【正文】 燃燒控制系統(tǒng)原理 圖 12所示為采用熱量信號的燃燒控制系統(tǒng)。同時， 一次風(fēng)通過磨煤機后，經(jīng)分支管向一組燃燒內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 3 器輸送煤粉 (通常是幾臺磨煤機同時工作 )，進入各燃燒器的煤粉量與其一次風(fēng)量有關(guān)。 (2)由于一次風(fēng)在磨煤機之前引人， 制粉系統(tǒng)中沒有細 粉分離器，一次風(fēng)量對制粉系統(tǒng)的正常工作影響很大。 在組織 直 吹式 鍋 爐燃燒過程控制系統(tǒng)時需注意以下幾點： (1)由于燃料調(diào)節(jié)機構(gòu)在磨煤機之前，制粉過程被包括在汽壓調(diào)節(jié)通道中，增大了汽 壓調(diào)節(jié)通道的慣性和遲延，尤其是采用裝煤量 大的磨煤機的制粉系統(tǒng)。 如果在負荷改變時只改變進入 磨煤機的原煤量，那么進入爐膛的煤粉量的變化就很不及時， 會使汽壓有較大的變動。在煤粉直吹制鍋爐中制粉系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)是為了保證制粉系統(tǒng)正常運行和適應(yīng)鍋爐負荷的需要，成為燃燒過程自動調(diào)節(jié)的一個組成部分。 圖 11 直吹式鍋爐汽壓生產(chǎn)過程示意圖 在穩(wěn)定運行時，進入磨煤機的原煤量等于送入爐膛的煤粉量，并與負荷要求相適應(yīng)。 在直吹式鍋爐運行時，制粉設(shè)備是與鍋爐緊密地聯(lián)系在一起的。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 2 第一章 燃燒過程控制系統(tǒng) 概述 近代大電站的發(fā)展趨勢是向大容量、高參數(shù)方向發(fā)展，隨著單機容量的增大，如果再采用中間儲粉倉式制粉系統(tǒng)將耗費更多的基建投資和運行費用，顯然在經(jīng)濟上是不 合 算的 。這三者是相互關(guān)聯(lián)的。三，維持爐膛負壓在一定范圍。二，維持鍋爐燃燒的最佳狀態(tài)和經(jīng)濟性。具體控制任務(wù)可分為三個方面：一，穩(wěn)定蒸汽母管壓力，這是燃燒控制系統(tǒng)的第一項任務(wù)。在本設(shè)計中將以汽包鍋爐為控制對象，主要討論大型單元機組燃燒控制過程 方案的特點以及系統(tǒng)的整定 。因此，大型機組的自動化水平受到特別的重視。由于其工藝流程復(fù)雜，設(shè)備眾多，管道縱橫交錯，有上千個參數(shù)需要監(jiān)視、操作或控制，沒有先進的自動化設(shè)備和控制系統(tǒng)要正常運行是根本不可能的。衡量一個控制系統(tǒng)的指標一般可歸為三個方面，即穩(wěn)定性、準確性和快速性。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 1 直吹制煤粉爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計及仿真研究 引 言 火力發(fā)電廠在我國電力工業(yè)中占有主要地位，是我國的重點能源工業(yè)之一。 自動控制系統(tǒng)控制品質(zhì)的優(yōu)劣，直接表征了控制系統(tǒng)克服外界干擾能力的大小。 大型火力發(fā)電機組是典型的過程控制對象，它是由鍋爐、汽輪發(fā)電機組和輔助設(shè)備組成的龐大的設(shè)備群。而且電能生產(chǎn)還要求高度 的安全可靠性和經(jīng)濟性，尤其是大型骨干機組，這方面的要求更為突出。目前已逐步把常規(guī)控制與計算機控制結(jié)合起來， 有的已開始完全采用計算機來進行控制。 