锅炉燃烧系统的控制系统设计

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 system Abstract: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Q c -燃料量Q o -进风量H-炉膛发热量Q w -进水量P b -锅筒压力P t -主蒸汽压力U g -汽轮机进汽阀开度Q t -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P b 升高。

在保持汽轮机进汽阀开度U g 不变的条件下，主蒸汽压力P t 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U g ，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P t C 的输出同时作为燃料量控制器F b C 和进风量控制器F i C 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F b C 和F i C 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O 2、CO 2、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。