锅炉控制系统的工作原理样本.doc

1992lxm工业蒸汽锅炉自动化控制过程和实现摘要：本文叙述了工业锅炉控制系统工作原理，具体叙述了锅炉控制中多个关键控制回路控制算法，和变频器在锅炉改造中应用，提出了锅炉控制系统基础设计思绪和各个步骤控制实现方法。 关键词：工业蒸汽锅炉 炉膛负压 蒸汽压力 变频控制 水位三冲量 一、引言 锅炉微机控制，是多年来开发一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合产物，中国现有中、小型锅炉30多万台，每十二个月耗煤量占中国原煤产量1/3，现在大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重生产状态。提升热效率，降低耗煤量，降低耗电量，用微机进行控制是一件含有深远意义工作。 工业锅炉采取微机控制和原有仪表控制方法相比含有以下显著优势： 1直观而集中显示锅炉各运行参数。能快速计算出机组在正常运行和启停过程中有用数据，能在显示器上同时显示锅炉运行水位、压力、炉膛负压、烟气含量、测点温度、燃煤量等数十个运行参量瞬时值、累计值及给定值，并能按需要在锅炉结构示意画面对应位置上显示出参数值。给人直观形象，降低观察疲惫和失误； 2能够按需要随时打印或定时打印，能对运行情况进行正确地统计，便于事故追查和分析，预防事故瞒报漏报现象； 3在运行中能够随时方便修改多种运行参数控制值，并修改系统控制参数； 4降低了显示仪表，还可利用软件来替换很多复杂仪表单元，（比如加法器、微分器、滤波器、限幅报警器等），从而降低了投资也降低了故障率； 5提升锅炉热效率。从已在运行锅炉来看，采取计算机控制后热效率可比以前提升5-10%，据用户统计，一台20T锅炉，整年平均负荷70%，以平均热效率提升5%计，整年节煤800吨，按每吨煤380元计算每十二个月节省304000元； 6锅炉系统中包含鼓风机，引风机，给水泵，等大功率电动机，因为锅炉本身特征和选型原因，这些风机大部分时间里是不会满负荷输出，原有方法采取阀门和挡板控制流量，浪费很严重。经过对风机水泵进行变频控制能够平均节电达成30%-40%； 7锅炉是一个多输入多数出、非线性动态对象，很多调解量和被调量间存在着耦合通道。比如当锅炉负荷改变时，全部被调量全部会发生改变。故而理想控制应该采取多变量解偶控制方案。而建立解偶模型和算法经过计算机实现比较方便； 8锅炉微机控制系统经扩展后可组成份级控制系统，可和工厂内其它节点组成工业以太网。这是企业现代化管理不可缺乏； 9作为锅炉控制装置，其关键任务是确保锅炉安全、稳定、经济运行，减轻操作人员劳动强度。在采取计算机控制锅炉控制系统中，有十分周到安全机制，能够设置多点声光报警，和自动连锁停炉。杜绝因为人为疏忽造成重大事故。 综合以上所述种种优点能够预见采取计算机控制锅炉系统是行业大势所趋。下面我们来共同探讨锅炉控制系统原理和结构。 二、锅炉控制系统通常结构和工作原理 常见工业锅炉系统图1所表示。首先除氧水经过给水泵进入给水调整阀，经过给水调整阀进入省煤器，冷水在经过省煤器过程中被由炉膛排出烟气预热，变成温水进入汽包，在汽包内加热至沸腾产生蒸汽，为了确保有最大蒸发面所以水位要保持在锅炉上汽包中线位置，蒸汽经过主蒸汽阀输出。空气经过鼓风机进入空气预热器，在经过空气预热器过程中被由炉膛排出烟气预热，变成热空气进入炉膛。煤经过煤斗落在炉排上，在炉排缓慢转动下煤进入炉膛被前面火点燃，在燃烧过程中发出热量加热汽包中水，同时产生热烟气。在引风机抽吸作用下经过省煤气和空气预热器，把预热传导给进入锅炉水和空气。经过这种方法使锅炉热能得到节省。降温后烟气经过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺经过烟囱排出。 锅炉微机控制系统，通常由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、PLC、上位机、手自动切换操作、实施机构及阀、电机等部分组成，一次仪表将锅炉温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机。