锅炉烟气含氧量控制.doc

苏州市职业大学项目设计说明书

项目名称 锅炉烟气含氧量控制

学生姓名 冯 海 艳

学生学号 127301301

班级名称 12电气自动化3

项目日期 2014.6.12

指导老师 吴 晓 帆

目录
一、基础知识 3
1.1控制规律的选择 3
1.2控制规律的选择原则 3
1.3PID控制器参数整定方法 3
1.3.1理论整定法 3
1.3.2工程整定法 3
1.4质量指标控制 3
1.5成分与物性参数测量的问题 4
1.6锅炉烟气含氧量控制流程图 4
1.7小锅硬件和仪器仪表的说明 4
1.8仪表作用方式选择 5
1.8.1执行器开闭形式及控制器正反作用方式选择 5
1.8.2控制规律选择 6
二、烟气含氧量单回路控制系统的设计 8
2.1认识烟气含氧量 8
2.1.1认识烟气含氧量：燃烧工况的影响 8
2.2烟气含氧量控制方案 9
2.3烟气含氧量控制方案选择 11
2.4烟气含氧量控制方案 12
三、实验步骤 13
3.1使用 S1101 控制 AI1101 13
3.2使用 DO1101 控制 AI1101 17
四、总结 20
第五章 参考文献 21

一、基础知识
1.1控制规律的选择
工业控制器常见到有开关控制、比例控制器、比例—积分控制器、比例—微分控制器、比例—积分—微分控制器。
过程工业中常见的参数有液位、流量、压力、温度和成分
1.2控制规律的选择原则
对控制要求不高的参数，可采用比例控制器，甚至开关控制
对控制要求不高，且惯性较大的参数，可采用比例—微分控制器，但对于噪声较大的参数，如流量，则不能选用比例—微分控制器
对于精度要求高的，要加入积分规律，可选用比例—积分控制器
较重要的、控制精度要求较高的、希望动态偏差小的、被控对象滞后时间较大的，可选用比例—积分—微分控制器
1.3PID控制器参数整定方法
PID控制器参数整定方法有：理论整定法、工程整定法
1.3.1理论整定法
需求出各环节的传递函数，实际问题难以满足，理论计算较繁琐，工程上一般不采用。
1.3.2工程整定法
直接在闭合的控制回路中进行整定。是一种经验方法，简单、方便、易于掌握，工程中广泛采用。
主要包括：经验整定法、临界比例度法、衰减振荡法、响应曲线法。
1.4质量指标控制
选择质量指标作为被控变量是设计控制系统时首先要考虑的。
当直接选择质量指标作为被控变量比较困难或不可能时，可以选择一种间接的指标作为被控变量。但是必须注意，所选用的间接指标必须与直接指标有单值的对应关系，并且还需要具有一定的变化灵敏度。
1.5成分与物性参数测量的问题
并不是所有这类参数都有行之有效的测量方法，有些成分或物性参数目前尚无法实现在线测量和变送；
成分分析仪表普遍具有比较大的测量滞后，不能及时地反映产品质量变化的情况；
成分分析仪表的工作环境要求都比较高，较差的工作环境可能会带来比较大的测量误差。
1.6锅炉烟气含氧量控制流程图

1.7小锅硬件和仪器仪表的说明
省煤器实质上也是换热器，壳程中是炉膛燃烧产生的烟气，管程中是锅炉上水。
锅炉上水经由省煤器流向汽包，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，与管内的锅炉上水换热，回收烟气中的余热并使锅炉上水进一步预热。 被烟气加热成饱和水的锅炉上水全部进入汽包V1102。
燃料经由燃料泵P1102泵入炉膛F1101的燃烧器；空气经由变频鼓风机K1101送入燃烧器。变频器频率为S1101（被归一化到0~100%之间），空气量为FT1104。
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中的锅炉上水进行预热。
省煤器烟气出口处的烟气流量为FT1107，温度为TT1105。烟气含氧量AI1101设有在线分析检测仪表。烟道内设有挡板DO1101。
检测仪表说明

执行机构说明

风机变频调速旋钮S1101和烟道挡板开度调节旋钮DO1101均位于辅助操作台上，它们的用途和立体流程设备盘台上的双效阀类似，可以内控或外控。辅助操作台位于钢制盘台正面的右上方，可伸缩。
烟道挡板开
度调节旋钮
风机变频
调速旋钮