鍋爐生產(chǎn)燃燒系統(tǒng)自動控制的基本任務(wù)是使燃料所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負荷的需要，同時還要保證經(jīng)濟燃燒和鍋爐的安全運行。如果蒸汽壓力變了，說明鍋爐的蒸汽生產(chǎn)量與 負荷設(shè)備的蒸汽消耗量不適應(yīng)，因此必須改變?nèi)剂狭恳愿淖冨仩t燃燒發(fā)熱量從而改變鍋爐的蒸發(fā)量以恢復(fù)蒸汽母管壓力為 額定值。燃燒的經(jīng)濟性指標難以 測量，常用鍋爐中煙氣的含氧量或者燃料量與送風(fēng)量的比值來表示。爐膛負壓的變化反映了引風(fēng)量與送風(fēng)量的不適應(yīng)。 本次設(shè)計的題目是直吹 制煤粉爐燃燒控制 系統(tǒng) 的 設(shè)計及仿真研究，主要內(nèi)容包括燃燒控制系統(tǒng)的組成；汽壓被控對象在各種擾動下的動態(tài)特性；燃燒控制系統(tǒng)的基本方案；以及燃燒控制系統(tǒng)的參數(shù)整定；最后，對燃 燒控制系統(tǒng) 進行 MatLab 仿真。因此，采用直吹式制粉系統(tǒng) 是大 機組發(fā)展的方向。其生產(chǎn)過程示意圖如圖 11所示。一次風(fēng)用于制粉及輸送煤粉， 一次風(fēng)量的大小亦隨鍋爐的負荷而增減。在有中間煤粉倉的鍋爐中，改變?nèi)剂狭康恼{(diào)節(jié)機構(gòu)（給粉機）就能直接改變進入爐膛的 煤粉量，因此適應(yīng)負荷變換和消除燃料擾動就比較及時，而在煤粉直吹鍋爐中，改變?nèi)剂狭康恼{(diào)節(jié)機構(gòu)首先改變進入磨煤機的原煤量和一次風(fēng)量。在鍋爐的負荷不變時，制粉系統(tǒng)應(yīng)供應(yīng)與負荷相適應(yīng)的 煤 粉量，并應(yīng)迅速消除給煤量的自發(fā)擾動。因此，如何在負荷變化時，能迅速有效地改變進入爐膛的煤粉量，是組織直吹式鍋爐燃 燒 控制系統(tǒng)必需要注 意的。風(fēng)量過大， 則會造成煤粉顆粒變大，風(fēng)量過小不僅影響送粉，而且容易造成磨煤機堵塞。因此，如何在 保證總風(fēng)量與負荷成比例的同時，保證一 次 風(fēng) 壓穩(wěn)定，及各燃燒器的一、二次風(fēng)比例，是組織直吹鍋爐燃燒控制系統(tǒng)時不容忽視的。圖 13所示為其對應(yīng)的 方框圖。 圖 12 燃燒控制系統(tǒng)原理框圖 燃燒控制子系統(tǒng)采用熱量信號 DQ 作為燃料量的反饋信號，經(jīng)比較器與壓力調(diào)節(jié)器輸出的 負荷指令 LD 相比較，其差值經(jīng)燃料調(diào)節(jié)器后，調(diào)節(jié)進入爐膛的燃料量。 圖 13 燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 送風(fēng)量控制子系統(tǒng)同樣經(jīng)大值選擇器及動態(tài)補償后的負荷指令信號，作為給定值調(diào)節(jié)送風(fēng)量，大值選擇器的作用與燃料調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中小值選擇器的作用相同，即大值選擇器與小值選擇器相配合，以保證負荷增加時先增加送風(fēng)量， 而負荷降低時先減少燃料量。 引風(fēng)量控制子系統(tǒng)將 爐膛壓力 PS與給定值 PS0 相比較后，其差值送入引風(fēng)調(diào)節(jié)器PI4，調(diào)節(jié)引風(fēng)量。引風(fēng)調(diào)節(jié)器 PI4 通過調(diào)節(jié)引風(fēng)量 VS，維持爐膛壓力為給定值。