工业锅炉压力计研究论文

1992lxm工业蒸汽锅炉的自动化控制过程与实现来源：中国论文下载中心 [ 06-04-01 15:26:00 ] 作者：1992lxm 编辑：凌月仙仙 摘要：本文叙述了工业锅炉控制系统的工作原理，具体阐述了锅炉控制中的几个重要的控制回路的控制算法，以及变频器在锅炉改造中的应用，提出了锅炉控制系统的基本设计思路和各个环节控制实现方法。 关键词：工业蒸汽锅炉 炉膛负压 蒸汽压力 变频控制 水位三冲量 一、引言 锅炉微机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。 工业锅炉采用微机控制和原有的仪表控制方式相比具有以下明显优势： 1．直观而集中的显示锅炉各运行参数。能快速计算出机组在正常运行和启停过程中的有用数据，能在显示器上同时显示锅炉运行的水位、压力、炉膛负压、烟气含量、测点温度、燃煤量等数十个运行参量的瞬时值、累计值及给定值，并能按需要在锅炉的结构示意画面的相应位置上显示出参数值。给人直观形象，减少观察的疲劳和失误； 2．可以按需要随时打印或定时打印，能对运行状况进行准确地记录，便于事故追查和分析，防止事故的瞒报漏报现象； 3．在运行中可以随时方便的修改各种运行参数的控制值，并修改系统的控制参数； 4．减少了显示仪表，还可利用软件来代替许多复杂的仪表单元，（例如加法器、微分器、滤波器、限幅报警器等），从而减少了投资也减少了故障率； 5．提高锅炉的热效率。从已在运行的锅炉来看，采用计算机控制后热效率可比以前提高5-10%，据用户统计，一台20T的锅炉，全年平均负荷70%，以平均热效率提高5%计，全年节煤800吨，按每吨煤380元计算每年节约304000元； 6．锅炉系统中包含鼓风机，引风机，给水泵，等大功率电动机，由于锅炉本身特性和选型的因素，这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的，原有方式采用阀门和挡板控制流量，浪费非常严重。通过对风机水泵进行变频控制可以平均节电达到30%-40%； 7．锅炉是一个多输入多数出、非线性动态对象，诸多调解量和被调量间存在着耦合通道。例如当锅炉的负荷变化时，所有的被调量都会发生变化。故而理想控制应该采用多变量解偶控制方案。而建立解偶模型和算法通过计算机实现比较方便； 8．锅炉微机控制系统经扩展后可构成分级控制系统，可与工厂内其他节点构成工业以太网。这是企业现代化管理不可缺少的； 9．作为锅炉控制装置，其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。在采用计算机控制的锅炉控制系统中，有十分周到的安全机制，可以设置多点声光报警，和自动连锁停炉。杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。 综合以上所述种种优点可以预见采用计算机控制锅炉系统是行业的大势所趋。下面我们来共同探讨锅炉控制系统的原理和结构。 二、锅炉控制系统的一般结构与工作原理 常见的工业锅炉系统如图1所示。首先除氧水通过给水泵进入给水调节阀，通过给水调节阀进入省煤器，冷水在经过省煤器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成温水进入汽包，在汽包内加热至沸腾产生蒸汽，为了保证有最大的蒸发面因此水位要保持在锅炉上汽包的中线位置，蒸汽通过主蒸汽阀输出。空气经过鼓风机进入空气预热器，在经过空气预热器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成热空气进入炉膛。煤经过煤斗落在炉排上，在炉排的缓慢转动下煤进入炉膛被前面的火点燃，在燃烧过程中发出热量加热汽包中的水，同时产生热烟气。在引风机的抽吸作用下经过省煤气和空气预热器，把预热传导给进入锅炉的水和空气。通过这种方式使锅炉的热能得到节约。降温后的烟气经过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。 锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、PLC、上位机、手自动切换操作、执行机构及阀、电机等部分组成，一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机。