【正文】 陳舊、操作水平低下，目前我國(guó)工業(yè)燃煤鍋爐普遍存在著熱效率低、能耗高的問(wèn)題。由于煤質(zhì)變化大，設(shè)備陳舊，不僅工人勞動(dòng)條件差，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且鍋爐熱效應(yīng)低。然而我國(guó)近些年來(lái)的實(shí)踐表明，除設(shè)備本身經(jīng)過(guò)合理改進(jìn)或采用先進(jìn)的節(jié)能設(shè)備外，另一條節(jié)能的途徑就是通過(guò)對(duì)鍋爐的自動(dòng)控制。 過(guò)熱蒸汽溫度 是 鍋爐 汽水工質(zhì)中的最高溫度，維持 過(guò)熱蒸汽溫度 穩(wěn)定 ， 控制 過(guò)熱蒸汽溫度 在給定值上，保證整個(gè)過(guò)熱器不要超溫是 過(guò)熱蒸汽溫度 控制系統(tǒng)的重要任務(wù)。因此， 過(guò)熱蒸汽溫度 是鍋爐運(yùn)行中的一個(gè)重要參數(shù)， 直接影響鍋爐 、汽輪機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)工業(yè)鍋爐都是人工控制的，燃料浪費(fèi)很大。 2 對(duì)于工業(yè)鍋爐這個(gè)復(fù) 雜的系統(tǒng) ，鍋爐過(guò)熱蒸汽具有大慣性、大滯后的特點(diǎn) ,并且動(dòng)態(tài)特性隨機(jī)組負(fù)載變化而變化 ,運(yùn)行過(guò)程中擾動(dòng)多、難控制 ，由于其內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換機(jī)理過(guò)于復(fù)雜，難以達(dá)到理想的控制效果，因此，必須采用智能控制方式控制，才能獲得最佳控制效果。 組態(tài)王是一款國(guó)產(chǎn)組態(tài)軟件，具有：①豐富的圖庫(kù)及圖庫(kù)開(kāi)發(fā)工具，通過(guò)形象簡(jiǎn)單的組態(tài)工作，即可構(gòu)成所需功能的界面；②大量的設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口，支持國(guó)內(nèi)主流的各種 PLC、智能儀表、板卡和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)等工控產(chǎn)品；③一種類(lèi)似 C 語(yǔ)言的編程環(huán)境 ，便于建立命令語(yǔ)言文本，處理一些簡(jiǎn)單的算法和操作；④內(nèi)嵌許多控件函數(shù)、命令語(yǔ)言函數(shù)供用戶(hù)調(diào)用，另外支持自定義函數(shù)。其可靠性高 ,穩(wěn)定性好 ,長(zhǎng)期工作維護(hù)量小。適用范圍廣 ,使用靈活 :可選擇不同的測(cè)量值和輸出值 。具有內(nèi)部計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自診斷、自校驗(yàn)等多種功能。 過(guò)程控制系統(tǒng)通常是指工業(yè)生產(chǎn)中自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控量是溫度、壓力、流量、液位、成分、粘度、濕度等這樣一些過(guò)程變量的系統(tǒng)，具有連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制、由過(guò)程檢測(cè)和控制儀表組成、被控過(guò)程多樣，控制方案豐富的特點(diǎn)。 綜上所述，鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制在鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)中非常重要。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)化，使操作員的勞動(dòng)強(qiáng)度大大減小，提高了生產(chǎn)的效益和勞動(dòng)成本。要求通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集處理，在組態(tài)王中實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)顯示、報(bào)警處理、流程控制、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)和報(bào)表輸出等功能。 