锅炉炉膛负压控制系统课程设计

目录一、概述 (Ⅲ)二系统要求及组成 (Ⅴ)2.1系统的要求 (Ⅴ)2.2炉膛负压的动态特性 (Ⅴ)2.3引风控制系统的工况 (Ⅴ)2.4系统的组成 (Ⅵ)三应注意的问题 (Ⅷ)3.1抗积分饱和及外反馈法 (Ⅷ)3.2 采用死区非线性环节 (Ⅸ)3.3 引风机1和2的双速调节 (Ⅸ)3.4 炉膛压力的测量 (Ⅹ)3.5 内爆保护 (Ⅹ)四、仪表选型及参数整定 (Ⅺ)4.1 前馈-反馈控制系统 (Ⅺ)4.3 传感器的选择 (Ⅺ)4.4 选择控制系统设计 (Ⅺ)五课程设计体会 (Ⅻ)六参考文献 (ⅩⅢ)一概述锅炉是指利用各种燃料、电或者其他能源，将所盛装的液体加热到一定的参数（2.45Mpa- 27MPa ，400℃-570℃），并对外输出热能的特种设备。

锅炉控制的主要目的是调节锅炉出口的蒸汽压力、流量和温度，使其达到所希望的数值。

为此，需要对燃料、空气和水三者的量进行调节。

锅炉是一个复杂的系统，对锅炉工况造成影响的因素之一是来自外部和内部的扰动，如燃料发热量的变化或热力系统工况的变化等。

控制器或控制系统根据锅炉出口蒸汽参数实际值偏离其设定值的大小和方向，调节燃料量、空气量和水量，使锅炉出口参数与其所希望的值相一致。

锅炉除配有相应的仪表系统外，主要有以下控制系统：汽包液位控制系统；燃料控制系统；过热器和再热器出口蒸汽温度的控制系统；燃烧器程序控制系统等等。

不同类型的锅炉，尽管其控制系统不尽相同，但是它们的工作原理大体是相同的。

而其中最重要的系统是燃烧控制系统。

其主要功能是控制炉膛的燃料的空气的输入量，或控制燃烧率，以适应锅炉负荷的变化。

对锅炉运行和控制系统来说，锅炉出口蒸汽压力的变化经常作为燃料量的输入和蒸汽量的输出之间不平衡的一个标志。

引起蒸汽压力变化的因素很多，其中主要的扰动量是燃料量（内扰）和蒸汽量的变化（外扰）。

燃烧控制系统的基本要求是：迅速适应外界负荷需求的变化；及时消除锅炉燃料侧的自发扰动；维持调节过程中各被调量在允许的范围内；保证锅炉运行的安全性和经济性。

燃料控制系统一般包括燃料控制、引风控制和鼓风控制三个子系统。

燃料控制子系统中，蒸汽压力的实际值相对于其设定值的偏差输入到蒸汽压力控制器，经控制运算后输出调整锅炉燃烧率的指令信号；燃烧控制器根据锅炉燃烧率的指令信号的变化调整入炉燃料量。

同时，锅炉燃烧率的指令信号也加入到鼓风控制子系统中，对鼓风量进行调整。

为保证燃烧的过程的经济性，即保证燃烧过程合适的燃料和风量的比值，常采用具有烟气氧量校正调节的鼓风控制系统，形成有燃料量前馈调节的串级控制系统，在保证送风量与燃料量基本成比例的粗调的基础上，进一步通过氧量校正对送风量进行调节，保证烟气含氧量等于设定值，实现经济燃烧的细调。

引风控制子系统的任务是通过调整锅炉引风量，保证炉膛负压（除卧式内燃炉）在规定的范围内。

由于蒸汽量的波动和送风量是引起负压变化的主要原因，可将蒸汽量或送风量作为前馈信号引入调节器，提高引风系统的稳定性，减小炉膛负压的动态偏差。

锅炉控制首要任务是保证设备稳定运行，对于大多数锅炉保证其安全运行的最基本条件是维持合适的炉膛负压，相对安全而言，引风控制比燃料控制更重要。

而且炉膛负压对经济燃烧影响较大，他影响着燃烧状况和排热量损失。

所以实际锅炉控制系统中，把负压控制（引风控制）回路定义为第一控制回路，给燃料控制回路反而是第四控制回路，以表示负压控制安全级别最高。

例如煤粉锅炉若引风机故障导致无引风时，继续往炉内输入燃料，可能导致炉膛爆炸这样的恶性事故，所以在锅炉连锁报系统设计中，引风控制回路的级别最高，即引风故障导致低级别的给煤控制产生联锁保护，而给煤故障并不会触发引风控制联锁保护。