控制系统包括手动和自动操作部分，手动控制时由操作人员手动控制，用操作器控制变频器、滑差电机及阀等，自动控制时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，以免锅炉发生重大事故。 微机控制系统由工控机、显示器、打印机、PLC、手操器、报警装置等组成，能完成对给水、给煤、鼓风、引风等进行自动控制，使锅炉的汽包水位、蒸汽压力保持在规定的数值上，以保证锅炉的安全运行，平稳操作，达到降低煤耗、提高供送汽质量的目的，同时对运行参数如压力、温度等有流程动态模拟图画面并配有数字说明，还可对汽包水位、压力、炉温等进行越限报警，发出声光信号，还可定时打印出十几种运行参数的数据。以形成生产日志和班、日产耗统计报表，有定时打印、随机打印、自定义时间段打印等几种方式。 锅炉控制系统的硬件配置，目前有几种，功能较好首推可编程序控制器PLC，适合于多台大型锅炉控制，由于PLC具有输入输出光电隔离、停电保护、自诊断等功能，所以抗干扰能力强，能置于环境恶劣的工业现场中，故障率低。PLC编程简单，易于通信和联网，多台PLC进行链接及与计算机进行链接，实现一台计算机和若干台PLC构成分布式控制网络，另外使用PLC加上位机的控制系统具有很好的扩容性，如需要增加控制点或控制回路只需添加少量输入输出模块即可，为以后的控制系统升级改造和其他功能的添加打下良好基础，也为以后一机多炉控制系统等其他工厂级自动化网络打下良好基础。虽然，从短期的角度看价格稍高，如果从长远观点看，其寿命长，故障率低，易于维修，值得选用。 三、锅炉控制系统中各控制回路的介绍 锅炉控制系统，一般有蒸汽压力、汽包液位、炉膛负压、除氧器水位、除氧器压力等控制系统。锅炉的燃烧控制实质上是能量平衡系统，它以蒸汽压力作为能量平衡指标，不断根据用汽量与压力的变化调整燃料量与送风量，同时保证燃料的充分燃烧及热量的充分利用。 锅炉给水控制回路 给水自动调节的任务是使给水流量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在允许的范围内。给水自动调节的另一个任务是保持给水稳定。在整个控制回路中要全面考虑这两方面的任务。在控制回路中被调参数是汽包水位（H），调节机构是给水调解阀，调节量是给水流量（W）。 对汽包水位调节系统产生扰动的因素有蒸发量D、炉膛热负荷（燃料量M），给水量（W）。 ① 蒸发量D扰动作用下水位对象的动态特性 当给水流量不变，蒸发量忽然增加△D时，如果只从物质不平衡角度来看，则反映曲线如图2(a)中的H1(t)所示，但由于蒸发量增加时，汽包容积增加，水位将上升，水位的反映曲线如图2(a)中的H2(t) 所示。H1(t)和H2(t)相结合，实际的水位阶跃反应曲线如图2(a)中的H(t)所示。 ② 炉膛负荷扰动（燃料量M扰动）时水位对象的动态特性 燃料量增加△M时，蒸发量大于给水量，水位下降。但开始是由于有虚假水位存在，水位线上升，然后再下降。如图2(b)中所示。 ③ 给水流量（W）扰动时的水位对象的动态特性 当蒸发量不变，而给水量阶跃扰动时。汽包水位如图2(c)所示。在开始阶段。由于刚进入得水水温较低。使汽水混合物中的汽泡吞量减少。水位下降，如图2(c)中的H1(t)所示。而H2(t)反映了物质不平衡引起的水位变化，H1(t)和H2(t)相加得到了总的给水量扰动的阶跃反应曲线H(t)。 由于给水调节对象没有自平衡能力，又存在滞后。因此在一般锅炉控制系统中汽包液位回路采用闭环三冲量调节系统。所谓三冲量调节系统就是把给水流量W，汽包水位H，蒸汽流量D三个变量通过运算后调节给水阀的调节系统。具体调节过程方框图如图3所示。 先通过蒸汽流量变送器和给水流量变送器取得各自的信号乘以相应的比例系数，通过比例系数可以调节蒸汽流量或给水流量对调节系统的影响力度。通过差压变送器取得水位信号作为主调节信号H。如果水位设定值为G，那么在平衡条件下应有D*Dk-W*Wk+H-G=0的关系式存在。其中Dk为蒸汽流量系数 Wk为给水流量系数。如果再设定时，保证在稳态下D*Dk=W*Wk那么就可以得到H=G。此时调节器的输出就与符合对应，给水阀停在某一位置上。若有一个或多个信号发生变化，平衡状态被破坏，PI调节模块的输出必将发生变化。当水位升高了，则调节模块的输出信号就减小，使得给水调节阀关小。反之，当水位降低时，调节模块的输出值增大，使给水阀开大。实践证明三冲量给水单极自动调节系统能保持水位稳定，且给水调节阀动作平稳。 