【文章內(nèi)容簡介】 當(dāng)蒸汽壓力下降到某一下限值。導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥的閥后壓力增大有可能產(chǎn)生“脫火”時，此時P2C調(diào)節(jié)器的輸出大幅度下降（反作用），并低于P1C調(diào)節(jié)器的輸出值。此時通過低值選擇器，選擇了P2C的輸出信號，調(diào)節(jié)閥的開度由P2C控制，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥的閥后壓力下降，從而避免“脫火”事故的方式。當(dāng)工況恢復(fù)正常后，P1C調(diào)節(jié)器的輸出又高于P2C調(diào)節(jié)器的輸出，P2C自動切除，P1C又自動投入運(yùn)行。設(shè)計鍋爐燃燒自動控制系統(tǒng)的目的是控制燃燒過程，使燃料燃燒所提供的熱量適應(yīng)外界對鍋爐輸出的蒸汽負(fù)荷的需求，同時保證鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。過程控制的內(nèi)容包括:采用正確的控制策略、配置合理的控制系統(tǒng)、選用合適的控制設(shè)備及恰當(dāng)?shù)耐ㄓ嵕W(wǎng)絡(luò)等。通過對整個熱工控制系統(tǒng)的分析，根據(jù)鍋爐的燃燒特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用了交叉限幅的方式進(jìn)行控制，并依此對整個熱工控制系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計。結(jié)構(gòu)框圖如圖2l。 系統(tǒng)設(shè)計主要由上位工控機(jī)的監(jiān)控部分、PLC系統(tǒng)，信號檢測部分及執(zhí)行機(jī)構(gòu)幾部分組成，其中工控機(jī)和PLC采用PROFIBUSDP工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。上位工控機(jī)在線實時記錄、監(jiān)控和顯示數(shù)據(jù)；PLC向上位機(jī)傳遞設(shè)備的實時狀態(tài)，接受并執(zhí)行上位機(jī)的實時控制命令，通過換向閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)對燃燒介質(zhì)(煤粉和空氣)的流量進(jìn)行控制，從而達(dá)到最終控制溫度的目的。在整個熱工控制系統(tǒng)中溫度的控制是由控制燃燒介質(zhì)(煤粉和空氣)流量得以實現(xiàn)的。因此溫度、流量的測量對整個控制系統(tǒng)起著舉足輕重的作用。本章主要就溫度、壓力和流量的檢測原理、傳感器的選型及檢測方式做詳細(xì)描述。流量的檢測是先通過節(jié)流元件孔板產(chǎn)生差壓，然后再由差壓變送器將流體流過孔板時所產(chǎn)生的壓力差，按比例地變換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號。以下重點(diǎn)介紹孔板測量流量。 孔板孔板的測量原理:在充滿流體的管道中固定放置一個流通面積小于管道截面積的節(jié)流件，當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流件時就會造成局部收縮。在收縮處，流速增加，靜壓力降低，在節(jié)流件前后產(chǎn)生靜壓差。實踐證明，對于一定形狀和尺寸的節(jié)流件，一定的測壓位置和前后直管段，在一定的流體參數(shù)情況下，節(jié)流件前后的差壓差與流量q之間有一定的函數(shù)關(guān)系。因此，可以通過測量節(jié)流件前后的壓差來測量流量。流體通過孔板的流動情況如圖所示，在ⅠⅠ截面前，流體尚未受節(jié)流件的影響，管道內(nèi)流速分布同節(jié)流件前較長直管段形成的規(guī)則速度分布(稱為充分發(fā)展管流)，管道軸心處的靜壓與管壁處的靜壓相等，ⅠⅠ截面后，流體開始受節(jié)流件的影響，靠近管壁的流體向中心加速，平均流速V1逐漸升高，直至ⅡⅡ截面(孔板開孔后一定距離)，流速收縮到最小，平均流速達(dá)到最大值V2，只是因為流體的慣性使得流束經(jīng)孔口后有射流現(xiàn)象； 自ⅡⅡ截面后，流束開始膨脹，直至ⅢⅢ截面，又恢復(fù)到ⅠⅠ截面前的情況，此時平均流速由V1逐漸降低至V3，與平均流速相對應(yīng)的靜壓P亦經(jīng)歷由低到高再恢復(fù)到低值。