1、homewell目錄第一章鍋爐自動調節的任務.2第二章鍋爐給水系統的自動調節.3第一節 鍋爐汽包水位調節對象的特性.5第二節 單沖量調節系統.6第三節 雙沖量調節系統.7第四節 三沖量調節系統.8第三章鍋爐蒸汽過熱系統的自動調節.10第一節 過熱蒸汽溫度調節對象的特性10第二節 調節減溫水的流量控制過熱器出口蒸汽溫度的調節系統11第四章鍋爐燃燒系統的自動調節.14第一節 鍋爐燃燒系統自動調節的任務14第二節 鍋爐燃燒過程調節對象的動態特性15第三節 燃煤鍋爐燃燒過程的自動調節18第四節 燃油鍋爐燃燒系統的自動調節22第五節 鍋爐燃燒凋節系統的整定. 25參考數目：1.化工自動化叢書鍋爐設備的自

2、動調節，孫優賢、孫紅主編，化學工業出版社198252.工業鍋爐自動控制，張亮明、夏桂娟主編，中國建筑工業出版社，1987.113.燃油燃氣鍋爐房設計手冊，燃油燃氣鍋爐房設計手冊編寫組，機械工業出版社，1998.64.工業鍋爐節能技術，鹿世金編著，兵器工業出版社， 1993.125.工業鍋爐熱工檢測與過程控制，張亮明、夏桂娟主編，天津大學出版社，1992.9第一章 鍋爐自動調節的任務鍋爐是工業生產的重要動力設備，工業鍋爐的生產任務是根據負荷設備的要求，生產具有一定參數（壓力和溫度）的蒸汽和熱水。為了滿足負荷設備的要求，保證鍋爐本身運行的安全性和經濟性，工業鍋爐具有以下自動調節任務： 一、保持汽包

3、水位在規定的范圍內鍋爐汽包水位高度，關系著汽水分離的速度和生產蒸汽的質量，也是確保安全生產的重要參數。隨著科學技術的飛速發展，現代的鍋爐要向蒸發量大，汽包容積相對減小方向發展。這樣，要使鍋爐的蒸發量隨時適應負荷設備的需要量，汽包水位的變化速度必然很快，稍微、不注意就容易造成汽包滿水，或者燒成干鍋。在現代鍋爐操作中，即使是缺水事故，也是非常危險的，這是因為水位過低，就會影響自然循環的正常進行，嚴重時會使個別上水管形成自由水面，產生流動停滯，致使金屬管壁局部過熱而爆管。無論滿水或缺水都會造成事故。因此，必須對汽包水位進行自動調節，將水位嚴格控制在規定的范圍之內二、穩定蒸汽的溫度過熱蒸汽的溫度是生產

4、工藝確定的重要參數，蒸汽溫度過高會燒壞過熱器水管，對負荷設備的安全運行帶來不利因素。因為新型的蒸汽鍋爐，一般金屬強度的安全系數設計得比較下，超高溫嚴重還會使汽輪機或其他負荷設備膨脹過大，使汽輪機的軸向推力增大而發生事故。蒸汽溫度過低會直接影響負荷設備的使用，對汽輪機來說，會影響它的效率，一般情況，進汽溫度每降低5，效率降低1。因此，從安全生產和技術經濟指標上看，必須對蒸汽的溫度進行自動調節，使蒸汽溫度保持在額定值范圍之內。 三、控制蒸汽壓力的穩定蒸汽壓力是衡量蒸汽供求關系是否平衡的重要指標，是蒸汽的重要工藝參數。蒸汽壓力過高或過低，對于金屬導管和負荷設備都是不利的。壓力太高，會加速金屬的蠕變，

5、壓力太低，就不可能提供給負荷設備符合質量的蒸汽。在鍋爐運行過程中，蒸汽壓力降低，表明負荷設備的蒸汽消耗量大于鍋爐的蒸發量；蒸汽壓力升高，說明負荷設備的蒸汽消耗量小于鍋爐的蒸發量。因此，控制蒸汽壓力，是安全生產的需要，是維持負荷設備正常工作的需要，也是保證燃燒經濟性的需要。四、控制爐膛的負壓在規定的范圍內鍋爐極常運行中，爐膛壓力應保持在1020pa的負擔范圍之內。負壓過大，漏風嚴重，總的風量增加，煙氣熱量損失增大，同時引風機的電耗增加，不利于經濟燃燒；負壓偏正，爐膛要向外噴火，不利于安全生產，有害于環境衛生。所以爐膛負壓必須進行自動凋節。五、維持經濟燃燒要使鍋爐燃燒過程出現最佳工況，提高鍋爐的效

6、率和經濟性，必須使空氣和燃料維持適當的比例。對于燃油鍋爐，現代的運行水平可以將燃燒室里的自由氧控制在0.51之內，即過剩空氣為2.45左右。將過剩空氣降低到近于理想水平而又不出現co和冒黑煙，這就需要快速而精確地對燃燒過程進行自動調節，使空氣和油呈現最佳的配比。否則，勢必增加熱量損失，降低經濟技術指標，并造成對周圍環境的污染。工業鍋爐生產是一個復雜的調節對象，有許多個調節參數和被調節參數，還存在著錯綜復雜的擾動參數。這些參數的相互作 用如圖12所示。 燃 管 運 料 路 行 品 阻 狀 質 力 況鍋爐設備 給水量 汽包水位 減溫水 蒸汽溫度 燃料量 蒸汽壓力 送風量 煙氣含氧量 引風量 爐膛負

7、壓 一次風 蒸汽流量圖12 鍋爐輸入參數與輸出參數之間的相互影響示意圖圖中可以看出，鍋爐是一個多輸入，多輸出，多回路，非線性的相互關聯的對象，調節參數與被調參數之間，存在著許多交叉的影響。例如當鍋爐的負荷變化時，所有的被調量都會發生變化。而當改變任一個調節量時，也會影響到其他幾個被調量。因此，理想的鍋爐自動調節系統應該是多回路的調節系統。這樣當鍋爐受到某一擾動后，同時協調地動作，改變其調節量，使所有的被調量都具有一定的調節精度。但這種調節十分復雜，要實現這樣的調節比較困難。目前根據鍋爐的運行經驗，實際解決鍋爐自動調節任務的方法是將鍋爐當作幾個相對獨立的調節對象所組成，相應地設置幾個相對獨立的調

