【正文】 鍋爐運行時主蒸汽壓力的控制是通過鍋爐出力與汽輪機蒸汽進汽量的平衡來實現(xiàn)的，當(dāng)兩者平衡時，對于定壓運行的機組，便能穩(wěn)定工況、變工況或各種擾動下均保持主蒸汽壓力的穩(wěn)定；對于變壓運行的機組，便能始終保持主蒸汽壓力按負荷對應(yīng)的關(guān)系進行變化。在過熱器內(nèi)，飽和蒸汽繼續(xù)吸熱成為過熱蒸汽，然后經(jīng)汽水分離器送往儲氣罐。省煤器的作用是使給水在進入鍋筒之前，被預(yù)先加熱到某一溫度（低于飽和溫度或達到飽和溫度，甚至產(chǎn)生部分蒸汽）。 后墻水冷壁（在水平煙道前方）拉稀成數(shù)列凝渣管束。 鍋爐的工作原理 現(xiàn)在我們以一臺 35 頓工業(yè)燃煤鍋爐為例，來說明鍋爐的工作過程及原理。 生產(chǎn)周期長。鍋爐與汽輪機、發(fā)電 機同為電廠三大主機，但鍋爐除了一般性的產(chǎn)品內(nèi)在矛盾外，還要能適應(yīng)燃料性質(zhì)，使整個電廠得到安全經(jīng)濟的運行，因而多了一個外在矛盾。 鍋爐除了和所有動力機械產(chǎn)品一樣，必須不斷降低成本并提高效率和質(zhì)量以外，由于鍋爐本身的特性，它還具有以下特點。 編者 2021 年 6 月 第 1 章鍋爐概述 鍋爐的一般結(jié)構(gòu)與特點 鍋爐是一種生產(chǎn)蒸汽的換熱設(shè)備。 本書主要介紹了 35 噸燃煤鍋爐的工藝過程，利用 LeadLineControlBuilder 軟件實現(xiàn)工業(yè)燃煤鍋爐汽水控制系統(tǒng)的組態(tài)，并用 FIX 上位機監(jiān)控軟件設(shè)計了汽水控制系統(tǒng)的人機界面。這是企業(yè)現(xiàn)代化管理不可缺少的； 9．作為鍋爐控制裝置，其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，減輕操作人員的勞動強度。通過對風(fēng)機水泵進行變頻控制可以平均節(jié)電達到 30%40%； 7．鍋爐是一個多輸入多輸出、非線性動態(tài)對象，諸多調(diào)解量和被調(diào)量間存在著耦合通道。 工業(yè)鍋爐采用微機控制和原有的儀表控制方式相比具有以下明顯優(yōu)勢：1．直觀而集中的顯示鍋爐各運行參數(shù)。 1 工業(yè)燃煤鍋爐 DCS 控制系統(tǒng)設(shè)計 （子課題：控制方案的組態(tài)及監(jiān)控畫面的制作） 摘要：本文敘述了工業(yè)燃煤鍋爐的工作原理，具體闡述了鍋爐控制中對汽水 控制系統(tǒng)方案和自動檢測的設(shè)計，利用了 ControlBuilder 軟件、 UMC800 控制器和 FIX 軟件進行 35 噸工業(yè)燃煤鍋爐汽水系統(tǒng)的自動檢測與控制回路的組態(tài)，并設(shè)計了友好的監(jiān)控畫面。能快速計算出機組在正常運行和啟停過程中的有用數(shù)據(jù)，能在顯示器上同時顯示鍋爐運行的水位、壓力、爐膛負壓、煙氣含量、測點溫度、燃煤量等數(shù)十個運行參量的瞬時值、累計值及給定值，并能按需要在鍋爐的結(jié) 構(gòu)示意畫面的相應(yīng)位置上顯示出參數(shù)值。例如當(dāng)鍋爐的負荷變化時，所有的被調(diào)量都會發(fā)生變化。在采用計算機控制的鍋爐控制系統(tǒng)中，有十分周到的安全機制，可以設(shè)置多點聲光報警，和自動連鎖停爐?；?FIX 與 HoneywellUMC800 控制器對 35 噸工業(yè)燃煤鍋爐汽水系統(tǒng)的 DCS 控制系統(tǒng)的配置。