锅炉控制方案设计

锅炉过程控制方案设计

班级:自1201

学号: 1501120121

学生姓名:向朋

指导教师:薄翠梅

2015年7月9日

电气工程与控制科学学院

第一章自然循环锅炉分析

1被控对象工艺流程

1. 1 工艺流程

赛题的被控对象是流程工业领域常见的自然循环锅炉。锅炉是用于生产蒸汽的装置，生产的蒸汽用于发电和提供热能。

软化水经给水泵P1101泵出，分成两路，一路给水去减温器E1101，与过热蒸汽换热，然后与另一路给水混合进入省煤器E1102。去减温器E1101的锅炉给水用于调整过热蒸汽的温度，同时也对锅炉给水进行预热。正常工况时，大部分锅炉给水直接流向省煤器，小部分锅炉给水流向减温器。省煤器E1102由多段盘

管组成，燃料燃烧产生的高温烟气自上而下通过管间，与管内的锅炉给水换热，回收烟气中的余热，并使锅炉给水进一步预热。

被烟气加热成饱和水的锅炉给水全部进入汽包V1102，再经过对流管束和下降管进入锅炉水冷壁，吸收炉膛辐射热在水冷壁里变成汽水混合物，然后返回汽包V1102进行汽水分离。锅炉汽包为卧式圆筒形承压容器，内部装有给水分布槽、汽水分离器等。汽水分离是汽包的重要作用之一，汽包V1102顶部设放空阀XV1104，分离出的饱和蒸汽再次进入炉膛F1101进行汽相升温，成为过热蒸汽。出炉膛的过热蒸汽进入减温器E1101壳程，进行温度微调并为锅炉给水预热，最后以工艺所要求的过热蒸汽压力、过热蒸汽温度输送给下游生产过程。过热蒸汽出口管线上设开关阀XV1105。

燃料经由燃料泵P1102泵入炉膛F1101的燃烧器，空气经变频鼓风机K1101送入燃烧器。燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使锅炉水汽化。燃烧产生的烟气带有大量余热，对省煤器E1102中的锅炉给水进行预热。烟气经由烟道，靠烟囱的抽力抽出，通入大气。

1.2 仪表及操作设备说明

系统中用到的检测仪表及执行机构具体说明见下表。

1.3 锅炉系统控制要求

（1）燃烧控制，需要控制燃料和空气的配比，以达到充分燃烧；

（2）给水控制，需要与蒸汽产量匹配，以控制锅炉汽包内水的储量；

（3）过热蒸汽出口压力控制，要求能够根据负荷的变化控制蒸汽压力；

（4）过热蒸汽出口温度控制，需要根据工艺要求精确控制蒸汽温度。

第二章锅炉控制方案设计

2.1 汽包水位控制方案

汽包液位是蒸汽锅炉运行中一个非常重要的控制参数，它可以间接反映锅炉负荷与给水平衡的关系。维持汽包水位正常时保证锅炉和下级设备安全运行的必要条件，如果汽包液位过高，使蒸汽带液，影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽水分含量过多，导致过热器管壁结垢而被烧坏，也使过热蒸汽温度急剧变化，直接影响下级设备的稳定运行；汽包液位过低会影响汽水循环，严重时甚至可使加热水管局部受热而导致严重的事故。而且汽包的给水量也不应该剧烈波动，以免影响省煤器和进水管道的安全。

2.1.1 汽包水位影响因素

(1) 给水流量

如果汽包的给水量突然出现扰动而增加，一方面由于给水温度低于汽包内的饱和水温度，刚刚进入汽包的给水会吸收原有饱和水的一部分热量，从而减少蒸汽量，水面下的气泡总体积也相应减小，汽包水位下降。但是，从单容系统的角度考虑，不考虑气泡的影响，则给水量增加势必使汽包水位上升。两种情况叠加即得到给水量增加时，汽包水位经过一段迟延后趋于单容系统规律而上升，迟延的时间随着给水的过冷度越大而越大。

(2) 锅炉负荷

如果过热蒸汽流量（即锅炉负荷）突然出现扰动而增大，一方面汽包内的物质平衡状态被打破使水位下降；另一方面，由于锅炉出口的过热蒸汽量增加，迫使锅炉内的气泡增加，而燃料量不可能瞬间随之增加，这使汽包内的压力减小，水面下的气泡膨胀，总体积增大，导致水面上升，出现“虚假水位”。两种情况共同影响汽包水位，使汽包中出现“虚假水位”现象，导致锅炉负荷增大时汽包水位先上升一段时间后才开始下降。虚假水位会导致给水调节机构的误操作，使汽包水位波动剧烈，严重影响设备的安全和寿命。这说明蒸汽流量扰动是影响汽包水位至关重要的因素之一。

(3) 燃料流量

如果燃料量出现扰动增加，则饱和水吸收的热量增大，使锅炉负荷的蒸汽量增加，同样会导致出现“虚假水位”。但水循环系统中的水量比较大，且汽包和水冷壁有一定的储热能力，使系统有一定的热惯性，蒸汽量增加缓慢。且蒸汽量缓慢增加的同时汽包内的压力也会随之缓慢增大，使水面下的气泡体积变小，汽包水面下降。两种情况综合考虑，则燃料量的增加出现的汽包“虚假水位”较蒸汽流量扰动下要缓和得多。因此汽包水位控制过程中可认为燃料量是间接扰动。

2.1.2 被控变量与操纵变量的选择

被控变量：汽包水位

操纵变量：给水流量

给水流量可以直接影响汽包水位，调整控制方便。

2.1.3 调节阀的选择

V1101、V1102是汽包上水流量调节阀，一旦系统出现故障，气源信号减弱，这时为了防止锅炉发生干烧危险，应保证汽包内有一定的水储量，故调节阀应处于打开状态，所以选择气闭式调节阀。

根据调节阀流量特性，选择等百分比调节阀。

2.1.4 控制方案设计

如单从物质平衡角度考虑，则只要保证汽包中的给水量与蒸发量恒等，汽包中达到一个动态平衡，就可以使汽包水位不变，因此可以采用比值控制方法调节给水量跟踪蒸汽量。

但对于闭环系统来说也要同时考虑汽包水位，这样可以避免蒸汽量和给水量测量不准确或由于管道泄漏等情况造成的给水量和蒸汽量间比值不确定带来的偏差。从而采用三冲量控制方法控制汽包水位，即控制系统中同时引入汽包水位、给水量及过热蒸汽量三个测量信号。

汽包水位的反馈量可以在锅炉稳定工况时消除静差，但会在锅炉负荷变化时造成“虚假水位”。而比值控制方法的引入，由于其不依赖于汽包水位，所以在一定程度上可以缓解“虚假水位”造成的误操作。

考虑到单级三冲量控制系统对信号的静态配合要求严格，到当负荷波动较大或给水压力不稳时易使系统存在静态误差，且整定较为困难。因此采用串级三冲量汽包水位控制系统，系统方框图见图。内环副调节器主要用于迅速抵消给水量的扰动，外环主控制器的任务是消除锅炉负荷扰动的同时将汽包水位无静差地维持在期望高度。