锅炉控制方案设计

锅炉过程控制方案设计

班级:自1201 学号: 21

学生姓名:向朋

指导教师:薄翠梅

2015年7月9日

电气工程与控制科学学院

第一章自然循环锅炉分析

1被控对象工艺流程

1. 1 工艺流程

赛题的被控对象是流程工业领域常见的自然循环锅炉。锅炉是用于生产蒸汽的装置，生产的蒸汽用于发电和提供热能。

软化水经给水泵P1101泵出，分成两路，一路给水去减温器E1101，与过热蒸汽换热，然后与另一路给水混合进入省煤器E1102。去减温器E1101的锅炉给水用于调整过热蒸汽的温度，同时也对锅炉给水进行预热。正常工况时，大部分锅炉给水直接流向省煤器，小部分锅炉给水流向减温器。省煤器E1102由多段盘管组成，燃料燃烧产生的高温烟气自上而下通过管间，与管内的锅炉给水换热，回收烟气中的余热，并使锅炉给水进一步预热。

被烟气加热成饱和水的锅炉给水全部进入汽包V1102，再经过对流管束和下降管进入锅炉水冷壁，吸收炉膛辐射热在水冷壁里变成汽水混合物，然后返回汽包V1102进行汽水分离。锅炉汽包为卧式圆筒形承压容器，内部装有给水分布槽、汽水分离器等。汽水分离是汽包的重要作用之一，汽包V1102顶部设放空阀XV1104，分离出的饱和蒸汽再次进入炉膛F1101进行汽相升温，成为过热蒸汽。出炉膛的过热蒸汽进入减温器E1101壳程，进行温度微调并为锅炉给水预热，最后以工艺所要求的过热蒸汽压力、过热蒸汽温度输送给下游生产过程。过热蒸汽出口管线上设开关阀XV1105。

燃料经由燃料泵P1102泵入炉膛F1101的燃烧器，空气经变频鼓风机K1101送入燃烧器。燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使锅炉水汽化。燃烧产生的烟气带有大量余热，对省煤器E1102中的锅炉给水进行预热。烟气经由烟道，靠烟囱的抽力抽出，通入大气。

仪表及操作设备说明

系统中用到的检测仪表及执行机构具体说明见下表。

锅炉系统控制要求

（1）燃烧控制，需要控制燃料和空气的配比，以达到充分燃烧；

（2）给水控制，需要与蒸汽产量匹配，以控制锅炉汽包内水的储量；

（3）过热蒸汽出口压力控制，要求能够根据负荷的变化控制蒸汽压力；

（4）过热蒸汽出口温度控制，需要根据工艺要求精确控制蒸汽温度。

第二章锅炉控制方案设计

汽包水位控制方案

汽包液位是蒸汽锅炉运行中一个非常重要的控制参数，它可以间接反映锅炉负荷与给水平衡的关系。维持汽包水位正常时保证锅炉和下级设备安全运行的必要条件，如果汽包液位过高，使蒸汽带液，影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽水分含量过多，导致过热器管壁结垢而被烧坏，也使过热蒸汽温度急剧变化，直接影响下级设备的稳定运行；汽包液位过低会影响汽水循环，严重时甚至可使加热水管局部受热而导致严重的事故。而且汽包的给水量也不应该剧烈波动，以免影响省煤器和进水管道的安全。

汽包水位影响因素

(1) 给水流量

如果汽包的给水量突然出现扰动而增加，一方面由于给水温度低于汽包内的饱和水温度，刚刚进入汽包的给水会吸收原有饱和水的一部分热量，从而减少蒸汽量，水面下的气泡总体积也相应减小，汽包水位下降。但是，从单容系统的角度考虑，不考虑气泡的影响，则给水量增加势必使汽包水位上升。两种情况叠加即得到给水量增加时，汽包水位经过一段迟延后趋于单容系统规律而上升，迟延的时间随着给水的过冷度越大而越大。