8、節系統，這樣可以適當簡化 自動調節的問題。下面主要分別討論鍋爐幾個相對獨立的調節系統的動態特性，組成方案，調節方法和調節過程。第二章 鍋爐給水系統的調節工業鍋爐的汽包水位是正常運行的主要指標之一，汽包水位是一個十分重要的被調參數。由于汽包水位在鍋爐運行中占據首要地位，所以工業鍋爐自動化都是從給水自動調節開始的。工業鍋爐給水自動凋節的任務，是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發量并維持汽包中的水位在工藝允許的范圍內。鍋爐汽水系統如圖21所示。以汽包水位h作為被調量，以給水調節間作為調節機構來改變調節量，即給水量。達到保持汽包水位在允許范圍的目的。鍋爐汽包水位的自動調節，是根據汽包水位的動態特性來設計的。引起水

9、位變化的因素很多，但主要擾動是給水量和蒸汽量的階躍變化，調節器就是依據水位信號、蒸汽流量和給水流量的偏差信號進行調節的。汽包水位調節系統，根據鍋爐的容量，負荷變化的速度，調節的精度要求，可分為三種類型：1以汽包水位為唯一凋節信號的單沖量給水調節系統；2以汽包水位為主調節信號，以蒸汽流量為補充信號的雙沖量調節系統；3以汽包水位為主調節信號，以給水流量和蒸汽流量為補充信號的三沖量調節系統。鍋爐汽包水位的自動調節，根據使用廠家的條件和要求，可選用電動儀表系列，也可選用氣動儀表系列。 第一節 鍋爐汽包水位調節對象的特性鍋爐汽包中的水位不僅受到給水量（鍋爐的輸入量）和蒸發量（流出量）之間平衡關系的影響，

10、同時還受到在汽水循環管道中汽水混合物內汽水容積變化的影響。因為鍋爐汽包中的水位h值不僅反映了汽包（包括水循環的管路）中的儲水容積，也反映了水面下氣泡的容積。水面下氣泡的容積又與鍋爐的負荷和蒸汽壓力有關。因此，影響鍋爐汽包中水位變化的因素是很多的，概括起來有四個主要方面：一是給水方面的擾動，包括給水母管壓力的變化和給水閥門和開度的變化；二是蒸汽負荷的變化；三是燃料量的變化，還包括影響燃料發熱量變化的種種因素；四是汽包壓力變化，壓力變化對汽包水位的影響，是通過汽包內部汽水系統的“自凝結”和“自蒸發”過程起作用的。 在蒸汽發生過程中，汽包內部可以看成由蒸汽空間的蒸汽容積vd、蒸發面以下的汽水容積，即

11、蒸汽容積vs和水容積vw，三部分組成，如圖2-2所示。根據物料平衡和熱平衡的關系，考慮到由于燃料量對汽包水位的影響有較大的傳送滯后和容量滯后，影響十分緩慢，可以忽略不計。對于汽包壓力的變化往往是由于蒸汽負荷變化所引起的，因此壓力的變化可歸并到蒸汽負荷中去，所以壓力變化對汽包水位的影響也可以忽略不計。這樣汽包水位調節對象的動態特性方程式，經推導和化簡可寫成： （21）式中，h汽包水位的高度；tw給水流量項的時間常數，s；td蒸汽流量項的時間常數，s；kw給水流量項的放大倍數；kd蒸汽流量項的放大倍數；d鍋爐蒸汽流量，kg/s；w鍋爐給水流量，kg/s；，通過鍋爐汽包水位的動態微分方程式可以看出，

12、引起汽包水位變化的主要擾動是蒸汽流量的變化和給水流量的變化。下面我們將著重分析在給水流量（稱為內干擾）和蒸汽流量（稱為外干擾）擾動下，汽包水位調節對象的動態特性。一、包水位在給水流量作用下的動態特性如果蒸汽負荷量不變，給水量產生變化時，汽包水位調節對象的運動方程式可表示為： （22）二、汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態特性 在蒸汽負荷增加的時候，雖然鍋爐的給水量小于蒸發量，可水位不但不下降，反而迅速上升，這種特殊現象稱為“虛假水位”現象。“虛假水位”產生的原因主要是，蒸汽流量增加，汽包內的氣壓下降，爐水的沸點降低，使爐管和汽包內的汽水混合物中的汽容積增加，體積膨脹，引起汽包水位上升。因“虛假水位

13、”現象而出現的水位最大偏差，是不可能依靠凋節來克服的。另外，當鍋爐的負荷突然減小時，則汽包水位變化的情況是相反的，汽包水位先下降后上升。第二節 單沖量給水調節系統以汽包水位為唯一調節信號的鍋爐給水調節系統稱作單沖量水位調節系統，其凋節系統示意圖如圖25所示。它是汽包水位自動調節中最簡單，最基本的一種調節形式。調節系統由汽包、水位變送器，凋節器和給水調節間組成。當汽包水位發生變化時，水位變送器發出信號并輸入調節器，水位調節器根據水位的測量與給定值的偏差，經過運算放大后輸出調節信號，去控制給水閥門，改變給水量來保持汽包水位在允許范圍內。上述信號傳遞可用圖26的方塊圖表示。工業鍋爐的容量一般都在20

14、t/h以下，對于中小型鍋爐，由于汽包相對負荷而言，它的容量較大，水位受到擾動后的反應速度比較慢，“虛假水位”現象不很嚴重，因此，一般采用單沖量調節系統就可以滿足生產上的要求。由于工業鍋爐對汽包水位控制要求不高，采用比例調節規律能得到較好的效果，所以目前工業鍋爐水位對象采用比例調節規律很普遍。如果單沖量給水調節系統，采用比例積分調節器調節汽包水位，則可以實現無差調節。單沖量鍋爐給水調節系統，可用氣動儀表進行調節工作，也可選用電動單元儀表組成凋節系統。不少自動化儀表廠還生產有成套的鍋爐自動控制裝置。如選用 ddz一ii型儀表組成調節系統，其裝置方塊圖如圖2-7所示。 單沖量汽包水位調節的優點是；系

