1、7锅炉过程控制方案设计班 级: 自 1201 学 号: 1501120121 学生姓名: 向朋 指导教师: 薄翠梅 2015 年 7 月 9 日电气工程与控制科学学院 7第一章 自然循环锅炉分析1 被控对象工艺流程1. 1 工艺流程赛题的被控对象是流程工业领域常见的自然循环锅炉。锅炉是用于生产蒸汽的装置，生产的蒸汽用于发电和提供热能。X V 1 1 0 5减 温 器E 1 1 0 1燃 油 泵P 1 1 0 2风 机K 1 1 0 1上 水 泵P 1 1 0 1省 煤 器E 1 1 0 2汽 包V 1 1 0 2炉 膛F 1 1 0 1M去大气过热蒸汽过 热 蒸 汽燃 油空 气软 化 水设 备
2、 位 号 设 备 名 称V 1 1 0 2汽 包E 1 1 0 1减 温 器E 1 1 0 2省 煤 器F 1 1 0 1炉 膛K 1 1 0 1风 机P 1 1 0 1上 水 泵P 1 1 0 2燃 油 泵X V 1 1 0 4烟 气软化水经给水泵 P1101 泵出，分成两路，一路给水去减温器 E1101，与过热蒸汽换热，然后与另一路给水混合进入省煤器 E1102。去减温器 E1101 的锅炉给水用于调整过热蒸汽的温度，同时也对锅炉给水进行预热。正常工况时，大部分锅炉给水直接流向省煤器，小部分锅炉给水流向减温器。省煤器 E1102由多段盘管组成，燃料燃烧产生的高温烟气自上而下通过管间，与管内
3、的锅炉给水换热，回收烟气中的余热，并使锅炉给水进一步预热。被烟气加热成饱和水的锅炉给水全部进入汽包 V1102，再经过对流管束和下降管进入锅炉水冷壁，吸收炉膛辐射热在水冷壁里变成汽水混合物，然后返7回汽包 V1102 进行汽水分离。锅炉汽包为卧式圆筒形承压容器，内部装有给水分布槽、汽水分离器等。汽水分离是汽包的重要作用之一，汽包 V1102 顶部设放空阀 XV1104，分离出的饱和蒸汽再次进入炉膛 F1101 进行汽相升温，成为过热蒸汽。出炉膛的过热蒸汽进入减温器 E1101 壳程，进行温度微调并为锅炉给水预热，最后以工艺所要求的过热蒸汽压力、过热蒸汽温度输送给下游生产过程。过热蒸汽出口管线上
4、设开关阀 XV1105。燃料经由燃料泵 P1102 泵入炉膛 F1101 的燃烧器，空气经变频鼓风机K1101 送入燃烧器。燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使锅炉水汽化。燃烧产生的烟气带有大量余热，对省煤器 E1102 中的锅炉给水进行预热。烟气经由烟道，靠烟囱的抽力抽出，通入大气。1.2 仪表及操作设备说明系统中用到的检测仪表及执行机构具体说明见下表。设备位号 设备说明V1101 汽包E1101 减温器E1101 省煤器F1101 炉膛K1101 风机P1101 上水泵P1102 燃油泵1.3 锅炉系统控制要求（1）燃烧控制，需要控制燃料和空气的配比，以达到充分燃烧；（2）给水控制，需要
5、与蒸汽产量匹配，以控制锅炉汽包内水的储量；7（3）过热蒸汽出口压力控制，要求能够根据负荷的变化控制蒸汽压力；（4）过热蒸汽出口温度控制，需要根据工艺要求精确控制蒸汽温度。第二章 锅炉控制方案设计2.1 汽包水位控制方案汽包液位是蒸汽锅炉运行中一个非常重要的控制参数，它可以间接反映锅炉负荷与给水平衡的关系。维持汽包水位正常时保证锅炉和下级设备安全运行的必要条件，如果汽包液位过高，使蒸汽带液，影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽水分含量过多，导致过热器管壁结垢而被烧坏，也使过热蒸汽温度急剧变化，直接影响下级设备的稳定运行；汽包液位过低会影响汽水循环，严重时甚至可使加热水管局部受热而导致严