它通過煤、油或天然氣等 燃料的燃燒釋放出化學(xué)能，并通過傳熱過程把能量傳遞給水，使水轉(zhuǎn)變成蒸汽，蒸汽直接供給工業(yè)生產(chǎn)中所需的熱能，或通過蒸汽動力機械轉(zhuǎn)換為機械能，或通過汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能。 可靠性要求高。此外，鍋爐還和其他工業(yè)部門的發(fā)展有著十分密切的關(guān)系，如石油化工企業(yè)中的廢熱鍋爐，蒸汽燃氣聯(lián)合動力裝置中的壓力燃燒鍋爐及核反應(yīng)堆工程中的蒸汽發(fā)生器等等。一臺大容量鍋爐從設(shè)計、制造、安裝到投入運行，目前一般需時二到三年，今后即使采用設(shè)計新技術(shù)及制造安裝新工藝，提高自動化 水平，要想把上述全過程在更短時間內(nèi)完成，還是比較困難的。如圖 所示。拉稀的作用是防止結(jié)渣，同時對其后方的過熱器也起了保護的作用。另一尾部受熱面 ，即空氣預(yù)熱器，它的作用是使空氣在進入爐膛以前被加熱到一定溫度，以改善爐內(nèi)燃燒過程、降低排煙溫度、提高鍋爐效率。煤經(jīng)鏈條爐排，進而入爐膛，在爐膛燃 7 燒放出大量的熱量。 鍋爐在運行時，汽壓總是被作為被監(jiān)視和控制的主要參數(shù)之一，汽壓降低會減少蒸汽在汽輪機中膨脹作功的焓降，使蒸汽作功能力降低，在外界負荷不變情況下，汽耗量也隨之增大，從而降低發(fā)電廠的經(jīng)濟性；同時汽輪機的軸向推力增加容易發(fā)生推力軸瓦燒壞等事故。汽壓變化對汽溫的影響，一般是汽壓升高時，過熱蒸汽的溫度也升高，這是因為，當(dāng)氣壓升高時對應(yīng)的飽和溫度的焓值增大，在燃料消耗量未改變時，鍋爐的蒸發(fā)量要瞬間減小，在傳熱系數(shù)傳熱面積和傳熱溫壓基本不變的情況下 ，平均每公斤蒸汽的吸熱量必然增大，導(dǎo)致過熱蒸汽溫度升高。燃燒設(shè)備的慣性是指從燃料量開始變化到爐內(nèi)建立新的熱負荷所需要 的時間，在鍋爐運行時，燃燒設(shè)備慣性越大，負荷變化時，汽壓變化的速度就越慢。內(nèi)部因素主要是指爐內(nèi)燃燒工況的變動和鍋爐內(nèi)工作情況的 異常。 鍋爐燃燒的調(diào)整 爐內(nèi)燃燒調(diào)節(jié)的具體任務(wù)歸納為四點： （ 1）保證產(chǎn)汽量適應(yīng)外界負荷的需要，汽壓汽溫和汽包水位穩(wěn)定在正常范圍內(nèi)。 負荷變化是鍋爐運行中經(jīng)常碰到的，此時必須及時調(diào)整送入爐膛的燃媒量和空氣量，相應(yīng)的改變?nèi)紵r。燃料量的調(diào)節(jié)和燃燒調(diào)節(jié)等。同時，鹽垢 增加，傳熱熱阻也增大，將引起傳熱惡化，過熱汽溫下降使經(jīng)濟性下降。鍋爐負荷突然增加時，在給水量和燃燒未做相應(yīng)的調(diào) 整之前，汽包水位先升高，而后再逐漸降低；而汽壓則很快下降。當(dāng)燃燒加強時，爐內(nèi)放熱量增加，受熱面吸熱量也增加，爐水汽水加強，爐水中產(chǎn)生的蒸汽汽泡數(shù)量增多，體積膨脹，水位暫時提高，由于產(chǎn)生的蒸汽量不斷增多，汽壓上升，相應(yīng)提高了飽和溫度，使?fàn)t水中的蒸汽汽泡數(shù)量有所減少，水位又會下降。 2． 3 汽溫控制 過熱器和再熱器 蒸汽過熱器是鍋爐的重要組成部分，它的作用是把從汽包出來的飽和蒸汽加熱到具有一定過熱度的合格蒸汽，并要求在鍋爐變工況運行時，保證過熱蒸汽溫度在允許范圍內(nèi)。 