CN109028004B - 调峰燃气锅炉给水流量与压力双平衡式控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调峰燃气锅炉给水流量与压力双平衡式控制系统，用于控制锅炉汽包与变频给水泵、工频给水泵之间的给水流量与压力的双平衡，变频给水泵与工频给水泵的出口管路汇流后通过给水管与锅炉汽包连接，它包括采集模块、控制模块以及执行模块，采集模块用于采集给水流量信号、给水压力信号、锅炉汽包液位信号以及锅炉汽包压力信号；控制模块根据采集模块反馈的信号生成给水流量和压力的控制信号控制执行模块执行操作；执行模块根据控制模块的控制信号控制给水泵的运行频率和给水调节阀的启闭。本发明能够实现压力、流量跟踪调节，提升了调节精度和响应速度，给水系统对调峰过程中锅炉负荷波动的跟踪调控性能更好，稳定运行工况。

Description

调峰燃气锅炉给水流量与压力双平衡式控制系统

技术领域

本发明涉及锅炉控制系统，具体地指一种调峰燃气锅炉给水流量与压力双平衡式控制系统。

背景技术

在钢铁冶炼的工艺流程中，焦炉、高炉、转炉的生产过程会产生大量的富余煤气，是高品质的二次能源，对生产线的成本控制、节能减排有重大意义。通过钢铁企业配套的热电站，充分利用富余煤气发电、供热，实现钢铁、热电行业的内部融合，能够取得较大的经济效益。然而，二次能源的产量受限于主体产线的生产状况，由于燃料供应状态的原生性波动，钢铁企业配套的热电设备与电力行业燃煤发电设备运行工况截然不同，更类似于调峰机组的运行状态。为了平衡不同种类二次能源供应量的变化，保证利用效率，锅炉设备运行调整非常频繁，负荷波动幅度大造成给水系统不稳定。而给水系统是保证锅炉汽水平衡实现稳定运行的核心。运行状态不稳定造成了锅炉高压给水系统设备故障率高，给运行操作人员造成极大的人身安全隐患，设备维修费用高、运行效率低。

此外，在冶金行业主生产线配套的富余煤气利用热电系统中，区别于燃煤热电站燃料稳定供应的运行方式。受煤气发生量及铁前工序、钢铁冶炼、轧钢用户用量波动的影响，燃料供应不稳定，并且需要平衡不同热值如高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气的充分消化，工况调整频繁。热电站作为二次能源利用的末端用户，需要实现“移峰填谷”、“零放散”的目标，其配套的燃气锅炉类似于调峰电站锅炉，调节范围广、负荷波动大。作为锅炉核心的汽水系统，受负荷波动影响直接反应为给水系统的频繁调整，目前的锅炉给水系统存在如下不足：

(1)锅炉给水系统主要依靠调节阀、回流阀配合调整给水流量，在锅炉低负荷运行状态下，阀门前后压差超过4MPa，压差过大造成设备冲刷损坏，容易造成泄漏形成安全隐患，危及操作人员的人身安全，设备的频繁检修增加了维护成本，生产效率降低；

(2)锅炉低负荷运行状态下，调节阀前后压差过高，造成阀门内部节流件冲刷、变形，影响设备的严密性和操作灵活性，故障率高；

(3)调峰燃气锅炉负荷频繁波动造成系统局部憋压，受交变应力的影响，高压给水系统容易泄漏，形成冲击、烫伤等人身安全隐患；

(4)低负荷运行状态下，锅炉给水压力与主蒸汽压力不匹配，需通过再循环与压力调节阀配合完成调整，操作过程复杂，配合不到位影响设备稳定运行；

(5)锅炉主蒸汽流量、压力波动过程中，给水流量同步调整以稳定汽包液位，节流调节方式线性度不佳，调节区间小，精度不足；

(6)在调峰运行过程中给水泵维持额定转速运行，低负荷条件下运行参数降低后给水泵未跟踪匹配，能源利用效率低。

因此，为了解决上述问题，需要一种调峰燃气锅炉给水流量与压力平衡控制系统，既能消除安全隐患又能有效提升运行效率。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种调峰燃气锅炉给水流量与压力双平衡式控制系统，该系统能够实现压力、流量跟踪调节，提升了调节精度和响应速度，给水系统对调峰过程中锅炉负荷波动的跟踪调控性能更好，稳定运行工况。