控制系统包含手动和自动操作部分，手动控制时由操作人员手动控制，用操作器控制变频器、滑差电机及阀等，自动控制时对微机发出控制信号经实施部分进行自动操作。微机对整个锅炉运行进行监测、报警、控制以确保锅炉正常、可靠地运行，除此以外为确保锅炉运行安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等关键参数应设置常规仪表及报警装置，以确保水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，以免锅炉发生重大事故。 微机控制系统由工控机、显示器、打印机、PLC、手操器、报警装置等组成，能完成对给水、给煤、鼓风、引风等进行自动控制，使锅炉汽包水位、蒸汽压力保持在要求数值上，以确保锅炉安全运行，平稳操作，达成降低煤耗、提升供送汽质量目标，同时对运行参数如压力、温度等有步骤动态模拟图画面并配有数字说明，还可对汽包水位、压力、炉温等进行越限报警，发出声光信号，还可定时打印出十多个运行参数数据。以形成生产日志和班、日产耗统计报表，有定时打印、随机打印、自定义时间段打印等多个方法。锅炉控制系统硬件配置，现在有多个，功效很好首推可编程序控制器PLC，适合于多台大型锅炉控制，因为PLC含有输入输出光电隔离、停电保护、自诊疗等功效，所以抗干扰能力强，能置于环境恶劣工业现场中，故障率低。PLC编程简单，易于通信和联网，多台PLC进行链接及和计算机进行链接，实现一台计算机和若干台PLC组成份布式控制网络，另外使用PLC加上位机控制系统含有很好扩容性，如需要增加控制点或控制回路只需添加少许输入输出模块即可，为以后控制系统升级改造和其它功效添加打下良好基础，也为以后一机多炉控制系统等其它工厂级自动化网络打下良好基础。即使，从短期角度看价格稍高，假如从长远见解看，其寿命长，故障率低，易于维修，值得选择。 三、锅炉控制系统中各控制回路介绍 锅炉控制系统，通常有蒸汽压力、汽包液位、炉膛负压、除氧器水位、除氧器压力等控制系统。锅炉燃烧控制实质上是能量平衡系统，它以蒸汽压力作为能量平衡指标，不停依据用汽量和压力改变调整燃料量和送风量，同时确保燃料充足燃烧及热量充足利用。 3.1 锅炉给水控制回路 给水自动调整任务是使给水流量适应锅炉蒸发量，以维持汽包水位在许可范围内。给水自动调整另一个任务是保持给水稳定。在整个控制回路中要全方面考虑这两方面任务。在控制回路中被调参数是汽包水位（H），调整机构是给水调解阀，调整量是给水流量（W）。 对汽包水位调整系统产生扰动原因有蒸发量D、炉膛热负荷（燃料量M），给水量（W）。 蒸发量D扰动作用下水位对象动态特征 当给水流量不变，蒸发量忽然增加D时，假如只从物质不平衡角度来看，则反应曲线图2(a)中H1(t)所表示，但因为蒸发量增加时，汽包容积增加，水位将上升，水位反应曲线图2(a)中H2(t) 所表示。H1(t)和H2(t)相结合，实际水位阶跃反应曲线图2(a)中H(t)所表示。 炉膛负荷扰动（燃料量M扰动）时水位对象动态特征 燃料量增加M时，蒸发量大于给水量，水位下降。但开始是因为有虚假水位存在，水位线上升，然后再下降。图2(b)中所表示。 给水流量（W）扰动时水位对象动态特征 当蒸发量不变，而给水量阶跃扰动时。汽包水位图2(c)所表示。在开始阶段。因为刚进入得水水温较低。使汽水混合物中汽泡吞量降低。水位下降，图2(c)中H1(t)所表示。而H2(t)反应了物质不平衡引发水位改变，H1(t)和H2(t)相加得到了总给水量扰动阶跃反应曲线H(t)。 因为给水调整对象没有自平衡能力，又存在滞后。所以在通常锅炉控制系统中汽包液位回路采取闭环三冲量调整系统。所谓三冲量调整系统就是把给水流量W，汽包水位H，蒸汽流量D三个变量经过运算后调整给水阀调整系统。具体调整过程方框图图3所表示。 先经过蒸汽流量变送器和给水流量变送器取得各自信号乘以对应百分比系数，经过百分比系数能够调整蒸汽流量或给水流量对调整系统影响力度。经过差压变送器取得水位信号作为主调整信号H。假如水位设定值为G，那么在平衡条件下应有D*Dk-W*Wk+H-G=0关系式存在。其中Dk为蒸汽流量系数 Wk为给水流量系数。