燃煤锅炉燃烧控制系统研究与工程化应用

燃煤锅炉燃烧控制系统的研究与工程化应用指导教师：冯江涛学生姓名：冯鑫泽、李帅、康永财、毛曙兵摘要：本文以实验室SMPT-1000为研究对象，在了解其工艺流程和控制需求的基础上进行了燃烧系统的动态特性分析，建立了数学模型，确定了控制方案，并以实验室西门子过程控制系统PCS7为控制装置，进行了工程实施。运行结果表明，该方案不仅能满足负荷需要，而且保证了锅炉的安全和经济运行。关键词：SMPT—1000；燃烧控制；PCS7；工程化应用ResearchandengineeringapplicationofcombustioncontrolsystemforcoalfiredboilerSummary:Inthispaper,wemadeSMPT-1000inthethelaboratoryastheresearchobject.Afterunderstandingitsprocessflowandcontrolrequirement,wedidsomeresearchondynamiccharacteristicsofcombustionsystem,setupmathematicalmodelandsettledcontrolscheme.Besides,weputitintoeffectonthebaseoftakingSiemensPCS7processcontrolsystemforcontroldevice.Therunningresultsshowedthatnotonlytheschemecanmeettheneedsofload,butalsoitcanensurethesafetyandeconomyofboileroperation.Keywords:SMPT-1000;combustioncontrol;PCS7;engirneeingapplication1、燃煤锅炉的半实物仿真对象SMPT-1000系统分析1.1工艺流程分析所选被控对象是流程工业领域常见的强制通风式锅炉，通过锅炉辐射与对流传热，将一定流量的物料A加热到工艺要求的温度。图1-1锅炉工艺流程图如图1-1所示，待加热物料A经由上料泵P1101泵出，流量为FI1101,流量管线设有调节阀FV1101和旁路阀HV1101。待加热物料进入换热器E1101与热物料换热后，进入加热炉F1101的对流段。进入换热器E1101的待加热物料A走管程，一方面对热物料A的温度起到减温的作用，另一方面也能对待加热物料A起到一定的预热作用。加热炉对流段由多段盘管组成，炉膛产生的高温烟气自上而下通过管间，与管内的物料A换热，回收烟气中的余热并使物料A进一步预热。对流段流出的物料A全部进入F1101辐射段炉管，接受燃烧器火焰的辐射热量，达到所要求的高温后出加热炉，进入换热器E1101，进行温度的微调并为冷物料预热，最后以工艺所要求的物料温度输送给下一生产单元。燃料经由燃料泵P1102泵入加热炉的燃烧器，流量为FI1103，压力为PI1101,燃料流量管线设调节阀FV1104，空气由变频鼓风机K1101送入燃烧器，流量为FI1104。为适应生产负荷的变化，燃烧过程中有最佳比例K，比例K是随不同负荷和燃料的变化而变化。衡量燃烧效率的高低可用烟气中的含氧量AI1101来评价。炉膛压力为PI1102，对流段的出口烟气温度为TI1105，在烟道内设有挡板DO1101。为了使炉膛内保证一定的负压，并且有效利用烟气的温度，必须控制挡板在一个合适的开度，并且适应生产的变化。物料A出料口流量为FI1105，温度为TI1104，并且管道上设有阀FV1105，维持流量稳定和温度稳定是整个控制系统的最终目的。协同整个管道上调节阀的开度的变换，可使流量稳定，通过TI1104可作为反馈控制换热器的效果。1.2控制需求分析1.2.1满足生产指标的考虑在热物料A流量稳定的前提下，保证热物料A的出口温度维持在工艺要求范围之内。