1、火電廠鍋爐溫度控制系統 鍋爐溫度的控制效果直接影響著產品的質量，溫度低于或高于要求時要么不能達到生產質量指標有時甚至會發生生產事故。采用雙交叉燃燒控制以鍋爐爐膛溫度為主控參數、燃料和空氣并列為副被控變量設計火電廠鍋爐溫度控制系統，以達到精度在 范圍內。工程控制是工業自動化的重要分支。幾十年來，工業過程控制獲得了驚人的發展，無論是在大規模的結構復雜的工業生產過程中，還是在傳統工業過程改造中，過程控制技術對于提高產品質量以及能源的節約都起著重要的作用。生產過程是指物料經過若干加工步驟而成為產品的過程。該過程中通常會發生物理化學反應、生化反應、物質能量的轉換與傳遞等等，或者說生產過程表現為物流過變化

2、的過程，伴隨物流變化的信息包括物流性質的信息和操作條件的信息。生產過程的總目標，應該是在可能獲得的原料和能源條件下，以最經濟的途徑，將原物料加工成預期的合格產品。為了打到目標，必須對生產過程進行監視和控制。因此，過程控制的任務是在了解生產過程的工藝流程和動靜態特性的基礎上，應用理論對系統進行分析與綜合，以生產過程中物流變化信息量作為被控量，選用適宜的技術手段。實現生產過程的控制目標。生產過程總目標具體表現為生產過程的安全性、穩定性和經濟性。（1）安全性 在整個生產過程中，確保人身和設備的安全是最重要和最基本的要求。在過程控制系統中采用越限報警、事故報警和連鎖保護等措施來保證生產過程的安全性。另

3、外，在線故障預測與診斷、容錯控制等可以進一步提高生產過程的安全性。（2）穩定性 指系統抑制外部干擾、保持生產過程運行穩定的能力。變化的工業運行環境、原料成分的變化、能源系統的波動等均有可能影響生產過程的穩定運行。在外部干擾下，過程控制系統應該使生產過程參數與狀態產生的變化盡可能小，以消除或者減少外部干擾可能造成的不良影響。（3）經濟性 在滿足以上兩個基本要求的基礎上，低成本高效益是過程控制的另外一個重要目標。為了打到這個目標，不進需要對過程控制系統進行優化設計，還需要管控一體化，即一經濟效益為目標的整體優化。工業過程控制可以分為連續過程工業、離散過程工業和間隙過程工業。其中，連續過程工業占的比

4、重最大，涉及石油、化工、冶金、電力、輕工、紡織、醫藥、建材、食品等工業部門，連續過程工業的發展對我國國民經濟意義最大。過程控制主要指的就是連續過程工業的過程控制。鍋爐是工業生產中不可缺少的動力設備，它多產生的蒸汽不僅能夠為蒸餾、化學反應、干燥、蒸發等過程提供熱源，而且，還可以作為風機，壓縮機、泵類驅動透平的動力源。隨著石油化學工業規模的不斷擴大，生產過程不斷強化，生產設備不斷革新，作為全廠動力和熱源的鍋爐，亦向著大容量、高參數、高效率的方向發展。為確保安全，穩定生產，對過路設備的自動控制就顯得尤為重要。1鍋爐的工藝流程由于鍋爐設備使用的燃料、燃燒設備、爐體形式、鍋爐功用和運行要求的不同，鍋爐有

5、各種各樣的流程。常見流程如圖2.1所示。由圖可知，蒸汽發生系統由給水泵、給水調節閥、省煤器、汽包及循環管組成。燃料和熱空氣按照一定的比例進入燃燒室燃燒，產生的熱量傳遞給蒸汽發生系統，產生飽和蒸汽,然后經過熱器，形成一定汽溫的過熱蒸汽，匯集至蒸汽母管。壓力為的過熱蒸汽，經負荷設備調節閥供給生產負荷使用。與此同時，燃燒過程中產生的煙氣，將飽和蒸汽變成過熱蒸汽后，經省煤器預熱鍋爐給水和空氣預熱器預熱空氣，最后經引風機送往煙囪排入大氣。圖 2.1 鍋爐的工藝流程圖2鍋爐的控制要求根據生產負荷的不同需要，鍋爐需要提供不同規格（壓力和溫度）的蒸汽，同時，根據安全性和經濟性的要求，是鍋爐安全運行和完全燃燒，