在流體進(jìn)入節(jié)流件前、后的管壁附近形成渦流，流體微團(tuán)不僅有橫向脈動，而且還有逆向運(yùn)動，是一種非常復(fù)雜的流動狀態(tài)，所以孔板的壓力損失較高，就是由這些渦流能量耗散造成的。 差壓變送器差壓變送器是一種變送單元，能夠?qū)⒘黧w流過節(jié)流元件時所產(chǎn)生的壓力差，按比例地變換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號。節(jié)流式差壓變送器具有兩個非常突出的優(yōu)點(diǎn):l)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，成本低，又具有一定的準(zhǔn)確度，基本能滿足工程測量的需要。2)研究設(shè)計和使用歷史悠久，有豐富的、可靠的實驗數(shù)據(jù)，設(shè)計加工己經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。只要按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計加工的節(jié)流式流量計，不需要進(jìn)行標(biāo)定，也能在己知的不確定度范圍內(nèi)進(jìn)行流量測量。 系統(tǒng)流量檢測裝置的選型及檢測方式孔板的選型系統(tǒng)孔板測量采用法蘭取壓方式?？装宓男问礁鶕?jù)實際情況采用標(biāo)準(zhǔn)孔板?？装宓脑O(shè)計和選用，需要通過參考介質(zhì)特性(比如密度、常用壓力、管道通徑、使用溫度、差壓刻度等參數(shù))，委托專業(yè)廠家進(jìn)行孔板計算和制作。采用孔板測量流量，精度和使用狀況都比較理想。流量測量點(diǎn)及檢測方框圖需要檢測的流量信號有二段空氣流量和二段高爐煤氣流量。流量傳感器選用的是孔板及差壓式電容傳感器，流量的節(jié)流裝置必須參考以下技術(shù)參數(shù)進(jìn)行計算 孔板的型號 FE101FE102FE103FE104測量介質(zhì)名稱一次風(fēng)二次風(fēng)一次風(fēng)二次風(fēng)最大流量25000NM3/H35000NM3/H25000NM3/H35000NM3/H平均流量20000NM3/H30000NM3/H20000NM3/H30000NM3/H最小流量0000被測介質(zhì)壓力10KPa40KPa10KPa40KPa被測介質(zhì)溫度常溫常溫常溫常溫相對濕度77%77%77%77%計算差壓 KPa KPa KPa KPa20oC時管道內(nèi)徑DN710DN910DN810DN910管道壁厚5mm5mm5mm5mm采用節(jié)流件形式孔板孔板孔板孔板取壓方式法蘭取壓法蘭取壓法蘭取壓法蘭取壓安裝節(jié)流件的管道位置水平管道水平管道水平管道水平管道容許壓力損失最大壓差值的3%最大壓差值的3%最大壓差值的3%最大壓差值的3%電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路(通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU)顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示： ρ=R*L/S (21)式中：ρ—金屬導(dǎo)體的電阻率S—導(dǎo)體的截面積L—導(dǎo)體的長度 擴(kuò)散硅壓力傳感器的選用擴(kuò)散硅壓力傳感器被測介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的膜片上(不銹鋼或陶瓷)，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化，和用電子線路檢測這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個對應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測量信號。、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)快、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。 