《锅炉燃烧控制系统》PPT课件

第三章 锅炉燃烧控制系统 1 第三章 锅炉燃烧控制系统 3.1 锅炉燃烧过程概述 3.2 中储式锅炉燃烧控制策略 3.3 中储式 锅炉燃烧控制系统实例 第三章 锅炉燃烧控制系统 2 3-1 概 述 第三章 锅炉燃烧控制系统 3 一、燃烧控制系统的基本任务 电站锅炉燃烧过程实质是将燃料化学能转变为蒸汽 热能的能量形式转换过程。燃烧过程控制的根本任务是 使燃烧所提供的热量适应锅炉蒸汽负荷的需要，并保证 锅炉安全经济运行。 1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 。 在单元机组中 ， 锅炉 蒸汽压力控制与汽机负荷控制是相互关联的 ， 锅炉燃烧 控制系统的任务是及时调整锅炉燃料量 ， 使锅炉的能量 输出与汽机为适应对外界负荷需求而需要的能量输入相 适应 ， 其标志是蒸汽压力的稳定 。 第三章 锅炉燃烧控制系统 4 2保证燃烧过程的经济性 保证燃烧过程的经济性是提高锅炉效率的重要方面 ， 它是通过维持进入炉膛的 燃料量与送风量之间的最佳比 值 来实现 ， 即在有足够的风量使燃料得以充分燃烧的同 时 ， 尽可能减少排烟造成的热损失 。 3维持炉膛压力稳定 锅炉炉膛压力是否稳定反映了燃烧过程中进入炉膛 的风量与流出炉膛的烟气量之间的工质平衡关系 。 若送 风量大于引风量 ， 炉膛压力升高 ， 太高的压力会造成炉 膛向外喷火；反之 ， 送风量小于引风量炉膛压力下降 ， 过低的压力会造成漏风而降低炉膛温度 ， 影响炉内燃烧 工况 ， 经济性下降 。 所以说 ， 炉膛压力是否在允许范围 内变化 ， 关系到锅炉的安全经济运行 。 第三章 锅炉燃烧控制系统 5 锅炉燃烧过程的上述三项控制任务是不可分开的， 它的三个被控参数（被调量）（即蒸汽压力、过剩空气 系数或最佳含氧量、炉膛压力）与三个调节量（即燃料 量、送风量、引风量）间存在着关联。因此燃烧控制系 统内的各子系统应协调动作，共同完成其控制任务。 二、汽压被控对象的动态特性 （ 1）燃烧率扰动下的汽压动态特性。 保持汽机调节阀 开度 不变，阶跃变化燃料量 M： Tm () 1 Mb M B sMB b PKW s e M T s t-=? + () 1 MM M T sMT b PKW s e M T s t-=? + 第三章 锅炉燃烧控制系统 6 燃料量扰动下的汽压对象的动态响应曲线 第三章 锅炉燃烧控制系统 7 （ 2）汽机调门开度扰动下的汽压动态特性 汽机调节阀开度扰动下的汽压响应曲线 锅炉燃料量不变，汽机调门开度阶跃变化。 第三章 锅炉燃烧控制系统 8 () 1b T BTB Tb PKWs Tsm=? + 1( ) ( )1M T MTM TbPKW s K Tsm= ? + + 三、燃烧控制系统组成的基本原则 （ 1） 燃烧控制系统在外界负荷需求改变后应立即 改变锅炉的燃料量 ， 维持燃烧过程的能量平衡 。 然而 ， 主蒸汽压力对燃料量的响应呈现较大的迟延和惯性 ， 特别是采用直吹式制粉系统的燃烧过程 ， 如何迅速改 变燃烧率至关重要 。 第三章 锅炉燃烧控制系统 9 （ 2）燃烧控制系统应能迅速发现并消除燃料量的自发 扰动，维持主汽压力稳定。 （ 3） 当外界负荷需要改变时 ， 锅炉的送风量和引风量 应与燃料量协调动作 ， 使锅炉燃烧经济性指标及炉膛压 力参数保持平衡 ， 即锅炉燃烧工况的稳定 。 （ 4） 对于单元制运行的锅炉允许主汽压力在一定范围 内波动 ， 特别是滑压运行时汽压变动范围更大 。 