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文檔簡介

1、.鍋爐過程控制方案設(shè)計班級:自 1201學(xué)號 :1501120121學(xué)生:向朋指導(dǎo)教師 :薄翠梅2015年7月9日頁腳.電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院第一章自然循環(huán)鍋爐分析1 被控對象工藝流程1. 1 工藝流程賽題的被控對象是流程工業(yè)領(lǐng)域常見的自然循環(huán)鍋爐。的裝置,生產(chǎn)的蒸汽用于發(fā)電和提供熱能。去大氣過熱蒸汽XV1104減溫器E1101汽包V1102過熱蒸汽XV1105爐膛F1101燃油燃油泵P1102M空氣風(fēng)機(jī)K1101軟化水上水泵P1101鍋爐是用于生產(chǎn)蒸汽省煤器E1102煙氣設(shè)備位號設(shè)備名稱V1102汽包E1101減溫器E1102省煤器F1101爐膛K1101風(fēng)機(jī)P1101上水泵P1102燃油泵

2、軟化水經(jīng)給水泵P1101 泵出,分成兩路,一路給水去減溫器E1101,與過熱蒸汽換熱,然后與另一路給水混合進(jìn)入省煤器E1102。去減溫器 E1101的鍋爐給水用于調(diào)整過熱蒸汽的溫度,同時也對鍋爐給水進(jìn)行預(yù)熱。正常工況時, 大部分鍋爐給水直接流向省煤器, 小部分鍋爐給水流向減溫器。省煤器 E1102由多段盤頁腳.管組成,燃料燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庾陨隙峦ㄟ^管間,與管的鍋爐給水換熱, 回收煙氣中的余熱,并使鍋爐給水進(jìn)一步預(yù)熱。被煙氣加熱成飽和水的鍋爐給水全部進(jìn)入汽包V1102,再經(jīng)過對流管束和下降管進(jìn)入鍋爐水冷壁, 吸收爐膛輻射熱在水冷壁里變成汽水混合物,然后返回汽包 V1102 進(jìn)行汽水分離。鍋爐

3、汽包為臥式圓筒形承壓容器,部裝有給水分布槽、汽水分離器等。汽水分離是汽包的重要作用之一,汽包V1102 頂部設(shè)放空閥XV1104,分離出的飽和蒸汽再次進(jìn)入爐膛F1101進(jìn)行汽相升溫,成為過熱蒸汽。出爐膛的過熱蒸汽進(jìn)入減溫器E1101殼程,進(jìn)行溫度微調(diào)并為鍋爐給水預(yù)熱,最后以工藝所要求的過熱蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度輸送給下游生產(chǎn)過程。過熱蒸汽出口管線上設(shè)開關(guān)閥XV1105。燃料經(jīng)由燃料泵P1102 泵入爐膛 F1101的燃燒器,空氣經(jīng)變頻鼓風(fēng)機(jī)K1101送入燃燒器。 燃料與空氣在燃燒器混合燃燒,產(chǎn)生熱量使鍋爐水汽化。 燃燒產(chǎn)生的煙氣帶有大量余熱,對省煤器E1102中的鍋爐給水進(jìn)行預(yù)熱。煙氣經(jīng)由煙道

4、,靠煙囪的抽力抽出,通入大氣。1.2 儀表及操作設(shè)備說明系統(tǒng)中用到的檢測儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)具體說明見下表。設(shè)備位號設(shè)備說明V1101汽包E1101減溫器E1101省煤器頁腳.F1101爐膛K1101風(fēng)機(jī)P1101上水泵P1102燃油泵1.3 鍋爐系統(tǒng)控制要求( 1)燃燒控制,需要控制燃料和空氣的配比,以達(dá)到充分燃燒;( 2)給水控制,需要與蒸汽產(chǎn)量匹配,以控制鍋爐汽包水的儲量;( 3)過熱蒸汽出口壓力控制,要求能夠根據(jù)負(fù)荷的變化控制蒸汽壓力;( 4)過熱蒸汽出口溫度控制,需要根據(jù)工藝要求精確控制蒸汽溫度。第二章鍋爐控制方案設(shè)計2.1 汽包水位控制方案汽包液位是蒸汽鍋爐運行中一個非常重要的控制參數(shù),

5、它可以間接反映鍋爐負(fù)荷與給水平衡的關(guān)系。 維持汽包水位正常時保證鍋爐和下級設(shè)備安全運行的必要條件,如果汽包液位過高,使蒸汽帶液,影響汽包汽水分離裝置的正常工作,造成出口蒸汽水分含量過多, 導(dǎo)致過熱器管壁結(jié)垢而被燒壞, 也使過熱蒸汽溫度急劇變化,直接影響下級設(shè)備的穩(wěn)定運行; 汽包液位過低會影響汽水循環(huán), 嚴(yán)重時甚至可使加熱水管局部受熱而導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。 而且汽包的給水量也不應(yīng)該劇烈波動,以免影響省煤器和進(jìn)水管道的安全。汽包水位影響因素(1) 給水流量頁腳.如果汽包的給水量突然出現(xiàn)擾動而增加,一方面由于給水溫度低于汽包的飽和水溫度,剛剛進(jìn)入汽包的給水會吸收原有飽和水的一部分熱量,從而減少蒸汽量,水

