【正文】 空頂器煙道出口0200℃8TE2032空頂器出煙溫空頂器煙道出口0200℃9TE3033空頂器出煙溫空頂器煙道出口0200℃10TE1041排煙溫度除塵出口0200℃11TE3042排煙溫度除塵出口0200℃12TE1053排煙溫度除塵出口0200℃13TE1051省煤器出口水溫1鍋爐進(jìn)水管線0200℃14TE2052省煤器出口水溫2鍋爐進(jìn)水管線0200℃15TE3053省煤器出口水溫3鍋爐進(jìn)水管線0200℃16TE1061鍋爐出口水溫鍋爐出水管線0200℃17TE2062鍋爐出口水溫鍋爐出水管線0200℃18TE3063鍋爐出口水溫鍋爐出水管線0200℃19TE1071空預(yù)器出風(fēng)溫空預(yù)器出口0200℃20TE2072空預(yù)器出風(fēng)溫空預(yù)器出口0200℃21TE3073空預(yù)器出風(fēng)溫空預(yù)器出口0200℃22PT1011爐膛負(fù)壓1爐膛23PT2012爐膛負(fù)壓2爐膛24PT3013爐膛負(fù)壓3爐膛25PT1021省煤器入煙壓1省煤器煙道入口26PT2022省煤器入煙壓2省煤器煙道入口27PT3023省煤器入煙壓3省煤器煙道入口28PT1031空預(yù)器出煙壓1空預(yù)器煙道出口04KPa29PT2032空預(yù)器出煙壓2空預(yù)器煙道出口04KPa30PT3033空預(yù)器出煙壓3空預(yù)器煙道出口04KPa第四章鍋爐燃燒系統(tǒng)控制方案4．1鍋爐燃燒過(guò)程和控制任務(wù)4．1．1工業(yè)鍋爐燃燒過(guò)程分析工業(yè)鍋爐是利用燃料(煤、氣、油)的熱能或工業(yè)廢熱將工質(zhì)加熱到一定溫度和壓力的換能設(shè)備。鍋爐的燃燒換熱過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程。研究分析鍋爐燃燒過(guò)程等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的特性，是實(shí)現(xiàn)鍋爐優(yōu)化控制的關(guān)鍵”’。研究鍋爐燃燒的實(shí)質(zhì)是研究煤在空氣中燃燒的過(guò)程。在計(jì)算一種過(guò)程中，往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假定其它因素的影響是定常的。煤的成分基于應(yīng)用基(用上角標(biāo)y表示)的百分含量為 (41)其中分別為碳、氫、氧、氮、硫、灰分和水的應(yīng)用分析基的百分含量。同樣，可以用分析基來(lái)描述煤的成分百分量 （43）其中、 、 為固定碳、揮發(fā)分、灰分和水分含量的分析基工業(yè)分析質(zhì)量含量百分?jǐn)?shù)。它包含著 ，是一個(gè)不確定的量，它因存儲(chǔ)、運(yùn)輸或天氣條件變化而改變，是一個(gè)不可測(cè)的擾動(dòng)。(1)鍋爐輸入熱量？鍋爐輸入熱量 是指鍋爐以外的純輸入值，它不包括爐內(nèi)循環(huán)熱量。其中按下式計(jì)算 （4—6）其中為燃料溫度，可取為20℃；為燃料應(yīng)用基比熱容。若未經(jīng)預(yù)熱，只有當(dāng)時(shí)才需計(jì)算?！?；煙煤=1．09kJ／(kg℃)；油頁(yè)巖=0．88 kJ／(kg如鍋爐有再熱器時(shí)，鍋爐有效利用熱應(yīng)增加再熱器吸收量量 （49）其中為再熱器中熱水流量；、為再熱器出口、入口處熱水焓。用占輸入熱百分率表示為 （410）其中、為排煙焓和理論空氣焓；為排煙處過(guò)量空氣系數(shù)理想狀態(tài)煤完全燃燒所需的干空氣量為 （411）煤燃燒產(chǎn)生煙氣焓為 （412）其中，為過(guò)?？諝庀禂?shù)是1，煙氣溫度為0C時(shí)理論煙氣焓；？式(4—12)中，：為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的理論空氣焓； (4)化學(xué)不完全燃燒熱損失此項(xiàng)損失是指排煙中未完全燃燒的可燃?xì)怏w(HCO、等)所帶走的熱量。