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1、过程控制工程“Process Control Engineering”第七章 传热设备的控制锅炉设备的控制本节目录CONTENS1锅炉设备概述2锅炉汽包水位的控制3蒸汽过热系统的控制4锅炉燃烧控制系统1.锅炉设备概述1.锅炉设备概述u给水经给水泵、给水控制阀、省煤器进入锅炉的汽包。u燃料与经预热的空气按一定配比混合，在燃烧室燃烧产生热量，传递到汽包生成饱和蒸汽u饱和蒸汽经过热器形成过热蒸汽，汇集到蒸汽母管，并经负荷分配后供生产过程使用。u燃烧过程的废气将饱和蒸汽变成过热蒸汽，并经省煤器预热锅炉的给水和燃烧用的空气，最后烟气经引风机送烟囱排空常见锅炉设备的工艺流程1.锅炉设备概述l供给蒸汽量应适
2、应负荷变化需要或保持给定负荷；l锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内；l过热蒸汽温度保持在一定范围内；l汽包水位保持在一定范围内；l保持锅炉燃烧的经济性和安全运行；l炉膛负压保持在一定范围内。锅炉设备的主要控制要求1.锅炉设备概述锅炉设备的主要控制系统2.锅炉汽包水位的控制汽包水位控制的重要性保持锅炉汽包水位在一定范围内是锅炉稳定安全运行的主要指标。p水位过高造成饱和蒸汽带水过多，汽水分离差，使后序的过热器管壁结垢，传热效率下降，过热蒸汽温度下降，当用于蒸汽透平的动力源时，会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全与经济性p水位过低造成汽包水量太少，负荷有较大变动时，水的汽化速度过快，而汽包内水的
3、全部汽化将导致水冷壁的损坏，严重时发生锅炉的爆炸2.锅炉汽包水位的控制锅炉汽包水位的动态特性被控变量:汽包水位操纵变量:给水量扰动变量:锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷、锅炉蒸发量等给水流量W对汽包水位H的动态特性给水流量W增加时，因给水温度低于汽包内饱和水温度，需从饱和水中吸收部分热量，因此，水位下气泡容积减少当水位下气泡容积变化达到平衡后，给水量增加才与水位H变化成比例增加。表现在响应曲线初始段，水位增加较缓慢，可用时滞特性近似描述2.锅炉汽包水位的控制锅炉汽包水位的动态特性蒸汽流量D对汽包水位H的动态特性l蒸汽流量D阶跃变化时，根据物料平衡关系，蒸汽量D大于给水量W，水位应下降，如响应曲
4、线H1所示l蒸汽用量D增加，使汽包压力下降，汽包内的水沸腾加剧，水中气泡迅速增加，由于气泡容积的增加造成水位的变化如响应曲线H2所示u实际汽包水位的响应曲线H是H1和H2的合成2.锅炉汽包水位的控制锅炉汽包水位的控制-单冲量控制单冲量指只有一个变量，即汽包水位组成水位单回路控制系统l结构简单，投资少l适用于汽包容量较大，虚假水位不严重，负荷较平稳的场合l为安全运行，可设置水位报警和联锁控制系统l该过程具有虚假水位的反向特性，因此，当负荷变化较大时，会造成控制器输出误动作，影响控制系统的控制品质l蒸汽负荷变化后，要在引起水位变化后才改变给水量，因此，控制不及时2.锅炉汽包水位的控制锅炉汽包水位的
5、控制-双冲量控制双冲量指只有两个变量，即汽包水位和蒸汽流量组成前馈-反馈控制系统p蒸汽量作为前馈信号，可克服蒸汽负荷变化的影响因排污等水损失p给水流量W应大于蒸汽流量D，计算扰动通道增益时，应采用增量，即有：W=D，1 p未考虑给水流量扰动的影响，适用于给水流量波动较小的场合2.锅炉汽包水位的控制锅炉汽包水位的控制-三冲量控制三冲量指有三个变量，增加给水流量组成水位为主被控变量，给水量为副被控变量，蒸汽量为前馈变量的串级前馈控制系统p实际实施FY-301时可采用蒸汽流量信号的负微分与蒸汽流量信号之和作为动态前馈信号p静态前馈控制器控制规律p动态前馈控制器控制规律2.锅炉汽包水位的控制锅炉汽包水
6、位的控制-应用示例三冲量控制与单冲量控制切换3.蒸汽过热系统的控制任务：过热器出口温度维持在允许范围内，并保护过热管管壁温度不超过允许的工作温度p过热蒸汽温度过高，过热器易损坏，造成汽轮机内部器件过度热膨胀，严重影响运行安全p过热蒸汽温度过低，设备效率下降，汽轮机最后几级蒸汽湿度增加，造成汽轮机叶片磨损控制策略被控变量：过热器出口温度操纵变量：减温水流量通常组成单回路控制系统如果控制通道的时滞和时间常数都较大，可引入减温器出口温度作为副被控变量，组成串级控制系统减温器出口温度变化时，引入前馈信号，组成前馈-反馈控制系统3.蒸汽过热系统的控制u过热蒸汽的串级控制系统控制通道的时滞和时间常数都较大
7、，可引入减温器出口温度作为副被控变量，组成的串级控制系统u过热蒸汽的过热蒸汽的双冲量双冲量控制系统控制系统减温器出口温度的微分信号作为前馈信号，与过热器出口温度相加后作为过热器温度控制器测量，组成双冲量控制系统4.锅炉燃烧控制系统被控变量：l蒸汽出口压力l烟气成分（燃料流量/送风流量）l炉膛负压操纵变量操纵变量：u燃料流量u送风流量u引风流量控制目的：p蒸汽负荷的平衡p燃空比控制，实现完全燃烧和经济燃烧p引风与排风的适应，保证锅炉运行的安全性4.锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制系统-基本控制方案一控制系统：u蒸汽压力PT-111为主被控变量，燃料量FT-101为副被控变量组成的串级控制系统u燃料量
