锅炉设备的控制技术培训教程.doc

锅炉设备的控制锅炉是工业生产过程中必不可少的重要动力设备。它通过煤、油、天然气的燃烧释放出的化学能，通过传热过程把能量传递给水，使水变成水蒸气。这种高压蒸汽即可以作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发过程的能源，又可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动透平的动力源。随着石油化学工业生产规模的不断扩大，生产过程不断强化，生产设备的不断更新，作为全厂动力和热源的锅炉，亦向着高效率，大容量发展。为确保安全，稳定生产，对锅炉设备的自动控制就显得十分重要。.1工艺流程简介给水经给水泵、给水控制阀、省煤器进入锅炉的汽包，燃料和热空气按一定的比例送入燃烧室内燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds。然后经过热器，形成一定气温的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。压力为Pm的过热蒸汽，经负载设备控制供给负荷设备用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排到大气。图-1给出了一个20T/h工业燃煤锅炉工艺流程图。图-1 20T/h工业燃煤锅炉工艺流程图给水量减温水燃料量送风量引风量汽包水位蒸汽温度蒸汽压力过剩空气炉膛负压锅炉设备负荷图4.3-2 锅炉控制对象锅炉是全厂重要的动力设备，其要求是供给合格的蒸汽，使锅炉发热量适应负荷的需要。为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制。锅炉设备的主要控制要求如下。 供给蒸汽量适应负荷变化需求或保持给定负荷。 锅炉供给用汽设备的蒸汽压力应保持在一定范围内。 过热蒸汽温度应保持在一定范围内。 汽包水位保持在一定范围内。 保持锅炉燃烧的经济性和安全运行。 炉膛负压保持在一定范围内。锅炉设备是一个复杂的控制对象，如图-2所示，主要输入变量是锅炉给水量、燃料量、减温水量、送风量和引风量等；主要输出变量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（氧气含量等）。上述输入变量与输出变量之间相互关联。如果蒸汽负荷发生变化，必将引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化。燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压。给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度等亦有影响。减温水的变化会导致过热蒸汽温度、蒸汽压力、汽包水位等的变化；等等。所以锅炉设备是一个多输入，多输出且相互关联的控制对象。目前工程处理上作了一些假设之后，将锅炉设备划分为若干个控制系统，主要控制系统如下。 锅炉汽包水位控制（给水自动控制系统）。锅炉液位高度是确保生产和提供优质蒸汽的重要参数。特别是对现代工业生产来说，由于蒸汽量显著提高，汽包溶剂相对减小，水位速度变化很快，稍不注意即造成汽包满水或烧干锅，无论满水还是缺水都会造成极其严重的后果。因此，主要从汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包中水位在工艺允许范围内。这是保证锅炉，汽轮机安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的重要指标。因而，此控制系统的受控变量是汽包水位，操纵变量是给水量。