第12章 燃烧过程控制系统

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一、燃料控制系统
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二、磨煤机风量、温度控制系统
（ 一 ） 磨 煤 机 一 次 风 量 控 制 系 统
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（ 二 ） 磨 煤 机 出 口 温 度 控 制 系 统
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三、风量控制系统 风量控制系统有一次风和二次风两个 相互独立的系统，一次风主要用于将煤 粉从磨煤机输送到燃烧器，二次风主要 用来帮助燃料在炉膛中完全燃烧。
Z M
Z V
Z G
由于烟气含氧量代表烟气中的过
剩空气系数。保持一定的过剩空气系 数，即保证了总燃料量与总风量之间
的最佳比值。
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通常,最佳烟气含氧量与负荷有关,通常随负荷↑而略有↓。 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惯性迟延，因此氧量校正回路
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（ 一 ） 一 次 风 压 力 控 制 系 统
锅 炉 燃 烧 控 制 系 统
送风控制系统
引风控制系统
能源与动力工程学院 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pf）的稳定。锅炉燃烧控制过程中各调节变量 和被调量之间的关系如下图所示：
pf
PI2 Z B
-
+Байду номын сангаас
PI3 Z V
V - pf0
+
-
PI4 Z G
根据负荷指令，分别去调节燃料量B
与送风量V。 引风调节为单回路控制系统。
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pT pT0 PI1 +
燃料控制与送风控制两个子系 统为比值控制系统。其作用是保持 燃料量与负荷、送风量与燃料量之 间的比值关系不变。
pf
+
外扰下主蒸汽压力的动态特性 外部扰动是指电网负荷变化的扰动，图（a）和图（b）分 别为汽轮机进汽量D和汽轮机调节阀门开度μT 扰动下主蒸汽压力 pT 变化的阶跃响应曲线：
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图（a）中，主蒸汽压力pT 在阶跃下降Δp0后，一直维持等 速下降，为无自平衡能力的被控对象。 图（b）中，主蒸汽压力pT 在阶跃下降Δp0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。
dpb Q D Cb dt
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。
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热量信号在燃料量B 和汽轮机调节门开度μT 扰动下的阶跃响 应曲线分别如图（a）和图（b）所示：
A

t1
t0
Ddt
pb pb t0 pb t1
锅炉蓄热系数Cb的物理意 义为：在燃烧率不变时汽包压 力每变化一个单位，释放或吸 收的蒸汽量。 测量不到，
在锅炉运行过程中，汽包压力变化速度dpb/dt
只能测得带有惯性的速度信号
s pb ，同时再加入主 1 Ts
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第十二章 燃烧过程控制系统
第一节 引言
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汽包锅炉燃烧系统简介
电站汽包锅炉燃烧系统包括燃料量控制、送风控制和引风控 制三个子系统，设备众多，结构复杂，系统组成如下图所示：
蒸汽 9 过热蒸汽 （去高压缸）
10
11 再热蒸汽 （去中压缸）
烟气 8 6 7 6
4
12
1 5 B 3 13 2 G 14 V2 15 V1
根据前面分析，当燃 烧率不变而负荷变化时热 量信号不变，即：
dpb D Cb 0 dt
Ddt Cb dpb
负荷变化过程中，在 t0～t1时间段内对上式进行 积分运算可得：
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t1
t0
Ddt Cb pb t1 pb t0
因此锅炉蓄热系数Cb的计算公式为：
制粉系统与锅炉燃烧过程紧密联系，是燃烧过程自动控制不可 分割的组成部分。 在运行过程中燃料量指令变化后，还需经过磨煤制粉的过程， 才能改变进入炉膛的燃料量，负荷适应能力较差，且容易引起 主蒸汽压力的较大波动。 采用直吹式制粉系统的锅炉生产过程如下图所示：
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采用直吹式制粉系统的锅炉生产过程 （a）示意图；（b）方框图
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（二）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 扰 动下烟气含氧量O2变化的阶跃响应曲线为：
V ΔV 0 O 2% T
t
KVΔ V
由图中烟气含氧量 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。
燃料量控制系统 以燃料量为调节量，主蒸汽压 力为被调量，通过调节进入炉 膛的燃料量，维持主蒸汽压力 的稳定。 以送风量为调节量，烟气含氧 量为被调量，通过调节进入炉 膛的送风量，使烟气含氧量达 到设定的最佳值，保证燃料燃 烧所需的空气量和燃烧过程的 经济性。 以引风量为调节量，炉膛压力 为被调量，通过调节引风量维 持炉膛压力的稳定。
Qr
+ PI
f2 (t)
+ PI
V
G
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在系统中，以热量信号代替燃料量信号，不但可以反映燃料 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
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 和动态下的汽包压力变化速度 dpb/dt 表示，其计算公式为：
Cb
pb t0 pb t1