6、鍋爐設備的主要控制要求如下。1、供給蒸汽量適應負荷變化需要或者保持給定負荷；2、鍋爐供給用汽設備的蒸汽壓力應當保持在一定的范圍內；3 、過熱蒸汽溫度保持在一定范圍；4、汽包水位保持在一定范圍；5、保持鍋爐燃燒的經濟性和安全性；6 、爐膛負壓保持在一定的范圍內。根據上述要求，鍋爐設備的主要控制系統見表2.1.表2.1 鍋爐設備的主要控制系統控制系統被控變量操縱變量控制目的鍋爐給水控制系統鍋爐汽包水位給水流量鍋爐內產生的蒸汽和給水的無聊平衡過路燃燒控制系統蒸汽壓力煙氣成分爐膛負壓燃料流量送風流量引風流量蒸汽負荷的平衡燃燒的完全和經濟性鍋爐運行的安全性過熱蒸汽控制系統過熱蒸汽溫度噴水流量過熱蒸汽的溫

7、度和安全性3鍋爐爐膛溫度的動態特性分析火電廠的鍋爐爐膛由于采用的燃料為煤粉，在燃燒過程中，爐膛和汽包之間的傳熱過程是一個相當復雜的過程，爐膛的溫度的動態特性具有一般的大滯后、時變、非線性和不對稱性等特點。在過程控制中，為了方便設計，同時又在一定的要求范圍內，我們通常把鍋爐爐膛的溫度的動態特性看作是一個線性的系統。可以用以下傳遞函數描述。具有時滯的一階環節 具有時滯的二階環節 在現場環境中，爐膛內的溫度變化是時時刻刻的，很難用一個固定的數學公式將爐溫的變化規律總結出來。但是我們要對爐膛內的溫度進行控制就必須要對爐膛內的溫度變化進行一個規律的總結，所以在規定的要求范圍內，對一些情況進行近似處理是很

8、合理和必要的。在通常情況下，我們給定爐膛一個溫度值，作為系統的給定，使鍋爐爐膛在這個給定的溫度狀態下工作。這個溫度的變化又是和爐內的燃料燃燒量和爐體的總散熱量相關的。對于火電廠鍋爐來說，爐體的容量、結構、檢測元件及其安放位置等都影響著滯后的大小。它不是一個單一的問題，是一個系統問題(容積滯后時間就是級聯的各個慣性環節的時間常數之和)。純滯后產生的根源也要從整個測量系統來考慮，并且與溫度的高低有關。熱量從熱源傳到溫度傳感器要經過多個熱阻與熱容相串聯的熱慣性環節，而串聯的多容對象會產生等效純時滯后。隨著溫度的升高，輻射傳熱的比例增大，輻射具有穿透性，使傳熱路徑縮短，傳熱速度加快。所以純滯后的時間會

9、隨溫度升高而減小。由于火電廠鍋爐使用的燃料是煤粉，即鍋爐能量的來源方式是通過化學燃料的燃燒獲得能量的，同時，爐膛內能量的散發形式又是以爐膛的爐體熱量散失，對汽包進行熱量傳導進行散失等多種途徑進行的，所以爐膛內的溫度的變化是一個相當復雜的過程，是一個非線性變化的過程。從模型參數上看，在鍋爐爐膛的整個溫度調節范圍內，對象的增益、容積滯后時間和純滯后時間通常是與工作溫度與負載變化有關的變參數，而且參數變化量與溫度變化量之間是非線性關系。由于鍋爐爐膛內的溫度是高溫段的，在高溫段，溫度變化的純滯后時間和過程增益將比低溫段有顯著減少，而時間常數則顯著增大。鍋爐作為一種高負荷運轉的設備，特別是火電廠內的鍋爐