主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应蒸发量，维持汽包中水位在工艺要求的范围之内。 锅炉燃烧的自动控制。蒸汽压力、烟气成分、炉膛负压为三个被控变量，分别利用燃料流量、送风流量和引风流量作为三个操纵变量。这三个被控变量和操纵变量互相关联，组成合适的燃烧系统控制方案，以满足燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要，使燃料与空气间保持一定比值，以保证最经济的燃烧（常以煤烟中的氧含量为受控变量），提高锅炉的燃烧效率，满足燃烧的完全和经济性。保持炉膛负压在一定的范围内，使锅炉安全运行。 过热蒸汽温度的自动控制。是以过热蒸汽温度为被控变量，喷水量为操纵变量的温度控制系统，维持过热器出口温度在一定范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。.2锅炉汽包水位的控制保持汽包水位在一定范围内是锅炉稳定安全运行的主要指标。水位过低会造成汽包内水量太少，当负荷有较大变动时，汽包内的水量变化速度很快，如来不及控制，就会使汽包内的水全部气化，会导致水冷壁的损坏，严重时会发生锅炉爆炸。水位过高则会影响汽包内的汽水分离，产生蒸汽带液现象，一方面会使过热器管壁结垢，传热效率下降，同时由于蒸汽温度的下降，液化的蒸汽驱动透平机时会使透平机叶片遭到毁坏，影响运行的安全性和经济性。1汽包水位的动态特性影响汽包水位的因素有：汽包（包括循环水管）中储水量和水位下气泡容积。而水位下气泡容积与锅炉的蒸汽负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。锅炉汽包水位主要受到锅炉蒸发量（蒸汽流量）和给水流量的影响。1）干扰通道的动态特性蒸汽负荷对水位的影响在蒸汽流量（既负荷增大或减小）的阶跃干扰下，汽包水位的阶跃响应曲线如图-3所示。锅炉汽包水位对干扰输入蒸汽流量的传递函数可以描述为 （.1）其中，为响应速度，即蒸汽流量作单位流量变化时，汽包水位的变化速度；和分别为响应曲线的增益和时间常数。根据物料守恒关系，当蒸汽用量突然增加而燃料量不变的情况下，汽包内的水位应该是降低的。但是由于蒸汽用量突然增加，瞬时必导致汽包内压力下降，因此水的沸点降低，汽包内水的沸腾突然加剧，水的气泡迅速增加，将整个水位提高，即蒸汽用量突然增加对汽包水位不是理论上的降低而是升高，这就是所谓的假水位现象。当蒸汽流量突然增加时，由于假水位现象，开始水位先上升后下降，如图中曲线所示。当蒸汽流量阶跃变化时，根据物料平衡关系，蒸汽量大于给水量，水位应下降，如图中的曲线所示。曲线是只考虑水面下气泡容积变化时的水位变化曲线。而实际水位变化曲线是与的叠加，即。对于蒸汽用量减少时同样可用上述方法进行分析。假水位变化幅度与锅炉规模有关，例如一般100-300 T/H的高压锅炉当负荷变化10%时假水位可达30-40mm，因此在实际运行中选择控制方案时应将其考虑在内。2）控制通道的动态特性给水量对汽包水位的影响给水流量作阶跃变化时，锅炉水位的响应曲线如图-5所示，可以用下列传递函数描述。 （.2）其中，为响应速度，即给水流量作单位流量变化时，水位的变化速度；为时滞。当给水量增加时，由于给水温度必然低于汽包内饱和水温度，因而需要从饱和水中吸收部分热量，因此导致汽包内的水温降低，使汽包内水位下的气泡减少，从而导致水位下降，只有当水位下气泡容积变化达到平衡后，给水量增加才与水位成比例增加。表现在响应曲线的初始段，水位的增加比较缓慢，可用时滞特性近似描述。因此实际的水位响应曲线为如图-4所示。当突然加大给水量时，汽包水位一开始并不立即增加而需要一段起惯性段，为滞后时间，其中为不考虑给水增加而导致汽包中气泡减少的实际水位变化图。2锅炉汽包水位的控制锅炉汽包水位的控制系统中，被控变量为汽包水位，操纵变量是给水流量。