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1、山东科技大学本科毕业论文摘 要我们这次毕业设计课题是工业锅炉系统的监测与控制，下位机是基于西门子S7-200的PLC、上位机软件是基于北京昆仑组态自动化的组态软件。可编程序控制器是以微处理器为核心，用于工业控制的计算机，由于PLC广泛采用微机技术，使得PLC不仅具有逻辑控制功能，而且还具有了运算、数据处理和数据传输等功能。实际锅炉系统控制中每台炉就需要一套继电器控制系统，而采用西门子S7-200系列可编程控制器设计的控制系统实现了在某集中供热锅炉房的系统自动控制，并且实现了整个系统的优化控制。本设计锅炉的燃烧控制是采用有逻辑规律的比值控制系统，是以维持合适的空气、燃料比值为手段，从而保证了较高
2、的热效率。下位机采用可编程控制器，对现场数据进行集中采集，提高了系统的可靠性。上位机采用的组态软件可对数据进行集中管理的功能，同时可对整个系统进行全方位、实时监控。本设计对给水系统、输煤系统、引风送风系统都采用变频控制大大提高了节能性，也减少了烟气对空气的污染。关键词：PLC；液位；汽包 ；变频器AbstractOur this graduation project topic is the industry boiler system monitor in the control, the lower position machine is based on Simens S7-200s P
3、LC, on the position machine software is based on the Beijing Kunlun Mountains configuration automation configuration software. The programmable controller is take the microprocessor as a core, uses in the industry control the computer, because PLC widely uses the microcomputer technology, not only e
4、nables PLC to have logic control function, moreover also had functions and so on operation, data processing and data transmission. In the actual boiler systems control each stove needs a set of black-white control system, but used the control system which the Simens S7-200 series programmable contro
5、ller designed to realize in some centralism heating boiler room system automatic control, and has realized the overall system optimized This design boiler combustion control is uses has the logical rule ratio control system, is take maintains the appropriate air, the fuel ratio as the method, thus h
6、as guaranteed the high thermal efficiency. The lower position machine uses the programmable controller, carries on centralism gathering to the field data, enhanced the system reliability. On the position machine uses the configuration software may carry on the centralized management to the data the
7、function, simultaneously may carry on, the real-time monitoring omni-directionally to the overall system.This design to gave the aqueous system, loses the coal system, directs the wind blast system all to use the frequency conversion control to enhance the energy conservation greatly, also reduced t
8、he haze to the air pollution.Key word: PLC; Fluid position; Air packet; transducer目 录摘要.1目录.3第一章 绪论51.1引言.5 1.2对锅炉的研究状况.5第二章 锅炉的基本构造及工作原理82.1 锅炉的基本构造.82.2 锅炉的工作原理及过程.10第三章 锅炉的过程控制13.3.1锅炉汽包水位控制系统.133.2锅炉燃烧控制系统.223.3送风控制系统.253.4引风控制系统.293.5炉膛负压控制系统.303.6过热蒸汽控制系统.313.7 烟气含氧量控制.35第四章 锅炉控制的设备选择374.1传感器.
