燃煤锅炉燃烧过程控制系统设计与研究.pdf

中南大学硕士学位论文燃煤锅炉燃烧过程控制系统设计与研究姓名：施修峰申请学位级别：硕士专业：控制工程指导教师：桂卫华;姚继东20051101摘要洛阳市热力公司2 6#供热站担负着为西工区供暖的任务。虽然设备几经更新，但由于种种原因，采暖能耗一直很高。其中锅炉燃烧控制落后是原因之一。本文以2 6#供热站的2 台5 0 t h 燃煤锅炉的燃烧控制系统为研究对象，以改进原有P I D 控制系统为目的，以当前发展比较迅速的模糊控制理论为手段，提出了采用8 0 5 1 单片机控制变频器改变给煤机、引风机和送风机转速的设计方案，实现了燃烧过程的计算机控制。系统对锅炉燃烧进行监控，通过传感器采样信号，计算是否达到最佳含氧量、最佳风煤比，来控制给煤量、引风量和送风量，使燃烧达到最佳热效率和提高锅炉运行的经济效益。用M A T L A B 对基于模糊自整定P I D 控制器的锅炉燃烧控制系统模型进行仿真研究。锅炉燃烧过程具有非线性、参数时变、难以建立精确数学模型的特点，采用传统的P I D 控制，效果不佳。结合模糊控制理论和P I D 控制，本文提出用模糊自整定P I D 控制器实现对锅炉的燃烧过程控制。并利用M A T L A B 仿真工具对模糊自整定P I D 控制器的性能作了初步研究。仿真结果表明，模糊自整定P I D 控制明显优于传统P I D 控制，具有超调量小、过渡时间短、稳定性好、适应性强等特点，能够达到预期的控制效果。论文详细介绍了锅炉控制系统的设计，其中包括硬件结构、系统主要功能、系统硬件配置、软件设计原则、主程序流程等。系统投入运行后，锅炉的燃烧效率和稳定运行情况都有了明显改善，有利于锅炉高效稳定运行，实现增产降耗的目标。关键词：锅炉，模糊自整定P I D 控制，单片机，系统仿真A B S T R A C TT h eN o 2 6h e a t i n gs t a t i o no fL u oY a n gH e a t i n gC o m p a n yt a k e so nt h eh e a t i n gt a s kf o rX i g o n ga r e a A l t h o u g ht h ee q u i p m e n t sh a v eb e e nr e n o v a t e df o rs e v e r a lt i m e s，h e a t i n ge n e r g yw a s t er e m a i n sv e r yh i g h O n er e a s o ni sb u m i n gc o n t r o ll e v e li st o ol o w I no r d e rt oi m p r o v et h ep r i m a r yP I Dc o n t r o l l e r,t w o5 0 t hc o a l-f i r e db o i l e r s b u r n i n gc o n t r o ls y s t e mo f2 6#h e a t i n gs t a t i o nw a ss t u d i e da si t st h e s i si nt h i sp a p e r T h ed e s i g ns c h e m ew a st h a tc o n t r o l l i n gt r a n s d u c e r sc h a n g er o t a t es p e e do fs u p p l y i n gc o a le l e c t r o m o t o r,f a n，a n db l o w e ru s i n g8 0 51m i c r o-c o n t r o l l e r,w h i c hb a s e do nf u z z yc o n t r o lt h e o r yd e v e l o p e dr a p i d l ya tp r e s e n t I tr e a l i z e dc o m p u t e rc o n t r o lo fb u m i n gp r o c e s s T h i ss y s t e mf i n i s h e ds u p e r v i s o r yc o n t r o lo fb o i l e rb u r n i n g，s a m p l e ds i g n a l st h r o u g hs e n s o r sa n dc a