鍋 爐 燃 燒 過 程控制和仿真

1、 鍋爐燃燒過程設(shè)計(jì)與仿真鍋 爐 燃 燒 過 程設(shè) 計(jì) 與 仿 真自動(dòng)化 14班羅莎 寧立雪 魏巍酈 蔣敏2014年4月9日星期三目錄鍋 爐 燃 燒 過 程1目錄2鍋爐燃燒過程的任務(wù)3一、鍋爐蒸汽出口壓力穩(wěn)定41、被控變量、控制量的選擇：42、干擾：43、控制方案的選擇：44、調(diào)節(jié)閥：55、主控制器：66、副控制器：67、燃料流量變送器的選擇：68、主蒸汽壓力變送器：69、控制規(guī)律的確定：610、空氣與燃料比值控制：711、控制系統(tǒng)參數(shù)整定8二風(fēng)量控制子系統(tǒng)13三、鍋爐爐膛負(fù)壓穩(wěn)定171、爐膛負(fù)壓概述172、控制系統(tǒng)構(gòu)成174、脫火控制195、防回火控制196、各部分的選擇19鍋爐燃燒過程的任務(wù)

2、 控制任務(wù)被控變量操縱變量鍋爐蒸汽出口壓力穩(wěn)定 燃燒過程的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行鍋爐爐膛負(fù)壓穩(wěn)定 蒸汽出口壓力燃料量與送風(fēng)量比值 爐膛負(fù)壓 燃料量送風(fēng)量 抽風(fēng)量一、鍋爐蒸汽出口壓力穩(wěn)定1、被控變量、控制量的選擇：燃料控制的任務(wù)在于使燃料所產(chǎn)生的熱量能夠滿足蒸汽負(fù)荷要求。因?yàn)檎羝麎毫κ呛饬垮仩t熱量平衡的標(biāo)志，燃料又是影響蒸汽壓力的主要因素，因此蒸汽壓力可以作為燃料控制系統(tǒng)的主被控變量。燃料量作為控制量。2、干擾：它受到的主要擾動(dòng)分為燃料的變化和蒸汽負(fù)荷的改變。3、控制方案的選擇：當(dāng)燃料量和蒸汽負(fù)荷變化小時(shí)可以采用利用蒸汽壓力來調(diào)節(jié)燃料量的單回路控制系統(tǒng)。但對(duì)于鍋爐來說，運(yùn)行中的燃料擾動(dòng)是經(jīng)常出現(xiàn)的，為了迅速克

3、服燃料擾動(dòng)，采用燃料量為副被控變量的串級(jí)控制系統(tǒng)。4、調(diào)節(jié)閥：氣開型 因?yàn)楫?dāng)鍋爐出現(xiàn)事故時(shí)閥門一定得是關(guān)閉的，否則的話在事故出現(xiàn)后閥門是開的話使燃料流出，加重事故。對(duì)應(yīng)的靜態(tài) 增益為正。5、主控制器：選擇反作用，因?yàn)楫?dāng)被控過程輸入增加時(shí)，過程被控變量輸出增加，K0為證，閥為氣開型Kv為證，變送器一般為正，所以控制器也為正，所以控制器選擇反作用6、副控制器：選擇反作用，因?yàn)楫?dāng)閥的開度增大后，蒸汽的溫度升高壓力增大，K0為正，閥為氣開型Kv為正，變送器一般為正，所以控制器也為正，所以控制器選擇反作用7、燃料流量變送器的選擇：采用差壓式流量計(jì)原理：在流通管道上安裝節(jié)流元件，當(dāng)流體流過節(jié)流元件時(shí)會(huì)產(chǎn)生

4、流速變化，使孔板產(chǎn)生差壓，用差壓變送器把流體流過孔板所產(chǎn)生的壓力差，按比例變換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。（書P67頁(yè)）8、主蒸汽壓力變送器：因?yàn)檎羝麎毫Ρ容^大，所以選用彈簧管式測(cè)高壓，但注意要加冷凝管，防止高壓蒸汽與檢測(cè)元件直接接觸損壞壓力儀表。9、控制規(guī)律的確定：主控制器對(duì)精度要求比較高要求無誤差跟蹤被控變量變化，所以選用PI控制器，壓力是主回路中控制的參數(shù)，壓力參數(shù)的滯后非常小，當(dāng)干擾來的時(shí)候會(huì)比較快的反映到輸出變化，所以不必加微分D控制，還節(jié)省了成本。而對(duì)于副控制器而言，它起隨動(dòng)控制作用主要進(jìn)行的是粗調(diào)，要求速度快，不需要一步到位只是對(duì)余差進(jìn)行初步處理，最后的工作由主回路完成，所以沒必要加積分環(huán)節(jié)