1.8仪表作用方式选择
1.8.1执行器开闭形式及控制器正反作用方式选择
1）执行器开闭形式选择
从生产安全考虑，阀门FV1101、FV1106均为气开阀。
2）控制器正反作用方式确定
串级控制系统控制器正、反作用的判定顺序：先副后主
①确定副控制器的正、反作用：与主环无关，判定方法与单回路控制系统相同，判断过程如下图3—3和3—4所示。

3—3 副控制器是反作用
②确定主控制器的正、反作用：主控制的正反作用只与主对象的符号以及偏差的符号有关，与调节阀的符号没有关系。
在判断主控制器正、反作用时，将副环看成一个符号为“正”的环节。
因为副环是一个随动控制系统，即当副环的输入增加时，副环的输出也将增加；反之输入减小，输出也将减小，所以副环的符号为“正”。

3—4 主控制器是反作用
1.8.2控制规律选择
(1) PID控制规律的特点
比例作用的特点:比例增益越大，控制精度越高（余差减小），但是系统的稳定性下降。输出信号对输入信号的响应快速、调节作用非常及时比例调节器不能消除余差。
积分作用的特点：积分时间越小，积分作用越强，消除余差的能力越强，系统越不稳定积分作用调节动作缓慢，因为积分作用是偏差的累积作用，在偏差刚出现时积分作用较弱，不能及时作用，导致偏差不断增大，调节时间较长。积分作用很少单独使用，经常与比例作用结合起来，形成比例积分。
(2) PID控制规律的选择
主控制器一般选择比例-积分控制器，如果滞后比较大，例如温度对象和成分对象，就需要选用比例-积分-微分控制器。副控制器一般选用比例控制器。

二、烟气含氧量单回路控制系统的设计
2.1认识烟气含氧量
烟气含氧量是指燃料燃烧之后排出的烟气中氧气的含量，它是锅炉燃烧的一个重要的指标，它与锅炉燃烧效率、排烟热损失等有很大的关系
影响烟气含氧量的因素主要有燃料量、燃料成分、空气量等，简单而言，烟气含氧量的影响因素就是燃烧工况（燃料量和空气量的比值）。
2.1.1认识烟气含氧量：燃烧工况的影响
烟气含氧量是指燃料燃烧之后排出的烟气中氧气的含量，它是锅炉燃烧的一个重要的指标，
它与锅炉燃烧效率、排烟热损失等有很大的关系。
影响烟气含氧量的因素主要有燃料量、燃料成分、空气量等，简单而言，烟气含氧量的影响
因素就是燃烧工况（燃料量和空气量的比值）。具体分析如下：
（1） 燃料一定，空气量增加：在实际燃烧过程中，一定量的燃料充分燃烧所需要的空气量是一定的，所以当空气量增加时，空气过剩，即燃料充分燃烧之后还会剩余一定量的空气。由此可得烟气含氧量将增大，并且多余的空气会吸收一定的能量，然后经过烟囱排放大空气中，造成能量的浪费。
（2） 空气量一定，燃料量增加：燃料增加，则实际燃烧所需要的空气量也增加，但是空气量不变，则燃料量过剩，即燃料不能充分燃烧，将产生大量的有害气体。由此可得空气量一定而燃料量增加时，烟气含氧量将减少，并且由于燃料的不完全燃烧，在造成燃料能量浪费的同时还将大量的有毒气体排放到空气中，造成环境污染。
（3）空气量一定，燃料中可燃成分增加 ： 烟气含氧量将减少，由于燃料的不完全燃烧，在造成燃料能量浪费的同时还将大量的有毒气体排放到空气中，造成环境污染。
（4）空气量一定，燃料中可燃成分减少：烟气含氧量将增大，多余的空气会吸收一定的能量，经过烟囱排放大空气中，造成能量的浪费 。
锅炉燃烧的好坏，通常用过剩空气系数来衡量。
过剩空气系数大，多余的空气将带走燃料燃烧的热量，使排烟损失增大；
过剩空气系数小，空气供应不足，大量有用的燃料附着在炉灰或烟气中白白跑掉，造成
未完全燃烧，损失加大。
这些都使锅炉的热效率降低。因此，要使燃烧处于最佳状态，首先要控制过剩空气系数
在一定的范围内（数值约为 1.2~1.3）。
直接测定过剩空气系数目前仍比较困难，但过剩空气系数与烟气的含氧量有一定的单值
对应关系。
过剩空气系数增大，烟气中含氧量增加；过剩空气系数减小，则烟气中含氧量减少。
因此，测出烟气的含氧量，就可判断出过剩空气系数的大小，进而判断出燃烧的好坏。
为此，必须对锅炉烟气含氧量进行分析，同时也要对其进行控制。
2.2烟气含氧量控制方案
烟气含氧量控制方案一：用风机频率控制含氧量的方案，如下图图2.1所示