l c u l a t e dt h es i g n a l sw h e t y e rr e a c h e dt h eb e s tc o n t e n to fo x y g e na n dt h eb e s tw i n d c o a lr a t i o，w h i c hW a su s e dt oc o n t r o lt h eq u a n t i t yo fc o a l，e n t e r i n gw i n da n ds e n d i n gw i n gf o rr e a c h i n gt h eb e s tt h e r m a le f f i c i e n c yo fb u r n i n ga n di m p r o v i n ge c o n o m yb e n e f i to fb o i l e rr u n n i n g S i m u l a t i o no fb o i l e rb u m i n gc o n t r o ls y s t e mw a sa l s op e r f o r m e dt os t u d yt h ef u z z ys e l f-t u n i n gP I Dc o n t r o l l e rb yM A T L A B A i m i n ga tt h en o n l i n e a ro b j e c to fb o i l e rw i t hi n s t a b i l i t yp a r a m e t e ra n dd i f f i c u l tb u i l d i n gm a t hm o d e l，u s i n gt r a d i t i o n a lP I Dc o n t r o l l e rc a l l tr e a c ht h eb e s te f f e c t C o m b i n i n gf u z z yc o n t r o lt h e o r ya n dP I Dc o n t r o l，af u z z ys e l f-t u n i n gP I Dc o n t r o l l e ri sp r o p o s e di nt h i sp a p e r T h ec a p a b i l i t yo ft h ef u z z ys e l f-t u n i n gP I Dc o n t r o l l e rw a ss t u d i e du s i n gM A T L A T h er e s u l to fs i m u l a t i o ns h o w sf u z z ys e l f-t u n i n gP I Dc o n t r o l l e ri sb e t t e rt h a nP I Dc o n t r o l l e r T h es y s t e mb a s e do ni th a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c s，s u c ha ss m a l le x c e e d e dv a l u e，s h o r tt r a n s i t i o n b e t t e rs t a b i l i t ya n ds t r o n ga d a p t a b i l i t ye t c，a n di tC a nr e a c ha n t i c i p a t i v ec o n t r o le f f e c t S i n c et h i ss y s t e mh a sc a r r i e do u t T h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n da n ds t a b i l i z a t i o no fb o i l e ri ne v i d e n c e S ow h i c hh a sm a k ef o re f f e c t i v ea n ds t a b ec i r c u l a t i o no fb o i l e ra n dt h er e a l i z a t i o no fi n c r e a s i n gp r o d u c t i o na n dd r o p p i n gc o s tg o