燃料与炉膛负压控制

课程实验总结报告
实验名称:炉膛负压与氧量校正控制
课程名称:专业综合实践：大型火电机组热控系统设计及实现（3）
1 引言 (2)
1.1 炉膛负压概述 (2)
2 控制逻辑 (2)
2.1 炉膛压力控制 (2)
2.1.1 相关图纸 (2)
2.1.2 控制原理 (2)
2.1.3 控制逻辑 (3)
2.2 氧量校正 (3)
2.2.1 相关图纸 (3)
2.2.2 控制原理 (3)
2.2.3 控制结构 (4)
2.2.4 氧量校正控制逻辑 (4)
2.2.5 二次风控制逻辑 (5)
3 被控对象特性 (6)
3.1 静态特性 (6)
3.2 动态特性 (8)
3.2.1 炉膛压力 (8)
3.2.2 含氧量 (8)
4 PID整定 (9)
4.1 炉膛负压控制器 (9)
4.2 氧量校正 (11)
5 总结 (12)
1 引言
1.1 炉膛负压概述
炉膛压力是指送入炉膛内的空气、煤粉及烟气和引风机吸走的烟气量之间的平衡关系，即指炉膛顶部的烟气压力。

炉膛负压是反映燃烧工况稳定与否的重要参数，是运行中要控制和监视的重要参数之一。

炉内燃烧工况一旦发生变化，炉膛负压随即发生相应变化。

当锅炉的燃烧系统发生故障或异常时，最先将在炉膛负压上反映出来，而后才是火检、火焰等的变化，其次才是蒸汽参数的变化。

因此，监视和控制炉膛负压对于保证炉内燃烧工况的稳定、分析炉内燃烧工况、烟道运行工况、分析某些事故的原因均有极其重要的意义。

炉膛负压的大小受引风量、鼓风量与压力三者的影响。

锅炉正常运行时，炉膛通常保持负压 -40 ~ -60Pa 。

炉膛负压太小，炉膛向外喷火和外泄漏高炉煤气，危及设备与运行人员的安全。

负压太大，炉膛漏风量增加，排烟损失增加，引风机电耗增加。

2 控制逻辑
2.1 炉膛压力控制
2.1.1 相关图纸
SPCS-3000 控制策略管理5号站132~133页。

2.1.2 控制原理
炉膛压力调节系统通过调节两台引风机的静叶来调节炉膛压力。

当引风机入口静叶开度开大，引风作用加强，炉膛压力减小；开度减小，引风作用减弱，炉膛压力增大。

因此该控制系统为负对象。

被控量：炉膛压力
被控对象：引风机入口静叶
控制量：引风机入口静叶开度
图2-1 炉膛负压控制框图
2.1.3 控制逻辑
图2-2 炉膛压力控制
炉膛压力的定值，由运行人员在操作画面上设定。

送风量指令经过F(x)计算后作为前馈信号送给炉膛压力调节器，同时送风量指令还经过一个F(x)计算后直接叠加给引风机静叶开度指令，这两路调节信号对送风量指令形成一快一慢，相互配合，迅速调节炉膛压力。

炉膛压力调节器的输出分别送到A、B引风机静叶M/A站。

为平衡A、B引风机出力，在A侧、B侧引风机静叶M/A站上，均设有静叶指令偏置。

PID的输出加偏置，为B静叶的自动指令；PID的输出减偏置，为A静叶的自动指令。

当A、B静叶均自动时，运行人员可以通过静叶指令偏置，分别调整A、B 引风机的出力。

当A、B引风机静叶均手动时，炉膛压力调节系统手动。

调节器输出跟踪A、B调节静叶手操器输出平均值。

炉膛压力定值自动跟踪实际炉膛压力。

当A(或B)M/A站手动时，静叶偏置自动反向计算，跟踪B(或A)手操器输出与PID调节器输出的偏差。

因此，炉膛压力调节系统，通过PID调节器跟踪、M/A站偏置跟踪、定值跟踪手段，实现了A、B M/A站手自动无扰切换。

调节系统还接受来自SCS和FSSS的指令，控制A、B引风机调节静叶开度。

发生MFT时，强制关小引风机静叶，以防止内爆，强制关闭幅度是MFT动作前机组负荷的函数，幅值及时间长度由试验确定。

2.2 氧量校正
2.2.1 相关图纸
SPCS-3000 控制策略管理5号站135~138页。

2.2.2 控制原理
锅炉燃烧过程的重要任务之一是维持炉内过剩空气稳定，以保证经济燃烧。

炉内过剩空气稳定，对燃煤锅炉来说，一般是通过保证一定的风煤比来实现的，这种情况只有在煤质稳定时，才能较好地保持炉内过剩空气稳定，而当煤质变化，就不能保持炉内过剩空气稳定，不能保持经济燃烧。

