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1、汽包锅炉燃烧优化控制应用一、 概述随着DCS在电厂的普及，DCS功能应用逐渐得到推广。其中，DCS的优化控制，比过去的单元智能仪表来得更加方便和易用。但电力系统用户，对DCS的功能的掌握还有限，许多功能没有得到应有的重视和开发，这就对DCS厂家提出了新的需求，DCS厂家不但要提供DCS控制软硬件平台，还要给用户提供整体的解决和控制方案，保证DCS和现场设备长期经济、稳定、安全运行。锅炉种类较多，目前在国内应用最多的是燃烧煤粉的自然循环汽包炉和直流炉；有直接燃烧原煤的循环流化床炉；燃烧垃圾的炉排锅炉，还有燃烧生物质的炉排，比如栉杆，甘蔗渣等。不同的锅炉有不同的控制和优化方式，控制是让锅炉相关参数
2、稳定；优化是对工艺、燃烧、配风等进行经济控制，提高效率，降低污染物排放。锅炉除直流炉外，都有一个显著特点，就是有自己独立的汽包。不管是烧垃圾的垃圾炉，循环流化床锅炉，还是烧煤的汽包炉；也无论是母管制运行，还是单元制运行，都因锅炉有一个汽包，它们的核心控制思想变成一致，即利用汽包的储能变化，及时检测燃烧率的变化，从而及时调整燃料量，达到快速、稳定地控制和调节。直流锅炉主要是控制中间点温度（焓）来调节风水煤；汽包锅炉主要是控制主汽压力和汽包压力的稳定来调节风水煤。本文主要介绍汽包锅炉控制的共同点来说明对其进行控制方案的优化。在有汽包的锅炉控制中，可借鉴和参考本方案。二、 原理及动态特性汽包锅炉燃烧
3、控制系统包括燃料量控制、送（一二次）风控制和引风控制三个主要子系统；燃烧过程自动控制的基本任务是根据机组负荷的变化，使燃料燃烧所提供的热量适应锅炉输出蒸汽量的需求，同时保证燃烧过程的经济性和锅炉运行的安全性。根据锅炉燃烧控制任务，主要调节以下三个物理量：1燃料量调节调节燃料量使入炉燃料燃烧所产生的量能与锅炉外部负荷需求的量能相适应。2送风量调节燃料量改变时，送风量也应改变，以保证燃料的完全燃烧和排烟热损失最小。调节送风量的目的是保证锅炉燃烧过程的经济性。3 引风量调节调节引风量的目的是使引风量与送风量相适应，以保持炉膛压力在要求范围内，以保证燃烧过程稳定性。 图一 锅炉燃烧控制系统及被控对象从
4、图一所示的锅炉燃烧对象显示，锅炉燃烧控制系统是一个多输入多输出的非线性多变量强耦合控制系统。在锅炉燃烧控制过程中，通过燃料量控制、送风控制和引风控制三个子系统分别对三个调节变量（燃料量B、送风量V、引风量G）进行调节，以维持三个被调量（主蒸汽压力PT 、烟气含氧量O2、炉膛压力Plt）的稳定。锅炉燃烧过程被控对象的动态特性是指机组运行过程中各种扰动引起的各被调量变化的动态关系，锅炉燃烧过程被控对象的动态特性主要有以下三个：1.主蒸汽压力PT 在内、外扰动下的动态特性；2.烟气含氧量O2在送风量扰动下的动态特性；3.炉膛压力Plt 在引风量扰动下的动态特性。（一） 内扰作用下主蒸汽压力的动态特性
5、:主蒸汽压力PT 受到的主要扰动有二个，其一是燃烧率B扰动称为基本扰动或内部扰动；其二是耗汽量D的扰动，称为外部扰动。主蒸汽压力PT 的动态特性与用汽调节装置有关，下图二（a）为用汽量不变时，锅炉燃烧率B扰动下主蒸汽压力PT 变化的阶跃响应曲线。图二（a） 内扰作用下主蒸汽压力的动态特性此时主蒸汽压力PT 是一个无自平衡能力的被控对象。汽包压力Pb与主蒸汽压力PT 之差p2与主蒸汽流量以及过热器的阻力成正比。根据阶跃响应曲线确定迟延时间 ，可以求出：1.反应速度：（11）2.反应时间：（12）反应时间TB定义为：燃烧率改变其额定值的10,汽压改变10%所经过的时间。下图二（b）为用汽调节阀门开