影響的因素很多，主要有燃料的揮發(fā)分、爐膛過(guò)量空氣系數(shù)、燃燒器設(shè)計(jì)、爐膛溫度以及爐內(nèi)空氣動(dòng)力工況等。 （414） (415)其中、分別為爐渣、漏煤、煙道灰、飛灰中的灰量占入爐燃料總灰分的重量份額；、分別為爐渣、漏煤、煙煤灰、飛灰中可燃物含量的百分?jǐn)?shù)。對(duì)于運(yùn)行鍋爐，需測(cè)定各處灰中可燃物含量，并利用灰平衡法求得各處的a值，利用上述公式算出。熱量及熱平衡是控制的基本參數(shù)，以上分析是理想狀態(tài)燃燒釋熱的定量分析，鍋爐熱平衡方程也僅是理想狀態(tài)的平衡，與工程上的實(shí)際情況相去甚遠(yuǎn)，例如，由于煤質(zhì)不同很難測(cè)得燃燒后產(chǎn)生煙氣的成分組合，在計(jì)算熱量時(shí)所應(yīng)用到的應(yīng)用基 (水含量)一個(gè)時(shí)變函數(shù)，是一個(gè)不可測(cè)的擾動(dòng)。3．換熱過(guò)程特性分析爐內(nèi)換熱的特點(diǎn)表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：(1)換熱方式有輻射和對(duì)流兩種，主要以輻射換熱為主，對(duì)流換熱一般不超過(guò)5％；(2)燃料不同，構(gòu)成火焰的物質(zhì)不同，輻射特性不同；(3)在火焰流動(dòng)過(guò)程中，由于火焰溫度分布不同，火焰中輻射成分也不同，具有各項(xiàng)異性特點(diǎn)；(4)燃料不同，灰分不同，裹復(fù)在受熱面上的厚度、性質(zhì)不同，灰塵表面具有高的溫度，是阻礙熱交換的重要因素。爐膛黑度同火焰的發(fā)光程度和鍋爐的結(jié)構(gòu)等有關(guān)，而火焰的發(fā)光程度則決定于燃料的品種和燃燒方式。因此，分析燃燒換熱過(guò)程特性對(duì)鍋爐測(cè)控過(guò)程關(guān)鍵參量的確定和控制策略的制定將起到至關(guān)重要的作用。兩相燃燒是指固、氣兩念的燃燒，多相反應(yīng)過(guò)程是各種成分同時(shí)或相繼反應(yīng)。燃燒首先是煤的揮發(fā)分燃燒，由于揮發(fā)分燃燒帶走附著在碳粒表面的大量氧氣，故碳的燃燒在揮發(fā)分未完成燃盡階段因缺氧而受到影響。 (2)負(fù)載的時(shí)變性負(fù)載的時(shí)變性是指鍋爐出口壓力或溫度具有一定約束條件，它因用戶容量、室外溫度等變化而變化(3)設(shè)備性能的時(shí)變性換熱器結(jié)垢熱傳導(dǎo)時(shí)變性。換熱器受熱后以熱傳導(dǎo)的方式，將熱能傳遞給工質(zhì)，在無(wú)垢的情況，傳遞時(shí)間常數(shù)很小，結(jié)垢后換熱器壁厚增加，等效導(dǎo)熱系數(shù)改變，傳導(dǎo)時(shí)間常數(shù)隨結(jié)垢厚度不同而不同，特別在我固的工業(yè)鍋爐生產(chǎn)中，結(jié)垢問(wèn)題是重大問(wèn)題，由此引發(fā)的生產(chǎn)事故經(jīng)常出現(xiàn)。是一個(gè)在線不可測(cè)的擾動(dòng)量，結(jié)垢問(wèn)題不僅反映了設(shè)備性能時(shí)變問(wèn)題，而且也帶來(lái)了過(guò)程延遲的問(wèn)題。風(fēng)路參數(shù)時(shí)變主要是因?yàn)轱L(fēng)路積灰、除塵等環(huán)節(jié)引起的風(fēng)路氣阻R的時(shí)變。鍋爐的風(fēng)道計(jì)算十分復(fù)雜，同樣的設(shè)計(jì)，同樣的施工隊(duì)伍施工所建造的風(fēng)路，在性能上可能存在嚴(yán)重的差異。可粗略地描述積灰等原因造成的風(fēng)道氣阻變化，對(duì)于一個(gè)非線性氣阻的流量可用下式表示 （417）其中為質(zhì)量流量；為流量系數(shù)；為空氣流通面積；為經(jīng)氣阻后的流通密度；為氣阻前后壓差；為重力加速度。