主要的干扰变量有以下四个来源。 给水方面的干扰。例如，给水压力、减温器控制阀开度变化等。 蒸汽用量的干扰。包括管路阻力变化和负荷设备控制阀开度变化等。 燃料量的干扰。包括燃料热值、燃料压力、含水量等。 汽包压力变化。通过汽包内部汽水系统在压力升高时的“自凝结”和压力降低时的“自蒸发”影响水位。1）单冲量水位控制系统汽包水位控制系统的操纵变量总选用给水流量。基于这一原理，可构成如图-5所示的单冲量控制系统。单冲量水位控制系统是最简单和基本的控制系统。单冲量指只有一个变量，即汽包水位。这是一个典型的单回路控制系统。其特点主要有 结构简单，投资少。 适用于汽包容量较大，虚假水位不严重，负荷较平稳的场合。 为安全运行，可设置水位报警和连锁控制系统。根据锅炉水位动态特性分析，该控制过程具有虚假水位的反向特性。当水蒸气负荷突然大幅度增加时，由于假水位现象，控制器输出误动作。控制器不但不能开大给水阀增加给水量，维持锅炉的物料平衡，而是关小控制阀的开度，减小给水量。等到假水位消失后，水位严重下降，影响控制系统的控制品质，严重时甚至会使汽包水位降到危险程度以致发生事故。因此对于停留时间短，负荷变动较大的情况，这样的系统不能适合，水位不能保证。然而对于小型锅炉，由于汽包停留时间较长，在蒸汽负荷变化时假水位的现象并不显著，配上一些连锁报警装置。也可以保证安全操作，故采用这种单冲量控制系统尚能满足生产的要求。2）双冲量水位控制系统在汽包水位的控制中，最主要的干扰是负荷的变化。如果引入蒸汽流量来起校正作用，就可以纠正虚假水位引起的误动作，而且使控制阀及时动作，从而减少水位的波动，改善控制品质。考虑到蒸汽负荷的扰动可测但不可控，因此可将蒸汽流量信号引入系统中作为前馈信号，与汽包水位组成前馈反馈控制系统，通常称为双冲量水位控制系统。构成的双冲量水位控制系统如图-6所示。图中加法器的输出为。 （.3）式中，LC为液位控制器，为液位控制器的输出；为蒸汽流量变送器（一般经开方器）的输出；为初始偏置值；、为加法器的系数。图-7给出了典型的双冲量控制系统的原理及方框图。这是一个前馈（蒸汽流量）加单回路反馈控制的复合控制系统。这里的前馈系统仅为静态前馈，若需要考虑控制通道和扰动通道在动态特性上的差异，须加入动态补偿环节。下面分析这些系数的设置。（1）系数符号的选取原则系数取正号还是负号（即进行加法还是减法），要根据调节阀的特性是气开还是气关而定。而调节阀的选取一般要从生产安全角度进行选取。如果高压蒸汽是供给蒸汽透平机等，为保护这些设备以选择气开阀为宜。如果蒸汽作为加热及工艺生产中的热源时，应考虑采用气关阀，以防止烧干锅，保护锅炉设备安全。若调节阀为气开型，则取正号；若为气关型，则取负号。 此处考虑锅炉蒸汽作加热用，则项取负号，这样当蒸汽流量加大时，测量到的干扰增加，计算所得控制器的输出则减小，调节阀开度加大。（2）数值大小的确定根据前馈控制工作原理，静态前馈时（即只有负荷干扰的条件下，汽包水位整体不变），应满足下列不变性条件。 （.4）检测变送环节的传递函数以增益表示，则可按（.5）式计算。 （.5）式中，表示蒸汽流量变送器的输出变化量；为蒸汽流量变化量；为蒸汽流量变送器输出最大变化范围；为蒸汽流量变送器的量程，从零开始。设调节阀的工作特性是线性的，则它的放大系数。式中，为给水流量变化量；为阀门输入信号变化量。若令，则由（.4）可得 （.6）若采用静态补偿，则 （.7）由式（.1）可知，为在蒸汽流量作用下的汽包水位的阶跃响应曲线的速度；由式（.2）可知，为在给水流量作用下的汽包水位的阶跃响应曲线的速度。根据达到稳态时满足物料平衡的原理，有。由于排污等水损失，因此给水流量的增量应大于蒸汽流量用量，即。因而可得系数 （.8）（3）系数的确定由于是与调节器放大倍数的乘积，相当于简单调节系统中调节器放大倍数的作用。一般取。