工业锅炉自控系统概述茶星光(机电系)摘要本文在《自动化仪表》1983年第四期“工业锅炉的自动控制”，1984年第三期“实用工业锅炉自控系统概述”两文的基础L，从不同容量的工业锅炉的不同特点出发，对目前特别是近几年出现的各种控制方案作了概述，分析了各种方案的特点，说明了它们的应用场合，介绍了有关方案的仪表选型。关键词:工业锅炉，自动控制系统，自动化仪表0引言工业锅炉系指蒸发量在0.1一65T/h、蒸汽压力在2.SMPa以下的锅炉〔。，它是工业部门中小企业kaiyun体育官网重要的动力设备。全国现有工业锅炉二十到三十万台，年耗原煤约占我国煤产量的三分之一。因此，工业锅炉的自动控制对于保证安全生产，节约能源具有十分重要的意义。目前我国工业锅炉的自动化水平还比较落后，对此已引起有关人员的重视。为此本文在参考文献〔2〕〔3〕的基础上对目前特别是近几年出现的各种控制方案作以概述。1工业锅炉自动控制的目的工业锅炉自动控制的目的是多方面l扮，一般来讲具有以下几点:(i)保证锅炉设备安全运行，确保工人的人身安全;(2)保证锅炉运行参数的稳定，满足负荷的工艺要求;(3)提高燃烧效率，节约能源，减少环境污染;(4)为科学管理提供可靠数据，为综合的科学管理提供必要条件;(5)减轻工人的劳动强度，改善工人的劳动环境。2工业锅炉自控方案确定的依据从理论上讲，任何一台工业锅炉都可以根据上述目的确定自动控制方案，然而这是不现实的。实际上，自动控制方案的确定受到很多条件的制约，要考虑的因素是多方面的。如系统的可靠性、经济性、锅炉设备的大小、操作人员和维护人员的总体素质、工厂的管理水平、收稿日期:1990年11月20日山东轻工业学院学报第5卷生产工艺对蒸汽质量的要求等。综合上述因素，一般来讲工业锅炉自动控制方案可确定如下:(1)对于4T/h以下的工业锅炉可只对水位进行自动控制或再对热负荷进行位式控制。因为这些锅炉一般在小型企业中使用，一般来讲它们的工人的技术水平比较低，对复杂控制系统的接受能力比较差。另外企业的经济实力比较薄弱，所以复杂程度较高的系统一般不被采用。(2)对IOT/h左右的锅炉，一般为中小型企业所应有，一般来讲它们的情况比上一种情况要好，所以对这种锅炉除对水位进行控制外可对热负荷进行连续控制，必要时可考虑燃烧的经济性指标。(3)对于20T/h以上的锅炉，由于一般在大中型企业中使用，它们的工人素质、技术力量、维护水平和管理水平都比较高，而且这些锅炉的节能意义较大，运行参数较高，因此对这些锅炉应采用比较先进的控制方案，如除对水位，炉膛负压，热负荷控制外，一般都应考虑燃烧经济性指标的控制，如烟气含氧量控制，风煤比控制等，如果是过热蒸汽锅炉还要对过热蒸汽温度进行控制。在仪表选型上，对这些ZoT/h以上的锅炉应优先选用智能化仪表或微机控制系统。3工业锅炉自动控制方案介绍工业锅炉的容量从o.IT/h~65T/h。通常所说的小型，中型和大型工业锅炉没有严格的界限，本文从控制系统应用的角度特做如下划分:6.5T/h以下为小型，6.5T/h~loT/h为中小型，i0T/h~65T/h为大中型。3。1小型工业锅炉自动控制方案3.1.1汽包水位单冲量控制系统这种系统比较简单，通过调节给水量来稳定水位。本系统分位式和连续式两种，位式一般由继电器控制线路来实现，这种方案控制精度比较低。连续式一般由模拟式的基地仪表来实现，控制精度比上一种方案高。3.1.2热负荷控制系统所谓热负荷控制就是通过改变燃料量维持蒸汽压力的稳定以满足负荷变化的要求。这种系统一般由继电器控制线为其原理框图。

　　当蒸汽压力在给定的范围内时，通过顺序控制器停止送、引风及给煤机，使锅炉处于“压火”状态;当蒸汽压力低于给定的最低压力时，起动送、引风及给煤机，从而使蒸汽压力上升，以便把蒸汽压力控制在某一给定范围内。这种系统一般可在原设备上进行改造而成。虽然这种系统的控制精度比较低，但其结构、原理都比较简单，维护也很方便。3。2中小型工业锅炉自动控制方案3。2。1汽包水位控制系统一般来讲对于6.5T/h一10T/h的工业锅炉当负荷变化不大时仍可用单冲量水位控制系统，或者采用“双冲量”水位控制系统。“双冲量”控制增加了蒸汽流量这个前馈信一号，当蒸汽流量变化比较大时起校正作用，以克服“假水位”的影响。3。2.2热负荷控制系统热负荷控制系统有各种类型，常用的有串联式和并联式两种。串联式热负荷控制系统实施框图如图2所示。当燕汽压力变化后，首先通过主、副调节器改变送风量，然后送风量经过燃料/空气比值器控制给煤量。这种系统送风量先于燃料量，此系统适用于链条式燃煤炉，不适用于燃油炉。图3是并联式热负荷控制系统实施框图。这个系统同时控制燃料量和送风量，两个量的控制没有动态上的联系，所以当两者的动态特性相差较大时会产生较大的动态误差，但当两者的动态特性相近时，动态误差可能就很小，本系统对燃料类型无要求

