锅炉的电气控制实例-建筑电气控制（第三版）

为了了解锅炉电气控制内容，下面我们以某锅炉厂制造的型号为SHL10-2.45／400℃-AⅢ锅炉为例，对电气控制电路及仪表控制情况进行分析。 图5.7是该锅炉的动力设备电气控制电路图，图5.8是该锅炉仪表控制方框图。此处省略了一些简单的环节。

5.3.1 系统简介

1）型号意义

SHL10-2.45／400℃-AⅢ表示：双锅筒、横置式、链条炉排，蒸发量为10t／h，出口蒸汽压力为2.45MPa，出口过热蒸汽温度为400℃，适用三类烟煤。

2）动力电路电气控制特点

动力控制系统中，水泵电动机功率为45k W，引风机电动机功率为45k W，一次风机电动机功率为30k W，功率较大，根据锅炉房设计规范，需设置降压启动设备。 因3台电动机不需要同时启动，所以可共用一台自耦变压器作为降压启动设备。 为了避免3台或2台电动机同时启动，需设置启动互锁环节。

锅炉点火时，一次风机、炉排电机、二次风机必须在引风机启动后才能启动；停炉时，一次风机、炉排电机、二次风机停止数秒后，引风机才能停止。 系统应用了按顺序规律实现控制的环节，并在极限低水位以上才能实现顺序控制。

在链条炉中，常布设二次风，其目的是二次风能将高温烟气引向炉前，帮助新燃料着火，加强对烟气的扰动混合，同时还可提高炉膛内火焰的充满度等优点。 二次风量一般控制在总风量的5％～15％，二次风由二次风机供给。

另外，还需要一些必要的声、光报警及保护装置。

3）自动调节特点

汽包水位调节为双冲量给水调节系统。通过调节仪表自动调节给水电动阀门的开度，实现汽包水位的调节。水位超过高水位时，应使给水泵停止运行。

过热蒸汽温度调节是通过调节仪表自动调节减温水电动阀门的开度，调节减温水的流量，实现控制过热器出口蒸汽温度。

图5.7 锅炉动力控制电路图

燃烧过程的调节是通过司炉工观察各显示仪表的指示值，操作调节装置，遥控引风风门挡板和一次风风门挡板，实现引风量和一次风量的调节。对炉排进给速度的调节，是通过操作能实现无级调速的滑差电机调节装置，以改变链条炉排的进给速度。

系统还装有一些必要的显示仪表和观察仪表。

5.3.2 动力电路电气控制分析

锅炉的运行与管理，国家有关部门制定了若干条例，如锅炉升火前的检查；升火前的准备；升火与升压等。锅炉操作人员应按规定严格执行，这里仅分析电路的工作原理。

当锅炉需要运行时，首先要进行运行前的检查，一切正常后，将各电源自动开关QF， QF1～QF6合上，其主触点和辅助触点均闭合，为主电路和控制电路通电作准备。

1）给水泵的控制

锅炉经检查符合运行要求后，才能进行上水工作。 上水时，按SB3或SB4按钮，接触器KM2得电吸合；其主触点闭合，使给水泵电动机M1接通降压启动线路，为启动作准备；辅助触点KM21，2断开，切断KM6通路，实现对一次风机不许同时启动的互锁；KM23，4闭合，使接触器KM1得电吸合；其主触点闭合，给水泵电动机M1接通自耦变压器及电源，实现降压启动。

同时，时间继电器KT1得电吸合，其触点KT11，2瞬时断开，切断KM4通路，实现对引风电机不许同时启动的互锁；KT13，4瞬时闭合，实现启动时自锁；KT15，6延时断开，使KM2失电， KM1也失电，其触点复位，电动机M1及自耦变压器均切除电源；KT17，8延时闭合，接触器KM3得电吸合；其主触点闭合，使电动机M1接上全压电源稳定运行；KM31，2断开，KT1失电，触点复位；KM33，4闭合，实现运行时自锁。

当汽包水位达到一定高度，需将给水泵停止，做升火前的其他准备工作。

如锅炉正常运行，水泵也需长期运行时，将重复上述启动过程。 高水位停泵触点KA311，12的作用，将在声光报警电路中分析。

2）引风机的控制

锅炉升火时，需启动引风机，按SB7或SB8，接触器KM4得电吸合，其主触点闭合，使引风机电动机M2接通降压启动线路，为启动作准备；辅助触点KM41，2断开，切断KM2，实现对水泵电机不许同时启动的互锁；KM43，4闭合，使接触器KM1得电吸合，其主触点闭合，M2接通自耦变压器及电源，引风机电动机实现降压启动。