通过控制燃料和空气的比值，来控制锅炉的温度，结合换热器的出口温度控制，从而实现对物料A加热到所要求的温度，从而达到控制要求。所有操作要保证有序进行，工况要保持全程稳定，并要充分考虑生产过程中可能出现的异常工况。1.2.2满足节能指标的考虑出于对效能、环境等因素的考虑，要求在控制系统的设计和实施中对燃料用量等能耗等指标予以充分考虑，通过实时的对加热炉加热物料流程的控制，可以有效的减少燃料浪费。1.2.3满足全自动控制的要求从生产单元冷态起，按照开车步骤实施全自动顺序控制，保证开车稳步进行，保证系统无扰投运。1.2.4满足系统安全控制的要求强制通风式锅炉在一般不加以安全联锁控制的情况下，可能会发生一些意向不到的事故，例如，物料上料不及时，导致锅炉干烧，从而可能导致爆炉；在开车前不及时检测炉膛内是否有燃料或者是炉膛气体是否在爆炸限一下，也可能发生事故等，所以通过一系列包括声光报警、安全联锁、紧急停车、安全仪表等功能设计及控制，从而较小事故的发生率，保障工况正常平稳运行，进而提高生产效率。1.3对象特性分析为了进行SMPT1000锅炉动态特性的研究，事先将锅炉调控在一个稳定状态，见图1-1所示。其中，物料A进口流量控制阀FV1101开度20%、热物料出口流量控制阀FV1105开度100%、燃料流量控制阀FV1104开度25%、鼓风机（空气流量）S1101开度20%、烟气挡板DO1101开度100%。图1-1对象的初始稳定状态1.3.1物料流量的动态特性分析影响物料流量变化的因素：物料进口调门开度、物料出口调门开度、物料供料压力以及旁路调门开度的大小等。在旁路调门全关、物料调门全开、对物料进口调门开度施加幅值为10%阶跃信号时，物料流量的动态响应曲线如图1-2所示。图1-2物料流量的动态响应曲线由图1-2可知，物料流量动态响应过程是无延迟、有惯性的。当物料流量的阀门开度从20%开度到30%开度变化时，根据切线法可以得出，物料A的阀门开度变化时流量的动态特性传递函数可以近似表示为：根据上述结论，当物料A进口流量控制阀FV1101开度依次变化为：20%→30%→40%→30%，相对应物料流量的动态特性与传递函数基本相符。1.3.2物料温度的动态特性分析影响物料温度变化的因素有燃料流量、物料流量、空气量、烟气挡板开度。在物料流量为15%，送风量S1101为20%，烟道挡板DO1101全开、对燃料量调门开度施加幅值为5%的阶跃信号，物料温度的动态响应曲线如图1-3所示。图1-3燃料量扰动的动态响应曲线由图1-3可知，燃料量扰动下的物料出口温度动态响应过程是有延迟、有惯性的。当燃料流量控制阀15.351.158)s(sGFV1104开度变化为：25%→30%，保证其他变量不变的情况下，空气流量在一定的范围内，由于燃料量增加，炉膛内的温度就会增加，对物料A提供的热量增加，因此热物料出口温度TI1104上升。此时，其它条件一定的情况下，根据切线法可以求出，燃料量的调门开度变化时出口温度的动态特性可以用下列传递函数近似表示：根据上述结论，当燃料流量控制阀开度在30%→35%→40%依次变化时，相应的物料出口温度的动态特性与所建模型基本相符。在物料流量为15%，燃料量调门为25%，烟道挡板DO1101全开、对送风量风机S1101施加幅值为5%的阶跃信号，物料温度的动态响应曲线如图1-4所示。图1-4送风量扰动的动态响应曲线由图1-4可知，送风量扰动下的出口温度动态响应过程是有惯性的。当鼓风机S1101开度变化为：20%→25%，保证其它量不变的情况下，送风量变化时相应物料温度的动态特性可以用下列传递函数近似表示：根据上述结论，当鼓风机S1101开度在25%→30%→35%等变化时，相应的物料出口温度的动态特性与所建模型基本相符。同时，在保证其他变量不变的情况下，空气量的增多，会在排烟时带走炉膛内一部分热量，炉膛内温度降低，对物料A的供热量减小，因此热物料出口温度TI1104下降。