锅炉压力控制系统

1 绪论

1.1 锅炉控制系统发展概述和国内外研究现状

21世纪到来，人类将进入一个以知识经济为特征的信息时代，检测技术、计算机技术和通讯技术一起构成现代信息的三大基础。

有的专家认为：在计算机和自动化领域，80年代的热点是个人计算机，90年代是算机，而21世纪第一个10年的热点必将是传感、执行与检测。锅炉自动化控制系统作为传感、执行与检测技术的一个应用方面也必将跨入数字化、网络化利智能化时代。

锅炉控制系统的发展过程与其它事物一样，也经历由简单到复杂、由机械到电子的过程。在我国，锅炉的控制大致经历四个阶段，叫手工控制阶段、专用仪表控制阶段、电动单元组合控制阶段和机算机控制阶段。

纵观国内外，总的来说，60年代，锅炉的控制还只是实行人工操作，锅炉的燃烧完全是凭司炉人的经验，几乎谈不到动控制。到了70—80年代，尤其是1972年能源危机之前，对锅炉的运行控制人多是注重安全性和可靠性。在越来越重视节约能源和环境保护的今天，人们则更注重于实现最佳燃烧控制，即把燃烧过程的热损失控制在最小，使热效率最高，且对环境污染最小的所谓最佳燃烧状态，因此，国内外相继对燃煤锅炉实行自动控制。逐步出现了由常规检测仪表和调节仪表构成的模拟控制系统，它具有可靠性高，成本低，易于操作利维护等优点，在大、中、小工业企业中得到了厂泛应用，解决了不少自动化方面的问题。

但是，随着生产向连续化、大型化发展，对自动化技术的要求越来越高，模拟自动控制系统越来越表现出它的局限性。主要表现在：(l)难以实现复杂的、多变量控制规律，如最优控制、自适应控制、模糊控制以及实时控制等；(2)控制参数一旦确定后就难以修改，要改变控制方案比较困难；(3)一组仪表只能控制一条回路，难以实现密集的监视、管理和操作；(4)一次性投资较大；(5)各个系统间不便进行通讯联系，难以实现多级控制。

到了 90年代，出现了以计算机作为自动化的过程控制技术，计算机控制系统运算速度快，控制精度高，并且具有分时操作功能，一台计算机可代替多台常规

装置，计算机具有较强的记忆功能和逻辑判断功能，在环境或过程参数发生变化时，能及时做出判惭，选择最优控制决策，这是模拟控制装置所不能达到的。总的来说用计算机取代常规仪表具有以下优点：（1）信息存储量大，可以同时临视、检测多个回路，处理人量的数据，由此提高整个系统的临时控制能力，并且可以组成计算机监控网，便于全局管理；(2)硬件体积小，工作量少，便于以后的技术成果推广及系统的维护：(3)能用软件实现各种复杂的控制规律，以便合成新的算法；(4)具有分时分步操作的能力，一台计算机可以替代许多常规仪表,(5)一次性投资少，可靠性和性价比高（6）改善了工作环境，有利于减轻劳动强度，有利于文明生产。到了21世纪，计算机网络飞速发展，任何事物都已经没有了地域限制，把锅炉控制系统通过网络联系在一起，形成锅炉控制系统的集成化管理、网络化控制，这又将是锅炉控制系统发展的又一个里程碑。

随着电厂锅炉机组越来越向着高参数、大容量的方向发展，对热工自动控制系统的控制品质的要求也越来越高。从30年代起，锅炉控制中就采用了PID控制器。目前，国内的锅炉燃烧控制仍然大多采用常规PID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。在国内无论是燃烧过程自动控制系统、汽包水位自动控制系统，还是主蒸汽压力自动控制系统等，主要都是采用各种类型的常规PID控制策略，也就是说PID控制在电厂的大大小小的控制系统中仍占着主导地位。多年来，虽然PID控制在电厂热工过程控制中发挥了很大作用，在一些机组的某些控制系统上也有令人满意的控制效果，但是，由于PID算法本身的限制，在某些复杂对象上应用时，控制效果很不理想，甚至无法实现自动控制。究其原因，主要是因为PID控制实施有效的前提是要有准确的被控对象模型。当实际被控对象模型发生变化时，按照原被控对象模型进行参数整定的PID控制器的控制效果就很难保证了。而且在实际的工程应用中，被控对象的模型往往是不精确的、时变的，有时甚至根本无法获得，这时采用常规的PID控制就很难达到理想的控制效果。也就是说面对越来越复杂的被控对象，常规PID控制己束手无策，要想获得好的控制效果，必须采用其它的控制策略。英国科学家Ea.HeMamdani首先应用Fuzzy控制方法来控制用于试验的锅炉和汽轮机；美国德克萨斯州的某化工厂工业锅炉及所有蒸汽回路都采用了EXACT，蒸汽消费量减

