【正文】 未改變時(shí)，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(guò)熱蒸汽溫度升高。汽壓過(guò)高，使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子以及汽缸、鍋爐承壓管道那機(jī)械應(yīng)力過(guò)大，將危及機(jī)爐和蒸汽管道的安全。 鍋爐在運(yùn)行時(shí)，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(huì)減少蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹作功的焓降，使蒸汽作功能力降低，在外界負(fù)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(jì)性；同時(shí)汽輪機(jī)的軸向推力增加容易發(fā)生推力軸瓦燒壞等事故。 第 2 章鍋爐控制系統(tǒng)中各控制回路的介紹 鍋爐控制系統(tǒng)，一般有燃燒控制、汽水控制、氣溫控制三大任務(wù)，鍋爐的燃燒控制實(shí)質(zhì)上是能量平衡系統(tǒng)，它以蒸汽壓力作為能量平衡指標(biāo)，不斷根據(jù)用汽量與壓力的變化調(diào)整燃料量與送風(fēng)量，同時(shí)保證燃料的充分燃燒及熱量的充分利用；汽水控制主要就是對(duì)鍋爐汽包的水位進(jìn)行控制；氣溫控制則是對(duì)鍋爐中蒸汽溫度的調(diào)節(jié)及控制，下面就簡(jiǎn)單的介紹一下各控制系統(tǒng)的控制方法。煤經(jīng)鏈條爐排，進(jìn)而入爐膛，在爐膛燃 7 燒放出大量的熱量。水在水冷壁內(nèi)吸收爐膛內(nèi)的輻射熱而形成汽水混合物上升到鍋筒中，蒸汽經(jīng)過(guò)汽水分離裝置，由鍋筒上部離開，流到過(guò)熱器中。另一尾部受熱面 ，即空氣預(yù)熱器，它的作用是使空氣在進(jìn)入爐膛以前被加熱到一定溫度，以改善爐內(nèi)燃燒過(guò)程、降低排煙溫度、提高鍋爐效率。 煙氣經(jīng)過(guò)過(guò)熱器后溫度降低，然后轉(zhuǎn)彎至尾部受熱面尾部受熱面之一的省煤器（位于尾部豎井的上方）。拉稀的作用是防止結(jié)渣，同時(shí)對(duì)其后方的過(guò)熱器也起了保護(hù)的作用。該鍋爐通過(guò)鏈條爐排把煤送入爐膛中燃燒，鍋爐的蒸發(fā)受熱面都在爐子內(nèi)壁上，組成水冷壁，充分利用爐膛中的高溫?zé)煔廨椛涑龅臒崃?，使燃燒產(chǎn)物在進(jìn)入以后的對(duì)流受熱面時(shí) ，可以達(dá)到必須的冷卻，同時(shí)也起到了保護(hù)爐墻的作用。如圖 所示。除小容量工業(yè)鍋爐外，不可能把鍋爐在制造廠內(nèi)全部組裝好并投入試運(yùn)行，這給鑒定和提高產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)不少困難。一臺(tái)大容量鍋爐從設(shè)計(jì)、制造、安裝到投入運(yùn)行，目前一般需時(shí)二到三年，今后即使采用設(shè)計(jì)新技術(shù)及制造安裝新工藝，提高自動(dòng)化 水平，要想把上述全過(guò)程在更短時(shí)間內(nèi)完成，還是比較困難的。以一臺(tái)配 30 萬(wàn)千瓦機(jī)組的電站鍋爐為例，金屬耗量達(dá)四千多頓，體積達(dá)二萬(wàn)多立方米。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?xì)饴?lián)合動(dòng)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。 綜合性強(qiáng)。 可靠性要求高。因此，近代鍋爐亦稱作蒸汽發(fā)生器。它通過(guò)煤、油或天然氣等 燃料的燃燒釋放出化學(xué)能，并通過(guò)傳熱過(guò)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(guò)蒸汽動(dòng)力機(jī)械轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，或通過(guò)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。 