同时炉膛负压的测量易受到锅炉正常维护操作（热水锅炉打开锅炉正面的小门观察燃烧情况，打开锅炉侧面小门清理灰渣）的干扰，也容易受到负压取样管堵塞（煤粉锅炉的灰渣易堵塞取样管）而给出错误信号。

因此，本次课程设计的内容需要考到许多工厂实际问题，十分具有实践性和挑战性。

二系统要求及组成2.1系统的要求2.1.1炉膛压力的范围炉膛负压（除卧式内燃锅炉）保持在-78.4Pa到-19.6Pa，通常情况负压应维持在-20Pa左右。

2.1.2炉膛负压系统应有相应的防护措施炉膛负压系统应对积分饱和、回火和脱火可能的事故采取相应的防护措施。

2.2炉膛负压的动态特性炉膛负压的控制对象是引风机挡板所控制的引风量，成为内扰。

送风量变化会影响炉膛负压，称为外绕。

炉膛负压的动态特性是引风量阶跃变化时，炉膛负压随时间变化的特性，如图2.1所示。

由于炉膛负压反应很快，可做比例特性来处理。

G Pf图2.1 炉膛负压的动态特性2.3引风控制系统的工况引风控制系统逻辑有3种工况，即引风挡版开度硬手操、软手操和自动。

2.3.1 引风机挡板开度硬手操。

引风机挡板开度硬手操的条件为选择引风机挡板硬手操。

2.3.2 引风机挡板开度软手操的条件。

引风机调节电源故障；引风自动调节失灵；引风机掉闸；引风机挡板速率大；引风机挡板硬手操；选择引风机挡板软手操。

2.3.3 引风机挡板控制回路处于自动。

当所有手动条件不存在时，系统就可以投自动。

自动时由人工手动给给定值。

同时只有软手动切换到硬手动，需要进行预平衡后才能实现无扰动切换；其他情况都可直接实现无扰动切换。

2.4系统的组成如下图2.2所示为锅炉燃烧过程炉膛负压及安全保护系统。

可知，该控制系统由三个子系统组成。

蒸汽图2.2锅炉炉膛负压控制系统原理图2.4.1 炉膛负压控制炉膛负压控制一般可通过控制引风量来调节。

鉴于引风量落后于燃料量和鼓风量的控制，可能引起系统大的波动，造成不稳定因素。

所以，将汽包出口蒸汽压力作为前馈信号与以引风量为反馈信号——共同组成前馈反馈复合控制系统，其原理图和框图如图2.3。

蒸汽压引风管图2.3 炉膛负压前馈-反馈控制框图及原理图2.4.2 防“脱火”控制系统流程图如下图2.4所示，燃料为天然气。

PC1和PC2为反作用调节器，调节阀为气开型（A.O）。

调节器采用PID调节规律（1()DIdeu K e e dt TT dt=++⎰）。

PC1与PC2调节器都为压力调节器，都选择PI规律。

PC1为正常工况使用的调节器，PC2为取代调节器。

系统正常运行电磁阀失电，PC3系统不起作用，而PC1调节器工作。

当压力下降时，调节器PC1输出增加（反作用），调节阀开度增加，天然气流量增大，蒸汽压力增加至正常值，从而使恢复正常工况；但当蒸汽压力减小到某一下限值时，导致调节阀阀后压力（燃料气压力）过于增加而可能产生“脱火”危险，PC2调节器的输出大幅度减小，且低于PC1的输出值时。