同时，时间继电器KT2也得电吸合，其触点KT21，2瞬时断开，切断KM6通路，实现对一次风机不许同时启动的互锁；KT23，4瞬时闭合，实现自锁；KT25，6延时断开，KM4失电，KM1也失电，其触点复位，电动机M2及自耦变压器均切除电源；KT27，8延时闭合，时间继电器KT3得电吸合，其触点KT31，2闭合自锁；KT33，4瞬时闭合，接触器KM5得电吸合；其主触点闭合，使M2接上全压电源稳定运行；KM51，2断开，KT2失电复位。

3）一次风机的控制

系统按顺序控制时，需合上转换开关SA1，只要汽包水位高于极限低水位，水位表中极限低水位接点SL1闭合，中间继电器KA1得电吸合，其触点KA11，2断开，使一次风机，炉排电机、二次风机必须按引风电机先启动的顺序实现控制；KA13，4闭合，为顺序启动作准备；KA15，6闭合，使一次风机在引风机启动结束后自行启动。

触点KA413，14为锅炉出现高压时，自动停止一次风机、炉排风机、二次风机的继电器KA4触点，正常时不动作，其原理在声光报警电路中分析。

当引风电机M2降压启动结束时，KT31，2闭合，只要KA413，14闭合、KA13，4闭合、KA15，6闭合，接触器KM6得电吸合，其主触点闭合，使一次风机电动机M3接通降压启动线路，为启动作准备；辅助触点KM61，2断开，实现对引风电机不许同时启动的互锁；KM63，4闭合，接触器KM1得电吸合，其主触点闭合，M3接通自耦变压器及电源，一次风机实现降压启动。

同时，时间继电器KT4也得电吸合，其触点KT41，2瞬时断开，实现对水泵电机不许同时启动的互锁；KT43，4瞬时闭合，实现自锁（按钮启动时用）；KT45，6延时断开，KM6失电，KM1也失电，其触点复位，电动机M3及自耦变压器切除电源；KT47，8延时闭合，接触器KM7得电吸合，其主触点闭合，M3接全压电源稳定运行；辅助触点KM71，2断开，KT4失电，触点复位；KM73，4闭合，实现自锁。

4）炉排电机和二次风机的控制

引风机启动结束后，就可启动炉排电机和二次风机。

炉排电机功率为1.1k W，可直接启动。用转换开关SA2直接控制接触器KM8线圈通电吸合，其主触点闭合，使炉排电机M4接通电源，直接启动。

二次风机电机功率为7.5k W，可直接启动。 启动时，按SB15或SB16按钮，使接触器KM9得电吸合，其主触点闭合，二次风机电机M5接通电源，直接启动；辅助触点KM91，2闭合，实现自锁。

5）锅炉停炉的控制

锅炉停炉有3种情况：暂时停炉、正常停炉和紧急停炉（事故停炉）。 暂时停炉为负荷短时间停止用汽时，炉排用压火的方式停止运行，同时停止送风机和引风机，重新运行时可免去升火的准备工作；正常停炉为负荷停止用汽及检修时有计划停炉，需熄火和放水；紧急停炉为锅炉运行中发生事故，如不立即停炉，就有扩大事故的可能，需停止供煤、送风，减少引风，其具体工艺操作按规定执行。

正常停炉和暂时停炉的控制：按下SB5或SB6按钮，时间继电器KT3失电，其触点KT31，2瞬时复位，使接触器KM7，KM8，KM9线圈都失电，其触点复位，一次风机M3、炉排电机M4、二次风机M5都断电停止运行；KT33，4延时恢复，接触器KM5失电，其主触点复位，引风机电机M2断电停止。实现了停止时，一次风机、炉排电机、二次风机先停数秒后，再停引风机电机的顺序控制要求。