燃燒過程控制的基本任務(wù)是調(diào)整燃燒率水平，使內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 5 之適應(yīng)外界負荷的需要，穩(wěn)定蒸汽壓力，并確保燃燒過程 在安全經(jīng)濟的工況下進行。 維持蒸汽壓力穩(wěn)定 鍋爐蒸汽壓力作為表征鍋爐運行狀態(tài)的重要參數(shù)，不僅直接關(guān)系到鍋爐設(shè)備的安全運行，而且其是否穩(wěn)定反映了燃燒過程中能量供求關(guān)系。以蒸汽母管壓力代表這種關(guān)系。在單元制運行方式下，由一臺鍋爐向一臺汽輪機供汽，機爐之間存在緊密聯(lián)系。因此鍋爐的汽壓控制與汽輪機的負荷控制是相互關(guān) 聯(lián)的。目前燃燒過程的經(jīng)濟性是靠維持進入爐膛的燃料量與送風(fēng)量之間的最佳比值來保證的。然而在許多情況下，對于進入爐膛的燃料量難以準確測量，加上燃料品種的變化，因此難以確定并維持燃料量與送風(fēng)量之間的最佳比值。 鍋爐爐膛壓力反映了燃燒過程中進入爐膛的 送風(fēng)量與流出爐膛煙氣量之間的工質(zhì)平衡關(guān)系。若送風(fēng)量大于排風(fēng)量（引風(fēng)機的引風(fēng)量），則爐膛壓力升高，會造成爐膛往外噴灰或噴火，壓力過高時會造成爐膛爆炸的危險。對于燃煤鍋爐，為防止爐膛向 外噴灰，通常采用微負壓運行。 維持燃料系統(tǒng)正常運行 燃料系統(tǒng)，對于燃油鍋爐 來說，包括燃油的加溫及加壓系統(tǒng)，而對于燃煤鍋爐而言，則包括制粉及輸送粉系統(tǒng)。但采用直吹制粉系統(tǒng)的鍋爐的燃料系統(tǒng)與燃燒系統(tǒng)是緊密聯(lián)系在一起的，因而其燃燒過程的控制，隨著鍋爐燃燒率的變化，不僅改變制粉系統(tǒng)的給煤量，同時相應(yīng)改變各有關(guān)風(fēng)量，以維持燃燒系統(tǒng)的正常運行。隨著鍋爐運行方式的不同，燃料內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 6 系統(tǒng)和燃料品種的不同，其具體任務(wù)也有所不同。 汽壓調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性 鍋爐的燃燒過程是一個能量轉(zhuǎn)換 、 傳遞的過程 ， 也就是利用燃料燃燒的熱量產(chǎn)生汽輪機所需蒸汽的過程。因此，要了解燃燒過程的動態(tài)特性主要是弄清汽壓對象的動態(tài)特性。其二是汽輪機耗 汽 量擾動，稱為外部擾動。它是由爐膛 1，蒸發(fā)受熱面（水冷壁） 2，汽包 3 和過熱器 4，汽輪機 5 組成。 圖 14 汽壓對象生產(chǎn)流程示意圖 已知汽壓被控對象的方框圖如圖 15 所示 。以下分析在燃料量擾動下 及在汽輪機耗 汽 量擾動下 汽壓對象的動態(tài)特性。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 8 圖 16 DT不變時汽壓在燃料量擾動下的響應(yīng)曲線 由于燃燒率變化后（例如階躍增加），從爐膛熱負荷增加，汽水循環(huán)加強到汽壓上升，要有一個過程，所以汽壓變化一開始有遲延，以后直線上升。由于過熱器內(nèi)蒸汽流量 D 不變；因而有 ? PM=? Pb，即 PM與 Pb以相同速度變化。均無自平衡能力。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 9 圖 17 DT擾動下汽壓響應(yīng)曲線 第 二 章 燃燒控制系統(tǒng)基本方案 燃燒過程控制系統(tǒng)的基本組成原則 在不同情況下，燃燒過程控制的任務(wù)和對象不盡相同，然而歸納起來，可以看出燃燒過程控制系統(tǒng)組成的基本原則： ，適應(yīng)外界負荷變化。