(2) 锅炉负荷

如果过热蒸汽流量（即锅炉负荷）突然出现扰动而增大，一方面汽包内的物质平衡状态被打破使水位下降；另一方面，由于锅炉出口的过热蒸汽量增加，迫使锅炉内的气泡增加，而燃料量不可能瞬间随之增加，这使汽包内的压力减小，水面下的气泡膨胀，总体积增大，导致水面上升，出现“虚假水位”。两种情况共同影响汽包水位，使汽包中出现“虚假水位”现象，导致锅炉负荷增大时汽包水位先上升一段时间后才开始下降。虚假水位会导致给水调节机构的误操作，使汽包水位波动剧烈，严重影响设备的安全和寿命。这说明蒸汽流量扰动是影响汽包水位至关重要的因素之一。

(3) 燃料流量

如果燃料量出现扰动增加，则饱和水吸收的热量增大，使锅炉负荷的蒸汽量增加，同样会导致出现“虚假水位”。但水循环系统中的水量比较大，且汽包和水冷壁有一定的储热能力，使系统有一定的热惯性，蒸汽量增加缓慢。且蒸汽量缓慢增加的同时汽包内的压力也会随之缓慢增大，使水面下的气泡体积变小，汽包水面下降。两种情况综合考虑，则燃料量的增加出现的汽包“虚假水位”较蒸汽流量扰动下要缓和得多。因此汽包水位控制过程中可认为燃料量是间接扰动。

被控变量与操纵变量的选择

被控变量：汽包水位

操纵变量：给水流量

给水流量可以直接影响汽包水位，调整控制方便。

调节阀的选择

V1101、V1102是汽包上水流量调节阀，一旦系统出现故障，气源信号减弱，这时为了防止锅炉发生干烧危险，应保证汽包内有一定的水储量，故调节阀应处

于打开状态，所以选择气闭式调节阀。

根据调节阀流量特性，选择等百分比调节阀。

控制方案设计

如单从物质平衡角度考虑，则只要保证汽包中的给水量与蒸发量恒等，汽包中达到一个动态平衡，就可以使汽包水位不变，因此可以采用比值控制方法调节给水量跟踪蒸汽量。

但对于闭环系统来说也要同时考虑汽包水位，这样可以避免蒸汽量和给水量测量不准确或由于管道泄漏等情况造成的给水量和蒸汽量间比值不确定带来的偏差。从而采用三冲量控制方法控制汽包水位，即控制系统中同时引入汽包水位、给水量及过热蒸汽量三个测量信号。

汽包水位的反馈量可以在锅炉稳定工况时消除静差，但会在锅炉负荷变化时造成“虚假水位”。而比值控制方法的引入，由于其不依赖于汽包水位，所以在一定程度上可以缓解“虚假水位”造成的误操作。

考虑到单级三冲量控制系统对信号的静态配合要求严格，到当负荷波动较大或给水压力不稳时易使系统存在静态误差，且整定较为困难。因此采用串级三冲量汽包水位控制系统，系统方框图见图。内环副调节器主要用于迅速抵消给水量的扰动，外环主控制器的任务是消除锅炉负荷扰动的同时将汽包水位无静差地维持在期望高度。

汽包水位三冲量串级控制系统

控制器正反作用的确定

汽包水位三冲量串级控制回路中，根据主、副控制器的正反作用的确定顺序为先副后主原则，首先确定其副回路给水流量控制器正反作用：

副回路：汽包液位控制回路中，除氧器进水流量调节阀为气闭式，为负作用，所以符号为负；当阀门开大时，汽包上水流量增大，所以被控对象为正作用，符

号为正；测量变送器的符号为正；偏差符号为负；为使控制系统稳定，必须保证系统构成负反馈，所以汽包给水流量控制器为负作用。

主回路：将副回路看作正环节；测量变送器的符号为正；上水流量增大时，除氧器的液位升高，所以被控对象为正作用，符号为正；为使控制系统稳定，必须保证系统构成负反馈，所以主控制器为负作用。