少了15%；在燃油锅炉上应用最优控制，自适应控制等现代控制技术的例子也有多次报道[1]。

电厂锅炉主蒸汽压力，是指从汽包出来的饱和蒸汽经过布置在锅炉烟道中的各种形式的过热器与高温烟气进行热交换后，最后在过热器出口所得到的蒸汽的压力。它是电厂生产过程中的一个非常重要的监测和控制参数，过高或过低都会影响到机组的安全性和经济性。主蒸汽压力过高，可能使过热器管道和汽轮机高压缸等设备产生变形而被损坏；主蒸汽压力过低，会导致机组效率降低。因此，一般要求主蒸汽压力基本上维持在额定值(即给定值)附近。

由于主蒸汽压力被控对象总是存在着一定的迟延，而且随着机组容量的增加和参数的提高，锅炉过热器管路长度和受热面面积增加，主蒸汽压力的迟延也会增大，而被控对象迟延越大，控制难度也越大，所以主蒸汽压力的控制已成为电厂各个控制系统中的一个控制难点。在机组运行工况波动比较大时，许多电厂只好由运行人员手动进行主蒸汽压力的控制[6]。通过对一些大型电厂主蒸汽压力控制情况的调研了解到：目前电厂的主蒸汽压力控制普遍采用串级PID控制策略(个别小型电厂的主蒸汽压力控制因迟延现象不是很严重仍采用单回路PID控制)。

主蒸汽压力串级PID控制系统包括主回路和副回路两个回路。副回路包括副调节器、执行机构、主蒸汽压力被控对象的导前区和测量导前压力的压力变送器。副调节器一般采用比例调节器，它的任务是根据导前压力的变化调节减温水的流量，其作用是在扰动引起主蒸汽压力变化之前先进行调节，可以抑制扰动对主蒸汽压力的部分影响。主回路包括主调节器、副回路、主蒸汽压力被控对象的惰性区和测量主蒸汽压力的压力变送器。主调节器采用PI或PID调节器，它的任务是消除主蒸汽压力与给定值之间的偏差。

由于影响主蒸汽压力的因素很多，如：负荷的变化、烟气温度和压力的波动、主蒸汽温度的变化、给水流量和温度的波动、吹灰器投入、磨煤机的切换等，在主蒸汽压力串级PID控制系统中，有时会将负荷信号、燃料量信号、主蒸汽压力信号、给水流量信号以前馈形式引入到串级系统的副调节器中，以实现“超前”调节。

锅炉自动化控制系统是根据要求或负载特性，自动对锅炉热工参数进行检测与显示、对锅炉的运行进行控制、并实施保护与联锁，以达到生产具有一定参数的蒸汽或热水、保证锅炉运行的安全性和经济性的自动控制系统，是微型计算机软、

硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。

锅炉控制系统具囱提高锅炉输出参数的稳定性、保障操作人员搜设备的安全、改善锅炉房的生产条件、减轻司炉人员的劳动强度、节约能源等优点。据锅炉生产采用计算机控制后预算，一般可节约燃料10%～20%，节约用电10%，因此经济效益是很可观的。从某种意义上来说，自动控制系统的优劣决定于锅炉的安全性、经济性和锅炉的寿命。

锅炉计算机智能控制，是近年来开发的一项新技术，它足微型计算机软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。常规的PID控制调节器控制原理简单，容易实现，因此长期以来广泛应用工业过程控制，并取得了良好的控制效果。即使在控制理论飞速发展的今天，使用最多的控制方式还足PID控制。然而，燃煤锅炉存在非线性、参数时变性、模糊控制不确定性，模糊控制器无须建立被控对象的数学模型，对被控对象非线性和时变性具有一定的适应能力，即鲁棒性较好等特点。但它也有一些需要进一步改进和提高的地方。模糊-PID复合控制小仪引入了经典PID调节器的原理简单、调节细腻的特点，而且具有模糊控制器的灵活一性和适应性，提高了系统的控制精度。