15、統結構簡單，對汽包容量比較大，水位在受到擾動后的反應速度比較慢，“虛假水位”現象不很嚴重的鍋爐，采用單沖量水位調節是能夠滿足牛產要求的。 單沖量汽包水位調節存在著一些缺點，主要有：（1）這種調節方案只根據水位信號調節給水量，在鍋爐負荷變化大，即階躍擾動很大時，由于鍋爐的“虛假水位”現象，例如負荷蒸汽增加時，水位一開始先上升，調節器只根據水位作為調節信號，就去關小閥門減少給水量，這個動作對鍋爐流量平衡是錯誤的，它在調節過程一開始就擴大了蒸汽流量和給水流量的波動幅度，擴大了進出流量的不平衡。（2） 從給水擾動下水位變化的動態特性可以看到，由于給水壓力改變等原因造成給水量變化時，調節器要等到水位變化

16、后才開始動作，而在調節器動作后又要經過一段滯后時間才能對汽包水位發生影響，因此必將導致汽包水位波動幅度大，調節時間長。由于單沖量調節系統存在這些缺點，對于虛假水位現象嚴重及水位反應速度快的鍋爐，為例改善調節品質，滿足運行的需要，常采用雙沖量或三沖量給水調節系統。第三節 雙沖量給水調節系統雙沖量給水調節系統，是以鍋爐汽包水位信號作為主凋節信號，以蒸汽流量信號作為前饋信號，構成的鍋爐汽包水位自動調節系統。雙沖量給水調節系統如圖28所示，其方塊圖如圖29所示。雙沖量汽包水位調節系統的特點是：（1）引入蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假水位”現象對調節的不良影響。當蒸汽量變化時，就有一個給水量與蒸汽量同方

17、向變化的信號，可以減少或抵消由于“虛假水位”現象而使給水量與蒸汽量相反方向變化的錯誤動作。使調節閥一開始就向正確的方向動作。因而能大大減小給水量和水位的波動，縮短過渡過程的時間。（2）引入了蒸汽流量前饋信號，能夠改善調節系統的靜態特性，提高調節質量。雙沖量汽包水位控制可用氣動單元組合儀表組成水位自控系統，也可選用電動單元組合儀表組成水位自控系統。目前，電動單元組合儀表使用較為廣泛。雙沖量自動調節系統存在的問題是：調節作用不能及時地反映給水方面的擾動。當給水量發生擾動時，要等到汽包水位信號變化時才通過調節器操作執行器進行調節，滯后時間長，水位波動大。因此，如果給水母管壓力經常有波動，給水調節閥前

18、后壓差不能保持正常時，不宜采用雙沖量調節第四節 三沖量給水調節系統 三沖量鍋爐汽包給水自動調節系統，是以汽包水位h為主調節信號，蒸汽流量d為調節器的前饋信號，給水流量w為調節器的反饋信號組成的調節系統。三沖量水位調節系統的組成原理如圖211所示。近代鍋爐都向大容量高參數的方向發展，一般講鍋爐容量越大，汽包的容水量相對就越小，允許波動的蓄水量就更少。如果給水中斷，可能在很短時間內就會發生危險水位；如果僅僅是給水量與蒸汽量不相適應，也可能在幾分鐘也可能在幾分鐘內就會出現缺水和滿水的事故。因此，對汽包水位的控制要求將越來越高。三沖量汽包給水調節系統，采用蒸汽流量信號對給水流量進行前饋調節，克服外擾影

19、響，用給水量信號作為反饋信號，克服內擾影響，可以使給水調節能量大大提高。三沖量給水單級調節系統采用電動組合儀表，如圖2-12所示。裝有三沖量調節裝置的鍋爐在運行時，由于引進了蒸汽流量和給水流量的調節信號，調節系統動作及時，抗干擾能力較強，當蒸汽負荷突然發生變化，蒸汽流量信號使給水調節閥一開始就向正確方向動作，即如蒸汽流量增加，給水調節閥開大。抵消了由于虛假水位引起的反向動作，減小了給水流量的波動幅度，如果給水流量減少，則調節器立即根據給水流量減少的信號開大給水閥門，使給水流量維持不變。這樣，汽包水位很少受到影響。再者，給水流量信·號也是調節器動作后的反饋信號，使調節器及早知道調節效果

20、，能較好地控制水位的變化，改善調節系統的調節品質。第三章 鍋爐蒸汽過熱系統的自動調節蒸汽過熱系統的自動調節任務是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許范圍之內，并保護過熱器，使過熱器管壁溫度不超過允許的工作溫度。蒸汽過熱系統包括一級過熱器、減溫器、二級過熱器等。在鍋爐生產中，整個汽水通道中溫度最高的是過熱蒸汽溫度。過熱器正常運行時的溫度一般要接近于材料所允許的最高溫度，如果過熱蒸汽溫度過高，則過熱器容易損壞，也會使汽輪機內部引起過度的熱膨脹，嚴重影響生產運行的安全；過熱蒸汽溫度過低，則設備的效率將會降低一一般蒸汽溫度每降低510，效率約要降低1，同時使通過汽輪機最后幾級的蒸汽濕度增加引起葉片的磨損。因此

21、必須調節過熱器出口蒸汽溫度，使它不超出規定的范圍。對于中高壓鍋爐，過熱蒸汽溫度的偏差不應超出額定值的±10。過熱蒸汽溫度的自動調節是鍋爐自動化的重要任務之一，它的調節干擾因素多調節的困難較大，主要影響因素有下列方面：1過熱器作為調節對象來看，它的特點是滯后時間比較大。在發生擾動后，溫度往往不會立即變化。另外，測量溫度的感受元件也有較大的慣性，在動態過程中不能即使地發出測量和調節信號。 2設備的結構設計與自動調節的要求存在矛盾。從調節的角度說，減溫設備應裝在過熱蒸汽出口的地方，這樣可以使調節左右的滯后時間小一些，使輸出的蒸汽溫度波動下。但從設備安全方面來講，則減溫設備應安裝在過熱器的人

