锅炉设备的自动调节系统

锅炉设备的自动调节系统

郁万平

（山东华源锅炉有限公司山东省临沂市276000）

摘要：锅炉的调节任务是使蒸汽的参数值（压力、温度等）符合一定的要求；维持汽包水位在允许的范围内；保证燃烧的经济性并维持一定的炉膛压力，使设备安全经济运行。锅炉机组是一个复杂的系统，有多个被调变量和相应的调节变量，其中主要的被调变量是主蒸汽压力、主蒸汽温度、汽包水位、过量空气系数和炉膛压力，相应的调节变量有燃料量、减温水量、给水流量、送风量和引风量等。这些被调量是相互关联的，改变其中一个调节变量会同时影响几个被调量。理想的锅炉自动调节系统应当是在受到某种扰动作用后能同时协调控制有关的调节机构，改变相应的调节变量，使所有被调量都保持在规定的范围内，使运行工况迅速恢复稳定。

关键词：锅炉自动调节；给水调节；蒸汽温度调节；燃烧调节

完成自动调节任务的方法是根据运行的实践经验，把锅炉设备划分成几个相对独立的调节区域，构成相应的几个自动调节系统。主要有以下3个调节系统：

1.给水自动调节系统

（1）给水自动调节的任务

锅炉的蒸发量、给水压力及炉膛内的燃烧状况等在运行过程中不断变化，汽包水位也随着变化。维持正常水位是保证正常运行的主要任务之一。给水自动调节的任务是维持汽包水位在允许范围内。水位过高，使饱和蒸汽带水，蒸汽品质恶化，造成过热器积盐结垢，甚至造成满水事故，威胁机组安全运行；水位过低，会破坏锅炉水循环，导致水冷壁管爆裂。所以保持水位在正常范围内，是锅炉运行人员的主要任务。大容量锅炉的蒸发量大，但汽包的容积并不是按比例增加的，所以，对大容量锅炉手操维持汽包水位是十分困难的。给水调节的另一个任务是保持给水流量稳定，即在负荷变化时，给水流量不应产生忽大忽小的剧烈波动。给水流量的稳定，对省煤器及给水管道的安全运行起着重要作用。实现给水自动调节有利于提高锅炉运行的安全性，并可减轻运行人员的劳动强度和紧张的心理状态。

（2）给水调节系统的构成

锅炉给水调节系统的组成原则，是从影响调节对象的若干因素中选择最主要的一个作为调节变量。被调对象通过调节设备和调节机构组成一个闭合回路，即成为给水自动调节系统。蒸汽流量及炉膛热负荷均由外界负荷决定，属于外部扰动，只有给水流量可作为给水调节的调节变量。

根据锅炉的容量、额定参数和结构特点，给水自动调节系统主要有以下3种类型：

①单冲量单回路给水调节系统。系统中的调节器只接收汽包水位信号，并采用比例调节规律，因而使调节过程具有较好的稳定性。其优点是结构简单，缺点是不能克服虚假水位的不利影响和给水流量扰动对水位的影响。

②双冲量单回路调节系统。系统仍采用比例调节器，它接受汽包水位和蒸汽流量变化两个信号。水位是主信号，蒸汽流量作为前馈信号用来校正蒸汽负荷扰动时的虚假水位现象的影响，使调节器按正确的方向动作，以减小水位的动态偏差。例如，当蒸汽流量减小时应使给水调节阀门关小，而此时的虚假水位信号却要使给水调节阀门开大，两个信号在调节器中是相互制约的，因此调节器不会立即动作，产生反方向的调节作用。等到给水流量与蒸汽流量的不平衡引起水位上升时，调节作用将使水位信号恢复。

在双冲量单回程给水调节系统中，引入了蒸汽流量信号，克服了虚假水位使调节器产生反方向调节作用的缺点，改善了蒸汽流量扰动时的调节质量。但这种系统仍不能迅速消除给水流量扰动对水位的影响。

③三冲量双回路给水调节系统。调节器接受汽包水位、蒸汽流量和给水流量三个信号。汽包水位是主信号，给水流量信号是反馈信号，蒸汽流量信号是前馈信号，任何扰动引起的水位变化，都会使调节器输出信号发生变化，改变给水流量，使水位恢复到给定值。大中型锅炉普遍采用三冲量调节系统。

2.主蒸汽温度自动调节系统

（1）过热蒸汽温度调节的任务

蒸汽温度调节的任务是维持过热器出口汽温在允许范围内，使过热器管壁温不超过允许温度，以便提供合格的蒸汽，保证主设备安全经济运行。

过热器温度偏高，会使过热器管子加速变形或过早损坏，甚致造成事故；汽温过低，会降低机组的效率，所以，过热蒸汽温度是影响发电厂安全运行和经济效益的重要参数。对于中高压锅炉，要求过热器温度的变化范围保持在规定值的-10~+5℃之内。

（2）采用导前汽温微分信号的双回路汽温调节系统

在锅炉设备运行过程中，引起汽温变化的因素很多，并且汽温调节对象的迟延时间和时间常数都很大，若只根据汽温偏差改变减温器的喷水量，往往不能满足控制汽温的要求。因此在设计调节系统时，应加入比过热器温度能提高反应扰动作用的补偿信号（即超前信号），使扰动发生后过热蒸汽温度还没有发生明显变化时，调节系统就超前动作，有效地控制汽温的变化。