锅炉给水系统中还有一个比较重要的控制回路是给水压力回路，因为汽包内压力较高，要给锅炉补水必须提供更高的压力，给水压力回路的作用是提高水压，使水能够正常注入汽包。但在蒸汽流量未达到满负荷时，对给水流量的要求也不高。在老式的锅炉系统中一般采用给水泵一直以工频方式运转，用回流阀降低水压防止爆管，现在一般采用通过变频器恒压供水的方式控制水压，具体实现方式是： 系统下达指令由变频器自动启动第一台泵运行，系统检测给水管的水压，当变频器频率上升到工频时，如水压未达到设定的压力值，系统自动将第一台电机切换至工频直供电，并由变频器拖动第二台水泵运行，如变频器运行到工频状态时供水母管压力仍未达到设定压力值系统自动将第二台水泵切换至工频直供电，再由变频器拖动第三台运行，依次类推，直至压力达到设定值。若锅炉需要的给水量减少，变频控制系统可自动降低变频器的运行频率，如变频器的频率到零仍不能满足要求，则变频器自动切换至前一台水泵进行变频运行，依次类推。变频恒压供水控制系统的实质是：始终利用一台变频器自动调整水泵的转速，切换时间以管网的实际压力和设定压力的差值决定，同时保证管网的压力动态恒定。值得注意的是为了防止变频器报警停机或其他故障造成水泵不转会引起锅炉缺水，所以应该加反馈装置确保变频器正常工作。 除此之外锅炉的供水系统中还包括除氧器压力控制和除氧器水位控制，除氧器压力控制主要是为了保证除氧器口有足够的蒸汽压力用于将软化水除氧，这是一个单闭环控制回路，输入参数是除氧器压力输出参数控制除氧器进汽阀。除氧器水位控制主要是为了保证除氧器内有足够的水提供给锅炉，这是一个单闭环控制回路输入参数，是除氧器水位输出参数控制除氧器进水阀。 锅炉燃烧调节系统 燃烧过程自动调节系统的选择虽然与燃烧的种类和供给系统、燃烧方式以及锅炉与负荷的联结方式都有关系，但是燃烧过程自动调节的任务都是一样的。归纳起来，燃烧过程自动调节系统有三大任务： ① 维持汽压恒定。汽压的变化表示锅炉蒸汽量和负荷的耗汽量不相适应，必须相应地改变燃料量，以改变锅炉的蒸汽量。 ② 保证燃烧过程的经济性。当燃料量改变时，必须相应地调节送风量，使它与燃料量相配合，保证燃烧过程有较高的经济性。 ③ 调节引风量与送风量相配合，以保证炉膛压力不变。 燃烧调节系统一般有三个被调参数，汽压p、烟气含氧量a和炉膛负压pt。一般有3个调节量，他们是燃料量M，送风量F和引风量Y。燃烧调节系统的调节对象对于燃料量，根据燃料种类的不同可能是炉排电机，也可能是燃料阀。对于送风量和引风量一般是挡板执行机构或变频器。 燃烧调节系统是一个多参数变量调节系统。这种调节系统通常把它简化成互相联系，密切配合但又相对独立的3个单变量系统来实现。为便于分析，下面我们按3个系统来分别分析。这三个系统分别是以燃料量维持锅炉压力恒定的蒸汽压力调节系统，以送风量维持锅炉经济燃烧的送风调节系统，以引风量维持炉膛负压稳定的炉膛负压调节系统。 蒸汽压力调节对象的特性 引起蒸汽压力变化的主要原因是燃料量和用汽负荷发生变化。其动态特性如下。 ① 燃料量扰动下的汽压变化特性 在用汽负荷不变的情况下，如锅炉燃料量(B)发生△B的阶跃扰动，此时汽压的飞升曲线如图4(a)所示。此时对象没有自平衡能力，具有较大的迟滞和惯性。但如果锅炉出口的用汽阀门开度不变，那么由于汽压因燃料量扰动而发生变化时，蒸汽流量也将发生变化。由于汽压变化时，蒸汽流量增大自发地限制了汽压的变化，因此对象有平衡能力。此时汽压的飞升曲线如图4(b)所示。 ② 用汽负荷扰动下的汽压变化特性 负荷阶跃扰动下，汽压变化的动态特性也有下列两种情况：当用汽阀门阶跃扰动时，对象表现出具有自平衡能力，没有延迟，但有较大的惯性，并有一个与阀门变化成比例的启始飞跃，飞升曲线如图4(c)所示；当用汽量阶跃扰动时，其飞升曲线如图4(d)所示，此时对象没有自平衡能力，如果不及时增加进入锅炉的燃料量，那么，汽压将一直下降。 送风自动调节对象的特性 送风调节系统的工作好坏，直接影响炉膛的空气过剩系数的变化也就是排出烟气的含氧量。引起空气过剩系数变化的主要扰动是燃料量和送风量配比。风量扰动下对象的动态特性具有较大的自平衡能力，几乎没有延迟和惯性，近似为一比例环节。而燃料量扰动时，需经过输送和燃烧过程而略有延迟。由于送风系统几乎没有延迟和惯性。所以在燃料充足的情况下送风量的大小将比较直接的反应在锅炉的蒸汽压力上。那么怎样才能保证股风量和燃料量的搭配适宜，这里我们引入了风煤比这个概念。