锅炉燃烧自动控制Word文档格式.doc
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自寻优
1.1课题来源
工业锅炉已被广泛地应用于国民经济各个部门。
通常蒸发量较小的用来供热或提供循环热水,蒸发量大的用来驱动蒸汽轮机和蒸汽机,使热能转化为机械能,或进而转换为电能。
一台锅炉要能安全、可靠、有效地运行,运行参数达到设计值,除了锅炉本身设备和各种辅机完好外,还必须要求自动化仪表工作正常和自动控制系统方案正确。
通过调研我们发现,我国的工业或民用采暖锅炉的运行普遍存在自动化程度不高,靠人工经验来控制燃烧的问题。
这些问题导致锅炉效率不高,能量浪费。
同时,生产现场蒸汽用量经常变化,且没有规律,而供汽量目前都采用人工调节的办法来满足热用量的变化,这种人工调节的办法,使供汽的“量”存在浪费的问题,且供汽的“质”也难以保证。
因此,锅炉的自动控制成为一个不容忽视的研究课题。
随着科学技术的不断发展以及对节省能源和自动控制要求的不断提高,对实现自动控制的手段也提出了更高的要求。
这样就为计算机在自动控制中的应用提供了迫切性,而计算机技术本身的迅速发展也为其应用提供了可能性,利用计算机来实现生产过程的自动控制是目前自动控制技术发展的方向。
本课题为内蒙古重点攻关项目。
1.2课题发展状况
1.2.1工业锅炉简介
一、工业锅炉的工作过程[1]
图1.1为锅炉结构和工艺流程示意图。
燃烧的煤层厚度通过闸板控制,炉排转速可由交流变频调速电机控制。
尾部受热面有省煤器和空气预热器。
图1.110t/h锅炉结构和工艺流程示意图
给水通过省煤器预热后给锅炉上水,空气经空气预热器后由炉排左右两侧6个风道进入,烟气通过除尘器除尘,由引风机送至烟囱排放,主蒸汽经过过热器送至汽柜和用汽部门。
鼓风机、引风机都是由交流变频器来控制,通过调节鼓风机、引风机的速度来实现控制鼓风量、引风量。
二、锅炉自动控制的主要任务[2]
(一)锅炉汽包水位的控制
汽包水位是锅炉安全运行的主要参数之一。
水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热器管内结垢,影响传热效率,严重的将引起过热管爆管;
水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环,引起水冷壁局部过热而爆管。
尤其是大型锅炉,例如,30万KW机组的锅炉蒸发量为1024t/h,而汽包容积较小,一旦给水停止,则会在十几秒内使汽包内的水全部汽化,造成严重的事故。
(二)过热蒸汽温度的控制
大型锅炉的过热器是在接近过热器金属管的极限高温条件下工作的,金属管道强度的安全系数很小,过热蒸汽温度过高会使金属管道的强度大为降低,影响设备安全;
温度过低则使全厂热效率显著下降。
所以过热蒸汽温度是有关安全和经济性的重要参数。
过热蒸汽温度自动调节的任务是维持过热器出口汽温在允许范围内,以确保机组运行的安全性和经济性。
(三)锅炉燃烧过程的控制
燃烧过程自动调节系统的选择虽然与燃料的种类和供给系统、燃烧方式以及锅炉与负荷的联接方式都有关系,但是燃烧过程自动调节的任务都是一样的。
归纳起来,燃烧过程调节系统有三大任务。
第一个任务是维持汽压恒定。
汽压的变化表示锅炉蒸汽量和负荷的耗汽量不相适应,必须相应地改变燃料量,以改变锅炉的蒸汽量。
第二个任务是保证燃烧过程的经济性。
当燃料量改变时,必须相应地调节送风量,使它与燃料量相配合,保证燃烧过程有较高的经济性。