图2.1 烟气含氧量控制方案一
被控对象：烟气
被控变量：烟气含氧量
操纵变量：风机频率
干扰变量：挡板开度
烟气含氧量控制方案二;用烟道挡板开度控制烟气含氧量的方案，如下图图2.2所示。
图2.2 烟气含氧量控制方案二
被控对象：烟气
被控变量：烟气含氧量
操纵变量：挡板开度
干扰变量：空气量
炉膛中剩余空气的多少直接决定了烟气含氧量的多少。风机转速和烟道挡板开度正好决定了空气的一进一出。
如果风机转速升高（降低），进入炉膛的空气增多（减少），在挡板开度不变的情况下，烟气含氧量必然增大（减少）。
反之，如果烟道挡板开度增加（减少），在挡板开度突增（突减）的一瞬间，由于烟气总量的增加（减少）使得其中所含的氧含量相对变少（变多），烟气含氧量会减少（增加）。但随着烟气流量趋于稳定，由于挡板开度的增加（减少），烟气总量增加（减少），带走的空气也相应增多（减少），在风机转速不变的情况下，烟气含氧量会增加（减少）。可见，烟道挡板开度对烟气含
氧量的影响还是非线性的。
进风量和出风量都对烟气含氧量有显著的影响，那么选择哪一个做操纵变量更好呢？
假如我们选择烟道挡板作为执行机构，调节烟气含氧量，如果本来进入炉膛的空气较少，燃烧之后的烟气含氧量肯定比较低，这个时候就要加大挡板的开度，烟气含氧量是加大了，可是这
就造成燃烧不充分的、温度很高的烟气排放到空气中，造成空气污染和热量损失。同时由于炉膛要求具有一定的真空度，如果挡板开度过大，炉膛的真空度也会遭到破坏，锅炉就会发生危险。
对烟气含氧量起到实质性影响的应当是进风量，也就是风机转速的大小。烟道挡板作为一种可以调节和对烟气含氧量有影响的因素，更适合于在风机转速无法调节时进行亡羊补牢似的控制。因此，我们选择风机转速来调节烟气含氧量。
2.3烟气含氧量控制方案选择
进风量和出风量都对烟气含氧量有显著的影响，那么选择哪一个做操纵变量更好呢？
经过分析，对烟气含氧量起到实质性影响的应当是进风量，也就是风机转速的大小。烟道挡板作为一种可以调节和对烟气含氧量有影响的因素，更适合于在风机转速无法调节时进行亡羊补牢似的控制。因此，我们选择方案一风机转速来调节烟气含氧量。
2.4烟气含氧量控制方案

控制器正反作用：反作用
控制规律：比例—积分作用
三、实验步骤
3.1使用 S1101 控制 AI1101
1、在没有打开任何工程的前提下，在SMPT-1000监控环境中打开锅炉工程07_BoilerOxygenS1101 Control。
2、点击工具栏中的V按钮，打开阀门/挡板控制配置对话框，将阀门S1101设为内控状态。
3、点击工具栏中的按钮，将当前窗口切换到控制系统组态窗口，进行控制系统组态。
（1）设置数据采集点，采集烟气含氧量AI1101实测值作为控制器输入。
（2）控制器组态。从控制模块库拖入一个PID控制器模块，具体配置如下表所示。

（3）设置执行单元，位号S1101，数据输出类型为绝对量。
（4） 进行信号连接。配置完成后，控制组态窗口如下图所示。

4、 在趋势曲线画面中添加AI1101、S1101、DO1101、PI1102曲线。

5、确认挡板DO1101开度为19.13，点击工具栏中的运行按钮，让锅炉工程运行起来。
6、控制系统投运和控制器参数整定。
（1）控制系统的投运
控制系统投运原则：无平衡、无扰动切换
在控制器组态画面中打开AIC1101控制器的操作面板，在控制器手动状态下不断修改OP的值，观察SP和PV的值达到2%左右时，将控制器投自动。