6、重的事故。而且汽包的给水量也不应该剧烈波动，以免影响省煤器和进水管道的安全。2.1.1 汽包水位影响因素(1) 给水流量如果汽包的给水量突然出现扰动而增加，一方面由于给水温度低于汽包内的饱和水温度，刚刚进入汽包的给水会吸收原有饱和水的一部分热量，从而减少蒸汽量，水面下的气泡总体积也相应减小，汽包水位下降。但是，从单容系统的角度考虑，不考虑气泡的影响，则给水量增加势必使汽包水位上升。两种情况叠加即得到给水量增加时，汽包水位经过一段迟延后趋于单容系统规律而上升，迟延的时间随着给水的过冷度越大而越大。(2) 锅炉负荷如果过热蒸汽流量（即锅炉负荷）突然出现扰动而增大，一方面汽包内的物质平衡状态被打破使
7、水位下降；另一方面，由于锅炉出口的过热蒸汽量增加，迫使锅炉内的气泡增加，而燃料量不可能瞬间随之增加，这使汽包内的压力减小，水面下的气泡膨胀，总体积增大，导致水面上升，出现“虚假水位” 。两种情况共同影响汽包水位，使汽包中出现“虚假水位 ”现象，导致锅炉负荷增大时汽包水位先上升一段时间后才开始下降。虚假水位会导致给水调节机构的误操作，使汽包水位波动剧烈，严重影响设备的安全和寿命。这说明蒸汽流量扰动7是影响汽包水位至关重要的因素之一。(3) 燃料流量如果燃料量出现扰动增加，则饱和水吸收的热量增大，使锅炉负荷的蒸汽量增加，同样会导致出现“虚假水位” 。但水循环系统中的水量比较大，且汽包和水冷壁有一定
8、的储热能力，使系统有一定的热惯性，蒸汽量增加缓慢。且蒸汽量缓慢增加的同时汽包内的压力也会随之缓慢增大，使水面下的气泡体积变小，汽包水面下降。两种情况综合考虑，则燃料量的增加出现的汽包“虚假水位”较蒸汽流量扰动下要缓和得多。因此汽包水位控制过程中可认为燃料量是间接扰动。2.1.2 被控变量与操纵变量的选择被控变量：汽包水位操纵变量：给水流量给水流量可以直接影响汽包水位，调整控制方便。2.1.3 调节阀的选择V1101、V1102 是汽包上水流量调节阀，一旦系统出现故障，气源信号减弱，这时为了防止锅炉发生干烧危险，应保证汽包内有一定的水储量，故调节阀应处于打开状态，所以选择气闭式调节阀。根据调节阀
9、流量特性，选择等百分比调节阀。2.1.4 控制方案设计如单从物质平衡角度考虑，则只要保证汽包中的给水量与蒸发量恒等，汽包中达到一个动态平衡，就可以使汽包水位不变，因此可以采用比值控制方法调节给水量跟踪蒸汽量。但对于闭环系统来说也要同时考虑汽包水位，这样可以避免蒸汽量和给水量测量不准确或由于管道泄漏等情况造成的给水量和蒸汽量间比值不确定带来的偏差。从而采用三冲量控制方法控制汽包水位，即控制系统中同时引入汽包水位、给水量及过热蒸汽量三个测量信号。7汽包水位的反馈量可以在锅炉稳定工况时消除静差，但会在锅炉负荷变化时造成“虚假水位 ”。而比值控制方法的引入，由于其不依赖于汽包水位，所以在一定程度上可以