5、。如果加微分環(huán)節(jié)的話會(huì)使副回路太敏感，稍微有擾動(dòng)就會(huì)變化，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行不利，所以選擇P控制就行。10、空氣與燃料比值控制： 為了保證經(jīng)濟(jì)燃燒，燃燒過程要有合適的燃料和空氣比例，燃料流量是隨蒸汽負(fù)荷而變化的，因而作為主流量，與空氣流量組成比值控制系統(tǒng)，使燃料與空氣保持一定的比例，獲得良好的燃燒。燃燒爐蒸汽壓力控制系統(tǒng)和燃燒空氣比值控制系統(tǒng)的方案如下圖 當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，燃料量和空氣量很難配合的十分準(zhǔn)確，若空氣量小于燃料量，鍋爐會(huì)產(chǎn)生缺氧燃燒，出現(xiàn)冒黑煙，所以變負(fù)荷時(shí)，空氣量應(yīng)該略大于燃料量，在提升負(fù)荷時(shí)，先提空氣量，降負(fù)荷時(shí)，先將燃料量。當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)候，希望先增加空氣量I1<Ip,所以選擇H

6、S，它直接改變空氣流量控制器的給定值，命令空氣量增加，當(dāng)負(fù)荷減小時(shí)，要先減小燃料量Ip<I2，LS選擇Ip來來降低燃料量。11、控制系統(tǒng)參數(shù)整定 為使系統(tǒng)無靜差，燃燒流量調(diào)節(jié)器采用PI形式，即： 其中，參數(shù)Kp和Ki采用穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）整定。先讓Ki=0，調(diào)整Kp使系統(tǒng)等幅振蕩，即系統(tǒng)臨界穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)臨界振蕩仿真框圖及其振蕩響應(yīng)如圖所示： 1(a)系統(tǒng)臨界振蕩仿真框圖 1(b)系統(tǒng)臨界振蕩響應(yīng) (c)輸入階躍響應(yīng)記錄此時(shí)的振蕩周期Tk=7.5s和比例參數(shù)Kk=5.8則Kp=Kcr/2.2=2.636，Ki=Kp/(0.85Tcr)=0.41根據(jù)這然后加入PI進(jìn)行調(diào)節(jié)燃料流量閉

7、環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真框圖 燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真響應(yīng)可見超調(diào)太大，達(dá)到接近50%說明積分作用太強(qiáng)，減小Ki=0.1,這時(shí)候超調(diào)約為10%可以 在燃料流量控制系統(tǒng)整定的基礎(chǔ)上，采用試誤法整定壓力控制系統(tǒng)參數(shù)。系統(tǒng)整定仿真框圖如圖所示。當(dāng)Ki=0，Kp=1時(shí)(此時(shí)相當(dāng)于無調(diào)節(jié)器，因此系統(tǒng)最簡(jiǎn)單)蒸汽壓力控制系統(tǒng)參數(shù)整定仿真框圖由仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量約為25%。此時(shí)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器最簡(jiǎn)單，工程上系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)定程度都較好二風(fēng)量控制子系統(tǒng)（1）為使鍋爐適應(yīng)負(fù)荷的變化，必須同時(shí)改變?nèi)剂狭亢涂諝饬?，同時(shí)為了達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)燃燒，燃燒過程中應(yīng)有最佳空燃比K?？杖急菿是隨不同的負(fù)

8、荷和燃料品種而變化的，為此燃燒控制系統(tǒng)可選負(fù)荷、燃燒品種等變化來構(gòu)成系統(tǒng)的風(fēng)量控制系統(tǒng)，有了最佳燃燒比K及比值控制保證了燃料和空氣的比值關(guān)系，但并不能保證燃料的完全燃燒。因此，需要一個(gè)測(cè)量完全燃燒的量，構(gòu)成送風(fēng)控制系統(tǒng)，以達(dá)到最高的鍋爐熱效率。熱效率不能直接測(cè)量，采用煙氣中的含氧量作為間接測(cè)量，來衡量鍋爐內(nèi)的燃燒熱效率。（2）過路的熱效率可以用煙氣中的含氧量來表示。根據(jù)燃燒方程式，可以計(jì)算出燃料完全燃燒是所需的氧量，從而可得出所需的空氣量，為理論空氣量Qt。而實(shí)際上完全燃燒所需的空氣量Qp要超過理論空氣量Qt，即需要有一定的過剩空氣量。當(dāng)過?？諝饬吭龆鄷r(shí)，一方面使?fàn)t膛溫度降低，另一方面使煙氣損

