煤粉炉燃烧控制系统的设计及仿真

i=r大型火力发电机组是典型的过程控制对象， 它是由锅炉、 汽轮发电机组和辅助设备组成的庞大的设备群。 锅炉的燃烧控制过程是一个复杂的物理， 化学过程， 影响因素众多，并且具有强耦合，非线性等特性。锅炉的自动化控制经历了三、 四十年代的单参数仪表控制， 四、 五十年代的单元组合仪表， 综合参数仪表控制， 直到六十年代兴起的计算机过程控制几个阶段。 尤其是近一、 二十年来， 随着先进控制理论和计算机技术的发展， 加之计算机各项性能的不断增强及价格的不断下降使锅炉应用计算机控制很快得到了普及和应用。电站锅炉利用煤的燃烧发热， 通过传热对水进行加热， 产生高压蒸汽， 推动汽轮机发电机旋转，从而产生强大的电能。在锅炉燃烧系统中，给煤系统，送风系统，引风系统是燃烧控制系统的重要环节。 以主蒸汽压力控制系统为主回路， 燃烧率控制系统为内回路， 通过传感器采集炉膛压力， 含氧量和炉膛负压来调节锅炉的给煤量， 送风量和引风量从而达到最佳热效率。燃烧控制系统是电厂热工控制的重要组成部分， 目前大部分电厂的锅炉燃烧控制系统仍然采用PID控制。燃烧控制系统由主蒸汽压力控制和燃烧率控制组成审级控制系统，其中燃烧率控制由燃料量控制、送风量控制、引风量控制三个子系统构成。锅炉生产燃烧系统自动控制的基本任务是使燃料所产生的热量适应蒸汽负荷的需要， 同时还要保证经济燃烧和锅炉的安全运行。 具体控制任务可分为三个方面： 一， 稳定蒸汽母管压力。 二， 维持锅炉燃烧的最佳状态和经济性。 三， 维持炉膛负压在一定范围。这三者是相互关联的。控制系统计算机仿真是对控制系统进行科学研究的一种重要手段， 通过计算机仿真来对比各种控制策略和方案， 优化并确定相关参数， 以获得最佳控制效果是多年来控制系统设计尤其是新型控制策略与算法研究中心必不可少的技术。采用 MatLab 对锅炉燃烧控制系统进行计算机仿真， 可快速方便的实现多种规则和参数的控制仿真效果，极大地提高了调节器参数整定的效率和准确性。本次设计的题目是煤粉炉燃烧控制系统的设计及仿真研究， 主要内容包括燃烧控制系统的组成；燃烧控制系统的基本方案；以及燃烧控制系统的参数整定。最后，对燃烧控制系统进行MatLab 仿真。第一章燃烧过程控制系统概述近代大电站的发展趋势是向大容量、 高参数方向发展，随着单机容量的增大，如 果再采用中间储粉仓式制粉系统将耗费更多的基建投资和运行费用， 显然在经济上是 不合算的。因此，采用直吹式制粉系统是大机组发展的方向。直吹式锅炉制粉系统采用磨煤机有钢球磨，中速磨，竖井磨和风扇磨。其中钢球 磨运用于可磨性差的煤种，运行中要求维持一定的装煤量，但适应负荷变化的能力差， 通常用于带基本负荷的锅炉。由于磨煤机在负压下工作，不会往外喷粉，工作环境比较干净。因此在实际应用 中，制粉系统通常在负压下工作。下面给出了负压直吹式制粉系统流程示意图。910图1-1负压直吹式制粉系统流程示意图1原煤仓；2自动磅秤；3给煤机；4磨煤机；5煤粉分离器；6次风箱7至燃烧器的煤粉管道；8燃烧器；9锅炉；10送风机；11空气预热器；12热风管道；13冷风管道；14高温一次风机（排粉机）；15二次风机；16冷风门；17磨煤机密封风门从直吹式制粉系统的流程示意图中，可以看出其特点：省去了细粉分离器和中间储粉仓；煤粉直接由磨煤机吹入炉膛燃烧。在直吹式锅炉运行时，制粉设备是与锅炉紧密地联系在一起的。具生产过程示意图如图1-1所示。图1-2直吹式锅炉汽压生产过程示意图在稳定运行时，进入磨煤机的原煤量等于送入炉膛的煤粉量， 并与负荷要求相适 应。一次风用于制粉及输送煤粉，一次风量的大小亦随锅炉的负荷而增减。 在煤粉直 吹制锅炉中制粉系统的自动调节是为了保证制粉系统正常运行和适应锅炉负荷的需 要，成为燃烧过程自动调节的一个组成部分。 在有中间煤粉仓的锅炉中，改变燃料量 的调节机构（给粉机）就能直接改变进入炉膛的煤粉量，因此适应负荷变换和消除燃 料扰动就比较及时，而在煤粉直吹锅炉中，改变燃料量的调节机构首先改变进入磨煤 机的原煤量和一次风量。如果在负荷改变时只改变进入磨煤机的原煤量，那么进入炉 膛的煤粉量的变化就很不及时，会使汽压有较大的变动。在锅炉的负荷不变时，制粉 系统应供应与负荷相适应的煤粉量，并应迅速消除给煤量的自发扰动。在组织直吹式锅炉燃烧过程控制系统时需注意以下几点：（1）由于燃料调节机构在磨煤机之前，制粉过程被包括在汽压调节通道中，增大 了汽压调节通道的惯性和迟延，尤其是采用装煤量大的磨煤机的制粉系统。