6）声光报警及保护

系统装设有汽包水位的低水位报警和高水位报警及保护，蒸汽压力超高压报警及保护等环节，见图5.7（a）声光报警电路，图中KA2～KA6均为灵敏继电器。

（1）水位报警

汽包水位的显示为电接点水位表，该水位表有极限低水位电接点SL1、低水位电接点SL2、高水位电接点SL3、极限高水位电接点SL4。当汽包水位正常时，SL1为闭合的，SL2、SL3为打开的，SL4在系统中没有使用。

当汽包水位低于低水位时，电接点SL2闭合，继电器KA6得电吸合，其触点KA64，5闭合并自锁；KA68，9闭合，蜂鸣器HA响，声报警；KA61，2闭合，使KA2得电吸合，KA24，5闭合并自锁；KA28，9闭合，指示灯HL1亮，光报警。KA21，2断开，为消声作准备。 当值班人员听到声响后，观察指示灯，知道发生低水位时，可按SB21按钮，使KA6失电，其触点复位，HA失电不再响，实现消声，并去排除故障。水位上升后，SL2复位，KA2失电，HL1不亮。

如汽包水位下降低于极限低水位时，电接点SL1断开，KA1失电，一次风机、二次风机均失电停止。

当汽包水位上升超过高水位时，电接点SL3闭合，KA6得电吸合，其触点KA64，5闭合并自锁；KA68，9闭合，HA响，声报警；KA61，2闭合，使KA3得电吸合，其触点KA34，5闭合自锁；KA38，9闭合，HL2亮，光报警；KA31，2断开，准备消声；KA311，12断开，使接触器KM3失电，其触点恢复，给水泵电动机M1停止运行。消声与前同。

（2）超高压报警

当蒸汽压力超过设计整定值时，其蒸汽压力表中的压力开关SP高压端接通，使继电器KA6得电吸合，其触点KA64，5闭合自锁；KA68，9闭合，HA响，声报警；KA61，2闭合，使KA4得电吸合，KA411，12，KA44，5均闭合自锁；KA48，9闭合，HL3亮，光报警；KA413，14断开，使一次风机、二次风机和炉排电机均停止运行。

当值班人员知道并处理后，蒸汽压力下降，当蒸汽压力表中的压力SP低压端接通时，使继电器KA5得电吸合，其触点KA51，2断开，使继电器KA4失电，KA413，14复位，一次风机和炉排电机将自行启动，二次风机需用按钮操作。

按钮SB22为自检按钮，自检的目的是检查声、光器件是否能正常工作。 自检时，HA及各光器件均应能发出声、光信号。

（3）过载保护

各台电动机的电源开关都用自动开关控制，自动开关一般具有过载自动跳闸功能，也可有欠压保护和过流保护等功能。

锅炉要正常运行，锅炉房还需要有其他设备，如水处理设备、除渣设备、运煤设备、燃料粉碎设备等，各设备中均以电动机为动力，但其控制电路一般较简单，此处不再进行分析。

5.3.3 自动调节环节分析

图5.8为该型号锅炉的自控方框图。此处只画出与自动调节有关的环节，其它各种检测及指示等环节没有画出。由于自动调节过程采用的仪表种类较多，此处仅作简单的定性分析。(www.zuozong.com)

图5.8 锅炉仪表控制方框图

1）汽包水位的自动调节

（1）调节类型

根据方框图可知，该型锅炉汽包水位的自动调节为双冲量给水调节系统，见简画图5.9。系统以汽包水位信号作为主调节信号，以蒸汽流量信号作为前馈信号，可克服因负荷变化频繁而引起的“虚假水位”现象，减小水位波动的幅度。

（2）蒸汽流量信号的检测

系统是通过蒸汽差压信号与蒸汽压力信号的合成。 气体的流量不仅与差压有关，还与温度和压力有关。

该系统的蒸汽温度由减温器自动调节，可视为不变。因此蒸汽流量是以差压为主信号，压力为补偿信号，经乘除器合成，作为蒸汽流量输出信号。

图5.9 双冲量给水调节系统方框图

图5.10 差压式流量计

①差压的检测：工程中常应用差压式流量计检测差压。差压式流量计主要由节流装置、引压管和差压计三部分组成，图5.10为其示意图。

流体通过节流装置（孔板）时，在节流装置的上、下游之间产生压差，从而由差压计测出差压。流量愈大，差压也愈大。 流量和差压之间存在一定的关系，这就是差压流量计的工作原理。该系统用差压变送器代替差压计，将差压量转换为直流4～20m A电流信号送出。