9、374.2 变送器.394.3变频器.414.4常规控制器的控制规律及其选择.44第五章 可编程控制器.475.1可编程序控制器概述475.2 PLC的结构. 495.3程序. 53第六章 上位机的构成.616.1主控界面61.参考文献70致 谢 辞71附录72第一章 绪论1.1引言由于我国的整个锅炉生产技术水平还比较落后，所以我国燃烧供热所用的锅炉的燃烧效率还相当低，而且也使得锅炉的燃烧不充分，而造成大气污染加重，控制和监测方面比较简单，不能对锅炉实行快捷、安全全面的控制。所以这就迫切要求我们的锅炉控制技术和一些控制器件得到提高。我国的火电厂是以煤为主要燃料的，煤的成分占整个发电成本的70%
10、以上。以一台300MW机组的锅炉为例，每小时燃煤约120吨，若使其燃烧效率提高1%，则每年可以多发电0.2628亿度，若每度电的发电利润按0.020.04元计算，则每年可多增发电利润52.56105.12万元。我国的电厂锅炉经历了中压、次中压、高压、超高压的发展阶段，目前以亚临界和超临界压力大容量锅炉为主力机组。出于设备本身以及操作运行等方面的原因，其经济型指标与发达国家相比还相差很远，主要表现在煤耗高或热效率低。目前，我国火电厂平均供电耗煤率为400g/(kwh),比世界发达国家同类指标高出50g/(kwh)以上。所以，研究锅炉燃烧系统的控制，提高其控制品质，提高锅炉的燃烧效率，能够带来可观
11、的经济效益。另外，使锅炉达到经济燃烧状态，还可以减少烟气中的含尘量，减少空气污染。同时，将各种先进控制理论引入电站锅炉燃烧系统这类复杂的被控对象，也能促进控制理论的发展。所以本课题的研究具有重要的理论意义和实际意义。1.2对锅炉的研究状况锅炉燃烧系统的控制是火电厂最重要的过程控制。锅炉燃烧控制的三个子系统，既燃料量控制回路，送风控制回路和引风控制回路的控制品质都直接关系到整个机组的安全和经济运行。但是由于锅炉燃烧被控对象是典型的多变量复杂系统，各种参数存在一定的时变性，且燃烧过程具有非线性、抢耦合等特点，同时由于内外扰动十分频繁，燃料量又不能准确测量等，对燃烧过程建立精确的数学模型难以实现，使
12、得基于数学模型带固定参数的常规PID控制方案难以获得理想的控制效果。因此，国内外有专家开始研究采用新的控制方案，具体包括：1.2.1基于二次型的自适应PID控制自适应PID控制是自适应控制思想与常规PID控制器相结合的产物，它既有自动辨识被控过程参数、自动调整控制器参数、能够适应被控制过程参数的变化等特点，又有常规PID控制结构简单、鲁棒性好、可靠性高等特点。特别是基于二次型指标的自适应PID控制方法正规、系统、理论性强，对于不同的性能指标函数有不同的参数最优解。这种方法应用到锅炉燃烧系统中能够收到良好的控制效果。1.2.2基于最小方差预报的自校正PID控制针对受控系统中存在纯滞后的特点，人们
13、提出了预报控制。最小方差预报自适应控制基本思想是：对于控制对象中存在的纯滞后X，当前的控制作用要滞后X个采样周期才能影响输出。因此，要是输出方差最小，就必须提前X步对输出量做出预测，然后根据所得的预测值来设计所需要的控制。对于存在纯滞后的锅炉燃烧系统，这种方法的应用是很好的尝试。1.2.3实时专家系统控制专家系统技术是以知识模型为基础，不仅利用控制理论知识，而且还利用人的知识与经验，模仿人的直觉推理，因此适合像锅炉燃烧过程这样难以建模、操作条件大幅度变化的工业场合。实时性又使专家系统中人的知识与经验库能动态地反映系统运行信息。但应看到，出于在专家系统中人的知识与经验是必须的，所以系统受到人的知