为实现上述目的，本发明所设计的调峰燃气锅炉给水流量与压力双平衡式控制系统，用于控制锅炉汽包与变频给水泵、工频给水泵之间的给水流量与压力的双平衡，所述变频给水泵与工频给水泵的出口管路汇流后通过给水管与锅炉汽包连接，其特殊之处在于：它包括采集模块、控制模块以及执行模块，所述采集模块用于采集给水流量信号、给水压力信号、锅炉汽包液位信号以及锅炉汽包压力信号；所述控制模块根据采集模块反馈的信号生成给水流量和压力的控制信号控制执行模块执行操作；所述执行模块根据控制模块的控制信号控制给水泵的运行频率和给水调节阀的启闭。

进一步地，所述采集模块包括设置在给水管上的给水压力传感器和设置在锅炉汽包上的汽包压力传感器；所述控制模块包括变频控制器；所述给水压力传感器和汽包压力传感器的压力信号输出端分别与变频控制器的压力信号输入端连接。

进一步地，所述执行模块包括变频调节器，所述变频调节器的控制信号输入端与变频控制器的控制信号输出端连接，所述变频调节器的变频信号输出端与变频给水泵的变频信号输入端连接。

进一步地，所述采集模块还包括设置在给水管上的给水流量传感器和设置在锅炉汽包上的汽包液位传感器；所述控制模块还包括前馈控制器和三冲量控制器；

所述给水流量传感器的信号输出端与前馈控制器的信号输入端连接，所述汽包液位传感器的信号输出端与三冲量控制器的信号输入端连接，所述前馈控制器的控制信号输出端与三冲量控制器的控制信号输入端连接。

进一步地，所述执行模块还包括设置在给水管上的第一给水调节阀，所述第一给水调节阀的控制信号输入端与三冲量控制器的控制信号输出端连接。

进一步地，所述执行模块还包括第二给水调节阀，所述第二给水调节阀位于给水管设置的旁路管上。

再进一步地，它还包括过热器，所述锅炉汽包的蒸汽出口与过热器的蒸汽进口连接，所述过热器的出口管路上设置有蒸汽流量传感器，所述蒸汽流量传感器的流量信号输出端与前馈控制器的流量信号输入端连接。

更进一步地，所述锅炉汽包的下方设置有下联箱，所述锅炉汽包的出口与下联箱的进口通过下降管连接，所述下联箱的出口通过汽化上升管与锅炉汽包的进口连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

其一，本发明采用变频方式控制运行给水泵，以稳定的调频速度和范围跟踪主蒸汽压力，并以给水泵出口压力为反馈信号稳定调节模式，实现压力、流量跟踪调节，提升了调节精度和响应速度，给水系统对调峰过程中锅炉负荷波动的跟踪调控性能更好，稳定运行工况。

其二，本发明通过跟踪给水量、压力信号，实现给水压力与主蒸汽压力跟踪匹配调节，减小了调节阀前后差压，给水系统压力状态联动平衡，避免了交变应力对设备系统冲击，降低因压差波动造成的冲刷、变形、泄漏等设备故障率，提高操作的安全性和运行稳定性，提升运行效率。

其三，本发明的给水泵变频控制后实现了输入、输出负荷相匹配，避免了工频状态下的剩余负荷造成的能源过度消耗和因此带来的设备故障受损，提升给水泵运行能效。

其四，本发明的给水系统两运一备的模式实现工频、变频设备的互为备用，兼顾运行的安全性和高能效，增强对富余煤气系统末端调节的适应性，优化调控范围和设备运行状态。

其五，本发明的调峰燃气锅炉给水流量与压力双平衡控制系统可有效的解决目前锅炉给水控制系统运行过程中，由于单一节流调节控制形成较大差压造成的调控范围小、精度低、相应慢，设备故障率高的问题；消除了给水泵过剩负荷造成的能效降低、设备损耗；

其六，本发明的系统可以改善了受交变应力影响，高压给水系统设备受冲击、节流件变形、动作卡涩、本体泄漏等故障频繁发生的现象；改进了给水控制模式，创造性的通过流量、压力双环跟踪的控制模式，提升控制的灵敏度和调节范围，提高了锅炉系统运行的可靠性，提升运行效率。