汽包水位控制系统P&ID图

汽包水位控制系统P&ID图

锅炉燃烧系统控制方案

锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性且耦合严重的对象，调节参数与被调节参数之间存在许多交叉影响。当其中任一个参量改变时，其他参量都会受影响。因此，本方案将锅炉燃烧系统分成相对独立的四个调节对象，相应地设计相对独立的调节系统，考虑到锅炉正常运行时的各项指标，分别设计了过热蒸汽压力控制系统、过热蒸汽温度控制系统、烟气含氧量控制系统、炉膛负压控制系统。

过热蒸汽压力控制

过热蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要工艺参数。蒸汽压力过低或过高，对于金属导管和负荷设备都是不利的。压力过高，会加速金属的蠕变，导致锅炉受损；压力过低，不可能提供给负荷设备符合质量的蒸汽。因此，控制蒸汽压力，是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。

过热蒸汽压力影响因素

过热蒸汽压力的变化是由于锅炉的热平衡失调所引起的。影响热平衡的主要因素是燃烧热和蒸汽热。

(1) 燃料量

影响燃烧热最主要的因素就是进入炉膛的燃料量，燃料量越多，其产生的燃烧热也就越多。

锅炉正常运行时，如果进入炉膛的燃料量发生变化，则炉膛内的发热量会立即改变，由于软化水吸收的热量越多，蒸发量也就越大，汽包内的蒸汽量也会增多，所以蒸发部分可以看作是一个热容积，而反映储热量多少的主要参数是汽包压力。当炉膛发热量Q和蒸汽流量D所带走的热量不相等时，蒸汽压力就要发生变化，且压力的变化快慢随热量不均等的程度越大而越快。

(2) 空气量

同时，对于等量的燃料，燃料的燃烧效率同样影响着燃烧热的产生，当达到最佳空燃比时，燃料的燃烧率最大。

即使燃料量没有变化，如果鼓入炉膛的空气量变化，将使燃料的燃烧率变化，当空气量适宜，燃料得到充分燃烧，则蒸汽得到的辐射热和气相升温阶段的传热都将变化，导致过热蒸汽的温度发生变化。且蒸汽和饱和水得到的绝大部分热量都来自炉膛。除此之外，省煤器中的烟气也是由炉膛燃料燃烧产生的，影响饱和蒸汽和软化水温度的同时间接影响过热蒸汽的温度。因此炉膛中的燃烧工况对过热蒸汽的温度起着直接的影响，且反应速度较快。

(3) 过热蒸汽流量

如果过热蒸汽流量增大，则汽包内的蒸汽量减小，使汽包内的压力变小，从而过热蒸汽出口压力也会随之减小。

(4) 过热蒸汽温度

过热蒸汽温度是衡量蒸汽热的直观标准。当蒸汽流量一定时，过热蒸汽压力和温度存在同向的变化趋势：蒸汽温度越高，说明蒸汽携带的能量越多，则过热蒸汽的压力也就随之增大。过热蒸汽的温度和压力都是锅炉蒸汽质量的重要指标，都需要维持在一定范围内。

被控变量与控制量的选择

被控变量：过热蒸汽压力

操纵变量：燃料流量、（空气流量）

为了克服内外扰对蒸汽压力的影响，在基本的单炉蒸汽压力控制系统中，输入到锅炉的燃烧热必须跟随蒸汽热的变化而变化，以尽量保持热量平衡。同时，根据设定值与蒸汽压力之间的偏差来适当调节燃料量以满足蒸汽压力范围。在本锅炉系统中，由于过热蒸汽温度可以用减温器进行微调，且考虑到过热蒸汽温度与压力之间的关系，采用燃烧热跟随蒸汽压力的变化，用燃料流量来控制锅炉的燃烧热。

同时，燃油的燃烧效率同样影响燃烧热的产生，所以必须考虑鼓入的空气量，以达到最佳空燃比。但燃油的燃烧效率同时也影响着烟气的含氧量，且燃油流量是蒸汽压力的主要控制量，而烟气含氧量直接反映了空气流量是否适宜，因此采用燃油流量作为蒸汽压力的操纵量，而空气流量在烟气含氧量控制系统中具体设计。