22、口，以最有效地保護過熱器的本體。 3造成過熱器出口蒸汽溫度變化的擾動因素很多，而且各種擾動之間又互相影響，使對象的動態過程十分復雜。能使過熱器出口蒸汽溫度改變的因素有；蒸汽流量的變化、燃燒工況的變化、鍋爐給水溫度的變化、進人過熱器蒸汽熱爛的變化、流經過熱器的煙氣溫度及流速的變化、鍋爐受熱面結垢等。歸納起來主要有以下三種： （1）蒸汽流量（即負荷）的變化。蒸汽流量變化對不同的過熱器型式其影響是很不相同的。一般輻射過熱器的蒸汽溫度，隨著蒸汽流量的增大而降低。這是因為爐膛溫度隨鍋爐負荷的增加而升高不多，輻射傳熱量正比于t4（t即爐膛溫度的增量），它的增加不足以滿足流過輻射過熱器蒸汽量增加所需的熱量；

23、對流式過熱器的蒸汽溫度，隨著蒸汽流量的增加而升高，這是由于燃燒生成物與鍋爐負荷成正比地增加，即煙氣流速隨鍋爐負荷成正比地增大，因此對流傳熱系數隨著煙氣流速的增大而增大，對流傳熱量隨著傳熱系數的增大而增加，由于對流傳熱量增加的熱量超過蒸汽流量增加所需要吸收的熱量，使蒸汽溫度升高。 （2）減溫水量的變化。改變減溫水量，實際上是改變過熱器進口蒸汽的熱焓，亦即改變進口蒸汽溫度。減溫水量增加時，進口蒸汽溫度降低，在其他條件不變的情況下，二級過熱器出口蒸汽溫度也隨之降低。 （3）煙氣方面的熱量變化，如過量空氣系數變化，使燃燒產物的數量改變，從而改變了煙氣的溫度和流動速度，也改變了對流傳熱和輻射傳熱的比例。

24、過剩空氣量對過熱蒸汽溫度的影響也與過熱器的型式有關。對于大多數現代鍋爐，對流部分吸收的熱量大于輻射部分吸收的熱量，因此，過熱蒸汽溫度將隨過剩空氣量的增加而增大。對于不同的擾動，過熱蒸汽溫度的動態特性是各不相同的，下面分別討論蒸汽流量、減溫水量、煙氣量三種擾動下蒸汽溫度對象的動態特性。第一節 過熱蒸汽溫度調節對象的特性一、減溫水量擾動下蒸汽溫度對象的動態特性 減溫水量擾動時，其擾動地點（過熱器入口，即減溫器的安裝位置）與測量蒸汽溫度的地點（過熱器出口）之間有著較大的距離，此時過熱器是一個有純滯后的多容對象。當擾動發生后，要隔較長時間才能使蒸汽溫度發生顯著變化，滯后時間比較大。滯后時間產生的原因有

25、：（1）由于擾動地點至測量被調量地點之間的距離造成傳遞滯后（或稱純滯后）；（2）由于過熱器管壁儲熱量和表面傳熱阻力造成的容量滯后。過熱器管壁的熱容量愈大，則傳遞滯后與時間常數t的數值都愈大。二、煙氣側熱量擾動下蒸汽溫度對象的動態特性 煙氣側熱量擾動，包括煙氣流速和煙氣溫度的擾動。在這種擾動下，煙氣與蒸汽之間的換熱條件發生了變化，由于這個變化是在全部過熱器中同時發生的，因此過熱器吸收熱量的改變應該沒有傳遞滯后，當燃料或空氣量發生擾動時的蒸汽溫度飛升曲線如圖3-2所示。三、蒸汽流量擾動下蒸汽溫度對象的動態特性蒸汽流量變化時，過熱器的動態特性與煙氣側熱量擾動下的動態特性是相似的，具有較小的滯后，較小

26、的時間常數。綜合上述可以歸納得出下列幾點：1. 蒸汽溫度調節對象不管在哪一種擾動下都有自平衡能力。而且改變任何一個輸入參數（擾動），其他的輸入參數都可能直接或間接地影響過熱蒸汽，這使得調節對象的動態過程十分復雜。2. 在減溫水流量擾動下，蒸汽溫度對象具有較大的傳遞滯后和容量滯后，縮短減溫器與蒸汽溫度控制點之間的距離，可以改善其動態特性。3. 在煙氣側熱量和蒸汽流量輯放下，蒸汽溫度調節對象的動態特性比較好。第二節 調節煙氣側熱量控制過熱器出口汽溫的調節系統從過熱蒸汽溫度調節對象的動態特性上看，采用煙氣側熱量作為調節參數，是蒸汽溫度調節較好的一種調節方法，它可以用改變穿過過熱器的煙氣量或煙氣溫度來

27、實現。 一、改變煙氣量的調節方法改變煙氣量的調節方法如3-3所示。調節機構為特殊的擋板，裝在與過熱器煙道并聯的旁通煙道中。根據過熱器出口蒸汽溫度調節旁通煙道中擋板的開度來控制經過過熱器的煙氣量，使過熱器出口蒸汽溫度保持在允許的范圍。這種調節方法的主要缺點是調節擋板處在高達 9 0 010 0 0的高溫下，擋板的材料和冷卻都比較困難。二、改變煙氣溫度的調節方法改變煙氣溫度通常是須明膛中的燃燒中心，以改變輻射受熱面和對流受熱面的吸熱量分配比例，從而改變進入過熱器煙道的煙氣溫度。具體實現的方法是利用可旋轉的噴燃器，當噴燃器上下移動時，可使過熱器蒸汽溫度改變2030，這種調節會影響到蒸汽壓力發生變化，

28、而且結構也比較復雜。第二節 調節減溫水的流量控制過熱器出口蒸汽溫度的調節系統用改變減溫水量來調節過熱器出口蒸汽溫度如圖34所示。從動態特性上看，這種調節方法是最不理想的，但由于設備簡單，因此應用得最多。減溫器有表面式和噴水式兩種，減溫器應該盡可能地安裝在靠近蒸汽出口處，但一定要考慮過熱器材料的安全問題，這樣能夠獲得較好的動態特性。過熱蒸汽溫度是火力發電廠鍋爐設備的重要參數，要求比較嚴格，但作為調節對象的過熱器由于管壁金屬的熱容量很大，使之有較大的熱慣性，加上管道較長有一定的傳遞滯后。入采用圖3-4所示調節系統，調節器接受過熱器出口蒸汽溫度1信號，去調節減溫水閥，當發生入口蒸汽或減溫水的擾動時，

