1、内蒙古科技大学过程控制课程说明书I摘要蒸汽锅炉燃烧系统的自动控制是一个比较复杂的过程控制，它涉及的变量较多，一般的简单调节系统很难实现。本文简要综述了燃煤工业锅炉燃烧控制系统的任务和结构,详细的对蒸汽锅炉燃烧过程的自动控制内容进行分析研究，比较了各种实用控制方法, 指出了这些方法的不足之处, 综合比较各优缺点，采用了带有逻辑选择的前馈一串级调节的成功方案。关键词：蒸汽锅炉燃烧过程；自动控制；前馈一串级调节；燃烧控制内蒙古科技大学过程控制课程说明书II目 录摘要 .I引言 .III第一章 热电厂生产概述 .41.1 锅炉工艺流程简介 .21.2 锅炉蒸汽压力控制回路设计 .31.3 锅炉工艺各个
2、主要工艺参数 .3第二章 锅炉燃烧控制系统 .62.1 燃烧过程的控制任务 .62.2 蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统 .62.2.1 系统方案一 .72.2.2 系统方案二 .72.2.3 系统方案三 .8第三章 防止回火、防止脱火安全控制系统 .113.1 防止回火的连锁控制系统 .113.2 防止脱火的选择控制系统 .11结束语 .12参 考 文 献 .13内蒙古科技大学过程控制课程说明书III引言发电厂（power plant）又称发电站，是将自然界蕴藏的各种一次能源转换为电能（二次能源）的工厂。19 世纪末，随着电力需求的增长，人们开始提出建立电力生产中心的设想。电机制造技术的
3、发展，电能应用范围的扩大，生产对电的需要的迅速增长，发电厂随之应运而生。现在的发电厂有多种途径的发电途径：靠燃煤或石油驱动涡轮机发电的称热电厂，靠水力发电的称水电站，还有些靠太阳能，风力和潮汐发电的小型电站，而以核燃料为能源的核电站已在世界许多国家发挥越来越大的作用。由于我国煤炭资源丰富，因而以煤、油、天然气为燃料的火电厂成为我国电能产生的依靠，全国火力发电占70%以上。火力发电中动力部分是有制粉系统设备（磨制煤粉，使之能在锅炉炉膛有效燃烧） 、锅炉设备（实现化学能的释放,并转换成水蒸气携带的热能） 、汽轮机设备（用于转动把热能转成机械转动） 、电机设备（实现电能的产生） 。然而工业锅炉是我国
4、目前应用面宽, 数量多的耗用一次能源的重要设备。每年消耗原煤二亿七千万吨。锅炉运行的好坏, 对于节约能源, 保护环境等有着重大的社会经济效益。我国中小型工业锅炉广泛使用链条炉排, 锅炉实际运行效率远低于设计效率。这与工业锅炉上没有建立一套合理的实际可行的燃烧控制系统有很大关系。由于燃煤工业锅炉有不同于燃气, 燃油锅炉的特点, 因此, 在当前国外对燃气、燃油锅炉有较好的控制方法时, 燃煤工业锅炉还存在着许多问题要解决, 这要求人们认真地研究和探索。在蒸汽锅炉生产工艺中，过程控制的内容较多，重要的控制系统包括锅炉燃烧过程的控制、蒸汽系统的控制和汽包水位的控制等。其中，锅炉燃烧过程的控制尤为复杂它涉
5、及到汽包蒸汽压力、蒸汽流量、烟气含氧量、鼓风量和炉膛压力等变量。控制对象多(有燃料量、鼓风量、引风量等)并且互相影响本文在某蒸汽锅炉燃烧过程控制的设计中采用多种控制方案，进行分析比较最终选择了前馈 串级调节方案较好地解决了燃烧控制中的内蒙古科技大学过程控制课程说明书IV问题第一章 热电厂生产概述它 是 利 用 煤 、 石 油 、 天 然 气 等 固 体 、 液 体 燃 料 燃 烧 所 产 生 的 热 能 转 换 为 动 能 以 生 产 电能 的 工 厂 。 按 燃 料 的 类 别 可 分 为 燃 煤 火 电 厂 、 燃 油 火 电 厂 和 燃 气 火 电 厂 等 。 按 功 能 又 可分 为
6、发 电 厂 和 热 电 厂 。 发 电 厂 只 生 产 并 供 给 用 户 以 电 能 ； 而 热 电 厂 除 生 产 并 供 给 用 户 电能 外 ， 还 供 应 热 能 。 按 服 务 规 模 可 分 为 区 域 性 火 电 厂 、 地 方 性 火 电 厂 以 及 列 车 电 站 等 。区 域 性 火 电 厂 装 机 容 量 较 大 ， 一 般 建 造 在 燃 料 基 地 如 大 型 煤 矿 附 近 。 这 类 电 厂 又 称 为 坑口 电 厂 ， 其 电 能 通 过 长 距 离 的 输 电 线 路 供 给 用 户 。 地 方 性 火 电 厂 多 建 造 在 负 荷 中 心 ， 需经 长
