过程控制教程-PPT6 锅炉设备的控制

6锅炉设备的控制锅炉设备的控制常见锅炉设备的工艺流程如图。给水经给水泵、给水控制阀、省煤器进入锅炉的汽包；燃料与经预热的空气按一定配比混合，在燃烧室燃烧产生热量；汽包生成饱和蒸汽,经过热器形成过热蒸汽,汇集到蒸汽母管；燃烧过程的废气将饱和蒸汽过热,并经省煤器对锅炉的给水和空气预热,最后烟气经引风机送烟囱排空。6.1锅炉设备及基本控制要求1.锅炉设备的主要控制要求汽包的液位、蒸汽的压力：保持在一定范围内，适应用户负荷的变化过热蒸汽温度：保持在一定范围内炉膛负压：保持在一定范围内燃烧完全：根据经济性和环保的要求运行安全：液位、炉膛负压、过热度、蒸汽压力等在安全运行范围内6.1锅炉设备及基本控制要求2.锅炉设备的主要控制系统•给水自动控制系统：保持物料的平衡（给水和蒸汽）•被控变量：汽包液位操纵变量：给水量•锅炉燃烧的自动控制系统：满足经济性、安全性和环保要求•被控变量：蒸汽压力操纵变量：燃料量•被控变量：烟气含氧量操纵变量：送风量•被控变量：炉膛负压操纵变量：引风量•过热系统的自动控制系统：满足过热度、壁温等要求•被控变量：过热蒸汽温度操纵变量：喷水量6.2锅炉汽包水位控制保持锅炉汽包水位在一定范围内是锅炉稳定安全运行的主要指标。水位稳定是安全运行的必要条件：水位高：汽包内水气分离差，蒸汽带水，造成：过热蒸汽的温度下降损坏蒸汽透平叶轮片过热器管壁结垢，传热效率下降水位低：在用户负荷大时，会全部汽化，造成：设备损坏在急冷时，引发锅炉的爆炸设置水位自动控制的必要性6.2锅炉汽包水位控制锅炉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•水位下气泡容积与锅炉的负荷、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D)和给水流量W的影响。锅炉汽包水位系统6.2锅炉汽包水位控制锅炉汽包水位的动态特性1．给水量W对汽包水位H的动态特性：初始段，进入的冷水吸收水位以下饱喝汽水中的热量，减少了饱和汽水中的气泡容积，补充起跑的空间，水位上升缓慢。当水位以下气泡容积不再变化时，水位呈线性升高6.2锅炉汽包水位控制2．蒸汽流量D对汽包水位H的动态特性：蒸汽用量D增大，如给水量W不变，水位线性下降蒸汽用量D增大，汽包内气压下降，水呈沸腾状，水位下气包增加，水位以一阶惯性特性上升，在一定气压下达到饱和汽水状态合成特性是反相特性，汽包水位呈虚假液位，使控制困难6.2锅炉汽包水位控制扰动分析影响气包水位的因素汽包（包括循环水管）中的储水量水位下的气泡容积影响水位下的气泡容积的因素：锅炉的负荷蒸汽压力炉膛热负荷等主要扰动：锅炉蒸发量（蒸汽流量D）和给水流量W6.2锅炉汽包水位控制双冲量水位控制系统1．控制方案：双冲量指汽包水位H和蒸汽量D蒸汽量静态前馈的液位前馈—反馈控制系统2．特点：引入前馈，补偿了虚假液位对控制的不良影响前馈改善系统的静态特性，提高了控制品质对给水量或给水压力的扰动，与单冲量系统相当对控制阀等非线性，静态补偿较困难3．前馈控制器控制规律的确定双冲量控制系统的变型6.2锅炉汽包水位控制单冲量水位控制系统1．控制方案;单回路控制，液位控制给水量大型电站中，锅炉产气量达，称变量为冲量单冲量即单变量，指汽包的水位2．特点：结构简单，但调节不够及时存在虚假液位，并且，时滞大，因此，控制作用不能太大，否则控制品质变差汽包容量较大，水位受扰动后响应速度慢常用于虚假液位不严重，负荷较稳定的场合6.2锅炉汽包水位控制前馈控制器控制规律的确定1．C2符号的选择：与控制阀的气开、气关特性有关对象的Kp〉0，扰动的Kf0从保护锅炉的后续设备考虑：阀选气开C2选正，使C2KvKp为正，与Kf相加后可抵消从保护锅炉本身考虑，阀选气关，C2为负2．C2的调整：它是静态前馈补偿器的放大系数按前馈控制的参数调整方法，从小到大调整或根据C2=Δu/ΔD计算并调整3．