29、要經變化后，調節器才開始動作，去控制減溫水流量qw，qw的改變又要經過一段時間，才能影響蒸汽溫度1。這樣，既不能及早發現擾動，又不能及時反映調節效果，將使蒸汽溫度發生不能允許的動態偏差，影響鍋爐的安全和經濟運行。 解決上述存在問題的辦法是選擇一些輔助信號，組成比較復雜的調節系統。比較好的方法是采用串級調節系統。串級調節系統由于副回路的存在，它可以看作一個閉合的副回路代替了原來的一部分對象，起了改善對象特性的作用。與單回路系統相比，除了克服落在副環內的擾動外，還提高了系統的工作效率，加快了過渡過程。第四章 鍋爐燃燒系統的自動調節第一節 鍋爐燃燒系統自動調節的任務 鍋爐燃燒系統自動調節的基本任務，

30、是使燃料燃燒所產生的熱量，適應蒸汽負荷的需要，同時還要保證經濟燃燒和鍋爐的安全運行。具體調節任務可概括為三個方面： 一、維持蒸汽母管壓力不變維持蒸汽母管壓力不變，這是燃燒過程自動調節的第一項任務。如果蒸汽壓力變了，就表示鍋爐的蒸汽生產量與負荷設備的蒸汽消耗量不相一致，因此，必須改變燃料的供應量，以改變鍋爐的燃燒發熱量，從而改變鍋爐的蒸發量，恢復蒸汽母管壓力為額定值。這項調節任務就稱為汽壓調節或熱負荷調節。此外，保持汽壓在一定范圍內，也是保證鍋爐和各個負荷設備正常工作的必要條件。維持蒸汽母管壓力不變，對于單獨運行的鍋爐相對來說要簡單些，對于并列運行鍋爐，在一個母管上同時有幾臺鍋爐，因而保持母管蒸

31、汽壓力不變，還必須解決好幾臺并列運行鍋爐之間的負荷分配問題。 二、保持鍋爐燃燒的經濟性鍋爐燃燒過程的經濟性是鍋爐燃燒過程自動調節的第二個任務。燃燒的經濟性指標難于直接測量，常用煙氣中的含氧量或者燃料量與送鳳量的比值來表示。圖4-l是過剩空氣損失和不完全燃燒損失示意圖。如果能夠恰當地保持燃料量與空氣量的正確比值，就能達到最小的熱量損失和最大的燃燒效率。反之，如果比值不當，空氣不足，結果導致燃料的不完全燃燒，當大部分燃料不能完全燃燒時，熱量損失直線上升；如果空氣過多，就會使大量的熱量損失在煙氣之中，使燃燒效率降低。一般說來，對于燃氣鍋爐，在燃氣中保持2的氧或10的過剩空氣是最適宜；對于燃油鍋爐，在

32、燃油中保持3.5的氧和20的過剩空氣量是最合適的，這樣熱量損失最小。三、維持爐膛負壓在一定范圍內爐膛負壓的變化，共映了引風雖與送風量的不相適應。通常聯爐膛負壓保持在2040pa的范圍內。這時燃燒工況，鍋爐房工作條件，爐子的維護及安全運行都最有利。如果爐膛負壓太小，爐膛容易向外噴火，既影響環境衛生，又可能危及設備與操作人員的安全。負壓太大，爐膛漏風量增大，增加引風機的電耗和煙氣帶走的熱量損失。因此，需要維持爐膛壓力在一定范圍之內。這三項調節任務是相互關聯的，它們可以通過調節燃料量、送風量和引風量來完成。對于燃燒過程自動調節系統的要求是：在負荷穩定時，應使燃料量、送風量和引風量各自保持不變，及時地

33、補償系統的內部擾動，這些內部擾動包括燃料的質量變化，以及由于電網頻率變化引起燃料量、送風量和引鳳量的變化等。在負荷變化的外擾作用時，則應使燃料量、送風量和引風量成比例地改變，既要適應負荷要求，又要使三個被調量：蒸汽壓力 （熱水溫度）、爐膛負壓和燃燒經濟性指標保持在允許范圍內。綜上分析、使燃料量與空氣量之間保持一定的比值關系，是確保經濟燃燒的根本問題。這就需要正確地測量燃料量和空氣量。對于空氣和氣體、液體燃料流量的正確測量下雖然也存在著一些具體問題，但是，選用合適的方法是可以實現的。在不少場合，用容積消耗量測量氣體和液體燃料的流量，是完全可行并正確可靠的。對于燃煤鍋爐，直到目前為止，還無法正確測

34、量固體燃料的給煤量，因而也無法連續地正確地測量固體燃料所產生的熱量。雖然產生的熱量與給煤量成正比，但是由于固體燃料顆粒的機械結構和化學成份都不一致，所以用一般的容積消耗量測量流量的方法就失去了意義。再加上煤粉流動性的變化、煤倉中粉煤的搭橋、給粉機間隙的增大、粉煤濕度的改變等，都可能導致容積消耗量測量給煤量的很大誤差，在現代過程控制中失去實用價值。由于固體燃料不易測量，所以，在不測量燃料量的條件下，實現燃燒系統自動調節，通常有兩種方法：1. 把鍋爐設備看成是一只熱量計，用測量鍋爐內蒸發量的變化，來間接地監視和控制燃燒系統。這樣進行控制，雖然有一定困難，調節誤差比較大，但它是有效和可行的。2. 測

35、量煙氣中的含氧量 o2，比較直接地監視和控制燃燒系統。以往人們曾經用煙氣中的co2和coh2來監視燃燒過程。大家知道，當燃煤的化學組分一定時，co2分與過剩空氣系數成單值對應關系，而在一般情況下，co2與空氣過剩系數沒有一定的單值對應關系，所以靜態誤差較大，加之測量儀表可靠性很差和容量滯后很大，所以這種方法目前已基本上趨向淘汰。煙氣中含氧量o2與過剩空氣系數存在著較好的單值對應關系，靜態誤差比測co2的方法小好幾倍。實際上，爐膛中的過剩空氣，在評價整個燃燒過程質量時，并不起決定性作用，起決定性作用的是燃料在剩余氧氣中的燃燒條件即取決于自由氧的相對數量，所以選擇煙氣中的含氧量來調節空氣和燃料之比

