-1）式導(dǎo)出：（3-6）對微分方程式進(jìn)行拉氏變換得：（3-7）所以，在蒸汽流量擾動下汽包水

15、位調(diào)節(jié)對象的傳遞函數(shù)為：（3-8）上式化簡可看作兩個動態(tài)環(huán)節(jié)的并聯(lián)組成，即：（3-9）式中因此，在蒸汽流量擾動下，汽包水位調(diào)節(jié)的動態(tài)特性曲線如圖2-2所示。汽包水位的特征曲線h可以分為h1和h2兩部分，圖中h1僅僅考慮由于蒸汽流量和給水流量不平衡，引起的水位變化；h2是由于蒸汽流量的擾動，改變了蒸汽壓力而引起“虛假”4水位的變化。當(dāng)鍋爐的蒸汽負(fù)荷增加時，蒸發(fā)量大于給水量，從汽包蓄水量來看，汽包水位應(yīng)該下降，如圖中h1直線所示，但在蒸發(fā)量和蓄水量產(chǎn)生不平衡的初級階段，因水位下降存在滯后時間r，所以實際的變化應(yīng)為h1曲線。但實際上，當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時，雖然鍋爐繁榮給水量小于蒸發(fā)量，可水位不但不下降，

16、反而迅速上升，這種特殊現(xiàn)象稱為“虛假水位”現(xiàn)象?！疤摷偎弧碑a(chǎn)生的原因4是，蒸汽流量增加，汽包內(nèi)的氣壓下降，爐水的沸點降低，使?fàn)t管和汽包內(nèi)的汽水混合物的汽容積增加，體積膨脹，引起汽包水位上升。所以，由于虛假水位現(xiàn)象，使汽包水位特性曲線h開始上升，當(dāng)汽水混合物中汽的容量與負(fù)荷相適應(yīng)而達(dá)到平衡時，水位才反映出物料的不平衡，開始下降。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)蒸汽負(fù)荷作階躍變化時，一開始h2的變化速度比h1的變化速度快得多。另外，當(dāng)鍋爐的負(fù)荷突然減小時，則汽包水位變化的情況是相反的汽包水位先下降后上升。3123汽包水位在燃料量擾動下的動態(tài)特性汽包水位在燃料量B擾動下的響應(yīng)曲線如圖2-3所示。當(dāng)燃料量增加時，鍋爐的

17、吸熱量增加，蒸發(fā)量增大，如果用汽量不增大，則隨著汽包壓力的增大，汽包輸出蒸汽量也增大，于是蒸發(fā)量大于給水量，暫時產(chǎn)生了汽包進(jìn)出口工質(zhì)流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容積增大，此時也會出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象，但由于燃燒率的增加也將同時導(dǎo)致汽包壓力的上升，它會使汽包體積減小，另外由于熱慣性，燃料量的增加只使蒸汽量D緩慢增加，故虛假水位現(xiàn)象要比D擾動下緩和得多。313測量給水控制系統(tǒng)儀表的選擇3131測量給水流量儀表的確定 在給水控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)量是給水流量，流量的測量和控制是一個重要熱工參數(shù)。流體的流量直接反映設(shè)備效率、負(fù)荷高低等運行情況。因此連續(xù)測量和監(jiān)測流體的流量對于熱力設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)運行有著重要意

18、義。流量測量的方法很多，在工業(yè)鍋爐中所用的流量儀表3可歸納為三大類：（1）容積式流量計 其共同特點是：都有一個精密的、已知體積大小的測量腔室。按運動部件的形狀不同，有橢圓齒輪流量計，腰輪流量計和刮板流量計等。（2）速度式流量計 包括了除容積式流量計以外的其他各種工作原理的流量測量儀表。其共同特點是：它們都是利用某一物理參數(shù)與流體的速度或體積流量之間的對應(yīng)關(guān)系來實現(xiàn)流量測量的。（3）質(zhì)量式流量計 其輸出信號不受由于流體壓力、溫度等參數(shù)改變引起的流體密度變化的影響，其測量準(zhǔn)確度有很大的提高。從被測流體的溫度高低選擇流量計。一般玻璃轉(zhuǎn)子流量計、橢圓齒輪流量計、腰輪流量計、水表、渦輪流量計和電磁流量計