4 由于時(shí)間倉(cāng)促，加之作者的水平有限，書中錯(cuò)誤和不妥之處在所難免，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正，并提出寶貴的意見?；?FIX 與 HoneywellUMC800 控制器對(duì) 35 噸工業(yè)燃煤鍋爐汽水系統(tǒng)的 DCS 控制系統(tǒng)的配置。 綜合以上所述種種優(yōu)點(diǎn)可以預(yù)見采用計(jì)算機(jī)控制鍋爐系統(tǒng)是行業(yè)的大勢(shì)所趨。在采用計(jì)算機(jī)控制的鍋爐控制系統(tǒng)中，有十分周到的安全機(jī)制，可以設(shè)置多點(diǎn)聲光報(bào)警，和自動(dòng)連鎖停爐。而建立解偶模型和算法通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)比較方便； 8．鍋爐微機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)擴(kuò)展后可構(gòu)成分級(jí)控制系統(tǒng)，可與工廠內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)構(gòu)成工業(yè)以太網(wǎng)。例如當(dāng)鍋爐的負(fù)荷變化時(shí)，所有的被調(diào)量都會(huì)發(fā)生變化。從已在運(yùn)行的鍋爐來(lái)看，采用計(jì)算機(jī)控制后熱效率可比以前提高 510%，據(jù)用戶統(tǒng)計(jì)，一臺(tái) 20T 的鍋爐 ，全年平均負(fù)荷 70%，以平均熱效率提高 5%計(jì)，全年節(jié)煤 800 噸，按每噸煤 380 元計(jì)算每年節(jié)約 304000 元； 3 6．鍋爐系統(tǒng)中包含鼓風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)，給水泵，等大功率電動(dòng)機(jī)，由于鍋爐本身特性和選型的因素，這些風(fēng)機(jī)大部分時(shí)間里是不會(huì)滿負(fù)荷輸出的，原有方式采用閥門和擋板控制流量，浪費(fèi)非常嚴(yán)重。能快速計(jì)算出機(jī)組在正常運(yùn)行和啟停過(guò)程中的有用數(shù)據(jù)，能在顯示器上同時(shí)顯示鍋爐運(yùn)行的水位、壓力、爐膛負(fù)壓、煙氣含量、測(cè)點(diǎn)溫度、燃煤量等數(shù)十個(gè)運(yùn)行參量的瞬時(shí)值、累計(jì)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。提高熱效率，降低耗煤量，降低耗電量，用微機(jī)進(jìn)行控制是一件具有深遠(yuǎn)意義的工作。 1 工業(yè)燃煤鍋爐 DCS 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) （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(duì)汽水 控制系統(tǒng)方案和自動(dòng)檢測(cè)的設(shè)計(jì)，利用了 ControlBuilder 軟件、 UMC800 控制器和 FIX 軟件進(jìn)行 35 噸工業(yè)燃煤鍋爐汽水系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)與控制回路的組態(tài)，并設(shè)計(jì)了友好的監(jiān)控畫面。 關(guān)鍵詞：鍋爐 FIXUMC800 控制系統(tǒng)汽水系統(tǒng)蒸汽壓力 2 引言 鍋爐微機(jī)控制，是近年來(lái)開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，它是微型計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動(dòng)控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù) 緊密結(jié)合的產(chǎn)物，我國(guó)現(xiàn)有中、小型鍋爐 30 多萬(wàn)臺(tái)，每年耗煤量占我國(guó)原煤產(chǎn)量的 1/3，目前大多數(shù)工業(yè)鍋爐仍處于能耗高、浪費(fèi)大、環(huán)境污染嚴(yán)重的生產(chǎn)狀態(tài)。 