因此，如 何在负荷变化时，能迅速有效地改变进入炉膛的煤粉量， 是组织直吹式锅炉燃烧控制 系统必需要注意的。（2）由于一次风在磨煤机之前引人，制粉系统中没有细粉分离器，一次风量对制 粉系统的正常工作影响很大。风量过大，则会造成煤粉颗粒变大，风量过小不仅影响 送粉，而且容易造成磨煤机堵塞。同时，一次风通过磨煤机后，经分支管向一组燃烧 器输送煤粉（通常是几台磨煤机同时工作），进入各燃烧器的煤粉量与其一次风量有 关。因此，如何在保证总风量与负荷成比例的同时，保证一次风压稳定，及各燃烧器 的一、二次风比例，是组织直吹锅炉燃烧控制系统时不容忽视的。1.1 燃烧控制系统原理图1-3所示为采用热量信号的燃烧控制系统 SAMAI （原理框图）。图1-4所示为 其对应的仿真方框图。该系统采用热量信号代替燃料信号的， 带氧量校正信号的“燃 料-空气”系统方案。该系统变送器斜率见附表 2。图1-3燃烧控制系统原理框图燃烧控制子系统采用热量信号 DQ作为燃料量的反馈信号，经比较器与压力调节 器输出的负荷指令LD相比较，其差值经燃料调节器后，调节进入炉膛的燃料量。负 荷指令LD与总风量信号经小值选择器，取较小者作为燃料调节的给定值，以保证动 态过程中，燃料量小于送风量。送风量控制子系统同样经大值选择器及动态补偿后的负荷指令信号， 作为给定值 调节送风量，大值选择器的作用与燃料调节子系统中小值选择器的作用相同， 即大值 选择器与小值选择器相配合，以保证负荷增加时先增加送风量，而负荷降低时先减少 燃料量。大值选择器中引入给定信号的作用， 在于防止低负荷情况下，风量过小而造 成燃烧不稳定图1-4燃烧控制系统结构图引风量控制子系统将炉膛压力 PS与给定值PS0相比较后，其差值送入引风调节器 PI4,调节引风量。在调节锅炉燃烧率时，首先由燃料和送风调节器 PI1和PI3根据负荷指令LD改 变给煤量M和总风量V,使之迅速满足燃烧及制粉过程的需要。引风调节器 PI4通 过调节引风量Vs,维持炉膛压力为给定值。1.2 燃烧控制系统的任务锅炉燃烧过程是一个将燃料的化学能转变为热能， 以蒸汽形式向设备（以汽轮机 为代表）提供热能的能量转换过程。燃烧过程控制的基本任务是调整燃烧率水平， 使 之适应外界负荷的需要，稳定蒸汽压力，并确保燃烧过程在安全经济的工况下进行。具体可归纳为以下几方面。维持蒸汽压力稳定锅炉蒸汽压力作为表征锅炉运行状态的重要参数，不仅直接关系到锅炉设备的安全运行，而且其是否稳定反映了燃烧过程中能量供求关系。在母管制运行方式下，考虑的是多台锅炉与多台汽轮机之间总的能量需求关系。以蒸汽母管压力代表这种关系。 汽压控制任务是维持蒸汽母管压力为一定值。 在单元制运行方式下， 由一台锅炉向一台汽轮机供汽， 机炉之间存在紧密联系。 锅炉的蒸汽压力值与机组的运行状态及运行方式有关。因此锅炉的汽压控制与汽轮机的负荷控制是相互关联的。保证燃烧过程的经济性锅炉炉膛压力反映了燃烧过程中进入炉膛的送风量与流出炉膛烟气量之间的工质平衡关系。炉膛压力是否正常，关系着锅炉的安全运行。若送风量大于排风量（引风机的引风量） ，则炉膛压力升高，会造成炉膛往外喷灰或喷火，压力过高时会造成炉膛爆炸的危险。若排风量大于送风量，炉膛压力下降，不仅增加引风机耗电量，而且会增加炉膛漏风，降低炉膛温度，影响炉内燃烧工况。对于燃煤锅炉，为防止炉膛向外喷灰，通常采用微负压运行。对于燃油锅炉，通常采用微正压运行，以防止炉膛漏风，使烟气中过剩空气系数上升，造成过热器管壁腐蚀。保证燃烧过程的经济性是提高锅炉效率的一个重要方面。 目前燃烧过程的经济性是靠维持进入炉膛的燃料量与送风量之间的最佳比值来保证的。 也就是要保证有足够的送风量使燃料充分燃烧，同时尽可能减少排烟造成的热损失。然而在许多情况下，对于进入炉膛的燃料量难以准确测量， 加上燃料品种的变化， 因此难以确定并维持燃料量与送风量之间的最佳比值。 因而常采用控制烟气中过剩空气系数， 或以其校正燃料量与风量之间比值的办法来保证燃烧过程的经济性。维持燃料系统正常运行燃料系统， 对于燃油锅炉来说， 包括燃油的加温及加压系统， 而对于燃煤锅炉而言， 则包括制粉及输送粉系统。 对于燃油锅炉及采用具有中间粉仓的燃煤锅炉， 燃料系统可以相互独立运行， 因而燃料系统的控制与燃烧过程的控制是相互独立的。 但采用直吹制粉系统的锅炉的燃料系统与燃烧系统是紧密联系在一起的， 因而其燃烧过程的控制， 随着锅炉燃烧率的变化， 不仅改变制粉系统的给煤量， 同时相应改变各有关风量，以维持燃烧系统的正常运行。