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鍋爐安全控制技術(shù) 鍋爐是化工、煉油、發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的重要動力設備。常見的鍋爐設備的主要工藝流程如圖18—1所示。由圖可知，燃料和熱空氣按一定比例送入燃料室燃燒，生產(chǎn)的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽Ds。然后經(jīng)過熱器，形成一定氣溫的過熱蒸汽D，匯集至蒸汽母管。壓力為戶M的過熱蒸汽經(jīng)控制供給負荷設備用。與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，除將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，最后經(jīng)引風機送往煙囪，排人大氣。 鍋爐是工廠重要的動力設備，其要求是供給合格的蒸汽，使鍋爐發(fā)汽量適應負荷的需要。為此，生產(chǎn)過程的各個主要工藝參數(shù)必須嚴格控制。鍋爐設備是一個復雜的被控對象，主要參數(shù)變量是負荷、鍋爐給水、燃料量、減溫水、送風和引風等。主要輸出參數(shù)變量是汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負壓、過剩空氣(煙氣含氧量)等。鍋爐對象簡圖如圖18—2所示。 這些參數(shù)變量之間相互關(guān)聯(lián)。如果蒸汽負荷發(fā)生變化，必將會引起汽包水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度等的變化。燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，同時還會影響汽包水位、過熱蒸汽溫度、過剩空氣和爐膛負壓；給水量的變化不僅影響汽包水位，而且對蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度等亦有影響；減溫水的變化會導致過熱蒸汽溫度、蒸汽壓力、汽包水位等的變化。所以鍋爐設備是一個參數(shù)且相互關(guān)聯(lián)的被控對象，目前鍋爐的安全生產(chǎn)將鍋爐設備控制劃為若干個安全控制系統(tǒng)。主要控制系統(tǒng)如下。 (1)鍋爐汽包水位的控制被控變量是汽包水位，操縱變量是給水流量。它主要考慮汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應鍋爐的蒸汽量，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內(nèi)。維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋爐、汽輪機安全運行的必要條件之一，是鍋爐正常運行的重要指標。 (2)鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制其控制目的是使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量適應蒸汽負荷的需要(常以蒸汽壓力為被控變量)；使燃料與空氣量之間保持一定的比值，以保證最經(jīng)濟燃燒(常以煙氣成分為被控變量)，提高鍋爐的燃燒效率；使引風量與送風量相適應，以保持爐膛負壓在一定的范圍內(nèi)。為了達到上述三個控制目的，控制手段也有三個，即燃料量、送風量和引風量。 (3)過熱蒸汽系統(tǒng)的控制維持過熱器出口溫度在允許范圍內(nèi)，并保證管壁溫度不超過允許的工作溫度。被控變量一般是過熱器出口溫度，操縱變量是減溫器的噴水量。 一、汽包水位的控制 汽包水位是鍋爐運行的主要指標。如果水位過低，則由于汽包內(nèi)的水量較少，而負荷卻很大，水的汽化速度又快，因而汽包內(nèi)的水量變化速度很快，如不及時控制，就會使汽包的水全部汽化，導致鍋爐燒壞和爆炸；水位過高會影響汽包的汽水分離，產(chǎn)生蒸汽帶液現(xiàn)象，會使過熱器管壁結(jié)垢導致破壞，同時過熱蒸汽溫度急劇下降，該蒸汽作為汽輪機動力的話，還會損壞汽輪機葉片，影響運行的安全與經(jīng)濟性。