C1的调整：C1常与Kc一起考虑，把C1设置为14．Lo的调整：前馈补偿器的偏置值设置为正常负荷下的输出电流12cFOICICII6.2锅炉汽包水位控制在液位控制器的输入端添加了加法器采用双通道输入的控制器可少用一个加法1．加法器输入信号是液位和蒸汽流量特点：用纯比例作用时，与原方案相同用比例积分作用时液位测量值是液位与蒸汽信号之差稳态时，测量与设定相等，故液位有余差2．加法器输入信号时液位与蒸汽流量的微分特点：未引入蒸汽流量信号，稳态时无余差仅在蒸汽量变化时，才有微分的超前输出12cFOICICII12SPcFOICICII6.2锅炉汽包水位控制三冲量水位控制系统三冲量：汽包的液位、蒸汽量和给水量三冲量控制系统：以蒸汽量为前馈信号，液位为主被控变量，积水量为副被控变量的串级—前馈控制系统三冲量控制系统的目的：补偿给水系统的扰动，克服阀的非线性等三冲量控制系统的结构：为了减少控制系统的设备投资三冲量控制系统有三种实施方案整个控制系统是串级加前馈控制系统主控制器是液位控制器，副控制器是流量控制器前馈补偿用微分环节时是动态前馈设：；；设副环是1：1比例环节则：设如果；超前无法实现，则因此，动态前馈可用微分环节实现引入给水量，因此，前馈偏置可不必设置液位无余差条件：采用比例积分控制器()OsOPkGses22()1ffDkkGsTss22()()()[]()1OfDfsoFFOOGskkksGseGskTs2/dOkkkOfkk2()11dFFksGsTs三冲量水位标准控制方案三冲量水位简化控制方案一整个控制系统是串级加前馈控制系统主控制器比例度100%（1：1）的纯比例控制器，副控制器是液位控制器采用静态前馈引入给水量，因此，前馈偏置可不必设置与的确定：稳态有假设：蒸汽、给水的流量变送器量程是Dmax、Wmax由于存在排污等消耗，有用于物料平衡及确定前馈作用的强弱越大，前馈作用越强，相应的阀门开度变化也越大液位无余差条件：满足比值关系及采用比例积分控制器WDDFWCII1WD1;;WMAXDFWCDWMAXMAXDMAXWDWIIDWD三冲量水位简化控制方案二整个控制系统是串级加前馈控制系统采用静态前馈，主控制器是液位控制器，副控制器是比例度100%（1：1）的纯比例控制器引入给水量，因此，前馈偏置可不必设置与的确定：稳态有假设：蒸汽、给水的流量变送器量程是Dmax、Wmax由于存在排污等消耗，有用于物料平衡及确定前馈作用的强弱越大，前馈作用越强，相应的阀门开度变化也越大液位无余差条件：采用比例积分控制器WDDFWCII1WD1;;WMAXDFWCDWMAXMAXDMAXWDWIIDWD6.2锅炉汽包水位控制锅炉水位控制系统的应用示例采用可编程调节器KMM实现注意事项：液位检测信号的故障诊断及报警三冲量控制与单冲量控制的相互切换前馈偏置信号的设置自动和串级控制的无扰动切换采用静态前馈和串级反馈控制6.3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。蒸汽过热系统的控制任务是使过热器出口温度维持在允许范围内,并保护过热管管壁温度不超过允许的工作温度。影响过热器出口温度的主要因素有:蒸汽流量、燃烧工况、引人过热器的蒸汽热焰(减温水量)、流经过热器的烟气温度和流速等。过热器出口温度的各个动态特性都有时滞和惯性,因此,选择合适的操纵变量和合理的控制方案十分必要。6.3蒸汽过热系统的控制一．系统分析1．被控变量：过热器出口温度2．操纵变量：减温水流量3．扰动：蒸汽流量、减温水热、燃烧情况、烟气温度及流速等二．控制方案1．简单控制系统：2．串级控制系统：副被控变量：减温器出口温度有效克服进入副环干扰，响应快，控制品质改善3．双冲量控制系统：减温器出口温度的微分这是串级控制系统的变型6.3蒸汽过热系统的控制6.4燃烧控制系统第四节燃烧控制系统一．