综上所述， 燃烧过程的几项任务是不可分割的。 随着锅炉运行方式的不同， 燃料系统和燃料品种的不同， 其具体任务也有所不同。 这些都将是燃烧过程控制系统的具体组成。1.3 汽压调节对象的动态特性锅炉的燃烧过程是一个能量转换、 传递的过程， 也就是利用燃料燃烧的热量产生汽轮机所需蒸汽的过程。主蒸汽压力是衡量蒸汽量与外界负荷是否相适应的一个标志。 因此， 要了解燃烧过程的动态特性主要是弄清汽压对象的动态特性。 主蒸汽压力Pm受到主要扰动来源有二：其一是燃料量扰动，称为基本扰动或内部扰动。其二是 汽轮机耗汽量扰动，称为外部扰动。图 1-5是其生产流程示意图。它是由炉膛 1,蒸 发受热面（水冷壁）2,汽包3和过热器4,汽轮机5组成。工质（水）通过炉膛吸 收了燃料燃烧发出的热量，不断升温，直到产生饱和蒸汽汇集于汽包内， 最后经过过 热器成为过热蒸汽，输送到汽轮机做功。图1-5汽压对象生产流程示意图已知汽压被控对象的方框图如图1-6所示图1-6汽压对象的方框图Cb 70 kg/Mpa是汽包蓄热系数； CM 30 kg/Mpa是蒸汽母管容量系数；R 1.5 Mpa /1/h是过热器动态阻力系数；M 燃料量；DQ 热量信号; grPb 一汽包压力；D 一蒸汽流量；DT 一汽轮机耗气量；PM 一主蒸汽压力其中 W5(s)=1.25 3 ;(1 28s)引起汽压变化的主要扰动为以燃料量为代表的燃烧率扰动和汽轮机耗汽量代表的外界负荷扰动。以下分析在燃料量扰动下及在汽轮机耗汽量扰动下汽压对象的动态 特性。由图1-6根据梅逊公式此时汽压对于燃料量扰动的传递函数为Gb SPb SM S,1CbS %CmS1CbRgrS Cm Rgr SW5 SGm SPm SRQS 1(RgrCbCMS CbW5 SCm)SCbS CmSRgrW5 S(1-1)CbRgrSCm Rgr S(1-2)1cW5 S(RgrCbCMS Cb Cm)S由以上两式，可得Pb、Pm在燃料量扰动下的响应曲线如图1-7所示图1-7 Dt不变时汽压在燃料量扰动下的响应曲线由于燃烧率变化后（例如阶跃增加），从炉膛热负荷增加，汽水循环加强到汽压 上升，要有一个过程，所以汽压变化一开始有迟延，以后直线上升。由于燃料量增加 后燃烧所放出的热量始终大于蒸汽流量所带走的热量，因此锅炉汽压调节对象是一个无自平衡能力的调节对象。由于过热器内蒸汽流量 D不变；因而有 Pm= Pb,即Pm 与Pb以相同速度变化。Dt扰动下，Pb、Pm的传递函数为:GbTR(s)G MTDt(s)Pm(s)Dt(s)(RgrCMCbS Cm Cb)s(RgrCbS 1)(RgrCMCbS Cm Cb)s(1-3)(1-4)由以上两式可以看出, 均无自平衡能力。图Dt扰动下，Pb为反向积分特性，Pm为反向比例加积分特性。1-8所示为Dt扰动下Pb、PM的阶跃响应曲线。图1-8 Dt扰动下汽压响应曲线第二章 燃烧控制系统基本方案2.1 燃烧过程控制系统的基本组成原则在不同情况下， 燃烧过程控制的任务和对象不尽相同， 然而归纳起来， 可以看出燃烧过程控制系统组成的基本原则：1 .能迅速改变炉膛燃烧率，适应外界负荷变化。燃烧过程控制的主要任务之一是维持蒸汽压力稳定。 由对象动态特性的分析可以看出， 在外界负荷变化时， 只有迅速改变锅炉的燃烧率， 维持燃烧过程的能量平衡， 才能保持蒸汽压力稳定。 燃烧率的改变，主要是燃料量的改变，而蒸汽压力对于燃料量变化的响应，有一定的延迟时间，延迟时间 M 的大小，受燃料系统的影响较大。因此对于变动负荷锅炉，以及采用延迟时间大的燃料系统锅炉， 如直吹式锅炉， 在设计燃烧控制系统时， 如何迅速改变炉膛内燃烧率是不容忽视的。2 .能迅速并消除燃烧率扰动。燃烧率的扰动通常是指燃料量的自发扰动，这不仅影响蒸汽压力的稳定，在并列运行方式下，还会引起其它锅炉汽包压力 Pb 及锅炉负荷的变化，改变各锅炉运行工况。3 .确保燃料、送风和引风等参数协调变化。当燃烧率改变时，只有保持送风量与燃料量成比例变化， 才能保证燃烧的经济性。 只有保持引风量与送风量协调变化， 才能保证炉膛压力稳定。 因此确保燃料、 送风、 引风等参数协调变化是确保燃烧工况稳定必不可少的条件。对于以上几点， 在组成控制系统时， 需根据锅炉本身特点及燃烧过程的具体情况，有所侧重。 如对于带基本负荷锅炉燃烧系统， 比较侧重提高经济性及运行工况的稳定性；对于带变动负荷的锅炉，则比较侧重对负荷变化的响应速度，而兼顾其它。