8、FT-101为主动量，空气量FT-112为从动量的比值控制系统。定比值，比值系数k特点：确保燃料量与空气量的比值关系，当燃料量变化时，空气量能够跟踪燃料量变化送风量的变化滞后于燃料量的变化4.锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制系统-基本控制方案二控制系统：u蒸汽压力PT-111为主被控变量，燃料量FT-101为副被控变量组成的串级控制系统u蒸汽压力为主被控变量，空气量为副被控变量的串级控制系统特点：通过燃料控制器和空气控制器的正确动作，间接保证燃料量与空气量的比值关系能够保证蒸汽压力恒定4.锅炉燃烧控制系统国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程锅炉燃烧控制系统-逻辑提量和逻辑减量控制
9、方案控制系统原理：u蒸汽压力，高选器FY-301B选中SP，FFC-301调节空气量使空气量先，空气流量值经检测后被低选器FY-301A选中，逐渐增大燃料控制器的设定值，燃料量跟随空气流量，并按所需比值增大。达到提量时先提空气量，后提燃料量的控制目的u蒸汽压力，低选器FY-301A选中SP，FFC-301设定，经调节减小燃料量，检测后按所需比值关系的信号被高选器FY-301B选中，使空气量相应减小。达到减量时先减燃料量，后减空气量的控制目的特点：既保证蒸汽压力恒定，又实现燃料完全燃烧（保持燃料量与空气量的比值关系）4.锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制系统-双交叉燃烧控制方案双交叉燃烧控制是以蒸汽压
10、力为主被控变量，燃料和空气量并列为副被控变量的串级控制系统。并列副环具有逻辑比值功能。负荷增加时，双交叉限幅的作用是使空气量和燃料量交叉增加负荷减小时，双交叉限幅的作用是使燃料量和空气量交替减小4.锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制系统-双交叉燃烧控制方案稳定工况压力控制器PC-11输出经上、下限限幅器后，分别经燃料系统的高选和低选，作为燃料流量控制器的设定SP2，经空气系统的低选和高选，并乘以比值系数K后，作为空气流量控制器设定SP1，因此，稳定工况时有：SP1=K*SP2稳态时，设定值与测量值应相等，无余差，即：F2=SP2；F1=SP1；因此，有：K*F2=F14.锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制
11、系统-双交叉燃烧控制方案负荷增加蒸汽用量增加，蒸汽压力下降，反作用控制器PC-11输出增加，即OP增加，SP2受下值限幅，最大增量为K1，SP1受下值限幅，最大增量为KK4，设置K4K1，使SP2增加不如SP1明显，达到先增空气量，后增燃料量的控制目的空气流量，PV1，经K1后，使低限限幅值增大，设定SP2也随PV1增大而增大，即燃料量燃料量，PV2，经K4后，使下限限幅输出增大，又反过来使空气量4.锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制系统-双交叉燃烧控制方案负荷减小蒸汽用量减小，蒸汽压力增加，反作用控制器PC-11输出减小，即OP减小，SP2受下值限幅，最大减量为K2，SP1受下值限幅，最大减量为K
12、K3，设置K2KK3，使SP2减小不如SP1明显，达到先减燃料量，后减空气量的控制目的燃料量，PV2，经K2后，使高限限幅值减小，设定SP2也随PV2减小而减小，即燃料量先燃料量，PV2，经KK3后，使上限限幅输出减小，又反过来使空气量后减小4.锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制系统-锅炉热效率锅炉热效率主要反映在烟气成分（主要是含氧量）和烟气温度，常用含氧量AO表示。用过剩空气系数表示过剩空气量，它与烟气中含氧量Ao有关燃料和空气的比值关系，并不保证燃料的完全燃烧燃料的完全燃烧与燃料的质量（含水量、灰分等）、热值等因素有关常用烟气含氧量作为检查燃料完全燃烧的被控变量，并根据该指标控制送风量（操纵变
13、量）过剩空气系数与烟气含氧量Ao、锅炉效率的关系。当在11.6范围内时，过剩空气系数与烟气含氧量Ao接近直线关系4.锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制系统-烟气氧含量闭环控制方案nPY-11A、PY-11B、PC-11、FFC-12、FC-11组成燃料和空气的逻辑提量和减量控制系统nAC-11、FY-12（乘法器）组成变比值控制系统，改变空气量n烟气含氧量控制系统与锅炉燃烧控制系统一起实现锅炉的经济燃烧4.锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制系统-炉膛负压控制方案被控变量是炉膛压力（控制在负压），操纵变量是引风量，组成单回路控制系统蒸汽压力变动较大时，可引入蒸汽压力的前馈信号，组成前馈-反馈控制系统扰动来自送风机系统时，可将送风量作为前馈信号，组成前馈-反馈控制系统小 结锅炉汽包的动态特性锅炉汽包水位的控制-单、双、三冲量蒸汽过热系统的控制锅炉燃烧控制-基本控制方案锅炉燃烧控制-双交叉燃烧控制 烟气氧含量控制炉膛负压控制和安全联锁控制