6、面下的氣泡總體積也相應(yīng)減小,汽包水位下降。但是,從單容系統(tǒng)的角度考慮,不考慮氣泡的影響, 則給水量增加勢必使汽包水位上升。兩種情況疊加即得到給水量增加時, 汽包水位經(jīng)過一段遲延后趨于單容系統(tǒng)規(guī)律而上升,遲延的時間隨著給水的過冷度越大而越大。(2) 鍋爐負(fù)荷如果過熱蒸汽流量 (即鍋爐負(fù)荷) 突然出現(xiàn)擾動而增大, 一方面汽包的物質(zhì)平衡狀態(tài)被打破使水位下降; 另一方面, 由于鍋爐出口的過熱蒸汽量增加, 迫使鍋爐的氣泡增加, 而燃料量不可能瞬間隨之增加, 這使汽包的壓力減小, 水面下的氣泡膨脹,總體積增大,導(dǎo)致水面上升,出現(xiàn) “虛假水位 ”。兩種情況共同影響汽包水位,使汽包中出現(xiàn) “虛假水位 ”現(xiàn)象,

7、導(dǎo)致鍋爐負(fù)荷增大時汽包水位先上升一段時間后才開始下降。 虛假水位會導(dǎo)致給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤操作, 使汽包水位波動劇烈,嚴(yán)重影響設(shè)備的安全和壽命。 這說明蒸汽流量擾動是影響汽包水位至關(guān)重要的因素之一。(3) 燃料流量如果燃料量出現(xiàn)擾動增加, 則飽和水吸收的熱量增大, 使鍋爐負(fù)荷的蒸汽量增加,同樣會導(dǎo)致出現(xiàn) “虛假水位 ”。但水循環(huán)系統(tǒng)中的水量比較大,且汽包和水冷壁有一定的儲熱能力, 使系統(tǒng)有一定的熱慣性, 蒸汽量增加緩慢。 且蒸汽量緩慢增加的同時汽包的壓力也會隨之緩慢增大, 使水面下的氣泡體積變小, 汽包水面下降。兩種情況綜合考慮, 則燃料量的增加出現(xiàn)的汽包 “虛假水位 ”較蒸汽流量擾動下要緩和得多

8、。因此汽包水位控制過程中可認(rèn)為燃料量是間接擾動。被控變量與操縱變量的選擇被控變量:汽包水位操縱變量:給水流量給水流量可以直接影響汽包水位,調(diào)整控制方便。頁腳.調(diào)節(jié)閥的選擇V1101、V1102 是汽包上水流量調(diào)節(jié)閥,一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障,氣源信號減弱,這時為了防止鍋爐發(fā)生干燒危險, 應(yīng)保證汽包有一定的水儲量, 故調(diào)節(jié)閥應(yīng)處于打開狀態(tài),所以選擇氣閉式調(diào)節(jié)閥。根據(jù)調(diào)節(jié)閥流量特性,選擇等百分比調(diào)節(jié)閥??刂品桨冈O(shè)計如單從物質(zhì)平衡角度考慮, 則只要保證汽包中的給水量與蒸發(fā)量恒等, 汽包中達(dá)到一個動態(tài)平衡, 就可以使汽包水位不變, 因此可以采用比值控制方法調(diào)節(jié)給水量跟蹤蒸汽量。但對于閉環(huán)系統(tǒng)來說也要同時考慮汽

9、包水位, 這樣可以避免蒸汽量和給水量測量不準(zhǔn)確或由于管道泄漏等情況造成的給水量和蒸汽量間比值不確定帶來的偏差。從而采用三沖量控制方法控制汽包水位, 即控制系統(tǒng)中同時引入汽包水位、給水量及過熱蒸汽量三個測量信號。汽包水位的反饋量可以在鍋爐穩(wěn)定工況時消除靜差, 但會在鍋爐負(fù)荷變化時造成 “虛假水位 ”。而比值控制方法的引入,由于其不依賴于汽包水位,所以在一定程度上可以緩解 “虛假水位 ”造成的誤操作??紤]到單級三沖量控制系統(tǒng)對信號的靜態(tài)配合要求嚴(yán)格, 到當(dāng)負(fù)荷波動較大或給水壓力不穩(wěn)時易使系統(tǒng)存在靜態(tài)誤差, 且整定較為困難。 因此采用串級三沖量汽包水位控制系統(tǒng), 系統(tǒng)方框圖見圖。 環(huán)副調(diào)節(jié)器主要用于

10、迅速抵消給水量的擾動,外環(huán)主控制器的任務(wù)是消除鍋爐負(fù)荷擾動的同時將汽包水位無靜差地維持在期望高度。頁腳.汽包水位三沖量串級控制系統(tǒng)控制器正反作用的確定汽包水位三沖量串級控制回路中,根據(jù)主、副控制器的正反作用的確定順序為先副后主原則,首先確定其副回路給水流量控制器正反作用:副回路:汽包液位控制回路中, 除氧器進(jìn)水流量調(diào)節(jié)閥為氣閉式, 為負(fù)作用,所以符號為負(fù);當(dāng)閥門開大時,汽包上水流量增大,所以被控對象為正作用,符號為正;測量變送器的符號為正;偏差符號為負(fù);為使控制系統(tǒng)穩(wěn)定,必須保證系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋,所以汽包給水流量控制器為負(fù)作用。主回路:將副回路看作正環(huán)節(jié);測量變送器的符號為正;上水流量增大時,除

11、氧器的液位升高,所以被控對象為正作用,符號為正;為使控制系統(tǒng)穩(wěn)定,必須保證系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋,所以主控制器為負(fù)作用。汽包水位控制系統(tǒng)P&ID 圖汽包水位控制系統(tǒng)P&ID 圖頁腳.2.2鍋爐燃燒系統(tǒng)控制方案鍋爐是一個多輸入、多輸出、多回路、非線性且耦合嚴(yán)重的對象,調(diào)節(jié)參數(shù)與被調(diào)節(jié)參數(shù)之間存在許多交叉影響。 當(dāng)其中任一個參量改變時, 其他參量都會受影響。因此,本方案將鍋爐燃燒系統(tǒng)分成相對獨立的四個調(diào)節(jié)對象, 相應(yīng)地設(shè)計相對獨立的調(diào)節(jié)系統(tǒng), 考慮到鍋爐正常運行時的各項指標(biāo), 分別設(shè)計了過熱蒸汽壓力控制系統(tǒng)、 過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)、 煙氣含氧量控制系統(tǒng)、 爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)。過熱蒸汽壓力控制