第三个任务是调节引风量与送风量相配合,以保证炉膛压力不变。
对于一台锅炉,燃烧过程的这三项调节任务是不可分隔的,对调节系统设计时应加以注意。
1.2.2工业锅炉控制的发展与现状
一、锅炉自动控制装置的发展
锅炉是一种将一次能源(煤炭、石油、天然气等)转换为二次能源的重要设备。
由于多数单位的锅炉生产实行人工操作,不仅工作人员劳动条件差、劳动强度大,而且锅炉的热效率低。
为了提高效率,改善工作人员的劳动强度,使仪表控制逐渐取代人工操作,锅炉生产过程自动化就相应出现了。
在生产过程中,对炉膛负压,烟气成分,给水管道的压力、流量、汽包水位、蒸汽温度等热工参数进行自动监测和显示;
同时,对给水系统、燃烧系统进行调节,取得了很好的效果。
随着工业检测技术的发展,DDZ型系列仪表参与锅炉控制,目前已经由第一代DDZ-I型电子管式,到第二代DDZ-II型晶体管式,到目前最大量使用的DDZ-III型集成电路式,都在锅炉控制中起主要作用[3]。
常规仪表控制有如下局限性:
1、难于实现复杂的控制规律,如最优控制、自适应控制、人工智能控制等;
2、难于实现集中监测和操作,管理水平低;
3、改变控制方案较困难。
随着计算机技术革命的到来,计算机也逐渐被用在工业锅炉的控制上。
美国的霍尼维尔公司能源管理情况中心证明,锅炉计算机控制比一般锅炉仪表控制优势明显得多。
我国在这方面也成果显著。
例如:
南通醋酸化工厂与北京工业大学研制的GJK-805型微型机计算机锅炉控制装置,应用于该厂20吨/小时的锅炉上,使锅炉的热效率提高了5.37%,年节煤约800吨,它采用TP805为主体,CTC定时中断,每秒采集一次数据,采用积分分离PID控制算法。
重庆工业自动化仪表厂和重庆农药厂联合研制的智能式工业锅炉控制系统用于控制SHL10-13型饱和蒸汽锅炉取得了满意效果,运行稳定,使用方便,软件上采用模块化设计,构成了全新的数字化实时过程控制系统。
还有大连计算机技术研究所研制的锅炉微机控制系统能够不停机实时进行参数修改功能,又有无扰手动/自动切换和双套报警系统,实现了对水位、汽压、负压、含氧量等主要参数的监控,算法上采用了模糊控制分别对炉膛负压系统和含氧量调节系统进行了一些模糊判断,使该系统有了一定的适应能力[4][41]。
二、锅炉自动控制规律的发展
自从仪表取代人工成为工业锅炉的控制核心以来,PID控制一直是仪表过程控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。
由于PID技术发展的比较成熟,在计算机锅炉控制系统中就成为了首选,是最为可靠、效果很好的控制规律。
随着锅炉控制的发展,出现了许多改进的PID控制算法,如带死区的、积分分离的,参数自整定的等一系列PID控制规律。
随着控制理论的发展,自适应控制、预测控制也被应用到锅炉的控制中,近年来,以专家系统、模糊控制、神经网络控制为代表的智能控制也开始应用到工业锅炉的控制系统中,国内、外许多学者的许多理论和实践也都表明,智能控制,尤其是模糊控制将成为现阶段实际控制系统中应用较为广泛的一种控制方法[5]。
第二章锅炉燃烧过程的控制系统
2.1锅炉燃烧系统简介
2.1.1燃烧系统的任务
燃烧过程自动调节有三大任务[7]:
1.维持汽压。
汽压的设定值是根据生产要求设定的;
负荷量是由生产需要随时调整;
锅炉的蒸汽流量是由蒸汽压力和负荷的阀门开度共同决定的。
汽压的变化表明蒸汽流出量与负荷需求量不相符,需改变给煤量以维持汽压恒定,使蒸汽流量满足负荷要求。
