锅炉燃烧系统的控制系统设计.doc

宁波工程学院过程控制期末论文 10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1，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；单回路控制；Control system design of the boiler combustion systemAbstract: The boiler is important and basic equipment of the thermal power plant, one of the main output variable is the main steam pressure. The task of the automatic adjustment of the main steam pressure is to maintain the superheater outlet temperature within the allowable range, to ensure the safety and economy of the unit operation. The boilers produce high pressure steam can be used as a source of power-driven turbine, but also as a distillation, drying, reaction, heating and process heat source. With industrial production expanding, as a filter for power and heat, but also toward the high-capacity, high-parameter, high-efficiency direction. In the control algorithm, the integrated use of single-loop control, cascade control, ratio control, the control method of fuel control to adjust the vapor pressure, air volume control to adjust the flue gas oxygen content, the wind control the furnace negative pressure, and effectively overcome each other disturbances so that the whole stability of the system.Key words: Boiler; Vapor pressure; Single-loop control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。1)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，同时保证燃烧的经济性、安全性2。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 锅筒水位 减温水量 过热蒸汽温度 燃烧量 锅炉设备 蒸汽压力送风量 过剩空气引风量 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环节。如何合理地控制锅炉和汽轮机的各自出力3，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）能与燃料量满足一定比例关系，使燃烧过程充分，从而以最经济4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 =QpQt (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 =2121-A=1+A21-A （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济燃烧，根据烟气含氧量与蒸汽流量（负荷）之间的近似关系，获得当前负荷条件下的烟气含氧量设定值。