t1
t0
Ddt
时间t0～t1期间蒸汽 流量 变化的累积量
用试验方法求取锅炉蓄热系数Cb时，保持锅炉燃烧率不变 而使负荷作任意扰动，记录蒸汽流量 D 和汽包压力pb 变化的曲线 如下图所示：
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D A pb Δ pb t0 t1 t t
内扰下主蒸汽压力的动态特性 主蒸汽压力pT 的动态特性与汽 轮机的调节装置有关，图（a）为 汽轮机功率不变时，锅炉燃烧率μB 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是一个无 自平衡能力的被控对象。汽包压 汽包压力pb与主蒸汽压力pT 之差Δp2与主蒸汽流量以及过热器 的阻力成正比。
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根据阶跃响应曲线确定迟延时间 B ，可以求出： 飞升速度：
tan B
B TB 响应（飞升）时间： tan 1
能源与动力工程学院 图（b）为汽轮机调节阀门开度不变时，锅炉燃烧率μB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。压 pb与主蒸汽压力pT 之差Δp2随燃 料量和进入汽轮机的蒸汽流量的 增加而增加。 根据锅炉蒸发受热面的热量 平衡关系可得：
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第三节 单元机组锅炉燃烧过程自动控制系统
在单元制汽轮发电机组中，锅炉按运行方式不同可以分为中 储式和直吹式两种。
D
pb
（一）中 储式锅炉 燃烧过程 自动控制 系统
O2 D Δ
f (t) D - + PI V
pf
pT
σP0
PI σP + < PI B
热 量 信 号
Σ > f1 (t)
0
τ
t
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（三）炉膛压力的动态特性
炉膛压力pf 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pf进行调节。引风量G 扰动下炉膛压力pf变 化的阶跃响应曲线为：
G ΔG 0 Pf
t
在送风量V 和引风量 G 的扰动下，炉膛压力pf 的动态特性惯性很小，可 近似认为是比例环节。
蒸汽流量D的实际微分信号，可以得到实际热量信号：
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s Ts 1 Qr D Cb D Cb s pb pb D 1 Ts 1 Ts 1 Ts
（二）直吹式锅炉燃烧过程自动控制系统
现代大型单元机组中锅炉普遍采用直吹式制粉系统，其主要 特点如下：
PI2 Z B
-
+
PI3 Z V
V - pf0
PI4 Z G
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。
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(二) 带氧量校正信号的“燃料－－空气”系统 此为“燃－空”系统改进方案，如下图。 此方案送风量控制采用串级 D pT O2 型比值控制系统，引入锅炉烟气 f(x) pT0 + PI1 PI5 含氧量信号，经校正调节器 PI5， pf V 对燃料量与送风量之间比值进行 p + - + + f0 D PI2 PI3 PI4 修正。
工作频率通常低于送风量调节回路。 当燃料量依负荷指令而改变时，送风量调节器同时按比例改变 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 程结束,燃料量B基本稳定。
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由调节器PI5根据烟气含氧量信号O2,对送风量进行细调。确保 烟气含氧量为最佳值,即间接保证燃料量与送风量之间最佳比值。 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 波动,自送风调节器的输出经动态补偿装置,向引风量调节器引入一 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 等于给定值。
主蒸汽压力pT 在内、外扰动下的动态特性； 烟气含氧量O2在送风量扰动下的动态特性； 炉膛压力pf 在引风量扰动下的动态特性。
（一）主蒸汽压力的动态特性 主蒸汽压力pT受到的主要扰动有二个，其一是燃烧率μB扰动 称为基本扰动或内部扰动；其二是汽轮机耗汽量D的扰动，称为 外部扰动。
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一、燃烧过程自动控制的任务
汽包锅炉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。
归纳为： 稳定性
经济性 安全性
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锅炉燃烧过程自动控制系统的组成与特点
0
t
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第二节
锅炉燃烧过程自动控制的基本方案
一、燃烧过程控制系统基本方案 (一) “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 如右图所示。 pT p - T0 PI1 + +
主调节器PI1接受主蒸汽压力信
号，根据pT与给定值pT0的偏差，给 出负荷指令。 燃料调节器PI2和送风调节器PI3
锅炉燃烧控制系统 燃料量控制系统 调节变量 燃料量B 被控对象 被调量 主蒸汽压力pT
送风控制系统
送风量V
烟气含氧量O2
引风控制系统
引风量G
炉膛压力pf
因此电站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。
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二、锅炉燃烧过程被控对象的动态特性
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：
Qr Dh dt Cdpb
式中: ΔQr ——热负荷阶跃变化； D ——主蒸汽流量； h′′——饱和蒸汽焓； C ——蒸发受热面热容。
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根据以上热平衡关 系式可得：
dpb Qr D Cb h dt
（12-1）
C Cb h
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（12-1）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,就可得到代表热负荷Qr的热 量信号，可以迅速反映燃料量的变化。
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一次风量作为燃料控制手段的燃烧控制系统
燃料与一次风一起扰动
煤粉量
燃料扰动
一次风扰动
t
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采用一次风量为反馈信号的燃烧控制系统 采用一次风量为反馈信号的锅炉燃烧过程自动控制系统适用 于采用中速磨制粉系统的锅炉，其原理图如下：
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第四节 锅炉燃烧过程自动控制系统实例分析 采用直吹式制粉系统，燃烧控制系统主要 包括6个子控制系统，即燃料控制系统、磨 煤机一次风量、磨煤机出口温度、一次风 压力、二次风量、炉膛压力控制系统。