14、识与经验是否丰富、合理的限制，这对于完善整个系统是很大的障碍。1.2.4模糊自寻优控制由于锅炉燃烧系统非常复杂，存在大滞后、时变、非线性、随机干扰等因素，这就使系统存在未知或变化缓慢的参数，使得无法获得系统的精确数学模型。模糊自适应控制正是适合于系统复杂、数学模型难以建立的一种控制规律，其优点是不要求掌握被控对象的精确数学模型，而根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定被调量的大小，其关键是隶属函数的确定。本设计采用基于二次型的自适应PID控制。通过PLC 自身带有的 PID指令对采集的数据送入处理器进行处理，得到的结果再通过模拟量输出模块送变频器对电机进行控制。这种控制方法简单维修方便
15、，易于管理。第二章 锅炉的基本构造及工作原理2.1 锅炉的基本构造要设计一套完整的，性能良好的工业燃烧锅炉，首先我们就必须了解一般燃烧锅炉的基本构造和燃烧过程。锅炉是在日常生活和工业生产中应用十分广泛的设备,从居民和办公用房的供热到大型 火力发电厂汽轮机的动力均离不开锅炉。在工业生产中,锅炉主要用来产生蒸汽 , 提供热源或 动力源。锅炉设备根据工作压力的不同可分为高压锅炉、中压锅炉和低压锅炉；根据燃料的不同可 分为燃煤锅炉、燃油锅炉和燃气锅炉；还可以根据用途不同分为不同的类型。常见的锅炉设备的主要工艺流程如图2.1.1所示。由图可知 , 锅炉由两大部分组成：第一部分为燃烧系统 ,由送风机、空气
16、预热器、燃料系统、燃烧室、烟道、除尘器和引风机等组成；第二部分为蒸汽发生系统,由给水系统、省煤器、汽包和过热器等组成。作时,燃料和空气按一定比例送入燃烧室燃烧,产生的热量传递给水冷壁和汽包底部 ,产生饱和蒸汽。燃烧过程产生的烟气,经烟道将剩余的热量传递给过热器产生过热蒸汽,传递给省煤器和空气预热器预热给水和空气,然后经除尘由引风机送往烟囱 , 排入大气。锅炉的主要设备：气锅：由上下锅筒和三簇沸水管组成。水在管内受管外烟气加热，因而管簇内发生自然的循环流动，并逐渐气化，产生的饱和蒸汽积聚在上锅筒里面。炉子：是使燃烧从充分燃烧并释放出热量的设备。炉膛：保证燃料的充分燃烧，并使水流受热面积达到规定的
17、数值。锅筒：是自然循环锅炉各受热面能适应负荷变化的设备。水冷壁：主要是辐射受热面，保护炉壁的作用。过热器：是将气锅所产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。过热器一般都装在炉膛出口。省煤器：是利用余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。采用省煤器后，降低了排烟温度，提高了锅炉效率，节省了燃料。同时，由于提高了进入气包的给水温度，所以减少了因温差而引起的汽包壁的热适应力，从而延长了气包的使用寿命。燃烧设备：将所需的空气送入炉膛并使燃料着火稳定，充分燃烧。引风设备：包括引风机，烟囱，烟道几部分。它将锅炉中的烟气连续排出。送风设备：包括有鼓风机和分道组成。用它来供应燃料所需的空气。给水设备：
18、由水泵和给水管组成。空气预热器：是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的换热器。省煤器出口烟温度高，装上空气预热器后，可以进一步降低排烟温度，也可改善燃料着火和燃烧条件，降低不完全燃烧所造成的损失，提高锅炉机组的效率。水处理设备：其作用是为清除水中的杂质和降低给水硬度，以防止在锅炉受热面上结水垢或腐蚀。燃料供给设备：由运煤设备，原煤仓和储媒斗等设备组成，保证锅炉所需燃料供应。除灰除尘设备:是收集锅炉灰渣并运往储灰场地的设备。此外，除了保证锅炉的正常工作和安全，蒸汽锅炉还必须装设安全阀，水位表，高低水位报警器，压力表，主气阀，排污阀，止污阀等。还有用来消除受热面上积灰以利用传热的吹