②压力的检测：压力检测常用的压力传感器有电阻式压力变送器、霍尔压力变送器。电阻压力变送器见图5.11，在弹簧管压力表中装了一个滑线电阻，当被测压力变化时，压力表中指针轴的转动带动滑线电阻的可动触点移动，改变滑线电阻两端的电阻比。 这样就把压力的变化转换为电阻值的变化，再通过检测电阻的阻值转换为直流4～20m A电流信号输出。

图5.11 弹簧管电阻式压力变送器

图5.12 差压式水位平衡器

③汽包水位信号的检测

水位信号的检测是用差压式水位变送器实现的，如图5.12所示。 其作用原理是把液位高度的变化转换成差压信号，水位与差压之间的转换是通过平衡器（平衡缸）实现的。 图示为双室平衡器，正压头从平衡器外室引出，负压头从平衡器内室（汽包水侧连通管）中取得。 平衡器外室中水面高度是一定的，当水面要增高时，水便通过汽侧连通管溢流入汽包；水要降低时，由蒸汽凝结水来补充。因此当平衡器中水的密度一定时，正压头为定值。 负压管与汽包是相连的，因此，负压管中输出压头的变化反映了汽包水位的变化。

按流体静力学原理，当汽包水位在正常水位H0时，平衡器的差压输出ΔP0为：

ΔP0＝Hρ1g－H0ρ2g－（H－H0）ρsg （5.1）

式中 g——重力加速度；

ρ1——水的密度；

ρ2——饱和水的密度；

ρs——饱和蒸汽的密度；

H0——正常给定水位高度；

H——外室水面高度。

ΔH＝H－H0

当汽包水位偏离正常水位H0而变化ΔH时，平衡器的差压输出ΔP为：

ΔP ＝ΔP0－ΔH（ρ2g－ρsg） （5.2）

H，H0为确定值，ρ1，ρ2和ρs均为已知值，故正常水位时的差压输出ΔP0就是常数，也就是说差压式水位计的基准水位差压是稳定的，而平衡器的输出差压ΔP则是汽包水位变化ΔH的单值函数，汽包水位增高时，输出差压减小。

图中的三阀组件是为了调校差压变送器而配用的。

（4）系统中应用的仪表简介

汽包水位自动调节系统，主要采用DDZ-Ⅲ型仪表。DDZ为电动单元组合型仪表，Ⅲ型仪表是用线性集成电路作为主要放大元件，现场传输信号为4～20m A直流电流；控制室联络信号为1～5V直流电压；信号传递采用并联传输方式；各单元统一由电源箱供给24V直流电源。也有应用Ⅱ型仪表的，Ⅱ型仪表是以晶体管作为主要放大元件。表5.2为DDZ-Ⅲ型仪表与DDZ-Ⅱ型仪表比较 。

表5.2 DDZ-Ⅲ型与DDZ-Ⅱ型仪表比较

DDZ-Ⅲ型仪表可分为现场安装仪表和控制室安装仪表两大部分，共有8个大类。按仪表在系统中所起的不同作用，现场安装仪表可分为变送单元类和执行单元类。 控制室内安装仪表又可分为调节单元类、转换单元类、运算单元类、显示单元类、给定单元类和辅助单元类等。每一类又有若干种，该系统采用的仪表主要有：

①变送器（变送单元）：有差压变送器DBC和压力变送器DBY。 主要用在自动调节系统中作为测量部分，将液体、汽体等工艺参数，转换成4～20m A的直流电流，作为指示、运算和调节单元的输入信号，以实现生产过程的连续检测和调节。

②配电器DFP（辅助单元）：也称为分电盘，主要作用是对来自现场变送器的4～20m A电流信号进行隔离，将其转换成1～5V直流电压信号，传递给运算器或调节器，并对设置在现场的二线制变送器供电。

③乘除器DJS（运算单元）：主要用于气体流量测量时的温度和压力补偿。可对3个1～5V直流信号进行乘除运算或对两个1～5V直流信号进行乘后开方运算。运算结果以1～5V直流电压或4～20m A直流电流输出。在该系统对差压ΔP和压力P实现乘后开方运算。