6、度不变时，锅炉燃烧率B扰动下主蒸汽压力PT 变化的阶跃响应曲线。此时主蒸汽压力PT是一个有自平衡能力的被控对象。汽包压力Pb与主蒸汽压力PT 之差p2随燃料量和进入汽轮机的蒸汽流量的增加而增加。图二（b） 内扰作用下主蒸汽压力的动态特性根据锅炉蒸发受热面的热量平衡关系可得：（13）式中: Qr 热负荷阶跃变化； D 主蒸汽流量(负荷)； h饱和蒸汽焓； C 蒸发受热面热容。根据以上热平衡关系式可得：（14）式中Cb称为蓄热系数，其物理意义为汽包压力Pb改变一个单位，蒸发受热面所吞吐的蒸汽量。式（14）表明，测出主蒸汽流量D和汽包压力Pb的变化速度dPb/dt，与一定的蓄热系数Cb配合,就可得到
7、代表热负荷Qr的热量信号，可以迅速反映燃料量的变化。（二）外扰作用下主蒸汽压力的动态特性:外部扰动是指负荷变化的扰动，下图三（a）和图（b）分别为进汽量D和用汽调节阀门开度T 扰动下主蒸汽压力PT变化的阶跃响应曲线：图三 外扰作用下主蒸汽压力的动态特性图三（a）中，主蒸汽压力PT在阶跃下降p0后，一直维持等速下降，为无自平衡能力的被控对象。图三（b）中，主蒸汽压力PT在阶跃下降p0后，下降速度逐渐变慢，最后稳定于一个较低的压力值，为有自平衡能力的被控对象。（三） 烟气含氧量的动态特性烟气含氧量O2是影响燃烧过程经济性的重要指标，主要通过改变进入炉膛的送风量V 对烟气含氧量O2进行调节。送风量V
8、 扰动下烟气含氧量O2变化的阶跃响应曲线为： 图七 氧量的动态特性由上图中烟气含氧量的阶跃响应曲线可知，其动态特性具有滞后、惯性和自平衡能力。（四）炉膛压力的动态特性 炉膛压力Plt对锅炉运行的安全性有重要影响，主要通过改变引风量G对炉膛压力Plt进行调节。引风量G 扰动下炉膛压力Plt变化的阶跃响应曲线为：图八 炉膛负压的动态特性在送风量V 和引风量G的扰动下，炉膛压力Plt的动态特性惯性很小，可近似认为是比例环节。这里把负压和氧量的特性拿出来说事的目的，是因为锅炉控制中，这两个子系统必须先投入自动运行，否则锅炉自动控制效果有限。三、 汽包锅炉控制共性根据燃烧系统控制的动态特性，送风及引风控
9、制相对简单，送风量与煤量成正比，氧量修正送风量，引风量与送风量成正比，对相互耦合的系统进行解耦控制。实际应用中，送风量前馈控制引风量，当制粉系统运行和停止时，给煤量和风量会变化，还要找到影响关系，进行前馈控制。煤量根据负荷或压力进行调节和控制，因用汽环节是一个快速回路，而锅炉是一个相对惯性较大的回路，要让锅炉快速满足负荷需求端的变化需求，就要对锅炉进行快速调节和快速稳定控制。最经济和快速的方法就是利用（14）测出主蒸汽流量D和汽包压力Pb的变化速度dPb/dt，与一定的蓄热系数Cb配合,得到热量信号，进行快速调节，这一方法适用于所有汽包锅炉的燃烧控制。在系统中，以热量信号代替燃料量信号，不但可
10、以反映燃料量的变化，而且还可以克服燃料单位发热量变化对燃烧过程的影响，从而提高锅炉运行过程的稳定性。热量信号，是指燃料进入炉膛燃烧时在单位时间内产生的热量。可以用静态下的主蒸汽流量D （单元机组用P1调速级压力表示）和动态下的汽包压力变化速度表示，其计算公式为：（15）式中: Cb 锅炉的蓄热系数。在锅炉运行过程中, 热量信号只应该反映燃烧率的变化（内扰）,而不应该反映负荷的变化（外扰）。即热量信号只与燃烧率的变化有关, 而与负荷的变化无关。当燃烧率不变而负荷变化时热量信号不变。在外扰和内扰不同时，要区别对待，下面分别说明：（一） 单元制机组锅炉用直接能量平衡的方法控制，汽机的能量需求要等于锅