（2）控制器参数整定
从经验整定法、临界比例度法、衰减振荡法中选择一种方法进行P、I参数整定。
7、施加扰动测试控制器性能。
将AI1101设定值从2变为3，记录AI1101的响应曲线。
待AI1101稳定后，将AI1101设定值从3再变为2，记录AI1101的响应曲线。
待系统稳定之后，手工将DO1101开度设置为25，观察AI1101曲线的变化趋势。
当AI1101稳定后，再将DO1101开度设置为15，等待AI1101稳定。
将DO1101开度调回到19，等待AI1101稳定。
下图是使用经验整定法进行PI参数整定，当Kc=5、Ti=3时，施加扰动得到的响应曲线。
下图是使用衰减振荡法进行PI参数整定，当Kc=6.0756、Ti=0.95时，施加扰动得到的AI1101响应曲线。

3.2使用 DO1101 控制 AI1101
使用DO1101控制AI1101的实验步骤与使用S1101控制AI1101类似。
下图是经验法整定比例增益Kc的过程。可以看出烟气含氧量对于挡板开度的变化非常敏感，
响应很快并且很容易出现衰减振荡。同时注意在AI1101的SP改变时，AI1101的初始响应都有一个反向过程，这是由于挡板开度变化对于AI1101的非线性作用引起的。

10、 使用DO1101控制AI1101，经验法整定控制器参数。

而在进一步整定积分时间Ti时，会发现，在积分时间的取值变化不大的情况下，增加AI1101
的SP时，响应曲线对积分时间的大小响应不敏感；在降低AI1101的SP时，响应则非常敏感，很容易引起长时间的衰减振荡。

分析其原因，是由于挡板开度对烟气含氧量的影响是非线性的，对象特性在不同的工作点上都不一样，而PID控制器更适合控制线性的被控变量。如果一定要用DO1101控制AI1101的话，156 同样要注意折中多方面因素，选取一组具有较大适用范围的PID控制器参数。
在取Kc=1、Ti=0.8时，改变风机转速S1101。可以看到风机转速变化1%，就会引起烟气含氧量的剧烈变化。当S1101降低1%时，DO1101已经全开，依然无法将AIC1101调整回设定值。DO1101的响应曲线比较平稳，而AI1101的响应曲线变化比较剧烈。在将S1101调整回原有数值时，AIC1101能够将AI1101调整回设定值，但是AI1101的响应过程出现了很大的超调以及衰减振荡，同时，作为执行机构的DO1101，响应依然很平稳。而一个好的执行机构，应该是快速响应控制器输出，将被控变量平稳且快速地调整到设定值。

实际操作中，S1101 通常用来控制进风量 FI1104。
进风量 FI1104 要和燃料量 FI1103 配比，为炉膛提供充足的热量。
所以 AI1101 通常作为一个前馈量或补偿量，与进风量 FI1104 的控制系统形成前馈-反馈控制系统。

四、总结
PID参数整定方法有优点也有缺点，经验整定法简单方便，适用于记录曲线不规则、外界干扰频繁的控制系统但参数整定花费时间长整定结果因人而异，没有明确的标准。理论整定法结果比较精确但需要求出各个环节的传递函数，实际问题不能满足理论计算比较繁琐。临界比例度法使用起来比较方便但不适用于工艺方面不允许被控变量长时间的等幅振荡的场合在纯比例控制情况下，系统可能不会出现等幅振荡只适用于二阶以上的高阶对象或一阶纯滞后对象。衰减振荡法整定质量好对工艺过程干扰小安全可靠但对时间常数小的系统不易测取衰减振荡周期不宜用于干扰频繁的系统。
经过这次的实训，我深刻的体会到耐心的重要性，这为我们将来的工作打下坚实的基础。
第五章 参考文献
1、王爱广，王琦主编。过程控制技术. 北京：化学工业出版社，2005.
2、孙红尘主编，过程自动化及仪表. 北京：化学工业出版社，2003
3、李友善主编，自动控制原理. 北京：国防工业出版社，1980.
4、历玉明主编，化工仪表及自动化.北京：化学工业出版社，2005