低值选择器选通PC2的系统，使调节阀的开度减小，降低了阀后压力，从而避免了“脱火”事故的产生。

当工况恢复正常后，PC1调节器的输出又低于PC2的输出,PC2自动切除，PC1再次投入运行。

图2.4 锅炉防回火及脱火原理图2.4.3 防“回火”控制原理图如上图2.4所示，PC3为带下限节点的压力调节器，选择PI规律。

它与电磁三通阀，继电器共同组成防“回火”自动连锁硬件保护系统。

系统在正常运行时，PC3下限节点是断开的，该控制回路不起作用。

但是当蒸汽压力增加时，如上分析，低通选择器的选择使调节阀的关小，燃料气的压力减小，由于工艺原因，当燃料气的压力减小到某一下限值——达到有可能产生“回火”时，PC3下限节点接通，电磁阀关闭，于是便切断了低值选通器到调节器的回路，于是调节阀的膜头与大气接通，调节阀关闭，实现硬保护。

三应注意的问题3.1 抗积分饱和及外反馈法鉴于选择控制系统中，两个调节器都有积分作用，当低选器选通一个调节器时，另一个控制器处于开环，可能会出现“积分饱和”，影响系统的正常运行。

所以，必须采用抗积分饱和的措施，通常抗积分饱和的方法大体上分为硬件和软件两种方法。

软件上，采用输出限幅法和去积分法的方式；硬件上，采取选择器的输出信号作为两个控制器共同的反馈信号的措施（即外反馈法），该措施原理图如下图3.1：图3.1 积分外反馈法原理图外反馈法是指调节器处于开环状态下不选用调节器自身的输出做反馈，而是用其他相应的信号做反馈以限制其积分作用的方法，如图为外反馈的系统原理。

在选择控制系统中，设两台比例积分调节器的输出分别为P1 P2。

选择器选中之一后，一方面送至调节阀，同时有反馈到两台 调节器的输入端，以实现积分外反馈。

若选择器为低值选择器，设P1小于P2，调节器1被选中，其输出为1111()I u k e T e dt =+*⎰，由上图可见，积分外反馈信号就是其本身的输出P1。

因此，调节器1仍保持PI 调节规律。

此时，调节器2处于备用状态，其输出为2221()I u k e T e dt =+*⎰，上式积分项的偏差为e1,并非其本身的偏差e2的积累而带来的积分饱和问题。

当系统处于稳态时，e1=0，调节器2仅有比例作用。

所以，处在开环状态的备用调节器不会产生积分饱和。

一旦生产过程出现出现异常，而该调节器的输出又被选中时，其输出反馈到自身的积分环节，立即产生PI 调节动作，投入系统运行。

3.2 采用死区非线性环节炉膛压力信号与给定值的偏差经死区非线性环节送入炉膛压力控制器，如果炉膛压力的偏差在死区（不灵敏区）内，控制器不动作；如果炉膛压力的偏差超过死区（不灵敏区），控制器将输出。

采用死区非线性环节的目的是避免因炉膛压力经常有微小波动而频繁动作调节机构，增加机械磨损和动力损耗。

3.3 引风机1和2的双速调节为了减小引风机进口动叶节距改变的节流（流体在管道里流动时，有时流经阀门、孔板等设备，由于局部阻力，使流体压力降低，这种现象称为节流）损失，采用两台双速离心式引风机的单回路系统控制炉膛压力，方框图如图3.2，其中被控参数为引风机的引风流量，控制参数为引风机进口动叶节距。

引风机有高低两种速度。

当炉膛负荷较高时，引风量也相应的增加，这时可采用引风机的高速档；当锅炉负荷较低时，引风量也相应的要较小，这时可以采用引风机的低速档。

图3.2引风机控制回路原理图在高速档和低速档切换时，为了不使引风量产生突然地改变，达到无扰动切换，可采用改变控制系统闭环增益的方法。

当引风机有低速改变到高速时，闭环控制系统使引风机的进口动叶节距减小，从而使引风量基本不变，达到无扰动切换的目的。

3.4炉膛压力的测量炉膛压力的测量采用3个差压变送器，3个差压变送器的输出分别送到3个小值选择器，3个小值选择器的输出再送到大值选择器，大值选择器的输出为3个差压变送器的输出（测量）值的中间值。

采用3个差压变送器的目的是为了防止因变送器故障或信号管路堵塞而影响测量值的可靠性，从而影响炉膛压力控制的可靠性。

测量的中间值与差压变送器的输出（测量）值进行比较，如果偏差超出一定范围，则将发出报警信号。