7、距 离 运 进 燃 料 ， 它 生 产 的 电 能 供 给 比 较 集 中 的 用 户 。 通 常 火 电 厂 还 按 蒸 汽 压 力 分 为低 压 电 厂 （ 蒸 汽 初 压 力 为 1.2 15atm， 1atm105Pa） 、 中 压 电 厂 (蒸 汽 初 压 力 为20 40atm)、 高 压 电 厂 (蒸 汽 初 压 力 为 60 100atm)、 超 高 压 电 厂 （ 蒸 汽 初 压 力 为120 140atm） 、 亚 临 界 压 力 电 厂 （ 蒸 汽 初 压 力 为 160 180atm） 和 超 临 界 压 力 电 厂（ 蒸 汽 初 压 力 为 226atm） 。 火 电
8、 厂 是 电 能 生 产 的 重 要 组 成 部 分 。火电厂的基本生产过程:火力发电厂的燃料上要有煤、石油（主要是重油、天然气） 。火力发电厂由三大主要设备锅炉、汽轮机、发电机及相应辅助设备组成，它们通过管道或线路相连构成生产主系统，即燃烧系统、汽水系统和电气系统。用火车或轮船运入发电厂储煤场的煤，经过碎煤设备破碎后，由皮带运输机送入锅炉房内的原煤仓。煤从原煤仓落入给煤机，在其中研制成煤粉，同时送入热空气来干燥和输送煤粉。磨制好的煤粉，经粗粉分离器除去部分不合格的煤粉后进内蒙古科技大学过程控制课程设计说明书2入旋风分离器，在其中空气和煤粉得以分离，分离出来的细粉进入煤粉仓。煤粉由给煤机送入输
9、粉管，而旋风分离器中的空气则由排粉机抽出。煤粉和空气在输粉管内混合后，由喷燃器喷入炉膛内进行燃烧。由送风机送来的空气，在进入炉膛之前，先在空气预热器中接受排烟预热，以减少排烟热损失，并提高空气温度，改善燃烧过程。炉膛内的燃烧产物高温烟气，在引风机的拔风作用下，沿着锅炉本体倒 U 形烟道依次流过炉膛、过热器、省煤器和空气预热器，将热量逐步传递给水、蒸汽和空气。降温后的烟气流入除尘器进行净化，净化除尘后的烟气则被引风机抽出，排入大气。将燃料的化学能装换为热能。锅炉产生的新蒸汽进入汽轮机后逐级进行膨胀，蒸汽部分热能就转变为汽流动能；高速汽流施加作用力于汽轮机的叶片上，推动了叶轮连同整个转子旋转，汽流
10、的动能于是被转换成汽轮机轴上的机械能。汽轮机带动发电机，利用切割磁力线感应原理，将原动机的机械能变为电能输出。锅炉作为火电厂三大主设备之一。它利用燃料（如煤、重油、天然气燃烧时产生的热量使水变成具有一定温度和压力的过热蒸汽，以驱动汽轮发电机发电。电厂锅炉以其容量大、参数（压力、温度）高区别于一般工业锅炉。电厂锅炉在火电厂中是提供动力的关键设备，因而电厂锅炉技术的进步对电力生产的发展有着直接影响。1.1 锅炉工艺流程简介给水经给水泵、给水控制阀、省煤器进入锅炉的汽包，燃料和热空气按一定的比例送入燃烧室内燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽 Ds。然后经过热器，形成一定气温的过热蒸汽
11、D，汇集至蒸汽母管。压力为 Pm 的过热蒸汽，经负载设备控制供给负荷设备用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排到大气。图 1.1 给出了工业燃煤锅炉工艺流程图。内蒙古科技大学过程控制课程设计说明书3调节阀减温器炉膛燃烧嘴热空气燃料省煤器炉墙热空气送往炉膛空气预热器给水 ( 由给水泵来 )冷空气 ( 由送风机来 )烟气 ( 由引风机送往烟囱 )汽包DP MD S过热蒸汽送负荷设备过热器图 1.1 工业燃煤锅炉工艺流程图1.2 锅炉蒸汽压力控制回路设计由于蒸汽压力与燃烧率和调节阀门开度都有关系,根据运行数
12、据分析，调节阀门开度的影响大于燃烧率，为了简化结构，采用通过控制调节阀门开度来控制蒸汽压力，具体控制回路如下图 1.2 所示。控制器幅限阀门开度蒸汽压力蒸汽压力给定值+-蒸汽压力输出值图 1.2 锅炉蒸汽压力控制回路示意图当实际产生的蒸汽压力与给定值正向偏差较大时，则蒸汽压力较大应当增大阀门开度减小蒸汽压力；反之亦然。 1.3 锅炉工艺各个主要工艺参数锅炉是全厂重要的动力设备，其要求是供给合格的蒸汽，使锅炉发热量适应负荷的需要。为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制。锅炉设备的主要控制要求如下。1）供给蒸汽量适应负荷变化需求或保持给定负荷。2）锅炉供给用汽设备的蒸汽压 力应保持在一定范围