12、過熱蒸汽壓力是衡量鍋爐的蒸汽生產(chǎn)量與負(fù)荷設(shè)備的蒸汽消耗量是否平衡的重要指標(biāo), 是蒸汽的重要工藝參數(shù)。 蒸汽壓力過低或過高, 對于金屬導(dǎo)管和負(fù)荷設(shè)備都是不利的。壓力過高,會加速金屬的蠕變,導(dǎo)致鍋爐受損;壓力過低,不可能提供給負(fù)荷設(shè)備符合質(zhì)量的蒸汽。因此,控制蒸汽壓力, 是安全生產(chǎn)的需要,也是保證燃燒經(jīng)濟(jì)性的需要。過熱蒸汽壓力影響因素過熱蒸汽壓力的變化是由于鍋爐的熱平衡失調(diào)所引起的。 影響熱平衡的主要因素是燃燒熱和蒸汽熱。(1) 燃料量影響燃燒熱最主要的因素就是進(jìn)入爐膛的燃料量, 燃料量越多,其產(chǎn)生的燃燒熱也就越多。鍋爐正常運行時, 如果進(jìn)入爐膛的燃料量發(fā)生變化, 則爐膛的發(fā)熱量會立即改變,由于軟

13、化水吸收的熱量越多,蒸發(fā)量也就越大,汽包的蒸汽量也會增多,所以蒸發(fā)部分可以看作是一個熱容積,而反映儲熱量多少的主要參數(shù)是汽包壓力。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,蒸汽壓力就要發(fā)生變化,且壓力的變化快慢隨熱量不均等的程度越大而越快。(2) 空氣量同時,對于等量的燃料, 燃料的燃燒效率同樣影響著燃燒熱的產(chǎn)生, 當(dāng)達(dá)到最佳空燃比時,燃料的燃燒率最大。頁腳.即使燃料量沒有變化,如果鼓入爐膛的空氣量變化, 將使燃料的燃燒率變化,當(dāng)空氣量適宜, 燃料得到充分燃燒, 則蒸汽得到的輻射熱和氣相升溫階段的傳熱都將變化,導(dǎo)致過熱蒸汽的溫度發(fā)生變化。 且蒸汽和飽和水得到的絕大部分熱量都來自爐

14、膛。 除此之外,省煤器中的煙氣也是由爐膛燃料燃燒產(chǎn)生的, 影響飽和蒸汽和軟化水溫度的同時間接影響過熱蒸汽的溫度。 因此爐膛中的燃燒工況對過熱蒸汽的溫度起著直接的影響,且反應(yīng)速度較快。(3) 過熱蒸汽流量如果過熱蒸汽流量增大, 則汽包的蒸汽量減小, 使汽包的壓力變小, 從而過熱蒸汽出口壓力也會隨之減小。(4) 過熱蒸汽溫度過熱蒸汽溫度是衡量蒸汽熱的直觀標(biāo)準(zhǔn)。 當(dāng)蒸汽流量一定時, 過熱蒸汽壓力和溫度存在同向的變化趨勢: 蒸汽溫度越高, 說明蒸汽攜帶的能量越多, 則過熱蒸汽的壓力也就隨之增大。過熱蒸汽的溫度和壓力都是鍋爐蒸汽質(zhì)量的重要指標(biāo),都需要維持在一定圍。被控變量與控制量的選擇被控變量: 過熱蒸

15、汽壓力操縱變量: 燃料流量、(空氣流量)為了克服外擾對蒸汽壓力的影響, 在基本的單爐蒸汽壓力控制系統(tǒng)中, 輸入到鍋爐的燃燒熱必須跟隨蒸汽熱的變化而變化, 以盡量保持熱量平衡。 同時,根據(jù)設(shè)定值與蒸汽壓力之間的偏差來適當(dāng)調(diào)節(jié)燃料量以滿足蒸汽壓力圍。 在本鍋爐系統(tǒng)中,由于過熱蒸汽溫度可以用減溫器進(jìn)行微調(diào), 且考慮到過熱蒸汽溫度與壓力之間的關(guān)系, 采用燃燒熱跟隨蒸汽壓力的變化, 用燃料流量來控制鍋爐的燃燒熱。同時,燃油的燃燒效率同樣影響燃燒熱的產(chǎn)生, 所以必須考慮鼓入的空氣量,以達(dá)到最佳空燃比。 但燃油的燃燒效率同時也影響著煙氣的含氧量, 且燃油流量是蒸汽壓力的主要控制量, 而煙氣含氧量直接反映了空

16、氣流量是否適宜, 因此采用燃油流量作為蒸汽壓力的操縱量, 而空氣流量在煙氣含氧量控制系統(tǒng)中具體設(shè)計。燃料量可以直接改變爐膛中的熱量,且延時和慣性很小,從而改變蒸發(fā)量,影響過熱蒸汽壓力,反映速度較快。頁腳.調(diào)節(jié)閥的選擇V1104 是燃油流量調(diào)節(jié)閥,一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障,氣源信號減弱,這時為了防止再有燃油進(jìn)入爐膛繼續(xù)燃燒,應(yīng)切斷燃油進(jìn)量, 故調(diào)節(jié)閥應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài), 所以選擇氣開式調(diào)節(jié)閥。根據(jù)調(diào)節(jié)閥流量特性,選擇等百分比調(diào)節(jié)閥??刂品桨冈O(shè)計通過控制量的選擇部分的分析可知,當(dāng)燃料流量變化時,燃燒熱隨即變化,即爐膛溫度也立即變化, 幾乎沒有慣性和延遲。 因此燃料流量變化時爐膛溫度變化比蒸汽壓力超前得多, 且