要随时保持经济燃烧，就必须经常检测炉内过剩空气系数或氧量，并根据氧量的多少来适当调整风量，以保持最佳风煤比，维持最佳的过剩空气系数或氧量。

在这里我们可将送风调节系统直接看成是氧量调节的过程，送风控制系统一个带有氧量校正的串级回路控制系统，即采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵电动门，从而对主被控变量具有更好的控制效果。

2.2.3 控制结构
送风调节系统常采用氧量校正信号。

控制系统的控制结构为带氧量校正的串级PID 控制，在副回路中，控制对象送风机，执行机构是送风机动叶调节执行机构，调节量是风量；在主回路中，调节量是空预器入口烟气含氧量。

自动控制系统框图及控制逻辑图如下：
定值图2-3 二次风控制系统串级控制结构框图
2.2.4 氧量校正控制逻辑
图2-4 氧量校正回路逻辑
1. 信号处理
① 质检：采样值A 、B 侧空预器入口烟气含氧量分别经过DPQC 模块检验信号质量好坏，若A 、B 侧氧量测量品质都坏，则M/A 站切手动。

② 二取中：采样值A 、B 侧空预器入口烟气含氧量相加取平均值作为采样值；
③ 滤波：使用一阶惯性环节的超前滞后模块，起滤波作用，滤波器传递函数为S
1211 。

空预器入口烟气含氧量经过滤波器后送到控制器PV 端。

④ 分段线性拟合：锅炉主控指令经过分段线性功能块拟合成氧量设定值。

2. 控制器手动设定值跟踪与无扰切换
在自动状态下，ASET 模块输出控制员在操作面板上给定的设定偏置与拟合后的氧量设定值求和输入控制器SP 端，在PID 控制下自动达到设定的要求，即SP=ASET+锅炉主控指令拟合氧量信号
在手动状态下，PID 控制器在跟踪状态。

ASET 模块DI 输入为1，输出端AO 输出AI 端的空预器入口烟气含氧量偏差值（空预器入口烟气含氧量实际值－拟合氧量设定值），再与拟合的氧量设定值相加，得到的值即为实际的烟气含氧量，然后送入PID 控制器作为设定值。

SP =（PV -锅炉主控指令拟合氧量信号）+锅炉主控指令拟合氧量信号= PV 设定值=过程量，这样就实现了手动状态下的控制器设定值跟踪；在手动切换自动时，直接计算得到实际氧量作为设定值，设定值等于实际值，即实现了控制器手自动的无扰切换。

3. 切手动逻辑
① 若A 、B 侧氧量测量品质都坏，则M/A 站切手动；
② 若氧量调节控制器DO 输出调节器入口偏差大信号，则M/A 站切手动； ③ 当送风机A 、B 均控制手动，则发出指令送风机控制全部手动，则M/A 站切手动。

4. 限幅
氧量控制指令在发送到二次风系统前经过限幅模块。

限幅模块上下限的设定是通过M/A 站手自动状态来确定的。

● 自动状态下，氧量控制指令范围0.85-1.15，
● 手动状态下，氧量控制指令为1，即不进行氧量校正。

2.2.5 二次风控制逻辑
图2-5 二次风压控制逻辑
1. 总风量滤波 在这里使用一阶惯性环节的超前滞后模块，起滤波作用，滤波器传递函数为S
611+。

采集到得总风量现场实际数据滤波处理后再送入PID 控制器的PV 端。

2. 风量指令
该指令通过锅炉主控指令和总燃料量得到，锅炉主控指令和总燃料量先经过MAX1取大值，然后分两路，上路不处理，下路经两次滞后处理，滞后传递函数为2S)
121(1+。

然后上下路信号再经过取大值功能块MAX2取大。

MAX2输出再经过分段线性功能块将总燃料量信号拟合成风压信号。

拟合后的风压信号乘以氧量控制信号进行氧量校正，自动状态下，氧量控制指令范围0.85-1.15，手动状态下，氧量控制指令为1，即不进行氧量校正。

校正后的信号参与SP 设定值计算逻辑。

3. 氧量校正
氧量校正回路根据实际氧量与定值的偏差进行调节，输出值在0.85～1.15之间变化，用该值对风量指令进行修正，使风量调节器的输入偏差发生变化。

4. 其余部分与一次风压控制系统逻辑基本一样，所以不在重复。

3 被控对象特性
3.1 静态特性
在手动条件下进行扰动试验来获取对象静态特性。

1．炉膛压力：机组启动后，运行一段时间之后待系统达到稳定，改变引风机挡板开度，开度自46.77%降为44.77%。

继续运行一段时间之后，可以观察到
系统重新达到稳定，静态特性曲线如下。

图3-1 炉膛负压静态特性曲线
分析：由上图可见，随着引风机挡板开度减小，炉膛负压升高，这是因为挡板开度减小，引风机引风作用加强，而送风机不变，送风量不变，从而导致负压升高。

