锅炉燃烧过程控制系统分析

锅炉燃烧过程控制系统第一节概述一、单元机组的基本控制方式(1)锅炉跟随控制方式(2)汽机跟随控制方式(3)机炉协调控制方式1．锅炉跟随控制方式燃烧率μBP0图1锅炉跟随控制方式＋汽轮机μT—BDpT—＋p0TDPE汽轮机主控器汽轮机控制系统锅炉控制系统锅炉锅炉主控器~调节阀发电机3cos3sinqemdEUPUIX2．汽机跟随控制方式-——μT燃烧率μB汽轮机TDpT+p0BDPEP0＋锅炉主控器汽轮机控制系统锅炉控制系统锅炉汽轮机主控器~调节阀发电机图2汽机跟随控制方式3．机炉协调控制方式图3机炉协调控控制方式p0μT燃烧率μB——TDpT＋BDPEP0＋锅炉主控器汽轮机控制系统锅炉控制系统锅炉汽轮机主控器汽轮机~调节阀发电机二、燃烧过程控制任务(1)满足机组负荷要求，维持主蒸汽压力稳定；燃烧过程控制任务与机组运行方式有关。(2)保证燃烧过程经济性；使燃料得以充分燃烧(3)保证燃烧过程稳定性。维持锅炉炉膛压力稳定三、燃烧过程调节量根据控制任务，主要调节以下三个物理量：1．燃料量调节调节燃料量使入炉燃料燃烧所产生的量能与锅炉外部负荷需求的量能相适应。2．送风量调节燃料量改变时，送风量也应改变，以保证燃料的完全燃烧和排烟热损失最小。调节送风量的目的是保证锅炉燃烧过程的经济性。3．引风量调节调节引风量的目的是使引风量与送风量相适应，以保持炉膛压力在要求范围内，以保证燃烧过程稳定性。四、燃烧过程控制特点燃料量M送风量VPS炉膛负压α过剩空气系数被调量调节量引风量VSpT汽压或功率图4燃烧对象ΔMMt0ΔptpTt0tpTpbμT不变时燃料量扰动下的汽压特性第二节被控对象动态特性DT不变时燃料量扰动下的汽压特性τMΔMMt0pTt0pT二、烟气含氧量动态特性2()(1)VVKGsTs三、炉膛负压动态特性第三节燃烧过程控制基本方案一、燃烧过程控制的基本构成从燃烧过程控制任务来看，燃烧过程控制应具有如下功能：（1）迅速改变炉膛燃烧率，适应外部负荷变化。（2）控制系统能迅速发现并消除燃烧率扰动。燃烧率扰动通常指燃料量和燃料热值的变化扰动。（3）确保燃料、送风和引风等参数协调变化。保证燃烧经济性。（4）确保燃烧过程的稳定性，避免炉膛压力大范围波动。燃烧过程控制构成BD锅炉主控制器燃制料系控统送制风系控统引制风系控统协调级燃料控制系统(1)popT燃料量调节机构PI1MPI2BD燃料控制系统燃料量调节机构燃料控制系统(2)P0PEPI1MPI2BD燃料控制系统二、各控制系统的控制方案1．燃料控制系统2．送风控制系统送风基本控制系统送风机风量调节机构KVPIM0MKV1MVK送风机风量调节机构送风控制系统_++_+DσVMO2氧量调节器送风调节器f(x)K最佳含氧量与负荷关系0负荷最佳含氧量O2σ送风控制系统送风机风量调节机构＋－_+DBDVO2氧量调节器送风调节器f1(x)×f2(x)3．引风控制系统引风控制系统++引风机风量调节机构pSSpSVf(x)引风调节器－三、燃烧过程控制基本方案++――+―送风机风量调节机构引风机风量调节机构O2V燃料量调节机构MBD―popTPI1f1(x)pSDpSS++PI2―PI5+PI3f3(x)PI4燃烧控制基本方案f2(x)×第四节燃烧控制中的几个问题一、燃料量测量基于给煤量修正的总燃料量（发热量）测量给煤机控制装置有给煤量测量功能，测量值求和后就代表入炉总煤量Mc。但由于煤种和水分不同，煤的发热量不同，因此需将总煤量Mc信号进行修正以构建一个既能反映燃料量变化又能反映出煤的热值变化的燃料量（发热量）信号。＋－＋ko……∑1给煤机A给煤量给煤机F给煤量Mc×∑3△∫总给水流量f(x)DQkMQ燃油量OM×A基于给煤量修正的总燃料量测量f(t)f(t)oMQcMkOkM二、增益自动调整给煤机给煤指令增益自动调整回路增益调整回路51xΣSASBSCSDSESFf(x)×总燃料量M锅炉指令BDf(x)△PID乘法器为燃料调节对象的一部分，选择合适的函数f(x)，则可以做到不管给煤机投入的台数如何，都可以保持燃料调节对象增益不变，这样就不必调整燃料调节器的控制参数了。