19、適用于被測介質(zhì)溫度在0100度以內(nèi)；金屬轉(zhuǎn)子流量計、耙式流量計、渦輪流量計適用于被測介質(zhì)溫度在0200度以內(nèi)；差壓式流量計適用于被測介質(zhì)在0250度以內(nèi)。根據(jù)設(shè)計參數(shù)要求進(jìn)口給水溫度為150度，結(jié)合又可以測量水流量的流量儀表，因此，選擇差壓式流量計。3132測量汽包水位儀表的確定工業(yè)鍋爐生產(chǎn)過程中，汽包水位準(zhǔn)確的測量和控制，對于鍋爐的安全運行極為重要。汽包水位過高或過低，都將引起蒸汽品質(zhì)變壞或水循環(huán)惡化，甚至造成嚴(yán)重事故。在給水控制系統(tǒng)中，被調(diào)量是汽包水位。常用的水位測量儀表及變送器有差壓式水位計、電接點水位計和電極式水位控制器等。314給水控制系統(tǒng)的設(shè)計根據(jù)汽包鍋爐給水控制對象的動態(tài)特性的特

20、點，我們可以提出確定給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一些基本思想：（1） 由于對象的內(nèi)擾動態(tài)特性存在一定的延遲和慣性，所以給水控制系統(tǒng)若采用以水位為被調(diào)量的單回路控制系統(tǒng)，則控制過程中水位將出現(xiàn)教大的動態(tài)偏差，給水流量波動較大。因此，對給水內(nèi)擾動態(tài)特性遲延和慣性大的鍋爐應(yīng)考慮采用串級或其他控制方案。（2） 由于對象在蒸汽負(fù)荷擾動（外擾）時，有“虛假水位”現(xiàn)象。因此給水控制若采用以水位為被調(diào)量的單回路系統(tǒng)，則在擾動的初始階段，調(diào)節(jié)器將使給水流量向與負(fù)荷變化方向相反的方向變化，從而擴(kuò)大了鍋爐進(jìn)、出流量的不平衡。所以在設(shè)計給水控制系統(tǒng)時，應(yīng)考慮采用以蒸汽流量D為前饋信號5的前饋系統(tǒng)，以改善給水控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

21、根據(jù)本次課程設(shè)計的鍋爐控制系統(tǒng)和設(shè)計參數(shù)的要求，應(yīng)采用串級三沖量給水控制系統(tǒng)，增加一個主控制器作水位控制器，兩個控制器串聯(lián)工作，各司其職，分工明確，整定方便。串級三沖量控制系統(tǒng)流程圖 2-4 串級三沖量控制系統(tǒng)原理方框圖 2-5從結(jié)構(gòu)上看:是一個前饋串級控制系統(tǒng)；從完成的任務(wù)上看：是一個串級比值（變比值）控制系統(tǒng)，維持W=D的最終目的是保證汽包水位等于給定值。315給水控制系統(tǒng)的工作原理及SAMA圖（見附頁圖2-6） 串級三沖量給水控制系統(tǒng)5的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)是在前饋-反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一個調(diào)節(jié)器構(gòu)成的。其主調(diào)節(jié)器采用比例積分作用，副調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)作用。串級系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同，

22、副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是用以消除給水壓力波動等因素引起的給水流量的自發(fā)性擾動以及當(dāng)蒸汽負(fù)荷改變時迅速調(diào)節(jié)給水流量，以保證給水流量和蒸汽流量的平衡；主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是校正水位偏差。32過熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)321過熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)對象的動態(tài)特性由圖可見，減溫水流量擾動下對象動態(tài)特性最 差， 都大，但工藝過程確定6只能以減溫水作為操縱量，單回路控制系統(tǒng)顯然無法滿足控制質(zhì)量要求，為了克服對象大的慣性和延遲，采用串級控制最為相宜。過熱汽溫對象動態(tài)特性圖3-1 影響過熱器出口汽溫s的因素很多，主要有三個方面：即蒸汽流量（負(fù)荷）D變化，減溫水量Wj變化和煙氣熱量Q變化。對于不同的擾動，過熱汽溫對象的動態(tài)特性如圖