13、内。3） 过热蒸汽温度应保持在一定范围内。4） 汽包水位保持在一定范围内。5） 保持锅炉燃烧的经济性和安全运行。内蒙古科技大学过程控制课程设计说明书46） 炉膛负压保持在一定范围内。锅炉设备是一个复杂的控制对象，如图 1.2 所示，主要输入变量是锅炉给水量、燃料量、减温水量、送风量和引风量等；主要输出变量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（氧气含量等） 。锅炉设备给水量引风量送风量燃料量减温水蒸汽压力炉膛负压过剩空气蒸汽温度汽包水位图 1.2 锅炉控制对象上述输入变量与输出变量之间相互关联。如果蒸汽负荷发生变化，必将引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化。燃料量的变化
14、不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压。给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度等亦有影响。减温水的变化会导致过热蒸汽温度、蒸汽压力、汽包水位等的变化；等等。所以锅炉设备是一个多输入，多输出且相互关联的控制对象。目前工程处理上作了一些假设之后，将锅炉设备划分为若干个控制系统，主要控制系统如下。1） 锅炉汽包水位控制（给水自动控制系统） 。锅炉液位高度是确保生产和提供优质蒸汽的重要参数。特别是对现代工业生产来说，由于蒸汽量显著提高，汽包溶剂相对减小，水位速度变化很快，稍不注意即造成汽包满水或烧干锅，无论满水还是缺水都会造成极其严重的后果。因此，
15、主要从汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包中水位在工艺允许范围内。这是保证锅炉，汽轮机安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的重要指标。因而，此控制系统的受控变量是汽包水位，操纵变量是给水量。主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应蒸发量，维持汽包中水位在工艺要求的范围之内。2）锅炉燃烧的自动控制。蒸汽压力、烟气成分、炉膛负压为三个被控变量，分别利用燃料流量、送风流量和引风流量作为三个操纵变量。这三个被控变量和操纵变量互相关联，内蒙古科技大学过程控制课程设计说明书5组成合适的燃烧系统控制方案，以满足燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要，使燃料与空气间保持一定比值，以保证最经
16、济的燃烧（常以煤烟中的氧含量为受控变量） ，提高锅炉的燃烧效率，满足燃烧的完全和经济性。保持炉膛负压在一定的范围内，使锅炉安全运行。3） 过热蒸汽温度的自动控制。是以过热蒸汽温度为被控变量，喷水量为操纵变量的温度控制系统，维持过热器出口温度在一定范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。 综上所述锅炉的自动控制主要包括汽包水位控制, 燃烧控制, 过热蒸汽温度控制和附属控制(如除氧器的蒸汽压力和水位控制等) 。要节约能源, 保护环境, 燃烧控制最为重要。第二章 锅炉燃烧控制系统2.1 燃烧过程的控制任务燃烧过程的自动控制系统与燃料种类、燃烧设备及锅炉形式有着密切的关系。这里讨论燃煤锅炉的燃烧过
17、程控制系统。燃烧自动控制的任务是: 使燃烧燃料产生的热量适应用汽设备的用汽需要; 使燃料量与送风量随时保持适当的配比 , 以保证烟气中含氧的最佳值, 即最内蒙古科技大学过程控制课程设计说明书6佳过乘空气系数, 达到经济燃烧; 应使引风量随时与送风量保持平衡, 为此炉膛负压不变。根据锅炉燃烧过程的特点, 燃烧自动控制是这样来实现的, 即: 通过调节给煤、送风和引风来保证蒸汽压力、烟气含量和炉膛负压为一定值燃烧过程控制任务很多，最基本的任务是使锅炉出口蒸汽压力稳定。当负荷变化时，通过调节燃料量使之稳定。其次，要保证燃料燃烧良好，燃烧过程经济运行。既不能因为空气不足而使烟囱冒黑烟，也不能因为空气过多