增益调整与平衡器（GAINCHANGER&BALANCER），就是完成该功能。三、风煤交叉限制为了在机组增、减负荷动态过程中，使燃料得到充分燃烧就要保证有足够的风量。需要保持一定的过量空气系数，因此，在机组增负荷时，就要求先加风后加煤；在机组减负荷时，就要求先减煤后减风。这样就存在一个风煤交叉限制。风量燃料量＞＜锅炉指令BD图12－32风煤交叉限制基本方案燃料控制系统送风控制系统f1(x)f2(x)f3(x)图12－33风煤交叉限制方案风量燃料量氧量校正×锅炉指令BD送风控制系统f1(x)＞f3(x)燃料控制系统30％＜f2(x)＋－＋……∑1给煤机A给煤量给煤机F给煤量×∑3总给水流量f(x)燃油量×PIf1(x)0.8~1.2TA2×1风量＜f2(x)锅炉指令BD2Δ＋－×PITf3(x)A1A3A增益调整A－F给煤机指令图12－34煤粉锅炉的燃料控制系统的一般控制方案f(t)f(t)四、风机调节１．节流调节节流调节就是改变风机进口或出口管路上的节流挡板的开度，来改变风机的工作点，从而调节风机的通风量。（1）出口节流调节：采用风机出口节流调节时，节流挡板装置在风机出口管路上。改变管道系统特性曲线，从而使风机的风量改变。一般已不采用这种调节方式。风量V图12－35风机出口节流调节VBVAABO出口压力p（2）进口节流调节：节流挡板设置在风机的进口管路上，通过改变风机进口节流挡板的开度，来改变风机进口压力和性能曲线，使风机工作点移动，达到调节风量目的。进口节流调节要比出口节流调节的运行经济性为好，但挡板开度与风量变化不成线性关系，不宜采用自动调节，调节性能较差，因此大容量风机也不采用这种调节方式。CVBVA风量VAB出口压力pO图12－36风机进口节流调节２．变角调节（1）进口导流器调节(入口导叶调节、静叶调节):是通过改变风机入口处导流器叶片的角度，使风机叶片进口气流的周向速度发生变化，从而改变风机的性能曲线及工作点，进而达到调节风量的目的。由于导流器的附加阻力较小、风机效率下降较少，所以运行的经济性比节流调节高得多，而且导流器结构简单、设备费用低、调节性能较好、运行可靠、维护方便，风机常采用这种调节方法。－30°VCVCCVBVA风量VAB出口压力pO图12－37入口导叶调节30°0°－75°CVBVA风量VAB出口压力pO20°0°图12－38动叶调节（2）动叶调节（轴流式风机）：通过改变风机叶片的角度，改变风机的特性曲线，实现改变风机运行工作点和调节风量。采用这种调节方法时，运行经济性和安全性均较好，且每一个叶片角度均对应一条性能曲线，叶片角度与风量的变化几乎成线性关系，便于采用自动调节，因此在大容量轴流式风机中得到广泛采用。３．变速调节出口压力pVCn3CVBVA风量VABO图12－39风机变速调节n1n24．风机防喘振VA”－22.5°A”VCA’－30°CVA’VAAB出口压力pO20°0°ⅠⅡ风量V图12－40风机的不稳工况与预防动叶开度限制值风机动叶开度指令T动叶开度指令A图12－41风机防喘振方法接近喘振区喘振是风机运行中的一种特殊现象，喘振会造成风机叶片断裂或其它机械部件损坏，威胁风机和整个系统的安全。因此运行中一旦发现风机进入喘振区，就应该采取措施使风机运行点避开喘振区。第五节直吹式锅炉燃烧过程控制直吹式锅炉的燃料系统没有中间煤粉储仓，由给煤机将原煤送入磨煤机，原煤磨成煤粉后直接由一次风送入炉膛燃烧，同时二次风送炉膛助燃。对于600MW及以上机组，由于锅炉容量大，如果采用中间储仓式制粉系统，则煤粉仓较大，会增加投资，同时也不便于锅炉整体布置。因此，600MW及以上机组均采用直吹式制粉系统。