17、慣性時間常數(shù)也比較小。 因此,方案中蒸汽壓力的控制系統(tǒng)采用串級控制方法。副回路中應(yīng)該包含系統(tǒng)的主要干擾, 且包含的干擾應(yīng)盡量多, 這樣副回路可以快速反應(yīng), 消除主要干擾; 又考慮到爐膛的溫度測量不能保證準(zhǔn)確, 只能作為參考值,所以不能選爐膛溫度作為副回路。 綜上,過熱蒸汽壓力控制系統(tǒng)采用燃料流量作為副回路。 這是因為燃料量是決定燃燒熱的主要因素, 如果燃料量保持穩(wěn)定,則燃燒熱,即爐膛溫度也就隨之穩(wěn)定。以蒸汽壓力為主控參數(shù), 用來消除過熱蒸汽流量波動引起的干擾, 消除蒸汽壓力靜差,從而與副回路組成熱負(fù)荷控制系統(tǒng)。 過熱蒸汽壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2.18 所示。過熱蒸汽壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖頁腳.控制

18、器正反作用的確定過熱蒸汽壓力串級控制回路中, 根據(jù)主、副控制器的正反作用的確定順序為先副后主原則,首先確定其副回路燃油流量控制器正反作用:副回路:燃油流量調(diào)節(jié)閥為氣開式,為正作用,所以符號為正;當(dāng)閥門開大時,燃油流量增大, 所以被控對象為正作用, 符號為正;測量變送器的符號為正;偏差符號為負(fù); 為使控制系統(tǒng)穩(wěn)定, 必須保證系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋,所以汽包給水流量控制器為正作用。主回路:將副回路看作正環(huán)節(jié);測量變送器的符號為正;燃油流量增大時,過熱蒸汽壓力升高,所以被控對象為正作用,符號為正;為使控制系統(tǒng)穩(wěn)定,必須保證系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋,所以主控制器為負(fù)作用。控制規(guī)律設(shè)計(1) 副調(diào)節(jié)器環(huán)需要起到快速消除擾

19、的作用,且不要求無差,所以此階段燃料 / 空氣流量控制回路的副調(diào)節(jié)器選擇 P 控制算法。(2) 主調(diào)節(jié)器過熱蒸汽的壓力是典型的分布參數(shù)對象, 對于定參數(shù)運行的鍋爐而言, 鍋爐工作的額定壓力與安全閥啟跳壓力相差很小, 在鍋爐負(fù)荷大幅度變化時, 過熱蒸汽壓力控制采用傳統(tǒng)的 PID 方法難以進(jìn)行有效的控制。模糊控制算法是基于知識的控制器, 具有一定的智能性。 將模糊控制規(guī)律與 PID 控制相結(jié)合, 一方面可以使 PID 控制器具有模糊控制的智能性, 又可以利用 PID 的強(qiáng)魯棒性應(yīng)對工況的變動; 另一方面還可以使模糊控制具有確定的控制結(jié)構(gòu),且控制結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn), 而模糊規(guī)則的制定是靠操作知識和經(jīng)驗,

20、不要求被控對象的模型已知。過熱蒸汽溫度控制鍋爐系統(tǒng)中,過熱蒸汽溫度是影響安全和經(jīng)濟(jì)的重要參數(shù)。 過熱蒸汽溫度過高,可能造成過熱器、 蒸汽管道及汽輪機(jī)的高壓部分金屬損壞; 過熱蒸汽溫度過頁腳.低則會降低全廠的熱效率, 且會加劇下級設(shè)備的葉片侵蝕。一般要求過熱蒸汽溫度保持在 ±5 圍。過熱蒸汽溫度影響因素過熱蒸汽溫度系統(tǒng)是一個大延時、非線性、時變、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。影響過熱蒸汽溫度的擾動來源有很多, 比如過熱蒸汽流量、 爐膛中的燃燒工況、 減溫器中軟化水的流量和溫度、爐膛及省煤器對流段的熱傳導(dǎo)系數(shù)等。(1) 減溫器軟化水流量對于一定流量的過熱蒸汽, 如果減溫器軟化水的流量增加, 則軟化

21、水吸收蒸汽的熱量也增大,可以使過熱蒸汽的溫度降低。(2) 過熱蒸汽流量過熱蒸汽流量變化時會引起汽相升溫階段過熱蒸汽與爐膛煙氣的傳熱條件發(fā)生變化。但由于過熱蒸汽流量變化時, 爐膛蒸汽管道長度方向的各點溫度幾乎同時變化,因此在過熱蒸汽流量擾動下過熱蒸汽溫度有自平衡特性, 且慣性、延時都較小。除此之外,過熱蒸汽流量發(fā)生變化時, 爐膛的溫度不能瞬間相應(yīng)變化,這就導(dǎo)致過熱蒸汽的溫度發(fā)生變化。 生產(chǎn)中過熱蒸汽的流量可能需要根據(jù)工程要求而改變,因此過熱蒸汽的流量擾動是汽溫主要擾動之一。(3) 爐膛燃燒工況當(dāng)爐膛的燃料量或燃料的燃燒效率發(fā)生變化時, 直接影響爐膛溫度, 這就使蒸汽的輻射和汽相升溫階段吸收的熱量

