1、燃氣鍋爐燃燒控制系統摘要：本文主要介紹了鍋爐燃燒控制系統的設計過程。在設計過程中介紹了鍋爐燃燒控制系統的控制任務和控制特點，對于燃燒控制系統的設計方案，根據不同的控制任務分別設計了蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制以及防脫火回火選擇性控制系統，并在設計中給出了不同的設計方案，以對比各自的優缺點，選擇最優的控制。然后，把分別設計的控制系統組合起來，構成完整的鍋爐燃燒過程控制系統。最后，對設計好的控制系統進行儀表選型。關鍵詞： 燃氣鍋爐，燃燒系統，比值控制，脫火回火目 錄1.引言12.鍋爐燃燒控制系統概述22.1 燃燒控制的任務32.1.1 維持蒸汽出口壓力穩定32.1.2 保證燃燒過程的經濟性32.

2、1.3 保證鍋爐安全運行42.2 燃燒控制的特點43.燃燒控制系統設計方案43.1 蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制53.1.1 基本控制方案53.1.2 改進控制方案63.2 防脫火回火選擇性控制系統73.2.1 防脫火選擇性控制系統73.2.2防脫火回火混合型選擇性控制系統93.3 燃燒控制總體方案104. 燃燒控制系統的儀表選型115. 總結12參考文獻131.引言大型火力發電機組是典型的過程控制對象，它是由鍋爐、汽輪發電機組和輔助設備組成的龐大的設備群。鍋爐的燃燒控制過程是一個復雜的物理，化學過程，影響因素眾多，并且具有強耦合，非線性等特性。鍋爐的自動化控制經歷了三、四十年代的單參數儀表

3、控制，四、五十年代的單元組合儀表，綜合參數儀表控制，直到六十年代興起的計算機過程控制幾個階段。尤其是近一、二十年來，隨著先進控制理論和計算機技術的發展，加之計算機各項性能的不斷增強及價格的不斷下降使鍋爐應用計算機控制很快得到了普及和應用。電廠鍋爐利用煤或煤氣的燃燒發熱，通過傳熱對水進行加熱，產生高壓蒸汽，推動汽輪機發電機旋轉，從而產生強大的電能。在鍋爐燃燒系統中，燃料供給系統，送風系統以及引風系統是燃燒控制系統的重要環節。鍋爐生產燃燒系統自動控制的基本任務是使燃料所產生的熱量適應蒸汽負荷的需要，同時還要保證經濟燃燒和鍋爐的安全運行。具體控制任務可分為三個方面：一，穩定蒸汽母管壓力。二，維持鍋爐

4、燃燒的最佳狀態和經濟性。三，維持爐膛負壓在一定范圍（-20-80Pa）。這三者是相互關聯的。另外，在安全保護系統上應該考慮燃燒嘴背壓過高時，可能使燃料流速過高而脫火；燃燒嘴背壓太低又可能回火。本次課程設計的題目為燃氣鍋爐燃燒控制系統的設計。主要內容包括燃燒控制系統的概述；燃燒控制系統的基本方案；以及燃燒控制系統的儀表選型。設計方案為以主蒸汽壓力控制系統為主回路，燃料量與空氣量比值控制系統為內回路，燃燒嘴防脫火回火選擇控制系統為輔助安全保護系統。為節省篇幅，爐膛壓力控制系統在這里暫不涉及，但在實際控制系統中爐膛壓力控制系統是鍋爐燃燒控制系統中必不可少的組成部分之一。2.鍋爐燃燒控制系統概述鍋爐是

