【文章內(nèi)容簡介】 期 隨著我國電廠 ―節(jié)能降耗 ‖措施的推行，電廠開始普遍關(guān)注鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)，通過燃燒優(yōu)化降低鍋爐煤耗 提高火電廠發(fā)電效率。 20 世紀(jì) 90 年代中期和末期，隨著測量技術(shù)的發(fā)展，許多企業(yè)研制開發(fā)了一系列重要的影響鍋爐燃燒參數(shù)的在線量儀表，如飛灰含碳量在線檢測裝置，煤粉濃度細(xì)度在線檢測裝置，煤質(zhì)成分在線檢測裝置， 鍋爐火焰監(jiān)測系統(tǒng)等。 同期，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，在分散控制系統(tǒng) DCS層面上控制邏輯的優(yōu)化，先進(jìn)的人工智能技術(shù)在鍋爐燃燒優(yōu)化上應(yīng)用的研究也開始受到了廣大科研人員的關(guān)注。 20 世紀(jì) 90 年代末期，隨著社會(huì)對(duì)環(huán)境的關(guān)注，電站鍋爐燃燒優(yōu)化已由最初的以安全性，經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的優(yōu)化發(fā)展到經(jīng)濟(jì)性 和 安全性，環(huán)保并舉的時(shí)期。 電子信息技術(shù)人工智能技術(shù)給電站 3 鍋爐燃燒優(yōu)化注入了新的活力，鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)進(jìn)入新的快速發(fā)展時(shí)期。電廠鍋爐利用煤的燃燒發(fā)熱，通過傳熱對(duì)水進(jìn)行加熱，產(chǎn)生高壓蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的電能。 鍋爐燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是使燃料燃燒所提供的熱量適應(yīng)外界對(duì)鍋爐輸出的蒸汽負(fù)荷的需求 , 同時(shí)保證鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。鍋爐燃燒過程自動(dòng)控制主要包括三項(xiàng)控制內(nèi)容 : 控制燃料量、控制送風(fēng)量、控制引風(fēng)量。為實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量的控制 , 相應(yīng)的有三個(gè)控制系統(tǒng) , 即燃料量控制系統(tǒng)、送風(fēng)量控制系統(tǒng)和引風(fēng)量控制系統(tǒng)。以上三個(gè)控制系統(tǒng)之間存在著密切的相互關(guān)聯(lián) , 要控制好燃燒過程 , 必須使燃料量、送風(fēng)量及引風(fēng)量三者協(xié)調(diào)變化。以主蒸汽壓力控制系統(tǒng)為主回路，燃燒率控制系統(tǒng)為內(nèi)回路，通過傳感器采集爐膛壓力，含氧量和爐膛負(fù) 壓來調(diào)節(jié)鍋爐的給煤量， 送風(fēng)量和引風(fēng)量從而達(dá)到最佳熱效率。燃燒控制系統(tǒng)是電廠熱工控制的重要組成部分， 目前大部分電廠的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)仍然采用 PID 控制。燃燒控制系統(tǒng)由主蒸汽壓力控制和燃燒率控制組成控制系統(tǒng)， 其中燃燒率控制由燃燒量控制、送風(fēng)量控制、引風(fēng)量控制三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。鍋爐生產(chǎn)燃燒系統(tǒng)自動(dòng)控制的基本任務(wù)是使燃料所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要， 同事還要保證經(jīng)濟(jì)燃燒和鍋爐的安全運(yùn)行。具體控制任務(wù)可分為三個(gè)方面：一要穩(wěn)定蒸汽母管壓力。二要維持鍋爐燃燒的最佳狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)性。三要維持爐膛負(fù)壓在一定范圍。這三者 是相互關(guān)聯(lián)的 【 2】 。 