燃烧过程控制系统的基本结构燃烧过程控制系统的基本结构图如图 2-1 所示。系统由主蒸汽压力控制和燃烧率控制组成串级型系统。 其燃烧率控制由燃料量控制、 送风量控制以及引风量控制等子系统组成。各子系统相互间构成比值控制关系。压力控制的任务是维持主蒸汽压力 PM 稳定。 主控制器 PI1 根据 PM 的变化， 向燃烧率控制中各子系统发出负荷指令LD 。以使锅炉燃烧率与外界相适应。燃烧率控制的各子系统，根据燃烧率指令LD 调节炉膛热负荷，并保持燃料、送风、 引风等参数协调动作。 其中燃料量控制和送风量控制两个子系统根据燃烧率指令分别调节进入炉膛的燃料量和送风量， 保证炉膛热负荷满足外界负荷变化需要， 同时 保证燃烧经济性。引风量控制子系统根据炉膛压力 PS调节引风量，由于炉膛压力能 迅速反映送风和引风的扰动，因此根据炉膛压力调节引风量能够保证引风与送风的协 调变化，维持炉膛压力稳定。图2-1燃烧控制系统结构图2.3 单元制锅炉燃烧过程控制系统组成单元制锅炉与汽轮机之间有着密切联系，锅炉的蒸汽压力控制与汽轮机功率控制 相互关联，由单元机组协调控制系统控制。由协调控制系统根据机组运行状态，发出 锅炉负荷指令。燃烧控制系统的任务是根据负荷指令LD,调整锅炉炉膛内燃烧率。单元制运行锅炉燃烧的主要特点是：1 .单元制运行锅炉通常是大容量高参数锅炉，蓄热系数Cb较小，因此对于外界负荷的扰动，汽压变化的时间常数小，变化速度快。所以对单元制运行锅炉控制系统 的组成，要求其燃烧控制有较高的响应速度。 即负荷变化的适应能力，这对于保证汽 压稳定是十分重要的。2 .由于单元制运行锅炉没有并列方式下各锅炉相互影响的问题， 运行过程中允许 汽压在一定范围内波动。特别是在滑压方式下运行时，汽压变化范围大。因此单元制 运行锅炉燃烧控制系统的有关参数（也包括其他系统的有关参数） ，应加以温度及压 力修正，以确保测量的精确性。2.4 燃烧过程控制系统基本方案“燃料-空气”系统“燃料-空气”系统为燃烧控制系统的基本方案，其原理框图如图 2-2所示。主 调节器PI1接受主蒸汽压力信号 Pm,根据Pm与给定值PM0的偏差，给出负荷指令 LD。燃料调节器PI2和送风调节器PI3根据负荷指令LD,分别调节燃料量M和送风 量V。引风调节器PI4接受炉膛压力信号Ps,通过调节引风量Vs确保炉膛压力为给定值。图2-3燃料一空气系统等效框图(2-1)(2-2)(2-3)由于均采用比例积分规律调节器，静态时有：Pmo-Pm=0LD-KvV=0LD-KmM=0(2-4)PS0-PS=0显然，控制过程结束后，主蒸汽压力Pm与炉膛压力Ps均等于给定值。由式（2-2） 及（2-3）两式，可得：MLD1kM(2-5)kv(2-6)即：燃料控制与送风控制两个子系统为比值控制系统。具作用是保持燃料量与负 荷、送风量与燃料量之间的比值关系不变。式中 Km, Kv为燃料量与送风量的反馈系 数。该方案的优点是结构简单，整定方便。由于直接以燃料量信号代表燃烧率与负荷 指令LD相平衡，因此在外界负荷变化时，能迅速改变燃料量，保持汽压稳定。然而该方案燃料量控制与送风量控制的精度， 依赖燃料与送风的准确测量。当发 生燃料侧扰动，即燃料量自发改变和燃料品种变化， 需由主汽压力调节器PI1改变负 荷指令LD来消除。这对汽压稳定是不利的。而且无法保证风 -煤之间最佳比值。利用热量信号的燃料调节系统对于煤粉锅炉，直接测量进入炉膛燃烧的煤粉量目前还有困难，或者很难做到精确计量，因此如何迅速准确地测量进入炉膛的煤粉量，是研究直吹式锅炉的难点。直接用燃料量作为调节的信号是不准确的。 这样又研究出用热量信号来间接代替 燃料量信号。因为燃料量发生变化后，炉内燃料燃烧产生的热量就要变化， 它不仅影 响锅炉的蒸发量，也将使汽压发生变化，引起锅炉的蓄热量随之发生变化。 而蓄热量 的变化和汽压的变化速度成正比。 所以用蒸汽量和汽压的变化速度适当地综合， 就可 以代替燃料量。这样热量信号可用下式表示：DQ=D+Cb-dpb（2-7）式中Dq一热量彳9号；D一蒸汽流量；Cb锅炉的蓄热系数；Pb蒸汽压力；t一时间。由于式（2-7）中所采用的是理想彳散分,所以按式（2-7）组成的信号又被称作理 想热量信号，记作Dq理。图2-4给出了理想热量信号在不同情况下的响应曲线。图中 （a）为Dq对于燃料量扰动的阶跃响应曲线，（b）为汽轮机耗汽量Dt扰动下Dq的阶跃响应曲线。显然，不 论蒸汽流量D和汽包压力Pb在各扰动下如何变化，Dq都能正确反映照料量的变化。