第8章典型工业生产过程的控制..

[e-mail]8.8.1.锅炉设备的控制[e-mail][e-mail][e-mail][e-mail][e-mail][e-mail]型锅炉[e-mail]我国生产的DZL型锅炉[e-mail][e-mail]锅炉设备控制思考题1、了解锅炉设备的控制问题与系统分解；2、掌握汽包水位的对象特点与控制方案；3、掌握锅炉设备燃料与空气逻辑变比值控制系统的分析与设计方法；4、了解锅炉设备过热蒸汽温度的控制问题与常用的控制方法。[e-mail]8.8.1.锅炉设备的控制概述：在石油化工、石油化工、发电等工业过程中采用的重要动力设备—锅炉，锅炉产生的高压蒸汽即作为透平机的驱动力，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热力源。现代大工业生产规模中，大容量、高参数、高效率的锅炉设备肩负着提供动力和热源的关键作用。火力发电厂最基本的工艺过程是用锅炉生产蒸汽，使汽轮机运转，带动发电机发电。锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等分为多种类型，工艺流程多种多样，为了解对锅炉的控制，下图列出了常见的锅炉设备的主要工艺流程：[e-mail]工作原理：锅炉的蒸发系统由：给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管组成热空气燃料燃料嘴炉膛汽包过热器减温器PMD负荷设备调节阀过热蒸汽送负荷设备炉墙省煤器热空气送往炉膛给水空气预热器冷空气烟气(经引风机送往烟囱)Ds将上图分解为：[e-mail]炉膛锅炉设备主要工艺流程图控制阀蒸汽母管过热蒸汽D过热器省煤器负荷设备给水汽包空气蒸汽Ds燃烧室燃料锅炉设备是一个多变量受控对象，它的输入输出变量可表示为：[e-mail]对锅炉的控制是确保锅炉在安全、经济的条件下运行，并按照生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽。按照这些控制要求对锅炉设备设计的主要控制系统有以下几种：（1）锅炉汽包水位的控制；（2）锅炉燃烧系统的控制；（3）过热蒸汽系统的控制。锅炉设备是一个多变量受控对象，它的输入输出变量可表示为：给水量减温水燃料量送风量引风量水位蒸汽温度蒸汽压力过剩空气炉膛负压蒸汽负荷锅炉设备[e-mail]锅炉汽包水位的控制锅炉安全运行的首要条件：保持汽包水位在一定范围内水位过高：直接影响锅炉汽包内的汽、水分离，饱水升起将会带水过多，导致过热器管壁结垢并损坏，是过热蒸汽的温度严重下降。特别是当过热蒸汽用于带动汽轮机时，会因蒸汽带液损坏汽轮机的叶片，造成运行的安全事故。水位过低：则因汽包内的水量较少，而负荷有很大时将加快水的气化速度，若不及时控制将油可能使汽包内的水全部气化，特别是对大型锅炉，水在汽包内的停留时间极端，从而导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。故必须对汽包水位加以严格控制汽包水位控制（也称锅炉给水控制）：水位控制的任务是使给水量与锅炉蒸发量相适应，维持汽包中水位在工艺规定的范围内。[e-mail]汽包水位控制系统流程如下图所示：q：Q给水，用G(s)表示f：主要干扰是Q蒸汽，用D(s)表示（锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等影响水位）讨论：给水量和蒸汽流量作用下水位变化的动态特性y：汽包水位用H(s)表示影响汽包水位变化的因素有：Q给水、Q蒸汽、Q燃料、P汽包等[e-mail]汽包水位的对象特性DHH0HH2H1ttGHHH1ttτ干扰通道特性控制通道特性()()12211KKHsDssTsK：sesKsGsH0)()(飞升速度（蒸汽流量变化单位流量时水位的变化速度t/hmm/s）[e-mail]汽包水位的单冲量控制LC蒸汽汽包省煤器给水u特点：结构简单缺点：①不能克服虚假水位负荷变化产生虚假水位时，将使LC误动作。