锅炉控制是一件具有深还意义的工作，具有良好实用前景，既可节能义可提高锅炉的运行管理水平，减轻环境污染。

当今，环境与发展已成为人类社会而临的两人课题，而这些问题的解决无一不能源密切相关。锅炉是化工、冶炼、发电等工用、民用部门必不可少的主要动力设备，它可以将一次能源（煤炭）转换为二次能源（蒸汽），根据不完全统计，我我国共有各类锅炉近百万台，每年的耗煤量达30亿多吨，占我国原煤产量的二分之一。由于煤质变化大，设备陈旧，小仅工人劳动条件差，劳动强度人，而且锅炉热效率低。

因此，在满足工艺要求的前提下，为了提高锅炉的热效率，降低能源消耗，把工人从繁重的劳动中解放出来，促进文明生产，使锅炉实现自动控制是一个急待解决的题。因此，逐步提高锅炉控制水平是加强环境保护、实施可持续发展战略的措施之一。

国内对锅炉控制系统的研究起步较晚，始于80年代初期。国内研究锅炉控制系统比较成熟的企业包括上海杜比公司、南京仁泰公司，还有一些科研院校联合个

企业开发的各种智能锅炉控制系统，如清华大学动力工程与控制学院为亚运村北辰供热厂热水锅炉的改造开发的锅炉控制系统，采用“一控四”方案，既一台主机控制4台热水锅炉等等。尽管对锅炉控制系统的研究已有了很大进展，但是仍然存在许多亟待解决的问题：

（1）锅炉控制方案不尽合理。如对锅炉热水控制方案，常规的做法都足根据锅炉出水温度设定值与.实际出水温度值之差，来调节燃烧器状态使锅炉出水温度接近设定值，根据用户供水温度设定值与实际供水温度之差，来调节循环泵状态使供水温度达到额定值，或用户用水量变化很大，若仍按统一的锅炉出水温度供热，要么造成热量不够，要么造成能源的浪费，因此，必须根据用户的用热负载来提供热量，这才能真正做到节约能源，提高供热质量。

（2）现有的锅炉控制器可控制的仍是普通开关量设备，如燃烧器的开关，循环泵的开

关等，不能对它们进行精确连续调节，使控制精度低，控制手段单一。

（3）锅炉控制系统外围设备适用范围。现在常见的锅炉控制系统在交付给用户使用时，

都标明了其所配外围设备的适用范围，如以燃烧器为例，海杜比公司开发的锅炉控制器就说明了有的自适用于一段火式的燃烧器，或只适用于两段火式，这样留给用户选择设备的空间间很小，对于不同燃烧器必须选配不同的锅炉控制器，使燃烧器的选择使用受到限制。

（4）锅炉控制系统的通讯配置较为落后，上位机与下位机之间的通讯采用的仍足RS—232接口标准，传输距离仅为l2m，最高传输速率仪为20kbps，抗下扰能力弱，不利于远距离监控系统的开发。

除了上述的问题外，目前国内外还在控制理论方面进行深入的研究。例如，模糊控制理论已逐步在一些工业过程控制中得到了应用。在多变量、非线线性、时变的人系统中，系统的复杂性与人们要求的精确，什之间形成了尖锐的矛盾。

因此，要想精确地描述复杂对象与系统的任何物理现象利运动状态，在许多情形下是不现实的。关键是如何使精确利简明之间取得平衡，而使问题的描述具有实际意义。这种描述的模糊性对问题的求解并非有害，却能高效率地对复杂事物做出正确无误的判断利处理，因此模糊控制理论的研究和应用在现代自动控制领域巾

有并重要的地位和意义

1.2 设计的主要内容和总体思路

在进行设计前我们必须了解中小型燃煤锅炉的结构及工艺特点，然后顺次重点分析了锅炉自动控制的某些环节，其中包括控制系统的组成：输入、输出变量、干扰量等，设计将输出量—蒸汽压力与设定值作比较，在考虑蒸汽负荷的情况下，通过改变燃料进量与进风量来控制蒸汽压力在设定范围内。