最后向用戶(hù)提供 鍋爐過(guò) 熱蒸汽 控制 系統(tǒng) 的動(dòng)態(tài)運(yùn)行結(jié)果。鍋爐 通過(guò)煤、油或天然汽等燃料的燃燒過(guò)程釋放出化學(xué)能，并通過(guò)傳熱過(guò)程把能量傳遞給水，把水變成蒸 汽 或熱水，蒸汽或熱水直接供給工業(yè)、生活等生產(chǎn)中所需要的熱能。 鍋爐的主要設(shè)備： 汽 鍋：由上下鍋筒和三簇沸水管組成。 爐子：是使燃燒從充 分燃燒并釋放出熱量的設(shè)備。 鍋筒：是自然循環(huán)鍋爐各受熱面能適應(yīng)負(fù)荷變化的設(shè)備。 過(guò)熱器：是將氣鍋所產(chǎn)生的飽和蒸汽繼續(xù)加熱為過(guò)熱蒸汽的換熱器。 省煤器：是利用余熱加熱鍋爐給水，以降低排出煙氣溫度的換熱器。同時(shí)，由于提高了進(jìn)入氣包的給水溫度，所以減少了因溫差而引起的汽包壁的熱適應(yīng)力，從而延長(zhǎng)了氣包的使用壽命。 引風(fēng)設(shè)備：包括引風(fēng)機(jī)，煙囪，煙道幾部分。 送風(fēng)設(shè)備：包括有鼓風(fēng)機(jī)和分道組成。 給水設(shè)備：由水泵和給水管組成。省煤器出口煙溫度高，裝上空氣預(yù)熱器后，可以進(jìn)一步降低排煙溫度，也可改善燃料著火和燃燒條件，降低不完全燃燒所造成的損失，提高鍋爐機(jī)組的效率。 燃料供給設(shè)備：由運(yùn)煤設(shè)備，原煤倉(cāng)和儲(chǔ)媒斗等設(shè)備組成，保證鍋爐所需燃料供應(yīng)。 此外，除了保證鍋爐的正常工作和安全，蒸汽鍋爐還必須裝設(shè)安全閥，水位表，高低水位報(bào)警器，壓力表，主氣閥，排污閥，止污閥等。 鍋爐的工作原理及過(guò)程 鍋爐的工作過(guò)程概括起來(lái)應(yīng)該包括三個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程：燃料的燃燒過(guò)程、水的汽化過(guò)程、煙氣向水的傳熱過(guò)程。燃料一面燃燒，一面向后移動(dòng)，燃料所需要的空氣是由風(fēng)機(jī)送入爐排腹中風(fēng)倉(cāng)后，向上穿過(guò)爐排到達(dá)燃料層，進(jìn)行燃料反應(yīng)形成高溫?zé)煔狻? ： 水的汽化過(guò)程就是蒸汽的產(chǎn)生過(guò)程，主要包括水循環(huán)和水分離過(guò)程。鍋爐工作時(shí)氣鍋的工作介質(zhì)是處于飽和狀態(tài)的汽，水混合物。此外，為了阻止水循環(huán)和進(jìn)行疏導(dǎo)分配的需要，而筒鍋上集箱上的汽水混合物導(dǎo)入爐墻外的不受熱地上鍋筒。以及在鍋筒本身空間的重力分離力作用，是汽水混合物得到分離。鍋爐中的水循環(huán)，也保證與高溫?zé)煔庀嘟佑| 的金屬受熱面的以冷卻而不被燒壞，是鍋爐能長(zhǎng)期安全運(yùn)行的必要條件。 ： 由于燃料的燃燒放熱，爐內(nèi)溫度很高在爐膛的四周墻面上，都布置一排水管，俗稱(chēng)水冷壁。繼而煙棋手引風(fēng)機(jī)，煙囪的引力爾向爐膛上方流動(dòng)。煙氣流經(jīng)過(guò)過(guò)熱氣后掠過(guò)脹接在上、下 鍋筒間的對(duì)流管束，在管束間設(shè)置了折煙墻使煙氣呈“ S”型形成曲折地橫向沖刷，再次以對(duì)流換熱的方式將熱量傳遞給管束的工質(zhì)。省煤器實(shí)際上同給水預(yù)熱氣和空氣預(yù)熱器一樣，斗設(shè)置在鍋爐尾部（低溫）煙道，以降低排煙溫度提高鍋爐效率，從而節(jié)省了燃料。 。 過(guò)熱蒸汽溫度 變化的主要因素 影響鍋爐 過(guò)熱 蒸汽溫度 度 變化的因素很多，例如蒸汽負(fù)荷、減溫水量、煙氣側(cè)的過(guò)?？諝庀禂?shù)以及火焰中心位置、燃料成分等，這些因素不僅與機(jī)組的運(yùn)行方式、運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，而且有的是互相關(guān)聯(lián)的。 :包括蒸汽負(fù)荷、給水溫度、飽和蒸汽含濕量、減溫水量、減溫水焓值等。總體來(lái)看，當(dāng)鍋爐蒸汽量增加時(shí)過(guò)熱器出口 過(guò)熱蒸汽溫度 將增高。但由于蒸汽量是由機(jī)組負(fù)荷決定的，不能用來(lái)作為調(diào)節(jié) 過(guò)熱蒸汽溫度 的手段。如果燃料量不變，則會(huì)降低蒸發(fā)量，因?yàn)檫^(guò)熱器所吸收的熱量基本不變，所以在過(guò)熱器中每公斤蒸汽所吸收的熱量增加，使 過(guò)熱蒸汽溫度 升高。 對(duì)于單元機(jī)組，給水溫度是隨著機(jī)組的出力而變化的。 (3)飽和蒸汽含濕量的變化 過(guò)熱器入口蒸汽 (即飽和蒸汽 )的焓值決定于蒸汽壓力及其含濕量，飽和蒸汽含濕量越大，蒸汽焓值越小。但在工況不穩(wěn)定和運(yùn)行不正常的條件下，例如，當(dāng)鍋爐負(fù)荷突增，汽包水位過(guò)高，以及爐水含鹽濃度太大而發(fā)生汽水沸騰時(shí)，將會(huì)使飽和蒸汽的含濕量大大增加，由于增加的水分在過(guò)熱器中汽化要吸收熱量，在燃燒工況不變的情況下，用于使干飽和蒸汽過(guò)熱的熱量相應(yīng)減少，因而將引起 過(guò) 6 過(guò)熱蒸汽溫度 下降 。當(dāng)減溫水溫度降低或減溫水量增大都會(huì)使 過(guò)熱蒸汽溫度 下降，而當(dāng)減溫水溫度升高或減溫水量減小則會(huì)使 過(guò)熱蒸汽溫度 上升。 (1)煤質(zhì)的變化 燃煤中的水分和灰分增加時(shí)，燃煤的發(fā)熱量降低，為了保證鍋爐蒸發(fā)量，必須增加燃料消耗量。當(dāng)燃煤的揮發(fā)分降低，含碳量增加 (例如由燒煙煤改成燒無(wú)煙煤或貧煤 )或煤粉較粗時(shí)，煤粉在爐內(nèi)的燃盡時(shí)間較長(zhǎng)，火焰中心上移爐膛出口煙溫升高，從而使 過(guò)熱蒸汽溫度 上升。 (4)配風(fēng)工況的改變 在總風(fēng)量不變的情況下，由于配風(fēng)工況不同，也會(huì)造成火焰中心位置的變化而使 過(guò)熱蒸汽溫度 發(fā)生變化。 調(diào)節(jié)方法 過(guò)熱蒸汽溫度 調(diào)節(jié)方法也可以分為蒸汽側(cè)調(diào)節(jié)和煙氣側(cè)調(diào)節(jié)兩大類(lèi)。蒸汽側(cè)調(diào)節(jié)主要采用噴水減溫器，煙氣側(cè)調(diào)節(jié)主要采用改變?nèi)紵鹧嬷行奈恢玫姆椒ā? 噴水減溫裝置通常都安裝在過(guò)熱器的連接管道或者聯(lián)箱處。一般設(shè)計(jì)的噴水量約為鍋爐容量的 4％～ 7％。 在采用噴水減溫作為 過(guò)熱蒸汽溫度 的調(diào)節(jié)手段時(shí)，不僅減溫水流量發(fā)生變化時(shí) 過(guò)熱蒸汽溫度 會(huì)發(fā) 生變化，而且減溫水溫度發(fā)生變化時(shí) 過(guò)熱蒸汽溫度 也會(huì)變化。所有本課題采用噴水減溫法來(lái)控制過(guò)熱蒸汽溫度。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中，過(guò)程控制技術(shù)正在為實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)技 術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等方面起著越老越大的作用。過(guò)程控制技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。 過(guò)程控制的特點(diǎn)是與其它自動(dòng)控制系統(tǒng)相比而 言的，大致可歸納如下； 過(guò)程控制一般是指連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制，其被控量需定量地控制，而且應(yīng)是連續(xù)可調(diào)的。 、控制儀表組成 過(guò)程控制是通過(guò)各種檢測(cè)儀表、控制儀表（包括電動(dòng)儀表和氣動(dòng)儀表，模擬儀表和智能儀表）和電子計(jì)算機(jī) (看作一臺(tái)儀表 )等自動(dòng)化技術(shù)工具，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)監(jiān)督和自動(dòng)控制。過(guò)程監(jiān)測(cè)控制儀表包 括檢測(cè)元件、變送器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥等。 、非電量的 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，工業(yè)過(guò)程很復(fù)雜。諸如石油化工過(guò)程中的精餾塔、化學(xué)反應(yīng)器、流體傳輸設(shè)備；熱工過(guò)程中的鍋爐、熱交換器；冶金過(guò)程中的轉(zhuǎn)爐、平爐；機(jī)械工業(yè)中的熱處理爐等。有 些機(jī)理復(fù)雜（如發(fā)酵、化生過(guò)程等）的過(guò)程至今尚未背人們認(rèn)識(shí)，所以很難用目前過(guò)程辨識(shí)方法建立其精確的數(shù)學(xué)模型，因此設(shè)計(jì)能適應(yīng)各種過(guò)程的控制系統(tǒng)并非易事。