a l nT h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ed e s i g no ft h eb o i l e r s c o n t r o ls y s t e m，i n c l u d i n gm a i nc o n f i g u r a t i o no fh a r d w a r e，m a i nf u n c t i o no fs y s t e m，d i s p o s eo fh a r d w a r e，f u n d a m e n t a lo fs o f t w a r e Sd e s i g n，f l o wo fm a i np r o c e s s，a n dS Oo n T h i ss y s t e mi m p r o v e dt h eb u r n i n ge f f i c i e n c ya n dr u n n i n gs i t u m i o n，a l s om a k et h eb o i l e rr u n n i n gs t a b l ya n dr e a l i z e dt h ep u r p o s eo fr e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nw h i l ei n c r e a s i n go u t p u t K e y w o r d s：b o i l e r，f u z z y s e l f-t u n i n g P I Dc o n t r o l l e r，m i c t o-e o n t r o l l e r，s i m u l a t i o nI原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名丝叠期：业年旦竺日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅或借阅：学校可以公开学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文出沁簟日一塑日中南大学硕士论文第一章绪论1 1 论文研究背景第一章绪论随着城市建设的迅速发展，北方地区冬季城市集中供热成为现代化建设必须采取的步骤。而供热面积的不断扩大，使如何科学有效的控制和管理供热系统，提高供热的经济效益和社会效益，成为急需解决的重要课题。在供热系统中，锅炉房供热所占比例很大。据对全国2 9 个大中城市近3 7 亿平方米的调查，分散锅炉房供热占8 4，且锅炉容量大多在2 0 t h 以下这些锅炉是主要的耗能设备。据不完全统计，采暖地区采暖能耗已达1 2 7 亿吨标准煤，占全国总能耗的1 0 7”。而其中大部分锅炉自动化程度不高，运行效率低，浪费能源严重。为此，国内专家对锅炉本体燃烧的自动控制作了很多研究，本篇论文以洛阳市熟力公司2 6 9 热力站锅炉系统的改造为背景，利用近几年来工业控制领域中比较先进的模糊控制技术，来改善原有锅炉系统的控制方式，使锅炉燃烧系统得到最佳控制当然供热系统的功效不仅仅是通过锅炉系统本身来完成的，更需要热源(锅炉系统)、热网、热用户构成不可分割的整体之间合理匹配才能最大限度的实现高效节能的目的。本文主要针对锅炉燃烧控制系统进行研究，供热系统中其它部分的改造在此不作为讨论对象。1 2 论文研究的对象及改造要求经过对洛阳市热力公司的调研，课题研究集中在对热力公司2 6#供热站的改造上，2 6#供热站现有2 台5 0 t h 链条锅炉(3 捍锅炉，4 捍锅炉)，设计供回水温度为1 3 08 0 供热面积8 0 万m 2，有7 个换热站(分别为2 6#、2 5#、1 6#、4 撑、3 群东、3 拌西、2 撑换热站)，分布在洛阳市的各个住宅小区内，由锅炉房2 台热水锅炉送出的高温高压水送至各个换热站，再由各个换热站采用板式换热器换热送至用户2 6#供热站使用的锅炉是链条型，针对链条锅炉燃烧的特点，炉膛内不同地带的燃烧层进行着不同的燃烧阶段，因此各个区域燃烧所需的空气量和燃烧层中释放的气体成份也是不同的。对于每个燃烧阶段的长短和所需的空气量会有所不同，即氧气含量多少会有变化，采用合适的风煤比才能较好配合燃烧过程，以达到充分燃烧的目的。燃煤锅炉的燃烧过程具有较大的热惯性，且受煤质、煤种、炉排配风是否中南大学硕十论文第一章绪论合理及炉膛漏风等因素影响，使燃煤锅炉的自动调节更困难。