內蒙古科技大學
本科生過程控制課程設計說明書
題目：熱電廠鍋爐爐膛溫度
控制系統的設計
學生姓名：何棟
學號：0705112337
專業：測控技術與儀器
班級：測控07-3班
指導教師：孫採鷹老師
摘要 鍋爐是熱電廠重要且基本的裝置 ,其最主要的輸出變數之一就是主蒸汽溫度。主汽溫度自動調節的任務是維持過熱器出口汽溫在允許範圍內 ,以確保機組執行的安全性和經濟性。如果該溫度過高 ,會使鍋爐受熱面及蒸汽管道金屬材料的蠕變速度加快 ,降低使用壽命。
若長期超溫 ,則會導致過熱器爆管 ,在汽機側還會導致汽輪機的汽缸、 汽閥、 前幾級噴嘴和葉片、高壓缸前軸承等部件的壽命縮短 ,甚至損壞;假如該汽溫過低 ,會降低機組的迴圈熱效率 ,一般汽溫每降低5 ℃～10 ℃,效率約降低1 % ,同時會使通過汽輪機最後幾級的蒸汽濕度增加 ,引起葉片磨損;當汽溫變化過大時 ,將導致鍋爐和汽輪機金屬管材及部件的疲勞 ,還將引起汽輪機汽缸和轉子的脹差變化 ,甚至產生劇烈振動 ,危及機組的安全 ,所以有效精準的控制策略是十分必要的
鍋爐爐膛溫度的控制效果直接影響著產品的質量，溫度低於或者高於要求時都不能達到生產質量指標，有時甚至會發生生產事故，此設計控制以鍋爐爐膛溫度為主控引數、燃料和空氣並列為副被控變數設計熱電廠鍋爐溫度控制系統，以達到精度在正負5 ℃範圍內。
關鍵詞：熱電廠、鍋爐、爐膛溫度、串級控制、
目錄隨著現代工業生產的迅速發展 ,對工藝操作條件的要求更加嚴格 ,對安全執行及對控制質量的要求也更高 。而單迴路控制系統往往不能滿足生產工藝的要求 ,在這樣的情況下 ,串級控制系統應運而生 。
鍋爐溫度串級控制系統的生產工藝要求 :
(1) 可以實現對整個鍋爐系統工藝流程的控制 。
(2) 能夠自動控制鍋爐溫度 ,並達到所需精度 。
(3) 有良好的人機介面 ,能方便地**修改引數 ,並以動畫實現資料和流程的「視覺化 。
工程控制是工業自動化的重要分支。幾十年來，工業過程控制獲得了驚人的發展，無論是在大規模的結構複雜的工業生產過程中，還是在傳統工業過程改造中，過程控制技術對於提高產品質量以及能源的節約都起著重要的作用。
生產過程是指物料經過若干加工步驟而成為產品的過程。該過程中通常會發生物理化學反應、生化反應、物質能量的轉換與傳遞等等，或者說生產過程表現為物流過變化的過程，伴隨物流變化的資訊包括物流性質的資訊和操作條件的資訊。
生產過程的總目標，應該是在可能獲得的原料和能源條件下，以最經濟的途徑，將原物料加工成預期的合格產品。為了打到目標，必須對生產過程進行監視和控制。因此，過程控制的任務是在了解生產過程的工藝流程和動靜態特性的基礎上，應用理論對系統進行分析與綜合，以生產過程中物流變化資訊量作為被控量，選用適宜的技術手段。
實現生產過程的控制目標。
1.1 熱電廠生產工藝
