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1、 编号 毕 业 设 计 技 术 报 告 课题名称： 学生姓名: 学 号: 专 业: 班 级: 指导教师: 2012 年 5 月 燃煤热水锅炉DCS系统监控及应用目 录目 录2摘 要6第一章 前 言7第二章 工艺介绍及流程简述821 锅炉系统简述82. 2锅炉主要技术指标82. 3系统运行8231 升火及控制82.3.2 运行操作923. 3锅炉停炉10第三章仪表选型及设计1031仪表选型原则10311温度仪表11312压力仪表113 . 13流量仪表11314液位仪表11315分析仪表11316执行机构1132控制点和控制参数11第四章锅炉燃烧系统控制方案1241锅炉燃烧过程和控制任务1241
2、1工业锅炉燃烧过程分析13412锅炉燃烧过程的动态特性17413工业锅炉燃烧控制的任务1942锅炉优化控制的理论基础及国内外研究现状19421锅炉优化控制的理论基础19422国内外研究现状2243控制方案设计与研究22431 燃煤热水锅炉燃烧过程对象的实测特性23432控制方案的选取2344“炉温寻优”思想的提出及实验验证2544 .1“炉温寻优”思想的提出25442炉膛温度和热效率的关系254 .43炉温相对于风量的极值点2644. 4 “炉温寻优”思想的实验验证2745优化控制系统的实现28451“炉温寻优”应满足的条件28452寻优算法28453重新启动寻优的条件30第五章DCS系统选型
3、及其软硬件设计开发3051 DCS系统概述30511国内外DCS系统发展现状30512 DOS系统的特点和优势31513 DCS系统选型原则3252 SunyPCC800小型集散控制系统简介3353硬件体系设计34531网络结构34532现场控制站36533操作站工程师站36534采用一体化SunyTDCS800系统3654软件体系设计37541实时数据库38542硬件配置软件SunyCfg38543算法编辑器SunyIEC38544实时运行软件SunyRTM38545人机界面设计38546显示功能设计40547报警功能设计40548报表打印功能40549系统生成及数据通信4155系统技术规格
4、设计41551系统构成4155. 2系统供电41553可靠性和冗余措施42第六章DCS系统可靠性设计4261 DCS系统的抗干扰问题42611电磁干扰源及对系统的干扰42612 DCS控制系统工程应用的抗干扰设计44613主要抗干扰措施4462 DCS系统冗余技术45621冗余技术45622控制系统冗余的关键技术456 .23冗余技术在控制系统中的应用实现分析46第七章效果及结论4771实施效果47参考文献48摘 要本文介绍了浙大中自公司的SunyPCC800，3*175MW 燃煤锅炉系统的工艺原理、工艺流程。根据系统要求，参考其它系统控制参数，确定了76个控制点，对每一个控制点，都确定了具体
5、的安装位置，仪表规格型号，控制参数量程，以及对应的DCS控制编号。根据燃煤热水锅炉的燃烧特性，采用“炉温寻优”的控制方案，分析了控制方案应满足的条件和控制算法。本文对目前国内外DCS控制系统的发展和应用进行了详细地分析研究；确定DCS应用中的选型原则；本系统对扩展能力(I0点数)要求不高，适宜选用小型的DCS控制系统，最终采用了浙大中自有限公司的SunyPCC800DCS控制系统。对浙大中自有限公司的unyPCC800 DCS控制系统进行了分析研究，进行了硬件选型及设计，进行了软件设计，进行了系统整体技术规格设计。针对锅炉可靠性的要求，对影响DCS系统的安全可靠因素进行了分析设计，分析了系统各