另外，在石油、化工、電力、冶金、輕工、建材、制藥等工業(yè)生過(guò)程中，往往用一些物理量和化學(xué)量來(lái)表征其生產(chǎn)過(guò)程是否正常，因此要對(duì)上述過(guò)程參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制，故過(guò)程控制多半為參數(shù)控制。過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以被控過(guò)程的特性為依據(jù)的。為了滿(mǎn)足上述特點(diǎn)與工藝要求，過(guò)程控制中的控制方案是十分豐富的。 在石油、化工、電力、冶金、輕工、環(huán)保和原子能等現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，過(guò)程控制的主要目的在于消除或 減小外界干擾對(duì)被控量的影響，使被控量能穩(wěn)定在給定值上，使工業(yè)生產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和低能耗的目的。 要分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用好一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)，首先應(yīng)對(duì)被控過(guò)程做全面了解，對(duì)工藝過(guò)程、設(shè)備等深入的分析，然后應(yīng)用自動(dòng)控制原理與技術(shù)，擬定一個(gè)合適正確的控制方案，從而達(dá)到保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品產(chǎn)量、降耗節(jié)能、保護(hù)環(huán)境和提高管理水品等目的 。 串級(jí)控制系統(tǒng)特點(diǎn) 串級(jí)控制系統(tǒng)是改善控制過(guò)程品質(zhì)極為有效的方法，因而得到了較為廣泛應(yīng)用。這是因?yàn)樵诖?jí)控制系統(tǒng)中，由于副回路具有快速作用，因此串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入內(nèi)回路的擾動(dòng)有很強(qiáng)的克服能力；同時(shí)由于有副回路的存在，改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率，且使系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力，為了充分發(fā)揮串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)實(shí)際控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)當(dāng)合理設(shè)計(jì)主、副回 )(1 sW C )(2 sW C )( sW V )(2 sW O )(1 sW O)(2 sW m)(1 sW m1?)(1 sY+ ++)(2 sF)(1 sF2?)(2 sY 圖 21 串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 9 路及選擇主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律。 在一般情況下 ， 采用 P調(diào)節(jié)器就足夠了 ， 如果主 、副回路頻率相差很大 ， 也可考慮采用 PI或 PID調(diào)節(jié)器 。 凡是需采用串級(jí)控制的生產(chǎn)過(guò)程 ， 對(duì)控制品質(zhì)的要求總是很高的 ， 不允許被調(diào)量存在靜態(tài) ， 偏差因此主調(diào)節(jié)器必須具有積分作用 ， 一般采用 PI或 PID控制器 。從被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性來(lái)看，噴水?dāng)_動(dòng)下的汽溫動(dòng)態(tài)特性不如其他擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，為了克服控制通道的滯后和慣性，采用了導(dǎo)前汽溫信號(hào) 2? 。因此，采用導(dǎo)前汽溫 2? 信號(hào)構(gòu)成串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)，以改善汽溫的控制質(zhì)量。而過(guò)熱器出口汽溫 1? 