5、石油化工、發電等工業過程中必不可少的重要動力設備，它所產生的高壓蒸汽既可作為驅動透平的動力源，又可作為精餾、反應、加熱等過程的熱源。由于鍋爐設備所使用的燃料種類、燃燒設備、爐體形式、鍋爐功能和運行要求的不同，鍋爐有各種各樣的流程。常見的鍋爐設備主要工藝流程如圖2.1所示。圖2.1 常見鍋爐設備主要工藝流程圖由圖2.1可知，燃料和熱空氣按一定比例進入燃燒室燃燒，產生的熱量傳給蒸汽發生系統，產生飽和蒸汽Ds。然后經過熱器，形成一定溫度的過熱蒸汽D，匯集至蒸汽母管。壓力為Pm的過熱蒸汽，經負荷設備控制閥供給生產負荷設備使用。與此同時，燃燒過程中產生的煙氣，將飽和蒸汽變成過熱蒸汽后，經省煤器預熱鍋爐給

6、水和空氣預熱器預熱空氣，最后經引風機送往煙囪排人大氣。 鍋爐設備的主要任務是根據負荷的需求，提供一定壓力或溫度的蒸汽，同時要使鍋爐在安全、經濟的條件下運行，為此生產過程的各個工藝參數必須嚴格控制。大型鍋爐是一個復雜的被控裝置，它的被控變量和操縱變量繁多且相互關聯，屬于一個多變量耦合對象。根據其耦合程度的疏密分為幾個獨立的控制區域，分別采用單變量系統(變量關聯弱)或多變量耦合系統控制(變量關聯強)。燃燒控制系統是鍋爐設備主要的控制系統之一。鍋爐燃燒系統的控制有3個被控變量：負荷、經濟燃燒指標和爐膛負壓。可選用的操縱變量也有三個：燃料量、送風量和引風量。組成的燃燒系統的控制方案要滿足燃燒所產生的熱

7、量，適應蒸汽負荷的需要；使燃料與空氣之間保持一定的比值，保證燃燒的經濟性和鍋爐的安全運行；使引風量與送風量相適應，保持爐膛負壓在一定范圍內。2.1 燃燒控制的任務 鍋爐燃燒過程實質是將燃料中的化學能轉變為蒸汽熱能的能量轉換過程。燃燒過程控制的根本任務是使燃料所提供的熱量適應鍋爐蒸汽負荷的需要，并保證鍋爐安全經濟運行。燃燒過程控制的具體任務及其控制策略因燃料種類、燃燒方式以及機爐運行方式不同而有所區別。燃燒控制系統的基本任務可歸納為以下幾個方面。 維持蒸汽出口壓力穩定鍋爐蒸汽出口壓力作為表征鍋爐運行狀態的重要參數，不僅直接關系到鍋爐設備的安全運行，而且它是否穩定還反映了燃燒過程中的能量供求關系。

8、在單元機組中，鍋爐主汽壓控制與汽輪機負荷控制是相關聯的，鍋爐燃燒控制系統的任務是及時調整鍋爐燃料量，使鍋爐的能量輸出與汽輪機為適應對外界負荷的需求的能量輸入相適應，其標志是主汽壓的穩定。 保證燃燒過程的經濟性保證燃燒過程的經濟性是提高鍋爐效率的重要方面，一般可通過維持進入爐膛的燃料量與送風量之間的最佳比值來實現，即在有足夠風量使燃料得以充分燃燒的同時，盡可能減少排煙造成的熱損失。燃燒控制還有一項非常重要的任務是維持爐膛壓力穩定，關于此項任務的控制在本文中不涉及。 保證鍋爐安全運行 在安全保護系統上應該考慮燃燒嘴背壓過高而脫火，不但會污染環境更嚴重的是燃燒室內積存大量燃料氣與空氣的混合物，會有爆

9、炸危險；燃燒嘴背壓過低又可能回火，會危及燃料氣罐發生燃燒和爆炸。因此，必須設法加以防止。2.2 燃燒控制的特點 燃燒過程的控制系統有三個被控變量和三個操縱變量。鍋爐的運行實踐表明，對燃燒過程的三個被控變量的控制存在著明顯的相互影響。這主要是由于對象內部存在相互作用，即其中每個被控變量都同時受到幾個操縱變量的影響，而每個操縱變量的改變又能同時影響幾個被控變量。燃燒過程中，主汽壓是鍋爐燃燒產生的發熱量與汽輪機需要能量是否平衡的標志；煙氣含氧量是燃料量和送風量是否保持適當比例的指標；爐膛壓力是送風量和引風量是否平衡的指標。因此，雖然對象是幾個操縱變量對幾個被控變量都有嚴重影響，但如果在鍋爐運行過程中