隨著 生產(chǎn)的發(fā)展，鍋爐日益廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，成為發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)的重要熱工設(shè)備之一。在現(xiàn)代的建設(shè)中，能源的需求是非常大的，然而我國能源的利用率極低，所以提高鍋爐的熱效率具有極為重要的實(shí)際意義。此外，鍋爐是否因地制宜地有效地燃用地方燃料，并滿足環(huán)境保護(hù)的各項(xiàng)要求而努力解 4 決煙塵污染問題，以提高操作管理水平，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保證鍋爐額定運(yùn)行及運(yùn)行效率，安全可靠的供熱等課題。 本課題主要方向是采用過程控制對(duì)鍋爐進(jìn)行控制，采用先進(jìn)的控制算法，以達(dá)到優(yōu)化技術(shù)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益、提高 勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生、提高市場競爭能力的作用。 1 第二章 鍋爐的組成及工作原理 鍋爐的基本構(gòu)造 鍋爐燃燒過程自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是控制燃料燃燒過程， 使燃料燃燒所提供的熱量適合外界對(duì)鍋爐輸出的蒸汽負(fù)荷的需求， 同時(shí)保證鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。 【 3】鍋爐是一種產(chǎn)生蒸汽或熱水的熱交換設(shè)備。它通過燃料的燃燒釋放大量熱能，并通過熱傳遞把能量傳遞給水，把水變成蒸汽或熱水，蒸汽或熱水直接供給工業(yè)和生活中所需要的熱能。所以鍋爐的中心任務(wù)是把燃料中的化學(xué)能有效的轉(zhuǎn)化為蒸汽的熱能。圖 鍋爐的大體組成部分。 鍋爐的主要設(shè)備包括氣鍋、爐子、爐膛、鍋筒、水冷壁、過熱器、省煤器、燃燒設(shè)備、引風(fēng)設(shè)備、送風(fēng)設(shè)備、給水設(shè)備、空氣預(yù)熱器、水處理設(shè)備、燃料供給設(shè)備以及除灰除塵設(shè)備等。 氣鍋：由上下鍋筒和三簇沸水管組成。水在管內(nèi)受管外煙氣加熱，因而管簇內(nèi)發(fā)生自燃的循環(huán)流動(dòng)，并逐漸氣化，產(chǎn)生的飽和蒸汽積聚在上鍋筒里面。 爐子：是是燃燒從充分燃燒并釋放出熱量的設(shè)備。 爐膛：保證燃料的充分燃燒，并使水流受熱面積達(dá)到規(guī)定的數(shù)值。 鍋筒：使自然循環(huán)鍋爐個(gè)受熱面能適應(yīng)負(fù)荷變化的設(shè)備。（須指出，直流鍋爐內(nèi)無鍋筒。 ） 2 水冷壁：主要是輻射受熱面，保護(hù)盧比的作用。 過熱器：是將氣鍋所產(chǎn)生的飽和蒸汽繼續(xù)加熱為過熱蒸汽的換熱器。過熱器一般都裝在爐膛出口。 省煤器：是利用余熱加熱鍋爐給水，以降低排出煙氣溫度的換熱器。采用省煤器后，降低了排煙溫度，提高了鍋爐效率，節(jié)省了燃料。同時(shí)，由于提高了進(jìn)入汽包的給水溫度，減少了因溫差而引起汽包壁的熱適應(yīng)力，從而延長了汽包的使用壽命。 燃燒設(shè)備：將燃料和燃燒所需的空氣送入爐膛并使燃料著火穩(wěn)定，充分燃燒。燃燒設(shè)備主要有磨煤機(jī)、給煤機(jī)、燃燒器、風(fēng)機(jī)等 【 4】 。 引風(fēng)設(shè)備：包括引風(fēng)機(jī)、煙道和煙囪等幾 部分。用它將鍋爐中的煙氣連續(xù)排出。 送風(fēng)設(shè)備：包括有鼓風(fēng)機(jī)和分道組成。用它來供應(yīng)燃料所需的空氣。 給水設(shè)備：由水泵和給水管組成。 空氣預(yù)熱器：是繼續(xù)利用離開省煤器后的煙氣余熱，加熱燃料燃燒所需要的空氣，是一個(gè)換熱器。省煤器出口煙溫度高，裝上空氣預(yù)熱器后，可以進(jìn)一步降低排煙溫度，也可改善燃料著火和燃燒條件，降低不完全燃燒所造成的損失，提高鍋爐機(jī)組的效率。 水處理設(shè)備：其作用是為清除水中的雜質(zhì)和降低給水硬度，以防止在鍋爐受熱面上結(jié)水垢或腐蝕。 