洛阳市2 6#供热站原有的燃烧控制系统在控制方法设计上没有达到最佳控制效果，系统因控制手段不精确，引起过多空气进入炉膛，将热量带走，降低了效率。在实际运行中，由于送风和给煤调节存在一定的滞后时间，加上过程对象本身的时间常数又较大，现场实施中控制效果不理想。为此，结合本工程实际情况决定对燃烧系统进行必要的改造，采用比较先进的模糊控制技术，来代替原有传统P I D 控制方法。分析链条炉的燃烧动态特性，发现它具有很大的惯性和纯时延。从加热扰动到蒸汽发生变化一般滞后2 3 分钟以上。燃料的种类、质量、炉排上煤层厚度等的各种情况的变化，导致燃烧过程的不稳定因此，锅炉燃烧过程是个具有大惯性、大纯时延、变参数的多输入多输出复杂过程。传统的锅炉燃烧控制多采用P I D 控制器。但P I D 调节控制是无法为具有大惯性、大纯时延和变参数的过程提供高质量的控制。解决这些问题的方法是采用比P I D 更为有效的控制技术。采用模糊控制技术完成对燃烧系统的控制，就能达到较好的控制效果，能够弥补P I D 的不足，有较强的适应性。这为链条炉的燃烧控制开辟了新的途径。模糊控制是经典控制理论发展的高级阶段。主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制，其中包括智能机器人系统、复杂工业过程控制系统，航空航天控制系统、交通运输系统等，实现对生产过程的多模态复合智能控制。其目的是提高系统的鲁棒性，容错性和解决具有严重的非线性和不确定系统的控制问题。模糊控制同传统控制的不同在于，它不依赖于被控对象的数学模型，而是在总结经验操作的基础上实现自动控制的一种手段，它根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小其组成核心是具有智能性的模糊控制器，这是它与一般P I D 在原理和方法上完全不同之处。P I D 控制是最早发展起来的应用经典控制理论的控制策略之一。由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制中。尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。而实际工业控制过程中经常会遇到大滞后、时变、非线性的复杂系统。其中，有的参数未知或缓慢变化、有的存在滞后和随机干扰、有的无法获得精确数学模型等，应用常规P I D 控制不能达到理想的控制效果：另外传统P I D 控制算法呆板、整定不便、性能欠佳、对运行工况的适用性较差等，单纯采用P I D 控制往往达不到满意的效果。模糊控制与传统P I D 控制理论有机结合起来，可构造成F u z z y-P I D 复合型控制系统，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有P I D 控制精度高的特点。因此模糊控制并不是代替，而只是拓展了传统的控制。模糊自整定P I D 参数控制系统能在控制过程中对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因素进行检测分析，采用模2中南大学硕十论文第一章绪论糊推理的方法实现P I D 参数K 口、K I 和K D 的在线自整定，不仅保持了常规控制系统原理简单、使用方便、鲁棒性较强等优点，而且具有更大的灵活性、适应性，控制也更精确。控制系统计算机仿真足对控制系统进行科学研究的十分重要的手段。通过计算机仿真来对比各种控制策略和方案、优化并确定相关参数、以获得最佳控制效果是多年来控制系统设计尤其是新型控制策略与算法研究中必不可少的技术。采用M A T L A B 对模糊自整定P I D 控制进行计算机仿真，可快速方便地实现多种规则和参数的准确仿真效果，极大地提高模糊自整定P I D 参数控制系统设计的效率和准确性。M A T L A B 是M a t hW o r k s 公司推出的应用开发工具，在国际学术界M A T I，A B 已经被确认为准确、可靠的科学计算标准软件 4 1。其中S I M U L I N K 是M A T L A B 中一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。M A T L A B 5 X在原有版本基础上作了较大改进，不仅使s I M u L I N K 可以用结构图的形式、选择各种数值算法及仿真步长参数、图形显示仿真结果等，而且可以对较复杂的控制规律以直接传递参数的方式直接实现仿真。