锅炉燃烧控制系统

燃气锅炉燃烧控制系统
摘要
这篇文章主要介绍了锅炉燃烧控制系统的设计过程。

在设计过程中介绍了锅炉燃烧控制系统的控制任务和控制特点，对于燃烧控制系统的设计方案，根据不同的控制任务分别设计了蒸汽压力控制和燃料空气比值控制以及防脱火回火选择性控制系统，并在设计中给出了不同的设计方案，以对比各自的优缺点，选择最优的控制。

然后，把分别设计的控制系统组合起来，构成完整的锅炉燃烧过程控制系统。

最后，对设计好的控制系统进行仪表选型。

关键词：燃气锅炉，燃烧系统，比值控制，脱火回火
0引言:
大型火力发电机组是典型的过程控制对象，它是由锅炉、汽轮发电机组和辅助设备组成的庞大的设备群。

锅炉的燃烧控制过程是一个复杂的物理，化学过程，影响因素众多，并且具有强耦合，非线性等特性。

锅炉的自动化控制经历了三、四十年代的单参数仪表控制，四、五十年代的单元组合仪表，综合参数仪表控制，直到六十年代兴起的计算机过程控制几个阶段。

尤其是近一、二十年来，随着先进控制理论和计算机技术的发展，加之计算机各项性能的不断增强及价格的不断下降使锅炉应用计算机控制很快得到了普及和应用。

电厂锅炉利用煤或煤气的燃烧发热，通过传热对水进行加热，产生高压蒸汽，推动汽轮机发电机旋转，从而产生强大的电能。

在锅炉燃烧系统中，燃料供给系统，送风系统以及引风系统是燃烧控制系统的重要环节。

锅炉生产燃烧系统自动控制的基本任务是使燃料所产生的热量适应蒸汽负荷的需要，同时还要保证经济燃烧和锅炉的安全运行。

具体控制任务可分为三个方面：一，稳定蒸汽母管压力。

二，维持锅炉燃烧的最佳状态和经济性。

三，维持炉膛负压在一定范围（-20～-80Pa）。

这三者是相互关联的。

另外，在安全保护系统上应该考虑燃烧嘴背压过高时，可能使燃料流速过高而脱火；燃烧嘴背压太低又可能回火。

本次课程设计的题目为燃气锅炉燃烧控制系统的设计。

主要内容包括燃烧控制系统的概述；燃烧控制系统的基本方案；以及燃烧控制系统的仪表选型。

设计方案为以主蒸汽压力控制系统为主回路，燃料量与空气量比值控制系统为内回路，燃烧嘴防脱火回火选择控制系统为辅助安全保护系统。

为节省篇幅，炉膛压力控制系统在这里暂不涉及，但在实际控制系统中炉膛压力控制系统是锅炉燃烧控制系统中必不可少的组成部分之一。

燃烧控制系统是锅炉的主控系统，主要包括燃料控制系统、风量控制系统、炉膛压力控制系统。

目前大部分的锅炉燃烧控制系统仍然采用PID控制。

燃烧控制系统由主蒸汽压力控制和燃烧率控制组成串级控制系统，其中燃烧率控制由燃料量控制、送风量控制、引风量控制构成，各个子控制系统分别通过不同的测量、控制手段来保证经济燃烧和安全燃烧。

燃烧过程自动控制系统的方案，与锅炉设备的类型、运行方式及控制要求有关，对不同的情况与要求，控制系统的设计方案不一样。

将单元机组燃烧过程被控对象看作是一个多变量系统，设计控制系统时，充分考虑工程实际问题，既保证符合运行人员的操作习惯，又要最大限度的实施燃烧优化控制。

1 锅炉情况：
燃气蒸汽锅炉是用天然气、液化气、城市煤气等气体燃料作燃料，在炉内燃烧放出来的热量，加热锅内的水，并使其汽化成蒸汽的热能转换设备。

水在锅（锅筒）中不断被炉里气体燃料燃烧释放出来的能量加热温度升高并产生带压蒸汽。

由于水的沸点随压力的升高而升高，锅是密封的，水蒸气在里面的膨胀受到限制而产生压力形成热动力，严格的说锅炉的水蒸气是水在锅筒中定压加热至饱和水再汽化形成的，作为一种能源广泛使用。

燃气锅炉控制系统由自动控制系统控制、故障报警控制、电气控制系统等控制单元组成。

系统主要功能是：人机界面实时显示各种监测点运行参数，如：燃烧系统温度、压力、水流量等，随时、定时打印各类数据报表和运行曲线；自动/手动无扰动切换功能，保证系统在非正常状态下也能够安全运行；
报警、联锁保护功能：锅炉系统超温、锅炉系统超压、各锅炉排烟超温、水流开关检测、流量计水流检测、补水压力异常、供回水压力异常、燃气泄漏检测等，各报警产生后均自动执行相应的联锁保护措施；设备故障诊断功能：对锅炉、测量仪表、电动开关阀、电动调节阀等设备的工作状态进行诊断，及时对故障设备作报警指示。