假如再设定时，确保在稳态下D*Dk=W*Wk那么就能够得到H=G。此时调整器输出就和符合对应，给水阀停在某一位置上。若有一个或多个信号发生改变，平衡状态被破坏，PI调整模块输出必将发生改变。当水位升高了，则调整模块输出信号就减小，使得给水调整阀关小。反之，当水位降低时，调整模块输出值增大，使给水阀开大。实践证实三冲量给水单极自动调整系统能保持水位稳定，且给水调整阀动作平稳。 锅炉给水系统中还有一个比较关键控制回路是给水压力回路，因为汽包内压力较高，要给锅炉补水必需提供更高压力，给水压力回路作用是提升水压，使水能够正常注入汽包。但在蒸汽流量未达成满负荷时，对给水流量要求也不高。在传统锅炉系统中通常采取给水泵一直以工频方法运转，用回流阀降低水压预防爆管，现在通常采取经过变频器恒压供水方法控制水压，具体实现方法是：系统下达指令由变频器自动开启第一台泵运行，系统检测给水管水压，当变频器频率上升到工频时，如水压未达成设定压力值，系统自动将第一台电机切换至工频直供电，并由变频器拖动第二台水泵运行，如变频器运行到工频状态时供水母管压力仍未达成设定压力值系统自动将第二台水泵切换至工频直供电，再由变频器拖动第三台运行，依次类推，直至压力达成设定值。若锅炉需要给水量降低，变频控制系统可自动降低变频器运行频率，如变频器频率到零仍不能满足要求，则变频器自动切换至前一台水泵进行变频运行，依次类推。变频恒压供水控制系统实质是：一直利用一台变频器自动调整水泵转速，切换时间以管网实际压力和设定压力差值决定，同时确保管网压力动态恒定。值得注意是为了预防变频器报警停机或其它故障造成水泵不转会引发锅炉缺水，所以应该加反馈装置确保变频器正常工作。 除此之外锅炉供水系统中还包含除氧器压力控制和除氧器水位控制，除氧器压力控制关键是为了确保除氧器口有足够蒸汽压力用于将软化水除氧，这是一个单闭环控制回路，输入参数是除氧器压力输出参数控制除氧器进汽阀。除氧器水位控制关键是为了确保除氧器内有足够水提供给锅炉，这是一个单闭环控制回路输入参数，是除氧器水位输出参数控制除氧器进水阀。 3.2 锅炉燃烧调整系统 燃烧过程自动调整系统选择即使和燃烧种类和供给系统、燃烧方法和锅炉和负荷联结方法全部相关系，不过燃烧过程自动调整任务全部是一样。归纳起来，燃烧过程自动调整系统有三大任务： 维持汽压恒定。汽压改变表示锅炉蒸汽量和负荷耗汽量不相适应，必需对应地改变燃料量，以改变锅炉蒸汽量。 确保燃烧过程经济性。当燃料量改变时，必需对应地调整送风量，使它和燃料量相配合，确保燃烧过程有较高经济性。 调整引风量和送风量相配合，以确保炉膛压力不变。 燃烧调整系统通常有三个被调参数，汽压p、烟气含氧量a和炉膛负压pt。通常有3个调整量，她们是燃料量M，送风量F和引风量Y。燃烧调整系统调整对象对于燃料量，依据燃料种类不一样可能是炉排电机，也可能是燃料阀。对于送风量和引风量通常是挡板实施机构或变频器。 燃烧调整系统是一个多参数变量调整系统。这种调整系统通常把它简化成相互联络，亲密配合但又相对独立3个单变量系统来实现。为便于分析，下面我们按3个系统来分别分析。这三个系统分别是以燃料量维持锅炉压力恒定蒸汽压力调整系统，以送风量维持锅炉经济燃烧送风调整系统，以引风量维持炉膛负压稳定炉膛负压调整系统。 3.2.1 蒸汽压力调整对象特征 引发蒸汽压力改变关键原因是燃料量和用汽负荷发生改变。其动态特征以下。 燃料量扰动下汽压改变特征 在用汽负荷不变情况下，如锅炉燃料量(B)发生B阶跃扰动，此时汽压飞升曲线图4(a)所表示。此时对象没有自平衡能力，含有较大迟滞和惯性。但假如锅炉出口用汽阀门开度不变，那么因为汽压因燃料量扰动而发生改变时，蒸汽流量也将发生改变。因为汽压改变时，蒸汽流量增大自发地限制了汽压改变，所以对象有平衡能力。此时汽压飞升曲线图4(b)所表示。 用汽负荷扰动下汽压改变特征 负荷阶跃扰动下，汽压改变动态特征也有下列两种情况：当用汽阀门阶跃扰动时，对象表现出含有自平衡能力，没有延迟，但有较大惯性，并有一个和阀门改变成百分比启始飞跃，飞升曲线图4(c)所表示；当用汽量阶跃扰动时，其飞升曲线图4(d)所表示，此时对象没有自平衡能力，假如不立即增加进入锅炉燃料量，那么，汽压将一直下降。 