工業(yè)鍋爐采用微機(jī)控制和原有的儀表控制方式相比具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：1．直觀而集中的顯示鍋爐各運(yùn)行參數(shù)。給人直觀形象，減少觀察的疲勞和失誤； 2．可以按需要隨時(shí)打印或定時(shí)打印，能對(duì)運(yùn)行狀況進(jìn)行準(zhǔn)確地記錄，便于事故追查和分析，防止事故的瞞報(bào)漏報(bào)現(xiàn)象； 3．在運(yùn)行中可以隨時(shí)方便的修改各種運(yùn)行參數(shù)的控制值，并修改系統(tǒng)的控制參數(shù)； 4．減少了顯示儀表，還可利用軟件來(lái)代替許多復(fù)雜的儀表單元，（例如加法器、微分器、濾波器、限幅報(bào)警器等），從而減少了投資也減少了故障率； 5．提高鍋爐的熱效率。通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)水泵進(jìn)行變頻控制可以平均節(jié)電達(dá)到 30%40%； 7．鍋爐是一個(gè)多輸入多輸出、非線性動(dòng)態(tài)對(duì)象，諸多調(diào)解量和被調(diào)量間存在著耦合通道。故而理想控制應(yīng)該采用多變量解偶控制方案 。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(jì)運(yùn)行，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。杜絕由于人為疏忽造成的重大事故。 本書主要介紹了 35 噸燃煤鍋爐的工藝過(guò)程，利用 LeadLineControlBuilder 軟件實(shí)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(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)了汽水控制系統(tǒng)的人機(jī)界面。在本書的編寫過(guò)程中，得到了付麗霞老師的大力支持，在此表示由衷的感謝。 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(diǎn) 鍋爐是一種生產(chǎn)蒸汽的換熱設(shè)備。所以鍋爐的中心任務(wù)是把燃料中的化學(xué)能最有效地轉(zhuǎn)換為蒸汽的熱能。 鍋爐除了和所有動(dòng)力機(jī)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(diǎn)。鍋爐一旦事故停爐，將使電廠臨時(shí)對(duì)外供電，影響甚廣，其直接、間接損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鍋爐本身的價(jià)值。鍋爐與汽輪機(jī)、發(fā)電 機(jī)同為電廠三大主機(jī)，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(gè)電廠得到安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，因而多了一個(gè)外在矛盾。 5 金屬耗量和體積大。 生產(chǎn)周期長(zhǎng)。 鍋爐產(chǎn)品不能在制造廠內(nèi)整裝試運(yùn)。 鍋爐的工作原理 現(xiàn)在我們以一臺(tái) 35 頓工業(yè)燃煤鍋爐為例，來(lái)說(shuō)明鍋爐的工作過(guò)程及原理。 鍋爐通過(guò)燃煤燃燒釋放熱量，使水變成蒸汽，以供生產(chǎn)需要。 后墻水冷壁（在水平煙道前方）拉稀成數(shù)列凝渣管束。 過(guò)熱器放在水平煙道中，位于凝渣管束的后方，過(guò)熱器的作用是把從鍋爐（汽包）出來(lái)的飽和蒸汽加熱成過(guò)熱蒸汽，目的是減少供熱管道內(nèi)的冷凝損失 6 。