6、种干扰源及抗干扰措施；还对系统各项冗余要求进行了详细分析。应用以上设计的自动控制系统，使锅炉燃烧的控制达到了很好的效果，减轻了劳动人员的劳动强度；提高了锅炉燃烧效率，提高了锅炉运行的安全性。该装置2007年6月顺利运行，目前运行良好，各项指标达到了设计要求。关键词：燃煤锅炉；仪表选型：DCS；参数优化；系统冗余第一章 前 言随着我国生产力的不断发展以及我国在生产过程自动化方面科技水平的不断提高，目前我国建设的锅炉控制系统普遍采用了DCS控制系统，以前采用常规控制的锅炉系统也基本进行了DCS改造。随着DCS控制系统的不断发展，性能不断提高，价格逐年下降，DCS控制系统的应用范围越来越广。 由于D
7、CS技术进步速度很快，集中更新换代周期很短，过去由几个主要外国DCS厂家垄断的时代已经过去，民族品牌的DCS厂家迅速发展成熟起来，目前已经占据了中国DCS市场的半壁江山，其性能，可靠性和稳定性及优越性的性价比得到了广大用户的认可。选择DCS机种主要考虑以下方面；选择工程实力较强的知名公司，选择符合有经验的专家推荐的主流机型，首先考虑DCS系统的可靠性，稳定性和可操作性其次考虑DCS功能应满足“功能需要”的要求，具有国际先进水平（但不一定是最先进的）系统应具有开放式的结构，有灵活的系统可扩展性；制造厂家的后备支持系统完备，有工程经验和实践能力，服务良好，性价比最好，备件供应和及时响应。 对于锅炉
8、系统来说，控制系统可靠性是至关重要的，如何尽可能的提高DCS的可靠性，从而保证安全生产是一项非常重要的工作，从提高可靠性的角度考虑，在DCS选型和设计上要注意几个方面的问题。在选择DCS控制系统时要优先考虑有在类似机组上的良好运行业绩的控制系统，这样的控制系统通过工厂试验和实际投运，其可靠性得到了时间的检验。控制系统的硬件一定要具备高可靠性，在电子元器件上的生产工艺各环节上采用了成熟的技术，电子模件最好能热插拔。控制器的运算和存储能力要足够，IO卡件具有很强的抗干扰能力。控制系统从结构上要充分地采用冗余技术。对于控制系统的控制器，网络通讯等必须冗余，且各冗余设备之间必须能实现无扰切换。采取冗余
9、结构不仅能避免控制系统的局部故障扩大事故，保证机组安全稳定运行，同时也保证设备故障的在线排除，从而消除事故隐患。控制系统软件的可维护性要好，同时也保证设备故障的在线排除，从而消除事故隐患。控制系统软件的可维护性要好。尤其是以下几个方面：程序及软件的稳定性好，不会出现系统或单个控制器死机等问题；系统自诊断性好，控制器及I/O信号有出错报警；人机交换友好，可以在线维修程序及下载；备品备件有可靠保证，在15年内采购容易且周期短，价格低；控制系统软件的可读性好，其组态功能块的功能是否能轻易实现DCS控制系统的各种工艺功能的需求。SunyPC800 DCS系统，源于浙大中自有限公司，此公司产品广泛应用与
10、许多行业。该装置是比较成熟的产品，故很多公司采用，并取得较好的业绩。该装置的独立性较强。燃煤锅炉控制系统有80个控制点位左右，系统对扩展能力（I/O点数）要求不高，选用这种小型的的DCS控制系统可以避免不必要的资源浪费，降低工程成本。DCS系统设计，一般需经过：系统方案制定，完成了仪表选型计算，仪表安装方案配线方案设计，DCS软硬件设计，DCS系统选型，协助采购招标及签署各种技术附近，完成控制系统规划，盘柜布置，供电分配，各种接线图的绘制，现场施工，综合考虑各种因素，使该控制系统安全、精确且节能。第二章 工艺介绍及流程简述21 锅炉系统简述 型号：SHL14.71.42/131/65AIII,
11、有潍坊生建锅炉厂生产。锅炉室内双层布置，运行层高4.5米，锅炉呈凸骨形。烟气出炉膛进入转向室后进入对流管束区，对流管束分成前后两部分，烟气为W形流动，前部管束明显比后部管束吸热大，热气上升下降分明，构成井然有序的自然循环，中间的隔室可供进入砌筑隔墙和维修。 烟气为横向及纵向混合冲刷，烟气流速选取较高，这样布置可以使水循环有保证。烟气混合冲刷，对流管束区不积灰，能一直保持较好的传热状态，尾部布置了省煤器和空气预热器。2.2锅炉主要技术指标 额定热功率 17.6MW 额定出水压力 1.35MPa 最大热功率 19.4MW 额定出口水温 125 额定进口水温 70 使用燃料 III类烟煤 设计效率