附图说明

图1为一种调峰燃气锅炉给水流量与压力双平衡式控制系统的连接结构示意图；

图2为图1所示调峰燃气锅炉给水流量与压力双平衡式控制系统的控制系统图；

图中，锅炉汽包1、变频给水泵2、工频给水泵3、给水管4、采集模块5、控制模块6以及执行模块7、给水压力传感器8、汽包压力传感器9、变频控制器10、变频调节器11、给水流量传感器12、汽包液位传感器13、前馈控制器14、三冲量控制器15、第一给水调节阀16.1、第二给水调节阀16.2、旁路管17、过热器18、蒸汽流量传感器19、下联箱20、下降管21、汽化上升管22。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图中所示的一种调峰燃气锅炉给水流量与压力双平衡式控制系统，它包括采集模块5、控制模块6以及执行模块7，采集模块5用于采集给水流量信号、给水压力信号、锅炉汽包液位信号以及锅炉汽包压力信号；控制模块6根据采集模块5反馈的信号生成给水流量和压力的控制信号控制执行模块7执行操作；执行模块7根据控制模块6的控制信号控制给水泵的运行频率和给水调节阀的启闭。本发明用于控制锅炉汽包1与变频给水泵2、工频给水泵3之间的给水流量与压力的双平衡，变频给水泵2与工频给水泵3的出口管路汇流后通过给水管4与锅炉汽包1连接，锅炉汽包1的下方设置有下联箱20，锅炉汽包1的出口与下联箱20的进口通过下降管21连接，下联箱20的出口通过汽化上升管22与锅炉汽包1的进口连接。

上述技术方案中，采集模块5包括设置在给水管4上的给水压力传感器8和设置在锅炉汽包1上的汽包压力传感器9；控制模块6包括变频控制器10；给水压力传感器8和汽包压力传感器9的压力信号输出端分别与变频控制器10的压力信号输入端连接。执行模块7包括变频调节器11，变频调节器11的控制信号输入端与变频控制器10的控制信号输出端连接，变频调节器11的变频信号输出端与变频给水泵2的变频信号输入端连接。变频调节器11用于调节变频给水泵2的工作频率，用于调节给水泵运行频率跟踪锅炉负荷，调节给水压力和流量，以改变转速的方式控制输出压力、流量，实现调节的平衡及跟踪。变频调节器11以汽包压力传感器9为主要控制参数，为避免压力变化过快影响变频给水泵2运行时的轴向推力平衡，需要在控制器内设定最大变频调节速度，并且根据给水压力传感器8的反馈信号，与蒸汽、给水压力的差值相关联，控制变频调节速度，在最大调节速度以内，实现频率变化速度与蒸汽、给水压力的差值正比例线性跟踪调节。

上述技术方案中，采集模块5还包括设置在给水管4上的给水流量传感器12和设置在锅炉汽包1上的汽包液位传感器13；控制模块6还包括前馈控制器14和三冲量控制器15；给水流量传感器12的信号输出端与前馈控制器14的信号输入端连接，汽包液位传感器13的信号输出端与三冲量控制器15的信号输入端连接，前馈控制器14的控制信号输出端与三冲量控制器15的控制信号输入端连接。执行模块7还包括设置在给水管4上的第一给水调节阀16.1，第一给水调节阀16.1的控制信号输入端与三冲量控制器15的控制信号输出端连接。通过调节第一给水调节阀16.1的开度的大小，实现主给水流量的节流调节。执行模块7还包括第二给水调节阀16.2，第二给水调节阀16.2位于给水管4设置的旁路管17上。通过手动调节第二给水调节阀16.2的开度大小，用于分流部分送出给水流量，实现回流的作为，主要是为了低流量条件下维持给水泵的稳定运行需求，避免发生喘振。变频控制器10实现给水泵运行频率调节，对应转速的变化使得输出给水的压力、流量同步调整，调节速度及上、下限值是其实现系统稳定的关键因素，需根据系统特性调整适应。三冲量控制器15、前馈控制器14实现汽包液位的稳定调节，受到变频控制压力跟踪的影响，可根据系统适应状况适当放宽调节限值及动作速度。压力平衡、液位控制的两个控制回路，因输出给水流量的变化而相关联，形成双环控制，整个给水系统调节响应得到优化，锅炉负荷跟踪更加及时，运行稳定性提升。同时，因变频给水泵2的运行频率同时影响输出的给水压力和流量，与三冲量控制器15设定参数相关联，设定调节过程中运行频率的上、下限值，参数设定后，可实现锅炉汽水系统压力跟踪的闭环调节。