故 ， 系 统中有关参数应加以温度和压力的修正 ， 以提高参数测 量的精确性 。 第三章 锅炉燃烧控制系统 10 四、燃烧过程自动控制系统的基本方案 （ 一 ） 控制系统基本原理 燃烧过程自动控制系统包括三个相对独立而又紧密 联系的子控制系统 。 （ 1） 燃料控制子系统 燃料控制的任务在于使进入锅炉的燃料量随时与外 界负荷要求相适应 。 因为汽压是锅炉燃烧发热量与汽轮 机能量平衡的标志 ， 并且在负荷扰动下汽压具有近乎比 例的响应特性 ， 因此汽压可以作为燃料控制系统的被调 量 。 原则上可以采用以汽压作为被调量的单回路控制系 统 ， 即根据汽压调整锅炉的燃料量 。 但是对于燃煤锅炉 第三章 锅炉燃烧控制系统 11 来讲，运行中的煤量自发性扰动（煤粉的阻塞与自流、 燃料发热量变化等）是经常出现的，所以在设计燃煤锅 炉的燃料系统时，必须考虑使系统具有快速消除燃料自 发性扰动的措施 -引入燃料量的负反馈。所以燃料控 制系统大都采用串级系统的结构方案，这样就可以把燃 料量信号作为负反馈信号引入副调节器（燃料调节器）。 第三章 锅炉燃烧控制系统 12 （ 2）送风控制子系统 送风控制的任务在于保证燃烧过程的经济性 ,具体地说就 是要保证燃烧过程中燃料量与风量有合适的比例。故而 送风控制系统采用直接保持燃料量与送风量比例关系的 比值调节系统方式。在这个方案中， 燃料量信号 B作为 送风量的定值，送入送风控制系统， 送风量信号 V作为 反馈信号引入送风调节器而构成一个比值控制系统，这 就能使送风量始终快速地跟踪燃料量的变化。只要调整 比例系数 K为适当的值，控制系统就能使进入锅炉的送 风量与燃料量保持合适的比例，达到经济燃烧的目的。 B 送风调节器 K V + - V 第三章 锅炉燃烧控制系统 13 但是，保持燃料量与送风量为固定比例的送风控制系统， 在锅炉运行过程中，不能始终确保燃烧过程的经济性。 因为燃料量和送风量的最佳比值 K是随负荷和燃料的品 质等因素变化的。因此，一个完善的燃烧经济性控制系 统，应该考虑用反映燃烧经济性指标的参数来修正送风 量，使之与燃料量之间的比值达到最佳，并采取随负荷、 燃料品种变化而修正送风量的送风控制系统。 O2 O20 B 送风调节器 V + - V 氧量校正器 - + * 第三章 锅炉燃烧控制系统 14 从图中看出，主调节器是氧量校正器，它根据实际氧量 O2与其给定值 O20的偏差进行计算处理，输出风煤比系 数 K，再用 K与燃料量 B的积作为送风量定值，作用于副 调节器（送风调节器），控制送风量。只要氧量校正器 输出的风煤比系数 K是最佳的，就能保证燃烧过程的经 济性。事实上，最佳氧量是随机组负荷和燃料品种变化 的，氧量定值 O20也不是常数。有的系统通过函数器， 产生一个随负荷变化的最佳氧量信号，并经过运行人员 修正后作为氧量定值 O20输入氧量校正器，构成更加完 善的燃烧经济性控制系统。 第三章 锅炉燃烧控制系统 15 （ 3）引风控制子系统 引风控制的任务是保持炉膛压力在规定的范围内，由于 引风控制对象的动态响应快，压力 Pf测量容易，所以引 风控制系统一般只需采取以炉膛压力 Pf作被调量的单回 路控制系统。从图中看书，由于送风量的变化是引起负 压波动的主要原因之一，为了能使引风量 G快速地跟踪 送风量 V，以保持二者的比例，可将送风量指令作为前 馈信号经补偿器 f（ t）引入引风调节器。这样，当送风 控制性动作时，引风控制系统将立即跟着动作，而不是 等炉膛压力偏离给定值后再动作，从而减小炉膛压力的 波动。