(a)(b)图2-4热量信号在各种扰动下的响应曲线2.实际热量信号组成若以实际微分代入式（2-7）组成热量信号时，信号在负荷扰动下的阶跃响应曲 线如图2-5所示。不难看出，由于汽包压力的实际微分信号带有惯性延迟，不能完全抵消蒸汽流量 信号的变化，因此，以此组成的热量信号不能正确反映外扰下的燃料量的变化然而，若引入蒸汽流量的负向实际微分信号， 以补偿汽包压力微分的惯性迟延部分，则可使热量信号在燃料量不变而负荷改变的情况下保持不变。这就是实际热量信号，记作Dq实。即Dq实CbTdKdS1 TdSPbTdKdS D 1 TdS(2-8)式中d为蒸汽流量信号的分流系数若调整d,使Kd d=1,同时，令Cb CbKdTd,则有:Dq实 DCbS1TdSPbTdS1 TdS1TdSCbSPb(2-9)比较式（2-8）和式（2-9）两式，实际热量信号Dq实相当于理想热量信号 DQ理与惯性 环节的串联。由于热量信号是根据蒸汽流量 D和汽包压力Pb的变化反映炉膛发热量， 所以它不仅能反映燃料量的变化，而且可以反映燃料品质的变化。带氧量校正信号的“燃料-空气”系统实际上，由于燃料品种的变化，燃烧工况的改变以及测量上的问题， 即使这两个 流量的信号成固定比例，也不一定能保证燃烧的最佳条件。而烟气中的含氧量是检查 燃料量和送风量是否恰当配合的重要指标， 因此在上面的系统中，在燃料量与送风量 基本上成比例的基础上再利用烟气中的含氧量来校正送风量，就能更有效地保证燃烧的经济性。图2-6是利用氧量信号作为经济燃烧校正信号的燃烧调节系统。该系统与 图2-2系统的不同点就是加入了氧量的校正信号，以弥补单纯采用热量信号来校正的 不足。M图2-6带氧量校正的燃料-空气系统图2-7带氧量校正的“燃料一空气 ”系统等效框图与“燃料-空气”系统相比，此方案的送风量控制采用用级型比值控制系统，弓I 入锅炉烟气含氧量信号 02,经校正调节器PI5,对燃料量与送风量之间的比值进行 校正。由于烟气含氧量代表烟气中过剩空气系数。保持一定过剩空气系数，即保证了 总燃料量与总风量之间的最佳比值。最佳烟气含氧量与负荷有关，通常随负荷增加而 略有减少。因此以代表锅炉实际负荷的蒸汽流量信号D经函数转换器后，作为烟气最佳含氧量的给定值。由于烟气含氧量的测量有较大的惯性延迟，因此氧量校正回路的工作频率通常低 于送风量调节回路。当燃料量依负荷指令 LD而改变时，送风量调节器PI3同时按比 例改变送风量。以减少动态过程中风-煤比例失调。随着燃料量调节过程的结束，燃 料量M基本稳定。由调节器PI5根据烟气含氧量信号02,对送风量进行细调。确保 烟气含氧量为最佳值，即间接保证了燃料量与送风量之间的最佳比值。为减少送风量改变时送-引风之间动态失调而造成炉膛压力 Ps波动，自送风调节 器PI3的输出经动态补偿装置，向引风量调节 PI4引入一前馈信号，动态补偿装置通常采用微分器，以保证静态时炉膛压力 Ps等于给定值。第三章燃烧控制系统的参数整定根据燃烧控制系统的组成和工作原理可知，燃烧控制系统由主蒸汽压力控制和燃 烧率控制组成审级控制系统。主蒸汽压力控制回路可看作系统的主回路，燃烧率控制 可视为系统的内回路。燃烧率控制回路是由多个并列的子系统组成的多参数比值系 统，按照压力调节器（主调节器）给出负荷指令（燃烧率指令LD）,控制燃料、送风、 引风、各量成适当比值变化，以保证炉膛发热量与负荷指令相适应，因此，若以其中 某一参数代表燃烧控制回路，则燃烧控制系统可被视为典型的审级控制系统，如图 3-1所示。图中PI1为主汽压力调节器，PI2代表燃烧率调节器。若以燃料量控制子系 统代表燃烧率调节回路，则子系统的反馈信号代表燃烧率信号。当系统采用“燃料 空气”系统方案时，燃烧率信号为燃料量信号。如采用热量信号代表燃料量信号时，3.1 燃烧控制系统整定原则由于燃烧系统的组成综合了审级控制系统及比例控制系统等结构特点，其系统的整定应按照审级控制系统及比值控制系统的原则进行。同时，燃烧控制系统的整定， 还必须考虑燃烧特点，整定过程要保证燃烧过程安全经济的情况下进行。按照审级系统先整定内回路再整定外回路的原则，其主蒸汽压力控制回路的整 定，应在燃烧率控制各子系统完毕，并已投入自动情况下进行。考虑到主蒸汽压力是 关系到锅炉安全运行的重要参数，因此在其控制回路整定过程中，应该保证汽压不致 大幅度波动。其整定的品质指标，应该保证调整过程有足够的时间，通常其衰减率 眸0.9,即调节过程基本不出现振荡。