12、81.4% 燃料的颗粒度要求 03mm 燃煤外水分<13% 炉排有效面积 21.7 耗煤量 3305.9kg/h 锅炉水容积 23t 额定工况下循环水量 237.5t/h 热风温度146 受热面积： 炉膛1072.3系统运行231 升火及控制1热水采暖系统投入运行前，为了预防热水系统中的杂物在运行中造成堵塞现象，系统投入使用前必须进行冲洗，冲洗结束后应将除污器清洗干净。2锅筒住火前应进行全面检查，而后进行注水工作，未注水前必须关闭排污阀，开启排空气阀，让炉内空气可以排除。3本锅炉水质应符合GB1576工业锅炉水质的有关规定。4将已处理的水通过省煤器缓慢地注入锅炉内，进水温度应低于40摄氏
13、度。锅炉升火前应先开启循环水泵，待网络系统中的水循环起来以后，才能点火。循环水泵应无负荷启动，待运转正常后，再逐渐开启出口阀门，锅炉点火前先开引风机，使炉膛负压在45至100pa保持4 min以上。5点燃炉排上的火柴并引燃燃煤煤层，待燃烧旺盛时，用最低的速度使炉移动，视燃烧情况可时开时停。6升火时温度不宜太快，避免各部分因受热不同而产生过大的热应力，影响锅炉寿命，防止水温过高发生汽化。7加强监视循环泵压力表的指示情况，当锅炉进水时先关闭省煤器再循环管上的阀门。安全阀应在初次升压时进行调整按照热水锅炉安全技术监察规程第105条表2-1规定的压力进行调整校验。 表1-2 安全阀的校正安全阀的始启压
14、力1.12倍工作压力但不小于工作压力+0.07MPa1.14倍工作压力但不小于工作压力+0.10MPa(1) 锅炉上必须有一个安全阀按表中较低的初始开启压力进行调整。(2) 所有安全阀经校正铅封后不能乱动。(3) 切勿敲击安全阀上的任何部分，开启安全阀只能用阀上的控制杆。(4) 在安全未校正前锅炉绝对禁止投入运行。2.3.2 运行操作1系统运行调整搞好热水采暖系统的调整，控制热网供，回水温度，压力和各回路的系统流量，使之在规定范围内，对热水锅炉的安全经济运行十分重要。 系统的运行调整由集中调整和局部调节两部分组成。集中调节是为了满足供热负荷的需要，对锅炉出水口水温和流量进行调节；局部调节是通过
15、支管路上的阀门改变热水流量，以调节其供热量。集中调节的方法：（1） 质调节。在流量不变的情况下，改变向网络的供热温度，即改变锅炉出口水温。（2） 量调节。在供水温度不变的情况下，改变向网络供水的流量即加减循环水的流量。（3）间歇调节。改变每天供热的时间长短即变化锅炉运行时间。一般在室外气温接近设计温度时采用间歇运行调节，在室外气温回升时，采用供水温度的质调节。2运行参数控制（1）保持压力稳定。热水锅炉运行中应密切监视锅炉进口出压力表和循环泵入口压力，如发现压力波动较大，应及时查找原因，加以处理。当系统压力偏低时，应及时向系统补水，同时根据供热量和水温的要求调整燃烧。当网络系统中发生局部故障，需
16、要切断维修时，更应对循环水压力加强监视。如压力较大变化，应通过阀门作相应调整，确保总的运行网络压力不变。（2）温度控制。运行人员要经常注意室外温度的变化，根据规定的水温与气温关系的曲线图进行燃烧量调整，一般要求供水温度与水温曲线所规定的温度数值相差不大于2。采用质调节时，网络供水温度的改变要逐步进行，每小时水温高或低不宜大于20 以免管道产生不正常的温度压力。如对外循环回路加以调节，要注意调整使其温度偏差不超10。3排气除污。热水采暖网络和锅炉内，在运行时充满了水，水中有许多游离气体，这些气体无论对锅炉和网络来说都是有害的，必须予以排除。具体做法是：定期对锅炉，网络的最高点，除污器的排气管进行