其中F u z z y L o g i c T o o l b o x 最大的优点之一是能够使模糊系统直接进入S I M U L I N K 并在仿真环境中检验它们的输出因此，M A T L A B 5 X 运用于基于模糊控制系统的计算机仿真变得极为方便和有效。锅炉供暖控制系统包括两个控制任务，燃烧系统控制和给水系统控制。本篇论文的主要任务是对燃烧系统进行改造。燃烧控制的基本任务既要使热量适应负荷的需要，还要保证燃烧的经济性和锅炉运行的安全性。因此燃烧控制要通过调节给煤量来保持分配到的负荷；调节送风使之随时与给煤量保持适当的比例，以保证完全燃烧和最小热损失：调节引风使之随时与送风相适应，以保证炉膛负压在一定的范围内。对于洛阳市2 6#供热站的两台锅炉并列运行的母管制方式，还要实现按预定比例向两台锅炉分配负荷，使两台锅炉负荷均衡，共同维持供热母管的正常运行。根据母管制并列运行锅炉燃烧过程调节所要完成的任务，可将整个系统分为四个密切联系的子系统，即与并列运行的两台锅炉均有关的母管压力调节系统、锅炉的给煤调节系统、送风调节系统和引风调节系统。为了使给煤机、鼓风机、引风机协调工作，以克服耦合的影响，必须采用多变量输入输出的模糊控制方式控制锅炉的燃烧过程。给水控制的任务主要是控制供水流量和回水流量，从而间接影响供水温度和回水温度。对于给水控制的改造，在本文不作讨论。3中南大学颂十论文第一章绪论1 3 国内外现状锅炉的自动化控制经历了三、四十年代单参数仪表控制，四、五十年代单元组合仪表、综合参数仪表控制，直到六十年代兴起的计算机过程控制几个阶段。尤其是近一、二十年来，随着先进控制理论和计算机技术的发展，加之计算机各项性能的不断增强及价格的不断下降使锅炉应用计算机控制很快得到了普及和应用l s I(6|T i i S l在国外，锅炉的控制已基本实现了计算机自动控制，在控制方法上都采用了现代控制理论中最优控制、多变量频域、模糊控制等方法。因此，锅炉的热效率高、锅炉运行平稳、而且减少了对环境的污染龇1 0 n 1 在国内，由于经济技术条件的限制，我国中小企业锅炉控制水平一直比较落后，大多数中小型锅炉水平基本上停留在手工及简单仪表操作的水平。8 0 年代中后期，随着各类先进的控制技术引进我国，锅炉控制水平也得到了很大提高至9 0 年代，锅炉的自动化控制已成为一个热门领域，利用单片机、可编程控制器、工业计算机以及引进的国外控制设备开发的各种控制系统，已逐渐应用于对原有锅炉的技术改造中，并向与新建炉体配套的方向发展许多新的控制方法，诸如最优控制”一、自适应控制。1 孔、模糊控制1 4 J I l 5 1、神经网络控制1 1 扪、专家控制1 1 刀等都在锅炉自动控制中得到了尝试和应用从3 0 年代起，锅炉控制中就采用了P I D 控制器。目前，国内的锅炉燃烧控制仍然大多采用常规P I D 控制器，或者为了改善控制效果，加一些前馈控制。控制方法远远落后于国外的控制技术，尤其是北欧国家和德国。据国外报道：在l O t&炮粉锅炉上应用自校正技术和在S I G 2 0 型链条炉上使用F u z z y 控制已取得了节约燃料的良好效果。现代工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随着日趋复杂，对生态环境的影响也日益突出，这些都对控制提出了更高的要求。不仅如此，生产的安全性和可靠性，企业的经济效益等都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此，仅用常规仪表已不能满足现代化企业的控制要求。由于计算机具有运算速度快、精度高、存储量大、通讯灵活等特点，已在过程控制中得到十分重要的应用锅炉作为一种典型的生产过程其自动控制水平已随着过程计算机的发展而发展I t S l 1 9 J【2 0 1 1 2 1 1。从当静的发展趋势看，在大型工厂中，过程计算机正成为_ 种把控制和管理融为一体的综合自动化系统。它是在自动化技术，信息技术和各种1 1 7】工业生产技术的基础上，通过计算机将工厂生产活动所需的信息和各种分散的自动化系统有机的集4中南大学硕士论丈第一章绪论成起来，形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性总体最优的高质量、高效益、高柔性的智能系统，现已成为当前控制领域的一个重要研究方向。在控制技术方面，近年来，为了获得更好的控制性能，把基于数学模型的控制技术和基于经验知识的控制技术相结合的集成控制技术受到了重视，获得了广泛的研究【2 2 1 1 2 3 1 1 2 4 1 1 1 2 5 1 因此，锅炉的自动控制正朝着多学科结合的计算机技术的应用，管理控制一体化的发展f 2 6 1 1 2 7 1 1 4 论文研究内容及结构安排本文首先分析了链条锅炉的结构与运行特点，着重对锅炉燃烧控制系统进行研究。