汽包水位過高過低的后果極為嚴重，所以必須嚴格加以控制。 1.汽包水位的動態(tài)特性 (1)蒸汽負荷(蒸汽流量)對水位的影響，即干擾通道的動態(tài)特性在燃料量不變的情況下，蒸汽用量突然增加，瞬時間必然導致汽包壓力下降，汽包內(nèi)水的沸騰突然加劇，水中氣泡迅速增加，將整個水位抬高，形成虛假的水位上升現(xiàn)象，即所謂假水位現(xiàn)象。 在蒸汽流量振動下，水位變化的階躍響應曲線如圖18—3所示。蒸汽流量突然增加時，由于假水位現(xiàn)象，在開始階段水位不僅不會下降，反而先上升，然后下降(反之，當蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后上升)。蒸汽流量突然增加時，實際水位的變化H，是不考慮水面下氣泡容積變化時的水位變化H1，與只考慮水面下氣泡容積變化所引起水位變化H2的疊加，即 H＝H1+H2 用傳遞函數(shù)來描述可以表示為 式中，εt為蒸汽流量的作用下，階躍響應曲線的飛升速度；K2，T2分別為只考慮水面下氣泡容積變化所引起的水位變化H2的放大倍數(shù)和時間常數(shù)。 假水位變化的大小與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量等有關(guān)，例如一般100一300t／h的中高壓鍋爐，當負荷突然變化10％時，假水位可達30—40mm。對于這種假水位現(xiàn)象，在設計控制方案時必須注意。 (2)給水流量對水位的影響，即控制通道的動態(tài)特性在給水流量作用下，水位階躍響應曲線如圖18—4所示。把汽包和給水看作單容對象，水位響應曲線如圖中H1線。但由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水量變化后，使汽包中氣泡含量減少，導致水位下降。因此實際水位響應曲線如圖中H線，即當突然加大給水量后，汽包水位一開始不立即增加，而要呈現(xiàn)出一段起始慣性段。用傳遞函數(shù)來描述時，它相當于一個積分環(huán)節(jié)和一個純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)，可表示為 式中，ε0為給水流量作用下，階躍響應曲線的飛升速度；τ為純滯后時間。 給水溫度越低，線滯后時間τ亦越大。一般，約在15一lOOs之間。如采用省煤器，則由于省煤器本身的延遲，會使τ增加到100～200s之間。 (3)鍋爐排污、吹灰等對水位也有影響鍋爐排污直接自汽包里放水，吹灰時使用鍋爐自身的蒸汽，這些都是短時間負荷的擾動。 2．汽包水位控制系統(tǒng)汽包水位的控制手段是控制給水，基于這一原理，可構(gòu)成如圖18—5所示的單沖量控制系統(tǒng)。這里指的單沖量即汽包水位。這種控制系統(tǒng)是典型的單回路控制系統(tǒng)。當蒸汽負荷突然大幅度增加時，由于假水位現(xiàn)象，控制器不能開大給水閥增加給水量，以維持鍋爐的物料平衡，而是關(guān)小控制閥的開度，減少給水量。等到假水位消失后，由于蒸汽量增加，送水量反而減少，將使水位嚴重下降，波動很厲害，嚴重時甚至會使汽包水位降到危險程度以致發(fā)生事故。因此對于停留時間短、負荷變動較大的情況，這樣的系統(tǒng)不能適應，水位不能保證。然而對于小型鍋爐，由于汽包停留時間較長，在蒸汽負荷變化時，假水位的現(xiàn)象并不顯著，配上一些聯(lián)鎖報警裝置，也可以保證安全操作，故采用這種單沖量控制系統(tǒng)尚能滿足生產(chǎn)的要求。 3．雙沖量汽包水位控制系統(tǒng)在汽包水位的控制中，最主要的擾動是負荷的變化。如果根據(jù)蒸汽流量來校正作用，就可以糾正虛假水位引起的誤動作，而且使控制閥的動作十分及時，從而減少水位的波動，改善控制品質(zhì)。將蒸汽流量信號引入，就構(gòu)成汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)。