3.2.2 送风自动调整对象特征 送风调整系统工作好坏，直接影响炉膛空气过剩系数改变也就是排出烟气含氧量。引发空气过剩系数改变关键扰动是燃料量和送风量配比。风量扰动下对象动态特征含有较大自平衡能力，几乎没有延迟和惯性，近似为一百分比步骤。而燃料量扰动时，需经过输送和燃烧过程而略有延迟。因为送风系统几乎没有延迟和惯性。所以在燃料充足情况下送风量大小将比较直接反应在锅炉蒸汽压力上。那么怎样才能确保股风量和燃料量搭配适宜，这里我们引入了风煤比这个概念。风煤比就是在目前风量下所能燃烧煤最大值。在控制作用中风煤比关键是依据目前风量来限制炉排转速，预防因为风量不够造成煤不能充足燃烧。该参数对节煤和环境保护全部有很大意义。因为假如不能充足燃烧将会造成煤渣含炭量增高，这么比较浪费煤，同时还会造成烟气含炭量增高影响排放。 3.2.3 炉膛负压自动调整对象特征 炉膛负压自动调整对象动态特征很好，但扰动通道飞升时间很短，飞升速度很快。 依据以上对燃烧系统调整对象分析，下面我们针对燃烧自动控制系统三个任务对控制采取方案进行分析。 燃烧过程控制系统通常采取控制步骤图图5（a）所表示，先经过蒸汽压力变送器经滤波后取得信号，和设定蒸汽压力进行比较，判定出鼓风PI调整器调整方向和大小，经过鼓风PI调整单元计算出鼓风变频器输出大小。同时把该信号输出给风煤比计算单元，对应算出在当初风量下炉排最大输出值。再把蒸汽压力差值信号送给炉排PI调整器，经过炉排PI调整单元计算出炉排变频器输出大小。经过风煤比限位，输出给炉排变频器。在实际调试过程中我们往往把鼓风PI调整中百分比系数设比炉排PI单元大，这么能够很好确保鼓风系统对蒸汽压力敏感度要高于炉排。实践证实经过该方法控制下锅炉蒸汽压力稳定性好，在蒸汽负荷改变时对应程度高。灰渣含碳量低。 炉膛负压大小对于节能影响很大。负压大，被烟气带走热量大，热损失增加，煤耗量增大，理想运行状态应在微负压状态。它能显著增加悬浮煤颗粒在炉膛内滞留时间，增加沉降，降低飞灰，使煤充足燃烧提升热效率。但因为负荷改变，需要改变给煤量和送风量，随之也要改变引风量，以确保炉膛负压稳定，但因为系统有一定滞后时间，为避免鼓风改变而引发炉膛负压波动，系统中引入鼓风信号作为前馈信号对引风机进行超前调整。炉膛负压控制系统通常采取控制步骤图图5（b）所表示，调整原理比较简单属于单闭环调整系统，它输入量是炉膛负压输出量是引风变频器，同时引入鼓风量作为前馈信号。另外系统各回路中全部设置了手自动两种操作方法，为了实现无扰动切换，系统引入了各控制对象反馈值，在手动操作时PLC输出会自动跟踪控制对象反馈，当切换到自动状态时能够进行无扰动切换，使系统平稳过渡到自动状态。 四、锅炉控制系统组成结构 上面我们针对锅炉控制系统各控制回路原理做了简明分析，依据以上分析，我们知道构建一个可靠、智能随动智能控制系统是确保锅炉安全生产基础。锅炉控制系统是经典多变量、纯滞后、强耦合控制系统，假如不能在控制策略和软件实现上很好地处理多变量解偶关系和滞后响应问题，那么，实施智能锅炉控制系统改造后一样也将无法实现预期目标。 在控制系统设计上我们采取集中控制分散驱动（PT方案）集散控制思想，把控制系统分为三层： a） 信息管理层：完成系统关键技术数据设定、实时数据和运行状态监视和控制、历史数据查看、数据报表统计和打印、报警和故障提醒处理等功效；关键由上位工控机（IPC）、组态开发软件、应用程序、通讯模块等组成； b） 控制层：关键完成多种控制动作命令、实时数据采样和处理、连锁动作关联表示、控制算法实现、异常现象自动处理等功效；关键由可编程逻辑控制器（PLC）开关量模块、模拟量模块、智能PID调整仪、变频器、PLC应用程序等组成； c） 设备层：关键接收来自PLC控制命令，实施对应动作或提供对应检测数据。关键由断路器、交流接触器、压力变送器、温度变送器、流量变送器、电动开关阀、模拟信号隔离分配器等组成。 五、结束语 总而言之，锅炉控制系统改造含有很好市场发展空间和投资收益前景，值得广泛地推广。它不仅能够经过自动化控制技术实现安全生产目标，还能够节煤节电并能使排放更环境保护，总而言之锅炉计算机自动化控制是锅炉行业发展大势所趋，也是一项利国利民发展方向。