17、排气，同时定期清洗污器。4合理分配配水量。通过阀门开度来合理分配通到各循环网络的水量。并监视各系统网络的回水温度。由于管道在弯头、三通，变径管及阀门等处容易被污物堵塞影响流量分配，因此对这些地方应勤加检验，最简单的方法是用手触摸，如果感觉温度差别，很大，则该拆开处理。5防止汽化。在正常运行时，必须严密监视锅炉出水水温，使水温与沸点之间有足够的温度裕度，并保持锅炉内的压力恒定，同时应使锅炉和各部分的循环水流量均匀。6停电保护。当突然停电时，必须迅速打开炉门，撤出炉膛煤火，使炉温很快降低，关闭回水及出水总阀，开启再循环管道路阀门保证省煤器的冷却。如果自来水压力高于锅炉静压力时，应用自来水向锅炉进水
18、，并开启锅炉的放气阀。恢复供电以后，当水位表水位仍在可见水位时，由回水管道重新进水。7定期排污。排放次数视水质情况而定，排污时锅水温度低100，防止锅炉因排污而降压，使锅炉发生水击和汽化。排污器一般每周排污一次，如果系统新投入运行或者水质情况较差时，可适当增加排污次数。23. 3锅炉停炉锅炉停炉分三种情况：正常停炉；暂时停炉；紧急停炉。1 正常停炉。正常停炉时，先停止供给燃料，然后关闭送风机，最后关闭引风机，但不可立即停泵 ，只有当锅炉出口水温降到50以下才能停循环泵。停泵时，为了防止产生水击，应先逐渐关闭水泵出口阀门，待出口阀门基本关闭后再停泵。2暂停锅炉 暂停锅炉时，火床一定要压住，烟道出
19、口挡板要关严。在压火期间，如发现锅水温度升高，应短时间开通循环水泵，防止锅水超温汽化。天气寒冷时，停泵时间不应过长，防止系统发生冻裂事故。紧急停炉3. 紧急停炉锅炉运行中，有下列情况之一时，应紧急停炉。（1） 因循环不良造成锅水汽化，或锅炉出口热水温度上升到出口压力下相应饱和温度的差小于20（2） 循环水泵全部失效，锅水温度急剧上升，失去控制。（3） 压力表、温度表、安全阀，其中有一种全部失效。（4） 锅炉元器件损坏，危机运行人员的安全。（5） 锅炉虽补给水泵不断补水，但锅炉压力仍然继续下降。（6） 热网系统严重损坏。（7） 燃烧设备损坏，炉墙倒塌或锅炉构架被烧红，严重威胁锅炉安全运行。（8）
20、 其他异常运行情况，且超过安全运行运行范围。紧急停炉时，应立即停止供给燃料，必要时扒出炉内燃煤或用湿炉灰将火压灭，其他操作与正常停炉相同。第三章仪表选型及设计31仪表选型原则311温度仪表3111就地温度显示仪表就地温度显示选用抽芯式、万向型双金属温度计，均带保护套管。管道及设备上安装均采用DN40法兰连接。3112远传温度测量仪表(1)一般场合温度测量选用分度号“K”型隔漏铠装型热电偶，IEC标准：控制用温度回路，另配架装温度变送器。管道及设备上安装均采用DN40法兰连接”。(2)加热炉炉膛的温度测量选用分度号“S”型热电偶，IEC标准，法兰规格与加热炉炉体设备开口法兰规格相同。(3)加热炉
21、炉管的温度测量选用分度号“S”型刀刃式热电偶。312压力仪表3121就地压力显示仪表(1)一般场合选用不锈钢压力表；(2)微压或负压场合选用不锈钢膜盒压力表：(3)泵出口等有振荡场合选不锈钢耐振压力表。3122远传压力测量仪表(1)一般压力测量选用智能压力变送器。(2)微压或负压场合选用智能差压变送器。3 . 13流量仪表锅炉出口流量选用电磁质量流量计哺。314液位仪表3141就地液位测量仪表(1)就地清洁介质液位测量选用玻璃板液位计。(2)就地粘稠介质液位测量选用磁浮子液位计。314，2远传液位测量仪表水罐液位测量选用差压变送器。315分析仪表氧化锆及PH值分析仪就地安装。316执行机构鼓风