（4）的确定是一个恒定值，设置的目的是在正常负荷下，使调节器和加法器的输出都能有一个比较适中的数值。在正常负荷下值与项恰好抵消。（5）双冲量水位控制系统的另一种接法为了减少仪表的投资，在采用常规仪表实施双冲量控制系统时，也可采用如图-8所示的接法。由于控制器输入端具有加法功能，因此，将前馈信号在反馈控制器前加入。该控制方案的优点是水位上升与蒸汽流量增加时，控制阀动作方向相反，信号是相减的，因此，可节省仪表。缺点是由于水位控制器的测量信号是水位信号与蒸汽流量信号之差，因此，采用静态前馈时，不能保证水位无余差。双冲量控制系统考虑了蒸汽流量扰动对汽包水位的影响，但对给水流量扰动的影响未加考虑，因此，适用于给水流量波动较小的场合。3）三冲量水位控制系统对于双冲量控制系统主要的弱点，一是控制阀的工作特性要做到静态补偿比较困难；二是对于给水系统的干扰不能克服。为此，将给水流量信号引入，构成三冲量控制系统。（1）三冲量控制方案一引入给水流量信号，构成的三冲量控制方案之一如图-9所示。可以看出，这是前馈与串级控制组成的复合控制系统。与双冲量水位控制系统比较，设置了串级副环，将给水流量、给水压力等扰动引入到串级控制系统的副环。因此，扰动能够迅速被副环克服，弥补了双冲量水位控制系统的缺点。从系统的安全角度来考虑，为供热中心锅炉设备的工程设计采用了三冲量控制方案，能够有效的维持汽包水位在工艺允许范围内，也有效地克服了系统中存在的“假水位”现象。 图-10给出了三冲量控制系统的方框图。则前馈补偿模型为 （.9）其中，蒸汽流量和给水流量的检测变送环节因动态响应快，其传递函数、可分别以静态增益、表示，则和可分别按（.10）、（.11）式计算。 （.10） （.11）假设采用气开阀，就取正值。令，当考虑静态前馈时有 （.12）将式（.10）、（.11）代入（.12）得 （.13）若控制通道和扰动通道的动态特性不一致时，可采用动态前馈控制规律。此时，将系统方框图-10中的表示为。假如副回路跟踪很好，可近似为的环节。根据不变性原理，得到动态前馈控制器的控制规律为 （.14）式中，。实际应用时，通常有，无法物理实现，实际动态前馈控制器的控制规律近似为 （.15）式中，是蒸汽流量检测变送环节增益的倒数，通常为1。因此，实际实施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。（2）三冲量控制方案二为了减少成本，可采用一个控制器的控制方案如图-11所示。该方案中，将蒸汽流量信号、给水流量信号和汽包水位信号一起送加法器，加法器输出作为给水控制器的测量信号。主控制器是比例度为100的控制器，副控制器是给水控制器。加法器的比例系数可以设置。由于汽包水位控制器的测量值是蒸汽流量信号、给水流量信号和汽包水位信号的代数和，当给水流量与蒸汽流量达到物料平衡（包括排污损失），及控制器具有积分作用时，水位可达到无余差。但通常情况下，实施该控制方案的水位存在余差。（3）三冲量控制方案三为使水位无余差，将水位控制器移到加法器前，组成如图-12所示的控制方案。图中，水位控制器输出信号、蒸汽流量信号、给水流量信号送加法器，加法器输出送给水控制阀。因此，该控制方案中，主控制器是水位控制器，副控制器是比例度为100的比例控制器。由于水位控制器测量值是汽包水位信号，因此，当水位控制器具有积分控制作用时，可实现汽包水位无余差。.3锅炉燃烧控制系统1燃烧过程的控制任务燃烧过程的自动控制系统与燃料种类、燃烧设备及锅炉形式有着密切的关系。这里讨论燃油锅炉的燃烧过程控制系统。燃烧过程控制任务很多，最基本的任务是使锅炉出口蒸汽压力稳定。当负荷变化时，通过调节燃料量使之稳定。其次，要保证燃料燃烧良好，燃烧过程经济运行。既不能因为空气不足而使烟囱冒黑烟，也不能因为空气过多而增加热量损失。所以在增加燃料时，应先加大空气量；在减少燃料时，也应先减少空气量。