炉膛压力正文.docx
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炉膛压力正文
引言
对于负压燃烧锅炉,如果炉膛压力接近于大气压力,则炉烟往外冒出,能源浪费且影响设备和工作人员的安全;反之,如果炉膛压力太低,又会使大量的冷空气漏入炉膛内,降低炉膛温度,增大了引风机负荷和排烟带走的热量损失。
一般炉膛压力维持在比大气压力低20-50Pa左右。
引风控制的任务是保持炉膛负压在规定的范围之内。
由于引风调节对象的动态响应快,测量也容易,所以引风控制系统一般只需采用以炉膛负压pf作为被调量的单回路控制系统。
由于送风量的变化时引起负压波动的主要原因,为了使引风量快速地跟踪送风量,以保持二者的比例,可将送风量作为前馈引入引风调节器。
这样当送风控制系统动作时,引风控制系统也立即跟着动作,而不是等炉膛负压偏离给定值后再动作,从而能使炉膛负压基本保持不变。
所以引风控制系统引入送风前馈信号以后,将有利于提高引风控制系统的稳定性和减小炉膛负压的动态偏差。
送风量信号通过前馈补偿装置f(x)送到引风调节器而使引风量跟着改变,是一个快速补偿(前馈)系统。
但当系统处于静态时,前馈补偿装置f(x)的输出应为零,以使炉膛压力保持为给定值。
1炉膛压力控制系统概述
1.1炉膛压力控制的简介
随着我国电力事业的飞速发展,火力发电厂在我国电力工业中占有重要地位。
如何保证单元机组在额定参数下安全、稳定、经济的运行是一个相当重要的问题。
而锅炉作为电厂中的重要设备,为了保证炉膛的稳定燃烧,炉膛压力控制的作用就显而易见了。
对于负压燃烧锅炉,如果炉膛压力接近于大气压力,则炉烟往外冒出,能源浪费且影响设备和工作人员的安全;反之,如果炉膛压力太低,又会使大量的冷空气漏入炉膛内,降低炉膛温度,增大了引风机负荷和排烟带走的热量损失。
一般炉膛压力维持在比大气压力低20-50Pa左右。
引风控制的任务是保持炉膛负压在规定的范围之内。
由于引风调节对象的动态响应快,测量也容易,所以引风控制系统一般只需采用以炉膛负压pf作为被调量的单回路控制系统。
由于送风量的变化时引起负压波动的主要原因,为了使引风量快速地跟踪送风量,以保持二者的比例,可将送风量作为前馈引入引风调节器。
这样当送风控制系统动作时,引风控制系统也立即跟着动作,而不是等炉膛负压偏离给定值后再动作,从而能使炉膛负压基本保持不变。
所以引风控制系统引入送风前馈信号以后,将有利于提高引风控制系统的稳定性和减小炉膛负压的动态偏差。
送风量信号通过前馈补偿装置f(x)送到引风调节器而使引风量跟着改变,是一个快速补偿(前馈)系统。
但当系统处于静态时,前馈补偿装置f(x)的输出应为零,以使炉膛压力保持为给定值。
1.2炉膛压力控制系统的构成
图1.1炉膛压力控制系统方框图
图1.1是用SYMPHONY系统实现的具有双执行机构的炉膛压力控制系统的方框图简图,整个系统包括PI控制器,手、自动切换逻辑,跟踪信号运算回路,系统总操,左右侧风机动叶偏置回路,超驰控制回路,速率限制回路,偏差限制逻辑和单台风机操作站等部分。
系统的工作过程为:
炉膛压力测量值与设定值进行比较,偏差值经PI控制器运算后在系统手/自动总操M/A站出口分成两路,再经风机出力校正回路、超驰控制回路、输出速率控制回路,最后到阀门定位操作模块IDP控制执行机构的开关,实现炉膛压力控制。
为避免执行机构的频繁动作,偏差运算回路中还进行了炉膛压力测量值与设定值偏差的死区运算,过滤掉炉膛压力的正常波动对执行机构的影响。
系统手/自动总操M/A站担负着两侧风机的出力平衡与手动跟踪功能。
为提高炉膛压力对送风量扰动的响应能力,在PI控制器的Z端(扰动量输入端)引入了送风前馈信号。
1.3炉膛压力控制的主要功能
控制系统除完成正常的调节功能外,还实现下列保护功能:
(1)炉膛过压保护
当炉膛压力超过高值时应进行报警当超、过高且值时,机组进行负荷迫降,直到压力返回到所需求的公差值时为如果上述保护动作而压力仍然增加到超过高值时,则系统产生跳闸信号,该信号应为“三取二”逻辑信号。