氧含量成分控制器再根据该最佳值对过剩空气量进行校正，使锅炉在不同负荷下始终处于最优过剩空气量下运行，从而保证锅炉燃烧的经济性最高，热效率最高。2.3 炉膛压力控制为了保证炉膛安全，一般要求炉膛压力略低于大气压力，保持在微负压；-8-2mmH2O(1mmH2O=9.80665Pa)。若炉膛负压太小，炉膛内热烟气甚至火焰会向外冒出，危机人员设备安全；若炉膛负压太大，冷空气进入炉内，使热量损失增加，热效率降低。炉膛压力控制可以通过调节烟道引风机开度来改变引风量，维持炉膛负压一定。但由于炉膛压力不仅受到引风量的影响，还对送风量很敏感，特别是当锅炉负荷变化较大时，送风量变化会引起炉膛负压的较大波动。为此，引入送风量FiT作为前馈信号，与引风量FoT单回路控制系统共同构成前馈-反馈复合控制系统，从而有效维持引风量与送风量之间的平衡关系，其控制结果原理如图2-4所示。图2-4 炉膛负压控制系统2.4 安全保护系统燃烧嘴背压大小直接影响到燃料给入系统的安全。燃料嘴背压过高，容易引起脱火现象；燃烧嘴背压过低，会导致回火。为避免上述现象，在蒸汽压力控制系统中增加安全保护措施，如图2-4所示。在燃料嘴背压正常的情况下，由蒸汽压力控制器PtC控制燃料给入量，维持主蒸汽压力稳定；当燃烧嘴背压过高时，背压控制器PrC通过低值选择器LS，减小燃料阀开度，降低背压，避免发生脱火；当燃烧嘴背压过低时，有PSA系统带动联锁装置，切断燃料上游阀门，避免回火引发事故。3过热蒸汽温度控制系统过热蒸汽系统由一级过热器、减温器、二级过热器构成。其中，过热器工作在高温高压条件下，过热器出口温度是全厂设备温度的最高点，在正常运行时已接近材料允许的最高温度。如果过热蒸汽温度过高，容易烧坏过热器，还会引起汽轮机内部零件过热，影响生产过程顺利进行；过度过低则会降低全厂热效率，引起汽轮机叶片磨损。因此，必须对过热蒸汽温度加以严格控制，一般电厂锅炉要求过热蒸汽温度偏差保持在5以内。影响过热蒸汽温度的因素较多，如蒸汽流量、燃烧工况等。表3-1列出了几种扰动对过热蒸汽温度的影响。由于过热蒸汽系统是由多个热交换设备构成，因此，系统除存在较多干扰因素外，还具有较大的容量滞后，这给控制带来困难。一般，过热蒸汽系统可用KTs+1e-s来近似。根据减温器类型不同，、T取值也有所不同，如表面式减温器的参数为60s，T=100s。表3-1 过热蒸汽温度和扰动因素关系 扰 动 因 素 温度变化/ 锅炉负荷10% 10 炉膛过量空气系数10% （10-20） 给水温度10% （4-5） 燃煤水分1% 1.5 燃煤灰分10% 5 目前，广泛采用减温水流量作为控制量，实现对过热蒸汽温度的调节。但该控制通道的容量滞后较大，仅采用单回路控制系统不能满足生产要求。为改善控制质量，采用减温器后蒸汽温度T2与过热蒸汽温度T1构成串级控制，如果3-1所示图3-1 过热蒸汽温度串级控制可见，主回路以维持过热蒸汽量温度稳定为目标。副回路中，T2能发现反映减温水压力等扰动对蒸汽温度的影响，并通过副回路控制器T2C及时抑制这些扰动。需注意的是，该串级控制方案使用的前提条件是减温器出口允许安装测温元件。4 机炉协调控制单元机组由锅炉和汽轮机构成，其控制任务是及时适应外界负荷需求，并保持主汽压稳定。由于锅炉和汽轮机在动态性能上存在较大差异，使单元机组控制存在困难。汽轮机是个快变对象，当电网负荷改变时，只要改变控制阀的开度，就可以迅速改变蒸汽量，立即适应负荷要求；而对于锅炉，在负荷变化时，即使立即调整了燃料量和给水量，由于燃烧过程和过热系统所具有的大容量滞后是时滞，使供给汽轮机的蒸汽量并不能立即变化。因此，如果汽轮机的进气阀开度已改变，流入汽轮机的蒸汽量也随之改变，而锅炉提供的蒸汽量还未变化，就需要利用主汽压力的改变来弥补这种供需差额，从而导致主汽压力产生较大的波动。可见，提高机组的适应能力和保持汽压稳定这两个控制目标之间存在着矛盾。为适应电网负荷变化，根据单元机组的结构特点，设计出三种不同的负荷控制5方式：炉跟机运行方式、机跟炉运行方式和机炉协调运行方式。4.1 炉跟机运行方式当出力指令变化时，首先通过调节蒸汽控制阀，改变蒸汽机进气量，使发电机输出的功率与出力指令一致，以迅速满足电网负荷要求。