总之，燃料量与空气量应保持一定的比值，或者烟道中的氧含量应保持一定的数值。再次，为防止燃烧过程中火焰或烟气外喷，应该使排烟量与空气量相配合，以保持炉膛负压不变。如果负压太小，甚至为正，则炉膛内热烟气向外冒出，影响人员和锅炉设备安全；如果负压大，会使大量冷空气进入炉内，从而使热量损失增加，降低了燃烧效率。一般炉膛负压应该维持在-20Pa（约-2mmH2O）左右。此外，燃烧嘴背压太高时可能燃烧流速过高而脱火；炉嘴背压太低时，又可能回火。因此，从安全考虑，应该设置一定的防备措施。2蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统蒸汽压力对象的主要干扰是燃料量的波动与蒸汽负荷的变化。当燃料流量和蒸汽负荷变动较小时，可采用利用蒸汽压力来调节燃料量的单回路控制系统；当燃料流量波动较大时，可采用蒸汽压力对燃料流量的串级控制系统。燃料流量是随蒸汽负荷而变化的，所以为主流量，与空气流量组成的单闭环比值控制系统，可使燃料与空气保持一定的比例，获得良好的燃烧。为了保证经济燃烧，也可以使用烟道气中氧含量来校正燃料流量与空气流量的比值，组成变比值控制系统。1）基本控制方案一图-13给出了锅炉燃烧过程控制的基本方案，包括蒸汽压力为主被控变量、燃料量为副被控变量组成的串级控制系统，以及燃料量为主动量、送风量为从动量的比值控制系统。方案一能够确保燃料量与空气量的比值关系，当燃料量变化时，送风量能够跟踪燃料量的变化。但送入的空气量滞后于燃料量的变化。2）基本控制方案二图-14给出了第二种控制方案。包括蒸汽压力为主被控变量、燃料量为副被控变量的串级控制系统，以及蒸汽压力为主被控变量、送风量为副被控变量的串级控制系统。此方案中，燃料量与送风量的比值关系是通过燃料控制器和送风调节器的正确动作间接保证的，该方案能够保证蒸汽压力恒定。3燃烧过程中烟气氧含量闭环控制无论是方案一还是方案二，其共同的特点是在比值控制方案的基础上，加入了烟道气氧含量的一个控制回路。这是一个以烟道中氧含量为控制目标的燃烧流量与空气流量的变比值控制系统，也称烟气氧含量的闭环控制系统。这一控制系统可以保证锅炉最经济燃烧。在整个生产过程中保证最经济的燃烧，必须使得燃料和空气流量保证最优比值。上述方案中保证了燃料和空气的比值关系，但并不能保证燃料的完全燃烧控制。因为，其一，在不同的负荷下，两流量的最优比值不同；其二，燃料的成分（如含水量、灰分等）有可能会变化；其三，流量测量的不准确。这些因素都会不同程度地影响到燃料的不完全燃烧或空气的过量，造成锅炉的热效应下降，这就是燃烧流量和空气流量定比值的缺点。为了改善这一情况 ，最简单的方法是有一个指标来闭环修整两流量的比值。目前，最常用的是烟气中的含氧量。1）锅炉的热效率锅炉的热效率（经济燃烧）主要反映在烟气成份（特别是含氧量）和烟气温度这两个方面。烟气中各种成份，如、和未燃烧烃的含量，基本可以反映燃料燃烧的情况。最简单的方法是用烟气中含氧量来表示。根据燃烧反应方程式，可以计算出是燃料完全燃烧时所需的氧量，从而得知所需空气量，称为理论空气量。而实际上完全燃烧所需要的空气量，要超过理论计算的量，超过理论空气量的这部分称为过剩空气量。由于烟气的热损失占锅炉的大部分，当过剩空气量增多时，一方面使炉膛温度降低，另一方面使烟气损失增加。因此，过剩空气量对不同的燃料都有一个最优值，以满足最经济燃烧的要求，如图-15所示。对于液体燃料最优过剩空气量约为815。过剩空气量常用过剩空气系数来表示，定义为实际空气量和理论空气量之比 （.16）因此, 是衡量经济燃烧的一种指标。过剩空气系数很难直接测量，但与烟气中氧含量有关，可近似表示为 （.17）图-16显示了过剩空气系数与烟气含氧量、锅炉效率的关系。当在11.6范围内，与接近直线关系，这样可根据图-16或式（.17）得到当在1.081.15（最佳过剩空气量约为815）时，烟气含氧量的最优值为1.63。