22、變化, 從而影響過熱蒸汽溫度。 且燃料量或燃料的燃燒效率的變化還會引起熱傳導(dǎo)條件,也會影響過熱蒸汽溫度。(4) 煙氣溫度及流速爐膛及省煤器對流段可以利用爐膛燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣余熱對軟化水進(jìn)行預(yù)熱和使主蒸汽氣相升溫。 對流段的熱傳導(dǎo)系數(shù)與煙氣和軟化水、 蒸汽的相對速度有關(guān),在熱傳導(dǎo)系數(shù)峰值以下,相對速度越大,熱傳導(dǎo)系數(shù)越大,而鼓風(fēng)量、引風(fēng)量和煙道擋板開度都能引起煙氣流速和溫度的變化。但當(dāng)煙氣傳熱量變化時,沿蒸汽管道長度方向的各點溫度幾乎同時變化, 因此在過熱蒸汽流量擾動下過熱蒸汽溫度有自平衡特性,且慣性、延時都較小。(5) 軟化水溫度頁腳.如果軟化水溫度變高, 則通過對流段、 輻射吸熱段和氣相升

23、溫段吸收相同熱量的情況下,相應(yīng)的蒸汽溫度也會升高。被控變量與操縱變量的選擇被控變量: 過熱蒸汽溫度操縱變量: 減溫器軟化水流量對于蒸汽溫度和壓力的耦合, 本方案中采取用減溫器對過熱蒸汽溫度進(jìn)行微調(diào);用燃料量控制汽壓(此時蒸汽溫度也隨之改變) 。減溫器只能對過熱蒸汽的溫度起到微調(diào)的原因是: 如果只用減溫器對過熱蒸汽溫度進(jìn)行調(diào)節(jié), 這可能會出現(xiàn)當(dāng)汽溫出現(xiàn)過高大偏差時, 減溫器為了降低蒸汽溫度而大量增加流過減溫器的軟化水, 雖然此時的控制使蒸汽溫度下降, 但直接導(dǎo)致軟化水的總溫度升高, 考慮到減溫器壁和管路有一定的熱容積, 溫度變化存在慣性,所以可能幾拍后升溫的軟化水又會使飽和蒸汽溫度升高, 進(jìn)而過

24、熱蒸汽溫度升高,則減溫器動作也隨之增大, 出現(xiàn)惡性循環(huán), 使過熱蒸汽溫度控制出現(xiàn)波動。從解耦控制的角度考慮, 蒸汽流量必須滿足一定的參數(shù)指標(biāo), 如果用蒸汽流量來調(diào)節(jié)過熱蒸汽溫度勢必會因為耦合而破壞蒸汽流量的控制效果, 導(dǎo)致蒸汽的流量和溫度都發(fā)生波動, 所以不能用蒸汽流量作為蒸汽溫度的控制量。 而省煤器對流段是對軟化水進(jìn)行預(yù)熱,只能對蒸汽溫度起到間接調(diào)節(jié)的作用,存在延時,因此不把省煤器對流段的熱傳導(dǎo)系數(shù)的調(diào)節(jié)作為蒸汽溫度控制。調(diào)節(jié)閥的選擇V1103 是減溫器軟化水流量調(diào)節(jié)閥,一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障,氣源信號減弱,為保證過熱蒸汽溫度不致過高而損壞管道,故調(diào)節(jié)閥應(yīng)處于打開狀態(tài), 所以選擇氣閉式調(diào)節(jié)閥。根據(jù)

25、調(diào)節(jié)閥流量特性,選擇等百分比調(diào)節(jié)閥??刂品桨冈O(shè)計過熱蒸汽的溫度和壓力存在耦合。 假設(shè)為了增大過熱蒸汽流量而將蒸汽出口閥開度調(diào)大, 則汽包的壓力減小, 使過熱蒸汽出口壓力隨之減小。蒸汽壓力控制器為了維持蒸汽壓會增加燃料流量,增加爐膛的熱量。 由于汽包存在虛假水位的頁腳.影響,會使上水流量在小段時間不增加, 即進(jìn)入爐膛升溫的軟化水和蒸汽量沒有變化或減小,在燃料量增加的情況下使過熱蒸汽溫度升高。但克服虛假水位后,為了維持汽包水位, 上水流量增加, 進(jìn)入爐膛吸熱的軟化水和蒸汽流量增大, 則過熱蒸汽溫度回降,最終維持在一定值。過熱蒸汽溫度的擾動量很多, 而減溫器中的軟化水對過熱蒸汽溫度發(fā)生作用的過程需要

26、經(jīng)過軟化水容積、 管壁容積才能到達(dá)過熱蒸汽容積, 因此存在較大的容積延時。所以只靠單回路控制系統(tǒng)難以達(dá)到理想的控制效果, 需要在基本的主反饋回路中加入可以提前反映擾動的信號,并快速消除擾動。本方案中采用前饋控制系統(tǒng)對過熱蒸汽溫度進(jìn)行控制。從系統(tǒng)動態(tài)分析可知,過熱蒸汽流量擾動對蒸汽溫度有較大影響, 用前饋回路對蒸汽流量擾動進(jìn)行補(bǔ)償,可以快速消除其過熱蒸汽溫度的擾動。調(diào)節(jié)閥動作改變減溫器軟化水流量到過影響熱蒸汽溫度, 需要經(jīng)過管路、 減溫器壁兩個熱容積才能到達(dá)過熱蒸汽熱容積, 導(dǎo)致減溫器對過熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)存在一定的延時。 為使過熱蒸汽溫度及時消除導(dǎo)前蒸汽的溫度擾動, 快速達(dá)到設(shè)定值,此階段控制系

27、統(tǒng)中加入 Smith 預(yù)估補(bǔ)償方法, 預(yù)先估計出過熱蒸汽在基本擾動下的溫度,然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償, 使被遲延的被調(diào)量超前反映到調(diào)節(jié)器上,使調(diào)節(jié)器提前動作, 從而減小超調(diào)量, 加速調(diào)節(jié)過程。 過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖減溫器控制過熱蒸汽溫度結(jié)構(gòu)圖控制器正反作用的確定過熱蒸汽溫度控制回路中,調(diào)節(jié)閥為氣開式,為正作用,所以符號為正;當(dāng)閥門開大時,減溫器軟化水流量增大,所以被控對象為正作用,符號為正;測量頁腳.變送器的符號為正; 偏差符號為負(fù); 為使控制系統(tǒng)穩(wěn)定, 必須保證系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋,所以過熱蒸汽溫度控制器為正作用??刂埔?guī)律設(shè)計通過以上分析,設(shè)計減溫器軟化水流量控制器時需要考慮到過熱蒸汽溫度偏差