19、灰器，以提高锅炉运行的经济性。本设计由于篇幅其间，则就不必考虑这些问题了。2.2 锅炉的工作原理及过程根据安全和工艺要求,锅炉设备的控制任务是：保持汽包内的水位在一定范围内 ；保持炉膛负压在一定范围内 ；保持锅炉燃烧的经济性和安全性 ； 锅炉产生的蒸汽量应适应负荷的变化或保持给定的负荷 ； 保持出汽压力在一定范围内 ；保持过热蒸汽温度在一定范围内。根据控制任务,锅炉控制系统主要由汽包水位控制系统、燃烧控制系统和过热蒸汽控制系统三部分组成。锅炉对象简图如图2.2.1所示给水量减温水锅炉设备负荷引风量送风量燃料量炉膛负压过剩空气蒸汽压力蒸汽温度水位图2.2.2锅炉对象简图2.2.1燃烧过程首先将燃
20、料（这里用煤）加到煤斗中，借助于重力下落在炉排面上，炉排接电动机通过变速齿轮箱减速后由链轮来带动，将燃料煤带入炉内。燃料一面燃烧，一面向后移动，燃料所需要的空气是由风机送入炉排腹中风仓后，向上穿过炉排到达燃料层，进行燃料反应形成高温烟气。燃料燃烧剩下的灰渣，在炉排末端翻过除渣板后排入灰斗，（若是燃气式锅炉就没有这一部分了）这整个过程称为燃烧过程。2.2.2汽化过程水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和水分离过程。经处理的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入气锅。锅炉工作时气锅的工作介质是处于饱和状态的汽，水混合物。位于烟温较低区段的对流灌束，因受热较弱，汽水工质的容量较大，而
21、位于烟温较高区段的对流管束，因受热强烈，相应的汽水工质的容量较小，从而量大的工质则向上流入下锅筒，而容量小的工质则向上流入上锅筒形成了锅水的自然循环。此外，为了阻止水循环和进行疏导分配的需要，而筒锅上集箱上的汽水混合物导入炉墙外的不受热地上锅筒。蒸汽所产生的过程是借助于上锅筒内设的汽水分离装置。以及在锅筒本身空间的重力分离力作用，是汽水混合物得到分离。蒸汽在上锅筒顶部引出后，进入蒸汽过热气，而分离下来的水仍回到上锅筒下半部的水中。锅炉中的水循环，也保证与高温烟气相接触的金属受热面的以冷却而不被烧坏，是锅炉能长期安全运行的必要条件。而汽水混合物的分离设备则是保证蒸汽品质和蒸汽过热可靠工作的必要的
22、设备。2.2.3烟气向水的传热过程由于燃料的燃烧放热，炉内温度很高在炉膛的四周墙面上，都布置一排水管，俗称水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热，将热量传给管内工质水。继而烟棋手引风机，烟囱的引力尔向炉膛上方流动。烟气出烟窗炉膛出口）并略过防渣管后，就冲刷蒸汽过热一组垂直放置的蛇型管受热面，使气锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加热而得到的过热。烟气流经过过热气后掠过胀接在上、下锅筒间的对流管束，在管束间设置了折烟墙使烟气呈“S”型形成曲折地横向冲刷，再次以对流换热的方式将热量传递给管束的工质。沿途降低着温度的烟气最后进入尾部烟道，与省煤器和空气预热气内的工质进行热交换后，以经济的较低的烟温排
23、出锅炉。省煤器实际上同给水预热气和空气预热器一样，斗设置在锅炉尾部（低温）烟道，以降低排烟温度提高锅炉效率，从而节省了燃料。 第三章 锅炉的过程控制3.1 锅炉汽包水位控制系统保持汽包水位稳定在一定范围内是锅炉安全、稳定运行的首要条件。汽包水位过高 , 将使产生的饱和蒸汽带液 ,使得过热器温度急剧下降和管壁结垢 ,严重时会损坏过热器。如果过热蒸汽用于推动汽轮机 ,那么过热蒸汽带液将会损坏汽轮机叶片。在汽包水位过低的情况下,当负荷很大时 汽化速度很快如不及时调节,汽包内的液体将全部汽化 ,会导致水冷壁损坏，严重时还会引起爆炸。因此,汽包水位必须严格控制。汽包水位的动态特性与汽包水位相关的锅炉汽水