燃料量可以直接改变炉膛中的热量，且延时和惯性很小，从而改变蒸发量，影响过热蒸汽压力，反映速度较快。

调节阀的选择

V1104是燃油流量调节阀，一旦系统出现故障，气源信号减弱，这时为了防止再有燃油进入炉膛继续燃烧，应切断燃油进量，故调节阀应处于关闭状态，所以选择气开式调节阀。

根据调节阀流量特性，选择等百分比调节阀。

通过控制量的选择部分的分析可知，当燃料流量变化时，燃烧热随即变化，即炉膛温度也立即变化，几乎没有惯性和延迟。因此燃料流量变化时炉膛温度变化比蒸汽压力超前得多，且惯性时间常数也比较小。因此，方案中蒸汽压力的控制系统采用串级控制方法。

副回路中应该包含系统的主要干扰，且包含的干扰应尽量多，这样副回路可以快速反应，消除主要干扰；又考虑到炉膛的温度测量不能保证准确，只能作为参考值，所以不能选炉膛温度作为副回路。综上，过热蒸汽压力控制系统采用燃料流量作为副回路。这是因为燃料量是决定燃烧热的主要因素，如果燃料量保持稳定，则燃烧热，即炉膛温度也就随之稳定。

以蒸汽压力为主控参数，用来消除过热蒸汽流量波动引起的干扰，消除蒸汽压力静差，从而与副回路组成热负荷控制系统。过热蒸汽压力控制系统结构如图所示。

过热蒸汽压力控制系统结构图

控制器正反作用的确定

过热蒸汽压力串级控制回路中，根据主、副控制器的正反作用的确定顺序为先副后主原则，首先确定其副回路燃油流量控制器正反作用：

副回路：燃油流量调节阀为气开式，为正作用，所以符号为正；当阀门开大时，燃油流量增大，所以被控对象为正作用，符号为正；测量变送器的符号为正；偏差符号为负；为使控制系统稳定，必须保证系统构成负反馈，所以汽包给水流量控制器为正作用。

主回路：将副回路看作正环节；测量变送器的符号为正；燃油流量增大时，过热蒸汽压力升高，所以被控对象为正作用，符号为正；为使控制系统稳定，必须保证系统构成负反馈，所以主控制器为负作用。

(1) 副调节器

内环需要起到快速消除内扰的作用，且不要求无差，所以此阶段燃料/空气流量控制回路的副调节器选择P控制算法。

(2) 主调节器

过热蒸汽的压力是典型的分布参数对象，对于定参数运行的锅炉而言，锅炉工作的额定压力与安全阀启跳压力相差很小，在锅炉负荷大幅度变化时，过热蒸汽压力控制采用传统的PID方法难以进行有效的控制。

模糊控制算法是基于知识的控制器，具有一定的智能性。将模糊控制规律与PID控制相结合，一方面可以使PID控制器具有模糊控制的智能性，又可以利用PID的强鲁棒性应对工况的变动；另一方面还可以使模糊控制具有确定的控制结构，且控制结构易于实现，而模糊规则的制定是靠操作知识和经验，不要求被控对象的模型已知。

过热蒸汽温度控制

锅炉系统中，过热蒸汽温度是影响安全和经济的重要参数。过热蒸汽温度过高，可能造成过热器、蒸汽管道及汽轮机的高压部分金属损坏；过热蒸汽温度过低则会降低全厂的热效率，且会加剧下级设备的叶片侵蚀。一般要求过热蒸汽温度保持在±5℃范围内。

过热蒸汽温度影响因素

过热蒸汽温度系统是一个大延时、非线性、时变、强耦合的多变量系统。影响过热蒸汽温度的扰动来源有很多，比如过热蒸汽流量、炉膛中的燃烧工况、减温器中软化水的流量和温度、炉膛及省煤器内对流段的热传导系数等。