10、缓解“ 虚假水位 ”造成的误操作。考虑到单级三冲量控制系统对信号的静态配合要求严格，到当负荷波动较大或给水压力不稳时易使系统存在静态误差，且整定较为困难。因此采用串级三冲量汽包水位控制系统，系统方框图见图。内环副调节器主要用于迅速抵消给水量的扰动，外环主控制器的任务是消除锅炉负荷扰动的同时将汽包水位无静差地维持在期望高度。汽包水位三冲量串级控制系统2.1.5 控制器正反作用的确定汽包水位三冲量串级控制回路中，根据主、副控制器的正反作用的确定顺序为先副后主原则，首先确定其副回路给水流量控制器正反作用：副回路：汽包液位控制回路中，除氧器进水流量调节阀为气闭式，为负作用，所以符号为负；当阀门开大时，
11、汽包上水流量增大，所以被控对象为正作用，符号为正；测量变送器的符号为正；偏差符号为负；为使控制系统稳定，必须保证系统构成负反馈，所以汽包给水流量控制器为负作用。主回路：将副回路看作正环节；测量变送器的符号为正；上水流量增大时，除氧器的液位升高，所以被控对象为正作用，符号为正；为使控制系统稳定，必须保证系统构成负反馈，所以主控制器为负作用。72.1.6 汽包水位控制系统 P&ID 图汽包水位控制系统 P&ID 图2.2 锅炉燃烧系统控制方案锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性且耦合严重的对象，调节参数与被调节参数之间存在许多交叉影响。当其中任一个参量改变时，其他参量都会受影响。因此，本方案将
12、锅炉燃烧系统分成相对独立的四个调节对象，相应地设计相对独立的调节系统，考虑到锅炉正常运行时的各项指标，分别设计了过热蒸汽压力控制系统、过热蒸汽温度控制系统、烟气含氧量控制系统、炉膛负压控制系统。2.2.1 过热蒸汽压力控制过热蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要工艺参数。蒸汽压力过低或过高，对于金属导管和负荷设备都是不利的。压力过高，会加速金属的蠕变，导致锅炉受损；压力过低，不可能提供给负荷设备符合质量的蒸汽。因此，控制蒸汽压力，是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。72.2.1.1 过热蒸汽压力影响因素过热蒸汽压力的变化是由于锅炉的热平衡
13、失调所引起的。影响热平衡的主要因素是燃烧热和蒸汽热。(1) 燃料量影响燃烧热最主要的因素就是进入炉膛的燃料量，燃料量越多，其产生的燃烧热也就越多。锅炉正常运行时，如果进入炉膛的燃料量发生变化，则炉膛内的发热量会立即改变，由于软化水吸收的热量越多，蒸发量也就越大，汽包内的蒸汽量也会增多，所以蒸发部分可以看作是一个热容积，而反映储热量多少的主要参数是汽包压力。当炉膛发热量 Q 和蒸汽流量 D 所带走的热量不相等时，蒸汽压力就要发生变化，且压力的变化快慢随热量不均等的程度越大而越快。(2) 空气量同时，对于等量的燃料，燃料的燃烧效率同样影响着燃烧热的产生，当达到最佳空燃比时，燃料的燃烧率最大。即使燃
14、料量没有变化，如果鼓入炉膛的空气量变化，将使燃料的燃烧率变化，当空气量适宜，燃料得到充分燃烧，则蒸汽得到的辐射热和气相升温阶段的传热都将变化，导致过热蒸汽的温度发生变化。且蒸汽和饱和水得到的绝大部分热量都来自炉膛。除此之外，省煤器中的烟气也是由炉膛燃料燃烧产生的，影响饱和蒸汽和软化水温度的同时间接影响过热蒸汽的温度。因此炉膛中的燃烧工况对过热蒸汽的温度起着直接的影响，且反应速度较快。(3) 过热蒸汽流量如果过热蒸汽流量增大，则汽包内的蒸汽量减小，使汽包内的压力变小，从而过热蒸汽出口压力也会随之减小。(4) 过热蒸汽温度过热蒸汽温度是衡量蒸汽热的直观标准。当蒸汽流量一定时，过热蒸汽压力和温度存在