2.保证燃烧的经济性。
改变给煤量时,必须相应地改变送风量,使之与燃料量相配合,保证燃烧过程的经济性。
送入空气量不足,则燃料不能充分燃烧;
送入空气量过大,则过剩空气带走炉膛的热量,造成热损失。
3.保证引风和鼓风的正确配比,维持炉膛负压值。
膛压为正,会使炉膛有爆炸危险,并且使炉火外喷,对锅炉周围设备及操作人员造成威胁;
负压过大,则过剩空气会带走炉膛中的热量。
2.1.2燃烧系统的调节对象
燃烧调节系统一般有3个被调参数,气压p、过剩空气系数α(或最佳含氧量O2)和炉膛负压Pf;
有3个调节量,它们是燃料量M、送风量F和引风量Y。
燃烧调节系统的调节对象对于燃料量,根据燃料种类的不同可能是炉排电机,也可能是燃料阀。
对于送风量和引风量一般是鼓风电机和引风电机。
2.2燃烧系统调节对象的特性
锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是既要提供热量适应蒸汽负荷的需要,又要保证燃烧的经济性和锅炉运行的安全性。
为了达到上述目的,燃烧过程的控制系统应包括三个调节任务:
即维持汽压、保证最佳空燃比和保证炉膛负压不变。
与此相对应,应有三个控制回路分别调节燃料量、送风量和引风量,从而构成了多参数的燃烧过程控制系统。
为了能正确地设计控制系统,应先了解对象的动态特性。
一、气压调节对象的特性[8]~[11]
锅炉的燃烧过程是一个能量转换、传递的过程,也就是利用燃料燃烧的热量产生用汽设备所需蒸汽的过程。
主汽压力是衡量蒸汽量与外界负荷两者是否相适应的一个标志。
因此,要了解燃烧过程的动态特性主要是弄清汽压对象的动态特性。
1.气压被控对象的生产流程及环节划分
锅炉汽包压力是燃烧过程控制的主要被控量,分析燃烧过程对象的动态特性,是确定燃烧系统自动控制方案的主要依据。
汽压被控对象的生产流程示意图如图2.1所示,整个系统由炉膛1,汽包、水冷壁组成的蒸发受热面2,过热器3,母管4和用汽设备5组成。
工质(水)通过炉膛吸收了燃料燃烧发出的热量,不断升温,直到产生饱和蒸汽汇集于汽包内,最后经过过热器成为过热蒸汽,输送到用汽设备作功。
W——给水量;
is——给水热焓;
Pb——汽包压力;
D——蒸汽流量;
——汽机耗汽量;
——汽机进汽阀开度;
——汽机背压;
i"
——过热蒸汽焓;
——母管压力
图2.1汽压对象生产流程示意图
环节1:
其输入量为单位时间内炉膛燃烧的燃料量M(kg/s),输出量为单位时间内传给炉膛受热面的燃料发热量Qr(kJ/s),又称炉膛热负荷。
在锅炉运行中,当燃料量M发生变化时,送风量与引风量应同时协调变化,这时的燃料量M的变化,表示锅炉燃烧率的变化,Qr的变化与燃烧率的变化(相当于M的变化)成正比。
燃料从煤斗下来落在炉排上,形成均匀的、有一定厚度的燃料层进行燃烧。
所谓“火床”即是形象地表达了这种燃烧方式的特点。
根据给煤量阶跃扰动响应曲线求得床温被控对象的近似传递函数为:
(2—1)
燃烧和传热过程是一个复杂的化学物理过程,燃料量改变后,首先需要经过一定的吸热、燃烧、放热时间,而后将热量传给受热面的金属管壁(辐射传热和对流传热同时进行),然后将热量传给锅炉的汽水容积。
根据热力学定律,当物体吸收热量时其温度将升高,并有下列等式成立(式中认为物体质量为单位质量)。
Q=CT(2—2)
式中T——温度(K);
C——比热(kJ/kg·
K)
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