由對象動態(tài)特性的分析可以看出，在外界負荷變化時，只有迅速改變鍋爐的燃燒率，維持燃燒過程的能量平衡，才能保持蒸汽壓力穩(wěn)定。因此對于變動負荷鍋爐，以及采用延遲時間大的燃料系統(tǒng)鍋爐，如直吹式鍋爐，在設(shè)計燃燒控制系統(tǒng)時，如何迅速改變爐膛內(nèi)燃燒率是不容忽視的。 燃燒率的擾動通常是指燃料量的自發(fā)擾動 ， 這不僅影響蒸汽壓力的穩(wěn)定 ， 在并列運行方式下 ， 還會引起其它鍋爐汽包壓力 Pb 及鍋爐負荷的變化 ， 改變各鍋爐運行工況 。當燃燒率改變時，只有保持送風(fēng)量與燃料量成比例變化，才能保證燃燒的經(jīng)濟 性。因此確保燃料、送風(fēng)、 引風(fēng)等參數(shù)協(xié)調(diào)變化是確保燃燒工況穩(wěn)定必不可少的條件。如對于帶基本負荷鍋爐燃燒系統(tǒng)，比較側(cè)重提高經(jīng)濟性及運行工況的穩(wěn)定性；對于帶變動負荷的鍋爐，則比較側(cè)重對負荷變化的響應(yīng)速度，而兼顧其它。系統(tǒng)由主蒸汽壓力控制和燃燒率控制組成串級型系統(tǒng)。各子系統(tǒng)相互間構(gòu)成比值控制關(guān)系。主控制器 PI1 根據(jù) PM 的變化，向燃燒率控制中各子系統(tǒng)發(fā)出負荷指令 LD。 燃燒率控制的各子系統(tǒng)，根據(jù)燃燒率指令 LD 調(diào)節(jié)爐膛熱負荷，并保持燃料、送風(fēng)、 引風(fēng)等參數(shù)協(xié)調(diào)動作。引風(fēng)量控制子系統(tǒng)根據(jù)爐膛壓力 PS 調(diào)節(jié)引 風(fēng)量，由于爐 膛壓力能迅速反映送風(fēng)和引風(fēng)的擾動，因此根據(jù)爐膛壓力 調(diào)節(jié)引風(fēng)量能夠保證引風(fēng)與送風(fēng)的協(xié)調(diào)變化，維持爐膛壓力穩(wěn)定。由協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)根據(jù)機組運行狀態(tài)，發(fā)出鍋爐負荷指令。 單元制運行鍋爐燃燒的主要特點是： ，蓄熱系數(shù) Cb 較小，因此對于外界負荷的擾動，汽壓變化的時間常數(shù)小，變化速度快。即負荷變化的適應(yīng)能力，這對于保證汽壓穩(wěn)定是十分重要的。特別是 在滑壓方式下運行時，汽壓變化范圍大。 燃燒過程 控制系統(tǒng)基本方案 “燃料 空氣”系統(tǒng) “ 燃料 空氣”系統(tǒng)為燃燒控制系統(tǒng)的基本方案，其原理框圖如圖 22 所示。燃料調(diào)節(jié)器 PI2 和送風(fēng)調(diào)節(jié)器 PI3 根據(jù)負荷指令 LD，分別調(diào)節(jié)燃料量 M 和送風(fēng)量 V。 圖 22 燃料 空氣系統(tǒng) 由于均采用比例積分 規(guī)律 調(diào)節(jié)器，靜態(tài)時有： PM0PM=0 （ 21） LDKVV=0 （ 22） LDKMM=0 （ 23） PS0PS=0 （ 24） 顯然，控制過程結(jié)束后，主蒸汽壓力 PM 與爐膛壓力 PS均等于給定值。其 作用是保持燃料量與負內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 12 荷、 送風(fēng)量與燃料量之間的比值 關(guān)系 不變。 該方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，整定方便。 然而該方案燃料量控制與送風(fēng)量控制的精度，依賴燃料 與送風(fēng)的準確測量。這對汽壓穩(wěn)定是不利的。 利用熱量信號的燃料調(diào)節(jié)系統(tǒng) 對于煤粉鍋爐，直接測