隨著蒸汽參數(shù)的提高，過熱蒸汽和再熱蒸汽的吸熱量份額增加，在現(xiàn)代高參數(shù)大容量鍋爐中，過熱 器和再熱器的吸熱量占工質(zhì)總吸熱量的 50%以上，因此，過熱器和再熱氣受熱面在鍋爐總受熱面中占有很大比例。 通常采用的汽溫調(diào)節(jié)方法有：使用噴水減溫器，噴水減溫是將水直接噴入過熱蒸汽中，水被加熱、汽化和過熱，吸收蒸汽中的熱量，達到調(diào)節(jié)汽溫的目的。嚴(yán)重時還會發(fā)生水沖擊。 風(fēng)量及其分配的變化，由于送風(fēng)量或者漏風(fēng)量增加而使?fàn)t內(nèi)過量空氣系數(shù)增加時，燃燒生成的煙氣量增多，煙氣流速提高，導(dǎo)致對流過熱器汽溫升高，但是，如果風(fēng)量不足，燃燒不好而在煙道再燃燒時，會使煙氣對流過熱器的升高，而且可能造成過熱 器超溫損壞。 由于汽溫的變化是由蒸汽側(cè)和煙氣側(cè)兩方面共同影響的，因此對過熱蒸汽汽 14 溫的調(diào)節(jié)也可以從這兩方面來進行。由于一般聯(lián)合過熱器的運行特性都偏向于對流特性，所以當(dāng)鍋爐負荷降低時，汽溫也將下降，這時減溫水就應(yīng)關(guān)小，直至減溫器解列為止，如果此后負 荷再降低，由于過熱蒸汽失去汽溫調(diào)節(jié)手段，主汽溫度就不能保持額定值，故鍋爐一般不宜在這樣低的負荷下運行。大型鍋爐的給水除氧，大都以熱力除氧為主。 15 通過對原水進行過濾、離子交換、除氧就可以得到符合水質(zhì)指標(biāo)的給水。 水處理分為鍋外水處 理：沉淀軟化（石灰沉淀軟化、石灰 純堿軟化）、離子交換軟化（ Na+、 H+）和鍋內(nèi)水處理：加藥（ NaCO NaOH、 Na3PO栲膠）、排污控制兩項。 除氧控制 鍋爐是企業(yè)的主要動力設(shè)備，鍋爐設(shè)備運行狀況的好壞直接影響到全廠的產(chǎn)品質(zhì)量及經(jīng)濟效益。水中溶解了氧氣 ，就會使與水接觸的金屬腐蝕 。 當(dāng)水和某種氣體混合物接觸時 ， 就會有一部分氣體融解到水中去。天然水中常含有大量溶解的氧氣可達 10 毫克 /升。 將水加熱時 ， 液面附近水蒸氣的分壓力就會增加 ， 相應(yīng)的液面附近其他氣體的分壓力就會降低 .當(dāng)水加熱到沸點時 ， 蒸汽的分壓力就會接近液面上的全壓力 ， 此時液面上其他氣體的分壓力幾乎接近于零 ， 于是這些氣體將完全自水中清除出去。 鍋爐用水的除氧是工藝指標(biāo)的重要環(huán)節(jié)之一。 除氧器液位控制 除氧器水位控制對除氧效果而言是非常重要的，如水位過高，將導(dǎo)致進入除氧器的水霧化空間不夠，直接影響除氧效果，如水位過低，又會直接威脅除氧器的正常工作，甚至影響到鍋爐的正常給水。 PID 調(diào)節(jié)器應(yīng)選用“反作用”方式。如圖 所示，控制原理為：根據(jù)工藝指標(biāo)，調(diào)節(jié)器給出設(shè)定值，當(dāng)變送器測量的壓力高于設(shè)定值時，調(diào)節(jié)器根據(jù) PID 參數(shù)進行運算，減小輸出調(diào)節(jié)閥隨之減小開度，因此，進氣流量減小，壓力降低，接近設(shè)定值。（如圖 ） 鍋爐給水控制 工業(yè)鍋爐汽水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。 