风煤比就是在当前风量下所能燃烧的煤的最大值。在控制作用中风煤比主要是根据当前风量来限制炉排的转速，防止由于风量不够导致煤不能充分燃烧。该参数对节煤和环保都有很大意义。因为如果不能充分燃烧将会导致煤渣的含炭量增高，这样比较浪费煤，同时还会造成烟气含炭量增高影响排放。 炉膛负压自动调节对象的特性 炉膛负压自动调节对象的动态特性较好，但扰动通道的飞升时间很短，飞升速度很快。 根据以上对燃烧系统调节对象的分析，下面我们针对燃烧自动控制系统三个任务对控制采用的方案进行分析。 燃烧过程控制系统一般采用的控制流程图如图5（a）所示，先通过蒸汽压力变送器经滤波后取得信号，与设定蒸汽压力进行比较，判断出鼓风PI调节器调节的方向和大小，通过鼓风PI调节单元计算出鼓风变频器的输出大小。同时把该信号输出给风煤比计算单元，相应的算出在当时的风量下炉排的最大输出值。再把蒸汽压力的差值信号送给炉排PI调节器，通过炉排PI调节单元计算出炉排变频器的输出大小。经过风煤比限位，输出给炉排变频器。在实际调试过程中我们往往把鼓风PI调节中的比例系数设的比炉排PI单元的大，这样可以很好的保证鼓风系统对蒸汽压力的敏感度要高于炉排。实践证明通过该方法控制下锅炉的蒸汽压力稳定性好，在蒸汽负荷变化时相应程度高。灰渣含碳量低。 炉膛负压的大小对于节能影响很大。负压大，被烟气带走的热量大，热损失增加，煤耗量增大，理想运行状态应在微负压状态。它能明显增加悬浮煤颗粒在炉膛内的滞留时间，增加沉降，减少飞灰，使煤充分燃烧提高热效率。但由于负荷变化，需要改变给煤量和送风量，随之也要改变引风量，以保证炉膛负压的稳定，但由于系统有一定的滞后时间，为避免鼓风变化而引起炉膛负压的波动，系统中引入鼓风信号作为前馈信号对引风机进行超前调节。炉膛负压控制系统一般采用的控制流程图如图5（b）所示，调节原理比较简单属于单闭环调节系统，它的输入量是炉膛负压输出量是引风变频器，同时引入鼓风量作为前馈信号。 另外系统各回路中都设置了手自动两种操作方式，为了实现无扰动切换，系统引入了各控制对象的反馈值，在手动操作时PLC输出会自动跟踪控制对象的反馈，当切换到自动状态时可以进行无扰动切换，使系统平稳的过渡到自动状态。 四、锅炉控制系统组成结构 上面我们针对锅炉控制系统的各控制回路原理的做了简要分析，依据以上分析，我们知道构建一个可靠的、智能随动的智能控制系统是保证锅炉安全生产的基础。锅炉控制系统是典型的多变量、纯滞后、强耦合的控制系统，如果不能在控制策略和软件实现上很好地解决多变量解偶关系和滞后响应问题，那么，实施智能锅炉控制系统改造后同样也将无法实现预期的目标。 在控制系统设计上我们采用集中控制分散驱动（P—T方案）的集散控制思想，把控制系统分为三层： a） 信息管理层：完成系统关键技术数据的设定、实时数据和运行状态的监视与控制、历史数据的查看、数据报表的记录与打印、报警与故障的提示处理等功能；主要由上位工控机（IPC）、组态开发软件、应用程序、通讯模块等组成； b） 控制层：主要完成各种控制动作命令、实时数据的采样与处理、连锁动作的关联表达、控制算法的实现、异常现象的自动处理等功能；主要由可编程逻辑控制器（PLC）的开关量模块、模拟量模块、智能PID调节仪、变频器、PLC应用程序等组成； c） 设备层：主要接受来自PLC的控制命令，执行相应的动作或提供相应的检测数据。主要由断路器、交流接触器、压力变送器、温度变送器、流量变送器、电动开关阀、模拟信号隔离分配器等组成。 五、结束语 综上所述，锅炉控制系统改造具有很好的市场发展空间和投资收益前景，值得广泛地推广。它不仅能够通过自动化控制技术实现安全生产的目的，还能够节煤节电并能使排放更环保，总之锅炉的计算机自动化控制是锅炉行业发展的大势所趋，也是一项利国利民的发展方向。