所以引风控制系统引入送风量指令前馈信号后， 有利于提高引风控制系统的稳定性，减小炉膛压力的动 态偏差。 Pf0 G V 引风调节器 f(t) + - + Pf 第三章 锅炉燃烧控制系统 16 3-2 中储式锅炉燃烧 控制策略 第三章 锅炉燃烧控制系统 17 一、概述 中间储仓式锅炉的燃料系统和燃烧过程是相互独立 运行的。燃料系统的任务是将原煤制成煤粉并存入煤粉 仓；进入炉膛的燃料量是由给粉机将存于煤粉仓的煤粉 送入炉膛。 二、制粉控制系统 中储式钢球磨的控制。 第三章 锅炉燃烧控制系统 18 燃煤火力发电厂进入锅炉炉膛的是磨碎的煤 粉，将原煤块磨成煤粉的机械就是磨煤机。目前 在电厂中采用的磨煤机有 钢球磨煤机 、 竖井式磨 煤机 、 风扇磨煤机 等。 原煤进入磨煤机被磨成煤粉，由送入磨煤机 的风作为动力，将煤粉送入煤粉仓储存起来。 第三章 锅炉燃烧控制系统 19 （一）控制任务 (1) 保证磨煤机磨成煤粉的细度符合规定， 在我国煤粉细度是用 70号筛子上煤粉颗粒的百分 数 （ R70%） 来表示。煤粉太粗会增加机械未完全 燃烧损失；煤粉太细又会增加磨煤机的耗电量。 因此，煤粉细度是制粉系统的主要的质量指标。 第三章 锅炉燃烧控制系统 20 (2) 解决煤粉的输送和防爆，必须对磨煤机出 口风粉混合物的温度提出要求。如果磨制的煤粉温 度过高，则容易引起自燃而导致煤粉爆炸；煤粉温 度太低，即意味着煤粉因流动性差而无法采用气力 输送，且易积粉。如果保证了风粉混合物的温度不 变，则煤粉的湿度也基本上保持不变。 第三章 锅炉燃烧控制系统 21 (3) 力求降低磨制每吨煤粉的耗电量，提高经济 性。钢球磨煤机制粉的耗电率除了与煤粉细度有关 外，还与钢球的装载量、煤的装载量有关，与煤种、 管道阻力、制粉系统的漏风量也有关。因此，要保 持磨煤机处于最佳出力的工作状态，则必须及时消 除来自各方面的扰动。 第三章 锅炉燃烧控制系统 22 1) 给煤量扰动 制粉系统运行中常会发生因煤块过大、煤太湿、 给煤机工作不正常以及管道布臵不合理等造成的断煤 现象；此外还有通风阻力变化引起的通风量变化和煤 粉细度的波动。 在通风量一定时，磨煤机装煤量不仅影响煤粉细 度 R70%，而且影响磨煤机出力 B，它们之间的关系如 图所示。在保证煤粉细度符合要求的前提下，为使磨 煤机有最大出力，应保持磨煤机的装载量为最佳值。 第三章 锅炉燃烧控制系统 23 2通风量扰动 进入磨煤机的风量变化将引起磨煤机出力 B以及煤 粉细度 R70%的变化，其关系曲线如上图所示。 在其它 条件不变时，可通过控制磨煤机入口负压来调整通风量 。 在保证煤粉细度符合要求的前提下，加大通风量可提高 磨煤机的出力。 Gm-B曲线 Gm与 R70%和 B的关系 装煤量 磨煤机出力 风量 细度 第三章 锅炉燃烧控制系统 24 3原煤水分的扰动 进入磨煤机原煤水分的变化将直接影响煤粉的湿度， 使煤粉湿度保持在一定范围，既有利于储存和输送，又 有利于保证磨煤机的最大出力。因此对不同水分的原煤 要向磨煤机加入不同的热风，在不产生煤粉爆炸的前提 下，尽量减小煤粉的湿度。 （二）控制系统组成 根据磨煤机装煤量扰动、通风量扰动和原煤水分扰 动的分析，磨煤机控制设计有三个控制回路，即磨煤机 负荷控制回路、磨煤机入口负压控制回路和磨煤机出口 温度控制回路，三个回路均设计为单回路控制系统。 第三章 锅炉燃烧控制系统 25 1磨煤机负荷控制系统 由于钢球磨在不同出力工况下，其耗电量变化较小， 因此在保证煤粉细度的前提下，应使磨煤机工作在最大 负荷下。