23、3.2所示。比較三種擾動的階躍響應(yīng)曲線可知，在各種擾動下，過熱汽溫對象都是有遲延、有慣性和有自平衡能力的，只是、T值互不相同。當(dāng)蒸汽量或煙氣傳熱量變化時，沿過熱器管道長度方向上的各點溫度幾乎同時變化。在D、Q擾動下，對象的遲延時間和時間常數(shù)T都較小，而當(dāng)減溫水量變化時，過熱器內(nèi)的蒸汽及管壁形成具有分布參數(shù)的多容對象，因而值、T值最大。減溫器離過熱器出口越遠(yuǎn)，遲延和慣性就越大。322測量過熱蒸汽溫度儀表的選擇溫度是表示物體冷熱程度的一個物理量。溫度測量儀表種類很多，按其測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。工業(yè)鍋爐生產(chǎn)中常用的測溫元件3，一般有玻璃液體溫度計、雙金屬溫度計、熱電阻和熱電偶等四大類

24、：（1）雙金屬溫度計適宜于測量溫度小于300度的介質(zhì)；（2）有機(jī)液體玻璃溫度計的指示液呈紅色，易于讀數(shù)，但不能帶電接點，適宜于測量低于100度的介質(zhì)溫度又不要求發(fā)信號；（3）熱電偶一般用于測量500度以上的高溫介質(zhì)；（4）熱電阻溫度計適于測量-200500度的溫度介質(zhì)，主要用于液體、氣體蒸汽中、低溫測量。在本過熱蒸汽溫度的串級控制系統(tǒng)中，根據(jù)參數(shù)設(shè)計要求主蒸汽溫度450度，因此，在主副回路中的檢測儀表都選用熱電阻溫度計。323過熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計根據(jù)已知該系統(tǒng)的基本任務(wù)是維持過熱器出口溫度在允許范圍之內(nèi)，并保證管理溫度不超過允許工作溫度，所以要求采用串級控制。過熱蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)原

25、理方框圖3-2對象在噴水量Wj擾動下，過熱器出口汽溫s有較大的容積遲延，但減溫器出口蒸汽溫度則有明顯的導(dǎo)前作用，若以d為副參數(shù)、s為主參數(shù)組成如圖3-2所示的串級控制系統(tǒng)，可使控制質(zhì)量得到改善。該系統(tǒng)中副回路及副控制器的任務(wù)是快速消除作用于內(nèi)回路的干擾的影響，主回路及主控制器則保證過熱器出口汽溫恒定。目前大多數(shù)機(jī)組過熱器都分段布置采用兩級噴水減溫常規(guī)串級控制方式，、級汽溫控制系統(tǒng)是各自獨立的串級系統(tǒng)，如下圖所示。如僅從過熱器出口主蒸汽溫度的控制效果來考慮，則級汽溫控制系統(tǒng)相當(dāng)于粗調(diào)，級汽溫控制系統(tǒng)相當(dāng)于細(xì)調(diào)；級汽溫控制的任務(wù)是消除來自燃燒工況變化等擾動的影響，穩(wěn)態(tài)時維持屏式過熱器出口汽溫為給定

26、值，該給定值隨負(fù)荷而改變。同時級噴水減溫還具有防止屏式過熱器超溫確保機(jī)組安全運行的作用；級汽溫控制的任務(wù)則是保證過熱器出口主蒸汽溫度等于給定值。為了改善控制質(zhì)量在系統(tǒng)設(shè)計上還考慮了機(jī)組負(fù)荷等作為前饋信號。過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)圖3-3324過熱蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)的工作原理對象在噴水量擾動下，過熱器出口汽溫有較大的容積遲延6，但減溫器出口蒸汽溫度則有明顯的導(dǎo)前作用， 若以為d 副參數(shù)、s 為主參數(shù)組成如圖所示的串級控制系統(tǒng)，可使控制質(zhì)量得到改善，該系統(tǒng)中副回路及副控制器的任務(wù)是快速消除作用于內(nèi)回路的干擾的影響，主回路及主控制器則保證過熱器出口汽溫恒定。33燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)331燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)的對象動態(tài)