22、机和引风机选用角行程电动执行器。32控制点和控制参数锅炉房3台锅炉共设计76个控制点，输入点67个，输出点9个。表3-1锅炉控制点参数表序号编号参数位置量程备注1TE1011#炉膛温度1#炉膛0-16002TE2012#炉膛温度2#炉膛0-16003TE3013#炉膛温度3#炉膛0-16004TE1021#省煤器入烟温省煤气烟道入口0-4005TE2022#省煤器入烟温省煤气烟道入口0-4006TE3023#省煤器入烟温省煤气烟道入口0-2007TE1031#空顶器出烟温空顶器烟道出口0-2008TE2032#空顶器出烟温空顶器烟道出口0-2009TE3033#空顶器出烟温空顶器烟道出口0-2
23、0010TE1041#排烟温度除尘出口0-20011TE3042#排烟温度除尘出口0-20012TE1053#排烟温度除尘出口0-20013TE1051#省煤器出口水温1#锅炉进水管线0-20014TE2052#省煤器出口水温2#锅炉进水管线0-20015TE3053#省煤器出口水温3#锅炉进水管线0-20016TE1061#锅炉出口水温锅炉出水管线0-20017TE2062#锅炉出口水温锅炉出水管线0-20018TE3063#锅炉出口水温锅炉出水管线0-20019TE1071#空预器出风温空预器出口0-20020TE2072#空预器出风温空预器出口0-20021TE3073#空预器出风温空预
24、器出口0-20022PT1011#炉膛负压1#炉膛0-1.6KPa23PT2012#炉膛负压2#炉膛0-1.6KPa24PT3013#炉膛负压3#炉膛0-1.6KPa25PT1021#省煤器入烟压1#省煤器烟道入口0-1.6KPa26PT2022#省煤器入烟压2#省煤器烟道入口0-1.6KPa27PT3023#省煤器入烟压3#省煤器烟道入口0-1.6KPa28PT1031#空预器出烟压1#空预器烟道出口0-4KPa29PT2032#空预器出烟压2#空预器烟道出口0-4KPa30PT3033#空预器出烟压3#空预器烟道出口0-4KPa第四章锅炉燃烧系统控制方案41锅炉燃烧过程和控制任务411工业
25、锅炉燃烧过程分析工业锅炉是利用燃料(煤、气、油)的热能或工业废热将工质加热到一定温度和压力的换能设备。锅炉生产在国民经济发展中占据重要的地位。锅炉的燃烧换热过程是一个复杂的工业过程。它主要包括煤的燃烧氧化释热和换热两大历程，二者均存在多相化学和物理反应过程，这些反应过程的宏观时滞性和非线性是影响锅炉燃烧过程控制稳定性的主要问题。研究分析锅炉燃烧过程等生产环节的特性，是实现锅炉优化控制的关键”。4 .111工业锅炉燃烧过程1燃烧过程热量分析工业锅炉的能源主要以煤为主，其它燃料，如油、气、工业余热、废气等仅占很小部分。研究锅炉燃烧的实质是研究煤在空气中燃烧的过程。锅炉内部的各种过程往往同时进行，交
26、叉影响。在计算一种过程中，往往根据经验假定其它因素的影响是定常的。煤主要由碳(C)、氢(H)、氧(o)、氮(N)、硫(S)等化学元素组成。煤的成分基于应用基(用上角标y表示)的百分含量为 (4-1)其中分别为碳、氢、氧、氮、硫、灰分和水的应用分析基的百分含量。工业分析煤的成分百分含量可表示为 (4-2)其 、 、 分别为固定碳、挥发分、灰分和水分含量的百分数。同样，可以用分析基来描述煤的成分百分量 （4-3）其中、 、 为固定碳、挥发分、灰分和水分含量的分析基工业分析质量含量百分数。有了成分含量，经门捷列夫化学公式，可计算煤的低位发热量，即 （4-4） 其中 为应用低位基发热量。它包含着 ，是
27、一个不确定的量，它因存储、运输或天气条件变化而改变，是一个不可测的扰动。2热平衡特性分析锅炉燃烧的热平衡可用下式表示 （4-5）其中为输入热量；为有效利用热；为排烟损失热；为化学不完全燃烧热损失；为机械不燃烧损失R热；为锅炉散热；为灰渣物理热损失。(1)锅炉输入热量？锅炉输入热量 是指锅炉以外的纯输入值，它不包括炉内循环热量。其中为锅炉输入热量；为燃料物理热；为外来热源加热空气带入的热量。其中按下式计算 （46）其中为燃料温度，可取为20；为燃料应用基比热容。当用外热源加热燃料(蒸汽干燥器等)及系统使燃料干燥时应计算此项，并根据炉前燃料状态取用和燃烧水分。若未经预热，只有当时才需计算。固体燃料