从图-16也可以看到，过剩空气量约为815时，锅炉有最高效率。2）烟气含氧量的闭环控制系统图-17所示为锅炉燃烧过程的烟气含氧量的闭环控制方案。在这个方案中，含氧量烟气作为被控变量。当烟气中含氧量变化时，表明燃烧过程中的过剩空气量发生变化，通过含氧量控制器来控制空气量与燃料量的比值，力求使控制在最优设定值，从而使对应的过剩空气系数稳定在最优值，保证锅炉燃烧最经济，热效率最高。可见，烟气含氧量闭环控制系统是将原来的定比值改变为变比值，比值由含氧量控制器输出。实施时应注意，为快速反映烟气含氧量，对烟气含氧量的检测变送系统应选择正确。目前，常选用氧化锆氧量仪表检测烟气中的含氧量。图-17也给出了烟气中氧含量的闭环控制方案。该方案在负荷减少时，先减燃料量，后减送风量；而负荷增加时，在增加燃料量之前，先加大送风量。可见，它是能够满足逻辑提降要求的比值控制系统。正常情况下，是蒸汽压力对燃料流量的串级控制系统和燃料流量对空气流量的比值控制系统。蒸汽压力控制器PC是反作用的。当蒸汽压力下降时（如因负荷增加），压力控制器输出增加，从而提高了燃料流量控制器的设定值。但如果空气量不足会造成燃烧不完全。为此，设有低限选择器FY1，它只允许两个信号中较小的通过，这样保证燃料量只在空气量足够的情况下才能加大。压力控制器的输出信号将先通过高限选择器FY2来加大空气流量，保证在增加燃料流量之前先把控制量加大，使燃烧完全。当蒸汽压力上升时，压力控制器输出减小，降低了燃料量控制器的设定值，在减燃料量的同时，通过比值控制系统，自动减少空气流量。其中比值由含氧量控制器输出。该系统不仅能够保证在稳定工况下空气和燃料在最佳比值，而且在动态过程中能够尽量维持空气、燃料配比在最佳值附近。因此具有良好的经济和社会效益。4炉膛负压及安全控制系统1）炉膛负压控制系统为了防止炉膛内火焰或烟气外喷，炉膛中要保持一定的微负压。炉膛负压控制系统中被控变量是炉膛压力（控制在负压），操纵变量是引风量。当锅炉负荷变化不大时，可采用单回路控制系统。当锅炉负荷变化较大时，应引入扰动量的前馈信号，组成前馈反馈控制系统。例如，当锅炉负荷变化较大时，蒸汽压力的变动也较大，这时，可引入蒸汽压力的前馈信号，组成如图-18（a）所示的前馈反馈控制系统。若扰动来自送风机时，送风量随之变化，引风量只有在炉膛负压产生偏差时，才由引风调节器去调节，这样引风量的变化落后于送风量，必然造成炉膛负压的较大波动。为此可引入送风量的前馈信号，构成如图-18（b）所示的前馈反馈控制系统。这样可使引风调节器随送风量协调动作，使炉膛负压保持恒定。2）防止回火的连锁控制系统当燃料压力过低，炉膛内压力大于燃料压力时，会发生回火事故。为此设置图-19所示连锁控制系统。采用压力开关PSA，当压力低于下限设定值时，切断燃料控制阀的上游切断阀，防止回火。也可采用选择性控制系统，防止回火事故发生。将喷嘴背压的信号送背压控制器，与蒸汽压力和燃料量串级控制系统进行选择控制。正常时，由蒸汽压力和燃料量组成的串级控制系统控制燃料控制阀，一旦喷嘴背压低于设定，则背压控制器输出增大，经高选器后取代原有串级控制系统，根据喷嘴背压控制燃料控制阀。3）防止脱火的选择控制系统当燃料压力过高时，由于燃料流速过快，易发生脱火事故。为此，设置燃料压力和蒸汽压力的选择性控制系统，如图-20所示。正常时，燃料控制阀根据蒸汽负荷的大小调节。一旦燃料压力过高，燃料压力控制器P2C的输出减小，被低选器选中，由燃料压力控制器P1C取代蒸汽压力控制器，防止脱火事故发生。图-21给出了防止回火和脱火的系统组合，并设置回火报警系统。防止脱火采用低选器，防止回火采用高选器。表示防止回火的最小流量对应的仪表信号。4）燃料量限速控制系统当蒸汽负荷突然增加时，燃料量也会相应增加。