27、特性鍋爐汽包蒸汽壓力是燃燒系統(tǒng)控制對象的主要被調(diào)量，分析燃燒系統(tǒng)控制對象的動態(tài)特性，是確定燃燒系統(tǒng)自動控制方案的主要依據(jù)。為此，下面分析一下在主要擾動作用下，汽包蒸汽壓力變化的動態(tài)特性。以蒸汽壓力作為被控制量的燃燒控制對象的生產(chǎn)過程如圖4-1所示。燃燒控制對象的生產(chǎn)過程圖 4-1引起蒸汽壓力變化的因素是很多的，如燃料量、送風(fēng)量、給水量、蒸汽流量以及各種使燃燒工況變化的原因。它的主要擾動是燃料量的改變（稱為內(nèi)擾動）和蒸汽流量的改變（稱為外擾動）。3311燃料量改變時蒸汽壓力變化的動態(tài)特性（內(nèi)擾特性）鍋爐正在正常運行時，若進(jìn)入爐膛的燃料量發(fā)生變化，則爐膛發(fā)熱量立即改變，幾乎沒有延遲和慣性，即為比例

28、環(huán)節(jié)。而蒸發(fā)部分可以看作是一個儲熱量的容積，反映儲熱量多少的主要參數(shù)是汽包壓力P。當(dāng)爐膛發(fā)熱量Q和蒸汽流量D所帶走的熱量不相等時，汽包壓力P就要發(fā)生變化，其關(guān)系式為：Q-D=C(dp/dt)Q單位時間內(nèi)鍋爐爐膛發(fā)熱量；D蒸汽流量（用熱量表示）；C鍋爐蒸發(fā)部分的容量系數(shù)，即汽包壓力變化一個單位時，鍋爐蒸發(fā)部分儲熱量的改變；Dp/dt鍋爐汽包壓力對時間的變化率。蒸汽壓力變化的動態(tài)特性與鍋爐的供汽條件有關(guān)，如果用汽量D不變，而燃料量改變產(chǎn)生內(nèi)擾時，蒸汽壓力成積分規(guī)律變化，蒸汽壓力變化的階躍反應(yīng)曲線如圖4-2所示。4-2（a） 4-2(b)（a）圖為蒸汽流量不變時，在燃料階躍B作用下蒸汽壓力變化的反應(yīng)

29、曲線；（b）圖為蒸汽調(diào)節(jié)閥開度Ma不變時，在燃料量階躍B用下，蒸汽壓力的反應(yīng)曲線。3312蒸汽流量改變時蒸汽壓力變化的動態(tài)特性（外擾特性）蒸汽流量改變時對蒸汽壓力擾動稱為外擾。外擾有兩種情況，一種是負(fù)荷設(shè)備的蒸汽閥門開度改變，另一種是負(fù)荷設(shè)備用汽量的突然增加（或減少）所產(chǎn)生的。下面就兩種情況的擾動下分別分析蒸汽壓力變化的動態(tài)特性。如果負(fù)荷設(shè)備的蒸汽調(diào)節(jié)閥開度突然改變，鍋爐的汽壓也隨即改變，其反應(yīng)曲線如4-3，當(dāng)蒸汽調(diào)節(jié)閥開度突然開大，則從汽包中流向負(fù)荷設(shè)備的蒸汽流量立即增加。但是，由于燃料量沒有增加，因此蒸汽壓力逐漸下降，從汽包中流出的蒸汽量也逐漸減少，最后蒸汽流量只能恢復(fù)原來值。外擾的另一種

30、情況，當(dāng)負(fù)荷設(shè)備蒸汽用量突然增加時，汽包正氣壓力的反應(yīng)曲線如圖4-4，從圖中可以看出，汽包蒸汽壓力隨蒸汽流量的增加反而下降。如果蒸汽流量繼續(xù)保持增大后的數(shù)值，由于燃料量沒有增加，熱量不能平衡，所以蒸汽壓力一直下降，直到改變?nèi)剂狭渴蛊洚a(chǎn)生的熱料量與蒸汽流量相平衡時，才能恢復(fù)保持鍋爐的蒸汽壓力。忽略一些次要因素的影響，我們可以把蒸汽流量改變時蒸汽壓力變化的動態(tài)特性近似為一個積分環(huán)節(jié)和遲后環(huán)節(jié)系統(tǒng)。圖4-3 圖4-4圖4-3是負(fù)荷設(shè)備蒸汽閥門開度階躍變化MD時，鍋爐汽壓的反應(yīng)曲線；圖4-4是蒸汽流量階躍變化D時鍋爐蒸汽壓力的反應(yīng)曲線。332測量燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)儀表的選擇3321測量蒸汽壓力儀表的確定工業(yè)