(1) 减温器软化水流量

对于一定流量的过热蒸汽，如果减温器内软化水的流量增加，则软化水吸收蒸汽的热量也增大，可以使过热蒸汽的温度降低。

(2) 过热蒸汽流量

过热蒸汽流量变化时会引起汽相升温阶段过热蒸汽与炉膛烟气的传热条件发生变化。但由于过热蒸汽流量变化时，炉膛内蒸汽管道长度方向的各点温度几乎同时变化，因此在过热蒸汽流量扰动下过热蒸汽温度有自平衡特性，且惯性、延时都较小。除此之外，过热蒸汽流量发生变化时，炉膛内的温度不能瞬间相应变化，这就导致过热蒸汽的温度发生变化。生产中过热蒸汽的流量可能需要根据工程要求而改变，因此过热蒸汽的流量扰动是汽温主要扰动之一。

(3) 炉膛内燃烧工况

当炉膛内的燃料量或燃料的燃烧效率发生变化时，直接影响炉膛温度，这就使蒸汽的辐射和汽相升温阶段吸收的热量变化，从而影响过热蒸汽温度。且燃料量或燃料的燃烧效率的变化还会引起热传导条件，也会影响过热蒸汽温度。(4) 烟气温度及流速

炉膛及省煤器对流段可以利用炉膛燃料燃烧产生的烟气余热对软化水进行预热和使主蒸汽气相升温。对流段的热传导系数与烟气和软化水、蒸汽的相对速度有关，在热传导系数峰值以下，相对速度越大，热传导系数越大，而鼓风量、引风量和烟道挡板开度都能引起烟气流速和温度的变化。但当烟气传热量变化时，沿蒸汽管道长度方向的各点温度几乎同时变化，因此在过热蒸汽流量扰动下过热蒸汽温度有自平衡特性，且惯性、延时都较小。

(5) 软化水温度

如果软化水温度变高，则通过对流段、辐射吸热段和气相升温段吸收相同热量的情况下，相应的蒸汽温度也会升高。

被控变量与操纵变量的选择

被控变量：过热蒸汽温度

操纵变量：减温器软化水流量

对于蒸汽温度和压力的耦合，本方案中采取用减温器对过热蒸汽温度进行微调；用燃料量控制汽压（此时蒸汽温度也随之改变）。

减温器只能对过热蒸汽的温度起到微调的原因是：如果只用减温器对过热蒸汽温度进行调节，这可能会出现当汽温出现过高大偏差时，减温器为了降低蒸汽温度而大量增加流过减温器的软化水，虽然此时的控制使蒸汽温度下降，但直接导致软化水的总温度升高，考虑到减温器壁和管路有一定的热容积，温度变化存在惯性，所以可能几拍后升温的软化水又会使饱和蒸汽温度升高，进而过热蒸汽温度升高，则减温器动作也随之增大，出现恶性循环，使过热蒸汽温度控制出现波动。

从解耦控制的角度考虑，蒸汽流量必须满足一定的参数指标，如果用蒸汽流量来调节过热蒸汽温度势必会因为耦合而破坏蒸汽流量的控制效果，导致蒸汽的流量和温度都发生波动，所以不能用蒸汽流量作为蒸汽温度的控制量。而省煤器对流段是对软化水进行预热，只能对蒸汽温度起到间接调节的作用，存在延时，因此不把省煤器对流段的热传导系数的调节作为蒸汽温度控制。

调节阀的选择

V1103是减温器软化水流量调节阀，一旦系统出现故障，气源信号减弱，为保证过热蒸汽温度不致过高而损坏管道，故调节阀应处于打开状态，所以选择气闭式调节阀。

根据调节阀流量特性，选择等百分比调节阀。

控制方案设计

过热蒸汽的温度和压力存在耦合。假设为了增大过热蒸汽流量而将蒸汽出口阀开度调大，则汽包内的压力减小，使过热蒸汽出口压力随之减小。蒸汽压力控制器为了维持蒸汽压会增加燃料流量，增加炉膛内的热量。由于汽包内存在虚假水位的影响，会使上水流量在小段时间内不增加，即进入炉膛升温的软化水和蒸汽量没有变化或减小，在燃料量增加的情况下使过热蒸汽温度升高。但克服虚假水位后，为了维持汽包水位，上水流量增加，进入炉膛吸热的软化水和蒸汽流量增大，则过热蒸汽温度回降，最终维持在一定值。

