燃烧过程控制对象的动态特性

燃烧过程控制对象的动态特性

当主控系统采用炉跟机负荷控制方式时，控制汽机调门开度来满足负荷要求，控制锅炉燃烧过程来满足汽压要求。当主控系统采用机跟炉负荷控制方式时，控制锅炉燃烧过程来满足负荷要求，控制汽机调门开度来满足汽压要求。燃烧过程控制对象有汽压对象和功率对象（负荷对象），下面着重介绍汽压对象

一．汽压控制对象的动态特性

汽压控制对象的生产过程如图9-2所示。燃料与相应的送风量进入炉膛，燃料燃烧产生的热量被布置在炉膛四周水冷壁吸收而产生蒸汽，蒸汽流经过热器加热成过热蒸汽，过热蒸汽由蒸汽管送入汽机作功。

汽压控制对象由锅炉燃烧部分（炉膛）、蒸发部分（水冷壁和汽包）、蒸汽输出部分（过热器及主蒸汽管道）和汽机等四个部分组成。下面简要分析各部分的动态特性。

1．锅炉燃烧部分

锅炉燃烧部分的输入信号为燃料控制机构的开度信号μB，输出信号为炉膛热量Q B。炉膛热量Q B的定义是：炉膛燃料完全燃烧时，在单位时间内所产生的热量。它与燃料量的关系可表示为：

式中B—燃料量，K g/s

—燃料应用基的低位发热量，KJ/kg

根据锅炉燃烧部分的生产过程，其动态特性可用图9-3来表

示.

其中KB是燃料控制机构的放大系数，τB为燃料量改变到炉膛热量改变所经过的迟延时间。锅炉燃烧部分的传递函数为：

2．蒸发部分

燃料燃烧后产生的热量QB中除去一部分热损失，其余被水冷壁内的炉水吸收，使炉水蒸发产生蒸汽量DQ。QB与DQ之间的静态关系可以按能量平衡关系建立

由于燃料燃烧热量所产生的蒸汽量D Q并不一定就是锅炉的输出蒸汽量D，它是理想蒸汽量，与燃烧产生的热量QB一一对应，所以也称热量信号。锅炉输出的蒸汽量D是随着汽机的负荷改变而变化的。动态过程中，当D Q＞D时，多余的蒸汽量将在锅炉内储藏起来，锅炉储能的改变将引起汽包压力Pd的变化，即

(9-1)

式中 Dc—锅炉储能量，Kg/s

CK—锅炉蓄热系数，Kg./MPa

CK的物理意义是：汽包压力每变化一个压力单位时锅炉需要储藏（或释放）的蒸汽量。

动态过程中，当DQ＜D时，式（9-1）同样成立，只是汽包压力下降并为负值而已。由式（9-1）：

若以汽包压力p d作为锅炉蒸发部分的输出信号，锅炉储能量作为输入信号，则这部分的传递函数可表示为：

3．蒸汽输出部分

蒸汽输出部分包括过热器和主蒸汽管道两部分：

（1）过热器

当把过热器作为汽压对象的蒸汽输出设备时，可以认为是一个有阻力的管道，而不必考虑它的传热关系，其传递函数为：

(2)主蒸汽管道

主蒸汽管道的输入量是锅炉输出蒸汽量D，输出量为汽机耗汽量D T，主蒸汽压力pT则是反映D与DT二者之间关系的物质平衡指标。

蒸汽管道是一个容量系数很小的容器，所以可将其看作积分环节，即

式中：Cm—容量系数，kg/Mpa

4．汽机部分

汽机的进汽量DT受主蒸汽压力pT、汽机背压p0和调门开度μT的影响，通常背压很

少变化，可以忽略，假定汽机调门特性为线性的，所以汽机的进汽量可用下式表示：

根据对汽压控制对象的四个组成部分动态特性的分析，可以画出汽压控制对象的动态特性方框图如图9-4所示。

二．在燃烧率扰动下汽压控制对象的动态特性

燃烧率扰动就是燃料控制机构开度μB的改变，并且锅炉的送风和引风均作相应的改变。这里介绍燃烧率扰动调门开度不变时的汽压控制对象的动态特性，调门开度不变，则图9-4

中μT=0，另外汽机背压p0按不变考虑，即图9-4中p0 =0，令，这样可求得主蒸汽压力和汽包压力在燃烧率扰动下的传递函数：

由式（9-2）和（9-3）可知，在燃烧率扰动和汽机调门开度保持不变时，主蒸汽压力和汽包压力的动态特性为有迟延的惯性环节，其阶跃响应曲线如图9-5所示：

汽压对象之所以有自平衡能力是因为汽压升高后，汽机调门开度不动，而汽机的进汽量DT相应地增加，自发地限制了汽压的升高。汽包压力pd与主蒸汽压力pT之差△p是随着蒸汽流量增加而增大的，因此△p2＞△p1。

三．负荷扰动下汽压控制对象的动态特性

下面介绍汽机调门开度作阶跃扰动时汽压控制对象的动态特性。

在汽机调门开度μT阶跃扰动时，由图9-4可求得μT扰动下汽压控制对象的传递函数

为

式（9-4）和（9-5）的传递函数可知，在μT扰动下汽包压力控制对象为一阶惯性环节，主蒸汽压力控制对象为比例环节和一阶惯性环节的并联环节，它们的阶跃响应如图9-6所示。

当μT阶跃增加后，蒸汽流量D立即比例增加，主蒸汽压力pT按比例“下跳” △p0。由于锅炉的燃料量并未增加，故汽包压力和主蒸汽压力随即以定速度下降。由于主蒸汽压力下降后，蒸汽流量下降，所以pT、pd下降速度也随之减小。最后，由于燃料量不变，所以蒸汽流量降到扰动前的数值，而汽压稳定在一个较低的数值上，表现为有自平衡能力的特性。因为最终蒸汽流量不变，所以主蒸汽压力和汽包压力的差值最后也恢复到扰动前的数值

△p1。在扰动过程中，锅炉多供应的蒸汽量是由锅炉压力降低过程中储能量的改变转换而来的。

四．其它动态特性

前面讨论了燃烧控制系统的汽压被控对象的动态特性，燃烧控制系统的功率被控对象的动态特性有兴趣的读者可参阅介绍协调控制系统的有关章节。为了保证锅炉经济燃烧和安全运行，还要对燃烧经济性（如烟中含氧量中含氧量）和炉膛负压进行控制，为此应考在送风、引风和燃料扰动下的氧量被控对象和负压被控对象的动态特性。氧量在上述扰动下能较快地变化，可以近似地认为被控制对象是一个惯性很小的低阶惯性环节。负压主要受送风量和引风量的影响，当送风量或引风量单独改变时，负压变化很快，也可以近似认为被控对象是一个惯性很小的低阶惯性环节。