改变传统P I E)控制方法，采用P I D 控制器与模糊控制相结合的控制手段对锅炉燃烧进行控制，对锅炉控制系统中的其它自动控制系统简略予以描述，并给出燃烧控制系统与其它自动控制的接口；对锅炉燃烧的模糊P I D 控制算法进行S I M U L I N K 仿真研究，与传统P I D 控制方法进行比较，仿真结果表明，优于传统控制，并且方案是有效可行的。在锅炉燃烧系统中，给煤系统、送风系统、引风系统是燃烧控制系统的重要环节，以M C S 5 1 系列单片机作为主控设备，通过传感器采集炉膛温度压力、含氧量和炉膛负压来调节锅炉的给煤量、送风量和引风量从而达到最佳热效率。同时采用M C S 5 1 单片机控制变频器交流调速来控制给煤电动机、炉排电动机、鼓风机和引风机的转速，使它们协调动作，达到准确调节、快速反应的控制效果。M c S-5 l 系列单片机可扩展外部接口电路，与其它自动控制系统(汽包水位控制系统、过热蒸汽气温调节系统)相连结，实现锅炉整体的监控，改善了系统的快速响应性能，达到稳态控制的要求。论文的结构安排如下：第二章锅炉的工艺情况及对控制系统要求。第三章锅炉自动化控制系统方案设计。第四章锅炉燃烧控制系统软、硬件设计及仿真。第五章锅炉自动化系统的运行第六章结论。中南大学硕士论文第二章燃煤锅炉的【艺情况介绍及对控制系统要求第二章燃煤锅炉工艺情况介绍及对控制系统要求近年来随着模糊集合理论与计算机技术的发展，模糊控制理论在各行各业得到了广泛的应用。基于模糊控制的锅炉计算机控制系统越来越受到关注【2 9 I【3 0 1 f 3 1 1 1 3 2 1 1 3 7 1 对2 6#供热站的采暖锅炉进行计算机控制系统改造，采用模糊自整定P I D 的控制方法，对供暖锅炉的给煤系统、送风系统、引风系统进行了控制规律的设计。2 1 链条锅炉系统介绍2 1 1 燃煤链条锅炉各部分的组成燃煤链条锅炉的组成如图2 1 所示。锅炉组成主要由以下几部分组成：1 汽锅：由上下锅筒和管簇组成。水在管内受外烟气加热，因而管簇内发生自然的循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽聚集在上锅筒里面下锅筒起着连接沸水管的作用，同时储水和水垢。2 炉膛：是使燃料充分燃烧并放出热能的设备燃料(煤)由煤斗落在转动的链条炉炉筚上，进入炉内燃烧。所需的空气由炉筚下面的风箱送入，燃尽的灰渣被炉筚带到除灰口。落入灰斗中，得到的高温烟气依次经过各个受热面，将热量传递给水以后，由烟囱排到大气中。3 过热器：是将锅炉所产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。4 省煤器：是利用烟气余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器5 空气预热器：是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空气的换热器通常，大、中型锅炉中均设有空气预热器为保证正常工作，锅炉还必须有一些辅助设备。包括以下几个部分：1 引风设备：包括引风机、烟囱、烟道口几部分，用它将锅炉中的烟气连续排出。2 送风设备：由送风机和风道所组成，用它来供应燃料燃烧所需的空气。6中南大学硕十论文第二章燃煤锅炉的【=艺情况介绍及对控制系统要求l 一锅筒2-链条炉捧3 过熟器4-省煤器5 空气预热器6 一引风机7 送风机图2 1燃煤链条锅炉结构简图3 给水设备：由给水泵和给水管组成。给水泵是用来克服给水管路以及省煤器的阻力和锅筒的压力，把给水送入锅筒。4 水处理设备：其作用为清除水中杂质和降低给水硬度，以防止在锅炉受热面上结水垢或腐蚀，从而提高锅炉的经济性和安全性。5 燃料供给设备：由运煤设备，原煤仓和储煤斗等设备组成，保证锅炉所需燃料的供应。6 除灰除尘设备：除灰设备是收集锅炉灰渣并运往储灰场地的设备除尘设备是除去烟气中的灰粒，以减少对周围环境污染的设备。2 1 2 锅炉的工作过程锅炉的工作过程概括起来包括三个同时进行着的过程：燃料的燃烧过程，烟气向水的传热过程和水的汽化过程现简要叙述锅炉的三个过程。1 燃煤锅炉的燃烧过程：燃料煤加到煤斗中并落在炉排上，电机通过减速机、链条带动炉排转动，将燃料煤带入炉内燃料煤一边燃烧一边向后移动，燃烧所需要的空气由引风机送入炉排中间的风箱后，向上通过炉排到达燃料燃烧层风量和燃料量成比例(风煤比)，以便进行充分燃烧，形成高温烟气。