在该系统中采用减温器后的蒸汽温度作为超前信号，它比过热器出口蒸汽温度能提前反应减温水流量的扰动作用。超前信号经微分运算后与主信号一起进入调节器并按一定规律运算，调节器输出信号经伺服放大器控制执行器，实现过热蒸汽温度自动调节的目的。减温水流量对温度的扰动可通过微分运算内回路迅速消除，而主回路任务是保持过热器出口汽温为规定值。

（3）过热汽温的串级调节系统

在这个系统中，不用微分器，而采用一个副调节器。减温器后的超前信号送给副调节器，副调节器的给定信号由主调节器的输出来校正，副调节器直接控制执行器去操纵减温水调节阀门，采用超前信号，是为了克服控制通道的迟延和惯性，改善汽温的控制质量。

3.锅炉燃烧自动调节系统

（1）燃烧自动调节的任务

①维持锅炉出口蒸汽压力恒定。汽压的变化反应了锅炉的蒸汽产量和耗汽量不相适应。因此，要维持汽压，必须相应的改变燃烧率，使锅炉的蒸汽产量能适应外界负荷的需要。

②保证燃烧过程的经济性。当燃料量改变时，必须相应的改变送风量，使它与燃料量相匹配，使风、粉量保持适当的比例，以保证经济燃烧和最小的热损失。

③调节引风量，使之与送风量相适应，并维持炉膛压力在一定的范围内。一般要求正常运行时，炉膛压力保持在-2mmH2O~-5mmH2O之间。炉膛压力的高低关系到锅炉的安全经济运行。压力高，有引起炉膛爆炸的危险；压力过低，则会造成引风机耗电量增加，排烟热损失增加。

（2）燃烧自动调节子系统

燃烧调节系统中，汽压是主要的被调量。维持汽压恒定是锅炉正常运行的要求，汽压的变化是锅炉供热量是否适应负荷要求的标志。在运行过程中，引起汽压变化的原因很多，其中主要的原因有燃烧率和蒸汽流量扰动的作用。

根据汽压对象的动态特性可以设计燃烧自动调节系统，它分为三个子系统，分别是调节燃烧量、送风量和引风量，它们彼此协调，以提供适当的负荷，并保证燃烧过程的安全和经济性。

①燃料量控制子系统。燃料量控制子系统的任务是通过改变给煤机转速，使燃料量和燃料量指令相适应。设置燃料量控制系统的目的之一就是利用它来消除燃料侧内部的自发扰动，改善系统的调节品质。另外，由于燃料品种的变化、投入的燃料量供给装置的台数不同等因素都会给控制系统带来影响，燃料量控制子系统的设置也为解决这些问题提供了手段。

②送风量控制子系统。送风量控制子系统的任务是使锅炉的送风量和燃料量相协调，以达到锅炉最高的热效率，保证机组的经济运行。但由于锅炉的热效率不可直接测量，故通常是利用一些间接的方法来达至目的。常用的方法有：

a.燃料量——空气系统。此系统以实测的燃料量作为送风量调节的给定值，使送风量和燃料量成一定比例，优点是实现简单，可以消除来自负荷和燃料侧的各种扰动，但由于给煤量的准确测量还难以解决，给上述系统的可靠运行带来困难。

b.热量——空气系统。热量信号能迅速反应燃料量的变化，作为送风量调节器的给定值，优点是能迅速消除燃料侧的扰动，但不能及时反应负荷的变化，故系统的动态偏差较大。

c.蒸汽量——空气系统。以蒸汽流量作为送风量调节器的给定值，在负荷扰动下，蒸汽流量反应迅速，可保证送风量跟踪负荷的变化。但对于燃料侧的扰动，蒸汽最不能及时反应，使系统出现大的动态偏差。

d.给定负荷——空气系统。以协调控制系统发出的燃料量指令作为送风量调节器的给定值，它的特点同蒸汽量——空气系统。

e.氧量——空气系统。以烟气中含氧量作为锅炉燃烧的经济性指标是一种较好的控制方案，但由于含氧量的测量具有较大的滞后，故一般均采用串级调节系统。送风量调节器和调风门构成快速响应的内回路，以保证适当的风煤配比，同时加以给煤量的前馈信号，目的是改善系统的动态性能，使送风量和给煤量能够协调变化。

③引风控制子系统。引风控制子系统的任务是保证一定的炉膛负压力，炉膛负压太小甚至变成正压，会使炉膛内火焰和烟气从测点孔洞和炉墙缝隙外溢，影响设备和人员安全。而炉膛负压过大会使大量冷空气进入炉内，增大引风机负荷和排烟热损失，严重时甚至引起炉膛爆炸。因此炉膛负压必须控制在允许范围内，一般在-20Pa左右。

控制炉膛负压的手段是调节引风机的引风量，其主要的外部扰动是送风量。一般采用单回路，调节系统并加以前馈的方法进行控制，送风量作为前馈信号，改善系统的调节性能。

结语：

锅炉是一种极为复杂且典型的热工系统，对锅炉自动调节控制系统进行有效的开发与研究，进而实现系统功能的完善，且提升锅炉的性能，符合当前社会锅炉生产发展的需求，拥有极为宽广的发展前景与极高的研发价值。锅炉控制系统的自动控制方案和锅炉的运行方式以及锅炉热负荷的变化等因素有着紧密的联系。对锅炉的自动调节控制系统进行研究，不但能够在一定程度上提升锅炉系统的自动化水平，还能够提升锅炉使用的安全性与可靠性，具有极为重大的意义。

参考文献：

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