4．1．2鍋爐燃燒過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性1．燃料傳送過(guò)程燃料煤傳送過(guò)程的輸入?yún)?shù)是給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速，輸出參數(shù)是給煤量的多少。同時(shí)，給煤機(jī)傳送具有純滯后時(shí)間。3．工質(zhì)形成過(guò)程工質(zhì)形成過(guò)程主要是熱水蓄能的過(guò)程，它的輸入?yún)?shù)為鍋爐進(jìn)水所含有的熱量。在研究形成過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，可以分省煤器省煤段和循環(huán)系統(tǒng)段兩部分組成。綜合上面兩部分的公式，可以求出熱水形成過(guò)程的傳遞函數(shù)： （421）鍋爐燃燒過(guò)程如圖4—1所示：4．1．3工業(yè)鍋爐燃燒控制的任務(wù)工業(yè)鍋爐燃燒系統(tǒng)控制的基本任務(wù)，是使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量，適應(yīng)負(fù)荷的需要，同時(shí)還要保證經(jīng)濟(jì)燃燒和鍋爐的安全運(yùn)行。如果出水溫度變了，就表示鍋爐的生產(chǎn)量與負(fù)荷設(shè)備的消耗量不相一致，因此，必須改變?nèi)剂系墓?yīng)量，以改變鍋爐的燃燒發(fā)熱量，從而改變鍋爐的輸出，恢復(fù)出水溫度為額定值。此外，保持出水溫度在一定范圍內(nèi)，也是保證鍋爐和各個(gè)負(fù)荷設(shè)備正常工作的必要條件。燃燒的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)難于直接測(cè)量，常用煙氣中的合氧量，或者燃料量與給風(fēng)量的比值來(lái)表示。反之，如果比值不當(dāng)，空氣不足，結(jié)果導(dǎo)致燃料的不完全燃燒，當(dāng)大部分燃料不能完全燃燒時(shí)，熱量損失直線上升；如果空氣過(guò)多，就會(huì)使大量的熱量損失在煙氣之中，使燃燒效率降低。這樣的熱量損失最小。通常要求爐膛負(fù)壓保持在20一40 Pa的范圍內(nèi)，這時(shí)燃燒工況，鍋爐房工作條件，爐子的維護(hù)及安全運(yùn)行都最有利。爐膛容易向外噴火，既影響環(huán)境衛(wèi)生，又可能危及設(shè)備與操作人員的安全。因此，需要維持爐膛負(fù)壓在一定范圍之內(nèi)。對(duì)于燃燒過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求是：在負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)使燃料量、給風(fēng)量和引風(fēng)量各自保持不變，及時(shí)地補(bǔ)償系統(tǒng)的內(nèi)部擾動(dòng)。在負(fù)荷變化的外擾作用時(shí)，則應(yīng)使燃料量、給風(fēng)量和引風(fēng)量成比例地改變，既要適應(yīng)負(fù)荷要求，又要使三個(gè)被調(diào)量出水溫度、爐膛負(fù)壓和燃燒經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)保持在允許的范圍內(nèi)。各種熱損失中，和占主要部分，而且它們是隨空氣過(guò)剩系數(shù)的變化而變化。由圖可知，有一個(gè)最低點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于該點(diǎn)值就是最佳空氣過(guò)剩系數(shù)，此時(shí)鍋爐的熱損失最少，熱效率最高。