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
()
D
I
de
u K e e dt T
T 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。

3.5内爆保护
当发生主燃料跳闸时，由于熄火将会使炉膛压力大幅度下降，进一步会引起炉膛发生内爆事故。

因此，炉膛压力控制系统应进行相应的保护设计，例如关闭引风机进口动叶节距到预定开度。

当发生主燃料跳闸时，执行器将引风机1和2的进口动叶节距减小到相应开度，当达到预定整定时间（一般为10s）后，增大节距开度，是引风机进口动叶逐渐开大，到主燃料跳闸发生后20s，引风机进口
动叶节距又恢复到原来的开度。

四、仪表选型及参数整定
4.1 前馈-反馈控制系统
系统在负荷的干扰下，对被控参数实现完全补偿的条件：Gff(s)=-Gpd(s)/Gpc(s).
前馈控制系统的模型中，静态参数Kf的整定是很重要的。

正确的选择kf,也就能准确地确定阀位。

如果kf选的过大，相当于对反馈控制回路施加了干扰，这将产生错误的前馈静态输出，将有反馈输出来补偿。

开环整定是在前馈-反馈系统中将反馈回路断开，使系统处于单纯静态前馈状态下，施加干扰，kf值由小逐渐增大，直到被控变量回到给定值。

此时对应的kf值为最佳整定值。

为了使kf值整定结果准确，应力求工况稳定，减小其他干扰对被控变量的影响。

4.2执行器的选择
执行器选择气动薄膜调节阀。

根据被控参数流量的性质选择对数性调节阀。

4.3传感器的选择
由于测量压力通常较大（大于19.36Mpa），且测量精度要求高，信号能远传。

选择不锈钢材料加装充有中性介质的扩散硅式差压变送器，量程范围选择（0.3A-0.75A）为6Mpa-100Mpa,精度等级为0.1。

4.4 选择控制系统设计
选择控制系统设计，包括控制阀开、闭形式选择，控制器规律及正反作用的选择.
一般控制系统的设计流程是：首先，根据生产安全要求，选择控制阀的开闭形式；其次，根据对象的特性和控制要求，选择控制器的控制规律及正反作用；
最后，根据控制器的正反作用和选择控制系统设置的目的，确定选择器的类型。

4.4.1选择性控制系统控制阀气开气闭形式的选择。

控制阀的气开气闭形式的选择主要是根据具体的工艺以及安全要求来确定
的，它与控制器的正反作用也是密切相关的。

系统中为防止爆炸事故，控制阀应选气开式，一旦出现故障，控制阀处于关闭状态，阻止燃料进入。

4.4.2选择性控制系统控制器控制规律及正反作用方式的确定。

一般选用PI控制规律，如果过程的容量滞后较大，可以选用PID控制规律；
取代控制器在正常的生产中处于开环状态，要求其在生产将出现问题的时候能及时迅速的采取控制措施以防止事故发生，所以一般仅采用纯比例控制规律即可。

对两个控制器的正反作用方式，可以完全根据单回路控制系统设计原则来确定。

当选择器选中，系统构成闭环控制，由于对象为“正作用”，所以控制器选择反作用，当选择器选中输出时，系统构成闭环控制，由于对象为“正作用”，因此控制器为反作用。

4.4.3选择性控制系统选择器的选择。

一般来说，选择器有两种类型：高值选择器和低值选择器。

高值选择器只允许高值信号通过，而低值选择器只允许低值信号通过。

在具体选型时，根据生产处于非正常情况下，取代选择器的输出信号为高值或低值来确定选择器的类型的。

在该系统中，PC2控制器为取代控制器，它是反作用控制器，因此当时其输出为高，应不被选中。

一旦时，以输出为低信号，应被选择其选中，所以应选低选器。

4.5选择控制系统参数的整定
因为选择控制系统的两个控制器是轮换工作的，所以控制器的参数整定完全可以按照单回路控制系统的整定方法（临界比例度法、衰减曲线法和反应曲线法）进行。

但是，取代控制方案投入工作时，取代控制器必须发出较强的控制信号，产生及时的自动保护功能，所以，其比例度应整定的小一些。

如果有积分作用的时候，积分作用也应该整定的弱一些。

五课程设计体会
通过这次课程设计，让我学到了许多课堂上学不到的东西，不仅锻炼了我搜集信息、提取信息的能力，而且还教会了我一种做学问的态度。

使我深刻的认识到做好一个课程设计是很困难的，而且需要严谨的态度才能完成。

因为我所学的知识有限，所以在设计的过程就难免会很吃力并且出现很多错误，这就需要我们有自强不息的能力。

本次过程控制课程设计是一个以上学期生产实习为基础的囊括了近三年专业课学习内容的综合性的课程设计。

使我们对学过的一些知识进行总结性的学习，是在重新学习基础知识的同时，进行的一次创造性的设计。

在设计过程中我认真理解并掌握了每一个相关知识点。

使我对理论课的学习有了更好的掌握，在设计的过程中需要查阅各种与设计有关的资料。

在不知不觉中就使我对这门课程有了更深的了解，它使我认识到了大学的学习与真正的实践之间的差距，要真正的做到学以致用的路还很的漫长。

在设计的过程中与班级同学合作互相探讨，使我体会到集体力量的强大。

经过对这些资料的整理、理解和消化，使我对过程控制技术尤其是锅炉的炉膛负压控制技术有了更深一层次的理解。

与此同时，设计还使我的使用到Visio软件。

我喜欢做课程设计，因为它不但巩固我所学的基础知识，而且可以提高我的动手能力和动脑能力。

同时，还要感谢老师们为我们安排了生产实习和过程控制课程设计这样能够锻炼我们能力的实践性环节，及左鸿飞老师对我们课程设计的顺利完成所付出汗水。

六参考文献
1周国庆，孙涛. 锅炉工安全技术. 北京：化学工业出版社. 2005
2潘永湘过程控制与自动化仪表北京：机械工业出版社2007
3刘德昌锅炉改造技术北京：中国电力出版社2000
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5 边立秀，周俊霞，赵劲松，杨建蒙热工控制系统北京：中国电力出版社2001
6 丁崇功工业锅炉设备北京：机械工业出版社2005
7 张兆杰，乌新平锅炉安全管理人员培训教程河南：黄河水利出版社2007
8 潘立登，李大宇过程控制技术原理及运用北京：中国电力出版社2007
9 李忠虎，李希胜过程参数检测技术及仪表北京：中国计量出版社2008
10 吴勤勤控制装置及仪表北京：化学工业出版社2007
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