锅炉设备的控制

锅炉设备的控制锅炉是石油、化工、发电等工业生产过程中必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽不仅可以作为精馏、蒸发、干燥、化学反应等过程的热源，还可以为压缩机、风机等提供动力源。锅炉种类很多，按所用燃料分类，有燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉，还有利用残渣、残油、释放气等为燃料的锅炉。按所提供蒸汽压力不同，又可分为常压锅炉、低压锅炉、常高锅炉、超高压锅炉等。不同类型的锅炉的燃料种类和工艺条件各不相同，但蒸汽发生系统的工作原理是基本相同的。图1给出了常见的蒸汽锅炉的主要工艺流程图。其中，蒸汽发生系统由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。在锅炉运行过程中，燃料和空气按一定比例送入炉膛燃烧，产生的热量传给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，然后再经过过热蒸汽，形成满足一定质量指标的过热蒸汽输出，供给用户。同时燃烧过程中产生的烟气，经过过热器将饱和蒸汽加热成过热蒸汽后，再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入大气。锅炉设备是一个复杂的控制对象，其主要的控制变量有燃料量、锅炉给水、减温水流量、送风量和引风量等；主要的被控量有汽包水位、过热蒸汽温度、过热蒸汽压力、炉膛负压等。这些控制变量与被控变量之间相互关联。例如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、炉膛负压和烟气含氧量；给水量变化不仅会影响汽包水位，而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度都有影响。因此锅炉设备是一个多输入/多输出且相互关联的控制对象。锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，提供一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全经济的条件下运行。其主要控制任务如下。(1)锅炉供应的蒸汽量应适应负荷变化的需要。(2)锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内。图1锅炉设备主要工艺流程(3)过热蒸汽温度保持在一定范围内。(4)汽包中的水位保持在一定范围内。(5)保持锅炉燃烧的经济性和安全运行。(6)炉膛负压保持在一定范围内。为了实现上述调节任务，将锅炉设备控制划分为如下几个主要控制系统：(1)锅炉汽包水位的控制。被控变量是汽包水位，控制变量是给水流量。它主要是保持汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在工艺允许的范围内。这是保证锅炉、汽轮机安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的主要标志之一。(2)锅炉燃烧系统的控制。被控变量有三个，即蒸汽压力(或负荷)、烟气含氧量(经济燃烧指标)和炉膛负压。控制变量也有三个，即燃料量、送风量和引风量。这三个被控变量和三个控制变量相互关联。组成的燃烧控制系统方案，需要满足燃料燃烧时所产生的热量适应蒸汽负荷的需要；使燃料与空气量之间保持一定的比值，保证燃烧的经济性和锅炉的安全运行；使引风量和送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围内。(3)过热蒸汽系统的控制。被控变量是过热蒸汽，控制变量是减温器的喷水量。控制的目的是使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。下面分别讨论这三个控制系统的典型控制方案。一、锅炉汽包水位的控制汽包水位是锅炉运行的主要指标，保持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。因为水位过高，会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸气将带水过多，使过热器管壁结垢并损坏，同时使过热蒸汽的温度急剧下降。如果该带液蒸汽被用户用来带汽轮机，将会损坏汽轮机叶片。