28、比热容按下式计算 （4-7）其中为燃料干燥基比热容，无烟煤、贫煤=0，92 kJ(kg·)；烟煤=109kJ(kg·)；褐煤=113 kJ(kg·)；油页岩=088 kJ(kg·)(2)锅炉有效利用热锅炉有效利用热是指锅炉供出工质的总焓与给水焓的差值，对于热水锅炉 （4-8）其中为锅炉有效利用热：B为燃料消耗量；D为锅炉蒸发量；为锅炉自用热水量；为锅炉排汽量；热水焓；为饱和水焓；为给水焓；为汽化潜热。如锅炉有再热器时，锅炉有效利用热应增加再热器吸收量量 （4-9）其中为再热器中热水流量；、为再热器出口、入口处热水焓。(3)排烟热损失排烟热损失是指锅炉排烟
29、物理热造成的热损失，它等于排烟焓与冷空气焓的焓差。用占输入热百分率表示为 （4-10）其中、为排烟焓和理论空气焓；为排烟处过量空气系数理想状态煤完全燃烧所需的干空气量为 （4-11）煤燃烧产生烟气焓为 （4-12）其中，为过剩空气系数是1，烟气温度为0"C时理论烟气焓；？式(412)中，：为标准状态下的理论空气焓； (4)化学不完全燃烧热损失此项损失是指排烟中未完全燃烧的可燃气体(H2、CO、等)所带走的热量。对于运行锅炉，借助排烟处烟气成分的测量，然后按下式计算求得 （4-13） 其中、为干烟气中一氧化碳、氢气、甲烷的容积百分比，可从烟气分析测得；为干烟气中三原子气体容积百分比。影
30、响的因素很多，主要有燃料的挥发分、炉膛过量空气系数、燃烧器设计、炉膛温度以及炉内空气动力工况等。(5)机械不完全燃烧热损失对于层或室燃烧，此项损失是指飞灰、落灰和灰渣中未燃尽可燃物造成的热损失。 （4-14） (4-15)其中、分别为炉渣、漏煤、烟道灰、飞灰中的灰量占入炉燃料总灰分的重量份额；、分别为炉渣、漏煤、烟煤灰、飞灰中可燃物含量的百分数。若对于给定燃料，各处灰量及灰中可燃物有可靠数据时，也可按上述公式计算。对于运行锅炉，需测定各处灰中可燃物含量，并利用灰平衡法求得各处的a值，利用上述公式算出。影响的主要因素有：燃料性质、燃烧器设计、炉膛温度、炉膛设计和炉膛过量空气系数等。热量及热平衡是
31、控制的基本参数，以上分析是理想状态燃烧释热的定量分析，锅炉热平衡方程也仅是理想状态的平衡，与工程上的实际情况相去甚远，例如，由于煤质不同很难测得燃烧后产生烟气的成分组合，在计算热量时所应用到的应用基 (水含量)一个时变函数，是一个不可测的扰动。进入锅炉内参加燃烧的冷空气的焓也是一时变值，这都给工程上的热量、热损、热平衡以及锅炉的热效率计算带来困难。3换热过程特性分析炉内换热的特点表现为以下几个方面：(1)换热方式有辐射和对流两种，主要以辐射换热为主，对流换热一般不超过5；(2)燃料不同，构成火焰的物质不同，辐射特性不同；(3)在火焰流动过程中，由于火焰温度分布不同，火焰中辐射成分也不同，具有各
32、项异性特点；(4)燃料不同，灰分不同，裹复在受热面上的厚度、性质不同，灰尘表面具有高的温度，是阻碍热交换的重要因素。分析炉内换热的特点，辐射换热是锅炉燃烧过程换热的主要方面，火焰辐射包括原子气体辐射、火焰中灰粒辐射、火焰中焦炭粒子辐射和碳黑粒子辐射，但工程上通常把炉内火焰看作为均匀辐射体，辐射换热可用下式计算： （4-16）其中为炉膛黑度；为绝对黑体的辐射系数；为火焰的绝对平均温度；为受热面外壁的绝对温度；为炉膛内有效辐射受热面积。炉膛黑度同火焰的发光程度和锅炉的结构等有关，而火焰的发光程度则决定于燃料的品种和燃烧方式。在工程实际中，不仅辐射换热具有非线性，而且还有燃烧换热过程的时滞性、负载的