分析：②Q蒸汽变化时控制系统反应不灵敏③对给水量的扰动不能及时克服适用于：负荷较稳定（配“联锁保护系统”能保证安全操作）＋－∴Kc0即：正作用（＋）[e-mail]汽包水位的双冲量控制LC蒸汽汽包省煤器给水∑PCPFC1PC+C2PF+C0引入蒸汽流量信号，用来纠正假水位引起的误动作，同时也能提前发现负荷的变化提高控制品质实质上该系统是：前馈+反馈[e-mail]汽包水位的三冲量控制LC蒸汽汽包省煤器给水∑PCPFFC∑LC水位蒸汽FC给水PCPFC1PC+C2PF+C0双冲量控制存在的问题：1）给水干扰不能及时克服2）因控制阀的工作特性并非线性，静态补偿难以很好实现解决办法：引入给水流量信号，构成三冲量控制系统方案一：实质上是前馈-串级复合控制系统D在炉筒内停留时间短，虚假水位严重时，需引入蒸汽流量信号的微分作用，如图所示：[e-mail]省煤器汽包蒸汽给水FTFT∑LYICIF方案三：类似方案二仅加法器位置从控制器前移到控制器后相当于属前馈-串级复合控制系统三冲量控制系统的其它连接形式∑LC水位蒸汽给水C1C2C3∑LC水位蒸汽给水C3C1C2方案二：实质上是前馈-反馈控制系统只需要一台多通道控制器FTLCFT∑LYLT省煤器汽包蒸汽给水[e-mail]蒸汽过热系统的控制控制任务：使过热器出口温度维持在允许范围内，并保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度温度过高：过热器易损坏，汽轮机也因内部过度的热膨胀而严重影响安全运行温度过高：使设备的效率降低，同时使汽轮机后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损y：过热蒸气出口温度q：减温箱流量[e-mail]因过热器存在使得控制通道的时间常数以及纯滞后均较大，故单回路不能满足要求，常用减温箱出口温度为副变量组成串级控制系统，如下图所示：[e-mail]锅炉燃烧过程的控制燃烧过程控制的基本要求：①保证出口蒸汽压力稳定，能按负荷要求自动增减燃料量②保证良好燃烧，供气事宜，既要防止空气不足烟筒冒黑烟，也要防止因空气过剩而造成热量损失③保持锅炉运行安全，如：保持炉膛内一定负压负压过大，又将使大量冷空气漏进炉内，造成热量损失增加负压太小，甚至为正时，会造成炉膛内热烟气往外冒，危机设备和人员安全；若采用气相燃料需防止燃烧嘴背压太高时的脱火，太低时的回火等危险工况发生。锅炉燃烧过程控制三个调节系统的被控参数：锅炉蒸汽压力PM、过剩空气系数α（含氧量）、炉膛负压Pf分别对应三个控制变量：燃料量M、送风量F、排烟量Y燃烧控制系统是一个多输入—多输出控制系统[e-mail]（1）锅炉蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统(a)燃烧过程的串级-比值负荷控制（两个副环）FCFTPTPCKFCFT空气燃料蒸汽当蒸汽负荷及燃料量波动较小时，y=P蒸汽q=Q燃料单回路控制；当Q燃料波动大时，采用蒸汽压力对燃料流量的串级控制；保证燃烧过程的经济性，采用Q燃料作主流量，q=Q空气副流量的比值控制（即能使燃料量随蒸汽负荷而改变，又能使燃料量和空气量保持一定比例关系）(b)串级-比值负荷控制蒸汽压力对燃料量的串级控制送风量随燃料量而改变的比值控制FCFTKFCFTPTPC燃料空气蒸汽[e-mail]蒸汽压力燃料量空气量×燃料阀空气阀I1I2IpI4I3Q2Q1稳态：I1=I2=I3=I4=Ip,Q1=KQ2分析提降量过程？该方案：在负荷减少时，先减燃料量，再减空气量；在负荷增加时，先增控制量，再增燃料量，以使燃烧完全(b)图缺点：负荷改变时，送风量的变化必然落后于燃料量的变化，为此设计串级-具有逻辑提降的比值复合控制[e-mail]蒸汽压力燃料量空气量含氧量×燃料阀空气阀I1I2IpI4I3Q2Q1K（2）燃烧过程中烟气氧含量闭环控制上述燃烧过程中保证了燃料量和空气量的比值关系，存在不足：①不能保证完全燃烧，即燃烧与空气量的最优比；∵完全燃烧与燃料的质量（水分、灰分等）、热值等有关②不能保证燃料量与空气量最优化比随锅炉负荷的变化而变化锅炉负荷不同时，燃料量与空气量的最优比也不同，解决办法：用一个检测燃料与空气适宜配比的指标（常用的：烟气中含氧量）作为锅炉送风量的校正信号，组成变比值的串级复合控制系统[e-mail]∑P3CP1CP2CKLS蒸汽燃料汽包PYPTPYPTPSA炉膛负压的前馈-反馈控制：防脱火的选择性控制：防回火的控制系统：（3）炉膛负压控制与有关安全保护系统[e-mail]作业：第八章：P3028.13、8.14、8.15