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1、锅炉燃烧系统的控制系统设计摘要：锅炉是热电厂重要且基本的设备，其最主要的输出变量之一 就是主蒸汽压力。主蒸汽压力的自动调节的任务是维持过热器出口 气温在允许范围内，以确保机组运行的安全性和1经济性。锅炉所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源， 又可以作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产的规模不断扩大，作为动力 和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。在控 制算法上、综合运用了单回路控制、串级控制、比值控制等控制方 法实现了燃料量控制调节蒸汽压力、送风量控制调节烟气含氧量、 引风量控制炉膛负压，并有效克服了彼此的扰动，使整个系统稳定 运行。关键词：锅炉；蒸汽压力；
2、单回路控制；ControlsystemdesignoftheboilercombustionsystemAbstract:Theboilerisimportantandbasicequipmentofthethermal powerplant,oneofthemainoutputvariableisthemainsteampressur e.Thetaskoftheautomaticadjustmentofthemainsteampressureist omaintainthesuperheateroutlettemperaturewithintheallowable range,toensu
3、rethesafetyandeconomyoftheunitoperation.Theboi lersproducehighpressuresteamcanbeusedasasourceofpower- driventurbine,butalsoasadistillation,drying,reaction,heati ngandprocessheatsource.Withindustrialproductionexpanding,a safilterforpowerandheat,butalsotowardthehigh- capacity,high-parameter,high-effic
4、iencydirection.Inthecontrolalgorithm,theintegrateduse ofsingle- loopcontrol,cascadecontrol,ratiocontrol,thecontrolmethodof fuelcontroltoadjustthevaporpressure,airvolumecontroltoadju stthefluegasoxygencontent,thewindcontrolthefurnacenegative pressure,andeffectivelyovercomeeachotherdisturbancessothat
5、thewholestabilityofthesystem.Keywords:Boiler;Vaporpressure;Single-loopcontrol引言随着城市的快速发展，我们对用电的需求也越来越大，如何利用好 有限的能源来保证供电是一个重要的话题，在能源的利用过程中如 何更加提高能源的利用率是一个可研究性的话题，本文基于上述话 题对电厂的燃烧锅炉控制进行了研究。火力发电是我国电力能源的主要来源，大型火力发电机组是由锅炉、 汽轮发电机组等设备构成，它利用锅炉生产的过热蒸汽来推动汽轮 机运转，带动发电机发动。在火力发电厂中，锅炉和汽轮发电机组采用一机一炉方式。它们作 为蒸汽的供需双方，必须