系统组成框图如图1所示。

整个系统由三部分组成：中央监控系统、现场工作站系统和远程传输系统。

中央监控系统即调度室计算机监控系统，负责接收现场各站点传来的数据，存储并显示，以便操作人员查看和生成报表。

在必要的情况下，可由操作人员向现场各站点发送控制命令或修改参数。

远程传输部分负责完成调度室和各现场站点之间的数据传输，采用调制解调器构成的传输方式。

2锅炉控制系统描述
锅炉是石油化工、发电等工业过程中必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、反应、加热等过程的热源。

由于锅炉设备所使用的燃料种类、燃烧设备、炉体形式、锅炉功能和运行要求的不同，锅炉有各种各样的流程。

常见的锅炉设备主要工艺流程如图2.1所示。

图2.1 常见锅炉设备主要工艺流程图
由图2.1可知，燃料和热空气按一定比例进入燃烧室燃烧，产生的热量传给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds。

然后经过热器，形成一定温度的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。

压力为Pm的过热蒸汽，经负荷设备控制阀供给生产负荷设备使用。

与此同时，燃烧过程中产生的烟气，将饱和蒸汽变成过热蒸汽后，经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱排人大气。

锅炉设备的主要任务是根据负荷的需求，提供一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行，为此生产过程的各个工艺参数必须严格控制。

大型锅炉是一个复杂的被控装置，它的被控变量和操纵变量繁多且相互关联，属于一个多变量耦合对象。

根据其耦合程度的疏密分为几个独立的控制区域，分别采用单变量系统(变量关联弱)或多变量耦合系统控制(变量关联强)。

燃烧控制系统是锅炉设备主要的控制系统之一。

锅炉燃烧系统的控制有3个被控变量：负荷、经济燃烧指标和炉膛负压。

可选用的操纵变量也有三个：燃料量、送风量和引风量。

组成的燃烧系统的控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要；使燃料与空气之间保持一定的比值，保证燃烧的经济性和锅炉的安全运行；使引风量与送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围内。

3 燃烧器选型：
燃烧器是一种将燃料和空气，按所要求的浓度、速度、湍流度和混合方式送入炉膛，并使燃料能在炉膛内稳定着火与燃烧的热能装置。

燃料以燃油和燃气为主。

一般应用在中小型燃油或燃气锅炉上。

燃气燃烧器构造由以下5个系统组成：
1、送风系统：送风系统的功能在于向燃烧室里送入一定风速和风量的空气，其主要部件有：壳体、风机马达、风机叶轮、风枪火管、风门控制器、风门档板、凸轮调节机构、扩散盘。

2、点火系统：点火系统的功能在于点燃空气与燃料的混合物，其主要部件有：点火变压器、点火电极、电火高压电缆。

3、监测系统：监测系统的功能在于保证燃烧器安全、稳定的运行，其主要部件有火焰监测器、压力监测器、温度监测器等。

4、燃料系统：燃料系统的功能在于保证燃烧器燃烧所需的燃料。

燃油燃烧器的燃料系统主要有：油管及接头、油泵、电磁阀、喷嘴、重油预热器。

燃气燃烧器主要有过滤器、调压器、电磁阀组、点火电磁阀组然、燃料蝶阀。

5、电控系统：电控系统是以上各系统的指挥中心和联络中心，主要控制元件为程控器，针对不同的燃烧器配有不同的程控器，常见的程控器有：LFL系列、LAL系列、LOA系列、LGB系列，其主要区别为各个程序步骤的时间不同。

当可燃气体（城市煤气、天然气、液化石油气）由微电脑控制系统按程序控制进入燃烧器的燃烧头内，由一次风与可燃气体混合，点火燃烧，二次风助燃，实现充分燃烧。

燃烧状况由火焰自动跟踪系统检测控制燃烧，当燃烧出现故障（燃烧室缺氧、可燃气体欠压、可燃烧气体断流、气量不足等），控制系统发出指令，供气系统的电磁阀迅速关闭，切断气电源，燃烧器自动吹扫后停机，指示故障。

本设计选用威索(-weishaupt-)燃气燃烧器WM – G10/4-A / ZM (W-FM50)型号。

4燃烧与汽压控制设计：
4.1燃烧过程特点、工况要求：
锅炉燃烧自动控制系统的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应外界对锅炉输出的蒸汽负荷的要求，同时还要保证锅炉安全经济运行。

一台锅炉的燃料量、送风量和引风量三者的控制任务是不可分开的，可以用三个控制器控制这三个控制变量，但彼此之间应互相协调，才能可靠工作。

对给定出水温度的情况，则需要调节鼓风量与给煤量的比例，使锅炉运行在最佳燃烧状态。

同时应使炉膛内存在一定的负压，以维持锅炉热效率、避免炉膛过热向外喷火，保证了人员的安全和环境卫生。

4.2燃气锅炉汽包压力与炉膛火力的控制系统原理图：
4.3燃烧火力给定信号形态及其与燃烧器的关联作用方式：
P为机组负荷热量信号为D+dPbdt。

控制系统包括：滑压运行主汽压力设定值计算模块（由热力系统实验获得数据，再拟合成可用DCS折线功能块实现的曲线）、负荷—送风量模糊计算模块、主蒸汽压力控制系统和送、引风控制系统等。

