锅炉燃烧过程控制系统设计毕业设计

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1、锅炉燃烧过程控制系统设计毕业设计锅炉燃烧过程控制系统设计摘要锅炉是化工、炼油、发电等工业生产 过程中必不可少的重要的动力设备之一。而锅炉燃烧所用的煤炭、重油等 又是极其重要的战略资源，不可再生。因此锅炉的燃烧控制相当重要，控制 不好将造成资源浪费、环境污染和效益低下。要使锅炉燃烧达到最佳的燃 烧状态，锅炉燃烧控制系统对锅炉的燃烧过程进行自动化控制是至关重要 的。燃烧控制系统是电厂锅炉的主控系统，主要包括燃料控制系统、风量 控制系统、炉膛压力控制系统。目前大部分电厂的锅炉燃烧控制系统仍然 采用PID控制。燃烧控制系统由主蒸汽压力控制和燃烧率控制组成串级控制系统，其 中燃烧率控制由燃料量控制、送风

2、量控制、引风量控制构成，各个子控制 系统分别通过不同的测量、控制手段来保证经济燃烧和安全燃烧。本文通 过对整个燃烧系统的分析和研究，分别确定了锅炉燃烧控制系统中的主蒸 汽压力控制系统和炉膛负压控制系统的控制方案，然后对其控制规律及参 数进行选择和整定。在仪表选型时，采用了先进的数字式仪表，井以PID 控制来实现，最后可达到锅炉安全、经济、高效的运行。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。随着人们生活水平的提高，对能源

3、的需求量急剧增大，锅炉的数量也 就越来越多。锅炉的广泛使用也带来许多问题，诸如：（1）大量的非再生一次能 源被消耗，能源枯竭问题令人忧虑；（2）CO2等温室气体的排放，虽然会有利于植物生长，增加粮食产量，但会使地球变暖，冰山融化，海平 面升温，威胁人类的生存空间；（3）烟尘SO某,NO某,痕量重金属，二恶英等有害物质的排放，威胁人类以及动、植物的生长和生存。随着人类征服自然和改造自然的能力增强，大自然也对人类进行了惩 罚，我国西部，特别是西北地区存在的严重水土流失、土地沙漠化、草场 退化、沙尘暴频繁发生等就是特例。这些自然灾害已成为可持续发展的一 个障碍，正在缩小我们的生存和发展空间。目前，世

4、界各国都在致力于高效、低污染过路的研究和开发工作，力 求使得优于锅炉燃烧而对环境造成的破坏追小化。各种工业的生产性质与 规模不同，工业和民用采暖的规模大小也不一样，因此所需的锅炉容量， 蒸汽参数，结构，性能方面也不尽相同。锅炉是供热之源，锅炉机器设备 的任务在于安全，可靠，有效地把燃料的化学能转化成热能，进而将热能 传递给水，以生产热水和蒸汽。为了提高热量及效率，锅炉向着高压，高 温和大容量等方面发展。供热锅炉除了生产工艺有特殊需求外，所生产的 热水不需要过高的压力和温度，容量也无需很大。为了提高工业锅炉的热效率，降低燃烧对环境造成的污染，燃烧过程 控制成为一个重要的研究课题。其控制效果的好坏

5、，效率的高低，一直倍 受工业界的关注。锅炉的自动控制经历了三、四十年代的参数仪表控制， 四、五十年代的单元组合仪表，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普及和应用。锅炉燃烧优化最早是以提高锅 炉燃烧安全性和经济性为目标的。早在20世纪70年代，我国就开始了对 锅炉燃烧优化技术的研究。如我国开发的氧化锆氧量计，一次风速监测系 统等都属于早期的锅炉燃烧优化产品。20世纪80年代末期和90年代初 期“随着我国电厂“节能降耗”措施的推行，电厂开

6、始普遍关注锅炉燃烧 优化技术，通过燃烧优化降低锅炉煤耗“提高火电厂发电效率。20世纪 90年代中期和末期，随着测量技术的发展，许多企业研制开发了一系列 重要的影响锅炉燃烧参数的在线量仪表，如飞灰含碳量在线检测装置，煤 粉浓度细度在线检测装置，煤质成分在线检测装置，锅炉火焰监测系统等。同期，随着人工智能技术的发展，在分散控制系统DCS层面上控制逻 辑的优化，先进的人工智能技术在锅炉燃烧优化上应用的研究也开始受到 了广大科研人员的关注。20世纪90年代末期，随着社会对环境的关注， 电站锅炉燃烧优化已由最初的以安全性，经济性为目标的优化发展到经济 性和安全性，环保并举的时期。电子信息技术人工智能技术