18、而增加热量损失。所以在增加燃料时，应先加大空气量；在减少燃料时，也应先减少空气量。总之，燃料量与空气量应保持一定的比值，或者烟道中的氧含量应保持一定的数值。再次，为防止燃烧过程中火焰或烟气外喷，应该使排烟量与空气量相配合，以保持炉膛负压不变。如果负压太小，甚至为正，则炉膛内热烟气向外冒出，影响人员和锅炉设备安全；如果负压大，会使大量冷空气进入炉内，从而使热量损失增加，降低了燃烧效率。一般炉膛负压应该维持在-20Pa（约-2mmH2O）左右。此外，燃烧嘴背压太高时可能燃烧流速过高而脱火；炉嘴背压太低时，又可能回火。因此，从安全考虑，应该设置一定的防备措施。总体而言锅炉的燃烧过程是一个能量转换和传
19、递的过程，其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要（常以蒸汽压力为被控变量） ；使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证最佳经济效益的燃烧（常以烟气成分为被控变量） ，提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压在一定的范围内。锅炉燃烧控制系统分为汽包压力及燃料比值、排烟氧含量、炉膛负压 3 个控制系统。接下来将着重介绍汽包压力及燃料比值控制系统。2.2 蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统蒸汽压力对象的主要干扰是燃料量的波动与蒸汽负荷的变化。当燃料流量和蒸汽负荷变动较小时，可采用利用蒸汽压力来调节燃料量的单回路控制系统；当燃料流量波动较大时，可采用蒸汽压力对燃料流量
20、的串级控制系统。燃料流量是随蒸汽负荷而变化的，所以为主流量，与空气流量组成的单闭环比值控制系统，可使燃料与空气保持一定的比例，获得良好的燃烧。为了保证经济燃烧，也可以使用烟道气中氧含量来校正燃料流量与空气流量的比值，组成变比值控制系统。2.2.1 系统方案一图 2.1 给出了锅炉的基本方案，包括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，以及燃料量为主动量、送风量为从动量的比值控制系统。构成了串级和比值控制组合的系统，串级控制系统中为了保证在出现 状况下燃料阀处于关闭状态保证生产安全燃烧阀选为气开（A.O）,PC 控制器选反作用，F1C控制器选反作用，控制规律应用 PI 即可满
21、足要求。比值控制系统中，空气阀选为气开内蒙古科技大学过程控制课程设计说明书7(A.O）,F2C 选择反作用，控制规律也选用 PI 控制。方案一能够确保燃料量与空气量的比值关系，当燃料量变化时，送风量能够跟踪燃料量的变化,但送入的空气量滞后于燃料量的变化。该控制系统稳定时，主、副流量可以保持比值一定，但从动态角度看，因压力变化首先反映到主流量给定值变化，使主流量随之变化，再经过主流量测量变送、比值器，改变副流量控制器的给定值，副流量跟着变化。显然，副流量的变化滞后于主流量，即动态比值不能得到保证。如果在方案设计上稍作修改，就可以基本上实现动态比值，为方案二。 最 优 值蒸 汽 压 力 燃 烧 量
22、 送 风 量 含 氧 量燃 烧 阀 空 气 阀图 2.1 燃烧过程控制方案一2.2.2 系统方案二图 2.2 给出了第二种控制方案。包括蒸汽压力为主被控变量、燃料量为副被控变量的串级控制系统，以及蒸汽压力为主被控变量、送风量为副被控变量的串级控制系统。同样此方案中燃料阀处于关闭状态保证生产安全燃烧阀选为气开（A.O）,PC 控制器选反作用，F1C控制器选反作用，控制规律应用 PI 即可满足要求，空气阀选为气开(A.O）,F2C 选择反作用，控制规律选 PI 控制。此方案中，燃料量与送风量的比值关系是通过燃料控制器和送风调节器的正确动作间接保证的，该方案能够保证蒸汽压力恒定。由于此时压力控制器的输出除作主流量控制器的给定外，同时送入副流量控制器的给定，因比值器可忽略其动态滞后，这样主、副流量控制回路对液面控制器的动态响应基本一致，以保持动态比值。 含 氧 量送 风 量燃 烧 量 蒸 汽 压 力 最 优 值空 气 阀燃 烧 阀图 2.2 燃烧过程控制方案二无论是方案一还是方案二，其共同的特点是在比值控制方案的基础上，加入了烟道气氧含量的一个控制回路。这是一个以烟道中氧含量为控制目标的燃烧流量与空气流量的变比值控制系统。这一控制系统可以保证锅炉最经济燃烧。在整个生产过程中保证最经济的燃烧，