同时可以看到系统在运行一段时间之后重新达到稳定，说明该对象为有自平衡对象。

2．含氧量：机组启动后，运行一段时间之后待系统达到稳定，改变A送风机挡板开度，开度自48%升为50%。

继续运行一段时间之后，可以观察到系统重新达到稳定，静态特性曲线如下。

图3-2 含氧量静态特性曲线
分析：由上图可见，随着送风机挡板开度增大，含氧量升高，这是因为挡板开度增大，送风机送风量增加，含氧量增加。

同时可以看到系统在运行一段时间之后重新达到稳定，说明该对象为有自平衡对象。

3.2 动态特性
3.2.1 炉膛压力
将引风机控制切换为自动控制状态，将系统投入运行，运行一段时间之后系统达到稳定之后，做给定值扰动，改变炉膛负压设定值，从-90升至-80，特性曲线如下：
图3-3 炉膛负压动态特性
分析：炉膛负压的动态特性是引风量发生阶跃变化时，炉膛负压随时间变化的特性。

当送风量或引风量单独改变时，炉膛负压变化的惯性很小，故可将炉膛负压对象近似看成是一个时间常数很小的一阶惯性环节。

随着炉膛负压设定值增大，系统经过一段时间后能够达到一个新的稳定，但是调节时间较长，且稳定值为-83.97，即静态误差较大，需要重新整定参数。

3.2.2 含氧量
送风调节系统直接看成是氧量调节的过程，送风控制系统一个带有氧量校正的串级回路控制系统。

在副回路中，控制对象送风机，执行机构是送风机动叶调节执行机构，调节量是风量，内环的动态特性是送风量阶跃变化时，含氧量随时间变化的特性，炉膛负压的控制对象是引风机挡板所控制的引风量。

将送风机控制切换为自动控制状态，将系统投入运行并达到稳定之后，改变总风量设定值，从170降至130。

内环动态特性曲线如下：
图3-4 内环动态特性曲线
在主回路中，调节量是空预器入口烟气含氧量，外环的动态特性是给煤量阶跃变化时，含氧量随时间变化的特性。

待系统投入运行并达到稳定之后，给定含氧量扰动，从1变为2，特性曲线如下：
图3-4 外环动态特性曲线
分析：在内回路中随着总风量的改变，系统逐渐开始振荡并呈现发散状态，控制品质差需要重新整定内环参数。

；而在外回路，当出现含氧量扰动时，系统并没有过多的动作，即对此扰动没有进行控制，故也需要重新整定外环参数。

4 PID整定
4.1 炉膛负压控制器
采用试凑法整定PID，调整后的PID参数如下：
比例带180
积分时间125
改变炉膛负压设定值，仍从-90升至-80，检测新PID参数的控制效果：
图4-1 新PID控制效果
分析：由图可见，系统在出现扰动后，能够快速达到稳定状态，对比原始参数可以看到其稳态时间都明显减少，超调量也比以前有所下降，当然同样存在静差，但比之前较小，控制品质较好。

炉膛负压的前馈扰动为送风量的扰动。

调整PID参数以后，我们进行了风量扰动测试，进一步检测了新PID参数控制效果。

在系统稳定运行后，对系统添加前馈扰动，即改变送风量，送风机的挡板开度从48%降为45%，扰动曲线如下：
图4-2 新PID扰动测试
分析：由图可见，当减小引风机动叶开度系统送风量减小时，即出现前馈扰动，炉膛负压出现扰动，运行一段时间后能够恢复稳定，说明控制器能够有效消除扰动，控制效果较好。

4.2 氧量校正
氧量校正回路是串级控制，我们采用先整定内环在外环的方法，同样采用试凑法整定参数，整定后的PID参数如下：
内环：比例带380，积分时间480，微分时间0；
外环：比例带200，积分时间5000，微分时间0；
内环给定值扰动实验：
改变总风量设定值，仍从170降至130，可以看到系统很快达到新的设定值并稳定下来，衰减率几乎为0，控制效果非常理想。

图4-3 送风量扰动
图4-3 氧量扰动
外环氧量扰动：改变含氧量，从1.3变为2.3。

由图可见，当含氧量出现扰动时，虽然系统会有一段时间的振荡，经过一段时间后，系统重新达到稳定。

控制效果比原来的参数好，但依然需要改善。

由于时间限制，不再进一步整定。

5 总结
通过本次实验，加深我们对燃烧控制系统的理解，对氧量校正回路的串级PID 控制有了更急深入的理解，再次验证了串级控制内环可以有效地消除内扰，改善系统的动态特性。

唯一的不足是由于时间限制没有对控制器进行进一步的优化整定，但总体来说也基本达到了预期效果。