磨煤机装煤量目前尚无直接的且准确的测量手 段，一般采用间接方法，如磨煤机前后的压差代表装煤 量。 磨煤机负荷控制方案 （ a） （ b） （ c） 风粉混合 物流量 D 第三章 锅炉燃烧控制系统 26 方案 (a): 工作原理是，磨煤机差压信号 pm经排粉 机前节流元件差压 p修正后的信号 C作为被调量；被调 量 C与其给定值 R比较后的差值信号 E送到比例积分调节 器，经运算后输出控制信号 U。控制信号 U作用到给煤 单元控制给煤机，从而改变进入磨煤机的原煤并保持在 最佳值。 磨煤机差压 pm与装煤量之间有 m mm G v Rp m 2 2 球磨机阻力系数 风粉混合物流速 节流元件差压 p与装煤量之间有 mG vRp 2 2 节流元件阻力系数 过节流元件的气体流速 第三章 锅炉燃烧控制系统 27 2 2 2 2 m m m m m m v R p G C K R vp R G R v vK m 2 2 其中： 以比值 C作为球磨机负荷控制系统的被调量，目的是 消除气体的流速等因素对磨煤机差压的影响。实际上， 球磨机的制粉系统是负压运行，球磨机本身负压较小， 而排粉机进口负压较大，故漏风量对 p m的影响较小， 对 p 的影响却较大。因此，比值 C并不能消除漏风对装 煤量的影响，即测量误差仍然存在；只有在漏风量一定 的条件下，经过 p 修正后的磨煤机差压 p m才能较准确 地反映装煤量。 第三章 锅炉燃烧控制系统 28 此外，给煤量改变时首先改变的是磨煤机喉部阻力， 之后才改变煤位。如给煤量增加，磨煤机喉部阻力增大， 机身筒内的流速降低，故磨煤机差压首先减小；在磨煤 机内存煤量增多之后，差压才开始增大。由此可见，在 给煤量扰动之后，响应有一段时间的虚假信号，且扰动 量越大这种虚假现象就越严重。 Gm与 Im和 B的关系 球磨机的负荷特性 磨煤机出力 装煤量 装煤量 第三章 锅炉燃烧控制系统 29 方案（ b） : 工作过程是，用磨煤机工作电流变化 来间接反映装煤量的变化，磨煤机的工作电流经转换 器转换成电压信号，然后与其给定值 R比较，其偏差值 E送入比例积分调节器运算，控制信号 U通过执行机构 改变进入磨煤机的原煤量。如上图（ b）。 由于球煤机工作电流变化较小，所以电流 电压转 换器应有较高的灵敏度。此外，还要每天按时给磨煤 机加钢球，以避免钢球重量变化对磨煤机工作电流产 生影响。 第三章 锅炉燃烧控制系统 30 方案（ c）： 对磨煤机而言，原煤量是流入物质，而风粉混合 物则是流出物质。引入风粉混合物流量 D的磨煤机负 荷控制系统如上图 (c)。方案（ c）中，磨煤机差压 pm 与风粉混合物流量信号 D综合后作为负荷控制系统的 被调量，其工作过程与方案（ a）、（ b）一样。风粉 混合物流量信号是保证干燥风量的信号，在 D保持不 变时， pm越大，磨煤机装煤量越大。 方案（ d）： 对磨煤机而言，装煤量越大，噪声越小，通过测 量磨煤机的噪声，来实现磨煤机负荷的控制，其工作 过程与方案（ a）、（ b）、（ c）一样。磨煤机的噪声 越大，磨煤机装煤量越小。 第三章 锅炉燃烧控制系统 31 2.磨煤机入口负压控制系统 磨煤机入口负压控制的目的是 维持制粉系统的通风 量 ，同时 保证制粉系统各点负压 。制粉系统负压过大则 增加漏风量，负压过小又会出现漏粉。 左图是磨煤机入口负压控制系统组 成原理方框图。磨煤机入口负压 p负 作为 被调量，与其给定值 R求偏差后送入比例 积分调节器运算，调节器输出的控制作 用 U通过执行机构 改变冷风挡板开度 ， 从而改变磨煤机通风量以维持入口负压 在给定值。 