主蒸汽压力控制系统采用常规串级PID控制结构。

当外界对锅炉蒸汽负荷的要求变化时，必须相应的改变锅炉燃烧的燃料量。

燃料量控制是锅炉控制中最基本也是最主要的一个系统。

因为给煤量的多少既影响主汽压力，也影响送、引风量的控制，还影响到汽包中蒸汽蒸发量及汽温等参数，所以燃料量控制对锅炉运行有重大影响。

燃料控制可用图3简单表示。

燃烧过程的经济与否可以通过剩余空气系数是否合适来衡量，过剩空气系数通常用烟气的含氧量来间接表示。

实现经济燃烧最基本的方法是使风量与燃料量成一定的比例。

送风量控制子系统的任务就是使锅炉的送风量与燃料量相协调，可以达到锅炉的最高热效率，保证机组的经济性，但由于锅炉的热效率不能直接测量，故通常通过一些间接的方法来达到目的。

4.4说明调节过程和控制原理：
在锅炉燃烧过程中，用常规仪表进行控制，存在滞后、间歇调节、烟气中氧含量超过给定值、低负荷和烟气温度过低等问题。

采用PLC对锅炉进行控制时，由于它的运算速度快、精度高、准确可靠，可适应复杂的、难于处理的控制系统。

因而，可以解决以上由常规仪表控制难以解决的问题。

所选择的PLC系统要求具有较强的兼容性，可用最小的投资使系统建成及运转；其次，当设计的自动化系统要有所改变时，不需要重新编程，对输入、输出系统不需要再重新接线，不须重新培训人员，就可使PLC 系统升级；最后，系统性能较高。

5 防脱火回火选择性控制系统
锅炉燃烧控制系统除了要考虑“脱火”保护以外，还要考虑“回火”的保护问题，因此可以设计一个混合型选择性控制系统来进行解决。

当燃料压力不足时，燃料气管线的压力有可能低于燃烧室压力，这样就会出现危险的“回火”现象，这会危及燃料气罐发生燃烧和爆炸。

因此，必须设法加以防止。

为此，可在图3.4所示的蒸汽压力与燃料气压力连续型选择性控制系统的基础上，增加一个燃料气压力过低的开关型选择内容，如图3.6所示。

图5.1防脱火回火混合型选择性控制系统
在本方案中增加了一只带下限节点的压力控制器PC3和一个三通电磁阀。

当燃料气压力正常时，PC3下限接点是断开的，电磁阀失电，低选器LS输出直通控制阀，此时系统的工作情况与图3.3相同。

一旦燃料气压力下降到低于下限值，PC3下限接点接通，电磁阀得电，于是便切断了低选器LS至控制阀的通路，并使控制阀的膜头与大气相通，膜头压力将迅速下降至零，于是控制阀将关闭，以防止“回火”的产生。

当燃料气管线压力慢慢上升达到正常值时，PC3接点又复断开，电磁阀复断电，于是低选器LS的输出又能直通控制阀，恢复成图3.4的控制方案。

图5.2 脱火回火混合型选择性控制系统方块图
该系统的方块图如图5.2所示。

图中：
Gc1(s)、Gc2(s)、Gc3(s)——分别为控制器PC1、PC2、PC3传递函数；
Go1(s)——蒸汽压力对象传递函数；
Go2(s)——燃料气压力对象传递函数；
Gm1(s)、Gm2(s)、Gm2(s) ——分别为蒸汽压力、燃料气上限和下限压力变送器传递函数。

6. 燃烧控制系统的仪表选型
图6.1燃烧控制总体方案
任何一套控制系统要想充分发挥它的功能作用，正确、合适的仪表选型是至关重要的。

然而仪表的选型也时复杂的工作。

对于不同的控制对象，仪表选型会有很大不同，甚至相同控制对象的不同工况条件，仪表选型也会千差万别。

仪表选型的根本原则是根据控制的实际对象、实际工况、实际功能来选择合适的仪表类型。

按照图3.8，具体仪表选型如下：
压力变送器选择JKS318智能型压力变送器，该变送器采用高性能的感压芯片，配合先进的电路处理和温度补偿技术，将压力变化转化为4～20mA的线性电流，压力测量范围最大为0~40MPa，最小为
0~1KPa；
流量变送器选择标准孔板的JK3351DP型差压变送器，以差动电容为检测原理组成电容式变送器，输入压力范围为0～10MPa；
HS、LS分别为DFC系列高、低值选择器；
阀1，2，3为气动蝶阀，类型都为气开阀，流量特性为线性；
PC1、PC2为反作用D520/7DD差压控制器，该控制器采用波纹管式的传感器，调节范围 0.01～1.6 MPa，工作压力范围 0.05～2.5 MPa。

PC3为一只带下限接点的压力控制器，设定值为燃料管线的最小压力值；
F1C、F2C为反作用GFC系列气体流量控制器，最大流量为0～1000L/min，最大压力为
1000psig(70bar)，信号范围0～5VDC和4～20mA；
K为燃料量与空气量的比值系数；
三通电磁阀类型为一进一出常闭式。

参考文献
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