24、系统如图3.1.1 所示。锅炉汽包水位对象与其他液位对象的最大不同 点是汽包的液相中含有汽泡。因此,影响汽包水位的因素除了汽包容积、给水流量、锅炉负荷 ( 蒸汽流 量)外,还有汽包压力、炉膛热负荷等因素。在诸多影响因素中,给水流量和蒸汽流量变化对汽包水位影响最大。下面主要讨论着两种因素对汽包水位的影响。省煤器冷水水冷壁蒸汽汽包3.1.1 给水流量变化对汽包水位的影响图 3.1.2 所示为给水流量阶跃变化时,汽包水位的响应曲线如果把汽包和给水看作单容无自衡对象时,汽包水位的阶跃响应曲线如图中H1所示。由于给水温度低于汽包中饱和水的温度,所以当给水量增加时,要从原有的饱和水中吸收热量,使得饱和水中
25、的汽泡容积有所下降。当水位下汽泡体积的变化过程逐渐平衡时,水位将随汽包中储水量的上升而上升。最后,当水位下汽泡体积不再变化时,水位变化因完全反应了储水量的变化而直线上升,所以图中 H 是水位实际变化的曲线。用传递函数描述时,H 所反映的变化过程近似于一个积分过 程和纯滞后过程的串联,可表示为 式中 Ko- 响应速度,即给水量变化单位流量时,水位的变化速度给水温度越低,纯滞后时间越大。通常在 1510O S 之间。如果采用省煤器 , 则由于省煤器的延时,将使增加到 10020O S 之间。3.1.2 蒸汽流量变化对汽包水位的影响 (干扰通道的特性)蒸汽流量阶跃变化时,汽包水位的变化如图3.1.3
26、所示在蒸汽流量突然增加燃料量不变的情况下 , 蒸汽量大于给水量 , 水位应如图中 H1所示变化。但实际情况是,由于蒸汽流量的突然增加 ,瞬间导致汽包压力下降 ,汽包中的水沸腾加剧 ,水中汽泡迅速增加。由于水中汽 泡增加而使水位增加的变化曲线如图中 H2 所示。实际的水位响应曲线H为 H1+ H2。从图 中可以看出 ,当蒸汽量突然增加时,虽然锅炉给水量小于蒸发量,但是在一开始 ,水位不下降反而迅速上升,然后再下降( 反之,蒸汽流量下降时,水位先下降 ,然后再上升 ),这种现象成为“虚假水位”。应该指出:当负荷变化时,水位下汽包容积变化引起水位变化的速度是很快的,时间常数只有 102Os 蒸汽流量
27、变化时,水位变化的动态特性可用传递函数表示为式中 kf 一一响应速度 ,即蒸汽量变化单位流量时水位的变化速度k2 响应曲线H2的放大系数；T2 一一响应曲线H2的时间常数。显然,由于虚假水位现象的存在,汽包水位干扰通道具有反向特性,设计控制方案时应引起重视。HWH1H图3.1.2ttWtH2HH1Ht图3.1.33.1.3 汽包水位控制系统与一般液位控制相同 ,汽包水位控制最直接的控制方案就是以汽包水位为被控变量 ,给水量流量为操纵变量 ,构成单回路反馈控制系统。在锅炉控制中,通常称为水位单冲量控制系 统对于小型锅炉( 液相汽泡体积比重较小)和超高压锅炉(汽液相密度相差较小)虚假水位现象不严重
28、时可以采用这个控制方案。但是,对于工业现场应用最为广泛的大中型锅炉,虚假水位现象较严重,不能采用这个方案。从特性分析可知,虚假水位主要由于负荷变化的扰动引起,可以引人蒸汽流量加以矫正,构成双冲量汽包水位控制系统。这种控制系统可以克服虚假水位的影响 , 控制通道时间常数较小,但是给水流量波动干扰无法克服。 由于给水调节对象没有自平衡能力，又存在滞后。因此在一般锅炉控制系统中汽包液位回路采用闭环三冲量调节系统。所谓三冲量调节系统就是把给水流量W，汽包水位H，蒸汽流量D三个变量通过运算后调节给水阀的调节系统。具体调节过程方框图如下图所示。 先通过蒸汽流量变送器和给水流量变送器取得各自的信号乘以相应的