汽包水位控制對象特性 給水自動調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水流量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，以維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。 對汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動的因素有蒸發(fā)量 D、爐膛熱負荷（燃料量 M），給水量（ W）。實際水位的變化曲線為 H1(t)和 H2(t)的合成 H(t)。 二、爐膛負荷 擾動（燃料量 M 擾動）時水位對象的動態(tài)特性 當(dāng)燃料量增加△ M 時，鍋爐將吸收更多的燃量，蒸汽量增加，如果主汽閥門開度不變，鍋爐出口汽壓將提高，蒸汽輸出量也將增加。τ M 可達 3～ 4 分鐘。有些鍋爐當(dāng)給水量增加時，在較長一段時間里，汽包水位并不增加，有一較長的起始慣性段，對于這種鍋爐用式（ 3－ 9）描寫它的動態(tài)特性，誤差較大，這時可選用下面近似計算公式： 式中τ —— 給水流量擾動下的純滯后時間，它的數(shù)值對于不同結(jié)構(gòu)的鍋爐都有差別。因此進入省煤器的給水首先必須填補省煤器中的氣泡減少所讓出的空間，所以水位下降，直到過了τ w1 以后，才能使省煤器流入鍋筒的水量增加，水位才開始上升。但在蒸汽流量未達到滿負荷時，對給水流量的要求也不高。值得注意的是為了防止變頻器報警停機或其他故障造成水泵不轉(zhuǎn)會引起鍋爐缺水，所以應(yīng)該加反饋 裝置確保變頻器正常工作。它是連續(xù)給水自動調(diào)節(jié)中最簡單的一種型式。 單沖量給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在一定的缺點，因此該系統(tǒng)只根據(jù)水位來調(diào)節(jié)給水量。所謂前饋調(diào)節(jié)就是按擾動變化的大小調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，調(diào)節(jié)作用在擾動發(fā)生的同時就發(fā)生，而不是等到擾動引起被調(diào)量發(fā)生變化后才 產(chǎn)生，這就是前饋調(diào)節(jié)的主要特點。因適當(dāng)?shù)倪x擇前饋的作用，采用比例規(guī)律的調(diào)節(jié)器也可以消除靜態(tài)余差，故雙沖量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器可用比例規(guī)律也可用比例積分規(guī)律。當(dāng)給水量擾動時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)等于單沖量調(diào)節(jié)。 三沖量的定義 所謂三沖量，就是指汽包水位、蒸汽流量和給水流量。三個經(jīng)壓力校正后的汽包水位信號取中間值，作為控制系統(tǒng)的被調(diào)量，當(dāng)水位測量信號平均值超 、 過177。蒸汽流量采用汽機調(diào)節(jié)級壓力的測量來表示，調(diào)節(jié)級壓力經(jīng)過溫度修正后，可近似代表蒸汽流量測量值。 圖 三沖量水位單回路控制系統(tǒng)原理圖三沖量汽包給水控制系統(tǒng)，采用蒸汽流量信號對給水流量進行前饋控 制，當(dāng)蒸汽 、 負荷突然發(fā)生變化，蒸汽流量信號使給水調(diào)節(jié)閥一開始就向正確方向移動，即蒸汽流量增加，給水調(diào)節(jié)閥開大，抵消了由于“虛假水位”引起的反向動作，因而減小了水位和給水流量的波動幅度。