原煤經過製粉系統將大塊的煤轉化成可供鍋爐燃燒的煤粉，生水經過水處理系統再經過除鹽處理而除去水質裡的鈣、鎂、鈉等鹽分子，然後通入鍋爐，鍋爐裡的煤粉和通入的熱空氣經過一定比例的混合後燃燒使得鍋爐產生蒸汽，這些高溫的蒸汽通過汽輪機，使得汽輪機高速運轉產生的旋轉機械能，發電機連線著汽輪機，發電機將汽輪機產生的旋轉機械能轉化成電能，這些電壓不定的電力在主變壓器的作用下變成一定電壓的電量，經過高壓遠端輸電送入各個電網輸送到全國各地
熱電廠是聯合生產電能和熱能的發電廠。熱電廠供熱系統是利用汽輪機同時生產電能和熱能的熱電系統作為熱源。以熱電廠作為熱源不僅熱能利用效率高，同時有利於環保。
以熱電廠作為熱源的供熱系統稱為熱電廠集中供熱系統。集中熱水**系統主要由熱媒系統，熱水**系統和附件三個部分組成。
熱媒系統由熱源，換熱器和熱媒管網組成。由鍋爐生產的蒸汽通過熱媒管網送到換熱器加熱冷水，變成高溫水通過熱媒管網供暖。經過熱交換蒸汽變成冷凝水，大部分和新補充的軟化水經冷凝迴圈幫浦再送回鍋爐加熱成蒸汽，如此迴圈完成熱傳遞過程。
熱水供水系統由熱水配水管網和回水管網組成。被加熱到一定溫度的冷水，從換熱器出來，經配水管網送至各個熱水配水點，而換熱器冷水由高位水箱或給水管網補給。供熱後的熱水經迴水管使一定量的熱水經過迴圈水幫浦再流回換熱器。
熱電廠包含有火力發電廠車間、水處理車間和熱力車間三個部分。其中火力發電廠流程為燃料的化學能→蒸汽的熱勢能→機械能→電能。在鍋爐中，燃料的化學能轉變為蒸汽的熱能；在汽輪機中，蒸汽的熱能轉變為輪子旋轉的機械能；在發電機中機械能轉變為電能。
水處理系統就是為了產出電導率<0.6 us/cm的鍋爐用水。熱電廠主要是有兩個陰床，兩個陽床和兩個混床，在其工作的時候，分別就乙個工作，另乙個主要是備用。
另外，熱力車間燃氣蒸汽聯合迴圈發電裝置一般由燃氣輪機、原料氣壓縮機、蒸汽輪機、餘熱鍋爐、熱交換器、發電機等組成。燃氣輪機的燃料主要有油、高爐煤氣、水煤氣、煉油長氣等
由於鍋爐裝置使用的燃料、燃燒裝置、爐體形式、鍋爐功用和執行要求的不同，鍋爐有各種各樣的流程。常見流程如圖2.1所示。
由圖可知，蒸汽發生系統由給水幫浦、給水調節閥、省煤器、汽包及迴圈管組成。燃料和熱空氣按照一定的比例進入燃燒室燃燒，產生的熱量傳遞給蒸汽發生系統，產生飽和蒸汽,然後經過熱器，形成一定汽溫的過熱蒸汽，匯集至蒸汽母管。壓力為的過熱蒸汽，經負荷裝置調節閥供給生產負荷使用。
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後，經省煤器預熱鍋爐給水和空氣預熱器預熱空氣，最後經引風機送往煙囪排入大氣。
根據生產負荷的不同需要，鍋爐需要提供不同規格（壓力和溫度）的蒸汽，同時，根據安全性和經濟性的要求，是鍋爐安全執行和完全燃燒，鍋爐裝置的主要控制要求如下。
1、供給蒸汽量適應負荷變化需要或者保持給定負荷；
2、鍋爐供給用汽裝置的蒸汽壓力應當保持在一定的範圍內；
3 、過熱蒸汽溫度保持在一定範圍；
4、汽包水位保持在一定範圍；
5、保持鍋爐燃燒的經濟性和安全性；
6 、爐膛負壓保持在一定的範圍內。
根據上述要求，鍋爐裝置的主要控制系統見表2.1.