省煤器的作用是使給水在進(jìn)入鍋筒之前，被預(yù)先加熱到某一溫度（低于飽和溫度或達(dá)到飽和溫度，甚至產(chǎn)生部分蒸汽）。 鍋爐的工作情況如下： 給水在除氧器被高溫蒸汽除氧并加熱，由給水管道將水送至省煤器，在其中被加熱到某一溫度后，進(jìn)入鍋筒，然后沿下降管下行至水冷壁進(jìn)口集箱。在過(guò)熱器內(nèi)，飽和蒸汽繼續(xù)吸熱成為過(guò)熱蒸汽，然后經(jīng)汽水分離器送往儲(chǔ)氣罐。燃燒后的熱煙 氣上升，經(jīng)過(guò)凝流管束、過(guò)熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器后，再經(jīng)除塵裝置清除其中的飛灰，最后才由風(fēng)機(jī)送往煙囪排往大氣。 燃燒控制 鍋爐汽壓的調(diào)整 鍋爐運(yùn)行時(shí)主蒸汽壓力的控制是通過(guò)鍋爐出力與汽輪機(jī)蒸汽進(jìn)汽量的平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)兩者平衡時(shí)，對(duì)于定壓運(yùn)行的機(jī)組，便能穩(wěn)定工況、變工況或各種擾動(dòng)下均保持主蒸汽壓力的穩(wěn)定；對(duì)于變壓運(yùn)行的機(jī)組，便能始終保持主蒸汽壓力按負(fù)荷對(duì)應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行變化。如果蒸汽壓力降低過(guò)多會(huì)使 汽輪機(jī)被迫不能保持額定負(fù)荷。鍋爐汽壓高低對(duì)于汽包水位、汽溫等主要運(yùn)行參數(shù)也有很大影響，當(dāng)汽壓降低由于對(duì)應(yīng)的飽和溫度降低，使部分爐水蒸發(fā)， 8 會(huì)引起爐水體積膨脹，故汽包水位要上升，反之則爐水體積要收縮，汽包水位下降，引起虛假水位。 汽壓變化的速度表明了鍋爐保持及恢復(fù)汽壓的能力，汽壓的變化速度影響因素是：負(fù)荷的變化速度、鍋爐的儲(chǔ)熱能力及燃燒設(shè)備的慣性等。鍋爐儲(chǔ)熱能力是指當(dāng)外界負(fù)荷變化而燃燒工況不變時(shí)，鍋爐能夠放出或者吸收熱量的能力，鍋爐的儲(chǔ)熱能力對(duì)汽壓的變化是一個(gè)緩沖作用。 汽壓變化反應(yīng)了鍋爐蒸發(fā)量與外界負(fù)荷之間的平衡，由于外界負(fù)荷、爐內(nèi)燃燒工況、換熱情況以及鍋爐內(nèi)工作情況經(jīng)常變化，引起鍋爐蒸發(fā)量的不斷變化，所以汽壓的變化與波動(dòng)是必然的，汽壓穩(wěn)定只是相對(duì)的。外部因素是指非鍋爐設(shè)備本身的原因造成的擾動(dòng)，主要有外界負(fù)荷的變化；高壓加熱器因故障退出運(yùn)行；給水壓力變化。當(dāng)外界 負(fù)荷不變時(shí)，汽壓的穩(wěn)定主要取決于爐內(nèi)燃燒工況，此外 鍋爐換熱狀況的改變也會(huì)影響汽壓的穩(wěn)定。當(dāng)汽壓下降時(shí)蒸汽流量下降，說(shuō)明燃料燃燒的供熱量不足，當(dāng)汽壓上升的同時(shí)，蒸汽流量增加，說(shuō)明燃燒供熱量偏多。 （ 2）著火穩(wěn)定，燃燒中心適當(dāng)，火 焰分布均勻，不燒毀噴燃器過(guò)熱器等設(shè)備，避免結(jié)渣。 （ 4）爐膛負(fù)壓的參數(shù)調(diào)整。鍋爐在高負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，由于爐膛溫度高，著火與混合條件較好，故燃燒一般是穩(wěn)定的，此時(shí)可適當(dāng)減少過(guò)量空氣系數(shù)，這樣既可以減少排煙，又可使?fàn)t內(nèi)溫度提高。 燃燒的調(diào)節(jié)主要包括送引風(fēng)量的調(diào)節(jié) 。鍋爐負(fù)荷發(fā)生改變而需要調(diào)節(jié)進(jìn)入爐內(nèi)的燃料量時(shí)，通過(guò)增加或者減少送煤量的多少來(lái)實(shí)現(xiàn)。 2． 2 汽水控制 汽包水位的調(diào)整及控制 當(dāng)汽包水位過(guò)高時(shí)，由于汽包蒸汽容積和空間高度減小，蒸汽攜帶的水份會(huì)增加，從而蒸汽的品質(zhì)惡化，容易造成過(guò)熱器積鹽垢，使管子過(guò)熱損壞。