6、保持一定平衡，并且作为一个整体分析， 否则会影响系统的正常运行。综上所述，火力发电生产过程的控制部分包括三部分：锅炉控制、 汽轮机控制、锅炉与汽轮机之间的协调控制。1 电厂生产过程火力发电厂的主要工艺如图 1-1 所示可以把它划分为锅炉和汽轮发 电机组两部分，其中锅炉又可以划分为燃料系统和汽水系统。宁波工程学院过程控制期末论文 21)锅炉燃烧系统中，燃料和热空气按一定比例送入炉膛，燃烧产生 的热量传递给锅筒，通过热交换，生成饱和蒸汽。同时，燃烧后剩 余的烟气（废气）通过烟道，经引风机送往烟囱，排入大气。由于 烟气本省具有一定余热，可以通过空气预热器为输入的冷空气加热， 获得的热空气又可以循环送
7、入燃烧系统，从而节约能源。2）锅炉汽水系统中，给水经省煤器预热后进入锅筒，再经过与燃 料系统的热交换过程，产生饱和蒸汽；然后经过多级过热器，形成 具有一定气温和压力的过热蒸汽，汇集至蒸汽母管，推动单元机组 的工作。3)汽轮发电机组接受锅炉提供的过热蒸汽，推动高压汽轮机转子， 进而带动发电机转子转动，产生电能。同时，温度和压力都降低的 蒸汽冷凝为凝结水，又被作为给水进入锅炉汽水系统，从而加以循环利用，节约资源。图 1-1 火力发电厂主要工艺流程图1.1 锅炉控制锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要动力设 备。锅炉控制的目的2是供给合格的蒸汽，使锅炉产汽量适应负荷需要，同时保证燃
8、烧的经济性、安全性。要实现该控制目的，必须对锅炉生产过程中的各个主要工艺参数进行严 格控制。负荷给水量减温水量锅筒水位过热蒸汽温度宁波工程学院过程控制期末论文 3燃烧量送风量引风量锅炉设备蒸汽压力过剩空气炉膛负压图 1-2 锅炉的输入/输出变量示意图锅炉设备是一个复杂的被控对象，主要输入变量包括负荷的蒸汽需 求量、给水量、燃料量、减温水量、送风量和引风量等；主要输出 变量有锅筒水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气 （烟气含氧量）等，图 1-2 所示为输入变量与输出变量之间相互关联。如果蒸汽负荷变化或给水量发生变化，会引起锅筒水位、蒸汽 压力和过热蒸汽温度等的变化；而燃料量的变化不仅
9、影响蒸汽压力， 还会影响锅筒水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压。可见，锅炉是一个具有多输入/多输出变量，且变量之间相互关联 的被控对象，其主要控制系统如下。1）锅炉锅筒水位的控制：锅筒水位时保证锅炉、汽轮机安全运行 的必要条件之一，是锅炉正常运行的重要指标。其控制目的是基于 锅筒内部的物料平衡关系，使给水量满足锅炉的蒸汽量需求（即负 荷要求），并将锅筒中水位维持在工艺允许的范围内。2）锅炉燃烧系统的控制：通过控制燃料量、送风量和引风量，使 燃料所产生的热量适应蒸汽负荷需要；使燃料量与空气里保持一定 的比例，以保证最经济的燃烧，提高锅炉的燃烧效率;使引风量与 送风量的控制相匹配，以保持炉膛内
10、负压在一定的范围内。3）过热蒸汽系统的控制：维持过热器出口温度在允许范围内，并 保证管壁温度不超过允许的工作温度。1.2 单元机组的出力控制对电网来说，要求单元机组的出力能快速适应负荷的需求，而机组 的出力大小事由锅炉和汽轮机共同决定的。两者在适应负荷变化的 能力上有很大的差别：锅炉从给水到形成过热蒸汽式一个惯性较大 的热交换过程，而汽轮机从蒸汽进入到产生电能是一个反应相对较 快的3环节。如何合理地控制锅炉和汽轮机的各自出力，使其彼此适 应，最终满足负荷需求是出力控制的核心任务。2 锅炉燃烧过程控制锅炉燃烧过程控制系统的基本任务是使燃料所产生的热量能够满足 蒸汽负荷的需求，同时要保证燃烧的经济
11、性和锅炉的安全性。为达 到上诉目的，该系统划分为三个子系统，分别实现维持汽压、保持 最佳空燃比和保证炉膛负压不变的控制任务。1）蒸汽压力控制系统。蒸汽压力反映了锅炉生产的蒸汽量和汽轮 机消耗的蒸汽量相适应的程度。当负荷变化时，通过调节燃料量使 蒸汽压力稳定。2 经济燃烧控制系统。当燃料量改变时，必须按照一定的比例调节 送风量，以保证充分燃烧和经济性。3）炉膛负压控制系统。炉膛压力的高低关系到锅炉的安全经济运 行，燃烧控制系统必须配合引风量与送风量，以保证炉膛压力稳定。2.1 主蒸汽压力的动态特性汽压调节对象结构如图 2-1 所示。可见，主蒸汽压力主要受到燃料 量和汽轮机耗汽量宁波工程学院过程控