36、，從而控制燃燒過程，是比較合理而可行的，也是大有前途的。第二節 鍋爐燃燒過程調節對象的動態特性鍋爐汽包蒸汽壓力是燃燒過程調節對象的主要被調量，分析燃燒過程調節對象的動態特性，是確定燃燒系統自動調節方案的主要依據。為此，下面分析一下在主要擾動作用下，汽包蒸汽壓力變化的動態特性。以蒸汽壓力作為被調量的燃燒調節對象的生產過程如圖4-2所示。引起蒸汽壓力變化的因素是很多的，如燃料量、送風量、給水量、蒸汽流量以及各種使燃燒工況變化的原因。它的主要擾動是燃料量的改變（稱為內擾動）和蒸汽流量的改變（稱為外擾動）。一、燃料量改變時蒸汽壓力變化的動態特性（內擾動性）鍋爐在正常運行時，若進入爐膛的燃料量發生變化，

37、則爐膛發熱量立即改變，幾乎沒有遲延和慣性，即為比例環節。而蒸發福分可以看做是一個儲熱量的容積，反映儲熱量多少的主要參數是汽包壓力p。蒸汽壓力變化的動態特性與鍋爐的供汽條件有關。二、蒸汽流量改變時蒸汽壓力變化的動態特性（外擾動性）蒸汽流量改變時對蒸汽壓力擾動稱為外擾。外擾有兩種情況，一種是負荷設備的蒸汽閥門開度改變，另一種是負荷設備用汽量的突然增加（或減少）所產生的。下面就分析兩種情況的擾動下，蒸汽壓力變化的動態特性。如果負荷設備的蒸汽調節鬧開度m。突然改變，鍋爐的汽壓也隨即改變，其反應曲線如圖4-5所示。當md突然開大，則從汽包中流向負荷設備的蒸汽流量d立即增加 d。但是，由于燃料量沒有增加，

38、因此汽包蒸汽壓力逐漸下降，從汽包中流出的蒸汽量也逐漸減少，最后蒸汽流量只能恢復原值。也就是說燃料量不改變，在平衡狀態時，鍋爐供應的蒸汽流量也不會改變。至于閥門開度md增大后，短時間增加的蒸汽量是依靠鍋爐蒸發部分儲熱量減少（壓力降低）放出來的。外擾的另一種情況，當負荷設備蒸汽用量突然增加時，汽包蒸汽壓力的反應曲線如圖 4-6所示。從圖中可以看出，汽包蒸汽壓力隨蒸汽流量的增加而下降。如果蒸汽流量繼續保持增大后的數值，由于燃料量沒有增加，熱量不能平衡，所以蒸汽壓力一下降，直到改變燃料量使其產生的熱量與蒸汽流量相平衡時，才能恢復保持鍋爐的蒸汽壓力。爐膛負壓和燃燒經濟性指標是通過改變引鳳量和送風量進行調

39、節。當送風調節閥門和引風調節閥門開度改變后，這兩個被伯立即改變，它的動態特性可以認為是比例特性。燃燒經濟性指標的測量較困難，如果采用煙氣成分分析的方法來測量，滯后時間比較長，近年來采用氧化鋁來測量煙氣中的含氧量，則滯后時間較短。）以上分析了單臺鍋爐蒸汽壓力在燃料量和負荷蒸汽量擾動下的動態特性，當幾臺鍋爐并列運行時，每臺鍋爐的蒸汽流量與本臺鍋爐汽包壓力（pb）及公共母管壓力（pm）有關。因為每臺鍋爐的工況都有相互聯系，它的汽包壓力和蒸汽流量不僅與負荷設備的用汽量有關，而且與任一臺鍋爐的燃燒率有關。在負荷擾動時，并列運行鍋爐汽壓變化的動態特性，與一臺鍋爐單獨運行時的動態特性相似。當負荷發生突然改變

40、時，母管蒸汽壓力也有階躍變化。負荷階躍變化，并列運行的鍋爐數目越多，則母管壓力pm的階躍量越小，氣壓變化的反應速度越慢。在燃料變化時，如果每臺鍋爐同時變化，而且變化量相同，那么蒸汽壓力pm的變化的動態特性與一臺鍋爐單獨運行時相同。如果所有的并列鍋爐中，只有一臺或少數幾臺鍋爐的燃料量發生變化，則各臺鍋爐汽壓的變化過程就各不相同。假如有三臺鍋爐并列運行時，其中一臺鍋爐的燃料量發生了變化，那么首先這臺鍋爐汽包壓力升高，蒸汽流量dl增大，就引起了母管蒸汽壓力pm增加，通往負荷設備的總蒸汽流量ddld2d3亦相應增加。對于其余兩臺燃料量不變的鍋爐，由于母管蒸汽壓力pm升高后，它的汽包壓力與母管壓力的壓差

41、ppbpm減小，所以蒸汽流量d2、d3反而先少。但是這兩臺鍋爐燃燒供給的熱量并沒有改變，d2、d3減少后，汽包壓力由于儲熱量增加而逐步升高，這時蒸汽流量d2、d3又要回升，最后d2、d3回復到原理的數值，這一過程使另兩臺鍋爐的汽包壓力都有升高，這樣母管壓力也平衡在更高的數值。所以并列運行的鍋爐，一臺鍋爐燃料量改變，使 所有并列運行鍋爐的汽包壓力都升高，母管蒸汽壓力也升高，而 燃料量增加的那臺鍋爐承擔了較多的負荷。母管壓力pm的變化，與并列運行的鍋爐臺數及發生燃料量變化的鍋爐臺數有關。如果 發生燃料量變化的鍋爐臺數與并列運行的鍋爐臺數之比越小，則母管蒸汽壓力pm變化的幅度越小，反應速度越慢。以上