存在一個(gè)最佳的，在這一值附近燃料既可以充分燃燒，各項(xiàng)熱損失又最小，稱為最佳燃燒區(qū)；小于這一值，化學(xué)不完全燃燒和機(jī)械不完全燃燒損失開始增加，稱為空氣不足區(qū)；大于這一值時(shí)，雖然燃料燃燒完全，但是由于風(fēng)量太多，導(dǎo)致爐溫降低，排煙損失增加，效率降低，稱為空氣高過(guò)剩區(qū)。但是，很多鍋爐的負(fù)荷經(jīng)常有大范圍的變化，最佳的空氣過(guò)剩系數(shù)在不同的工況下也有較大的變化，如圖44所示，低負(fù)荷時(shí)，燃料量和空氣量都變得很小，流動(dòng)動(dòng)量降低(對(duì)燃油鍋爐，油的霧化也變差)，使燃料和空氣混合得不好，引起不完全燃燒，所以低負(fù)荷是要提高空氣過(guò)剩率。為此，要真正實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制還必須加入“空燃比”修難功能。(1)模型優(yōu)化最佳空氣過(guò)剩率隨負(fù)荷是變化的，但是不同的鍋爐其變化關(guān)系是不同的，而多數(shù)鍋爐生產(chǎn)廠家沒(méi)有提供這樣的關(guān)系曲線。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，根據(jù)這一模型自動(dòng)修幣氧含量的設(shè)定值，從而達(dá)到最佳燃燒的目的。(2)熱效率在線自尋優(yōu)另外一種優(yōu)化方法，也是應(yīng)用最多的方法是熱效率的在線自尋優(yōu)。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是不需要對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，只需知道它有極值關(guān)系存在，就可以在線尋找到最優(yōu)點(diǎn)，方法簡(jiǎn)便易行。如果在尋優(yōu)過(guò)程中，負(fù)荷又發(fā)生了大的變化，則尋優(yōu)又要重新進(jìn)行。4．3控制方案設(shè)計(jì)與研究要滿足供暖的需要，首先必須保證鍋爐的出口水溫和出口流量的穩(wěn)定；其次要保證煙氣氧含量和爐膛負(fù)壓維持在一定的范圍內(nèi)，以保證生產(chǎn)的安全性和燃燒的經(jīng)濟(jì)性。鍋爐控制系統(tǒng)可以分為流量控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)單控制系統(tǒng))、燃燒控制系統(tǒng)和優(yōu)化控制系統(tǒng)。為了對(duì)鍋爐燃燒對(duì)象有更深入的了解，以便采取更加合理的控制方案，我們采用階躍響應(yīng)法，集中對(duì)煤量—出口溫度、鼓風(fēng)量—煙氣合氧量、煤量—氧含量、引風(fēng)量—爐膛負(fù)壓和鼓風(fēng)量與負(fù)壓特性曲線進(jìn)行了測(cè)試。其中，分別為溫度、氧含量和爐膛負(fù)壓；分別為煤量、鼓風(fēng)量和引風(fēng)量。這是因?yàn)槿济哄仩t的燃燒過(guò)程具有較大的熱慣性，且受煤質(zhì)、煤種、爐排配風(fēng)是否合理及爐膛漏風(fēng)等因素影響，這是燃煤鍋爐和燃油或燃?xì)忮仩t的最大差別，也使燃煤鍋爐燃燒過(guò)程的自動(dòng)調(diào)節(jié)更困難，許多在燃油或燃?xì)忮仩t上運(yùn)用十分成功的控制方案，照搬到燃煤鍋爐上往往是失敗的。4．3．2控制方案的選取由于出口溫度和氧含量調(diào)節(jié)通道的滯后時(shí)問(wèn)與時(shí)間常數(shù)相比都比較大，尤其是出口溫度廣義對(duì)象傳遞函數(shù)中已接近1：1，如果再采用常規(guī)的PID控制算法，由于PID調(diào)節(jié)屬于“事后調(diào)節(jié)”，它本身不具備克服純滯后的能力，用于大純滯后對(duì)象，無(wú)論在穩(wěn)定性和響應(yīng)速度上都難以達(dá)到較好的指標(biāo)。