圖18—6是典型的汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)的原理及方塊圖。這是一個前饋(蒸汽流量)加單回路反饋控制的復合控制系統(tǒng)。這里的前饋系統(tǒng)僅為靜態(tài)前饋，若需要考慮兩條通道在動態(tài)上的差異，須加入動態(tài)補償環(huán)節(jié)。加法器的輸出是 P0=C1Pc十C2Ps+Co (18—3) 式中，Pc為液位控制器的輸出；Ps為蒸汽流量變送器的輸出；Co為初始偏置數(shù)；C1，C2為加法器系數(shù)。 由圖18—6方塊圖可知，C2起著靜態(tài)前饋控制器的作用，按前饋控制設計原理 因為KpD具有負號，KMD和KpH均具有正號，所以C2的符號取決于控制閥的符號。當采用氣開閥時，Kv具有正號，則C2應為正號；當采用氣關(guān)閥時，則相反。 控制閥的氣開與氣關(guān)的選用，一般從生產(chǎn)安全角度考慮。如果高壓蒸汽是供給蒸汽透乎壓縮機或汽輪機，那么為保證這些設備選用氣開閥為宜；如果蒸汽僅用作熱劑，為保護鍋爐以采用氣關(guān)閥為宜。4．三沖量汽包水位控制系統(tǒng)雙沖量汽包水位控制系統(tǒng)還有兩個缺點：控制閥的工作特性不一定成為線性，對蒸汽負荷變化要做到靜態(tài)補償比較困難；而對于給水系統(tǒng)的擾動仍不能克服。為此，可再引入給水流量信號，構(gòu)成三沖量汽包水位控制系統(tǒng)，如圖18—7所示?？梢钥闯?，這是前饋與串級控制組成的復合控制系統(tǒng)。 圖18—8所示是三沖量汽包水位控制系統(tǒng)的連接圖和方塊圖。系數(shù)設置是這樣的，系數(shù)Cl通常可取1或稍小于1。C2可按下式取值。 式中，Dmax一Dmin為蒸汽流量變送范圍；Wmax一Wmin為給水流量變送范圍。 至于C0的設置與雙沖量控制系統(tǒng)相同。水位控制器和流量控制器的參數(shù)整定方法與一般串級控制系統(tǒng)相同。 以往，有時會采用比較簡單的三沖量控制系統(tǒng)，如圖18—9兩種方案，圖中的加法器正負號是針對采用氣關(guān)閥及正作用的情況。 這些簡單三沖量控制方案，能節(jié)省一臺控制器，但性能均不如圖18—7方案，a一般不作推薦。特別是采用計算機控制的場合，這種簡單方案更不具任何優(yōu)點。 二、燃燒安全控制系統(tǒng) 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的基本任務是使燃料所產(chǎn)生的熱量能夠適應鍋爐的需要，同時還要保證鍋爐的安全經(jīng)濟運行。燃燒控制的具體內(nèi)容及控制系統(tǒng)的設計因燃料種類、制粉系統(tǒng)、燃燒設備以及鍋爐的運行方式不同而有所區(qū)別，但大體來看都要完成以下幾方面任務。 ①主蒸汽壓力的變化反映了鍋爐生產(chǎn)的蒸汽量和汽機消耗的蒸汽量相適應的程度。為此須設置蒸汽壓力控制系統(tǒng)。當負荷變化時，通過控制燃料量使蒸汽壓力穩(wěn)定。 ②當燃料量改變時，必須相應地控制送風量，以保證燃燒過程的安全性。 ③爐膛壓力的高低關(guān)系著鍋爐的安全經(jīng)濟運行。燃燒控制系統(tǒng)必須使引風量(煙氣量)與送風量相配合以保證爐膛壓力為一定值。 1．氣壓對象的動態(tài)特性氣壓對象由一系列裝置組成，如圖18—10所示，它包括給煤機1、爐膛2、汽水系統(tǒng)3、過熱器4、汽輪機進氣閥5和汽輪機6。相應的方塊圖18—11，圖中方塊1表示在燃料量和風量同時相應變化時對發(fā)汽量的影響，它基本上是一個純滯后環(huán)節(jié)。方塊2是汽包的壓力對象。方塊4是反映過熱器的過熱蒸汽壓力對象。它們都是積分環(huán)節(jié)，其他環(huán)節(jié)因動態(tài)滯后較小，均可看成比例環(huán)節(jié)。 需指出，氣壓(Pb或Pt)對象的動態(tài)響應特性是與汽機調(diào)速系統(tǒng)的運行情況有關(guān)的。 2．