1.3 本课题的研究意义

目前某些工业锅炉的操作和监控仍然靠人工加常规仪表进行，这不仅难以做到平稳操作，安全生产也没有保证，工人的劳动强度大，生产条件差，而且运行热效率低、耗煤量大，造成较大的浪费能源和环境污染。锅炉控制的主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。微计算机在锅炉控制中得到广泛应用，它能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等。由于锅炉系统复杂，影响因素多，许多研究者又对智能控制方案进行了研究，并利用计算机的快速性，可靠性，准确性和多种特殊功能，设计了以单片机为主的智能监控切换器，以改善锅炉的安全性，稳定性以及热效率，节省能源，减少污染。尽管如此，基于PID的控制算法在锅炉主蒸汽压力控制中仍有重要地位，以PID算法为基础，使用计算机仿真手段研究锅炉主蒸汽压力的控制仍具重要意义。

自改革开放以来的十几年中，工业锅炉一直被列为节能技术改造和提高生产效率的首要对象。锅炉是能耗的重要能源转换和设备之一，随看经济的发展，能源的开发和节约己成为锅炉应用的首要问题之一。近年来，随着我国的经济飞速发展很多产业产生了产能过剩的矛盾，为了消除这一矛盾，政府部门相继出台了促进节能减排的政策，所以很多能耗大产能低设备工艺落后的设备就要被优化淘汰，所以锅炉改造有着巨大市场，如何以最优的产品质量、最佳的产品性能赢得客户，是锅炉生产厂家考虑的首要问题。而提高锅炉优化控制水平是科学技术发展的必然结果，是节约能源、提高效率的必要手段。因此，开发生产效率高、环保节能的锅炉控制系统是顺应市场发展的必然结果。

本锅炉控制系统所控制的对象就是燃煤锅炉，该系统除以对锅炉进行准确可靠

的控制和使其安全正常运行为目标外，按照用户实际消耗的热量来提供给煤量，这样能在保证用户使用质量的同时，达到节约能源的目的。

在设计控制系统时，必须避免造成资源的浪费和技术的重复。同时，锅炉控制系统是应用于工程实际的实用产品，是科学技术向现实生产力的转化，因此还要注重产品开发的经济成本及市场效益。因此，自主研究开发锅炉控制系统具有重要意义。本设计通过计算机仿真手段，应用较新的开发语言和开发工具，并采用程序软件代替部分硬件功能的设计思想，尽量用软件来实现系统的功能，这样既降低了研发成本，又使得研究结果具有可重复性，只需修改部分软件系统即可增加新的功能，因此具有较强的实用性和推广性。

2 燃煤锅炉的工艺流程和参数

2.1 锅炉工艺流程

锅炉是目前国内动力行业广泛应用的设备，根据所燃烧的燃料以及大小可分为燃煤、燃油、燃气以及大、中、小等不同型号，常见燃煤锅炉设备的主要工艺流程如图2.1所示：

图2.1 燃煤锅炉生产流程示意图

1-汽包；2-过热器；3-热器喷水减温器；4-汽轮机高压缸调门；5-汽轮机高压缸； 6-再热器；7-再热器喷水减温器；8-汽轮机中、低压缸调门；9-汽轮机中、低压缸； 10-冷凝器；

11-补充水；12-凝结水泵；13-低压加热器；14-除氧器，15-给水泵； 16-高压加热器；

17-给水调节阀；18-省煤器；19-下降管；20-水冷壁；21-炉膛； 22-热流量调节机构；

23-喷燃器；24-送风机；25-空气预热器；26-调风门； 27-烟氧挡板；28-引风机； 29-烟道； 30-发电机

其具体的工艺流程为：燃料B由热流量调节机构22经喷燃器23送入炉膛21；助燃的空气A由送风机24压入空气预热器25，预热后经调风门26按一定比例送入炉膛与燃料混合燃烧。燃烧产生的热量传给布置在炉膛四周的水冷壁20中的工质水，工质水吸收一定热量后变成为饱和态，再进一步吸收更多的热量后，部分饱和水变为饱和蒸汽。由于汽水混合物的密度低于下降管19中的水的密度，可以维持自然循环，水冷壁中的汽水混合物上升到汽包1中并完成汽水分离，水蒸汽上升到汽包上半部的水蒸汽空间。燃烧产生的高温烟气则沿烟道29依次流过过热器2再热器6省煤器18和空气预热器25等受热面并被降温，最后由引风机28吸出，经烟囱排入大气。从汽