15、同向的变化趋势：蒸汽温度越高，说明蒸汽携带的能量越多，则过热蒸汽的压力也就随之增大。过热蒸汽的温度和压力都是锅炉蒸汽质量的重要指标，都需要维持在一定范围内。72.2.1.2 被控变量与控制量的选择被控变量：过热蒸汽压力操纵变量：燃料流量、 （空气流量）为了克服内外扰对蒸汽压力的影响，在基本的单炉蒸汽压力控制系统中，输入到锅炉的燃烧热必须跟随蒸汽热的变化而变化，以尽量保持热量平衡。同时，根据设定值与蒸汽压力之间的偏差来适当调节燃料量以满足蒸汽压力范围。在本锅炉系统中，由于过热蒸汽温度可以用减温器进行微调，且考虑到过热蒸汽温度与压力之间的关系，采用燃烧热跟随蒸汽压力的变化，用燃料流量来控制锅炉的燃
16、烧热。同时，燃油的燃烧效率同样影响燃烧热的产生，所以必须考虑鼓入的空气量，以达到最佳空燃比。但燃油的燃烧效率同时也影响着烟气的含氧量，且燃油流量是蒸汽压力的主要控制量，而烟气含氧量直接反映了空气流量是否适宜，因此采用燃油流量作为蒸汽压力的操纵量，而空气流量在烟气含氧量控制系统中具体设计。燃料量可以直接改变炉膛中的热量，且延时和惯性很小，从而改变蒸发量，影响过热蒸汽压力，反映速度较快。2.2.1.3 调节阀的选择V1104 是燃油流量调节阀，一旦系统出现故障，气源信号减弱，这时为了防止再有燃油进入炉膛继续燃烧，应切断燃油进量，故调节阀应处于关闭状态，所以选择气开式调节阀。根据调节阀流量特性，选择
17、等百分比调节阀。2.2.1.4 控制方案设计通过控制量的选择部分的分析可知，当燃料流量变化时，燃烧热随即变化，即炉膛温度也立即变化，几乎没有惯性和延迟。因此燃料流量变化时炉膛温度变化比蒸汽压力超前得多，且惯性时间常数也比较小。因此，方案中蒸汽压力的控制系统采用串级控制方法。副回路中应该包含系统的主要干扰，且包含的干扰应尽量多，这样副回路可以快速反应，消除主要干扰；又考虑到炉膛的温度测量不能保证准确，只能作为参考值，所以不能选炉膛温度作为副回路。综上，过热蒸汽压力控制系统7采用燃料流量作为副回路。这是因为燃料量是决定燃烧热的主要因素，如果燃料量保持稳定，则燃烧热，即炉膛温度也就随之稳定。以蒸汽压
18、力为主控参数，用来消除过热蒸汽流量波动引起的干扰，消除蒸汽压力静差，从而与副回路组成热负荷控制系统。过热蒸汽压力控制系统结构如图 2.18 所示。过热蒸汽压力控制系统结构图2.2.1.5 控制器正反作用的确定过热蒸汽压力串级控制回路中，根据主、副控制器的正反作用的确定顺序为先副后主原则，首先确定其副回路燃油流量控制器正反作用：副回路：燃油流量调节阀为气开式，为正作用，所以符号为正；当阀门开大时，燃油流量增大，所以被控对象为正作用，符号为正；测量变送器的符号为正；偏差符号为负；为使控制系统稳定，必须保证系统构成负反馈，所以汽包给水流量控制器为正作用。主回路：将副回路看作正环节；测量变送器的符号为正；燃油流量增大时，过热蒸汽压力升高，所以被控对象为正作用，符号为正；为使控制系统稳定，必须保证系统构成负反馈，所以主控制器为负作用。2.2.1.6 控制规律设计(1) 副调节器内环需要起到快速消除内扰的作用，且不要求无差，所以此阶段燃料/空气流量控制回路的副调节器选择 P 控制算法。