　　3.2.3炉膛负压控制系统对于6.5T/h的工业锅炉一般采用单参数炉膛负压控制方案，即通过炉膛负压的大小直接控制引风量的单回路控制系统。3.2。4仪表的选型对于中小型工业锅炉一般选用价格适中的气动或电动I型单元组合仪表，这种仪表组成灵活、精度较高，且便于集中控制，至于选气动的还是电动的可根据工厂有无气源而定，若有气源可选气动仪表，它的投资少;若无气源可选用电动的，它的投资虽稍大，但安装费用较省。至于是否可用微机进行控制，则要视情况而定，若工厂的管理水平较高，需要全面可靠的管理参数，则用微机控制是可取的，并且这是个发展方向，但从目前的情况来看，即是用微机进行控制和参数监测，常规仪表的控制也是必要的，因为目前微机系统的可靠性和运行经验不如常规仪表。3。3大中型工业锅炉自动控制方案大中型工业锅炉一般在大中型企业中使用，由于锅炉的容量大，运行参数高，因此对它的控制要求比较高，特别是这些锅炉燃料耗量大，因此它们的控制对于节省能源，减少环境污染、提高管理水平具有重要的意义。3.3.1汽包水位自动控制系统大中型工业锅炉由于容量大，汽包贮水量相对较小，“虚假水位”现象比较明显，为保证锅炉安全运行，一般采用“三冲量”水位控制系统。所谓“三冲量”水位控制就是利用锅炉水位、蒸;气流量和给水流量三个过程变策去控制锅炉汽包的水位。三冲策水位控制系统一般分单级和串级比值两种类型。单级三冲量水位控制系统如图4所示。本系统蒸汽流髦信号和给水流举信号在调节器前与液位信号相加减.根据平衡状态下的方程式:iH+in一iG一ill二o，当给水流量和蒸汽流量灼系数设定不准时，即iW今iD，系统存在静差，即iH钾iG，因此出现了单级三冲量的第二种方案如图5所示。这个方案蒸汽流髦和给水鼠信一号接在调节器之后，这样当两个信号调整不准时也下会产生静差。串级比值三冲量水位控制系统如图6所示，这个系统有两个调节器，主调节器为水位调一竹器，.副调节器为比值调节器。这种系统主、副回路相对独立，互不干扰，易于整定，当蒸汽流量与给水量信号设定不准时也不会产生静差。蒸汽流量信号可根据“假水位”的具体情况适当加强，以改善功态过程，这对于“假水位”严重的大型锅炉特别有利，故一般用在大容量锅炉上。

　　3，3.2燃烧自动控制系统锅沪燃烧过程自动控制的基本任务是使燃料所提供的热最适应蒸汽负荷的要求，同时还要保证锅炉安全、经济运行。其仁要任务有下面三个:(1)维持汽压稳定，(2)保证燃烧的经济性;(3)维持炉膛负压稳定。这三项任务是不可分割灼，可通过调节燃料量M、送风量V、引风量Vs来维持被控量蒸汽压力P、过剩空气系数“或最佳含氧量02%和炉膛负压ST。由于燃烧控制系统出现的方案比较多，实现的方法也多种多样，因此本文只介绍几种典型的方案。3.3.2.1人工校正风一一煤比的燃烧过程控制系统闭由DDZ一一I型仪表实现的人工校正风一一煤比的控制系统如图了所示。蒸汽压力控制(或称热负荷控制)以汽包出口压力为被调参数，送风量为调节参数，一给煤量为随动调节参数的复杂控制系统。炉膛负压控制是以炉膛负压为被凋参数，送风量为前馈信号，引风量为调节参数的前馈反馈控制系统。同时，利用测氧仪测取烟气含氧量，并由人工校正风一一煤比。调节器I的输出经开方器后的信号代替送风量信号，以滑差电机控制电流Im代替煤量信号。本系统由人工观察测氧仪灼读数来改变给定器I的输出电流h为大小，从万改变风一一煤比，使锅炉在最佳状态下燃烧。本方案比较简单，对于漏风大，配风不均匀，煤种无保证的情况下使用此方案较适宜。它的缺点是需人工参与且不易调整到最佳配比。