包顶部出来的饱和水蒸汽流经过热器，被进一步加热成过热蒸汽D，然后送到汽轮机高压缸5推动转子做功，带动发电机30的转子转动而产生电能等。做功后的水蒸汽温度、压力都有所降低。为了提高机组热效率，把从汽轮机高压缸排出的水蒸汽再送回锅炉，在再热器中再次加热成再热蒸汽，然后送到汽轮机中、低压缸9做功，最后称为乏汽从低压缸尾部排出，经冷凝器结水。凝结水与补充水11一起由凝结水泵门打入低压加热器门，然后进入除氧器14，除氧后由给水泵打入高压加热器16，再经过省煤器18回收一部分烟气中的余热后进入汽包。如此完成了一次汽水循环。

由于对进入汽轮机高压缸和中、低压缸蒸汽的温度有较高要求，故用过热器喷

水W

S 经减温器3和再热器喷水W

SR

经减温气侧传热量等器7分别控制过热汽温和再热

汽温。此外，过热汽温和再热汽温也可通过改变烟手段进行调节。高压过热器16和低压过热器13的作用是利用汽轮机的中间抽汽来加热给水和冷凝水，以提高单元机组的热效率。

2.2 锅炉参数

在进行锅炉的工艺流程了解后，我们知道锅炉是一个多输入、多输出的复杂系统。但是，通常表示锅炉在工作时的基本特性的参数，主要是锅炉的蒸发量、温度和压力。

2.2.1 蒸发量

锅炉在确保安全的前提连续运行，每小时所产生蒸汽的数量，称为蒸发量，蒸发量又称为“出力”或“容量”，用符号“D”表示，单位t/h（吨/小时）。而锅炉在额定压力、额定蒸汽温度、额定给水温度、使用设计要求的燃料并保证效率时的特定条件下所规定的每小时产生的蒸汽量，则称为额定蒸发量。

对热水锅炉反映蒸发量的是热功率或供热量。它表示热水锅炉的供热能力。热水锅炉在确保安全的前提下长期连续运行，每小时出水有效带热量，称为额定热功率或供热量，用符号“Q”表示，单位为MW，工程单位为万千卡/时。上述的额定量都是在一定的回水温度、一定的回水压力和相应的循环水量下，锅炉长期连续运行下所达到的能力。

2.2.2 温度

通常物体冷热的程度称为“温度”。用符号“℃”表示。锅炉铭牌上标出的温度是指锅炉输出介质的最高工作温度，又称为额定温度，一般表示锅炉的供热品位。对于无过热器的蒸汽锅炉，其额定温度是指对应于额定压力下锅炉主汽阀出口的饱和蒸汽温度；对于有过热器的蒸汽锅炉，其额定温度是指过热器主汽阀出口出的过热蒸汽温度。

对于热水锅炉，分别以锅炉出口与进口处的水温来表示。

2.2.3 压力

锅炉的蒸汽压力是表示锅炉供热品位的主要参数。它是指过热器主汽阀出口处的过热蒸汽压力，对于无过热器的锅炉，用主汽阀出口处的饱和蒸汽压力表示。

热水锅炉的运行压力设计是按热水锅炉基本参数系列设计的，实际运行是按供暖系统循环水所需要的扬程确定的。锅炉的运行压力就是循环水泵出口进入锅炉的压力。锅炉的运行压力，一般都低于锅炉设计压力。但是，为了防止热水锅炉中的水发生汽化，应维持锅炉内的压力高于汽化压力的一定程度。

锅炉的蒸汽压力除了作为上述锅炉运行的主要指标外，它还是保证锅炉安全运行的重要参数，在锅炉上各种压力表他们都是用来指示锅炉内的压力，通过压力表指示的数值，来控制燃料进给量，鼓，引风量及蒸汽负荷的变化等，从而使蒸汽压力的变化保持在允许范围内。