9、失增加，對(duì)于不同的燃料，過?？諝饬慷加幸粋€(gè)最優(yōu)值最經(jīng)濟(jì)燃燒。 最佳燃燒區(qū)（3）燃燒過程中空氣與燃料的配比問題需要進(jìn)行很好的控制。曲線1表示的是燃料不完全燃燒時(shí)的熱損失，曲線2表示從煙囪排出廢氣的熱損失，曲線3表示總能量的損失。由上圖可知，在上述情況間存在著一個(gè)污染小、熱效率高和熱損失少的低氧燃燒區(qū)，這種情況使火焰溫度升高，排煙量減少，并使得高溫區(qū)熱效率提高。（上圖）過?？諝饬颗c能量損失關(guān)系 過?？諝饬砍Ｓ眠^剩空氣系數(shù)來表示，即實(shí)際空氣量Qp與理想空氣量QT之比 = Qp/Qt 是衡量經(jīng)濟(jì)燃燒的一種指標(biāo)。保證鍋爐熱效率最高的值稱為最佳值，最佳值與鍋爐負(fù)荷有關(guān)，一般=1.2-1.4。但是很難直接測(cè)

10、量，需要利用它與煙氣含氧量之間的近似關(guān)系來間接計(jì)算。 =21/（21-A） (A:煙氣含氧量)最佳值：=1.2-1.4，當(dāng)在11、6范圍內(nèi)時(shí)，過剩空氣系數(shù)a與煙氣接近直線。當(dāng)在1、081、15（最佳過?？諝饬?%15%）時(shí)，煙氣含氧量最優(yōu)值為1.6%3%。從上圖也可看到，約在過?？諝饬繛?5%18%時(shí)，鍋爐有最高效率。（4）以煙氣為被調(diào)節(jié)量，以燃料量為調(diào)節(jié)量的串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（5）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：采用變比值控制，變比值器的比值由含氧控制器AC輸出。當(dāng)煙氣中的含氧量變化時(shí)，表明燃燒過程中過?？諝獍l(fā)生變化，因此通過AC及時(shí)調(diào)節(jié)燃料和空氣的比值，使燃燒過程達(dá)到經(jīng)濟(jì)的目的。實(shí)施時(shí)應(yīng)注意，快速反映煙氣含氧量，

11、對(duì)煙氣含氧量的檢測(cè)變送系統(tǒng)應(yīng)選擇正確。選用氧化鋯氧量?jī)x表檢測(cè)煙氣中的含氧量。 (6) 煙氣含氧量是保證燃燒經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。為維持含氧量，其主要調(diào)節(jié)手段是調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)入口處擋板控制的送風(fēng)量，也是它的主要擾動(dòng)。爐膛負(fù)壓變化、煤量變化也影響含氧量。含氧量的動(dòng)態(tài)特征主要是指在送風(fēng)量的階躍擾動(dòng)下，含氧量隨著時(shí)間變化的特征，該動(dòng)態(tài)特征具有慣性、自平衡能力和滯后。傳遞函數(shù)一般為 W(s)=Kv/(TvS+1)es W(s)=Kv/( TvS+1)2(7)控制閥的氣開/氣關(guān)形式選擇及控制器的作用 1）控制閥：氣開型 因?yàn)楫?dāng)鍋爐出現(xiàn)事故時(shí)閥門一定得是關(guān)閉的，否則的話在事故出現(xiàn)后閥門是開的話使燃料流出，加重事故。

12、2）主控制器：選擇反作用，因?yàn)楫?dāng)煙氣的含氧量增大后，空氣量應(yīng)減小，閥的開度為+，變送器為+，所以控制器也為+所以控制器選擇反作用。 3) 副控制器：選擇反作用，因?yàn)楫?dāng)閥的開度增大后，燃料流量增大，閥的開度為+，變送器為+，所以控制器也為+，所以控制器選擇反作用。 （8）實(shí)際運(yùn)行 在鍋爐的實(shí)際運(yùn)行中，煙氣中的最佳含氧量的數(shù)值隨鍋爐的負(fù)荷改變而改變。一般在負(fù)荷增加時(shí)，最佳含氧量的值減小，應(yīng)減少過?？諝饬?，為了使含氧量最佳值隨負(fù)荷的改變而變化，可將負(fù)荷信號(hào)通過一個(gè)函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)隨負(fù)荷而變化的最佳含氧量信號(hào)作為氧量控制器的設(shè)定值，再由氧量控制器校正過?？諝饬浚瑰仩t在不同的負(fù)荷下始終運(yùn)行在最佳狀態(tài)