29、比例系数，通过比例系数可以调节蒸汽流量或给水流量对调节系统的影响力度。通过差压变送器取得水位信号作为主调节信号H。如果水位设定值为G，那么在平衡条件下应有D*Dk-W*Wk+H-G=0的关系式存在。其中Dk为蒸汽流量系数 Wk为给水流量系数。如果再设定时，保证在稳态下D*Dk=W*Wk那么就可以得到H=G。此时调节器的输出就与符合对应，给水阀停在某一位置上。若有一个或多个信号发生变化，平衡状态被破坏，PI调节模块的输出必将发生变化。当水位升高了，则调节模块的输出信号就减小，使得给水调节阀关小。反之，当水位降低时，调节模块的输出值增大，使给水阀开大。实践证明三冲量给水单极自动调节系统能保持水位稳
30、定，且给水调节阀动作平稳。 锅炉给水系统中还有一个比较重要的控制回路是给水压力回路，因为汽包内压力较高，要给锅炉补水必须提供更高的压力，给水压力回路的作用是提高水压，使水能够正常注入汽包。但在蒸汽流量未达到满负荷时，对给水流量的要求也不高。在老式的锅炉系统中一般采用给水泵一直以工频方式运转，用回流阀降低水压防止爆管，现在一般采用通过变频器恒压供水的方式控制水压，具体实现方式是： 系统下达指令由变频器自动启动第一台泵运行，系统检测给水管的水压，当变频器频率上升到工频时，如水压未达到设定的压力值，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
31、力仍未达到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，直至压力达到设定值。若锅炉需要的给水量减少，变频控制系统可自动降低变频器的运行频率，如变频器的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的实质是：始终利用一台变频器自动调整水泵的转速，切换时间以管网的实际压力和设定压力的差值决定，同时保证管网的压力动态恒定。值得注意的是为了防止变频器报警停机或其他故障造成水泵不转会引起锅炉缺水，所以应该加反馈装置确保变频器正常工作。 除此之外,锅炉的供水系统中还包括除氧器压力控制和除氧器水位控制，除氧器压力控制主要
32、是为了保证除氧器口有足够的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。除氧器水位控制主要是为了保证除氧器内有足够的水提供给锅炉，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。3.1.4单冲量控制系统 汽包水位的控制手段是控制给水，基于这一原理，可构成如上图所示的单冲量控制系统。这里指的单冲量即汽包水位。这种控制系统结构简单，是典型的单回路定值控制系统，在汽包内水的停留时间较长，负荷又比较稳定的场合，这样的控制系统再配上一些联锁报警装置，也可以保证安全操作。然而，在停留时间较短，负荷变化较大时，采用单冲量水位控制系统就
33、不能适合。这是由于：（1）负荷变化时产生的“虚假水位”，将使调节器反向错误动作，负荷增大时反向关小给水调解阀，一到闪急汽化平息下来，将使水位严重下降，波动很厉害，动态品质很差。（2）负荷变化时，控制作用缓慢。即使“虚假水位”现象不严重，从负荷变化到水位下降要有一个过程，再由水位变化到阀动作已滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小，偏差必然相当显著。（3）给水系统出现扰动时，动作作用缓慢。假定给水泵的压力发生变化，进水流量立即变化，然而到水位发生偏差而使调解阀动作，同时不够及时。为了克服上述这些矛盾，可以不仅依据水位，同时也参考蒸汽流量和给水流量的变化，来控制给水调解阀，能收到很好的效果，则就构
34、成了双冲量或三冲量控制系统。3.1.5双冲量控制系统在汽包水位的控制中，最主要的扰动是负荷的变化。如果根据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，而且使控制阀的动作十分及时，从而减少水位的波动，改善控制品质。将蒸汽流量信号引入，就构成双冲量控制系统。GcC1GvGpHGmdGpdC2Gmh上图是双冲量控制系统的原理及方块图。这是一个前馈（蒸汽流量）加单回路反馈的复合控制系统。这里的前馈系统仅为静态前馈，若需要考虑两条通道在动态上的差异，须加入动态补偿环节。3.1.6三冲量汽包水位控制方案之一LTF2TF1T蒸汽+给水下图所示为三冲量汽包水位控制系统方案之一。从方框图中可以看出；这