(2)炉膛内爆保护
当炉膛压力降至低1值时应该报警。
如果压力继续下降低至2值时则启动超驰回路,产生一个增压信号,关引风机挡板。
(3)锅炉跳闸后的炉膛内爆保护
控制系统接受来自联锁系统的锅炉跳闸信号,为的是将炉膛内负压偏差降到最小。
在主燃料跳闸的事故情况下,由于突然停止燃烧会造成炉膛内烟气量和烟气温度急剧下降,显然这是引起炉膛低压峰值的主要原因。
这个低压峰值
会引起炉膛内爆,是很危险的。
炉膛压力的计算非常近似于下式(1.1)所示:
PV=MRT式(1.1)
P—绝对压力
V—炉膛容积
M一炉膛烟气质量
R—烟气常数
T一绝对温度
由于容积是固定的,R是常数,故压力P与MT成正比关系。
因此,在主燃料跳闸后因炉膛内烟气量减少和温度降低将造成压力急剧下降。
基于上述原因,本控制系统设计了突跳回路。
该回路能识别何时发生主燃料跳闸,并在跳闸时起作用以减少由于锅炉跳闸引起的负压力偏差。
1.4炉膛压力控制的控制方式
炉膛压力控制用调节两台引风机的导叶开度,来满足炉膛负压略低于外界大气压的要求,控制系统为带送风前馈的单回路控制系统,机组正常运行时,锅炉炉膛负压按传统的前馈-反馈方案进行控制。
本系统为单回路控制系统(即只有一个PID调节器),单回路反馈控制系统又称简单控制系统,是指由一个被控过程、一个检测变送器、一个控制器和一个执行器所组成的,对一个被控变量进行控制的单回路反馈闭环控制系统。
单回路反馈控制系统组成方框图:
图1.2单回路控制系统方框图
1被调量:
表征生产过程是否正常运行并需要加以调节的物理量,本系统为高旁阀位指令。
2给定值:
按生产过程要求被调量必须维持的希望数值,简称给定值,在许多情况下给定值是保持不变的(如正常情况下的运行时的锅炉的汽包水位,过热蒸汽的温度等),但在有些情况下给定值是变化的,如汽轮机启动过程中的转速的给定值就应不断改变。
3自动调节器(简称调节器)和控制对象组成一个相互作用的闭合回路。
调节器根据被调量y于规定值r的偏差信号e(或再加上一些补充信号)而使执行机构按一定的规律(即控制规律)动作,从而引起调节机关的位置的变化。
调节器输入量为偏差信号e,输出为调节机关位置,动态特性是指调节器的输出量于输入量的动态关系,长称作调节器的输出量与输入量的动态关系,常称作调节器的控制规律。
常用的调节器按其规律可分为比例调节器、比例积分调节器、比例微分调节器、比例积分微分调节器。
这些调节器的控制规律都是由基本调节作用比例、积分、微分组合而成的。
调节器正、反作用的确定
正作用-----指调节器的输出随着正偏差(指测量值大于设定值)的增加而增加,即调节器的输出随着测量值增大而增大。
反作用-----指调节器的输出随着正偏差的增加而减小,即调节器的输出随着测量值增大而减少。
调节器作用方向确定的原则:
应根据被控过程的特性及调节阀的气开、气关形式来正确选择,以使自动控制系统成为一个负反馈的闭环系统,即如果被控变量偏高,则控制作用应使之降低;相反,如果被控变量偏低,则控制作用应使之升高。
控制作用对被控变量的影响应与扰动作用对被控变量的影响相反,才能使被控变量回到设定值。
4无扰切换:
在切换的前后,调节器的输出应与执行器的位置基本保持一致,这样,在切换前后过程中调节机构的位置不会跳变即不会对过程引起附加的扰动。
在自动控制系统中,需要手动自动双向的勿扰切换。
2引风机控制回路
2.1引风机控制回路简介
正常情况下,炉膛负压按传统的前馈-反馈控制方案进行,前馈信号GAPIDTR来自送风控制系统,其作用是使送风控制系统动作的同时,引风控制系统能相应地协调动作,使引风量随送风量成比例地变化,以减小炉膛负压在变负荷时的动态偏差,引风控制的前馈信号取自两台送风机动叶开度指令(送风调节器的输出),前馈信号通过函数块F(x),直接引入引风控制系统中炉膛负压调节器的加法块Σ输入端,前馈信号作为炉膛负压调节的粗调。