13、。（9）總過程 三、鍋爐爐膛負(fù)壓穩(wěn)定1、爐膛負(fù)壓概述 爐膛壓力是指送入爐膛內(nèi)的空氣、煤粉及煙氣和引風(fēng)機(jī)吸走的煙氣量之間的平 衡關(guān)系，即指爐膛頂部的煙氣壓力。 爐膛負(fù)壓是反映燃燒工況穩(wěn)定與否的重要參數(shù)，是運(yùn)行中要控制和監(jiān)視的重要參數(shù)之一。爐內(nèi)燃燒工況一旦發(fā)生變化，爐膛負(fù)壓隨即發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)鍋爐的燃燒系統(tǒng)發(fā)生故障或異常時(shí)，最先將在爐膛負(fù)壓上反映出來，而后才是火檢、火焰等的變化，其次才是蒸汽參數(shù)的變化。因此，監(jiān)視和控制爐膛負(fù)壓對(duì)于保證爐內(nèi)燃燒工況的穩(wěn)定、分析爐內(nèi)燃燒工況、煙道運(yùn)行工況、分析某些事故的原因均有極其重要的意義。爐膛負(fù)壓太小，爐膛向外噴火和外泄漏高爐煤氣，危及設(shè)備與運(yùn)行人員的安全。負(fù)壓太

14、大，爐膛漏風(fēng)量增加，排煙損失增加，引風(fēng)機(jī)電耗增加。2、控制系統(tǒng)構(gòu)成 1） 、 變量的選擇被控變量：爐膛頂部煙氣出口壓力?？刂屏浚阂L(fēng)機(jī)的開度干擾為爐膛內(nèi)引風(fēng)量落后于燃料量和鼓風(fēng)量的控制，可能引起系統(tǒng)大的波動(dòng)，造成不穩(wěn)定因素壓力變化等。2） 、 系統(tǒng)的組成3、爐膛負(fù)壓控制爐膛負(fù)壓控制通過引風(fēng)量來調(diào)節(jié)當(dāng)鍋爐負(fù)荷較大時(shí)，蒸汽壓力的變動(dòng)也較大，這時(shí)可以引入蒸汽壓力作為前饋信號(hào)，與反饋引風(fēng)量一同構(gòu)成前饋-反饋控制系統(tǒng)。 4、脫火控制Pc1為正常工況使用的調(diào)節(jié)器，pc2為取代調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)正常運(yùn)行電磁閥失電，pc3系統(tǒng)不起作用，而pc1調(diào)節(jié)器工作。當(dāng)壓力下降是，調(diào)節(jié)器pc1輸出增加，調(diào)節(jié)閥開度增加，天然氣流

15、量增大，蒸汽壓力增加至正常值，從而使回復(fù)正常工況；但當(dāng)蒸汽壓力減小到某一下線時(shí)，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥閥后壓力過于增加而產(chǎn)生脫火危險(xiǎn)，pc2調(diào)節(jié)器的輸出大幅度減小，且低于pc1的輸出值時(shí)。低值選擇器通pc2系統(tǒng)，使調(diào)節(jié)閥的開度減小，降低了閥后壓力，從而避免了脫火事故的產(chǎn)生。當(dāng)工況恢復(fù)正常后，pc1調(diào)節(jié)器的輸出又低于pc2的輸出，pc2自動(dòng)切除，pc1再次投入運(yùn)行。 Pc1 pc2為反作用調(diào)節(jié)器，也是壓力調(diào)節(jié)器，選擇PI調(diào)節(jié)，A.O為氣開型。5、防回火控制原理如上圖，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，pc3下限節(jié)點(diǎn)是斷開的，該控制回路不起作用。但是當(dāng)蒸汽壓力增加時(shí)，如上分析，低通選擇器的選擇式調(diào)節(jié)閥關(guān)小，燃料的壓力減小，由于

16、工藝原因，當(dāng)燃料氣的壓力減小到某一下限值時(shí)，pc3下限節(jié)點(diǎn)接通，電磁閥關(guān)閉，于是便切斷了低值選擇器到調(diào)節(jié)器的回路。Pc3為下限節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)器，選PI規(guī)律。6、各部分的選擇1）、變送器的選擇 爐膛壓里的檢測(cè)用采用三個(gè)差壓變送器，三個(gè)差壓變送器的輸出分別送到三個(gè)小值選擇器，3個(gè)小值選擇器的輸出再送到大值選擇器，大值選擇器的輸出為三個(gè)差壓變送器的輸出值得中間值，采用三個(gè)差壓變送器的目的是為了防止因變送器故障或信號(hào)管路堵塞而影響測(cè)量值的可靠性，從而影響爐膛壓力控制的可靠性。測(cè)量的中間值與差壓變送器的輸出值進(jìn)行比較，如果偏差超出一定范圍，則將發(fā)出警報(bào)。2） 、 執(zhí)行器選擇選擇氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥，流量的性質(zhì)選擇對(duì)數(shù)調(diào)節(jié)閥。3） 、傳感器選擇 由于爐膛溫度高，壓力小，且一般是負(fù)壓，所以選用壓力傳感器，可采用爐膛負(fù)壓 傳感器。4） 、 閥氣開