本章小結(jié)本章簡要介紹了電力生產(chǎn)的工藝和鍋爐的概念和鍋爐燃燒的工藝，通過對鍋爐燃燒控制系統(tǒng)整體的分析和對它的各個子系統(tǒng)的分析，了解到空燃比控制系統(tǒng)相對于其它控制子系統(tǒng)來說更加重要，更能體現(xiàn)燃燒經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)的控制手段，所以對于本設(shè)計主要分析的空燃比控制系統(tǒng)將在下一章做詳細(xì)的分析。燃燒系統(tǒng)的目的是將溫度控制到工藝要求值，而溫度的控制是由控制煤粉和空氣的流量得以實現(xiàn)，因此溫度和流量的測量就尤為重要。測量元件的選型和精確度直接關(guān)系到燃燒的經(jīng)濟(jì)和質(zhì)量。本章主要就壓力信號的檢測和流量信號檢測的傳感器原理、選型及測量方式做了詳細(xì)論述。第三章 空燃比控制方案的確定 概述燃燒過程的實質(zhì)是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝麩崮艿哪芰哭D(zhuǎn)換過程。燃燒過程控制的根本任務(wù)是及時響應(yīng)主控系統(tǒng)的輸出指令，使燃料所提供的熱量適應(yīng)鍋爐蒸汽負(fù)荷的需要，同時還要保證鍋爐燃燒的安全性和經(jīng)濟(jì)性。燃燒的經(jīng)濟(jì)性主要是保證有合適的空/燃比，而安全性是保證鍋爐處于過氧燃燒的狀況及維持爐膛負(fù)壓為設(shè)定值。燃燒更充分的具體任務(wù)及其控制策略因燃料種類、制粉系統(tǒng)、燃燒設(shè)備以及鍋爐的運(yùn)行方式不同而有所區(qū)別。鍋爐燃燒工況的好壞，不但直接影響鍋爐本身的運(yùn)行工況和參數(shù)變化，而且對整個機(jī)組運(yùn)行的安全與經(jīng)濟(jì)有著極大的影響。因此，無論是正常運(yùn)行還是啟停過程，均應(yīng)合理組織燃燒，保證燃燒工況穩(wěn)定、良好。通過上面的分析我們明確了燃燒控制系統(tǒng)的任務(wù)，這樣便可以根據(jù)需求設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖所示： 鍋爐溫度主調(diào)節(jié)器TC的輸出直接作為燃料和空氣流量調(diào)節(jié)器FC的給定值。通過調(diào)整K，可以改變空氣量和燃料量之間的配比關(guān)系。其中空燃比K與剩余空氣系數(shù) U的關(guān)系為：K=βU (22)它們的定義分別為： U=實際空氣量/理論空氣量，β是量程修正系數(shù)：它的定義為A0乘以最大燃料量、最大空氣量的比值。A0為單位體積或質(zhì)量的燃料完全燃燒所需的理論空氣量。由上所述可以得出，當(dāng)剩余空氣系數(shù)U=–，燃料燃燒的熱效率最高。串級和比值綜合控制系統(tǒng)和簡單系統(tǒng)的區(qū)別在于，串級和比值控制綜合系統(tǒng)中的串級部分形成了兩個閉環(huán)，一個閉環(huán)在里面，為副環(huán)，它的輸出直接送往調(diào)節(jié)閥進(jìn)而控制生產(chǎn)過程，由此可見，簡單系統(tǒng)只需添加少量的儀表，便可以是控制系統(tǒng)得到很大的改善。串級控制系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn)：1).可以改善對象的控制特性，提高系統(tǒng)的工作效率。2).能迅速客服進(jìn)入副環(huán)的干擾，抗干擾能力強(qiáng)，控制質(zhì)量高。3).具有一定的自適應(yīng)能力。串級控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于以下過程：1) 應(yīng)用于容量滯后較大的過程；2) 適用于純時延較大的過程；3) 應(yīng)用于干擾激烈而且幅度大的過程；4) 應(yīng)用于參數(shù)相互關(guān)聯(lián)的過程；5) 應(yīng)用于非線性過程。鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下： 串級比值控制系統(tǒng)方框圖但是該控制系統(tǒng)還是不能滿足工藝的需求，鍋爐在燃料燃燒過程中，不僅要保證穩(wěn)態(tài)情況之下剩余空氣系數(shù)U一定，更重要的是在外部需求增加，鍋爐負(fù)荷增加時，保證剩余空氣系數(shù)系數(shù)U在合理的變化范圍內(nèi)，但是事實上，由于空氣流動管特性與燃料流動管特性的差異，燃燒器特性的變化，測量存在的誤差等因素的存在，這套方案即使在穩(wěn)態(tài)的情況之下，空氣和燃料量的配比關(guān)系也很難得到保證。