10、，長期處于高負荷運轉下，隨著運行時間的變化，其各項性能都會逐漸發生變化，特別是隨著使用時間的增長，爐子的保溫隔熱材料會逐漸老化，爐膛內部由于長期處于高溫環境中，爐體的保溫、密封性能變差，通過爐體向外散失的熱量增大。此外，鍋爐初次使用和久停后再用時，由于絕熱保溫材料中的水分大，爐膛溫度的特性差別也是很大的。另外，隨著季節的變換，鍋爐運行的外部環境溫度也是經常變化的，冬天外部環境相對較冷，爐體的散熱較快；夏天氣溫炎熱，爐體的散熱相對會較慢。如此種種因素都會引起爐膛溫度特性的變化，但變化的速度十分緩慢而不明顯。火電廠鍋爐爐膛溫度具有大慣性、大滯后特性。在爐膛的整個溫度范圍內，對象的增益、容積滯后時間

11、、純滯后時間都是與工作溫度有關的變參數。從傳熱原理可知，這些參數也與負荷變化有關。在鍋爐設計的工作溫區，在工作點附近的小范圍內其動特性接近于線性，較容易控制，用常規的PID調節器也能控制得很好，但不能經受太大的擾動，也不能夠大范圍地跟蹤變化較快的給定信號。對于常規儀表，大范圍地改變溫度要靠手動，僅當溫度接近給定值時方可投入自動。根據以上分析，可以認為火電廠鍋爐爐膛溫度是一種具有大容積滯后和大純滯后的對象。在整個爐膛的溫區內，其動態參數隨鍋爐的工作溫度變化，在工作點附近的小溫度范圍內，爐膛的動態特性近似線性的。4爐膛溫度控制的理論數學模型1）根據以上分析可知，爐膛溫度問題是比較復雜的。對爐膛溫度

12、動態特性進行分段線性化，則在每個較小的溫度區間，鍋爐爐膛的燃料流量爐膛溫度系統的動態特性可近似地用一個慣性環節和一個純滯后環節串聯的簡化模型來表征，即: （1） 其中K。為過程的增益，為過程的純滯后時間，To為過程的等效容積滯后時間。在鍋爐爐膛的整個溫度范圍內，對象的增益、容積滯后時間和純滯后時間都是爐膛溫度和負載的非線性函數。K。隨鍋爐爐膛內溫度升高而減小，To隨鍋爐爐膛內的溫度升高而增大。機理建模和計算機仿真分析以及實驗辨識等也證明了這一模型的可行性。2爐膛溫度控制方法的選擇雙交叉燃燒控制是以鍋爐爐膛溫度為主被控量、燃料和空氣并列為副被控變量的串級控制系統。其中，兩個并列的副環具有邏輯比值

13、功能。使該控制系統在穩定工作的情況下保證空氣和燃料的最佳比值，也能在動態過程中盡量維持空氣、燃料在最佳比值附近，因此，具有良好的經濟效益和社會效益。在煤粉流量調節回路中，爐溫PID的輸出A1與根據實測空氣流量折算成需要的煤粉流量之后，分別乘以一個偏置系數K3，得到信號A2，乘以一個偏置系數K4得到信號A3，A1、A2、A3三者經過高低選擇器比較，選中者作為煤粉流量PID的設定值。空氣流量調節回路中，爐溫PID的輸出B1，與根據實測煤粉流量折算成所須空氣流量之后，分別乘上一個偏置系數K1得到信號B2，乘上偏置系數K2得到信號B3，B1、B2、B3三者經高低選擇器比較，選中者乘上流量補償系數，送到