35、个方案实质上是前馈加反馈控制系统。这种方案十分简单 ,只需要一台多通道控制器 ( 如果计算机实现只需要一个控制回路) ,可以看做是三个测量信号综合以后作为被控变量的单回路控制系统,所以投运和整定与单回路控制系统相同但是 ,如果系统设置不能保证物料完全平衡,水位将有余差。方框图如下图所示F2Gf1(s)Gfd(s)Gp(s)Gff(s)Gv(s)Gc2(s)Gpc(s)H0H+_F1_3.1.7 三冲量控制方案之二蒸汽LTF2TLCF1T+给水图 3.1.6 所示为三冲量汽包水位控制系统方案之二。从方框图可以看出,这个方案与上一方案的不同点仅仅是加法器由控制器前移到了控制器后,实际上是一个前馈
36、-串级控制系统,其中串级回路的副回路的调节器相当于是一个比例度为 100% 的纯比例调节器,主回路为液位调节回路,当负荷变化时,液位可以保持无差。方框图如图所示F2Gf1(s)Gfd(s)Gp(s)Gff(s)Gc1(s)Gv(s)Gc2(s)Gpc(s)H0H+_F1_F1给水流量扰动 F2-蒸汽流量扰动 Gc1(s )-调节器1传函 Gc2(s) -调节器2传函 Gv(s)-执行器传函Gpc(s)-给水扰动下水位变化传函Gfd(s)- 蒸汽流量扰动下水位变化传函Gf1(s)-变送器的传函（内反馈），（由给水流量变送器w和给水流量反馈装置w决定）Gp(s)- 外反馈变送器的传函（由水位测量变
37、送器h决定）Gff(s)-前馈传函（由蒸汽流量变送器d和蒸汽流量反馈装置d决定）3.2锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制系统的任务是保持炉膛负压在一定范围内和锅炉燃烧的经济性、安全性。锅炉燃烧系统因燃料、燃烧装置结构和锅炉类型的不同 ,自控系统有所不同 ,下面仅以大中型 燃油锅炉为例介绍锅炉燃烧控制系统。燃油锅炉燃烧控制系统主要有三个子系统 ,即蒸汽压力控制系统、燃料空气比值控制系统和炉膛负压控制系统。3.2.1蒸汽压力和燃料空气比值控制系统蒸汽压力的主要扰动是蒸汽负荷的变化和燃料量的波动,蒸汽负荷取决于蒸汽用量，不能作为操纵变量。因此,蒸汽压力控制通常采用燃料量作为操纵变量。当燃料量波动较小时,可
38、以组成由蒸汽压力控制燃料量的单回路控制系统；当燃料量波动较大时,需要构成燃料量为副回路、蒸汽压力为主回路的串级控制系统。为获得较高的燃烧效率,还需度保持燃料量和空气的适当比例。因燃料量随蒸汽负荷变化,所以燃料量作为主流量与空气流量组成比值控制系统。FCFCFCK蒸汽量空气量空气阀燃料量燃料阀图3.2.1图 3.2.1所示为燃烧过程基本控制方案。这个方案是蒸汽压力调节器的输出作为燃料和 空气流量调节器的设定值,蒸汽压力和燃料量构成以燃料量为副回路的串级控制系统。燃料 量与空气量的比值关系是通过燃料控制回路和空气控制回路的正确动作间接得到保证的。这个方案可以保持蒸汽压力恒定。但是由于锅炉结构的原因
39、 , 燃油锅炉的燃料控制回路时间常数小于空气控制通道的时间常数。当负荷变化时,送风量的变化必然落后于燃料量的变化 ,引起不完全燃烧,产生黑烟,造成污染,故需对这个方案进行改进。3.2.2有逻辑规律的比值控制系统图3.2.2 所示为改进的燃烧控制方案这个方案比上一方案多了两个选择器,使得当负荷增加时,先增加空气量,然后再增 加燃料量；当负荷减少时,先减少燃料量,再减少空气量。这个方案既保证了完全燃烧 ,又保持了蒸汽压力的恒定。在某些比值控制系统中,不仅要求两个物料流量保持一定的比例 ,而且要求物料流量的变动还有一定的先后次序,称为有逻辑规律的比值控制系统例如在燃料控制系统中,希望燃料量与空气流量