42、分析的只是主要被調參數蒸汽壓力的動態特性，至于燃燒系統另外兩個被調參數，燃燒經濟性指標和爐膛負壓st，是保證良好燃燒和安全操作的內部參數，只要送風量、引風量隨時與燃料量在變化時保持適當比例，就能使燃燒經濟性指標和爐膛負壓st不會有較大變化。當送風量v和引風量g名單獨改變時，爐膛負壓 st的容量滯后很小，可近似限成為一個比例環節。當燃料量b或送風量v單獨改變時，燃燒經濟性指標也立即成比例地發生變化，所以亦可看成是一個比例環節。這樣的動態特性可控性是比較好的，主要的問題是在于如何測量燃燒經濟性指標。綜上所述，可得到如下結論：1.在燃料量改變時，對于一臺鍋爐的汽壓對象，它的動態特性為單容積分環節與具

43、有傳遞滯后的一階滯后環節的串聯，等效純滯后（傳遞滯后）時間不長，一般為1020s左右，因此，根據蒸汽壓力的變化，去調節燃料量能夠及時而有效地控制蒸汽壓力，并適應負荷的需要。在改變燃料量的同時，應協調地改變送風量和引風量。2.并列運行的鍋爐中，一臺鍋爐在燃料量產生變化時，若不及時消除，會產生并列運行鍋爐自發地產生負荷和蒸汽壓力的不規則變動，因此必須及時消除燃料量的自發性擾動，以穩定各臺鍋爐的負荷分配和蒸汽壓力的平穩。3.在并列運行的鍋爐中，如果并列運行的鍋爐臺數或帶變動負荷的鍋爐臺數發生變化（在并列運行鍋爐中，往往有幾臺鍋爐帶固定負荷，有幾臺鍋爐帶變動負荷），都會使蒸汽壓力對象的動態特性發生變化

44、，因此在調整時，必須考慮鍋爐當時的運行條件。4.蒸汽壓力調節對象的動態特性，隨著負荷大小而變，因而平穩操作是使燃燒系統運行良好的重要條件，否則需要考慮負荷變化的動態校正。5.為例使鍋爐承擔規定負荷，必須正確而又快速地測量燃燒率（燃料量和風量）為了保證經濟燃燒，必須準確而又快速地測量反映燃燒的經濟性指標。這些測量問題的妥善解決，是實現燃燒系統自動調節的關鍵。第三節 燃煤鍋爐燃燒過程的自動調節工業鍋爐根據采用的燃料不同，通常分為燃煤、燃油和燃氣三種。這三種鍋爐的燃燒過程自動調節系統基本相同十只是燃料兩的調節手段有所區別。燃油、燃氣鍋爐的油量和氣量的調節都采用調節閥，而燃煤鍋爐的煤量調節是通過改變爐

45、排的移動速度或給煤機的轉動速度進行的。我國工業鍋爐中燃煤鍋爐較為普遍、數量較大，這里先介紹燃煤鍋爐燃燒過程的自動調節。燃煤鍋爐自動調節的關鍵問題是燃料量的測量，在目前條件下；要實現準確測量進入爐膛的燃料量還很困難，為此，目前常采用按“燃料一空氣”比值信號、氧量信號、熱量信號控制燃燒過程。下面分別介紹其調節方案和過程。一、“混料一空氣”燃燒過程的自動調節系統“燃料一空氣，燃燒過程的自動調節，就是用給煤調節機構的位置（或速度）來代表給煤量（燃料量 b）調節系統的方塊圖如圖4-7所示。其中燃料調節裝置執行調節汽壓的任務；送風量調節裝置執行燃燒經濟性調節的任務；負壓調節裝置（即引風量調節裝置）執行負壓

46、（st）調節任務。在“燃料一空氣”調節系統中，壓力信號輸人燃料調節器，直接帶動給煤調節機構調節給煤量，同時送出與調節燃料的執行機構的位置（代表給煤量的多少）成比例的信號，與送風量信號一起輸入風量調節器，調節送風量。在這一系統中，負壓調節是作為獨立的調節任務來完成的，但實際上，負壓的擾動主要是由于風量調節系統的動作而引起的。 這種調節系統最簡單，它可以用標準的液壓式或電氣機械式調節裝置來實現凋節任務，但有較大的缺點，即燃料調節器以給煤調節機構的位置作為反饋信號，雖然能夠對燃料調節過程起著有效的穩定作用，但不能消除燃料內部的擾動，如當給煤機發生故障（內部擾動）時，只有等到這個擾動影響到汽包蒸汽出口

47、壓力時，才能使燃料調節器動作。另外，燃料與空氣的比例關系也不好保證。當燃料方面經常發生擾動時（數量、質量）這種調節系統不能自動保證正常工作。二、采用熱量信號的燃燒過程自動調節系統在燃燒過程自動調節中，如何準確迅速地測定爐膛的燃燒燃料量是一個重要的問題，這是因為在燃燒經濟性調節中，燃料量信號與空氣量信號的比例可以間接地表示燃燒的經濟性。但煤粉或煤塊的測量既有困難，又不易測量準確，而且因其質量（水分、灰分、發熱量等）很不一致，對燃燒過程都有很大影響，所以上述的“燃料一空氣”燃燒過程調節系統，在燃料量干擾影響下，系統的穩定性受到一定程度的影響。為了消除這一影響，就采用一種間接測量爐膛燃燒發熱量的方法

48、來表示固體燃料（煤）的消耗量、這就是“熱量信號”的概念。熱量信號常用符號q表示，它是同時測量蒸汽流量d和汽包壓力p的變化速度，然后將兩個信號加起來實現的。其表達式為： （42）因為在鍋爐燃燒調節系統穩定過程中，汽壓、汽溫恒定，這時蒸汽流量是燃料發熱量的正確度量。在燃料量擾動后的動態過程中，有一部分熱量儲存在鍋爐內部的汽水中，表現為汽包壓力的變化。所以熱量信號要用蒸汽流量d加上汽包壓力的變化率來代表燃料量的測量信號。必須注意，熱量信號只應反映燃料量的變化，而不應反映用汽量的變化。就是說，當鍋爐燃料量改變時，熱量信號應該基本上成比例變化；而當蒸汽負荷變化時，只要進人爐膛的燃料量不變，熱量信號就應該