汽包嚴(yán)重滿水時(shí)，會(huì)造成蒸汽大量進(jìn)水，除引起蒸汽溫度急劇下降外，還會(huì)引起蒸汽管道和汽輪機(jī)內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重水沖擊，甚至打壞汽機(jī)葉片。 汽包水位是否穩(wěn)定首先取決于鍋爐負(fù)荷的變動(dòng)量及其變動(dòng)速度，因?yàn)樗粌H影響蒸發(fā)設(shè)備中水的消耗量，而且還會(huì)造成壓力的變化，從而引起爐水狀態(tài)發(fā)生變化，促使它的體積也發(fā)生變化。汽壓下降的結(jié)果，一方面造成汽水混合物比容增大水位上升；另一方面使飽和溫度降低，造成金屬和爐水放出部分熱量用來(lái)蒸發(fā)爐水，因此爐水內(nèi)的蒸汽數(shù)量大大增加，汽水混合物體積膨脹，促使水位很快上升，形成虛假水位。 在鍋爐負(fù)荷和給水量未發(fā)生變化的情況下，爐內(nèi)燃燒工況發(fā)生變動(dòng)多數(shù)是 11 由于燃燒不良，給煤量的不穩(wěn)定所引起。對(duì)于單元機(jī)組，如果此時(shí)汽壓不能恢復(fù)則汽輪機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)將要關(guān)小調(diào)速汽門，進(jìn)汽量減少，因此水位又會(huì)上升。 給水壓力升高則給水量增多，從而破壞了給水量與蒸發(fā)量的平衡，因此必然引起汽包水位的波動(dòng)，在其他情況為改變的情況下，給水壓力升高使給水量增大，水位升高，給水壓力低使給水量減少時(shí)，水位下降。汽輪機(jī)高壓缸的排汽先送到鍋爐的再熱器中，經(jīng)過(guò)再一次加熱升溫到一定的溫度后，返回到汽輪機(jī)的中低壓缸和低壓缸中繼續(xù)膨脹做功。我國(guó) 125MW 及以上機(jī)組都采用了中間再熱系統(tǒng)。 再熱器的進(jìn)汽是汽輪機(jī)高壓缸的排汽，它的壓力約為主蒸汽壓力的 20%左 12 右，溫度稍高于相應(yīng)的飽和溫度，流量約為主蒸汽流量的 80%，離開再熱器后的蒸汽溫度約等于主蒸汽溫度。 （ 1）再熱蒸汽壓力低，蒸汽與管壁之間的對(duì)流放熱系數(shù)小，再熱蒸汽對(duì)管壁的冷卻效果差； （ 2）再熱蒸汽壓力低、溫度高、比容大，再熱蒸汽的容積流量比主蒸汽大的多，再熱蒸汽連接管道直徑比過(guò)熱蒸汽大； （ 3）再熱蒸汽 對(duì)汽溫偏差較敏感； （ 4）再熱蒸汽出口氣溫受進(jìn)口氣溫的影響； （ 5）當(dāng)汽輪機(jī)甩負(fù)荷或機(jī)組起停時(shí)，再熱蒸汽無(wú)蒸汽冷卻，可能燒壞，因此過(guò)熱器和再熱器之間裝有高壓旁路，將過(guò)熱蒸汽通過(guò)高壓旁路快速減溫減壓后引入再熱器，從而起到保護(hù)再熱器的作用。汽－氣熱交換器；蒸汽旁通法；煙氣再循環(huán)；分隔煙道擋板調(diào)溫法，當(dāng)再熱器布置在鍋爐尾部煙道內(nèi)時(shí)，為了調(diào)節(jié)再熱氣溫，有時(shí)把尾部煙道用隔墻分開，分 別將再熱器和低溫過(guò)熱器布置在兩個(gè)并聯(lián)的煙道中，在它們后面布置省煤器，在出口處設(shè)有可調(diào)煙氣擋板，調(diào)節(jié)煙氣擋板，可以改變流經(jīng)兩個(gè)煙道的煙氣流量，從而調(diào)節(jié)再熱汽溫。汽溫過(guò)低，會(huì)使汽輪機(jī)最后幾級(jí)的蒸汽濕度增加，對(duì)葉片的侵蝕作用加劇。當(dāng)壓力不變時(shí)汽溫加大，蒸汽的熱焓必然減少，蒸汽的做功能力將減少，汽耗必然增加 ，工廠經(jīng)濟(jì)性降低。煙氣側(cè)的主要影響有： 燃料性質(zhì)的變化，揮發(fā)分降低，含炭量增加時(shí)，火焰中心上移，爐膛出口煙溫升高，將使得汽溫升高，燃煤水份增加，爐膛出口煙溫增加，煙氣流速增加，這樣使得對(duì)流過(guò)熱器的傳熱系數(shù)增大，吸熱增多汽溫升高。 蒸汽側(cè)的主要影響有：鍋爐負(fù)荷的變化，實(shí)際鍋爐中，聯(lián)合過(guò)熱器的負(fù)荷特性通常是呈對(duì)流式的，即過(guò)熱器出口汽溫隨鍋