燃料供給設(shè)備：由運(yùn)煤設(shè)備、原煤倉和儲(chǔ)煤斗等設(shè)備組成，保證鍋爐所需燃料 供應(yīng)。 3 除灰除塵設(shè)備：是收集鍋爐灰渣并運(yùn)往儲(chǔ)灰場的設(shè)備 【 5】 。 此外，出了保證鍋爐的正常工作和安全，蒸汽鍋爐還必須裝設(shè)安全閥、水位表、高低水位報(bào)警器、壓力表、主汽閥、排污閥和止污閥等，還有用來消除受熱面上積灰的吹灰器，以提高鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)型。 圖 過爐控制系統(tǒng)硬件組成圖 鍋爐的工作原理及過程 鍋爐是一種生產(chǎn)蒸汽的換熱設(shè)備。它通過煤、由或燃?xì)獾鹊娜紵尫懦龌瘜W(xué)能，并通過傳熱過程將能量傳遞給水，使水轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，蒸汽直接供給工業(yè)生產(chǎn)中所需的熱能，或通過蒸汽動(dòng)力機(jī)，嫩而過轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)能，或通過汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｋ藻仩t的中心任務(wù)是把燃料中的化學(xué)能最有效的轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝臒崮?。因此，近代鍋爐亦稱為蒸汽發(fā)生器。 4 調(diào)節(jié)系統(tǒng)在蒸汽鍋爐熱工燃燒時(shí)有著很大的輔助作用，能夠?yàn)槿紵h(huán)節(jié)提供必要的環(huán)境，協(xié)調(diào)好每個(gè)步驟的有序進(jìn)行 【 6】 .鍋爐的工作過程概括起來 應(yīng)該包括三個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過程：燃料的燃燒過程、水的氣化過程、煙氣向水的傳熱過程。 燃料的燃燒過程 首先將燃料（這里用煤）加到煤斗中，借助于重力下落在爐膛排面上，爐排接電動(dòng)機(jī)通過變速此輪箱減速后有鏈輪來帶動(dòng)，將燃料煤帶入爐內(nèi)。燃料一面燃燒，一面向后移動(dòng)燃料所需要的空氣是由風(fēng)機(jī)送入爐排腹中風(fēng)倉后，向上穿過爐排到達(dá)燃料層，進(jìn)行燃料反應(yīng)形成高溫?zé)煔?。燃料燃燒剩下的灰渣，在爐排末端翻過除渣板后排入灰斗，（若是燃?xì)馐藉仩t就沒有這一部分了）這整個(gè)過程稱為燃燒過程。 水的 汽化 過程 水的汽化過程就是蒸汽 的產(chǎn)生過程，主要包括水循環(huán)和水分離過程。經(jīng)處理的水由水泵加壓，先流經(jīng)省煤器而得到預(yù)熱，然后進(jìn)入氣鍋。鍋爐工作時(shí)氣鍋的工作介質(zhì)是處于飽和狀態(tài)的汽水混合物。位于煙溫較低區(qū)段的對(duì)流管束，因受熱較弱，汽水工質(zhì)的容量較大，而位于煙溫較高區(qū)段的對(duì)流管束，因受熱強(qiáng)烈，相應(yīng)的汽水工質(zhì)的容量較小，從而量大的工質(zhì)則向上流入下鍋筒，而容量小的工質(zhì)則向上流入上鍋筒，形成了鍋水的自然循環(huán)。 5 蒸汽所產(chǎn)生的過程是借助于上鍋筒內(nèi)設(shè)的汽水分離裝置。以及在鍋筒本身空間的重力分離力作用，使汽水混合物得到分離。蒸汽在上鍋筒頂部引出后，進(jìn)入蒸汽過熱 器，而分離出來的水仍回到上鍋筒下半部的水中。鍋爐中的水循環(huán)，也保證與高溫?zé)煔庀嘟犹幍慕饘偈軣崦娴睦鋮s而不被燒壞，是鍋爐能長期安全運(yùn)行的必要條件。而汽水混合物的分離設(shè)備則是保證蒸汽品質(zhì)和蒸汽過熱可靠工作的必要設(shè)備。 煙氣向水傳熱過程 由于燃料的燃燒放熱，爐內(nèi)溫度很高在爐膛的四周墻面上，都布置一排水管，俗稱水冷壁。高溫?zé)煔馀c水冷壁進(jìn)行強(qiáng)烈的輻射換熱，將熱量傳給管內(nèi)工質(zhì)水。繼而煙氣受引風(fēng)機(jī)和煙囪的引力而向爐膛上方流動(dòng)。煙氣從爐膛出口掠過放渣管后，就沖刷蒸汽過熱器，一組垂直放置的蛇形管受熱面，使氣鍋中產(chǎn) 生的飽和蒸汽在其中受煙氣加熱而得到的過程。煙氣流經(jīng)過過熱器后掠過脹接在上、下鍋筒間的對(duì)流管束，在管束間設(shè)置了折煙墻使煙氣呈 ―S‖型曲折地橫向沖刷，再次以對(duì)流換熱的方式將熱量傳遞給管束的工質(zhì)。