40、成一定的比例。而燃料量取决于蒸汽量的需要,常用蒸汽压力来反映,当蒸汽量要求增加即蒸汽压力降低时,燃料量也要增加。为了保证燃烧完全,应先加大空气量后加大燃料量。在减负荷时,应先减燃料量后减空气量,以保证燃烧的安全性和经济性,为此可设计成有逻辑规律的比值控制系统 ,图3.2.2中PT、FT 分别为压力、流量变送器；PC 、FC分别为压力流量控制器；HS 、LS 分别为高、低选器。图3.2.3是对图3.2.2的方框图。该系统实现蒸汽出口压力对燃料流量的串级控制和燃料流量与空气流量的比值控制。根据过程要求，蒸汽压力控制器是反作用的。当蒸汽流量增加、即蒸汽压力下降时,蒸汽压力控制器输出增加,增大的信号送
41、到低选、高选器。由于压力控制器输出通不过低选器 LS, 而可通过高选器HS,并作为空气流量控制器的给定值 ,用来加大空气量空气流量变送器的输出信号被低选选中,空气流量的增加也使低选输出增加,从而改变燃料控制器 的给定值,使燃料量增大。这样保证增加燃料之前先加大空气量,使燃料比值控制系统减少空气量。这样满足了先减燃料量后减空气量的逻辑关系,保证燃烧完全。FCFCFCK蒸汽量空气量空气阀燃料量燃料阀L(s)H(s)图3.2.2蒸汽压力信号L(s)GPC2(S)KH2(S)H1(S)GV2(S)GPC1(S)GV1(S)GC2(S)Gc1(S)H(s)-_空气燃料图3.2.33.3送风控制系统3.3
42、.1、单闭环比值送风控制系统送风调节的任务在于保证燃烧的经济性,具体地说,就是要保证燃烧过程中有合适的燃料与风量比例,送风调节对象近似比例环节。因此通常采用保持燃料量与送风量成比例 关系的送风控制系统,如图3.3.1(a) 所示,燃料量信号B以前馈形式引人送风控制系统,作为送风调节器的给定值；送风量信号V作为反馈信号引人送风调节器,构成一个单闭环比值控制系统,可以实现送风量快速跟踪燃料量的变化。由于送风调节器采用 PI作用调节器,所以静态时,调节器人口信号平衡关系为BK-V =0或V/B=K式中 K 一一风煤比例系数。只要调整比例系数K到适当的值,控制系统就能使进入锅炉的送风量与燃料量保持最合
43、适的比例,达到经济燃烧的目的。在实际运行中,送风量和燃料量的最佳比例值K不是常数,K是随不同的负荷和燃 料品种变化的。上述系统把K选为常数,就不能始终保证燃烧过程的最佳经济性。而送 风量V和燃料量B的最佳比例K是随不同负荷、不同燃料品种而变化的。因此，可以选用随负荷、燃料品种变化而修正送风量的送风控制系统,这个系统是用乘法器构成的单闭环比值送风控制系统,燃料量的修正值作为送风量的给定值,实现B与V的比值控制。3.3.2串级比值送风控制系统采用有燃烧经济性指标的校正调节器来修正送风量，使送风量与燃料量之间的比值达到最佳，采用氧量校正的送风控制系统，如图3.3.1（c）所示。这个系统是采用以燃烧经
44、济性指标（烟气含氧量）为被调剂量的单回路控制系统。采用氧化锆仪器测量锅炉排烟中的含氧量，氧量信号反应迅速可靠，烟气中最佳含氧量与煤种无关，对于煤种变化大的锅炉或煤油混烧的锅炉的燃烧自动化具有重大意义。根据氧化锆的测氧性能，完全可以用氧量信号作为送风控制信号。送风调节器仅接受氧量信号并与定值信号平衡，为单参数单回路控制系统，定值信号可将氧量定在最佳值。同时，送风调节器可采用纯比例性调节器。因为，锅炉最佳含氧量是随负荷增加而减小的，如图3.3.2所示，比例调节器的静态偏差也正好随负荷增加而减小。适当地调整比例带，可保证锅炉在不同负荷下的静态配合，使锅炉在最佳含氧量条件下经济运行。送风调节器是单信号