过热蒸汽温度的扰动量很多，而减温器中的软化水对过热蒸汽温度发生作用的过程需要经过软化水容积、管壁容积才能到达过热蒸汽容积，因此存在较大的容积延时。所以只靠单回路控制系统难以达到理想的控制效果，需要在基本的主反馈回路中加入可以提前反映扰动的信号，并快速消除扰动。

本方案中采用前馈控制系统对过热蒸汽温度进行控制。从系统动态分析可知，过热蒸汽流量扰动对蒸汽温度有较大影响，用前馈回路对蒸汽流量扰动进行补偿，可以快速消除其过热蒸汽温度的扰动。

调节阀动作改变减温器软化水流量到过影响热蒸汽温度，需要经过管路、减温器壁两个热容积才能到达过热蒸汽热容积，导致减温器对过热蒸汽温度的调节存在一定的延时。为使过热蒸汽温度及时消除导前蒸汽的温度扰动，快速达到设定值，此阶段控制系统中加入Smith预估补偿方法，预先估计出过热蒸汽在基本扰动下的温度，然后由预估器进行补偿，使被迟延的被调量超前反映到调节器上，使调节器提前动作，从而减小超调量，加速调节过程。过热蒸汽温度控制系统结构如图

减温器控制过热蒸汽温度结构图

控制器正反作用的确定

过热蒸汽温度控制回路中，调节阀为气开式，为正作用，所以符号为正；当阀门开大时，减温器软化水流量增大，所以被控对象为正作用，符号为正；测量变送器的符号为正；偏差符号为负；为使控制系统稳定，必须保证系统构成负反馈，所以过热蒸汽温度控制器为正作用。

控制规律设计

通过以上分析，设计减温器软化水流量控制器时需要考虑到过热蒸汽温度偏差范围，根据汽温偏差范围来决定减温器动作的快慢和大小。此外还需考虑防止减温器软化水流量过少而导致减温器干烧而发生管裂。

因此，在减温器起消除静差作用阶段，因为过热蒸汽温度噪声较大，所以在考虑外环温度控制器设计时没有加入微分作用。且需要消除过热蒸汽温度的静差，所以主调节器应有积分作用。又由于回路中已经有预估补偿功能可以补偿一定的延时，且考虑到系统的调试和维护，最终选择PI控制算法作为此阶控制回路的主调节规律。内环的副调节器采用比例P控制规律，用以快速消除内扰。控制结构图如图所示。

过热蒸汽温度控制系统PID图

过热蒸汽流量控制

过热蒸汽的产量是锅炉运行的一个重要指标，锅炉的蒸汽产量必须满足下级设备的生产需要。

过热蒸汽流量影响因素

对蒸汽流量的设定值是由锅炉负荷的大小所决定的，过热蒸汽流量应满足下级设备正常运行时的需要，如果过热蒸汽产量过低，则可能导致整个系统的工作效率降低；如果蒸汽流量过高，将会造成不必要的浪费，甚至对下级设备造成损害，影响系统安全。因此，对锅炉的过热蒸汽流量应以下级设备的生产需要来调整。在锅炉的开车和停车阶段，过热蒸汽的流量变化不应过快，这时蒸汽流量控制也很重要。