第三章 锅炉燃烧控制系统 32 3磨煤机出口温度控制系统 磨煤机出口温度控制系统如左图。其组 成原理及工作过程与入口负压控制系统是一 样的，它是通过 改变热风门挡板开度调整热 风量来控制出口温度 的。 对磨煤机出口温度来说，在热风门开度变 化后，其温度变化有一定的延迟和惯性，然而 单独调整还是比较容易维持被调量的。但是， 在热风量变化后进入磨煤机的通风量（热风量 +冷风量）即随之变化，从而磨煤机入口负压 也变化。实际上，在调整冷风量以维持入口负 压时，也就影响了磨煤机出口温度。 第三章 锅炉燃烧控制系统 33 可见这两个系统之间是相互影响的，作为一个整 体考虑时，这是一个双输入双输出的多变量系统。因 此要想获得较好的调节效果，仅仅采用上述两个单回 路系统是不够的。一般地， 从负压控制系统中要引出 冷风挡板位臵指令信号，并以前馈的方式作用到热风 挡板位臵控制回路，使磨煤机出口温度控制系统改变 为前馈加反馈的负荷控制系统，这样可以补偿冷风门 开度对出口温度的影响。 对于磨煤机控制回路来说，设计一个三输入三输 出的多变量控制系统是合理的，可收到比三个独立的 单回路控制系统要好得多的调节效果。 第三章 锅炉燃烧控制系统 34 三、燃烧控制系统 1采用热量信号的燃烧控制系统 以热量信号 DQ代替燃料量信号 M 热量信号与进入炉膛的燃料量 M间呈比例关系， 仅在时间上存在迟延。因此，用热量信号代替燃料 量信号是可行的。 第三章 锅炉燃烧控制系统 35 锅炉主指令 （燃烧率指令） 烟气中的实 际含氧量 锅炉蒸汽流量 热量信号 进入炉膛的 实际风量 炉膛压力 给粉机转速指令 送风指令 引风指令 “燃料空气”燃烧控制方案，又称“热量 氧量”的燃烧控制 经热值修正 后的给粉机 转速信号 第三章 锅炉燃烧控制系统 36 工作过程： (1)当 BD增加时 ， 调节器 PI1动作 ， 增大给粉机转 速增加燃料量； PI2动作增大送风量 ， PI2输出的增大 ， 经前馈通道增大引风机位臵指令 ， 增大引风量 ， 引风 量与送风量成比例变化 ， 送风量与燃料量成比例变化 。 (2)由热量信号 DQ反映的进入炉膛燃料量与指令 BD不相等时 ， 比例积分特性的调节器 PI1输出指令就继 续增加 ， 直到 DQ与 BD平衡为止 。 同样 ， 风量调节器 PI2的作用保证风量与主指令相平衡 ， 而炉膛压力调节 器 PI3则保证炉膛压力 Pf等于设定值 。 第三章 锅炉燃烧控制系统 37 (3)风量控制子系统是由 PI2、 PI4组成的串级系 统，其中 PI2为内回路调节器， PI4为外回路调节器。 由于燃烧控制系统的一个重要任务是保证燃烧的经 济性，即燃料量与风量应有最佳的匹配。在该燃烧 控制系统中，风量和燃料量是成比例变化的，然而 当煤种变化其发热量偏离其设计值时，这种成比例 变化显然难以保证经济燃烧。 第三章 锅炉燃烧控制系统 38 (4)燃烧的经济性可通过过剩空气系数或烟气含 氧量反映，即保证燃烧过程中有最佳的烟气含氧量， 无疑就保证了燃烧过程的经济性。调节器 PI4的被调 量是烟气含氧量 ，其目标值是锅炉蒸汽流量 D经 函数 f（ x）标定后给出的，即在不同的负荷下烟气含 氧量应具备的最佳值。当实际含氧量偏离目标值时， PI4输出变化经乘法修正进入炉膛的实际风量，再次 调整进入炉膛的风量，使 等于当前负荷下的最佳 值。 2%O 2%O 热量信号的运算实现 ： bQb dPD D C dt=+ 汽包压力 注：其实本身是一个实际微分 第三章 锅炉燃烧控制系统 39 2采用给粉机转速信号的燃烧控制系统 基本点：采用给粉机转速信号代替进入炉膛的燃料量 信号。 