在组成燃烧控制回路时，通常强调适应负荷变化 的能力，即随着负荷指令LD的变化，能迅速改变燃烧率。因此燃烧率控制回路，作为整个系统的内回路，原则上应该按照随动系统的快速性原则进行整定。通常各子系统衰减率W=0.75o考虑到燃烧过程中引风量为送风量的从动流量，而送风量为燃料量的从动量，因 此，为保证整定过程中燃烧过程能安全经济运行， 应先整定从动流量的调节系统， 并 按此顺序将各子系统投入自动状态。即燃料控制系统的整定应在送风和炉膛压力控制 系统投入自动的情况下进行整定。送风控制系统应在炉膛压力调节系统投入自动的情 况下进行整定。3.2 燃烧控制系统的工程整定实际工作中，燃烧控制系统的整定通常采用工程整定的方法， 下面以某直吹式高 压锅炉燃烧控制系统为例介绍其工程整定法。燃烧过程的参数整定的步骤为：先整定 炉膛压力子系统，再整定送风控制子系统，最后整定燃料量子系统。以下按此步骤进 行具体说明。炉膛压力控制系统参数整定炉膛压力控制系统的任务是保证引风量与送风量协调变化，维持炉膛压力为给定 值。一般燃煤锅炉的炉膛压力保持在-2mmH2O左右，即处于负压状态。炉膛压力控制系统的整定包括调节器参数s、Tis和前馈支路中v的设置。炉膛压力控制系统的等效框图如图3-2所示，图中Wi(S)为送风扰动下炉膛压力Ps的传递图3-2炉膛压力控制系统等效框图首先确定调节器的正反作用。用六边形法则判断炉膛压力调节器Wpi(S)的正反作用开关I 0pspspsVsvsWpi(S)为正作用调节器参数s、Tis按广义被控对象W0(S)的特性整定。炉膛压力在内扰下的动 态特性Wo(S)基本上是一个比例环节。对于此对象一般采用 PI规律的单回路控制系 统，闭环系统特征方程为：H(s)=1+ W0(S)Wpi(S)=0(3-1)式中Wo(S)=Ko ,i111Wpi(S尸 Kps(1 ) = (1-)Tis ssTis s代入式(3-1),可得特征方程的根:KoKpss Ti(1 KoKps)(3-2)显然，Kps取任何值时，闭环调节过程都是非周期过程。调节器参数Tis越小，Kps越大特征方程负实根越大，调节过程越快。对于热工生产过程控制而言，调节器大多数带有比例积分调节规律， 只有对那些 惯性大有延迟的对象，才在比例积分的基础上加入微分调节作用。 工程中往往采用临 界比例带法，衰减曲线法，动态参数法和经验法来对调节器的参数加以整定。本设计选用衰减曲线法对所涉及的调节器进行整定。依照率减曲线法，置调节器的积分时间 I 一 ，微分时间Td -0,比例带 为一 稍大的值；将系统投入闭环运行。逐渐减少比例带值，并再次试验，直到过渡过程曲线出现4: 1的衰减过程。记下此时的比例带s%,率减振荡周期Tso查附表1可得： =1.2* s%=8%T =0.5* Ts得炉膛压力控制系统调节器传递函数：WPI4(S)=0.002s 10.002* 0.08s炉膛压力控制系统仿真方框图如图3-3所示，仿真曲线如图3-4所示图3-3炉膛压力控制系统调节器WPI4(S)参数整定仿真框图图3-4炉膛压力控制系统调节器 WPI4(S)参数整定仿真响应曲线在热工控制系统中，由于被控对象通常存在一定的纯滞后和容积滞后，因而从干 扰产生到被调量发生变化需要一定的时间。从偏差产生到调节器产生控制作用以及操 纵量改变到被控量(被调量)发生变化又要经过一定的时间，可见，这种反馈控制方 案的本身决定了无法将干扰对被控量的影响克服在被控量偏离设定值之前，从而限制了这类控制系统控制质量的进一步提高。考虑到偏差产生的原因是干扰作用的结果， 如果直接按扰动而不是偏差进行控制。 也就是说，当干扰已出现调节器就直接根据检 测到的干扰大小和方向按一定规律去进行控制。由于干扰发生后被控量还未显示出变 化之前，调节器就产生了控制作用，这在理论上就可以把偏差彻底消除。 按照这种理 论构成的控制系统称为前馈控制系统。炉膛压力控制系统是一个“前馈-反馈”复合控制系统。前馈支路中参数 V的整定，按不变性原理进行，由图 3-2,在送风量V扰动下,Ps的传递函数W(S)为W(S)=PS SW1sVWO SVS 1WPISWO s(3-1)根据不变性原理：令 W(S)=0,则:W1 SWO S(3-2)依照任务书名&定传函：W1 SPs SV S0.61 0.05SWO SPS SVTs-11 0.05SV =0.6(3-3)由以上计算可得送风V扰动下炉膛压力控制系统的仿真方框图如图3-5所示。送0.080.002s0 .05*1 1+U.002S+10.0-55+1町M费压期送器0. 