被控变量与操纵变量的选择

被控变量：过热蒸汽流量

操纵变量：过热蒸汽流量

过热蒸汽的流量可以直接进行调节。

调节阀的选择

过热蒸汽流量调节阀，一旦系统出现故障，气源信号减弱，这时为了不让不合格的过热进入下级设备，以保证下级设备的安全，故调节阀应处于关闭状态，所以选择气开式调节阀。

根据调节阀流量特性，选择等百分比调节阀。

控制方案设计

由于过热蒸汽流量的设定值主要由下级设备的生产需要决定，且蒸汽流量可以直接用调节阀控制，所以用单回路控制系统即可满足要求。这样，可以使过热蒸汽流量控制系统实现起来简单，还能有效消除干扰，令蒸汽流量跟踪负荷。

又由于过热蒸汽流量的测量噪声较大，所以加入一个低通滤波器，防止测量测量噪声造成的控制系统出现大超调。过热蒸汽流量控制单回路系统结构如图所示。

过热蒸汽流量控制单回路系统

控制器正反作用的确定

过热蒸汽流量控制回路中，调节阀为气开式，为正作用，所以符号为正；当阀门开大时，过热蒸汽流量增大，所以被控对象为正作用，符号为正；测量变送器的符号为正；偏差符号为负；为使控制系统稳定，必须保证系统构成负反馈，所以过热蒸汽流量控制器为正作用。

控制规律设计

因为流量控制较为简单，所以可以采用常规控制方法。又由于过热蒸汽流量的测量噪声较大，所以不宜采用微分作用，以防控制系统出现大超调。所以选择比例-积分PI控制规律对过热蒸汽流量进行控制。这样既方便实现，降低系统的设计复杂度，又可以有效消除静差。

烟气含氧量控制

烟气含氧量，即炉膛的空气过剩系数直接反映了炉膛送风调节系统工作状况的好坏，因此烟气含氧量的大小同时也反映了锅炉的工作效率。

烟气的含氧量对锅炉的效率影响很大，这主要表现在：正常工况下，锅炉负荷在一定范围内，如果炉膛出口烟气含氧量过大，说明鼓入炉膛的空气过剩，这时烟气带走大量热量，致使炉内温度显著降低，且烟气流速也会升高。另外，排烟损失是随着过剩空气系数，即烟气含氧量的增加而增加的，烟气含氧量太大会使锅炉热效率降低，飞灰对受热面的磨损量与烟气流速密切相关，因此，炉膛内的管壁和抽风机叶片的磨损加重，严重影响设备的使用寿命。

所以，无论从安全生产、经济效益的角度，还是从“低碳”、节能的角度来看，烟气含氧量的调节是锅炉控制中必不可少的环节。

烟气含氧量影响因素

烟气含氧量的影响扰动很多，其中最直接的主要扰动为燃料量和燃料量-空气量配比；过热蒸汽的温度、流量变化也可以间接影响烟气含氧量。

(1) 空燃比

如果进入炉膛的燃料量和空气量维持在最佳空燃比状态下，则可以满足燃料充分燃烧的情况下过剩空气量最低，保证锅炉运行过程中各项损失之和最小，锅炉的工作效率最高。

(2) 过热蒸汽温度及流量

除燃料量和燃料量-空气量配比外，锅炉的过热蒸汽温度和流量的变化也可以间接影响烟气含氧量。当过热蒸汽状态变化时，燃料量和空气量也必须及时调整，则燃烧工况也相应改变。锅炉正常负荷工况运行时，由于炉膛温度较高，燃料燃烧及与空气混合条件较好，故燃料可以稳定燃烧，为了提高锅炉效率，这时可以适当降低过剩空气系数，则排烟损失降低，且炉膛温度升高，烟气速度降低，使煤粉在炉内的停留时间相对延长，减少燃料的不完全燃烧率。当锅炉负荷降低时，由于燃烧减弱，投入的燃料量减少，炉膛温度较低，火焰充满程度差，燃烧易不稳定。此时可以适当增加鼓风量，增大炉膛负压，减少漏风，使炉膛温度相对提高，以稳定燃烧，且能减少燃料不完全燃烧的损失。