31、鍋爐生產(chǎn)中，壓力測量儀表的種類很多，目前工業(yè)上使用最多的是機(jī)械式彈簧壓力計和壓力、差壓變送器，以進(jìn)行壓力指示、信號遠(yuǎn)傳和控制。測量壓力參數(shù)的系統(tǒng)由被控對象、取壓口、連接導(dǎo)管和儀表組成。壓力表的選型原則有：（1）對無腐蝕的介質(zhì)如蒸汽、水的壓力的測量可選彈簧管壓力表；（2）對有腐蝕性介質(zhì)或粘性介質(zhì)的壓力測量應(yīng)選用膜片式壓力表；（3）對需要發(fā)出壓力上限、下限極值信號范圍的測量，可選帶電接點的壓力表；（4）測量鍋爐煙風(fēng)道中煙、風(fēng)的微壓時可選用下列兩種風(fēng)壓表：多管玻璃管式風(fēng)壓表，適用于作成組合測量時的風(fēng)壓，如一次風(fēng)壓、二次風(fēng)壓等；膜盒式微壓計，適用于測量爐膛、煙風(fēng)道的風(fēng)壓。 根據(jù)主蒸汽壓力與流量的串級調(diào)

32、節(jié)系統(tǒng)中，主被調(diào)量為出口蒸汽壓力PM要求為3900kPa，所以結(jié)合以上分析選擇彈簧管壓力表。3322測量煙氣含氧量的儀表確定鍋爐生產(chǎn)過程燃燒工況的好壞，直接關(guān)系到鍋爐生產(chǎn)燃料消耗率的高低和生產(chǎn)的安全。煙氣中CO2和O2的含量是判定過?？諝庀禂?shù)大小的依據(jù)，它們之間的關(guān)系還與燃料品種、燃料方式和設(shè)備結(jié)構(gòu)有關(guān)。通過O2的含量來確定過?？諝庀禂?shù)的誤差較小，因此目前鍋爐生產(chǎn)中的煙氣分析一般采用氧量計：（1）氧化鈷氧量計 適宜于工作溫度在800度以上，以保證準(zhǔn)確性高。（2）熱磁式氧量計 利用氣體的熱磁效應(yīng)形成磁風(fēng)，即把被測煙氣中氧氣的含量轉(zhuǎn)換成介質(zhì)流量信號，從而再轉(zhuǎn)換為電阻值進(jìn)行測量，是工業(yè)鍋爐生產(chǎn)過程中

33、分析煙氣中氧含量的常用儀表。在煙氣含氧量與風(fēng)量的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，煙氣含氧量為主被調(diào)量，結(jié)合設(shè)計參數(shù)中的排煙溫度要求在140度，因此，選擇熱磁式氧量計為測量煙氣含氧量的儀表。3323測量爐膛負(fù)壓的儀表確定根據(jù)前面所述，測量爐膛負(fù)壓的儀表應(yīng)選膜盒式微壓計。333燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)要求可知，為了保持在任何時刻都有足夠的空氣以實現(xiàn)完全燃燒，當(dāng)負(fù)荷增大時，應(yīng)先增加送風(fēng)量，后增加燃料量；若負(fù)荷減小時，則應(yīng)先減少燃料量，再減少送風(fēng)量。因此必須在燃料量和送風(fēng)量兩個單回路之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，以滿足上述要求。圖4-5所示控制系統(tǒng)方框圖就是在這兩個單回路基礎(chǔ)上建立的交叉限制協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。其中和是燃料量檢測變送器和