水位过低，由于汽包内的水量较少，而负荷很大时，水的汽化速度加快，若不及时加以控制，将使汽包内的水全部汽化，导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。因此必须对锅炉汽包水位进行严格控制。1.汽包水位的动态特性锅炉汽包水位系统流程如图2所示。影响汽包水位变化的因素有给水量变化、蒸汽流量变化、燃料量变化、汽包压力变化等，其中最主要的是蒸汽流量和给水量。图2锅炉的汽包水位系统1)蒸汽流量对汽包水位的影响在其他条件不变的情况下，蒸汽用量突然增加，瞬时间必然会导致汽包压力下降，汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，气泡体积增大，使汽包水位升高(水量实际上在减少)。这种由于压力下降而非水量增加导致汽包水位上升的现象称为“虚假水位”现象。图3给出了在蒸汽流量扰动作用下，汽包水位的阶跃响应曲线。当蒸汽流量D突然增加ΔD时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量大于给水量，水位应下降，如图中曲线1ΔH。实际上，由于蒸汽流量的增加，瞬时间必然导致汽包压力的下降。汽包内的水沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，由于气泡容积增加而使水位变化的曲线如图中2ΔH。而实际显示的水位响应曲线ΔH应为1ΔH和2ΔH的叠加，即12ΔH=ΔH+ΔH。从图中可看出，当蒸汽用量增加时，在开始阶段水位不会下降反而先上升，然后再下降，这各现象称之为“虚假水位”。蒸汽扰动时，水位变化的动态特性用传递函数表示为(6-30)式中，fε为蒸汽流量变化单位流量时水位的变化速度；2K为响应曲线2ΔH的放大倍数；2T为响应曲线2ΔH的时间常数。虚假水位变化的大小与锅炉的工作压力和蒸发量有关。一般蒸发量为100～230t/h的中高压锅炉，当负荷变化10%时，假水位可达30～40mm。对于这种假水位现象，在设计控制方案时，必须加以注意。2)给水流量对汽包水位的影响图4给出了给水流量作用下，水位的阶跃响应曲线。如果把汽包和给水看作单容无自衡对象，水位阶跃响应曲线如图中的1ΔH所示。但由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，进入汽包后会从饱和水中吸收一部分热量，所以当给水流量增加后，汽包中气泡总体积减小，导致水位下降。汽包中气泡总体积减小导致水位变化的阶跃响应曲线如图中的ΔH2所示。当给水流量增加时，汽包水位的实际响应曲线如图中ΔH所示，即当给水流量作阶跃变化后，汽包水位一开始并不立即增加，而是要呈现出一段起始惯性段。用传递函数描述时，它近似为一个惯性环节和和纯滞后环节的串联，可表示为−(6-31)图3蒸汽流量阶跃扰动作用下的汽包水位响应曲线式中，0ε为给水流量变化单位流量时水位的变化速度；t为纯滞后时间。给水温度越低，滞后时间t越大，一般t在15～100s之间。如果采用省煤器，由于省煤器本身的延迟，会使t增加到100～200s之间。图4给水流量阶跃扰动作用下的汽包水位响应曲线2.汽包水位控制方案1)单冲量控制系统单冲量控制系统是以汽包水位为被控变量，以给水流量为控制变量的单回路汽包水位控制系统。这里的冲量指的是变量，单冲量即汽包水位。如图5为一单冲量控制系统原理及框图。这种控制系统结构简单，参数整定方便，是典型的单回路控制系统。对于小型锅炉，由于水在汽包内停留时间长，当蒸汽负荷变化时，假水位现象不明显，配上一些连锁报警装置，这种单冲量控制系统也可以满足工艺要求，并保证安全操作。对于中、大型锅炉，由于蒸汽负荷变化，假水位现象明显，当蒸汽负荷突然大幅度增加时，由于假水位现象，控制器不但不能开大控制阀增加给水量，以维持锅炉的物料平衡，反而是关小调节阀的开度，减少给水量。等到假水位消失后，汽包水位严重下降，严重时甚至会使汽包水位下降到危险限而导致事故发生。因此中、大型锅炉不宜采用此控制方案。图5单冲量水位控制系统原理及框图2)双冲量控制系统单冲量控制系统不能克服假水位的影响，汽包水位的主要扰动是蒸汽流量变化，如果系统除了汽包水位控制外，还能利用蒸汽流量变化信号对给水流量进行补偿控制，就可以消除或减小假水位现象对汽包水位的影响，而且使给水调节阀的调节及时，这就构成了双冲量控制系统，如图6(a)所示，系统框图如图6(b)所示。