49、沒有變化，即蒸汽流量d的變化應該被汽包壓力的變化所抵消。因而在時間應用熱量信號時，應使蒸汽流量信號d和汽包壓力變化速度這兩個信號恰當配合，使兩者之和只反映燃料量的變化。采用熱量信號進行燃燒過程自動調節的優點是能及時消除由于煤質變化、爐排轉速以及煤層厚度不均勻等原因引起的燃料方面的內部擾動。當燃料發生自發變化即有內擾時，爐膛燃燒發熱量也有變化，此時向調節器發出的熱量信號也立即改變，調節器立即調節燃料量使它恢復正常值。這個過程在較短時間（30s）內就能完成，這樣，就不會由于燃料擾動引起過大的汽包壓力變化。采用熱量信號的燃燒過程自動調節系統方塊圖如圖4-8所示。為了取得汽包壓力變化速度，采用了微分器

50、dfd，微分器輸出的信號就是汽包壓力變化速度。蒸汽流量d與汽包蒸汽壓力變化速度通過加法器二組合起來成為熱量信號，送入燃料調節器。當某臺鍋爐發生燃料內擾時，汽包蒸汽壓力立即隨之變化，其變化速度是一個導前的和加強作用的信號，使燃料調節器及時調整爐排轉速，改變給煤量，迅速克服燃料內擾，使汽包蒸汽壓力穩定，同時送鳳量調節器亦隨之動作，使燃料量與送風量相匹配。當負荷蒸汽量變化時，主調節器接受蒸汽壓力信號p，輸入燃料調節器，及時調節燃煤量以適應負荷的變化。同時，燃料調節器將負荷變化的信號輸入鳳量調節器，以保持適當的風煤比例。由于風量調節器與負壓調節器之間有動態補償信號，此時負壓調節器也同時動作，這樣就保證

51、了燃燒調節系統的協調動作，以保證正確的風煤比例和適合的爐膛負壓。風量調節器又接收煙氣中含氧量信號o2作為維持風煤比的校正信號。同時，風量 調節器還接受起反饋作用的送風信號va，及時反映送風量的變化，以提高調節的穩定性。負壓調節器也接受爐膛負壓信號st作為靜態時對爐膛負壓的校正作用。由此可見。采用熱量信號的燃燒調節系統能及時地消除燃料 量內擾。同時也能適應蒸汽負荷的外擾。故得到了廣泛的應用。三、采用氧量計的燃燒過程自動調節系統采用熱量信號的燃燒過程自動調節系統中，燃燒的經濟性要用兩個流量（燃料量與送風量、熱量與送風量，蒸汽量與送風量）的比值作間接指標。但在運行中，如直接采用過剩空氣系數較能正確地

52、反映燃燒經濟性的指標。因此，測量煙氣中的成分可以更正確地表示燃燒的經濟性。怎樣分析煙氣中的成分進行燃燒過程自動控制呢？以前人民常在鍋爐運行中應用co2分析器，分析煙氣成分，判斷爐膛燃燒工況。但是co2分析儀表的測量滯后太大，根本不能作為自動調節的信號使用，而且煙氣中co2的含量和過剩空氣系數之間的關系也不是固定不變的，通過實踐認識到，比較好的方法是利用氧化鋯直接測量煙氣中的含氧量，一則氧化鋯氧量計滯后實踐和慣性較小，二則氧氣中的含氧量和之間的關系比較穩定，應用氧量計的調節系統如圖4-9所示。當負荷變化時，汽包壓力（p）改變，發出增減負荷的信號，送風調節器使送風量（v）首先適應負荷變化。送風量改

53、變后，煙氣中的含氧量（o2）發生變化，使燃料調節器去改變燃料量以維持煙氣中的含氧量。在送風量變化的同時，爐膛負壓st發生變化，引風調節器去改變引風量l，以位置爐膛負壓st。在這個調節系統中，送風調節器首先應負荷要求，燃料調節器保證經濟燃燒。當然，如果含氧量的測量滯后較大時，燃料的改變將顯著落后于送風量，不僅在調節過程中燃燒的經濟性不好，也不能很好的適應負荷的變化。再分析一下內擾的情況，如當燃料增加時，則煙氣中含氧量減少，燃料調節器就去減少燃料量，消除擾動，使煙氣中的含氧量恢復正常，這就要求氧量計的滯后和慣性很小，否則，內擾就不能及時消除。所以采用上述調節系統的條件是要求氧量計能夠迅速地反映出煙

54、氣中含氧量的變化。 圖4-9所示調節系統有一個很大的缺點，即當爐膛漏風增加時，爐膛負壓降低，引風調節器就增加引鳳量，煙氣中的含氧量增加，于是燃料調節器動作，增加燃料量。這樣，在負荷沒有發生變化的情況下，因為漏風量增加而增加了爐膛的熱負荷，這是很不經濟的。為了克服這個缺點，可采用圖4-10所示的調節系統。整個調節系統是由送風調節器維持爐膛負壓，而由引風調節器接受汽包壓力與引風量信號，這兩個調節器與圖4-9調節系統相比，恰恰對換了位置。習慣上稱圖4-9系統為“正系統”，而稱4-10系統為“反系統”。如何保證燃燒的經濟性往往成為調節系統的主要特點。在分析調節系統的工作情況時，主要采用定性分析的方法。在外擾時，能否使燃料量、送風量、引風量協調動作，較快地適應負荷變化又能保證燃燒的經濟性；在內擾時，能否及時自動補償內擾，使擾動不要擴大到影響汽包壓力。以上分析了燃煤鍋爐單獨運行時燃燒系統的自動調節情況，對于并列運行的鍋爐，有負荷分配問題，這就需要再加一個主調節器，具體方案將放到下一節燃油鍋爐燃燒系統自動調節中加以介紹。第四節 燃油鍋爐燃燒系統的自動調節燃油鍋爐燃燒系統的自動調節，有單獨運行鍋爐燃燒系統的調節和并列運行鍋爐燃燒系統的調節，下面分別進行介紹。一、單獨運行鍋爐的調節單獨運行鍋爐燃燒系統的自動調節，不存在負荷分配問題