的控制，則是通過(guò)主調(diào)節(jié)器 PI來(lái)校正副調(diào)節(jié)器工作，只要1? 未 達(dá)到給定值，主調(diào)節(jié) PI的輸出信號(hào)就不斷的變化，使副調(diào)節(jié)器不斷去控制減溫水噴水量 ?W 的變化，直到 1? 恢復(fù)到給定值為止。 在串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)中，由于兩個(gè)回路的任務(wù)及動(dòng)態(tài)特性不同，可以選用不同的調(diào)節(jié)器。當(dāng)導(dǎo)前汽溫慣性較大時(shí)，也可選用比例微分調(diào)節(jié)器。當(dāng)過(guò)熱器惰性區(qū)較大時(shí)，也可選用比例、積分、微分調(diào)節(jié)器。從系統(tǒng)的框圖看，只有一個(gè)閉環(huán)回路。 單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，易于調(diào)整和投運(yùn)，又能滿(mǎn)足不少工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制要求，因此應(yīng)用十分廣泛，尤其適用于被控過(guò)程的純滯后和慣性小、負(fù)荷和擾動(dòng)變化比較平緩，或者不對(duì)被控質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合，約占目前工業(yè)控制系統(tǒng)的 80%以上。但就工藝要求而言，串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)多了一個(gè)測(cè)量變送器和一個(gè)控制器，增加了成本，并且單回路控制質(zhì)量即可滿(mǎn)足一般的小型鍋爐，所以本課題選用單回路控制系統(tǒng)來(lái)控制過(guò)熱蒸汽溫度。 11 調(diào) 節(jié) 器測(cè) 量 變 送對(duì) 象調(diào) 節(jié) 閥+U ( t )X ( t ) E ( t ) Y ( s )Q ( t ) 圖 25系統(tǒng)框圖 當(dāng)主汽溫 的測(cè)量值等于設(shè)定值時(shí)，噴水閥門(mén)不動(dòng)，系統(tǒng)處在動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，此時(shí)，若爐膛燃燒工況發(fā)生變化使汽溫變化，造成給定值和測(cè)量值產(chǎn)生偏差，則偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)控制器的方向判斷及數(shù)學(xué)運(yùn)算后，產(chǎn)生控制信號(hào)使噴水閥門(mén)以適當(dāng)形式打開(kāi)噴水流量。 過(guò) 熱 器爐 膛汽 鼓水T CT T過(guò) 熱 蒸 汽減 溫 器1234 圖 26 控制流程圖 其中： 1―熱電阻； 2―溫度變送器； 3―溫度調(diào)節(jié)器； 4―調(diào)節(jié)閥 。 與其他常規(guī)儀表相比，有 以 下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： ,高性能的集成芯片 ,功能強(qiáng)大 ,性能優(yōu)越； ,穩(wěn)定性好 ,長(zhǎng)期工作維護(hù)量小； LCD 顯示 ,清晰直觀 ,讀數(shù)方便； ,使用靈活 :可選擇不同的測(cè)量值和輸出值 。具有內(nèi)部計(jì)算、數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)、自診斷、自校驗(yàn)等多種功能； 管理信息 ,可供用戶(hù)參考 。在現(xiàn)場(chǎng)安裝的儀表是一種被稱(chēng)為“ Smart Feld Instrument”的智能式儀表 ,Smart 儀表可以用同一對(duì)傳輸線(xiàn) 同時(shí)送出 4～ 20mA 和 FSK 調(diào)頻制數(shù)字這兩種信號(hào) ,實(shí)現(xiàn)控制中心與儀表之間的雙向通信。 美國(guó)的另一大儀表生產(chǎn)商 Honeywell 公司 20 世紀(jì) 80 代初也開(kāi)發(fā)出第一代智能式儀表 ,及與之配套的 ST2102 智能通訊器 ,可設(shè)定智能儀表的輸出模式 :模擬式 4～20mA 輸出或數(shù)字輸出模式 DE 模式 ,以便與 DCS 實(shí)現(xiàn)數(shù)字通訊 。 智能式儀表自 20 世紀(jì)