34、送風(fēng)量檢測變送器傳遞函數(shù)。帶交叉限制的最佳空燃比控制系統(tǒng)原理方框圖 4-5進(jìn)一步分析單元機(jī)組燃燒過程控制的要求及對象特性可知，燃料量控制子系統(tǒng)任務(wù)在于使進(jìn)入鍋爐的燃料量隨時與外界負(fù)荷要求相適應(yīng)，維持主汽壓為給定值。為了使系統(tǒng)有迅速消除燃料側(cè)自發(fā)擾動的能力，燃料量控制子系統(tǒng)大都采用以主汽壓力為主參數(shù)、燃料量為副參數(shù)的串級控制方案。單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中鍋爐主控制器就是燃料量控制系統(tǒng)中的主汽壓控制器，即串級系統(tǒng)主控制器。送風(fēng)子控制系統(tǒng)的最終目的是達(dá)到最高的鍋爐熱效率，保證經(jīng)濟(jì)性。如圖4-6所示，它首先在內(nèi)環(huán)快速保證最佳空燃比(燃燒經(jīng)濟(jì)性粗調(diào))，至于給煤量測量不準(zhǔn)，則可由煙氣中氧量作串級校正(燃燒經(jīng)

35、濟(jì)性細(xì)調(diào))。帶氧量串級校正的送風(fēng)控制系統(tǒng)原理方框圖 4-6爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)的任務(wù)在于調(diào)節(jié)煙道引風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉開度以改變引風(fēng)量，保持爐膛負(fù)壓為給定值以穩(wěn)定燃燒減少污染，保證安全綜上可以得到單元機(jī)組鍋爐燃燒過程自動控制系統(tǒng)組成方案如下圖4-7所示。圖中五個控制器均采用PI控制規(guī)律4，穩(wěn)態(tài)下含氧量（O2%)和爐膛負(fù)壓分別等于各自的給定值而單元機(jī)組燃燒過程控制系統(tǒng)組成方案圖4-7334燃燒控制系統(tǒng)的工作原理及爐膛負(fù)壓子系統(tǒng)的SAMA圖（見附頁圖4-8）鍋爐燃燒控制系統(tǒng)有三個被控量，即蒸汽壓力、過?？諝庀禂?shù)(含氧量O2%)和爐膛負(fù)壓；有三個控制量2，即燃料量B、送風(fēng)量V和引風(fēng)量G；與此相應(yīng)可組成三個控制回路分

36、別調(diào)節(jié)燃料量B、送風(fēng)量V和引風(fēng)量G來維持三個被控制量分別等于其給定值。從對象特性看，每一個控制量對任意一個被控量都有影響，如圖所示，鍋爐燃燒對象是一個多輸入、多輸出的多變量相關(guān)對象。因而三個回路：燃料控制回路、送風(fēng)控制回路和爐膛負(fù)壓(引風(fēng))控制回路動作也必須是協(xié)調(diào)相關(guān)，不可分割的，從而構(gòu)成一個包含三個彼此關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)的多參數(shù)燃燒過程控制系統(tǒng)。燃燒過程控制劃分為三個子系統(tǒng)，即燃料控制系統(tǒng)、送風(fēng)控制系統(tǒng)和引風(fēng)控制系統(tǒng)。三個子系統(tǒng)的動作是協(xié)調(diào)相關(guān)、不可分割的。鍋爐各控制量對各被控量的影響圖如上所述，主蒸汽壓力PT被選作為反映鍋爐燃燒率是否滿足外界負(fù)荷要求的被控量，即根據(jù)汽壓的變化改變?nèi)紵?，以適應(yīng)負(fù)

37、荷的需要。鍋爐燃燒過程調(diào)節(jié)對象是復(fù)雜的多變量相關(guān)調(diào)節(jié)對象，為了減少系統(tǒng)之間的互相影響，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須快速而嚴(yán)格地保持B、V、G這三個控制量的比例關(guān)系。為此，當(dāng)負(fù)荷要求改變時，在控制系統(tǒng)中應(yīng)考慮采用前饋控制技術(shù)，以實現(xiàn)B、V、G調(diào)整時的快速比例動作；在負(fù)荷不變時，在各控制系統(tǒng)中應(yīng)采用控制量B、V、G的負(fù)反饋技術(shù)，以實現(xiàn)B、V、G維持穩(wěn)定。燃燒過程三個調(diào)節(jié)對象的控制通道動態(tài)特性的慣遲延都不大，因此燃燒過程的自動控制從原理上看，是不難實現(xiàn)的。重要的是它的實現(xiàn)，需要涉及到較多的信號，如PT、O2、Pf、B、V等。因此正確而又快速地測量出這些信號，特別是燃料量信號B、風(fēng)量信號V以及氧量信號O2測量問題的解決是實現(xiàn)燃燒自