表2.1 鍋爐裝置的主要控制系統
火電廠的鍋爐爐膛由於採用的燃料為煤粉，在燃燒過程中，爐膛和汽包之間的傳熱過程是乙個相當複雜的過程，爐膛的溫度的動態特性具有一般的大滯後、時變、非線性和不對稱性等特點。在過程控制中，為了方便設計，同時又在一定的要求範圍內，我們通常把鍋爐爐膛的溫度的動態特性看作是乙個線性的系統。可以用以下傳遞函式描述。
具有時滯的一階環節
（0.1
具有時滯的二階環節
0.2在現場環境中，爐膛內的溫度變化是時時刻刻的，很難用乙個固定的數學公式將爐溫的變化規律總結出來。但是我們要對爐膛內的溫度進行控制就必須要對爐膛內的溫度變化進行乙個規律的總結，所以在規定的要求範圍內，對一些情況進行近似處理是很合理和必要的。
在通常情況下，我們給定爐膛乙個溫度值，作為系統的給定，使鍋爐爐膛在這個給定的溫度狀態下工作。這個溫度的變化又是和爐內的燃料燃燒量和爐體的總散熱量相關的。
對於火電廠鍋爐來說，爐體的容量、結構、檢測元件及其安放位置等都影響著滯後的大小。它不是乙個單一的問題，是乙個系統問題(容積滯後時間就是級聯的各個慣性環節的時間常數之和)。純滯後產生的根源也要從整個測量系統來考慮，並且與溫度的高低有關。
熱量從熱源傳到溫度感測器要經過多個熱阻與熱容相串聯的熱慣性環節，而串聯的多容物件會產生等效純時滯後。隨著溫度的公升高，輻射傳熱的比例增大，輻射具有穿透性，使傳熱路徑縮短，傳熱速度加快。所以純滯後的時間會隨溫度公升高而減小。
由於火電廠鍋爐使用的燃料是煤粉，即鍋爐能量的**方式是通過化學燃料的燃燒獲得能量的，同時，爐膛內能量的散發形式又是以爐膛的爐體熱量散失，對汽包進行熱量傳導進行散失等多種途徑進行的，所以爐膛內的溫度的變化是乙個相當複雜的過程，是乙個非線性變化的過程。從模型引數上看，在鍋爐爐膛的整個溫度調節範圍內，物件的增益、容積滯後時間和純滯後時間通常是與工作溫度與負載變化有關的變引數，而且引數變化量與溫度變化量之間是非線性關係。由於鍋爐爐膛內的溫度是高溫段的，在高溫段，溫度變化的純滯後時間和過程增益將比低溫段有顯著減少，而時間常數則顯著增大。
鍋爐作為一種高負荷運轉的裝置，特別是火電廠內的鍋爐，長期處於高負荷運轉下，隨著執行時間的變化，其各項效能都會逐漸發生變化，特別是隨著使用時間的增長，爐子的保溫隔熱材料會逐漸老化，爐膛內部由於長期處於高溫環境中，爐體的保溫、密封效能變差，通過爐體向外散失的熱量增大。此外，鍋爐初次使用和久停後再用時，由於絕熱保溫材料中的水分大，爐膛溫度的特性差別也是很大的。另外，隨著季節的變換，鍋爐執行的外部環境溫度也是經常變化的，冬天外部環境相對較冷，爐體的散熱較快；夏天氣溫炎熱，爐體的散熱相對會較慢。
如此種種因素都會引起爐膛溫度特性的變化，但變化的速度十分緩慢而不明顯。
火電廠鍋爐爐膛溫度具有大慣性、大滯後特性。在爐膛的整個溫度範圍內，物件的增益、容積滯後時間、純滯後時間都是與工作溫度有關的變引數。從傳熱原理可知，這些引數也與負荷變化有關。
在鍋爐設計的工作溫區，在工作點附近的小範圍內其動特性接近於線性，較容易控制，用常規的pid調節器也能控制得很好，但不能經受太大的擾動，也不能夠大範圍地跟蹤變化較快的給定訊號。對於常規儀表，大範圍地改變溫度要靠手動，僅當溫度接近給定值時方可投入自動。
根據以上分析，可以認為火電廠鍋爐爐膛溫度是一種具有大容積滯後和大純滯後的物件。在整個爐膛的溫區內，其動態引數隨鍋爐的工作溫度變化，在工作點附近的小溫度範圍內，爐膛的動態特性近似線性的。
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