125图3-5送风扰动下炉膛压力控制系统仿真方框图风V扰动下Ps响应曲线如图3-6所示。由图可以看出，炉膛压力在送风扰动下经过 几次振荡最终回到零，说明炉膛压力控制子系统能够克服送风量扰动， 有很好的控制 效果图3-6送风扰动下炉膛压力Ps响应曲线送风控制系统的参数整定送风控制系统的方框图如3-7所示。系统包括送风量控制回路、氧量校正回路和 前馈调节回路。此系统为一带前馈作用的审级系统，由于送风系统是一快速响应系统， 而氧量变化要慢，故可按照先内后外的整定原则，先整定送风量调节回路，再整定氧 量校正回路，最后确定前馈调节器的参数。送风量调节器 Wi3（s）正反作用的确定，依据六边形法则判断为，V V IT V VWPi3(S)为正作用V图3-7送风控制系统方框图送风量调节回路中，送风子系统被控对象是送风挡板（ 亚）。此系统闭环后不会产生振荡，故不能用衰减振荡法及动态参数法整定，而采用经验法选择PI的参数。经过反复调试，送风控制系统 PI调节器传递函数为：WPI3(s)= 15s 200015s送风控制系统的仿真方框图如图 3-8所示。其响应曲线如图3-9所示图3-8送风控制系统调节器WPI3（s）参数整定仿真方框图1T1-4-T*-aLr - 1 r - 1 r i rr-!a一i111Ii.aID20304050图3-9送风控制系统调节器 WPi3（S）参数整定仿真响应曲线氧量校正调节器 WPI5（S）正反作用的确定，依据六边形法则判断为,。2已知：O2V。2% 。2O2WPI5（S）为正作用W3(S)K32(1 T3S)21.81.822(1 29S)2841s2 58s 1(3-4)送风内环可近似为1/0.05=20,则氧量校正回路可近似为图 3-10图3-10氧量校正回路近似框图此时，闭环系统的w3 = 20*1.8841s2 58s 1设PI调节器的TiScopel图3-11加入氧量调节器的送风系统仿真方框图,Td-0,选 至此系统产生4: 1振荡，记下此时s=1.83,1二440。则PI调节器的参数应为：=1.2* sTi =0.5* Ts =0.5*440=220即:220S 1WPI5（S）=220 2.2S将此氧量校正调节器放入系统中，此时的SIMULINK仿真方框图如图3-11所示, 系统的阶跃响应曲线如图3-12所示Scope图3-13负荷扰动时送风控制系统仿真方框图（未加前馈）4% 0.01 mA0.0050LD 2mA 1n八5B!9*_ .期V1F1|1 1 a .i15010D1502Q0250f/s图3-14负荷扰动时送风控制系统输出曲线（未加前馈）0.1384137十 58s*1叫15S+2000J 14|口Displaytouei氢量亚去器风量受遇黑图3-15流量系数 d整定仿真框图图3-16流量系数 D整定仿真曲线前馈信号的作用是作为送风量的给定值。由图 1-4所示，燃料调节系统中，由热量信号DQ与负荷指令LD相平衡。静态时:结合送风调节:因此:(3-6)(3-7)LD- d=VV VD 二LD D可根据试验求得 口。在系统调节器的参数整定好后，对系统做负荷扰动试验, 仿真框图如图3-15所示，输出曲线如图3-16所示。当LD=2mAe,由图可得:VLD0.1408Pa2 mA0.704(3-8)3-17所示。加入比未加时小得多，说明加入前馈调节器后系统的性能比未加入时要好加入前馈后做负荷扰动实验，观察响应曲线，仿真方框图如图前馈后系统在负荷扰动下的响应曲线如图3-18所示。对比未加前馈的负荷扰动曲线图3-14后可以看出，加入前馈调节器后，系统的响应速度加快了。而且前馈的加入 可以使系统提前动作，更好地改善系统的性能。因此，加入前馈调节器后系统的波动:口Scopsl图3-18加入前馈后系统的响应曲线为了研究负荷扰动下风量是否成比例，本文对风量的响应曲线进行了对比，图 3-19和图3-20给出了仿真方框图和响应曲线。图3-20负荷扰动下送风量变化曲线(3-9)(3-10)(3-11)从图3-20可知，当负荷阶跃扰动成比例增加时，风量响应曲线也成比例上升，但 恢复稳定的时间基本不变。燃料控制系统的参数整定燃料量的测量目前尚无成熟方法， 燃料控制系统采用热量信号作为反馈信号， 不 仅反映燃料量的变化而且可以反映煤质的变化。因此，系统的整定需首先整定热量信 号Dq0热量信号的整定在于选择微分器参数 Td、Kd0整定的方法按内扰特性或外扰 特性整定。