燃烧控制的任务二．燃烧过程的控制1．燃烧过程基本控制2．双交叉燃烧控制三．燃烧过程中烟气氧含量闭环控制1．锅炉的热效率2．烟气含氧量的闭环控制系统四．炉膛负压控制及安全控制系统1．炉膛负压控制系统2．安全联锁控制系统五．锅炉控制的实例1．燃烧过程的控制汽包水位的三冲量控制系统6.4燃烧控制系统使燃料燃烧产生的热量适应蒸汽负荷需求并保证锅炉经济和安全运行。为此应保证蒸汽压力恒定：调节燃料流量经济燃烧：调节送风量炉膛负压：调节抽风量燃烧控制的任务6.4燃烧控制系统燃烧控制系统二。燃烧过程的控制1。燃烧过程基本控制简单控制方案：蒸汽压力控制和燃烧与空气的比值控制空气量与燃料组成比值控制控制系统特点：方案简单，实施方便蒸汽负荷增大时，先开燃料再开空气，会冒黑烟系统的响应较慢6.4燃烧控制系统二。燃烧过程的控制基本控制方案：基本控制方案一：蒸汽压力与燃料量组成串级控制燃料量与空气量组成比值控制特点：空气量的变化滞后燃料的变化对完全燃烧缺乏衡量指标基本控制方案二：蒸汽压力与燃料量组成串级控制蒸汽压力与空气量组成串级控制特点：较难实现燃料量与空气量的正确配比对完全燃料缺乏衡量指标6.4燃烧控制系统逻辑提量和逻辑减量控制系统：采用负荷增加（提量）时，先提空气，后提燃料负荷减少（减量）时，先降燃料，后降空气的逻辑比值控制特点：满足环保要求，不冒黑烟可增加烟气含氧量控制器，组成变比值控制二、燃烧过程的控制燃烧控制系统2。双交叉燃烧控制系统以蒸汽压力为主被控变量，燃料量和空气量并列为副被控变量的串及控制燃料量和空气量是有一定逻辑关系的比值控制稳定工况：PV1=SP1；PV2=SP2；OP=SP1；SP2=K*OP；所以，PV2=K*PV1负荷增加：OP↑，SP1受LSE1限制，最大增量K1SP2受LSE2限制，最大增量K4K因K4K〉K1，故SP1增加较SP2要小即负荷↑，空气增量大于燃料增量当PV2增加后，才使SP1增加，即空气↑，再燃料↑，再空气↑，再燃料↑负荷减少：OP↓，SP1受LSE1限制，最大减量K2SP2受HSE2限制，最小减量K3K因K3KK2，故SP1减少较SP2要大即负荷↓，燃料减量大于空气减量当PV1减少后，才使SP2减少，即OP↓，再燃料↓，再空气↓，再燃料↓6.4燃烧控制系统三、燃烧过程中烟气氧含量闭环系统◆衡量燃烧的质量控制：由于流量测量有误差，燃料成分（热值）有变化，生产负荷有不同，因此需要有衡量燃烧完全程度的质量指标◆锅炉燃料的热效率：用烟气含氧量和烟气温度反映◆烟气含氧量的分析：理论空气量QT:燃料完全燃烧所需的空气量实际空气量QP:实际使燃料完全燃烧所需的空气量过剩空气系数α：实际空气量QP与理论空气量QT之比◆过剩空气量与能量损失的关系：过剩空气量大，烟气热损失大过剩空气量小，不完全燃烧损失大因此，有一个最佳燃空比，通常过剩空气量为8-15%◆过剩空气系数α与烟气含氧量AO的关系：烟气最佳含氧量：1.6-3%◆烟气含氧量的控制方案：以烟气含氧量为主被控变量与燃料量和空气量组成的变化值控制2121OA6.4燃烧控制系统6.4燃烧控制系统锅炉控制的实例用集散控制系统实现l汽包税为控制采用串级前馈控制系统（三冲量）l过热蒸汽控制、炉膛负压控制等不另述锅炉燃烧系统有较大改进l混合燃料的低过剩空气率的控制：l负荷变化时的最佳过剩空气控制：l燃料任意配比控制：防黑烟控制：（提减量逻辑比值控制）四、炉膛负压控制及安全控制系统◆炉膛负压控制系统：通过引风量来控制炉膛负压炉膛负压的单回路控制炉膛负压的前馈-反馈控制1.前馈信号是送风（空气）量控制器的输出2.前馈信号是蒸汽压力控制器的输出◆安全连锁控制系统1.防止脱火的安全保护系统燃料阀后压力过高时，用选择性控制2.防止回火的安全保护系统燃料阀后压力过低时，联锁切断燃料阀3.燃料量限速控制系统设置限幅器6.4燃烧控制系统6.4燃烧控制系统6.4燃烧控制系统