根据炉膛负压测量值和炉膛负压设定值的偏差,调节器给出两台引风机导叶的公共控制指令,被调量为炉膛负压,调节变量为引风机导叶开度,炉膛负压调节器起校正作用,主控制器输出的基本控制信号与前馈信号的代数和送往两个调节挡板控制回路,把挡板调整到要求的位置.在手动方式下,运行人员在引风机M/A站上可以手动改变两台引风机导叶的开度,炉膛负压调节器则跟踪两台引风机导叶指令之和的平均值。
2.2风机出力校正
图2.1风机出力校正逻辑
为维持两台风机的实际出力平衡,避免两台风机抢风现象的出现,许多情况下要求两台风机的挡板(动叶)开度不同,系统设置了可手动调整的风机出力校正(由图2.1中的模块D35、D36实现)。
运行人员在控制面板上调整偏置值BIAS的大小时,模块D35输出的A风机出力校正系数可在0.8~1.2间变化,而D36输出的B风机出力校正系数则在1.2~0.8间变化,通过适当调整BIAS的值一般情况下均可找到两台风机出力相等的平衡点。
3炉膛压力控制系统控制逻辑
3.1引风机自动/手动切换
1)引风机A和B都处于自动状态
这时调节器的输出叠加上前馈指令(送风机动叶平均指令),并行送到两台引风机的控制回路上,在引风机B操作站,由运行人员设定的偏置信号分别输入到引风机A操作站,乘以-1后,输入到引风机B操作站上,偏置信号的作用是在自动方式下,可以用来调节两台引风机A、B的负荷平衡。
2)引风机A和B都处于手动方式
当两台引风机都在手动控制方式(或有强制输出时),炉膛负压调节器跟踪两台引风机A、B档板开度指令的平均值。
3)两台引风机分别投自动时跟踪和无扰切换
当一台引风机M/A操作站先投自动,则炉膛负压调节器就处于自动方式,这时偏置值跟踪,自动调整调节器的输出与另一台还处于手动方式的引风机输出之间的偏差,保证另一台引风机投自动时能实现无扰切换。
MFC控制站对引风机开度进行控制,A、B两个引风机通过相互的跟踪信号补偿控制。
以附录1中A引风机入口导叶控制为例,由附录2可知,把B引风机的控制信号作为A引风机的跟踪信号,由REQNATUREVENT(自然通风请求)、INDUCEAFORCEDCLS、10HNC10EC01STEP04CMDSA、10HNC10EC02STEP01CMDSA四个信号来源通过1452“或门”构成跟踪开关信号并与手动控制开关1395构成“与”关系连接到MFC的跟踪信号开关处,而10HNC20AN001XG11、10HBK10CP3F、10HBK10CP901DF、10HNC20AA101OPTF共同组成“或门”1453,通过这种方式为MFC切换手动提供信号,同样10HNC20AA101AX成为MFC的切换自动信号。
通过这些信号来控制MFC控制站的手动和自动以及手自动切换条件,并且同理得到B引风机入口导叶控制理论和连接方式,是A、B两个引风机达到了互补控制的效果。
值得一提的是,跟踪信号是通过MFC所产生的控制信号和REQNATUREVENT(自然通风请求)、INDUCEAFORCEDCLS信号选择产生的,若REQNATUREVENT(自然通风请求)信号为1,则会选择100进行输出,若INDUCEAFORCEDCLS信号为1,则会选择0进行输出。
A、B引风机的MFC控制站的手自动无扰切换是同步进行的并且相互不受到影响,以两控制器同时进行自动控制为例,此时两个MFC的N+2端输出为1,信号传递到MFC的S30端为0,即选择不跟踪。
我们将A引风机端的MFC控制站设为手动,则N+2端为0而B端N+2端为1,产生两组组合,一组是通过“或门”1417为S30提供跟踪信号,并释放反馈APID的信号;另一组是通过“与门”1417使B引风机MFC控制站S30继续保持不跟踪形式,输出设定值分给MFC的设定值端,为跟随信号提供条件,达到无扰切换的目的。
同理,B引风机为手动时,会产生相同的控制形式,而在信号切换时,不受到干扰。
3.2MFT动作时的超驰控制
炉膛负压控制除采用了前馈-反馈传统方案外,最突出的特点是对炉膛负压控制设计了一个超驰控制回路,其作用是防止主燃料跳闸(MFT动作)时,引起炉膛灭火而产生锅炉内爆的事故。