不仅是因为通常情况下给粉 机转速与给粉量成正比，而且在 负荷扰动时给粉机转速信号要比 热量信号反应快，对负荷侧扰动 的适应性强，能使燃料控制子系 统快速平衡下来。 系统特点： 热量信号代替燃料量信号，并对风量施 以氧量校正；能消除燃料自发扰动的影响。 经热值修正 后的给粉机 转速信号 热值校正回路 第三章 锅炉燃烧控制系统 40 结构分析： 给粉机实测转速信号经乘法器运算后输出信号 nQ。比较器、积分器 I、乘法器组成一个闭合系统，其输 入信号为热量信号 DQ。根据积分特性，稳态时积分器输 入信号必为零，即 nQ=DQ，这表明在一定意义上 nQ代表着 热量信号，因而该方案具备采用热量信号的控制系统特征。 加入这种热值修正功能，不仅能消除煤种变化的影响，而 且可消除给粉机转速自发变化的影响等。 对于燃烧过程， 无论是煤种变化，还是给粉机转速自身改变，都表现为炉 膛发热量的变化，如 DQnQ，积分器输出增大， 的乘法 系数增大， nQ增大。在燃料子系统中， nQBD，调节器 PI1 输出减小，降低给粉机转速，减小进入炉膛的燃料量。当 锅炉主指令 BD增加时， 增大， nQ增大，因而 DQ也增大， 积分器输出基本不变。 n n 第三章 锅炉燃烧控制系统 41 3-3 中储式锅炉燃烧 控制系统实例 第三章 锅炉燃烧控制系统 42 送风控制系统 第三章 锅炉燃烧控制系统 43 带氧量校正回路的送风调节系统可以消除风煤配比造成 的误差。风量稳定，一次风压和二次风压就比较稳定，对稳 定燃烧有利。所以，当氧量出现较小偏差时，不希望风量有 过大调整。因此，氧量校正回路的作用以慢为主，同时对大 偏差信号也有一定的调整能力。 氧量的定值信号由两部分组成：一部分是机组功率经函 数模件转换后的氧量随负荷变化的值，另一部分是手动给定 信号，作为偏臵信号。 氧量调节器 PI1根据氧量测量值与给定值之间的偏差进 行调节运算，其输出经手动 /自动 M/A1和函数器 f1(x)后形成 氧量校正信号。氧量调节器的作用是使氧量的测量值与给定 值相等，使进入炉膛的燃料经济燃烧。函数器 f2(x)接受调节 器 第三章 锅炉燃烧控制系统 44 的 0100%的输出，并转换成范围约为 0.71.3的输出，形成 风 /煤比校正信号。当实际氧量高于给定值时，调节器输出 减少，经函数之后使成风 /煤比校正信号减少，从而减少送 风量使氧量下降，反之亦然。 送风量定值形成：机组负荷给定值经函数器 f3(x)后乘以 风 /煤比校正信号，再加上运行人员偏臵。 送风量调节以 PI2为核心，经氧量校正形成的送风量给定 值与实际风量的偏差值，输入到 PI2调节器进行控制运算， 形成送风量控制指令，经八平衡模块后，分别送至两台送风 机手 /自动控制站。其中一台手 /自动站为调设定值，一台为 调偏臵。 第三章 锅炉燃烧控制系统 45 引风控制系统 第三章 锅炉燃烧控制系统 46 引风量调节是以调节器 PI为中心。控制系统的被调量是 炉膛负压，其给定值是运行人员在软手操控制器 M/A上给出 的。当炉膛压力因某种扰动发生变化时，压力调节器接受给 定值与实际值的偏差信号，并对此进行比例积分控制运算， 其运算结果与作为前馈信号的 （送风机指令 +排粉机出口风 压） 叠加后，形成引风机的控制指令，经平衡模块后，分别 送到两台引风机手 /自动站。系统中引入前馈信号的作用是 为了在机组负荷变化时，能使引风量与送风量同步动作，以 减小送风量变化对炉膛压力的影响。