28、圍,根據(jù)汽溫偏差圍來決定減溫器動作的快慢和大小。 此外還需考慮防止減溫器軟化水流量過少而導(dǎo)致減溫器干燒而發(fā)生管裂。因此,在減溫器起消除靜差作用階段, 因為過熱蒸汽溫度噪聲較大, 所以在考慮外環(huán)溫度控制器設(shè)計時沒有加入微分作用。且需要消除過熱蒸汽溫度的靜差,所以主調(diào)節(jié)器應(yīng)有積分作用。 又由于回路中已經(jīng)有預(yù)估補(bǔ)償功能可以補(bǔ)償一定的延時,且考慮到系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù),最終選擇 PI 控制算法作為此階控制回路的主調(diào)節(jié)規(guī)律。 環(huán)的副調(diào)節(jié)器采用比例 P 控制規(guī)律,用以快速消除擾。 控制結(jié)構(gòu)圖如圖所示。頁腳.過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)PID 圖過熱蒸汽流量控制過熱蒸汽的產(chǎn)量是鍋爐運行的一個重要指標(biāo),鍋爐的蒸汽產(chǎn)量必須

29、滿足下級設(shè)備的生產(chǎn)需要。過熱蒸汽流量影響因素對蒸汽流量的設(shè)定值是由鍋爐負(fù)荷的大小所決定的, 過熱蒸汽流量應(yīng)滿足下級設(shè)備正常運行時的需要, 如果過熱蒸汽產(chǎn)量過低, 則可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的工作效率降低;如果蒸汽流量過高, 將會造成不必要的浪費, 甚至對下級設(shè)備造成損害,影響系統(tǒng)安全。 因此,對鍋爐的過熱蒸汽流量應(yīng)以下級設(shè)備的生產(chǎn)需要來調(diào)整。在鍋爐的開車和停車階段, 過熱蒸汽的流量變化不應(yīng)過快, 這時蒸汽流量控制也很重要。被控變量與操縱變量的選擇被控變量: 過熱蒸汽流量操縱變量: 過熱蒸汽流量過熱蒸汽的流量可以直接進(jìn)行調(diào)節(jié)。頁腳.調(diào)節(jié)閥的選擇過熱蒸汽流量調(diào)節(jié)閥, 一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障, 氣源信號減弱, 這

30、時為了不讓不合格的過熱進(jìn)入下級設(shè)備,以保證下級設(shè)備的安全,故調(diào)節(jié)閥應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài),所以選擇氣開式調(diào)節(jié)閥。根據(jù)調(diào)節(jié)閥流量特性,選擇等百分比調(diào)節(jié)閥??刂品桨冈O(shè)計由于過熱蒸汽流量的設(shè)定值主要由下級設(shè)備的生產(chǎn)需要決定, 且蒸汽流量可以直接用調(diào)節(jié)閥控制, 所以用單回路控制系統(tǒng)即可滿足要求。 這樣,可以使過熱蒸汽流量控制系統(tǒng)實現(xiàn)起來簡單,還能有效消除干擾,令蒸汽流量跟蹤負(fù)荷。又由于過熱蒸汽流量的測量噪聲較大, 所以加入一個低通濾波器, 防止測量測量噪聲造成的控制系統(tǒng)出現(xiàn)大超調(diào)。 過熱蒸汽流量控制單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。過熱蒸汽流量控制單回路系統(tǒng)控制器正反作用的確定過熱蒸汽流量控制回路中,調(diào)節(jié)閥為氣開式,為

31、正作用,所以符號為正;當(dāng)閥門開大時,過熱蒸汽流量增大,所以被控對象為正作用,符號為正;測量變送器的符號為正;偏差符號為負(fù);為使控制系統(tǒng)穩(wěn)定,必須保證系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋,所以過熱蒸汽流量控制器為正作用??刂埔?guī)律設(shè)計因為流量控制較為簡單, 所以可以采用常規(guī)控制方法。 又由于過熱蒸汽流量的測量噪聲較大, 所以不宜采用微分作用, 以防控制系統(tǒng)出現(xiàn)大超調(diào)。 所以選擇頁腳.比例 -積分 PI 控制規(guī)律對過熱蒸汽流量進(jìn)行控制。這樣既方便實現(xiàn),降低系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜度,又可以有效消除靜差。煙氣含氧量控制煙氣含氧量,即爐膛的空氣過剩系數(shù)直接反映了爐膛送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作狀況的好壞,因此煙氣含氧量的大小同時也反映了鍋爐的工作

32、效率。煙氣的含氧量對鍋爐的效率影響很大, 這主要表現(xiàn)在: 正常工況下, 鍋爐負(fù)荷在一定圍, 如果爐膛出口煙氣含氧量過大, 說明鼓入爐膛的空氣過剩, 這時煙氣帶走大量熱量,致使?fàn)t溫度顯著降低,且煙氣流速也會升高。另外,排煙損失是隨著過??諝庀禂?shù), 即煙氣含氧量的增加而增加的, 煙氣含氧量太大會使鍋爐熱效率降低, 飛灰對受熱面的磨損量與煙氣流速密切相關(guān), 因此,爐膛的管壁和抽風(fēng)機(jī)葉片的磨損加重,嚴(yán)重影響設(shè)備的使用壽命。所以,無論從安全生產(chǎn)、 經(jīng)濟(jì)效益的角度, 還是從 “低碳 ”、節(jié)能的角度來看,煙氣含氧量的調(diào)節(jié)是鍋爐控制中必不可少的環(huán)節(jié)。煙氣含氧量影響因素?zé)煔夂趿康挠绊憯_動很多,其中最直接的主要