14、空氣PID作為設定值。圖4.1 雙交叉限幅燃燒控制原理其系統組成原理圖如圖 1所示。3 系統單元元件的選擇溫度檢測變送器的選擇在本次設計中，選用熱電阻溫度變送器，它的量程單元的原理圖如圖4.2。圖2 熱電偶溫度變送器量程單元原理圖熱電偶溫度變送器與各種測溫熱電偶配合使用，可將溫度信號線性地轉換成為420mADC電流信號或15VDC電壓信號輸出，它是由量程單元和放大單元兩部分組成的。熱電偶溫度變送器的主要特點是采用非線性負反饋回路來實現線性變化。這個特殊的性質反饋回路能按照熱電偶溫度毫伏信號間的非線性關系調整反饋電壓，以保證輸入溫度t與整機輸出或間的線性關系。由圖可見，熱電偶溫度變送器的量程單元

15、由信號輸入回路A，零點調整及冷端補償回路B，以及非線性反饋回路C等部分組成。輸入信號為熱電偶產生的熱電勢，輸入回路中限流電阻、和限壓穩壓管為安全火花防爆元件；電阻、還與電容組成低通濾波器。零點調整、量程調整電路的工作原理與直流毫伏變送器大致相仿。所不同的是：在熱電偶溫度變送器的輸入回路中增加了由銅電阻等元件組成的熱電偶冷端溫度補償電路；同時把調零電位器移動到了反饋回路的支路上；在反饋回路中增加了運算放大器等組成的線性化電路起線性化作用。由于鍋爐爐膛內的溫度值較高，所以選用的熱電偶變送器的溫度測量值必須達到要求，這里，我選用的是DBW-1150型熱電偶溫度變送器。DBW-1150型熱電偶溫度變送

16、器是DDZ-III系列儀表的主要品種。本溫度變送器用熱電偶作為測溫元件，將被測溫度線性地轉換成標準信號1-5VDC或4-20mADC輸出，供給指示、記錄、凋節器、計算機等自動化監控系統。技術參數輸    入：  標準熱電偶 輸    出：  輸出電流：420mADC              輸出電壓：15VDC &#

17、160;            輸出電阻：250              允許負載變化范圍：100量 程：  01600冷端補償誤差： 1溫度漂移：  0.1×基本誤差/1絕緣電阻：  電源、輸入與輸出端子間100M 絕緣強度： 

18、0;電源/輸入/輸山端子間1500VAC/分鐘 工作條件：  環境溫度：050              相對濕度：90%（RH）電源電壓：  24VDC±5%功    耗：  2W防爆等級：  (ib)IICT6重    量：  2Kg流量檢測變送器的選擇由

19、于流量變送的對象是煤粉和熱空氣，所以在選擇流量變送裝置的時候，必須是能夠檢測氣體流量和和粉末混合氣體的流量的。另外，由于空氣是熱空氣，所以還要求變送裝置能夠在一定的高溫下工作，所以這里選用的流量變送器為LUGB型渦街流量計。LUGB型渦街流量計根據卡門（karman）渦街原理測量氣體、蒸汽或液體的體積流量、標況的體積流量或質量流量的體積流量計。廣泛用于各種行業氣體、液體、蒸汽流量的計量，也可測量含有微小顆料、雜質的混濁液體，并可作為流量變送器用于自動化控制系統中。LUGB型渦街流量傳感器防爆型，符合GB3836-2000爆炸性環境用防爆電氣設備有關規定，防爆標志為“ExiaIICT6”，該儀表適用于工廠C級T6組及其以下的爆炸場所。在本次設計中，選用LUGB型渦街流量傳感器其精度等級完全可以滿足火電廠鍋爐溫度控制系統的精度要求。產品特點：可測量蒸汽、氣體、液體的體積流量和質量流量無機械運動部件 測量精度高 結構緊湊