被控变量与操纵变量的选择

被控变量：烟气含氧量

操纵变量：空气流量

烟气含氧量反映了炉膛中燃料燃烧的充分程度和过剩空气量，因此它主要是由燃料量-空气量的配比决定的，即当满足最佳空燃比时，燃料可以充分燃烧，且鼓入炉膛的空气量最适宜，从而烟气含氧量最佳。

考虑到烟气含氧量与过热蒸汽温度、压力的耦合，燃料流量的多少直接影响到过热蒸汽的状态，如果改变燃料流量来调节烟气含氧量，势必会造成过热蒸汽参数的波动。而在燃料量充足的情况下，空气量的供给是不成问题的，且空气量扰动下被控对象是状态自平衡过程，惯性和延时都小，容易控制，因此烟气含氧量主要用鼓入炉膛的空气流量来调节。

控制方案设计

在锅炉实际运行中，实时监测排出烟气的含氧量，根据之前的分析，首先可以通过调节鼓风量来控制燃料量与空气量的比值，逼近最佳空燃比，以保证完全燃烧所需要的足够风量，这是对烟气含氧量的粗调；接着在系统稳定的情况下，按烟气含氧量前馈量的大小对鼓风量进行细调，从而使烟气含氧量达到设定的理想值。并通过炉膛内燃烧情况的具体分析，根据不同负荷来调整最佳空燃比的大小。

烟气含氧量的控制中在过热蒸汽温度控制的前提下加入了烟气含氧量的前馈控制，用以补偿过剩或不足的空气部分，前馈部分结构图如图所示，其中省略了燃料流量调节回路。

烟气含氧量前馈补偿部分结构图

控制器正反作用的确定

烟气含氧量控制回路中，鼓风机相当于气开式调节阀，为正作用，所以符号为正；当鼓风机的频率增大，鼓入炉膛的空气量增大，所以被控对象为正作用，符号为正；测量变送器的符号为正；偏差符号为负；为使控制系统稳定，必须保证系统构成负反馈，所以烟气含氧量控制器为正作用。

控制规律设计

内环需要起到快速消除内扰的作用，且不要求无差，所以此阶段燃料/空气

流量控制回路的副调节器选择比例P控制算法。

烟气含氧量前馈调节器：鼓入炉膛的空气中的含氧量是可以测得的，一般情况下，空气中含有的氧气比例占20%左右。假设鼓入炉膛的空气含氧量为，锅炉排出的烟气的含氧量与设定值之间的偏差为，则对应烟气含氧量偏差的空气量为

Q Iη

=?

/

空

上式即为烟气含氧量前馈调节器，这相当于加入了一个干扰观测器。

即为鼓入空气的补偿量，相当于增加或减少的空气量，正好可以弥补不足或过剩的烟气含氧量，才能使烟气含氧量达到理想值。当时，说明烟气含氧量偏小，

I?<

炉膛中空气量不足，应增大风机K1101频率，增加空气量，所以为正；当0时，说明烟气含氧量偏大，炉膛中空气量不足，应减小风机K1101频率，减少空气量，所以为负。

炉膛负压控制

锅炉正常工作时，炉膛必须处于负压状态，其炉膛负压必须保持在一定范围内。锅炉炉膛的负压对锅炉的安全生产和资源的利用率起着决定性的作用。一般负压应控制在-20(Pa)左右。如果炉膛负压太大，会使大量冷空气进入炉膛，增大引风机负荷和排烟带走的热损失；而如果炉膛负压太小，甚至出现正压，则炉膛内的火焰和烟气就有可能从炉墙缝隙或测点空洞外逸，严重影响设备和人员安全。

炉膛负压影响因素

炉膛负压是由鼓风量和引风量之间特定关系形成的，因此如果炉膛负压保持稳定，那么鼓入炉膛中的鼓风量和排烟量就是一个动态平衡关系。所以，鼓入炉膛中的空气量和排烟量的变化都能引起炉膛负压的变化。

(1) 鼓风量

如果锅炉的排烟量一定，当鼓风量增大时，炉膛的负压程度随之变小；当鼓