115121－原煤仓；2－给煤机；3－磨煤机；4－煤粉分离器；5—一次风风箱；6－煤粉管道；7燃烧器；8锅炉；9－送风机；10－一次风机；11－空气预热器；12－二次风管道；13－一次热风管道；14－一次冷风管道；15－二次风风箱；16－热风挡板；17－冷风挡板；18－一次风门；19—密封门；3461578910图12－53正压冷一次风机直吹式制粉系统12131416171918来自密封风机一、直吹式锅炉燃烧控制特点ptDpbMV1V2V1Mo磨煤机炉膛蒸发部分过热器图12－54直吹式锅炉汽压生产过程示意图磨煤机已成为燃烧控制系统不可分割的组成部分。制粉需要时间，煤粉量M与进入磨煤机的原煤量Mo之间有时间上的滞后和延迟，显然，制粉过程增大了控制通道的惯性和延迟，对燃烧控制是不利的。中储式：能量转化45S—1min(125MW）直吹式：制粉2min,能量转化2—4.5min,600MW4.5min煤粉由一次风送入炉膛，送粉能力与一次风量有关；同时，一次风量对制粉系统的正常工作影响很大，所以必须对进入磨煤机的一次风量进行控制。磨煤机出口温度与煤粉干燥度有关，出口温度太低，会使煤得不到足够得干燥，影响煤粉的输送，甚至会造成堵塞；出口温度太高，则容易发生煤的自燃。因此，需对磨煤机出口温度进行控制。由于一般都是通过调节磨煤机入口热风挡板开度控制磨煤机入口一次风量；通过调节磨煤机入口冷风挡板控制磨煤机出口温度。为保证控制开度与风量的一一对应关系，为此需设置一次风压力控制系统。用于输送煤粉的一次风是属于助燃的风量，但帮助燃料在炉膛内完全燃烧的主要还是由送风机提供的二次风。因此，燃烧过程的经济性主要是通过调节二次风量来保证。由于直吹式锅炉特性，燃烧过程控制的三个控制系统在直吹式锅炉燃烧过程控制中已演变成六个控制系统：燃料控制系统、磨煤机一次风量控制系统、磨煤机出口温度控制系统、一次风压力控制系统、送风控制系统（又称风量控制系统）和炉膛压力控制系统。二、直吹式锅炉燃烧过程控制的原则性方案煤粉量t给煤量与一次风一起扰动给煤量扰动一次风扰动图12－55各种扰动下的磨煤机出粉特性1.“一次风——燃料”系统－＋－－－－＋＋＋＋＋给煤量M调节机构BDPI1一次风量V1调节机构V1二次风量V2调节机构VPI2PI5×PI3O2O2Sf(x)PI4引风量VS调节机构pspssM图12－56“一次风——燃料”系统2．“燃料——风量”系统虽然600MW机组的锅炉容量大，磨煤机台数增加，但相对装煤量却减小，这样会使磨中蓄粉减少，因此采用改一次风量暂时增加进入炉膛的煤粉量对于600MW机组的较大负荷变化来说，其吹出的粉量还是不够的，因此600MW机组的燃烧过程控制均采用“燃料——风量”系统形式。＋＋＋＋＋＋－－－－－给煤量M调节机构BDPI1M一次风量V1调节机构V1二次风量V2调节机构VPI2PI5×PI3O2O2Sf(x)PI4引风量VS调节机构pspss图12－57“燃料——风量”系统三、相应控制系统方案1.燃料控制系统总燃料量－＋图12－58燃料控制系统方案锅炉指令BD总风量f3(x)＜×∑2燃油量磨煤机A给煤量磨煤机F给煤量f4(x)总给水流量∑3f(t)△f7(x)∑4BALANCER给煤机A给煤控制装置……f6(x)f8(x)f2(x)给水温度∑1△f5(x)×PII燃料主控指令TA磨煤机投自动台数∑5ATA＜磨A入口一次风量f8(x)给煤机A给煤指令f(x)给煤机F给煤指令f1(x)2.磨煤机一次风量控制系统600MW机组一般配置六台磨煤机，分别为A、B、C、D、E和F，每台磨煤机组的控制原理是完全相同的，但控制系统结构又都是互相独立的。这里仅以磨A的一次风量控制系统为例进行介绍。磨A入口一次风量给煤机A给煤指令f(x)∑1TA△PID∑2A磨A热风挡板图12－59磨A一次风量控制系统方案3.磨煤机出口温度控制系统磨A出口温度A△PID1磨A入口温度∑1给煤机A给煤指令f(x)△PID2TA磨A冷风挡板开度指令图12－60磨A出口温度控制系统方案磨A出口温度A△PID∑图12－61磨出口温度与一次风控制系统f(x)TA