海维深科技(深圳)有限公司工业生产过程控制系统以连续型流程为例，己从过程的热工量控制发展到产品质量的 在线监控、设备运行的动态检测。生产状态的监控以及设备间的协调控制。新型工业控制 系统更多是从大系统角度，针对冶金、炼油。电力、石油。化工，建筑材料等连续生产过 程设计的。伴随着高温、高压、高速的工艺要求，自动化系统成为确保安全。保护环境。 节能降耗、提高质量和效率的重要装备。很多生产环节非人力能胜任，非自动化不足以保 证安全和确保质量，所处理的已不仅是单参数系统，有些是非线性问题，时变参数问题以 及随机过程控制问题。经典控制理论，以模拟量为主的调节系统已不能满足生产需要，代 之以状态空间方法的近代控制理论，较多的采用数模结合的数字系统，例如集散系统、分 散系统、新一代可编程控制系统。工业控制计算机组成的系统，以及近年来实现的双向多 变量数字通信。并将控制回路下载到基层的现场总线技术。1999年度重点支持的技术创新 项目如下：1．现场总线技术的全开放分散控制系统 现场总线（Fiedbus）的概念从分散型控制系统（DCS）问世以后就开始酝酿了，它是自动化 技术、计算机网络技术和仪表技术发展结合的成果，并将改变习惯的控制模式。对于工业 自动化装置产业界来说，这是一次根本性的变革，由此也带来新的发展机遇。现场总线的 控制系统实现了现场仪表和控制室之间全数字化。双向。多站通信，克服了封闭系统形成 的缺陷，使控制功能彻底下载到现场，成为新一代的全分布式系统。其特点是：开放性。 分散性和全数字通讯。这一系统的市场前景广阔，并可大大提高工业生产过程控制技术水 平。本年度重点支持：（1）新型的现场仪表、装置软、硬件的开发，包括高性能、多变量。多功能的现场智 能变送器、智能执行器及通讯接日等产品；（2）基于现场总线控制系统的系统组态软件的开发和便携式总线分扩器的开发；（3）作为现场总线网络节点的特种控制装置。数据采集装置的开发；（4）低成本的现场总线系统与装置的开发（应用场合为：粮食。食品仓储系统，现代农 业的蔬菜、药材。花卉种植环境检测，控制系统）；（5）基于OPC技术的控制与操作软件的开发；（6）现场总线控制系统的网络化技术。2．新一代的工业控制计算机PCI局部总线始于Inter公司，其英文全名为Periphera Component 1nterconnet。它是具有地址、数据多路复用的高性能32位和64位总线。解决了处理器和显示设备瓶颈问题，满足 了面向图形的操作系统和应用要求，它不仅满足了高、中。低档台式机的应用需要，而且 还适应于从移动计算机到服务器整个领域的需要。Compact PCI（compact peripheral component interconnet）意思是“坚实的PCI”。它是PCI总 线的电气和软件加上欧式卡，它具有在不关闭系统的情况下取出和替换部件的能力。“即插 即用”功能的实现对高可用系统和容错系统非常重要。Compact PCI能利用已有的其他总线 产品，如： STD、VME、1SA等来扩充其功能，做到共存，有很好的容纳性。本年度重点 支持：（1）开发、研制Compact PC1： 从STD总线、工业PC、即最新推出的Compact PCI技术，不难看出，我国工业控制计算 机的开发创新应吸取和继承商用计算机软、硬件的研制经验，走与商业机兼容的道路。（2）吸取Compact PCI技术上的特色和优势，开发适合市场需求的机箱和母板；（例如： 3U、6U机箱，“ALL·in One”CPU板）（3）采用Compact PCI规范，结合智能1／O模板，通过系统集成，分别组合为适应各领域 的控制系统；（4）为了适应Windows图形软件技术的应用，配套开发与硬件相应的驱动程序；（5）开发或引用功能好、成本低的控制软件，以充分发挥Compact PCI结构紧凑、抗振 动、散热好、适于嵌入应用的多项优势。3．实时智能控制软件 迄今为止，世界上最高级、最有效的控制系统是人类自身，因此研究人类自身表现出 来的控制机制，并以软件的运行来模仿实现是解决工业过程难控问题的重要途径。 当前，在工业生产过程控制系统引入智能控制软件主要是针对非线性、大滞后、多变 量。不确定性乃至粗糙而无法建模的生产过程。因为这些过程控制困难，用传统经典控制 方法很难凑效。由于复杂生产过程不能得到良好控制，使得企业生产能耗下不来、质量上 不去，以至生产不够稳定。因此，在我国大力发展智能控制是一条有效可行的路子。 根据我国工业生产过程控制现状，本年度重点支持：（1）实时智能控制软件包，包括：模糊控制器、仿真智能控制软件包，提供相应的嵌 入DCS及其他控制装置的控制组态软件的接口；（2）各种炼油、化工、冶金、建材等生产装置、关键设备在线操作优化软件包；（3）多变量预测控制、多变量智能协调控制等先进控制软件包；（4）关键设备故障诊断软件包。4．实时智能控制软件平刍工具 为了帮助和支持实时智能软件的开发，有条件的科技型中小企业希望能开发有自主知 识产权的工程化实时智能控制软件平台工具，本年度重点支持：（1）模糊控制开发平台； 运用CAD方法，支持工程师开发模糊控制，从隶属函数建立，规划库生成，多种推理 方法以及清晰化方法选择等。