燃料煤燃烧剩下的灰渣，在炉排末端通过除渣板后排入灰斗这一整个过程称为燃烧过程。2 烟气向水的传热过程：由于燃料的燃烧放热，炉膛内温度很高。在炉膛四周7中南大学硕士论文第二章燃煤锅炉的-r 艺情况介绍及对控制系统要求墙面上都布置着一排水管，称为水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热和对流换热，将热量传递给管内的水。继而烟气受引风机、烟囱的引力向炉膛上方流动。烟气出烟窗(炉膛出口)并通过防渣管后就冲刷蒸汽过热器(蒸汽过热器是一组垂直放置的蛇形管受热面，使汽锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加热而过热)。烟气流经过热器后又经过安装接在上、下炉简间的对流管束，使烟气冲刷管束，再次以对流换热方式将热量传递给管束内的水。沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道，与省煤器和空气预热器内的水进行热交换后，以较低的烟温排出锅炉。省煤器实际上就是给水预热器，它和空气预热器一样，都设置在锅炉尾部烟道中，以降低捧烟温度提高锅炉效率，从而节省燃料3 水的汽化过程：就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和汽水分离过程经过处理的水由泵加压先流经省煤器而得到预热，然后进入汽锅锅炉工作时，汽锅中的工作介质是处于饱和状态下的汽水混合物位于烟温较低区段的对流管束，因受热较弱，汽水的容重较大l 而位于烟气高温区的水冷壁和对流管束，因受热强烈相应水的容重较小，因而容重大的往下注入下锅筒，而容重小的则向上注入上锅筒，形成水的自然循环蒸汽产生的过程是借助上炉筒内装设的汽水分离设备以及在锅筒本身空问中的重力分离作用，使汽水混合物得到分离蒸汽在上锅筒顶部引出后进入蒸汽过热器，而分离下来的水仍回到上锅筒下半部分的水中2 I 3 锅炉设备的主要控制系统供热锅炉设备的控制任务是根据热负荷的需要，供应一定温度的蒸汽，同时使锅炉在经济的条件下运行按照这些控制要求，锅炉设备有以下主要的控制系统1 锅炉汽包水位控制：被控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量它主要是保持汽包内部的物料平衡。使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在允许的范围内这是保证锅炉安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的重要指标。2 锅炉燃烧系统的控制：燃烧控制中三个被控变量是蒸汽压力(或负压)、烟气成分(经济燃烧指标)和炉膛负压。可选用的操纵变量也是三个t 燃烧量、送风量和引风量组成的燃烧系统控制方案要满足燃烧所产生的热量#要使燃料与空气量之蜘保持一定的比值，保证燃烧的经济性和锅炉的安全运行；要使引风量与送风量相适应，保证炉膛负压在一定的范围内。3 过热蒸汽系统的控制：被控变量为过热蒸汽温度，操纵变量为减温器的喷水量。使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的温度8中南大学硕十论文第_ 二章燃煤锅炉的I=艺情况介绍及对控制系统要求在本文中着重对锅炉燃烧系统进行研究，设计出燃烧系统的控制方式。而对其它控制系统的控制不作详细描述，只进行简单介绍。2 2 锅炉燃烧系统的动态特性2 2 1 燃料传送过程燃料煤传送过程的输入参数是给煤机的转速，输出参数是给煤量的多少。当给煤机从中间储仓供应炉膛燃料时，给煤机在动态特性上是一个一阶滞后环节。同时，给煤机传送具有纯滞后时间z，所以，煤粉传送过程的传递函数为：G l(s)=譬1 4(2 1)T,s+l一其中：K 广放大系数：乃时间常数，S；T 煤传送滞后时间，S；2 2 2 燃料燃烧过程燃料燃烧过程的输入参数是给煤量，输出参数是燃料燃烧所产生的热量，可以用一阶滞后环节来近似描述其动态特性：G：LL s+I其中：配一燃烧过程的放大系数；乃一燃烧过程的时阿常数。2 2 3 蒸汽形成过程(2 2)蒸汽形成过程包括汽水蓄热和蒸汽析出两个过程，它的输入参数为导管传递给省煤器省煤段和循环系统中汽水混合物的热量，输出参数按理应当是锅炉水所含有的热量，但是在一定的压力下，蒸发强度与受热强度成正比，因此可以用受热过程中析出的蒸汽量D，来衡量锅炉水含热量的变化。所以，输出参数可以为析出管道出口的蒸汽量D s。在研究蒸汽形成过程的动态特性时，可以分省煤器省煤段和循环系9中南大学硕十论文第二章燃煤锅炉的【=艺情况介绍及对控制系统要求统中蒸发段两部分。