上述技术方案中，它还包括过热器18，锅炉汽包1的蒸汽出口与过热器18的蒸汽进口连接，过热器18的出口管路上设置有蒸汽流量传感器19，蒸汽流量传感器19的流量信号输出端与前馈控制器14的流量信号输入端连接，通过蒸汽流量传感器19反馈的流量信号用于锅炉汽包的液位调节。

本发明可有效的解决目前锅炉给水控制系统运行过程中，由于单一节流调节控制形成较大差压造成的调控范围小、精度低、相应慢，设备故障率高的问题；消除了给水泵过剩负荷造成的能效降低、设备损耗，改善了受交变应力影响，高压给水系统设备受冲击、节流件变形、动作卡涩、本体泄漏等故障频繁发生的现象，改进了给水控制模式，创造性的通过流量、压力双环跟踪的控制模式，提升控制的灵敏度和调节范围，提高了锅炉系统运行的可靠性，提升运行效率。

以上仅为本发明的具体实施方式，应当指出，其余未详细说明的内容为现有技术，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种调峰燃气锅炉给水流量与压力双平衡式控制系统，用于控制锅炉汽包(1)与变频给水泵(2)、工频给水泵(3)之间的给水流量与压力的双平衡，所述变频给水泵(2)与工频给水泵(3)的出口管路汇流后通过给水管(4)与锅炉汽包(1)连接，其特征在于：

它包括采集模块(5)、控制模块(6)以及执行模块(7)，所述采集模块(5)用于采集给水流量信号、给水压力信号、锅炉汽包液位信号以及锅炉汽包压力信号；所述控制模块(6)根据采集模块(5)反馈的信号生成给水流量和压力的控制信号控制执行模块(7)执行操作；所述执行模块(7)根据控制模块(6)的控制信号控制给水泵的运行频率和给水调节阀的启闭；

所述采集模块(5)包括设置在给水管(4)上的给水压力传感器(8)和设置在锅炉汽包(1)上的汽包压力传感器(9)；所述控制模块(6)包括变频控制器(10)；所述给水压力传感器(8)和汽包压力传感器(9)的压力信号输出端分别与变频控制器(10)的压力信号输入端连接；

所述执行模块(7)包括变频调节器(11)，所述变频调节器(11)的控制信号输入端与变频控制器(10)的控制信号输出端连接，所述变频调节器(11)的变频信号输出端与变频给水泵(2)的变频信号输入端连接；

所述采集模块(5)还包括设置在给水管(4)上的给水流量传感器(12)和设置在锅炉汽包(1)上的汽包液位传感器(13)；所述控制模块(6)还包括前馈控制器(14)和三冲量控制器(15)；

所述给水流量传感器(12)的信号输出端与前馈控制器(14)的信号输入端连接，所述汽包液位传感器(13)的信号输出端与三冲量控制器(15)的信号输入端连接，所述前馈控制器(14)的控制信号输出端与三冲量控制器(15)的控制信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的调峰燃气锅炉给水流量与压力双平衡式控制系统，其特征在于：所述执行模块(7)还包括设置在给水管(4)上的第一给水调节阀(16.1)，所述第一给水调节阀(16.1)的控制信号输入端与三冲量控制器(15)的控制信号输出端连接。

3.根据权利要求2所述的调峰燃气锅炉给水流量与压力双平衡式控制系统，其特征在于：所述执行模块(7)还包括第二给水调节阀(16.2)，所述第二给水调节阀(16.2)位于给水管(4)设置的旁路管(17)上。

4.根据权利要求3所述的调峰燃气锅炉给水流量与压力双平衡式控制系统，其特征在于：它还包括过热器(18)，所述锅炉汽包(1)的蒸汽出口与过热器(18)的蒸汽进口连接，所述过热器(18)的出口管路上设置有蒸汽流量传感器(19)，所述蒸汽流量传感器(19)的流量信号输出端与前馈控制器(14)的流量信号输入端连接。

5.根据权利要求1～4任一项所述的调峰燃气锅炉给水流量与压力双平衡式控制系统，其特征在于：所述锅炉汽包(1)的下方设置有下联箱(20)，所述锅炉汽包(1)的出口与下联箱(20)的进口通过下降管(21)连接，所述下联箱(20)的出口通过汽化上升管(22)与锅炉汽包(1)的进口连接。

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