只需图形组态，直接生成控制算法，并嵌入其他常规控制之中。（2）专家系统开发平台； 支持整个专家系统开发生成周期，支持各种推理方法和推理机制，图形组态开发，与 常规控制能很好地集成。（3）神经网络开发平台。支持从样本数据采集／录入，多种网络模型的选择，图形监控训练过程，自动生成神经 网络控制算法，并可与常规控制加以集成。必须指出：当前智能控制的工程化应用必须与 常规控制方法（回路调节、逻辑连锁、画面监控等）集成运用才是最有效的办法。5．高精度、模块化的智能1／0技术现有的各类工业生产过程控制系统中主体监控部分（为工控机）一般放在远离现场的控 制室里，现场的测量仪表（温度。压力。流量、速度等位置器或变送器）输出的信号（为4．20mA） 通过多根并行电缆传送到控制室，与对应的工控机相连。工控机通过模板或模块将模拟信 号转变为数字信号（AO变换）处理；反之又可将数字信号转变为模拟信号（D/A变换）。 如果现场仪表输出的电信号能就地数字信号传输，或在上层的数字信号能传输到现场 后再变换为模拟信号输入仪表装置，这样，现场大量的仪表、装置和控制室工控机之间通 过几根双绞线互连在一起即可完成传统控制系统的功能，从而降低了成本、方便维护、提 高了系统的可靠性、减少控制室面积。这就是针对现有的各类传统控制系统实施的智能1／0 技术和现场测控网络技术。本年度重点支持：（1）开发由智能单元（单片机、DSP）、1／O电路、网络接日及相应软件组成的智能1／O模 板。 单片机、DSP应选择适用和先进的1／O电路，应包括：A/D、D/A、v/F、及DI/DD常用 型；隔离型和非隔离型。（2）开发由智能1／O模块、现场测检网络、管理计算机及相应软件组成的测控系统； 智能（0模板可以是单一的输入或输出功能，也可以是自闭路的回路控制功能。 测控网络可以是单一种类，也可以是多种网络混合构成。（3）研究和推广智能1／O模块扩展到非工业生产过程的应用，如：城市电表、煤气表、 热水表和冷水表的自动收费系统；电气化铁道变电站馈线微机保护系统等方面。

摘要： 高炉煤气的利用方式很多，目前我国最主要的利用方式是高炉煤气发电项目（包括燃烧高炉煤气和高炉煤气、煤粉混烧）。分析燃煤锅炉掺烧高炉煤气和全烧高炉煤气后的工况变化，并提出改造措施，对钢铁行业的燃煤锅炉改造具有借鉴意见。 更多高炉煤气论文请进：教育大论文下载中心关键词：高炉煤气；燃煤锅炉；掺烧 在钢铁企业的生产过程中，消耗大量的煤炭、燃油和电力能源的同时，还产生诸如高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气等二次能源，所产生的这类能源，除了满足钢铁生产自身的消耗外，剩余部分用于其他行业或民用。高炉煤气是炼铁的副产品，是高炉中焦炭部分燃烧和铁矿石部分还原作用产生的一种煤气，无色无味、可燃，其主要可燃成分为CO，还有少量的H2，不可燃成分是惰性气体、CO2及N2。CO的体积分数一般在21%-26%，发热量不高，一般低位发热值为2760-3720kJ/m3。高炉煤气着火温度为600℃左右，其理论燃烧温度约为1150℃，比煤的理论燃烧温度低很多。燃烧温度低，使得高炉煤气难以完全燃烧，且燃烧的稳定性差。由于高炉煤气内含有大量氮气和二氧化碳，燃烧温度低、速度慢，燃用困难，使得许多钢铁企业高炉煤气的放散率偏高。利用高炉煤气发电，由于燃料成本低，系统简单，减少了燃料运输成本及基建费用，可以缓解企业用电紧张局面，减少CO对环境的污染，取得节能、增电、改善环境的双重效果，既能为企业创造可观的经济效益，又能创造综合社会效益。根据现在钢铁行业中高炉煤气的主要利用方式，本文对燃煤锅炉掺烧高炉煤气和燃煤锅炉改造为全燃高炉煤气锅炉做了理论分析和相应的改造措施。1 掺烧高炉煤气对锅炉性能的影响 对炉膛内燃烧特性的影响燃煤锅炉中掺烧高炉煤气时，由于高炉煤气的低位发热量很低（2760-3720kJ/m3），而一般的烟煤的低位发热量约为18000kJ/kg，因此，炉膛中的理论燃烧温度必定下降，导致煤粉燃烧的稳定性变差，煤粉颗粒的不完全燃烧量增多，从而增加飞灰含碳量，机械不完全燃烧损失增加，锅炉效率降低。另一方面，掺烧高炉煤气后，送入炉膛内的吸热性介质增多，烟气的热容量增大，火焰中心的温度水平下降，火焰中心位置上移，导致煤粉在炉膛内的停留时间缩短，也造成煤粉的不完全燃烧，飞灰含碳量增加。