但是，如果送风量正好合适时，因为燃料可以充分燃烧，可能会增加炉膛温度，对物料A的供热量增加，因此热物料出口温度TI1104也可能上升。同时，送风量增加，会导致烟气含氧量增加，炉膛真空度下降。从具体数值上看，炉膛真空度还在安全范围之内，而烟气含氧量超出了1%--3%的范围，保证不了燃烧的经济性。在物料流量为15%，燃料量调门为25%，送风量S1101为20%、对烟道挡板DO1101全开、施加幅值为50%的阶跃信号，物料温度的动态响应曲线如图1-5所示。1s75.19）19.43（44.1059)s(4sG1s77.78)103.179(44.139)s(3sG图1-5烟气挡板开度扰动的动态响应曲线由图1-5可知，烟气挡板扰动下物料出口温度动态响应过程是有延迟、有惯性。当烟气挡板DO1101开度变化为：100%→50%，保证其他变量不变的情况下，烟囱的抽力减小，被排出的烟气量减小，则排烟时带走的炉膛热量减小，炉膛内温度升高，对物料A的供热量增加，因此热物料出口温度TI1104上升。同时，烟气挡板开度关小，造成烟气含氧量下降，炉膛真空度减小。从具体数值上看，烟气挡板开度变化50%，对烟气含氧量和炉膛真空度影响不大。在这种工况下，烟气挡板变化时相应物料出口温度的动态特性可以用下列传递函数近似表示：根据上述结论，当烟气挡板的开度在30%→60%→90%等变化时，相应的物料出口温度变化与传递函数基本相符。在图1-6所示的稳定工况下，对物料负荷施加幅值为5%的阶跃扰动下，物料温度的动态响应曲线如图1-6所示。图1-6变负荷的动态响应曲线由图1-6可知，变负荷工况下物料出口温度的动态响应过程是有延迟、有惯性的。当物料A进口流量控制阀FV1101开度变化为：20%→25%，保证其他变量不变的情况下，进物料增多，炉膛相对提供给物料A的热量减小，因此热物料出口温度TI1104出现先上升后下降的变化情况。而炉膛真空度和烟气含氧量均减小，但减小的幅度不大。此时，物料A阀门开度变化时出口温度的动态特性可以用下列传递函数近似表1s1.29)115.153(4)s(4sG示：根据上述结论，当物料A阀门开度在25%→30%→35%等变化时，物料出口温度的动态特性与所建模型基本相符。1.3.3烟气含氧量的动态特性分析影响烟气含氧量变化的因素有燃料量、烟气挡板开度、送风量。在物料流量为15%，燃料量调门为25%，烟道挡板DO1101为100%、对送风量风机S1101施加幅值为5%的阶跃信号，烟气含氧量的动态响应曲线如图1-7所示。图1-7送风量扰动的动态响应曲线由动态响应曲线图1-7可知，送风量扰动下的烟气含氧量动态响应过程是有延迟、有惯性的。当鼓风机S1101开度变化为：20%→25%，保证其他变量不变的情况下，空气量增多，燃烧剩下的空气量增加，所以排出的烟气中含氧量明显上升。此时，鼓风机阀门开度变化时烟气含氧量的动态特性可以用下列传递函数近似表示：根据上述结论，当鼓风机的阀门开度在25%→30%→35%等变化时，烟气含氧量的动态特性与所建模型基本相符。在物料流量为15%，燃料量调门为25%，送风量S1101为20%时，对烟气挡板DO1101施加幅值为50%的阶跃信号，烟气含氧量的动态响应曲线如图1-8所示。1s78.59)117.67(319)s(3sG1s787.33)172.36(36.55)s(sG图1-8烟气挡板扰动的动态响应曲线由动态响应曲线图1-8可知，烟气挡板扰动下的烟气含氧量动态响应过程是有延迟、有惯性的。根据前面的分析可知：当烟气挡板开度减小时，烟囱的抽力减弱，随烟气一同被抽入烟囱中的空气量减少，因此烟气中的含氧量AI1101上升。此时，烟气挡板阀门开度在50%到100%变化时烟气含氧量的动态特性可以用下列传递函数近似表示：根据上述结论，当烟气挡板的阀门开度在30%→60%→90%等变化时，烟气含氧量的动态特性与所建模型基本相符。由图1-3和图1-8可知，燃料量和送风量的变化都会影响烟气