7、给电站锅炉燃烧优化注入了新的活力，锅 炉燃烧优化技术进入新的快速发展时期。电厂锅炉利用煤的燃烧发热，通 过传热对水进行加热，产生高压蒸汽，推动汽轮机发电机旋转，从而产生 强大的电能。锅炉燃烧自动控制系统的基本任务是使燃料燃烧所提供的热 量适应外界对锅炉输出的蒸汽负荷的需求，同时保证锅炉的安全经济运行。 锅炉燃烧过程自动控制主要包括三项控制内容：控制燃料量、控制送风量、 控制引风量。为实现对燃料量、送风量和引风量的控制，相应的有三个控 制系统，即燃料量控制系统、送风量控制系统和引风量控制系统。以上三 个控制系统之间存在着密切的相互关联，要控制好燃烧过程，必须使燃料量、 送风量及引风量三者协调变化

8、。以主蒸汽压力控制系统为主回路，燃烧率 控制系统为内回路，通过传感器采集炉膛压力，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。燃烧控制系统是电 厂热工控制的重要组成部分，目前大部分电厂的锅炉燃烧控制系统仍然采 用PID控制。燃烧控制系统由主蒸汽压力控制和燃烧率控制组成控制系统， 其中燃烧率控制由燃烧量控制、送风量控制、引风量控制三个子系统构成。 锅炉生产燃烧系统自动控制的基本任务是使燃料所产生的热量适应蒸汽负 荷的需要，同事还要保证经济燃烧和锅炉的安全运行。具体控制任务可分 为三个方面：一要稳定蒸汽母管压力。二要维持锅炉燃烧的最佳状态和经 济性。三要维持炉膛负压在一

9、定范围。这三者是相互关联的【2】。随着生产的发展，锅炉日益广泛的应用于工业生产的各个领域，成为 发展国民经济的重要热工设备之一。在现代的建设中，能源的需求是非常 大的，然而我国能源的利用率极低，所以提高锅炉的热效率具有极为重要 的实际意义。此外，锅炉是否因地制宜地有效地燃用地方燃料，并满足环 境保护的各项要求而努力解决烟尘污染问题，以提高操作管理水平，减轻 劳动强度，保证锅炉额定运行及运行效率，安全可靠的供热等课题。本课题主要方向是采用过程控制对锅炉进行控制，采用先进的控制算 法，以达到优化技术指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产率、 节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生、提高市场竞争能

10、力的作用。第二章锅炉的组成及工作原理2.1锅炉的基本构造锅炉燃烧过程自动 控制系统的任务是控制燃料燃烧过程，使燃料燃烧所提供的热量适合外界 对锅炉输出的蒸汽负荷的需求，同时保证锅炉的安全经济运行。【3】锅 炉是一种产生蒸汽或热水的热交换设备。它通过燃料的燃烧释放大量热能， 并通过热传递把能量传递给水，把水变成蒸汽或热水，蒸汽或热水直接供 给工业和生活中所需要的热能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能 有效的转化为蒸汽的热能。图1.1为简单锅炉的大体组成部分。锅炉的主要设备包括气锅、炉子、炉膛、锅筒、水冷壁、过热器、省 煤器、燃烧设备、引风设备、送风设备、给水设备、空气预热器、水处理 设备、燃

11、料供给设备以及除灰除尘设备等。气锅：由上下锅筒和三簇沸水管组成。水在管内受管外烟气加热，因 而管簇内发生自燃的循环流动，并逐渐气化，产生的饱和蒸汽积聚在上锅 筒里面。炉子：是是燃烧从充分燃烧并释放出热量的设备。炉膛：保证燃料的充分燃烧，并使水流受热面积达到规定的数值。锅筒：使自然循环锅炉个受热面能适应负荷变化的设备。（须指出， 直流锅炉内无锅筒。） 水冷壁：主要是辐射受热面，保护卢比的作用。过热器：是将气锅所产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。 过热器一般都装在炉膛出口。省煤器：是利用余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。 采用省煤器后，降低了排烟温度，提高了锅炉效率，节省了燃料