当燃料量增加过快时，会损坏设备。为此，在蒸汽压力控制器输出设置限幅器，限定最大增速在一定的范围内，保护设备免受损坏。.4 蒸汽过热系统的控制蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。蒸汽过热系统自动控制的任务是使过热器出口温度维持在允许范围内，并且保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度。过热气温是锅炉汽水通道中温度最高的地方。过热器正常运行时的温度一般接近材料所允许的最高温度。如果过热蒸汽温度过高，则过热器容易损坏，也会使气轮机内部引起过度热膨胀，严重影响运行安全。若过热蒸汽温度过低，则设备的效率降低，同时使通过气轮机最后几级的蒸汽湿度增加，引起页片磨损。因此对过热器出口蒸汽温度应加以控制，使它不超出规定范围。影响过热器出口温度的因素有很多，例如蒸汽流量、燃烧工况、引入过热器的蒸汽热焓（减温水量）、流经过热器的烟气温度和流速等。在各种扰动下，过热器出口温度的各个动态特性都有较大的时滞和惯性，因此选择合适的操纵变量和合理的控制方案对于控制系统满足工艺要求是十分必要的。目前广泛选用减温水流量作为操纵变量，过热器出口温度作为被控变量，组成单回路控制系统。但是控制通道的时滞和时间常数都较大，此单回路控制系统往往不能满足要求。因此，引入减温器出口温度为副被控变量，组成串级控制系统，如图-22所示。此控制方案对于提前克服扰动因素是有利的，这样可以减少过热器出口温度的动态偏差，以满足工艺要求。另一种控制方案是组成如图-23所示的双冲量控制系统，即前馈反馈控制系统。它将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的测量。当减温器出口温度有变化时才引入前馈信号，稳定工况下，该微分信号为零，此时为单回路控制系统。.5 采用可编程控制器的锅炉控制实例以某学校供热中心锅炉房工业对象,讨论其控制系统方案。现场有两台15吨的蒸气燃煤锅炉，锅炉控制系统采用PLC与计算机组合成的计算机监督控制系统。并利用4台西门子变频器驱动引风（75KW）、鼓风（30KW）、供水（30KW）、炉排（3KW）进行调节。计算机作为上位机，PLC使用两台作为直接数字控制（DDC）级。上位机采用RS232标准与PLC进行通讯，完成数据监控与人机接口的功能。上位机通过采集PLC的相应寄存器中的数据，可以监控整个锅炉的运行状况，并可设置PLC各个参数，可以随时查看温度、压力、流量、氧含量等曲线，还具有数据自动存储、报警提示、查询、报表、打印等功能。PLC使用日本三菱FX2N系列，PLC的扩展模块采用FX2N-4AD、FX2N-4DA、FX2N-4AD-PT和FX2N-4AD-TC，完成底层的I/O操作和系统基础安全管理等功能。另外通过其提供的丰富的指令集和内置的PID调节函数，以及脉宽调制信号或脉冲信号的输出，来完成基本的控制任务。控制系统结构如图-24所示。工业控制机 RS232 RS232F940触摸屏F940触摸屏PLC2及其AD、DA扩展模块485BD(用于485通讯)PLC1及其AD、DA扩展模块485BD(用于485通讯) RS422 RS422工业锅炉 1工业锅炉 2 图-24 控制系统结构图下面对几个主要控制系统作简单介绍。1锅炉汽包水位控制系统图4.3-25 串级三冲量给水控制系统采用串级三冲量给水控制系统，其基本结构如图-25所示。该系统由主副两个PI调节器和三个冲量构成，与单级三冲量控制系统相比，该系统多采用了一个PI调节器，两个调节器串联工作，分工明确。PI1为水位调节器，它根据水位偏差产生给水流量设定值；PI2为给水流量调节器，它根据给水流量偏差控制给水流量并接受前馈信号。蒸汽流量信号作为前馈信号，用来维持负荷变动时的物质平衡，由此构成的是一个前馈串级控制系统。