④积算器DXS（显示单元）：与开方器配合，可累计管道中流体的流量，并用数字显示出被测流体的总量。

⑤前馈调节器DTT（调节单元）：实现前馈—反馈控制的调节器。 系统将蒸汽流量信号比例运算；对汽包水位信号进行比例积分运算，其总的输出为前馈作用与反馈作用之和。

⑥电动执行器DKZ（执行单元）：执行器由伺服电机、减速器和位置发送器三部分组成。它接受伺服放大器或手动操作器的信号，使两相伺服电机按正、反方向运转。通过减速器减速后，变成输出力矩带动阀门。与此同时，位置发送器又根据阀门的位置，发出相应数值的直流电流信号反馈到前置（伺服）放大器，与来自调节器的输出电流相平衡。

⑦伺服放大器DF（辅助单元）：将调节器的输出信号与位置反馈信号比较，得一偏差信号，此偏差信号经功率放大后，驱动二相伺服电动机运转。 当反馈信号与输入信号相等时，两相伺服电动机停止转动，输出轴就稳定在与输入信号相对应的位置上。

⑧手动操作器DFD（辅助单元）：主要功能是以手动方式向电动执行器提供4～20m A的直流电流，对其进行手动遥控，是带有反馈指示可以观察到操作端进行手动调节效果的仪表。

2）过热蒸汽温度的自动调节

过热蒸汽温度的调节是通过控制减温器中的减温水流量，实现降温调节的。

过热蒸汽温度是用安装在过热器出口管路中的测温探头检测的，该探头用铂热电阻制成感温元件，外加保护套管和接线端子，通过导线接在电子调节器TA的输入端。

TA系列基地式仪表是一种简易的电子式自动检测、调节仪表，适用于生产过程中单参数自动调节，其放大元件采用了集成电路与分立元件兼用的组合方式，主要由输入回路、放大回路和调节部件三部分组成。其输出为0～10m A直流电流信号。 根据型号不同，有不同的输入信号和输出规律。例如TA-052为偏差指示、三位PI（D）输出，输入信号为铂热电阻阻值。

当过热蒸汽温度超过要求值时，测温探头中的铂热电阻阻值增大，与给定电阻阻值比较后，转换为直流偏差信号，该偏差信号经放大器放大后送至调节部件中，调节部件输出相应的信号给电动执行器，电动执行器将减温水阀门打开，向减温器提供减温水，使过热蒸汽降温。

当过热蒸汽温度降到整定值时，铂热电阻阻值减小，经调节器比较放大后，发出关闭减温水调节阀的信号，电动执行器将调节阀关闭。

3）锅炉燃烧系统的自动调节

随着用户热负荷的变化，必须调整燃煤量，否则，蒸汽锅炉锅筒压力就要波动。 只要维持锅筒压力稳定，就能满足用户热量的需要。工业锅炉燃烧系统的自动调节是以维持锅筒压力稳定为依据，调节燃煤供给量，以适应热负荷的变化。 为了保证锅炉的经济和安全运行，随着燃煤量的变化，必须调整锅炉的送风量，保持一定的风、煤比例，即保持一定的过剩空气系数，同时还要保持一定的炉膛负压。 因此，燃烧系统调节参数有锅筒压力、燃煤供给量、送风量、烟气含氧量和炉膛负压等。

装设完整的燃烧自动调节系统的锅炉，其热效率约可提高15％左右，但需花费一定的投资，自动调节系统越完善，花费的投资也越高。 对于蒸发量为6～10t／h的蒸汽锅炉，一般不设计燃烧自动调节系统，司炉工可根据热负荷的变化、炉膛负压指示、过剩空气系数等参数，人工调节给煤量和送、引风风量，以保持一定的风煤比和炉膛负压。

该系统的炉排电机是采用滑差电动机调速，根据蒸汽压力仪表指示的压力值，由司炉工通过手动操作给定装置，人工遥控炉排电动机转速，调节给煤量。 并配有炉排进给速度指示仪表。

该系统的一次风机进口和引风机进口均安装有电动执行机构驱动的风门挡板，根据炉膛负压指示值和测氧指示值，由司炉工通过手动操作给定装置遥控送、引风风门挡板开度，实现风量调节，并配有各风门挡板开度指示仪表。

系统中因需要检测的测温点较多，为了节省指示仪表，在测温仪表前配有切换装置，扳动切换开关，可观察各测温点的温度。如果用温度巡回检测仪，则不仅能自动切换检测显示，且能指出并记忆故障点的位置，发出报警信号。