33、时变性、设备性能时变性等特性。因此，分析燃烧换热过程特性对锅炉测控过程关键参量的确定和控制策略的制定将起到至关重要的作用。(1)煤的燃烧过程时滞特性与辐射换热的非线性煤的燃烧是两相燃烧，多相反应过程。两相燃烧是指固、气两念的燃烧，多相反应过程是各种成分同时或相继反应。在燃烧过程中，决定反应速度的是反应过程中最慢的那部分历程。燃烧首先是煤的挥发分燃烧，由于挥发分燃烧带走附着在碳粒表面的大量氧气，故碳的燃烧在挥发分未完成燃尽阶段因缺氧而受到影响。随着挥发分燃尽，碳进行两相燃烧，即碳和一氧化碳燃烧，燃烧速度与碳表面覆盖的灰层厚度有关。 (2)负载的时变性负载的时变性是指锅炉出口压力或温度具有一定约束
34、条件，它因用户容量、室外温度等变化而变化(3)设备性能的时变性换热器结垢热传导时变性。结垢问题是锅炉稳定控制、安全生产的重要问题。换热器受热后以热传导的方式，将热能传递给工质，在无垢的情况，传递时间常数很小，结垢后换热器壁厚增加，等效导热系数改变，传导时间常数随结垢厚度不同而不同，特别在我固的工业锅炉生产中，结垢问题是重大问题，由此引发的生产事故经常出现。结垢的热传导时滞常数可用来描述，为结垢厚度。是一个在线不可测的扰动量，结垢问题不仅反映了设备性能时变问题，而且也带来了过程延迟的问题。风路参数的时变性。风路参数时变主要是因为风路积灰、除尘等环节引起的风路气阻R的时变。这种变化容易引起风/煤的
35、配比失调，造成排烟损失或不完全燃烧损失。锅炉的风道计算十分复杂，同样的设计，同样的施工队伍施工所建造的风路，在性能上可能存在严重的差异。为了说明风道的时变性，设所选的风道区域是紊流段。可粗略地描述积灰等原因造成的风道气阻变化，对于一个非线性气阻的流量可用下式表示 （4-17）其中为质量流量；为流量系数；为空气流通面积；为经气阻后的流通密度；为气阻前后压差；为重力加速度。把代入上式得到 （4-18）由于积灰流通面积是个不确定的时变因素，这个因素将严重影响风量控制，使燃烧较难工作在最佳区。412锅炉燃烧过程的动态特性1燃料传送过程燃料煤传送过程的输入参数是给煤机的转速，输出参数是给煤量的多少。当给
36、煤机从中间储仓供应炉膛燃料时，给煤机在动态特性上是一个一阶滞后环节。同时，给煤机传送具有纯滞后时间。所以，煤粉传送过程的传递函数为 （4-19）其中为放大系数：为时间常数，S；为煤传送滞后时间，s；2燃料燃烧过程燃料燃烧过程的输入参数是给煤量，输出参数是燃料燃烧所产生的热量，可以用一阶惯性环节来近似描述其动态特性： （4-20）其中为燃烧过程的放大系数；为燃烧过程的时间常数。3工质形成过程工质形成过程主要是热水蓄能的过程，它的输入参数为锅炉进水所含有的热量。输出参数为管道出口的能量。在研究形成过程的动态特性时，可以分省煤器省煤段和循环系统段两部分组成。其传递函数可表示为省煤器省煤段的传递函数可
37、表示为其中为循环系统蓄热过程的时间常数，；为循环系统蓄热过程的放大系数；为省煤器省煤段的停留时间，；为省煤器省煤段的放大系数。综合上面两部分的公式，可以求出热水形成过程的传递函数： （4-21）锅炉燃烧过程如图41所示：413工业锅炉燃烧控制的任务工业锅炉燃烧系统控制的基本任务，是使燃料燃烧所产生的热量，适应负荷的需要，同时还要保证经济燃烧和锅炉的安全运行。具体调节任务可概括为三个方面：1维持出水温度不变维持出水温度不变，这是燃烧过程控制的第一项任务。如果出水温度变了，就表示锅炉的生产量与负荷设备的消耗量不相一致，因此，必须改变燃料的供应量，以改变锅炉的燃烧发热量，从而改变锅炉的输出，恢复出水