第三，掺烧高炉煤气后，炉膛内烟气量增加（表1），炉膛内的烟气流速增加，从而缩短了煤粉颗粒在炉膛内的停留时间，也造成了煤粉的不完全燃烧。第四，掺烧高炉煤气后，高炉煤气中存在的氮气等大量的惰性气体阻碍可燃成分与空气的充分混合，减少发生燃烧反应的分子间发生碰撞的几率，导致燃烧不稳定，煤粉颗粒燃烧不完全，增加了飞灰含碳量。可见，掺烧高炉煤气后，飞灰的含碳量增加，锅炉效率降低。试验证明[1]，从飞灰含碳量的角度来看，如果不提高炉膛的温度水平，高炉煤气的最佳掺烧率应该在25%以内。表1燃料产生1MJ燃烧热的烟气量众所周知，固体的辐射能力远远大于气体，燃高炉煤气产生的烟气中所含有的具有辐射能力的三原子气体所占的份额远远低于燃煤，在燃气中占很大一部分的N2等双原子气体不具备辐射能力，而且，高炉煤气燃烧产生烟气中三原子气体主要是CO2和少量的H2O，CO2的辐射能力要低于H2O，因此，掺烧高炉煤气后，炉膛内火焰辐射能力减弱，更多的热量流往后面的过热器和尾部烟道。掺烧锅炉煤气后，炉膛内的热交换能力下降，对于以炉膛水冷壁为主要蒸发受热面的锅炉，如果锅炉结构不做调整，则锅炉的蒸发量下降。 对炉膛后烟道的传热特性影响以对流换热为主的过热器系统，吸收烟气热量主要取决于传热温压和传热系数。对于燃煤和掺烧高炉煤气的锅炉来说，两者的炉膛出口烟温相差不大[2]，因而其传热温压也相差不大。但是掺烧高炉煤气锅炉的烟气体积流量要比燃煤锅炉大，对流受热面的烟气流速增加，因此提高了传热系数，使得过热器吸热量增加，导致过热器出口温度过热。同样，烟气量增加，如果炉膛后的受热面不改变，则布置在炉膛后烟道中的过热器，省煤器，空气预热器吸热量增多，但是不足以使得排烟温度降低到以前的温度水平，因而排烟温度升高，排烟热损失增加。2 全烧高炉煤气对锅炉性能的影响 对炉膛内燃烧特性的影响高炉煤气中大量的惰性气体N2、CO2等在燃烧时不参与燃烧反应，相反，还吸收大量可燃气体燃烧过程中释放的热量，使得高炉煤气的燃烧温度偏低。虽然高炉煤气是气体燃料，理论燃烧温度（-1150℃）要远低于煤粉颗粒（1800℃-2000℃），但是高炉煤气中含有的大量惰性气体会阻碍火焰传播，使火焰的传播速度变慢（例如层流火焰传播速度仅为），因此，要保证燃烧的稳定性，必须提高燃烧温度。高炉煤气中几乎不含灰分，燃烧时，火焰基本上不产生辐射能量，只有燃烧产生的烟气中的三原子气体具有辐射能力，高炉煤气中大量的氮气不具备辐射能力，所以燃高炉煤气的锅炉，炉膛中的烟气辐射传热能力要低于燃煤锅炉。因此，炉膛内水冷壁的吸热量降低，导致锅炉蒸发量减少。 对炉膛后烟道的传热特性的影响由于高炉煤气中几乎不含有灰尘，所以，燃烧高炉煤气产生的烟气中的飞灰可以忽略不计，因此，对流受热面的污染系数ξ很低，只有，而对于燃煤锅炉，当烟气流速为10m/s时，污染系数ξ为[3]，可见，燃烧高炉煤气后，对流受热面的热有效系数增大，使得对流受热面的吸热量增多。高炉煤气中含有大量的惰性气体，产生相同燃烧能量的高炉煤气生成的烟气量要大于纯燃煤时产生的烟气量，因此流经对流受热面的烟气量增大，烟气流速增加，导致对流传热的传热系数变大，对流吸热量增大，因此，吸收对流受热面热量的过热蒸汽温度升高。同样，烟气量增加，如果炉膛后的受热面不改变，则布置在炉膛后烟道中的过热器，省煤器，空气预热器吸热量增多，但是还不足以使得排烟温度降低到以前的温度水平，排烟温度升高，排烟热损失增加。3 掺烧高炉煤气后的改造措施由以上的分析，为了解决掺烧高炉煤气后出现的一系列问题：炉膛温度下降；过热蒸汽温度升高；飞灰含碳量增加；排烟温度变大等，提出下面的解决方案。 改造燃烧器高炉煤气燃烧器一般布置在煤粉燃烧器的下部，当高炉煤气燃烧器具有充当锅炉启动燃烧器的功能时，这种布置可以获得燃烧和气温调节两方面的好处。如果以高炉煤气借助煤的燃烧来稳燃的话，则只对气温调节有利。由于混烧高炉煤气后，炉膛中火焰的中心位置上移，造成煤粉燃烧不完全，排烟温度升高等问题，因此，可以采取让燃烧器位置尽量下移，燃烧器喷嘴向下倾斜等方法，降低火焰中心位置，增加燃料在炉膛内的停留时间。选用能强化煤粉燃烧的燃烧器，如稳燃腔煤粉燃烧器[4]，加强煤粉颗粒的燃烧，减少飞灰含碳量，提高锅炉效率。 改造过热器掺烧高炉煤气后，炉膛内辐射吸热量减少，对流吸热量增加，因此在实际允许的情况下，增加较多的屏式过热器，相应的减少对流过热器受热面，这样，可以照顾到全烧煤和掺烧高炉煤气工况下过热器的调温性能，避免过大的增加减温水量。 