同时，蒸汽控制阀开度的改变，使主蒸汽压力也随之改变。主蒸汽压力作为锅炉燃烧控制的主要信号，将通过改变燃料量来保持器稳定，并跟踪汽轮机的负荷变化。显然，这种控制方式是先有汽轮机跟踪外界负荷需求，再让锅炉跟随汽轮机的变化。因此，称为“炉跟机”方式，其原理图如图4-1所示图4-1 炉跟机运行方式这种控制方式充分利用了锅炉的蓄热能力，使机组能较迅速地跟踪出力指令的变化。在出力指令变化比较小时，锅炉的蓄热能力可以满足快速反应需求；但当出力指令变化比较大时，由于锅炉的蓄热能力有限和锅炉的大惯性特性，使主蒸汽压力波动比较大，不能及时满足汽轮机负荷需求，不利于锅炉的安全运行。因此，它适用于参加电网调频的机组。4.2 机跟炉运行方式 根据电网负荷要求，直接控制锅炉的燃料量。锅炉受热量的变化，引起主蒸汽压力改变。汽轮机压力控制器通过调节蒸汽控制阀开度来维持主蒸汽压力稳定，同时改变机组出力，使发电机组出力适应电网负荷需求。显然，这种控制方式是先有锅炉跟踪外界负荷需求，再让汽轮机跟随锅炉的变化。因此，称为“机跟炉”方式，其原理如图4-2所示图4-2 机跟炉运行方式4.3 机炉协调运行方式为兼顾锅炉和汽轮机对电网负荷的适应能力，出力指令和主蒸汽压力信号同时作用到汽轮压力控制器过来了控制器，如图4-3所示。这种控制方式既避免了“炉跟机”方式中调用锅炉需热量过大而导致过大的主蒸汽压力波动，又克服了“机跟炉”方式中负荷变化响应缓慢的缺点。图4-3 机炉协同运行方式当电网负荷增加时，出力指令通过汽轮机压力控制器，增加汽轮机的进气量，充分利用锅炉蓄热能力。同时，出力指令作用到锅炉控制器，使燃料增加，加大锅炉的出力。由于锅炉的容量滞后较大，所以其蒸汽量增加的速度不能及时满足汽轮机需求，导致主蒸汽压力降低。而主蒸汽压力变化又同时作用到汽机压力控制器和锅炉控制器，一方面使锅炉的燃料量进一步加大，另一方面减小蒸汽控制阀开度6，限制主蒸汽压力的下降幅度。这种运行方式还可以有效抑制锅炉自身扰动引起的出力波动。当锅炉燃料量自发增加时，主蒸汽压力升高，通过锅炉控制器减少燃料量，同时通过汽轮机压力控制器加大蒸汽控制阀开度，增加汽轮机进气量，从而迅速抑制主蒸汽压力的波动。可见，这种运行方式综合了“炉跟机”和“机跟炉”各自的优点，兼顾了出力需求和主蒸汽压力稳定两方面，能确保机组在安全的前提下最大限度地适应负荷的需要。5 结论 本文对锅炉的燃料控制进行了阐述，从主蒸汽压力到经济性的燃烧以及炉膛压力的控制。对电厂的燃煤锅炉控制进行了解，产生了一种更经济的方式来节省能源以及能量的最大化利用。对火力发电厂中，锅炉和汽轮发电机组的采用一机一炉方式，保持一定的平衡，作为一个整体分析，否则会影响系统的正常运行。对锅炉的燃烧系统的温度控制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性和锅炉的安全性，从蒸汽压力控制系统，经济燃烧控制系统炉膛负压控制系统等方面进行了比较，从而得出了最优的经济性的燃烧方案，对经济生产中有很大的作用。 对过热蒸汽系统的研究来确定它的最优在正常时的材料允许的最高温度。如果过热蒸汽温度过高，容易烧坏过热器，还会引起汽轮机内部零件过热，影响生产过程顺利进行；过度过低则会降低全厂热效率，引起汽轮机叶片磨损。因此，必须对过热蒸汽温度加以严格控制，一般电厂锅炉要求过热蒸汽温度偏差保持在5以内。单元机组由锅炉和汽轮机构成，其控制任务是及时适应外界负荷需求，并保持主汽压稳定。为适应电网负荷变化，根据单元机组的结构特点，设计出三种不同的负荷控制方式：炉跟机运行方式、机跟炉运行方式和机炉协调运行方式。全面综合的阐述了电厂发电的燃烧温度控制，对机组运行的工作方式来获得最优的经济燃烧方案，这对当今特别是夏季高温电力紧缺的情况下如何能利用现有的资源来获取更多的电力有很多的参考作用。参考文献：1 郭一南.过程控制系统M.北京：机械工业出版，20092 何衍庆.工业生产过程控制M.北京:化学工业出版社，20043 金以慧.过程控制M.北京：清华大学出版社，19934 王树青.工业过程控制工程M.杭州：浙江大学出版社，20035 张永德.过程控制装置M.北京：化学工业出版社，20066 孙优贤.工业过程控制技术:应用篇M.北京：化学工业出版社，2006