该系统结构较复杂，但各调节器的任务比较单纯，系统参数整定相对单级三冲量控制系统要容易些，不要求稳态时给水流量蒸汽流量测量信号严格相等，即可保证稳态时汽包水位无静态偏差，其控制重量较高，是现场广泛采用的给水控制系统，也是组织给水全程控制的基础。2燃烧控制系统锅炉的燃烧过程是一个能量转换和传递的过程，其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要（常以蒸汽压力为被控变量）；使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证最佳经济效益的燃烧（常以烟气成分为被控变量），提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压在一定的范围内。锅炉燃烧控制系统分为汽包压力及燃料比值、排烟氧含量、炉膛负压3个控制系统。1）汽包压力及燃料比值控制系统蒸汽压力控制系统主要是在燃料量的波动与蒸汽负荷的变化的干扰下，保持蒸汽压力不变化。燃料流量是随蒸汽负荷而变化的，所以为主流量，与空气流量组成的单闭环比值控制系统，可使燃料与空气保持一定的比例，获得良好的燃烧。为了保持在任何时刻都有足够的空气以实现完全燃烧，当热负荷增大时，应先增加送风量，后增加燃料量；若热负荷减少时，应先减少燃料量，再减少送风量。为了满足上述两点要求，在这两个单回路的基础上，建立交叉限制协调控制系统，如图-26所示。图4.3-26 带交叉限制的最佳空燃比控制系统进一步分析可知，燃料量控制子系统的任务在于，使进入锅炉的燃料量随时与外界负荷要求相适应，维持主压力为设定值。为了使系统有迅速消除燃料侧自发扰动的能力，燃料量控制子系统大都采用以蒸汽压力为主参数、燃料量为副参数的串级控制方案。2）排烟氧含量控制系统图4.3-27 带氧量串级校正的送风控制系统保证燃料在炉膛中的充分燃烧是送风控制系统的基本任务。在大型机组的送风系统中，一、二次风通常各采用两台风机分别供给，锅炉的总风量主要由二次风来控制，所以这里的送风控制系统是针对二次风控制而言的。送风子控制系统的最终目的是达到最高的锅炉热效率，保证经济性。为保持最佳过剩空气系数，必须同时改变风量和燃料量。是由烟气含氧量来反映的。因此常将送风控制系统设计为带有氧量校正的空燃比控制系统，经过燃料量与送风量回路的交叉限制，组成串级比值的送风系统。结构上是一个有前馈的串级控制系统，如图-27所示。它首先在内环快速保证最佳空燃比，至于给煤量测量不准，则可由烟气中氧量作串级校正。当烟气中含氧量高于设定值时，氧量校正调节器发出校正信号，修正送风量调节器设定，使送风调节器减少送风量，最终保证烟气中含氧量等于设定值。3）炉膛负压控制系统炉膛负压控制系统的任务在于调节烟道引风机导叶开度，以改变引风量；保持炉膛负压为设定值，以稳定燃烧，减少污染，保证安全。本系统采用利用引风量作为操纵变量的单回路控制系统。3过热蒸汽温度控制系统蒸汽温度控制系统任务是维持过热器出口温度在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。被控变量一般是过热器出口温度，操纵变量是减温器的喷水量。过热蒸汽温度控制系统以过热蒸汽为主参数，选择二段过热器前的蒸汽温度为辅助信号，组成串级控制系统，并用拨动开关实现串级控制，如图-28所示。4锅炉计算机控制系统的实现工业锅炉计算机控制系统结构框图如图-29所示。 图4.3-29 工业锅炉计算机控制系统框图一次仪表测得的模拟信号经采样电路、滤波电路进入A/D转换电路，A/D转换电路将转换完的数字信号送入计算机，计算机对数据进行处理之后，便于控制和显示。D/A转换将计算机输出的数字量转换成模拟量，并放大到010mA，分别控制水泵调节阀、鼓风机挡板、引风机挡板和炉排直流电动机。120