改造省煤器掺烧高炉煤气后，炉膛内的辐射吸热量减少，直接影响了锅炉蒸发量下降，导致锅炉出力降低，另外，掺烧高炉煤气后，烟气量变大，排烟温度升高，因此，在炉后烟道内增加省煤器换热面积，采用沸腾式省煤器，要保证其沸腾度不超过20%，否则因省煤器内工质容积和流速增大，使省煤器的流动阻力大幅增大，影响锅炉经济性。增加省煤器换热面积，提高了省煤器的吸热量，降低了过高的排烟温度，减小了排烟损失，提高了锅炉效率。4 全烧高炉煤气后的改造措施 炉膛改造燃煤锅炉的炉膛内辐射传热能量很大，炉膛内配置了相应的大量的水冷壁吸收辐射热，改燃高炉煤气后，炉膛内辐射能量减少，过多的水冷壁吸收大量的辐射热能会使得炉内的温度进一步下降，加剧了高炉煤气燃烧的不稳定，因此，敷设卫燃带，降低燃烧区下部炉膛的吸热量，进一步提高燃烧区炉膛温度，改善高炉煤气燃烧的稳定性。增加了卫燃带后，减少了水冷壁的面积，锅炉蒸发量减少，为了保证锅炉的蒸发量，就必然要提高高炉煤气量，提高炉膛的热负荷，但是，高的炉膛热负荷也提高了烟气量和炉膛出口温度，导致过热蒸汽超温和排烟温度升高，锅炉效率下降，因此不可能通过无限制的提高炉膛热负荷来提高锅炉的蒸发量。锅炉改烧高炉煤气后，炉膛内的热交换能力显著下降，对于以炉膛水冷壁作为其全部蒸发受热面的锅炉，如果锅炉的结构不允许做较大的改动，蒸发量必定下降。 燃烧器改造对于高炉煤气来讲，动力燃烧即无焰燃烧其火焰长度短、燃烧速度快、强度大、温度高，是一种比较合适的燃烧方式，但因其体积大、以回火、噪音高、负荷调节不灵活，且流道复杂，成本高，实际中采用很少。而采用扩散燃烧不但火焰太长，而且混合不好，燃烧不完全，不适合高炉煤气。实际中大多数采用预混部分空气的燃烧方式，这种形式的燃烧器结构简单、不易回火、负荷调节灵敏，在煤气的热值和空气的预热温度波动的情况下能保持稳定的工作，调节范围宽广，在锅炉最低负荷至最高负荷时，燃烧器都能稳定工作。燃烧器的布置主要考虑以下几点：火焰应处于炉膛几何中心区域，使火焰尽可能充满炉膛，使炉膛内热量得以均匀分配，受热面的负荷均匀，不会形成局部受热引起内应力增大，防止受热不均匀。对于布置高度，在不影响火焰扩散角的情况下，燃烧器低位布置，有利于增加煤气燃烧时间，保持炉温均匀。 过热器的改造改燃高炉煤气后，烟气量增大引起过热蒸汽超温，可以通过适当减少过热器的面积来控制过热蒸汽的温度在规定范围之内。也可以通过增加减温器的调温能力，来控制过热蒸汽的温度。 增加煤气预热装置加装煤气预热器一方面可以进一步降低排烟温度，提高锅炉效率，另外一方面，可以增加入炉能量，提高燃烧温度，增强火焰的辐射能力，改善高炉煤气的着火和燃尽条件。研究证明[5]，高炉煤气温度每提高10℃，理论燃烧温度可以高4℃。但是由于高炉煤气的易燃性和有毒性，要求与烟气之间的换热过程严密而不泄露，理论上只能采用分离式热管换热器。 省煤器的改造改烧高炉煤气后，排烟温度升高，锅炉蒸发量下降，因此，增加省煤器面积，采用沸腾式省煤器可以提高省煤器的吸热量，降低过高的排烟温度，减小排烟损失，提高锅炉效率。另一方面，高炉煤气锅炉炉内火焰黑度和炉内温度低，故不宜单纯以增加敷设受热面的面积来提高锅炉蒸发量，而采用沸腾式省煤器来弥补锅炉蒸发量的减少，这是提高锅炉出力的有效措施。 尾部烟道的改造由于高炉煤气发热量低，惰性气体含量高，因此燃用高炉煤气时，锅炉的烟气量及阻力都讲增加，为此，一般须考虑扩大尾部烟道流通面积降低流动阻力及增加引风机的引风能力。 燃气安全防爆措施从安全方面考虑，有必要建立燃气锅炉燃烧系统，包括自动点火、熄火保护、燃烧自动调节、必要的连锁保护方面的自动化控制。同时为了减轻炉膛和烟道在发生爆炸时的破坏程度，燃气锅炉的炉膛和烟道上应设置防爆装置。此外燃气系统应装设放散管，在锅炉房燃气引入口总切断阀入口侧、母管末端、管道和设备的最高点、燃烧器前等处应布置放散点。采取了以上安全措施后，可以确保锅炉处在安全运行之中。参考文献：[1]湛志钢，煤粉、高炉煤气混烧对煤粉燃尽性影响的研究[D].[硕士学位论文].武汉：华中科技大学，2004.[2]姜湘山，燃油燃气锅炉及锅炉房设计[M].北京：机械工业出版社，2003.[3]范从振，锅炉原理[M].北京：中国电力出版社，1986.[4]陈刚、张志国等，稳燃腔煤粉燃烧器试验研究及应用[J].动力工程，1994（12）.[5]刘景生、王子兵，全燃高炉煤气锅炉的优化设计[J].河北理工学院学报.