沿途逐漸降低溫度的煙氣最后進(jìn)入胃部煙道，與省煤器和空氣預(yù)熱器內(nèi)的工質(zhì)進(jìn)行熱交換后，以經(jīng)濟(jì)的較低的煙溫排出鍋爐。省煤器實(shí)際上同給水預(yù)熱器和空氣預(yù)熱器一樣，都設(shè)置在鍋爐尾部（低溫）煙道，以降低排煙溫度提高鍋爐效率，從而節(jié)省了燃料。 以上就是一般鍋爐工水的過程，一個(gè)鍋爐進(jìn)行工作，其主要任務(wù)是： (1) 要使鍋爐出口壓力穩(wěn)定。 6 (2) 保證燃 燒過程的經(jīng)濟(jì)型。 (3) 保持鍋爐負(fù)壓恒定。通常我們是路膛負(fù)壓保持在微負(fù)壓（ 10—80Pa）。 為了完成上述三項(xiàng)任務(wù)，我們對(duì)三個(gè)量進(jìn)行控制：燃料量，送風(fēng)量，引風(fēng)量。從而使鍋爐能正常運(yùn)行。 1 第三章 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的任務(wù) 鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制與燃料種類、燃燒設(shè)備以及鍋爐形式等有密切關(guān)系。鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中 ,控制方案選擇的好壞對(duì)實(shí)控制目的起到了非常重要的作用 【 7】 。由鍋爐燃燒理論可知 , 對(duì)燃煤鍋爐熱效率影響較大且可變的熱損失主要有排煙熱損失、機(jī)械不完全燃燒熱損失、化學(xué)不完全燃 燒熱損失 【 8】 。現(xiàn)側(cè)重以燃煤鍋爐來討論燃燒過程的控制。燃燒過程的控制基本要求有三個(gè)： 第一、 保證出口蒸汽壓力穩(wěn)定，能按負(fù)荷要求自動(dòng)增減燃料量； 第二、 燃燒良好，供氣適宜，既要防止由于空氣不足使煙囪冒黑煙，也不 因空氣過量而增加熱量； 第三、 保證鍋爐安全運(yùn)行。在該控制系統(tǒng)中，可選用的操縱變量也由 3 個(gè) : 料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量。組成的燃燒系統(tǒng)的控制方案要滿足燃燒所產(chǎn)生的熱量，適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要 。使燃料與空氣量之間保持一定的比值，保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性和鍋爐的安全運(yùn)行 。使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，保持爐膛一定的負(fù)壓，以免負(fù)壓太小，甚至為正，造 成爐膛內(nèi)熱煙氣往外冒出，影響設(shè)備和工作人員的安全 。如果負(fù)壓過大，會(huì)使大量冷空氣漏進(jìn)爐內(nèi)，從而使熱量損失增加。此外，還需防止燃燒嘴背壓太高時(shí)脫火，燃燒嘴背壓太低時(shí)回火的危險(xiǎn)。 2 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的組成 燃燒系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)的第一個(gè)任務(wù)是維持鍋爐出口熱水溫度保持穩(wěn)定 , 克服自身燃料方面的擾動(dòng) , 保證負(fù)荷與出力的協(xié)調(diào) 。 第二個(gè)任務(wù)是使燃料量與空氣量相協(xié)調(diào) (風(fēng)煤比 ) ,保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性 。 第三個(gè)任務(wù)是使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng) , 維持爐膛壓在一定范圍內(nèi) 【 9】 。鍋爐燃燒控制系統(tǒng)由主蒸汽壓力控制系統(tǒng)和爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng) 【 10】 。主蒸汽壓力控制系統(tǒng)又包含燃料控制系統(tǒng)和送風(fēng)控制系統(tǒng)，由于這兩個(gè)控制系統(tǒng)是緊密聯(lián)系的，所以一般不將它們分開討論 。在爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)中，送風(fēng)量對(duì)爐膛壓力的影很小，爐膛壓力主要是靠引風(fēng)機(jī)來調(diào)節(jié)的，所以有時(shí)它也被稱為引風(fēng)控制系統(tǒng)。在整個(gè)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中，蒸汽壓力的變化表示鍋爐蒸汽的產(chǎn)生量與負(fù)荷的耗汽量不相適應(yīng)，因此必須相應(yīng)的而改變?nèi)剂系墓?yīng)量，以改變鍋爐蒸汽的產(chǎn)量。當(dāng)燃料改變時(shí)，必須相應(yīng)的改變送風(fēng)量，使燃料量與空氣量相適應(yīng)，保證燃燒過程有較高的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，當(dāng)送風(fēng)量改變時(shí)，也應(yīng)該相應(yīng)的改變引風(fēng)量，從而使得爐 膛壓力保持在 20Pa左右。 鍋爐是一個(gè)多輸入、多輸出、多回路、非線性的相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜的控制系統(tǒng) , 調(diào)節(jié)參數(shù)與被調(diào)節(jié)參數(shù)之間 , 存在著許多交叉的影響 , 調(diào)節(jié)難度非常大。我們將系統(tǒng)控制分散成給煤控制 ,送風(fēng)控制 , 汽包液位控制 , 爐膛負(fù)壓控制等一系列閉環(huán)控 【 11】 。 主蒸汽壓力控制系統(tǒng) 本爐采用中間儲(chǔ)倉式制粉系統(tǒng)，其特點(diǎn)是制粉系統(tǒng)出力的變化并不直影響鍋 3 爐的負(fù)荷。當(dāng)鍋爐負(fù)荷發(fā)生變動(dòng)時(shí)，是通過改變給粉機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行的。 當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化，調(diào)節(jié)給粉機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，給粉量的增減應(yīng)緩慢進(jìn)行，調(diào)節(jié)范圍不易太大。若轉(zhuǎn) 速過高，不但會(huì)因煤粉濃度過大堵塞一次風(fēng)管，而且容易使給粉機(jī)超負(fù)荷。若轉(zhuǎn)速過低，則在爐膛溫度不太高的情況下，由一于濃度不足，著火不穩(wěn)，容易發(fā)生熄火。給粉機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在 300 一 800r/ min 的范圍內(nèi)。調(diào)整給粉機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)，應(yīng)注意調(diào)整送、弓 }風(fēng)量，保持汽壓和汽溫的穩(wěn)定。增加負(fù)荷時(shí)，先增加風(fēng)量，隨之增加給粉量 。減負(fù)荷時(shí)，先減少給粉量，隨之減少風(fēng)量，并使同層給粉機(jī)的下粉量一致，以便于配風(fēng)。 當(dāng)外界負(fù)荷變化而需要調(diào)節(jié)鍋爐出力時(shí)，隨著燃料量的改變，鍋爐的風(fēng)量也需要作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。 在鍋爐運(yùn)行中，實(shí)際進(jìn)入爐內(nèi)的空 氣不可能全部與燃料接觸并發(fā)生完全反應(yīng)。為了減少化學(xué)不完全燃燒熱損失和煙氣熱損失，獲得良好的燃燒效率，實(shí)際送入爐內(nèi)的空氣量通常比理論計(jì)算空氣量多一些，兩者之比稱為過量空氣系數(shù) α。過量空氣系數(shù)的控制是通過煙氣分析儀測量煙氣中的 02 成分來實(shí)現(xiàn)的。由一于目前普遍采用氧量計(jì)，過量空氣系數(shù) α與煙氣中 O2 含量關(guān)系如式 3 一 1 所示 : 22121O??? 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