12、。同时， 由于提高了进入汽包的给水温度，减少了因温差而引起汽包壁的热适应力， 从而延长了汽包的使用寿命。燃烧设备：将燃料和燃烧所需的空气送入炉膛并使燃料着火稳定，充 分燃烧。燃烧设备主要有磨煤机、给煤机、燃烧器、风机等【4】。引风设备：包括引风机、烟道和烟囱等几部分。用它将锅炉中的烟气 连续排出。送风设备：包括有鼓风机和分道组成。用它来供应燃料所需的空气。给水设备：由水泵和给水管组成。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，是一个换热器。省煤器出口烟温度高，装上空气预热器后， 可以进一步降低排烟温度，也可改善燃料着火和燃烧条件，降低不完全燃 烧所造成的损失，提

13、高锅炉机组的效率。水处理设备：其作用是为清除水中的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。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 所需燃料供应。除灰除尘设备：是收集锅炉灰渣并运往储灰场的设备【5】。此外，出了保证锅炉的正常工作和安全，蒸汽锅炉还必须装设安全阀、 水位表、高低水位报警器、压力表、主汽阀、排污阀和止污阀等，还有用 来消除受热面上积灰的吹灰器，以提高锅炉运行的经济型。图2.1过炉控制系统硬件组成图2.2锅炉的工作原理及过程锅炉是一 种生产蒸汽的换热设备。它通过煤、由或燃气等的燃烧释放出化学能，并 通过传热过程将能量传递给水，使水转变为蒸汽，蒸汽直

14、接供给工业生产 中所需的热能，或通过蒸汽动力机，嫩而过转变为机能，或通过汽轮发电 机转变为电能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能最有效的转变为 蒸汽的热能。因此，近代锅炉亦称为蒸汽发生器。调节系统在蒸汽锅炉热工燃烧时有着很大的辅助作用，能够为燃烧环 节提供必要的环境，协调好每个步骤的有序进行【6】.锅炉的工作过程概 括起来应该包括三个同时进行的过程：燃料的燃烧过程、水的气化过程、 烟气向水的传热过程。2.2.1燃料的燃烧过程首先将燃料（这里用煤）加到煤斗中，借助于 重力下落在炉膛排面上，炉排接电动机通过变速此轮箱减速后有链轮来带 动，将燃料煤带入炉内。燃料一面燃烧，一面向后移动燃料所需要的

15、空气 是由风机送入炉排腹中风仓后，向上穿过炉排到达燃料层，进行燃料反应 形成高温烟气。燃料燃烧剩下的灰渣，在炉排末端翻过除渣板后排入灰斗， （若是燃气式锅炉就没有这一部分了）这整个过程称为燃烧过程。2.2.2水的汽化过程水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水 循环和水分离过程。经处理的水由水泵加压，先流经省煤器而得到预热， 然后进入气锅。锅炉工作时气锅的工作介质是处于饱和状态的汽水混合物。 位于烟温较低区段的对流管束，因受热较弱，汽水工质的容量较大，而位 于烟温较高区段的对流管束，因受热强烈，相应的汽水工质的容量较小， 从而量大的工质则向上流入下锅筒，而容量小的工质则向上流入上锅筒， 形成

16、了锅水的自然循环。蒸汽所产生的过程是借助于上锅筒内设的汽水分离装置。以及在锅筒 本身空间的重力分离力作用，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，而分离出来的水仍回到上锅筒下半部的水中。 锅炉中的水循环，也保证与高温烟气相接处的金属受热面的冷却而不被烧 坏，是锅炉能长期安全运行的必要条件。而汽水混合物的分离设备则是保 证蒸汽品质和蒸汽过热可靠工作的必要设备。2.2.3烟气向水传热过程由于燃料的燃烧放热，炉内温度很高在炉膛 的四周墙面上，都布置一排水管，俗称水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强 烈的辐射换热，将热量传给管内工质水。继而烟气受引风机和烟囱的引力 而向炉膛上方流动。烟气从炉膛出口掠过放渣管后，就冲刷蒸汽过热器， 一组垂直放置的蛇形管受热面，使气锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加 热而得到的过程。烟气流经过过热器后掠过胀接在上、下锅筒间的对流管 束，在管束间设置了折烟墙使烟气呈“S”型曲折地横向冲刷，再次以对