這樣，汽包水位就很少受到影響。三沖量給水單級控制系統(tǒng)的特點是：控制系統(tǒng)所用的設(shè)備少，結(jié)構(gòu)簡單，給水流量調(diào)節(jié)動作平穩(wěn)，整定 方法易于掌握，一般情況下能滿足鍋爐生產(chǎn)控制的要求。這樣就要求：aWD(S)=DWw(S)aW aD=aW WD(S)Ww(S) 30 式中 Ww(S)—— 給水流量擾動下汽包水位的傳遞函數(shù)； WD(S)—— 蒸汽流量擾動下汽包水位的傳遞函數(shù)； aD、 aw—— 蒸汽流量和給水流量的分流系數(shù)。但是，系統(tǒng)的靜態(tài)特性主要決定于主調(diào)節(jié)器，就不一定要求aD 和 aw 非相等不可， aD 可以根據(jù)“虛假水位”的具體情況來選定。 圖 三沖量給水串級控制系統(tǒng)方框圖 31 Ho—— 給定值； H—— 水位輸出信號； 、 fD—— 蒸汽擾動信號； fw—— 給水?dāng)_動信號；根據(jù)工藝安全性要求，為確保汽包在故障出現(xiàn)時不至于干鍋，給水調(diào)節(jié)閥應(yīng)采用反作用執(zhí)機器，當(dāng)輸入信號增加時，閥門開度減小。故主調(diào)節(jié)器應(yīng)選用“反作用”方式。該控制系統(tǒng)的特點是：引入的蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假液位”對調(diào)節(jié)品質(zhì)的不良影響，當(dāng)蒸汽流量變化時，就有一個給水量與蒸汽量向同方向變化的信號，可以減小或抵消由于“虛假液位”引起的給水量與蒸汽量反方向變化的誤動作，使調(diào)節(jié)閥從一開始就向正確的方向移動。當(dāng)給水壓力經(jīng)常有波動，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不易保 持正常時，不宜采用雙沖量控制；另外在大型鍋爐的控制中，鍋爐容量越大，壓力越來越高，汽包的相對容水量就越小，允許波動的儲水量就更少。三沖量控制方案Ⅱ：其主調(diào)節(jié)器的輸出值作為副調(diào)節(jié)器的給定值，即使出現(xiàn)物料不平衡的現(xiàn)象，只要液位有偏差，調(diào)節(jié)器的積分作用就能消除偏差 ， 系統(tǒng)整定更易實現(xiàn)。 、 33 工業(yè)鍋爐生產(chǎn)過程熱工檢測的主要內(nèi)容為對溫度、壓力、流量、液位等熱工參數(shù)的測量。在鍋爐生產(chǎn)中，燃料的燃燒，蒸汽的產(chǎn)生情況都和溫度有關(guān)，它一般約占鍋爐生產(chǎn)過程中全部熱工檢測參數(shù)的 50％左右。由于爐膛中的燃燒分布情況是不均勻的，所以爐膛中各處的溫度高低也有差別，一般情況，爐膛前部溫度最高，其他位置都要低一點。因為新型的蒸汽鍋爐，一般金屬強度的安全系數(shù)設(shè)計得比較小，超溫嚴(yán)重還會使汽輪機或其他負荷設(shè)備膨脹過大，使汽輪機的軸向推力增大而發(fā)生事故。省煤器的作用使利用鍋爐 、 尾部的低溫?zé)煔鉄崃考訜徨仩t給水。同時，也是為了檢測煙道是否暢通，有無發(fā)生堵塵現(xiàn)象，以便充分利于低溫?zé)煔庥酂?，降低排煙溫度，提高鍋爐的熱效率。 鍋爐排煙溫度的檢測指示鍋爐排煙溫度的高低衡量一臺鍋爐熱效率的一項主要指標(biāo)。壓力參數(shù)，在鍋爐生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