双冲量控制系统实质是一个前馈(蒸汽流量)加单回路反馈控制的前馈-反馈控制系统，当蒸汽流量变化时，调节阀及时按照蒸汽流量的变化情况进行给水流量补偿，而其他干扰对水位的影响由反馈控制回路克服。图6(a)中的加法器将控制器的输出信号和蒸汽流量变送器的信号求和后，控制给水调节阀的开度，调节给水流量。当蒸汽流量变化时，通过前馈补偿直接控制给水调节阀，使汽包进出水量不受假水位现象的影响而及时达到平衡，这样就克服了由于蒸汽流量变化引起假水位变化所造成的汽包水位剧烈波动。加法器具体运算如下：I=C1IC±C2IF±I0(6-32)式中，I为控制器的输出；CI为水位控制器的输出；FI为蒸汽流量变送器(一般经开方)的输出；1C、2C为加法器系数；0I为初始偏置值。（a）原理图（b）框图图6双冲量水位控制系统现在分析这些系统的设置。C2是取正还是负是根据调节阀是气开还是气关而定，确定的原则是蒸汽流量增加，气关式调节阀取负号，气开式调节阀取正号。C2数值的确定还要考虑到静态补偿，将C2调整到只有蒸汽流量扰动时，汽包水位基本不变即可。C1的设置比较简单，可取1，也可以小于1。设置初始偏置0I的目的是为了在正常蒸汽流量的情况下，控制器和加法器的输出都有一个适中的数值，最好在正常负荷下0I值与2FCI相抵消。双冲量控制系统除了图6(a)的接法外，还可以有其他形式的接法。图7(a)将加法器放在控制器之前。因为水位上升与蒸汽流量增加时，阀门的动作方向相反，所以一定是信号相减。这样接法的好处是省去加法器，使用仪表比较少，因为一个双通道的控制器就可以实现加减和控制的功能。假设水位控制器采用单比例作用，则这种接法与图6(a)可以等效转换，差别不大。但如果水位控制器采用PI作用，则这种接法不能保证水位的无差。只有把蒸汽流量信号经过微分，且不引入固定分量，才能使水位控制实现无差，如图7(b)所示。图7双冲量控制系统的其它接法3)三冲量控制系统双冲量控制系统对给水干扰仍不能及时克服，此外，由于调节阀的工作特性不一定完全是线性，做到静态补偿也比较困难。为此可再将给水流量信号引入，构成三冲量控制系统，如图6.23(a)所示，对应的控制系统框图如图6.23(b)所示。从图中可看出，三冲量控制系统实质是由前馈和串级控制组成的复合控制系统。三冲量水位控制系统加法器的运算功能与图6.24(a)表示的双冲量汽包水位控制系统加法器的运算功能相同，参数选取方法是这样的，C1、I0和双冲量控制系统相同。2C可按式(6-33)取值(6-33)式中，maxminD−D为蒸汽流量变送范围；maxminW−W为给水流量变送范围。有些锅炉控制系统采用比较简单的三冲量控制系统，只用一台控制器和一台加法器，加法器可接在控制器之前，如图6.24(a)所示。加法器可接在控制器之后，如图6.24(b)所示。图中的加法器正、负号是针对采用气关阀正作用控制器的情况。图6.24(a)接法的优点是使用仪表少，只要一台多通道控制器即可实现。但如果系数设置不当，不能确保物料平衡，当负荷变化时，水位将有余差。图6.24(b)的接法，水位无余差，但用仪表较多。在汽包停留时间较短，蒸汽流量变化较大的情况下，为避免蒸汽流量突然增加或突然减小时，水位偏离设定值过高或过低造成锅炉停车，可采取在给水流量检测信号通道增加惯性环节，在蒸汽流量检测信号增加反向微分环节或在汽包水位检测信号通道增加微分环节等措施减小水位的波动幅度。二锅炉燃烧系统的控制锅炉燃烧系统的控制目的是在保证生产安全和燃烧经济性的前提下，使燃料所产生的热量能够满足锅炉的需要。为了实现上述目标，锅炉燃烧系统的控制主要完成以下三方面的任务。(1)使锅炉出口蒸汽压力稳定。为此需设置蒸汽压力控制系统，当负荷扰动而使蒸汽压力变化时，通过控制燃烧量(或送风量)使之稳定。(2)调节送风量与燃料量的比例，保证燃烧的经济性，即不要因空气量不足而使烟囱冒黑烟，也不要因空气过量而增加热量损失。在蒸汽压力恒定的情况下，要使燃烧效率最高，即燃烧量消耗最少，且燃烧完全，燃料量与空气量(送风量)应保持一个合适的比值(或者烟气中含氧量应保持一定的数值)。(3)保持炉膛负压稳定。如果炉膛负压大小甚至为正，则炉膛内热烟气会往外冒出，影响设备和操作人员的安全；如果炉膛负压太大，会使大量冷空气漏进炉内，从而使热量损失增加，降低燃烧效率。一般通过调节引风量(烟气量)和送风量的比例使炉膛压力保持在设定值(-50～-20Pa)。为了完成上述三项任务，有三个控制量与之对应：燃料量、送风量和引风量。显然，锅炉燃烧系统是一个多输入/多输出控制系统。1.蒸汽压力控制和燃料与