　　图8是DDZ一I型仪表实现的本系统框图。这个系统的炉膛负压控制以炉膛压力为被调参数送风量为前馈信号，引风量为调节参数的前馈一一反馈控制系统，注意，送风量信号是取自蒸汽压力调节系统副调节器的输出，这样可以增加系统的快速性，有效地克服送风量对炉膛负压钩扰动。热负荷控制系统是一个以蒸汽压力为主参数，送风量为副参数和调节参数的串级控划系统。燃烧为经济性控制系统是一个以烟气含氧一量为主参数的变比值控制系统，送风量与给煤者组成一个以送风量为主动量，给厂谋量为从动量的单闭环比值控制，其比值系数由烟气含氧量控洲。从而达到自动校正风煤比的燃烧控制。

　　本系统方案如图9所示（原理详见文献【7】）。这是一个热负荷经济型、炉膛负压控制系统其中，热负荷经济性控制在进行热负荷控制的过程中始终协凋燃烧经济性。这是一个前馈一一反馈配比控制系统，虽然省略了烟气含氧量对燃烧过程的佼正，只要能认真注意风煤配比，本方案还是能够满足经济性要求的。本系统可用于6.5T/h一ZoT/h的工业燃谋锅沪上。

　　随着仪表工业的迅速发展.集中分散控制系统和小型多功能多回路数字调节器的相继间世，安全、经济、高效的交叉限制燃烧控制系统已在我国许多单位开始采用。这神系统主要用于燃油锅炉。众所周知，空气阀的动作一般慢于燃料阀为动作，假姐燃斗开大时，空气跟不上，会因下完全燃烧而产生黑烟，甚王发生燃料积累，引起安全事故。从燃烧角度来看，燃料如必加应滞后于空气的增加;燃除为减少应该导前于空气量灼减少。图10为实现这种要求的交叉燃浇控初方案。它文际上是一讨保证动态控制过程燃烧经济性和安全性灼一种控制方案。工作过程如下:若外界负荷增加，主蒸汽压力下降，加法器谕出I。增大，它加到低选器和高选器，作为燃料流量和空气流量的设定。低选器为输入量为1。和I，，其中I，为调节前空气量换算过来的燃料量加上某一偏值。当负荷偏离较大时，1。I，，I、通.过i氏选牛为燃抖控制的设定，而空气侧高选器为渝入量为I。和I‘，其中I‘为周节前燃料量减去某一偏值，故I。14，I。通过高选作为空气最控制的设定。于是负荷加大时，空气量较燃料量先加大，防止冒黑烟。同理，当负荷下降时，可以得出与上相反的结果，即燃料量较空气髦先减少，也可防止冒黑烟。另外，当风巩失灵时，导致空气鼠为零，则I，也为零，通过低选作为燃料控制的设定也为零，即可关掉然斗，达到空气失效时的本质安全。这就是单交又限制控制。同时本系统还对先行量进行了限制。从而在负荷变化时，使燃料—空气比更精确，这就是图10中增加左边虚框内沟成为双交叉限制控剑。右边虚框内为残氧佼正，使燃料一一空气比保亚最佳状态。

　　3.4过热蒸汽温度控制系统虽然大部分工业锅炉都只产生饱和蒸汽，但是有时为了满足工艺要求(如工厂的自备发电)也常常产生过热蒸汽。过热蒸汽一般是饱和蒸汽经过两级过热器和一级减温器而获得，图11为其工艺流程图。过热器的作用是提高蒸汽温度而不增大蒸汽流量。过热器I的出目温度即为被调参数，要求保持恒定，以保护下游管道和设备。减温器是为了保持过热器l的出口温度而设置。减温器的型式主要有两种。一种是喷水减温器，水通过喷嘴喷到蒸汽管道中与热蒸汽管道中与过热蒸汽混合，达到调温的目的，另一种是表面式减温器，它是一个热交换器，减温水在减温器中与过热蒸汽通过换热壁进行热交换，以而达到调温的目的。减温器的型式不同，控制方案也不一样。

　　3.4.1喷水减温式过热蒸汽温度控制系统〔3〕印〕3.4.1.1具有超前微分信号的简单过热蒸汽温度控制系统图12为其系统图。过热蒸汽温度(过热器I出口温度)为被调参数，减温器后蒸汽温度为超前微分信号，减温水量为调节参数。这种系统比较简单，应用较多。

　　3.4。1.2串级过热蒸汽温度控制系统如图13所示，这个系统将减温器后的温度作为副参数，其特点是主、副调节器整定时互不干扰，易于整定，控制精度较高。

　　3.4.1.3引入空气流量的串级过热蒸汽温度控制系统系统组成如图14所示。系统引入空气流量信号所代表的燃烧率作为前馈信号可以提高系统的动态性能。3。4。2表面式减温过热蒸汽温度控制系统用表面式减温器的锅炉，一般认为由于减温器传热迟延很大，过热蒸汽温度的调节很难获得满意的调节效果〔9〕，但文献厂10〕中给出的控制方案，实践证明效果良好，值得参考。本系统组成框图如图15听示。