按内扰特性整定时，要求热量信号 DQ能准确反映燃料量的变化。按外扰 整定时，则根据外扰热量信号不变原则整定 Td、Kd0由于按外扰信号整定比较简便， 因此采用比较普遍。根据前面对于热量信号的分析，在负荷扰动时，热量信号Dq不变，即有：d pb cDQ= D+Cbb =0dt由此可得:t1DdtCb -20-Pb(t0) Pb(t1)由图1-2可知，本系统所采用的热量信号按理想热量信号形式组成，即:DQ=D+Wpb1 TdS比较式(3-9)与式(3-11)两式，若忽略惯性的影响，则:KDTD=Cb(3-12)已知Cb=70smA/mA,由于Kd越大，则微分器特性越接近理想微分，因此， Kd 值取最大值;Kd=10，则:Td=7s。燃料调节器的参数整定方法仍用衰减曲线法。得到WPi2(S)的传递函数如下：WPI2(S)=0.3s 10.5*0.3s热量信号对于燃料量扰动的仿真方框图如图3-21所示Drsplay图3-21燃料量扰动下热量信号仿真方框图热量信号在燃料量扰动下的响应曲线如图3-22所示。可知，该曲线基本能够正确反映燃料量变化。3.2.4主蒸汽压力调节回路的参数整定燃料控制系统整定完成后，仍采用衰减曲线法对压力调节器WPii(s)的参数进行整定。经过反复试验，得到 PI调节器的传递函数为：wpi i(s)=200s 12.2* 200s燃烧率调节回路可看作主蒸汽压力调节回路中的一个环节，主蒸汽压力调节回路响应曲线如图3-24所示。汽起压力宠送军图3-23主蒸汽压力调节回路仿真框图图3-24主蒸汽压力调节回路响应曲线3.3 汽轮机耗汽量Dt扰动下系统仿真3-25所示，汽轮主蒸汽压力调节回路在汽轮机耗汽量扰动下的仿真方框图如图机耗汽量扰动下输出曲线如图3-26所示。200S+12.2x20Os母营压力变送器LD0.3sf 1O.T0,3S7Qt70170suas1/J067 |! P H | iife m r t i i i 0041 : L|i餐 1b 1 I i * 卡 | 4 M*aoaV:ti*1:TA11 7q_ . 一S/ t! ! IB !-1I ii1A-席 4fit1; :/，4 *QO2III 1 I 4 li Ji | k i| f 4 il |itl . 1 % I 1 . |i ri . iF i| . 1 J | 1 M 4 |声i : / JJIlliiiikIt 1 4 14 |i i g f |10500-10M115002000250030003500t/s图3-35 Dt扰动下炉膛压力控制子系统响应曲线由图3-34和3-35可以看出当汽轮机耗汽量发生扰动时，各子系统也会受到影响。 送风控制系统可以克服扰动最终达到稳定，只是调节时间较长。对于炉膛压力控制系 统，虽然可以最终达到稳定，但系统却产生了偏差，炉膛压力控制子系统最终稳定在 了一个新的值。说明汽轮机耗汽量的扰动会对炉膛压力控制子系统产生一定的影响。综上所述，当主系统有变化时必然影响子系统， 而当子系统有变化时，对主系统 没有影响。这是因为，整定时按照先子系统后主系统的顺序进行整定的， 所以子系统 不会对主系统产生影响（即送风、引风系统是从动系统，而主蒸汽压力控制系统是主 动系统）。结论本文根据燃烧系统的原理即动态特性， 对影响蒸汽压力的几个重要参数分别进行整定。 由整定过程可以看出燃烧控制系统中各控制量的关系及相互间作用， 它们构成了一个密切联系的整体。燃烧系统控制方法一般从燃料量、送风量、炉膛压力几个方面控制主蒸汽压力，而它们彼此间又相互影响。 在本文中根据任务书的基本要求做出燃烧控制系统基本方案介绍和各子系统的仿真及整个燃烧控制系统的仿真研究， 仿真结果表明这种控制系统能够快速响应机组负荷指令变化，有效克服锅炉燃烧率扰动和汽轮机耗汽量DT 的扰动影响，改善机组负荷跟踪性能，提高机组运行经济性。而且系统结构简单，易于工程实现。相信不久的将来还会有更先进的控制方法使燃烧系统更加完善。由于设计时间有限， 加之本人的能力有限， 在设计中不免会存在漏洞和问题， 希望各位老师能给予指导和纠正，本人将虚心接受并予以改正。1 李遵基热工自动控制系统北京中国电力出版社1997： 139-1802 张玉铎 , 王满稼 . 热工自动控制系统. 水利电力出版社. 1990： 142-1953 胡寿松自动控制原理北京科学出版社2001： 50-1604 黄忠霖 控制系统 MATLAB 计算及仿真 北京 国防工业出版社 2001： 250-2955 金以