12、制期末论文 4的影响。图 2-1 汽压调节对象示意图Qc-燃料量 Qo-进风量 H-炉膛发热量 Qw-进水量 Pb-锅筒压力Pt-主蒸汽压力 Ug-汽轮机进汽阀开度 Qt-汽轮机耗汽量 N-机组实发 功率燃料热值或成分的变化，会引起燃料供热量的变化。如果燃料量增 加，炉膛热负荷随之增加，锅筒压力 Pb 升高。在保持汽轮机进汽 阀开度 Ug 不变的条件下，主蒸汽压力 Pt 将随着蒸汽的累积而升高。当电网负荷变化时，改变汽轮机进汽阀开度 Ug，使汽轮机耗汽量发 生突然改变，主蒸汽压力也相应变化。如果汽轮机进汽阀开度加大， 则汽轮机耗汽量会增加，主蒸汽量压力随之降低。为克服燃料量和蒸汽负荷对主蒸汽压
13、力产生的扰动，在蒸汽压力发 生波动时，通过控制燃料量来满足控制要求，这种单回路控制系统 虽然简单，但适用于蒸汽负荷及燃料量波动较小的情况。当燃料量 波动较大时，为及时抑制燃料量自身的扰动，采用蒸汽压力-燃料 量构成的串级控制。2.2 经济燃烧控制经济燃烧以燃料量跟踪蒸汽负荷需求为前提，保证空气量（进风量） 能与燃料量满足一4定比例关系，使燃烧过程充分，从而以最经济的燃料供给量提供最 大的燃烧量。因此，燃料量与进风量之间采用比值控制，其中，燃料量跟随蒸汽负荷变化而变化，为主流量；进风量为副流量。其控 制方案如图 2-2所示。图 2-2 经济燃烧控制方案图 2-2a 是将蒸汽压力控制器 PtC 的
14、输出同时作为燃料量控制器 FbC 和进风量控制器 FiC 的设定值。这种控制方案可以保持蒸汽压力的 稳定，空燃比通过 FbC 和 FiC 的正确动作而间接得到保证；图 2-2b 中蒸汽压力与燃料量构成串级控制，进风量跟随燃料量变化而变化， 从而确保空燃比。这种控制在负荷发生变化时，进风量的变化落后 于燃料量，会导致燃烧的宁波工程学院过程控制期末论文 5不完全，为克服上述两种控制方案的不足，图 2-2c 在控制方案 a 的基础上增加了选择性控制。当负荷减少时，通过低值选择器 LS， 先减少燃料量，后减少空气量；当负荷增加时，通过高值选择器 HS，先增加空气量，再加大燃料量，从而保证充分燃烧。上述
15、燃烧控制方案虽然考虑了燃料量与进风量的比例，但不能保证 在整个生产过程中始终保持最经济的燃烧。这是因为：在不同的负荷下，两流量的最优化比值是不同的；燃料成分（如水分、灰分的 含量）和热值有可能变化；流量测量得不够准确。这些因素都不会 痛程度地引起空气过量或燃烧不玩去昂，造成锅炉热效率下降。因 此，有必要选择一个指标来检验空燃比是否恰当，并通过校正进风 量来修正空燃比。目前，常选用烟气中的含氧量作为衡量空燃比的 指标。理论和实践已证明，烟气中的各种成分，如 O2、CO2、CO 和未燃烧 烃的含量，基本上可以反映燃料燃烧的情况，最简便的方法是用烟气中的含氧量 A 来表 示。根据燃烧时的化学反应方程
16、式，可以计算出使燃料完全燃烧所 需要的含氧量，进而可以折算出所需的空气量，称为理想空气量， 用 QT 表示。但实际上完全燃烧时所需的空气量 QP，要超过理论计 算的 QT，既要有一定的过剩空气量。由于烟气的热损失占锅炉热损 失的绝大部分，当过剩空气量增多时，会使炉膛温度降低，同时使 烟气热损失增加。因此，过剩空气量对不同的燃料都有一个最优值， 以达到最优经济燃烧。过剩空气量常用过剩空气系数 来表示，即实际空气量 Qp 与理想 空气量 QT 之比(21)因此， 是衡量经济燃烧的一种指标。保证锅炉热效率最高的 值称为最佳 值，最佳 值与锅炉负荷有关，一般 =1.2-1.4。 但是 很难直接测量，需要利用它与烟气含氧量之间的近似关系 来间接计算（22）由上式可以折算出最佳 值：=1.2-1.4，此时，烟气含氧量 A=3.5%-6%。因此，烟气含氧量也可以作为一种衡量经济燃烧的指 标。根据烟气含氧量对图 2-2 中的送风量加以校正，构成图 2-3所示的最优经济燃烧控制系统。图 2-3 锅炉最优经济燃烧控制方案为保证不同负荷下，锅炉始终保持最优经