对于循环系统蒸汽段，其传递函数可表示为：G 酗=瓮喝等省煤器省煤段的传递函数可表示为：州喝等其中：乃厂一循环系统蓄热过程的时间常数，8；为广一循环系统蓄热过程的放大系数；Z，广省煤器省煤段的停留时间，s；K 广省煤器省煤段的放大系数。综合上面两部分的公式，可以求出蒸汽形成过程的传递函数：屯鼢G 3 2(摧M 等喁警2 3 锅炉供暖系统的控制要求(2 3)(2 4)(2 5)锅炉供暖系统包括两个主要控制任务，一个是燃烧系统控制，另一个是给水系统控制；另外还有过热蒸汽系统的控制和锅炉水处理过程的控制等其中燃烧系统的控制是主要的。燃烧控制的基本任务既要供热量适应负荷的需要，还要保证燃烧的经济性和锅炉运行的安全性【3 叭。因此，燃烧控制要通过调节给煤量来保持分配到的负荷；调节送风量使之随时与给煤保持恰当的比例，以保证完全的燃烧和最小的热损失；调节引风使之随时与送风相适应，以保持炉膛负压在一定的范围内多台锅炉并列运行的母管制方式，还要实现按预定比例向各台锅炉分配负荷。使各台负荷均衡，共同维持供热母管的正常运行。给水控制的任务主要是控制供水流量和回水流量，从而间接地影响供水温度和回水温度。从一定程度上解决一直困扰供熟系统的竖向失调问题。燃烧自动控制的任务是：使燃烧燃料产生的热量适应需求量，使燃料量与送风量随时保持适当的配比，以保证烟气中含氧的最佳值，即最佳过剩空气系数，达到经济燃料 4 3 1 4 9 ；使引风量随时与送风量保持平衡，维持炉瞠负压不变根据锅炉燃1 0中南丈学硕士论文第一二章燃煤锅炉的t 艺情况介绍及对控制系统要求烧过程的特点，燃烧自动控制是这样来实现的，即：通过调节给煤、送风和引风来保证蒸汽压力、烟气含量和炉膛负压为一定值。因此，锅炉燃烧自动控制系统包括三个子系统：l、热负荷调节子系统；调节给煤量，保证蒸汽压力为一恒值；2、燃烧经济性子系统：改善炉膛燃烧工况，提高热效率l3、炉膛负压子系统：维护炉膛负压为额定值。燃烧控制系统所受到的主要扰动有：蒸汽负荷、送风量、给煤扰动、煤种和煤质发生变化而引起扰动。评价一个燃烧控制系统性能优劣有一个重要标准是：当被控量由于扰动偏离给定值时，能否很快地恢复到给定值。燃烧过程的控制基本要求有三个：1 保证出口蒸汽压力稳定，能按负荷要求自动增减燃料量；2 燃烧良好，供气适宜。既要防止空气不足使烟囱冒黑烟，也不要因空气过量而增加热量损失；3 保证锅炉安全运行。保持炉膛一定的负压，以免负压太小，甚至为正，造成炉膛内热烟气往外冒出。影响设备和工作人员的安全；如果负压过大，会使大量冷空气漏进炉内。从而使热量损失增加。2 4 小结本章针对燃煤锅炉的特点，详细介绍了锅炉各部分的组成，锅炉的工作过程、燃料传递过程的动态特性，锅炉供暖系统的控制要求等内容，为燃烧煤锅炉控制系统设计打下基础。中南犬学硕十论文第二章锅炉自动化控制系统方案设计第三章锅炉自动化控制系统方案设计3 1 系统概述工业锅炉是一个典型的多输入、多输出、多变量互相耦合的复杂非线性被控对象。热水锅炉控制系统主要包括给水系统控制、燃烧系统控制两个任务(见图1 1 1)。其中锅炉燃烧系统的控制是主要的供暖系统 给水系统控制燃烧系统控制圈3-I锅炉控制系统组成锅炉燃烧系统是一个复杂的多输入多输出对象【3 5】I q，而且各量之间存在着关联(见图1 1 2)。炉膛负压主要受引风和送风的影响，而其它各量对它的影响很小#V-O 通道是保证锅炉燃烧经济性的做法，即通过送风一氧量通道使含氧量稳定在最佳值附近，通过对含氧量的调节达到对送风系统的调节。燃烧调节主要分为三个回路：燃烧量(给煤量)调节，送风量(最佳燃烧)调节，引风量(保证炉膛负压)调节给水调节系统主要控制目标是二次供水温度，次要目标是一次供水温度。鉴于给水调节不是本篇研究的问题，在此不作过多介绍。送风硼!曼琶炙乏烟气毓盈|O 冬引风鄙。么乡二二K 炉忖负，曲k图3-2燃烧系统输入输出关系对于锅炉燃烧过程，通常由于其时变性和不确定性，很难建立既有足够精度又便于系统控制的数学模型。鉴于锅炉燃烧过程的复杂性和控制难点，要实现既提高统统统统系系系系节节节节调调调调力煤风风压给送引J_JLl中南大学硕士论文第三章锅炉自动化控制系统方案设计锅炉的热效率，又满足用户负荷要求，并保证运行安全，其控制算法与决策的参考因素必须是多元的，控制算法应根据多个工艺参量的现行值和历史数据，进行综合分析、推理和计算，这是传统控制理论不易实现的，常规的P I D 控制器，很难整定P I D 参数，因此比较难达到预期效果总结分析发现，在复杂控制系统中，采用F u z z y*P I D 复合型控制器，可以达