当锅炉接受到MFT动作信号后,通常不到几秒就可以导致炉膛灭火,炉膛一旦灭火,炉内温度将急剧下降,从理想气体状态方程式PV/T=R可知,当炉膛内烟气容积V不变时,炉膛负压P将随炉内温度T的下降而降低,炉内将出现较大的负压,加之炉内燃烧是急剧的化学变化过程,在燃烧后的烟气中,除包括一、二次风外,还包括燃烧时产生的CO2和水蒸汽;当锅炉灭火时,CO2和水蒸汽大减少,从而使烟气的质量流量大大减少,如果此时引风机动叶仍保持原来的开度,势必造成很大的炉膛负压,如不采取措施,锅炉将有产生内爆的危险,为了防止此类事故的发生,炉膛负压控制系统设计有如下超驰保护回路,当MFT动作时,控制系统首先强制前馈信号为0,关小引风机导叶开度,以减少引风机出力,使炉膛负压不至太低。
图3.1A引风机的超驰回路
在风机顺序启、停过程或炉膛压力出现异常时,为了快速控制或恢复炉膛压力,有必要撇开PI控制器的控制进行逻辑快控,以保证风机和炉膛的安全。
为了达到这个目的,系统中设置了分别由模块D19、D21、D23和D20、D22、D24组成的A、B风机超驰控制回路,图3.2所示为A风机超驰回路。
风机顺序启动时,通过模块D19和D20的作用,分别将A、B风机的入口挡板(动叶)强制关至20%或更小;炉膛压力高Ⅰ值时,模块D21和D22强制输出100%风机挡板(动叶)开度指令,强迫开大风机挡板(动叶)的开度,直到膛压力高Ⅰ值信号消失;风机顺序停止或炉膛压力低Ⅰ值时,CLOSE逻辑信号置1,模块D23、D24输出强制为0%,使风机挡板(动叶)关小(炉膛压力低Ⅰ值时)或全关(风机顺序停止时)。
3.3增闭锁和减闭锁
本次炉膛压力控制系统为双执行机构系统,由于执行机构、可调挡板(动叶)的零位、死区及左、右侧烟道阻力等可能存在的差异,造成左右两侧挡板(动叶)开度对炉膛压力的响应特性不一致,另外,单台风机投自动与两台风机投自动的炉膛压力响应特性也是不同的,因此,采用固定调节器参数的控制系统在设备特性不同及运行方式不同时,难以取得令人满意的调节效果。
为了解决上述问题,厂商设计了PI控制器增益运算回路,分别整定A、B风机单独投自动、两台风机同时投自动、系统冷热态投自动时的控制器增益参数,取得了较好的效果。
对每台引风机动叶的控制指令还设计了闭锁增和闭锁减功能。
即:
1)当炉膛压力信号10HBK10CP901高于某一值时,禁止动态关小引风机动叶。
2)当炉膛压力信号10HBK10CP901低于某一值时,禁止动态开大引风机动叶。
当炉膛负压降至低于最小值-2000Pa时,或高于2000Pa时,正负偏差压力超驰控制回路将起作用。
当炉膛负压低于设定的最小压力-2000Pa时,闭锁增II/9起作用,迅速用来关小引风机导叶的开度,同时,闭锁减DI/10来开大送风机导叶的开度;同理,当炉膛负压高于设定的最大压力2000Pa时,闭锁减DI/10起作用,迅速用来开大引风机导叶的开度,同时,闭锁增II/9来减小送风机导叶的开度。
不论引风机M/A站处于自动还是手动方式,防止引风机内爆的超驰信号和负偏差压力超驰控制信号都能及时动作,因此它们的优先级别最高。
图3.2控制器增益运算逻辑图
如图3.2所示为PI控制器增益运算回路。
单台风机投自动时,回路通过模块D08选择风机B的控制增益KPB或风机A的控制增益KPA;两台风机均投自动时,则通过模块D10选择双风机调节增益KPAB。
单台风机的控制增益KPA和KPB可在锅炉实际运行过程中,通过工程整定方法分别整定。
双风机的控制增益可通过以下方法计算得出。
炉膛压力为线性调节对象,符合迭加原则。
设两台执行机构的开度变化量相同,均为ΔX时(即ΔXA=ΔXB=ΔX,可通过手动调节实现)引起的炉膛压力变化量为ΔY(由记录确定),A、B风机引起的炉膛压力变化分量别为ΔYA和ΔYB,则有方程如式(3.1)所示:
式(3.1)
即两台风机调节增益的倒数是单台风机调节增益的倒数和。
以上各式中的C为与炉膛压力对象有关的常数。
3.4其它异常工况的控制方式
炉膛压力测量变送器发生故障或A、B侧引风机跳闸时,炉膛压力控制切至手动控制。
3.5主要功能块功能介绍
一、控制站功能码提供MFC和下列接口设备之间的接口:
数字控制站(DCS)、操作接口单元(OIU)、命令管理系统(MCS)和计算机接口单元(CIU)。
它提供基本控制“串级控制和比例设定点控制加手动/自动站切换。
表3.1M/A手操站功能码规格参数
规格号
可调性
隐含值
数据类型
范围
说明
S1
NO
0
INT
(2)
0~2046
过程变量的块地址
S2
NO
5
INT
(2)
0~2046
设定点跟踪信号的块地址
S3
NO
0
INT
(2)
0~2046
自动信号的块地址
S4
NO
5
INT
(2)
0~2046
控制输出跟踪信号的块地址
S5
NO
0
INT
(2)
1~8
控制输出跟踪开关的块地址
S18
NO
0
INT
(2)
0~2046
切换到手动信号的块地址
S19
NO
0
INT
(2)
0~2046
切换到自动信号的块地址
S30
NO
0
INT
(2)
0--2046
具有设定点跟踪S1输入的开关的块地址
二、APID增强型PID控制器功能码完成PID控制器的功能。
这个功能块具有位置或速度型控制限制算法,它还提供一个防复位终止功能。
表3.2APID控制器功能码规格参数
规格号
可调性
隐含值
数据类型
范围
说明
S1
NO
5
INT
(2)
0~9998
过程变量的块地址
S2
NO
5
INT
(2)
0~9998
设定点块地址
S3
NO
5
INT
(2)
0~9998
TR的块地址
S4
NO
0
INT
(2)
0~9998
跟踪标志的块地址0=跟踪
1=释放
S6
NO
5
INT
(2)
0~9998
前馈信号的块地址
S9
NO
0
INT
(2)
0~9998
增加禁块地址0=正常
1=禁止
S10
NO
0
INT
(2)
0~9998
减少禁块地址0=正常
1=禁止
总结
此次设计是机组炉膛压力控制系统分析,设计中简要介绍了火电厂单元制机组炉膛压力控制系统的控制方式和控制回路介绍。
设计中还对控制回路中的主要信号进行了较为详尽的分析。
主要认真了解了APID控制器和M/A操作站的工作状态、工作方式;以及其它重要功能块的作用。
控制系统的调节控制回路采用的是较为传统的控制方式即带送风前馈的单回路控制,若利用RBF神经网络辨识PID代替传统PID实现在线调整参数,在负压测量回路对测量值进行一定的滤波处理,可使负压测量平稳,也使得系统的滞后时间与动态特性的惯性时间常数之比降低到有利于PI控制的较低数值,使系统的性能得到很大改善。
控制会更加稳定、响应速度更快。
由于信号采集及处理部分未给出,建议在测量回路上采用冗余变送器,在信号输入上采用小信号滤波处理。
这样能够大大改善调节品质。
要特别指出的是,根据偏差信号变化的大小来相应改变输入到调节器的偏差值,实质上是调整了闭环控制系统的开环增益,在一定程度上它将影响系统的稳定性。
所以,在系统调试时各个参数要配合调节器比例系数的整定来设定,以防系统出现不稳定。
致谢
本次设计能够顺利的完成,首先我要感谢我的导师迟新利副教授,在整个设计过程中,迟教授对我在设计过程中遇到的问题和困难进行了耐心的指导和认真的解答,从而保证了我的课程设计课题能够得以顺利完成。
此外迟教授一丝不苟的治学态度以及严于律己、宽以待人的品质无时无刻不在激励着我,令我终生难忘,使我满怀信心的迎接新的挑战。
我从迟教授身上不但学到了许多学问而且也学会了许多做学问的方法以及做学问所需的态度和精神。
在此还要特别感谢学校对我们的大力支持,为我们提供了较为先进的实验室和计算机房,使我们在设计过程中能够更好的将所学的理论知识运用到实践中去。
最后,对这次在答辩过程中给我的设计内容提出了不足与缺点的老师深表感谢,我一定会在答辩之后将设计的不足和缺点一一改正。
再次对所有热心帮助过我的老师和同学们致以衷心的感谢!
正是有了你们的帮助,才使我能够顺利的完成本次设计。
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附录1
附录2
附录3
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