33、擾動為燃料量和燃料量 -空氣量配比;過熱蒸汽的溫度、流量變化也可以間接影響煙氣含氧量。(1) 空燃比如果進(jìn)入爐膛的燃料量和空氣量維持在最佳空燃比狀態(tài)下, 則可以滿足燃料充分燃燒的情況下過??諝饬孔畹?, 保證鍋爐運行過程中各項損失之和最小, 鍋爐的工作效率最高。(2) 過熱蒸汽溫度及流量除燃料量和燃料量 -空氣量配比外,鍋爐的過熱蒸汽溫度和流量的變化也可以間接影響煙氣含氧量。 當(dāng)過熱蒸汽狀態(tài)變化時, 燃料量和空氣量也必須及時調(diào)整,則燃燒工況也相應(yīng)改變。鍋爐正常負(fù)荷工況運行時,由于爐膛溫度較高,燃料燃燒及與空氣混合條件較好, 故燃料可以穩(wěn)定燃燒, 為了提高鍋爐效率, 這時可以適當(dāng)降低過剩空氣系數(shù),

34、 則排煙損失降低, 且爐膛溫度升高,煙氣速度降低,使煤粉在爐的停留時間相對延長, 減少燃料的不完全燃燒率。 當(dāng)鍋爐負(fù)荷降低時,由于燃燒減弱,投入的燃料量減少,爐膛溫度較低,火焰充滿程度差,燃燒易不頁腳.穩(wěn)定。此時可以適當(dāng)增加鼓風(fēng)量,增大爐膛負(fù)壓,減少漏風(fēng),使?fàn)t膛溫度相對提高,以穩(wěn)定燃燒,且能減少燃料不完全燃燒的損失。被控變量與操縱變量的選擇被控變量: 煙氣含氧量操縱變量: 空氣流量煙氣含氧量反映了爐膛中燃料燃燒的充分程度和過??諝饬浚?因此它主要是由燃料量 -空氣量的配比決定的,即當(dāng)滿足最佳空燃比時,燃料可以充分燃燒,且鼓入爐膛的空氣量最適宜,從而煙氣含氧量最佳??紤]到煙氣含氧量與過熱蒸汽溫度

35、、 壓力的耦合,燃料流量的多少直接影響到過熱蒸汽的狀態(tài), 如果改變?nèi)剂狭髁縼碚{(diào)節(jié)煙氣含氧量, 勢必會造成過熱蒸汽參數(shù)的波動。 而在燃料量充足的情況下, 空氣量的供給是不成問題的, 且空氣量擾動下被控對象是狀態(tài)自平衡過程, 慣性和延時都小, 容易控制, 因此煙氣含氧量主要用鼓入爐膛的空氣流量來調(diào)節(jié)??刂品桨冈O(shè)計在鍋爐實際運行中, 實時監(jiān)測排出煙氣的含氧量, 根據(jù)之前的分析, 首先可以通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)量來控制燃料量與空氣量的比值, 逼近最佳空燃比, 以保證完全燃燒所需要的足夠風(fēng)量,這是對煙氣含氧量的粗調(diào);接著在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下,按煙氣含氧量前饋量的大小對鼓風(fēng)量進(jìn)行細(xì)調(diào), 從而使煙氣含氧量達(dá)到設(shè)定的理想

36、值。并通過爐膛燃燒情況的具體分析, 根據(jù)不同負(fù)荷來調(diào)整最佳空燃比的大小。煙氣含氧量的控制中在過熱蒸汽溫度控制的前提下加入了煙氣含氧量的前饋控制,用以補(bǔ)償過剩或不足的空氣部分, 前饋部分結(jié)構(gòu)圖如圖所示, 其中省略了燃料流量調(diào)節(jié)回路。頁腳.煙氣含氧量前饋補(bǔ)償部分結(jié)構(gòu)圖控制器正反作用的確定煙氣含氧量控制回路中, 鼓風(fēng)機(jī)相當(dāng)于氣開式調(diào)節(jié)閥,為正作用,所以符號為正;當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)的頻率增大,鼓入爐膛的空氣量增大,所以被控對象為正作用,符號為正;測量變送器的符號為正;偏差符號為負(fù);為使控制系統(tǒng)穩(wěn)定,必須保證系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋,所以煙氣含氧量控制器為正作用??刂埔?guī)律設(shè)計環(huán)需要起到快速消除擾的作用,且不要求無差,所以此

37、階段燃料 / 空氣流量控制回路的副調(diào)節(jié)器選擇比例 P 控制算法。煙氣含氧量前饋調(diào)節(jié)器: 鼓入爐膛的空氣中的含氧量是可以測得的,一般情況下,空氣中含有的氧氣比例占20% 左右。假設(shè)鼓入爐膛的空氣含氧量為,鍋爐排出的煙氣的含氧量與設(shè)定值之間的偏差為I ,則對應(yīng)煙氣含氧量偏差的空氣量為Q空I/上式即為煙氣含氧量前饋調(diào)節(jié)器,這相當(dāng)于加入了一個干擾觀測器。Q空 即為鼓入空氣的補(bǔ)償量, 相當(dāng)于增加或減少 Q空 的空氣量,正好可以彌補(bǔ)不足或過剩的煙氣含氧量,才能使煙氣含氧量達(dá)到理想值。當(dāng)I0 時,說明煙氣含氧量偏小,爐膛中空氣量不足,應(yīng)增大風(fēng)機(jī)K1101頻率,增加空氣量,所以Q空 為正;當(dāng) I 0 時,說明