10、，嚴格保持燃料量、送風量和引風量這三個操縱變量的比例，就能保持汽壓、煙氣氧含量和爐膛壓力基本不變。也就是說，當鍋爐的負荷要求變化時，燃燒控制系統應使三個操縱變量同時按比例地快速改變，以適應外界負荷的需要；當鍋爐的負荷要求不變時，燃燒過程的控制系統應能迅速消除各自的內擾，保持各自的操縱變量穩定不變。3.燃燒控制系統設計方案 在不同情況下，燃燒過程控制系統的設計方案是不同的，本文是以燃氣蒸汽鍋爐為設計對象。3.1 蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制 蒸汽壓力的主要擾動是蒸汽負荷的變化與燃料量的波動。當蒸汽負荷及燃料量波動較小時，可以采用蒸汽壓力來控制燃料量的單回路控制系統；而當燃料量波動較大時，可以來

11、用蒸汽壓力對燃料量的串級控制系統。 基本控制方案 燃料流量是隨蒸汽負荷而變化的，作為主流量與空氣流量(副流量)組成單閉環比值控制系統，使燃料與空氣保持一定比例，是燃料燃燒良好的基本保證。圖3.1 燃燒過程的基本控制方案 圖3.1是以蒸汽壓力控制器的輸出，作為燃料量單閉環控制回路和空氣流量單閉環控制回路共同的設定值，燃料量的輸出跟隨蒸汽壓力。由于燃料量控制器的給定值是蒸汽壓力，蒸汽壓力又是空氣流量控制器的給定值，不難理解通過控制器的設定可以保證燃料量和空氣流量的合適比例關系，且可以克服蒸汽壓力變化時燃料量和空氣流量控制不同步的問題。 該控制方案方塊圖如圖3.2所示。圖3.2 燃燒過程的基本控制方

12、案方塊圖 改進控制方案在生產過程中，有時工藝上不但要求物料量成一定的比例，而且要求在負荷變化時，它們的提、降量有一定的先后次序。所謂邏輯規律就是指工藝上對主、副流量提降時的先后要求而言。所以具有邏輯規律的比值控制也稱為邏輯提量。在鍋爐燃燒系統中，希望燃料量與空氣量成一定的比例，而燃料量取決于蒸汽量(負荷)的需要，通常用蒸汽壓力來反映。當蒸汽量要求增加(提量)時，即蒸汽壓力降低，燃料量也要增加，為了保證燃燒完全，應先加大空氣量，后加大燃料量。反之在降量時，應先減燃料量，后減空氣量，以保證燃料的完全燃燒。圖3.2為改進的具有上述邏輯規律的比值控制系統。圖3.3 燃燒過程的改進控制方案 圖3.3所示

13、為一串級和比值控制組合的系統，由蒸汽壓力與燃料流量的串級控制系統和燃料與空氣的流量比值控制系統相組合。完成邏輯提量功能主要依靠系統中設置的兩個選擇器：高選擇器HS、低選擇器LS。在正常工況下，即系統處于穩定狀態時，蒸汽壓力控制器的輸出Ip等于燃料流量變送器的輸出I1，也等于空氣流量變送器的輸出乘上空氣過剩系數K后的值I2。也就是說高、低選擇器的兩個輸入端信號是相等的，整個系統猶如不加選擇器時的串級相比值控制組合的系統進行工作。當系統進行提量時，隨著蒸汽量的增加，蒸汽壓力減少壓力控制器的輸出Ip增加(根據串級控制系統的要求，壓力控制器應選用反作用式控制器)，這個增加了的信號不被低選器選中，而卻被