38、温度为额定值。这项控制任务就称为热负荷控制。此外，保持出水温度在一定范围内，也是保证锅炉和各个负荷设备正常工作的必要条件。2保持锅炉燃烧的经济性锅炉燃烧过程的经济性是锅炉燃烧过程控制的第二个任务。燃烧的经济性指标难于直接测量，常用烟气中的合氧量，或者燃料量与给风量的比值来表示。如果能够恰当地保持燃料量与空气量的正确比值，就能达到最小的热量损失和最大的燃烧效率。反之，如果比值不当，空气不足，结果导致燃料的不完全燃烧，当大部分燃料不能完全燃烧时，热量损失直线上升；如果空气过多，就会使大量的热量损失在烟气之中，使燃烧效率降低。一般说来，保持2的氧或10的过剩空气是最适宜的。这样的热量损失最小。3维持
39、炉膛负压在一定范围内炉膛负压的变化，反映了引风量与给风量的不相适应。通常要求炉膛负压保持在20一40 Pa的范围内，这时燃烧工况，锅炉房工作条件，炉子的维护及安全运行都最有利。如果炉膛负压太小。炉膛容易向外喷火，既影响环境卫生，又可能危及设备与操作人员的安全。炉膛负压太大，炉膛漏风量增大，增加引风机的电耗和烟气带走的热量损失。因此，需要维持炉膛负压在一定范围之内。这三项调节任务是相互关联的，它们可以通过调节燃料量、给风量和引风量来完成。对于燃烧过程自动控制系统的要求是：在负荷稳定时，应使燃料量、给风量和引风量各自保持不变，及时地补偿系统的内部扰动。这些内部扰动包括燃料的质量变化，给风量和引风量
40、的变化等。在负荷变化的外扰作用时，则应使燃料量、给风量和引风量成比例地改变，既要适应负荷要求，又要使三个被调量出水温度、炉膛负压和燃烧经济性指标保持在允许的范围内。42锅炉优化控制的理论基础及国内外研究现状421锅炉优化控制的理论基础根据燃烧理论，燃料在炉膛内燃烧和热空气带入的热量大体上可分为6部分，即 式中入炉热量总和；工质吸收的热量；排烟热损失；气体未完全燃烧热损失；固体未完全燃烧热损失；炉体散热损失；灰渣物理热损失。各种热损失中，和占主要部分，而且它们是随空气过剩系数的变化而变化。其关系如图4-2所示。由图可知，有一个最低点，对应于该点值就是最佳空气过剩系数，此时锅炉的热损失最少，热效率
41、最高。由图42可以得到锅炉热效率？和空气过剩系数的关系，如图43所示。存在一个最佳的，在这一值附近燃料既可以充分燃烧，各项热损失又最小，称为最佳燃烧区；小于这一值，化学不完全燃烧和机械不完全燃烧损失开始增加，称为空气不足区；大于这一值时，虽然燃料燃烧完全，但是由于风量太多，导致炉温降低，排烟损失增加，效率降低，称为空气高过剩区。图43热效率与的关系从烟气化学成分分析可知，空气过剩系数和烟气中的残氧的含量有近似对应关系：通过测量烟气中的氧含量就可近似获得空气过剩系数，所以现在的锅炉燃烧控制系统中，普遍采用测量烟气中过剩氧含量来控制风量，保证空气量和燃料量保持一定的比值关系。但是，很多锅炉的负荷经
42、常有大范围的变化，最佳的空气过剩系数在不同的工况下也有较大的变化，如图4-4所示，低负荷时，燃料量和空气量都变得很小，流动动量降低(对燃油锅炉，油的雾化也变差)，使燃料和空气混合得不好，引起不完全燃烧，所以低负荷是要提高空气过剩率。因此单纯的比值控制并不能保证任何情况下的最佳燃烧状态。为此，要真正实现最优控制还必须加入“空燃比”修难功能。422国内外研究现状针对最佳空气过剩率随负荷变化的情况，很多学者展开了研究，并产生了很多的处理方法。(1)模型优化最佳空气过剩率随负荷是变化的，但是不同的锅炉其变化关系是不同的，而多数锅炉生产厂家没有提供这样的关系曲线。有人根据司炉的经验，经过长时间的观察，记录积累了不同负荷下认为是燃烧工况最佳的烟气氧含量数据，然后利用这些数据通过线性回归的方法，建立了最佳氧含量随负荷变化的数学模型。当负荷变化时，根据这一模型自动修币氧含量的设定值，从而达到最佳燃烧的目的。这种方法的优点是，模型是离线计算好的，所以寻找最优值速度快，而且对工况没有干扰；缺点是所采集的数据量有限，还掺杂人的经验，模型精度难免受影响。(2)热效率在线自寻优另外一种优化方法，也是应用最