爐膛壓力對象特性為了保證爐膛安全，一般要求爐膛壓力略低于大氣壓力，所以爐膛壓力一般稱之為爐膛負壓。爐膛壓力反映了引風量與送風量之間的平衡關(guān)系。當送風量或引風量單獨改變時，爐膛負壓變化的慣性很小，故可將爐膛負壓對象近似看成是一個時間常數(shù)很小的一階慣性環(huán)節(jié)。 3．燃燒系統(tǒng)安全控制圖18—12給出了燃燒控制系統(tǒng)的基本方案，PtC是蒸汽壓力控制器，它的輸出同時去改變?nèi)紵靠刂破鱂vC和進風量控制器FvC的設定值，使燃燒量和進風量成比例變化。氧量控制器02C的輸出作為乘法器的一路輸入，它可起到修改燃空比的作用。氧量控制器的設定值應等于最佳含氧量，它應隨負荷變化而有所變化。PfC為爐膛負壓控制器，因為對象滯后很小，一般用單回路控制即能滿足要求。 圖18—12方案適用于燃燒量B和進風量V1均能較好檢測的情況。事實上，很多燃煤鍋爐燃料量測量的準確性較低。這時，宜采用熱量信號作為燃料量的間接度量，對蒸發(fā)受熱面和鍋筒列熱量平衡式，可求得以下關(guān)系式 式中，Qb為代表蒸發(fā)受熱面吸熱量的信號，即熱量信號。上式表明Qb可用蒸汽流量D和汽包壓力的微分信號之和來表達。引入熱量信號Qb后，燃燒控制方案改為圖18—13所示。圖中C為熱量運算裝置。 燃油鍋爐的情況與燃煤鍋爐有較大差異。對于現(xiàn)代大型燃油鍋爐，多采用微正壓燃燒。這樣可以減少漏風，實現(xiàn)低氧燃燒，從而防止鍋爐受熱面的腐蝕和污染等。由于低氧燃燒時過?？諝庀禂?shù)很小，在負荷變動時更應注意燃料量與空氣量的配合恰當，否則會產(chǎn)生不完全燃燒，引起爐膛爆炸、受熱面污染、尾部再燃等事故。因此在鍋爐增減負荷時提出這樣的邏輯要求：增負荷時先增風再增泊；減負荷時先減油再減風。具有邏輯提降功能的蒸汽壓力控制系統(tǒng)如圖18—14所示。圖中LS和HS分別為低、高值選擇器。 三、過熱蒸汽溫度安全控制 現(xiàn)代鍋爐的過熱器在高溫高壓條件下工作。過熱器出口溫度是全廠工質(zhì)溫度的最高點，也是金屬壁溫的最高處，在過熱器正常運行時已接近材料允許的最高溫度。如果過熱蒸汽溫度過高，容易燒壞過熱器，也會引起汽輪機內(nèi)部零件過熱，影響安全運行；溫度過低則會降低全廠熱效率，所以電廠鍋爐一般要求過熱蒸汽溫度偏差保持在5℃以內(nèi)。 過熱蒸汽溫度自動控制系統(tǒng)是鍋爐控制中的難點。目前，很多實際系統(tǒng)并沒有達到控制指標的要求。其主要原因有下述兩方面。 (1)擾動因素多變化大表18—1列出了各種擾動因素對過熱蒸汽溫度的靜態(tài)影響關(guān)系。 (2)控制通道滯后大控制過熱蒸汽溫度的手段總是調(diào)節(jié)減溫水量?？刂仆ǖ赖膭犹匦耘c減溫器的安裝位置有關(guān)。假若能將減溫器裝于過熱器的出口，顯然控制通道的滯后要小得多。但是這樣的工藝流程對過熱器的安全是不利的。為了保護過熱器不超溫，工藝上總是將減溫器安裝在過熱器的入口，這將帶來控制對象較大的滯后。過熱蒸汽控制對象特性可用一階加線滯后來近似。線滯后τ和時間常數(shù)丁的大小還與減溫器的形式有很大關(guān)系。表面式減溫器的滯后較大，，約為60s，丁約為130s；混合式減溫器滯后較小，τ約為30s，T約為lOOs。 過熱蒸汽溫度安全控制系統(tǒng)的基本方案見圖18—15和圖18—16。 圖18—15的方案是兩個溫度的串級控制。設計該方案的前提是減溫器到過熱器之間有預留孔，允許安裝測溫元件測取θ2。 圖18—16方案用減溫水流量作副回路。由于鍋爐進水系統(tǒng)往往合用一根總管，然后分兩路：一路作為鍋爐汽包的進水；另一路是減溫水，這就造成鍋爐液位控制系統(tǒng)和過熱蒸汽溫度系統(tǒng)的嚴重關(guān)聯(lián)。而設置這種流量副回路可大大削弱這種關(guān)聯(lián)的影響。煙道氣溫度θs，往往是該溫度系統(tǒng)的重要擾動，在這里通過設置前饋控制減少它的影響。 需要指出的是，由于不同的工藝情況，過熱蒸汽溫度被控過程的難控程度具有極大差異。假若減溫器采用混合器，而且在減溫器出口又允許安裝測溫元件，對這種情況只要采用圖18—15方案，即能得到很滿意的控制效果。 第 11 頁 共 11 頁