14、高選器選中，它直接改變空氣流量控制器的給定值，命令空氣量增加。然后由于空氣增加，使其變送器輸出增加，也就使I2開始增加。因此時I2Ip，I2被低選器選中，從而改變燃料流量控制器給定值，命令提量。這一過程保證在增加燃料量前，先加大空氣量，使燃燒安全。整個提量過程直至IpI1I2時，系統又恢復到正常工況時的穩定狀態。在系統降量時，蒸汽壓力增加，蒸汽壓力控制器輸出減少，因而它被低選器選中，作為燃料流量控制器的給定值而命令燃料降量。燃料量降低，經變送器的測量信號為高選器選中，作為空氣流量控制器的給定值，命令空氣降量。降量過程直至IpI1I2，系統又恢復到穩定狀態。這樣就實現了提量時先提空氣量，后提燃料

15、量，降量時先降燃料量，后降空氣量的邏輯要求。3.2 防脫火回火選擇性控制系統 防脫火選擇性控制系統蒸汽鍋爐所用的燃料為天然氣或其他燃料氣。在正常情況下，根據產汽壓力采控制燃料氣量。當用戶所需蒸汽量增加時，蒸汽壓力就會下跌，為了維持蒸汽壓力，必須在增加供水量(供水量另有其他控制系統進行控制，這里暫不研究)的同時，相應地燃料氣量也要增加。當用戶所需蒸汽器減少時，蒸汽壓力就會上升，這時要減小燃料氣量。關于燃料氣壓力對燃燒過程的影響，經過研究發現：當燃料氣壓力過高時，會將燃燒噴嘴的火焰吹滅，產生脫火現象。一旦脫火現象發生，大量燃料氣就會因末燃燒而導致煙囪冒黑煙。這不但會污染環境，更嚴重的是燃燒室內積存

16、大量燃料氣與空氣的混合物，會有爆炸的危險。為了防止脫火現象的產生，在鍋爐燃燒系統中采用了如圖3.4所示的蒸汽壓力與燃料氣壓力選擇性控制方案。圖中采用了一只低選器，通過它選擇蒸汽壓力控制器與燃料氣壓力控制器兩者之一的輸出送往設置在燃料管線上的控制閥。圖3.4 鍋爐燃燒防脫火選擇性控制系統 低選器輸出Py與輸入信號Pa、Pb加的關系如下： 當PaPb時，PyPa 當PaPb時，PyPb 現在分析該選擇性控制系統的工作情況。為便于分析，我們先承認這兩只控制器均選為反作用，其中PC1為正常情況下工作的控制器，PC2為非正常情況下工作的控制器，而且是窄比例的(即比例放大倍數很大)。 在正常情況下，燃料氣

17、壓力低于產生脫火的壓力(即低于給定值)，PC2感受到的是負偏差，因此，它的輸出Pb呈現為高信號(因為PC2為反作用、窄比例)。而與此同時PC1的輸出信號相對來說則呈現為低信號。這樣，低選器LS將選中PC1的輸出Pa送往控制閥，構成蒸汽壓力控制系統。當燃料氣壓力上升到超過PC2的給定值(脫火壓力)時，PC2感受到的是正偏差，由于它是反作用、窄比例，因此PC2的輸出Pb一下跌為低信號。于是低選器LS就改選PC2的輸出Pb送往控制閥，構成燃料氣壓力控制系統，從而防止燃料氣壓力的上升，達到防止脫火的產生。 待燃料氣壓力下降到低于給定值時，Pb又迅速上升為高信號，而蒸汽壓力控制器PC1輸出Pa相對而言又