而且即使在不考慮空氣、燃料流量回路對象特性的差異，而將溫度調(diào)節(jié)器的輸出信號同時直接送給兩個流量變送器，這將造成升負(fù)荷時，U值偏低，燃料燃燒不充分。降負(fù)荷時，U值偏高，增加排煙熱損失。這兩種情況都造成了鍋爐燃燒效率低下，同時有污染了環(huán)境。所以，對于上述問題，必須改善空氣和燃料之間的動態(tài)配比。為此，應(yīng)該對空氣，燃料流量采用相互交叉限制的措施，保證在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)情況之下，U的值始終維持在最佳燃燒區(qū)，熱效率得到有效提高。 單交叉限幅控制系統(tǒng) 由圖可知，它是在串級和比值綜合系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上增加了高值選擇器和低值選擇器HS、LS正偏置+a1和負(fù)偏置a2，用來實現(xiàn)燃料流量和空氣流量之間的相互制約，防止剩余空氣系數(shù)U低于給定值，這樣可以保證燃料的充分燃燒。它的控制原理是：在燃料流量調(diào)節(jié)回路中，爐溫調(diào)節(jié)器TC的輸出信號A，與根據(jù)空氣流量Fa算出的所需燃料量加上偏置a1得到的信號B=Fa/r+Faa1%，相比較由低值選擇器LS來選通A，B之一作為燃料調(diào)節(jié)器Ffc的給定值Sf。在空氣流量調(diào)節(jié)回路中，爐溫調(diào)節(jié)器TC的輸出信號A,與燃料流量測量值Ff減去偏置a2得到的信號D=Ff/rFaa2%，相比較，由高值選擇器HS來選擇A，D之一，再乘以空燃比K作為空氣流量調(diào)節(jié)器Fac的給定值Sa。下面介紹單交叉控制系統(tǒng)運(yùn)行的具體流程：1．當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下，溫度控制器的輸出信號分別作為空氣流量控制器和燃料流量控制器的給定值，這個時候系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，燃料得到充分燃燒，燃燒率控制在規(guī)定范圍。2．當(dāng)外界蒸汽量需求增加時，需要爐膛提供更高的溫度，這時候爐膛溫度調(diào)節(jié)器輸出一個高信號A，A進(jìn)過HS、LS時，HS讓其通過，于是A乘以K后作為空氣流量控制器的給定值，進(jìn)過運(yùn)算后控制閥門開大，空氣流量得以增加，之后交叉限幅開始，空氣流量的測量值Ｂ除以Ｋ后進(jìn)過一個偏置a1在經(jīng)過LS后作為燃料控制器的給定值控制燃料閥門開大，當(dāng)空氣流量測量值Ｂ大于溫度測量信號Ａ?xí)r交叉限幅停止，溫度信號A又重新作為燃料流量控制器和空氣流量控制器的給定值，系統(tǒng)回歸初始。這樣也同時完成了升負(fù)荷時候現(xiàn)增加空氣流量后增加燃料流量的的控制思想，也克服了空氣和燃料的特性差異。3．當(dāng)外界要求系統(tǒng)降負(fù)荷時，信號A極具下降，對于燃料流量回路，此時A小于B，A經(jīng)過LS后作為燃料流量控制器的給定值，控制燃料閥門關(guān)小，燃料流量減小，對于空氣回路，當(dāng)A小于D時，HS選通D，此時交叉限幅開始，燃料流量信號乘以K后作為空氣流量控制器的給定值，控制空氣閥門開度減小，空氣流量減小，當(dāng)燃料流量測量信號D減小到D小于A時，交叉限幅停止，系統(tǒng)回歸初始，同樣完成了降負(fù)荷時先較少燃料后減少空氣的目的，和克服兩種燃料的特性差異對系統(tǒng)運(yùn)行的影響的目的。綜上所述，但交叉限幅控制系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn)：(1). 當(dāng)升負(fù)荷時，先增加空氣后增加燃料；反之，當(dāng)降負(fù)荷時，先減少燃料后減少空氣。這樣可以防止系統(tǒng)冒黑煙，使燃料充分燃燒。(2).一旦空氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障使Fa降為0，那么燃料流量也自動降為0，確保燃燒安全。(3).當(dāng)降負(fù)荷時，不能抑制剩余空氣U的上升，這段動態(tài)過程是燃燒的效率降低。 空燃比控制的校正鍋爐煙氣中的含氧量可以作為空燃比K的直接參考，煙氣中的含氧量可以通過高溫氧化鋯分析儀轉(zhuǎn)換成420mA的標(biāo)準(zhǔn)信號，在監(jiān)控屏幕上顯示，操作員可以根據(jù)數(shù)值的大小對其進(jìn)行修正，以防止空氣過剩造成的熱量損失。氧化鋯分析儀在國內(nèi)