38、煙氣含氧量偏大,爐膛中空氣量不足,應(yīng)減小風(fēng)機(jī)K1101頻率,減少空氣量,所以 Q空 為負(fù)。頁腳.爐膛負(fù)壓控制鍋爐正常工作時,爐膛必須處于負(fù)壓狀態(tài),其爐膛負(fù)壓必須保持在一定圍。鍋爐爐膛的負(fù)壓對鍋爐的安全生產(chǎn)和資源的利用率起著決定性的作用。 一般負(fù)壓應(yīng)控制在 -20(Pa) 左右。如果爐膛負(fù)壓太大,會使大量冷空氣進(jìn)入爐膛,增大引風(fēng)機(jī)負(fù)荷和排煙帶走的熱損失; 而如果爐膛負(fù)壓太小, 甚至出現(xiàn)正壓, 則爐膛的火焰和煙氣就有可能從爐墻縫隙或測點空洞外逸,嚴(yán)重影響設(shè)備和人員安全。爐膛負(fù)壓影響因素爐膛負(fù)壓是由鼓風(fēng)量和引風(fēng)量之間特定關(guān)系形成的, 因此如果爐膛負(fù)壓保持穩(wěn)定,那么鼓入爐膛中的鼓風(fēng)量和排煙量就是一個動

39、態(tài)平衡關(guān)系。 所以,鼓入爐膛中的空氣量和排煙量的變化都能引起爐膛負(fù)壓的變化。(1) 鼓風(fēng)量如果鍋爐的排煙量一定, 當(dāng)鼓風(fēng)量增大時, 爐膛的負(fù)壓程度隨之變??; 當(dāng)鼓風(fēng)量減小時,爐膛的負(fù)壓程度隨之變大。 但由于煙氣含氧量控制系統(tǒng)中為了令燃油充分燃燒,鼓風(fēng)量需要跟隨燃油流量進(jìn)行比值控制。(2) 煙道擋板開度當(dāng)鼓風(fēng)量不變時, 煙道擋板的開度越大, 則引風(fēng)機(jī)的抽力越大, 排出的煙氣也就越多。但當(dāng)煙道擋板開度過大時,引風(fēng)抽力可能過大,排煙量過多,可能造成爐膛熄火的危險。被控變量與操縱變量的選擇被控變量: 爐膛負(fù)壓操縱變量: 排煙量盡管鼓入爐膛中的空氣量和排煙量的變化都能引起爐膛負(fù)壓的變化, 但考慮到如果依

40、靠改變鼓入爐膛中的空氣量來調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓, 則由于爐膛空燃比發(fā)生變化而使燃料燃燒效率受到影響,進(jìn)而影響過熱蒸汽溫度、壓力。因此,為了消除耦合,選擇排煙量作為爐膛負(fù)壓的操縱變量,采用調(diào)節(jié)煙道擋板DO1101 開度來控制排煙流量。頁腳.調(diào)節(jié)閥的選擇煙道擋板用于調(diào)節(jié)排煙量, 一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障, 為保證爐膛壓力不致過高或過低,應(yīng)使?fàn)t膛和大氣聯(lián)通, 故煙道擋板應(yīng)處于打開狀態(tài), 所以煙道擋板為故障開??刂品桨冈O(shè)計鍋爐煙道對象的時間常數(shù)較小, 調(diào)節(jié)通道和鼓風(fēng)擾動通道的特性都可以近似認(rèn)為是比例環(huán)節(jié)。由于被調(diào)量的反映過于靈敏, 所以其調(diào)節(jié)過程易產(chǎn)生激烈跳動,因此簡單的單回路控制不能保證控制質(zhì)量。因為鼓風(fēng)量的大小變

41、化是爐膛負(fù)壓產(chǎn)生擾動的主要因素, 因此考慮加入鼓風(fēng)量前饋控制,這樣可以再鼓風(fēng)量發(fā)生擾動時迅速改變排煙量。 爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制器正反作用的確定爐膛負(fù)壓控制回路中,煙道擋板為故障開,為負(fù)作用,所以符號為負(fù);當(dāng)閥門開大時,爐膛負(fù)壓減小,所以被控對象為負(fù)作用,符號為負(fù);測量變送器的符號為正;偏差符號為負(fù);為使控制系統(tǒng)穩(wěn)定,必須保證系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋,所以爐膛負(fù)壓控制器為正作用。頁腳.控制規(guī)律設(shè)計(1) 爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)器選擇 PID 加前饋控制對爐膛負(fù)壓進(jìn)行控制,這是因為 PID 控制方法結(jié)構(gòu)簡單,易于整定和維護(hù), 且爐膛壓力變化是個快速響應(yīng)環(huán)節(jié), 傳統(tǒng) PID 控制方法即可勝任。(2) 前饋補(bǔ)償器鼓風(fēng)量只需要在鍋爐穩(wěn)定運行狀態(tài)下進(jìn)行補(bǔ)償, 且擾動通道與控制通道的動態(tài)響應(yīng)相近,故采用比例 P 控制規(guī)律作為靜態(tài)前饋控制即可。鍋爐燃燒控制系統(tǒng)圖第三章開車及停車順序鍋爐從停爐到進(jìn)入正常運行需要一個合理的開車步驟,使鍋爐安全、 快速地進(jìn)入正常工況狀態(tài)。 當(dāng)系統(tǒng)因為某種原因需要停爐,而此時鍋爐處于正常工況下時,則需要一個完整的停車步驟令鍋爐安全、節(jié)能、“低碳 ”地停止工作。一旦鍋爐運行中出現(xiàn)不能通過調(diào)節(jié)作用降低或消除的危險時,就需要啟動緊急停車方案,迫使鍋爐快速中斷風(fēng)險。頁腳.3.1 開車步驟啟動前檢查所有的閥門、泵、鼓風(fēng)機(jī)均處于

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