18、成為低信號，為低選器重新選中送往控制閥，重新構成蒸汽壓力控制系統。本系統方塊圖如圖3.5所示。圖3.5 鍋爐燃燒防脫火選擇性控制系統方塊圖防脫火回火混合型選擇性控制系統鍋爐燃燒控制系統除了要考慮“脫火”保護以外，還要考慮“回火”的保護問題，因此可以設計一個混合型選擇性控制系統來進行解決。當燃料壓力不足時，燃料氣管線的壓力有可能低于燃燒室壓力，這樣就會出現危險的“回火”現象，這會危及燃料氣罐發生燃燒和爆炸。因此，必須設法加以防止。為此，可在圖3.4所示的蒸汽壓力與燃料氣壓力連續型選擇性控制系統的基礎上，增加一個燃料氣壓力過低的開關型選擇內容，如圖3.6所示。圖3.6 防脫火回火混合型選擇性控制系

19、統在本方案中增加了一只帶下限節點的壓力控制器PC3和一個三通電磁閥。當燃料氣壓力正常時，PC3下限接點是斷開的，電磁閥失電，低選器LS輸出直通控制閥，此時系統的工作情況與圖3.3相同。一旦燃料氣壓力下降到低于下限值，PC3下限接點接通，電磁閥得電，于是便切斷了低選器LS至控制閥的通路，并使控制閥的膜頭與大氣相通，膜頭壓力將迅速下降至零，于是控制閥將關閉，以防止“回火”的產生。當燃料氣管線壓力慢慢上升達到正常值時，PC3接點又復斷開，電磁閥復斷電，于是低選器LS的輸出又能直通控制閥，恢復成圖3.4的控制方案。圖3.7 脫火回火混合型選擇性控制系統方塊圖該系統的方塊圖如圖3.7所示。圖中：Gc1(

20、s)、Gc2(s)、Gc3(s)分別為控制器PC1、PC2、PC3傳遞函數； Go1(s)蒸汽壓力對象傳遞函數； Go2(s)燃料氣壓力對象傳遞函數；Gm1(s)、Gm2(s)、Gm2(s) 分別為蒸汽壓力、燃料氣上限和下限壓力變送器傳遞函數。3.3 燃燒控制總體方案 綜合上述蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制的串級和比值控制組合的系統與防脫火回火的混合型選擇性控制系統，變構成了如圖3.8所示燃燒控制總體方案。該控制方案既具有邏輯提量功能，即當蒸汽量提量時，燃料量也要增加，為了保證燃燒完全，先加大空氣量，后加大燃料量；反之在降量時，先減燃料量后減空氣量，保證燃料的完全燃燒。又具有防脫火回火的保護功

21、能。圖3.8 燃燒控制總體方案4. 燃燒控制系統的儀表選型任何一套控制系統要想充分發揮它的功能作用，正確、合適的儀表選型是至關重要的。然而儀表的選型也時復雜的工作。對于不同的控制對象，儀表選型會有很大不同，甚至相同控制對象的不同工況條件，儀表選型也會千差萬別。儀表選型的根本原則是根據控制的實際對象、實際工況、實際功能來選擇合適的儀表類型。按照圖3.8，具體儀表選型如下：壓力變送器選擇JKS318智能型壓力變送器，該變送器采用高性能的感壓芯片，配合先進的電路處理和溫度補償技術，將壓力變化轉化為420mA的線性電流，壓力測量范圍最大為040MPa，最小為01KPa；流量變送器選擇標準孔板的JK3351DP型差壓變送器，以差動電容為檢測原理組成電容式變送器，輸入壓力范圍為010MPa；HS、LS分別為DFC系列高、低值選擇器；閥1，2，3為氣動蝶閥，類型都為氣開閥，流量特性為線性；PC1、PC2為反作用D520/7DD差壓控制器，該控制器采用波紋管式的傳感器，調節范圍 0.011.6 MPa，工作壓力范圍 0.052.5 MPa。PC3為一只帶下限接點的壓力控制器，設定值為燃料管線的最小壓力值；F1C、F2C為反作用GFC系列氣體流量控制器，最大流量為01000L/min，最大壓力為1000psig(70bar)，信號范圍05V