11、炉的热量信号，这时蒸汽流量信号要改成调速级压力（与负荷成正比）信号，锅炉主控前馈要加上:（16）式中C1是调速级压力与煤量的关系系数，代表每变化1MPa压力，需要的煤量。当外界负荷变化时，直接加减煤量；此时的Cb取值要经过试验获取，在燃烧率不变时，改变用汽调门，从而改变P1，让16式相等。比如，P1增加，这时Pb会下降，C1*P1增加部分的阴影面积要与Cb*相等，就能得到Cb，这样就能快速克服外扰。内扰是燃烧工况、煤质变化，还需要一个既能克服外扰，也能克服内扰的公式，第一个前馈因素表达式是：（17）式中的C2与（16）式的一样，也是调速级压力与煤量的前馈关系系数，代表每变化1MPa压力，需要的
12、煤量的1/22/3，而不是全部，要留1/21/3给PID来调节，用于前馈快速调节，但不能过大，否则容易过调。C3在这里起关键的克服内扰的作用，与（16）的作用相反。当煤质变化时，首先影响燃烧，因炉膛温度检测的不确定性，大的锅炉也没有测点，所以反应最快的点是汽包压力（每个汽包炉都有）因汽包压力变化慢，所以用其微分，放大C3倍来捕捉，用于控制。一般调试人员比较忌讳C3的取值，不敢设置得太大，造成其作用有限，所以要放大到15003000倍，作用才明显，当然避免压力跳变带来的干扰，需要进行上下幅值限制。我们来分析（17）的作用机制和原理。当外界负荷增加时，P1增加，Pb降低，（17）的两个作用实际是相
13、加的关系，提前多加煤，当Pb开始上升时，不管主汽压力是否上升到目标值，（17）的两个作用实际是相减的关系，这些就开始减少煤量或限制煤量上升（PID调节的积分作用是增加煤量），C3是纯比例作用，此时的回头作用要大于PID的积分作用。当煤质变好，热量信号增加，相同的煤量造成汽包压力上升，（17）的两个作用实际是相减的关系，煤量减少；反之，煤质变差，热量信号降低，汽包压力减少，（17）的两个作用实际是相加的关系，煤量增加。所以，（17）具备克服外扰和内扰的作用，C2和C3两个参数选择好了，锅炉控制就会变得简单。（二） 母管制运行的锅炉母管制运行的锅炉与单元制机组的控制有区别，不能用直接能量平衡的方法
14、控制，任何一个用汽端用汽量的变化，都会影响母管压力，进而影响母管运行的每台锅炉；任何一台锅炉的煤质变化，不但影响本身，还会通过母管压力，影响其它锅炉。母管制运行的锅炉要用总的能量需求与总的锅炉发热量平衡，存在根据用汽端与锅炉距离远近进行加权负荷分配，来平衡锅炉间的相互影响；母管对每台锅炉的的能量需求要改成锅炉出口蒸汽流量（与负荷需求成正比，与需求端距离远近和压损形成自然分配的关系）信号，所以，这时的锅炉主控前馈还要加上如下表达式:（18）式中D是锅炉出口主蒸汽流量，这里的C4是单位蒸汽流量需要的煤量的前馈关系系数，代表每变化1t蒸汽流量，需要的煤量。C3与（17）的C3作用和取值一样。当外界用
15、汽量增加时，母管压力会降低，负荷分配给有裕量的锅炉加煤；同时管道根据距离远近和压力损失自然分配，会让每台锅炉的主汽流量D有不同的增加。汽包压力Pb降低，（18）的两个作用实际是相加的关系，提前多加煤，当锅炉本身的Pb开始上升时，不管母管压力是否上升到目标值，（18）的两个作用实际是相减的关系，这时就开始减少煤量或限制煤量上升，反之亦然。当煤质变好，相同的煤量造成汽包压力上升，（18）的两个作用实际是相减的关系，煤量减少；反之，煤质变差，汽包压力减少，（18）的两个作用实际是相加的关系，煤量增加。所以，（18）具备克服外扰和内扰的作用，C3和C4两个参数选择好了，母管制锅炉控制也就会变得简单。（18）式适合所有汽包锅炉，煤粉汽包炉适合，循环流化床汽包锅炉也适合，炉排垃圾锅炉也一样适用。垃圾锅炉不好控制的原因是没有人把（18）式用于控制，国内外的炉排厂家，也没有这个应用。（三） 压力快速拉回控制锅炉控制是一个多变量输入，非线性的控制系统，要想控制好压力，还需要做一个压力偏差快速拉回的前馈控制回路，用于压力偏差较大时使用。实际压力高，需要直接减少一定数量的煤量A，当汽包