但是，考慮到本鍋爐控制系統(tǒng)中，下位機(jī)運(yùn)算速度和內(nèi)存容量的限制，有些控制算法雖然比較好，但運(yùn)算量大、占機(jī)時(shí)多；有些算法需要對(duì)象有精確的數(shù)學(xué)模型，我們實(shí)測(cè)得到的模型是在某一工作點(diǎn)附近測(cè)得的，由于對(duì)象的非線性，模型不可能很準(zhǔn)確。在測(cè)試分析該燃煤熱水鍋爐燃燒對(duì)象特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外有關(guān)鍋爐控制方案和本鍋爐的實(shí)際，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最終確定的控制方案如圖4—5所示?！暗鹊瓤础笨刂扑惴ㄓ腥缦聝?yōu)點(diǎn)：1)我們研究的對(duì)象是供暖用燃煤低壓熱水鍋爐，出口溫度有177。2)算法簡(jiǎn)單，在計(jì)算機(jī)內(nèi)較短的程序就可以實(shí)現(xiàn)，減少了計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)；需整定的參數(shù)少，易于被現(xiàn)場(chǎng)工作人員掌握。4)避免了煤量的頻繁調(diào)節(jié)。所以，“等等看”控制算法對(duì)層燃爐是非常適用的。這里采用了積分分離的PID算法，即在偏差大的時(shí)候取消積分作用。采用積分分離PID算法后，顯著降低了被控變量的超調(diào)，縮短了過(guò)程達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)的時(shí)間。如果煤量變化大，還會(huì)冒黑煙嚴(yán)重污染環(huán)境。另外，用煤量作為鼓風(fēng)量控制的前饋時(shí)，可實(shí)現(xiàn)在煤量增加時(shí)及時(shí)增加風(fēng)量，但是在煤量減少時(shí)立即減風(fēng)卻不合適。所以必須加一個(gè)判斷，看煤量是增加還是減少，增加時(shí)，立即增加鼓風(fēng)量；煤量減少時(shí)，可等待一段時(shí)間，等煤量改變前拋入的煤(尤其是粉狀煤)燃燒一段時(shí)間后再減小風(fēng)量。而爐膛負(fù)壓是一個(gè)重要的生產(chǎn)變量，必須對(duì)它進(jìn)行控制。另外，在調(diào)節(jié)器算法中規(guī)定一個(gè)死區(qū)，只要負(fù)壓不超過(guò)這個(gè)值，使調(diào)節(jié)器輸出不變來(lái)防止閥位的誤動(dòng)作。5Pa以內(nèi)。4．4“爐溫尋優(yōu)”思想的提出及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證無(wú)論是“模型優(yōu)化”還是“熱效率在線自尋優(yōu)”都存在一定的缺陷，尤其是對(duì)本文所研究的拋煤機(jī)鏈條爐，一方面由于是新建的鍋爐房，司爐對(duì)它的特性還不太熟悉，很難準(zhǔn)確建立最佳空燃比a與負(fù)荷的關(guān)系模型；另外由于燃料煤的煤質(zhì)、顆粒度、含水情況和煤量大小難以準(zhǔn)確計(jì)量等原因，使鍋爐的熱效率難以準(zhǔn)確計(jì)算，在線自尋優(yōu)也難以達(dá)到優(yōu)化的目的。通過(guò)改變風(fēng)量改善爐內(nèi)的燃燒狀態(tài)，影響到出口溫度也需要經(jīng)過(guò)比較長(zhǎng)的時(shí)間。而爐膛溫度比出口溫度要超前的多，在燃料量一定的情況下，爐膛溫度和鍋爐熱效率有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。4．4．2爐膛溫度和熱效率的關(guān)系在爐膛內(nèi)，燃燒和傳熱過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，參與燃燒的各因素相互影響，使?fàn)t膛內(nèi)發(fā)生的過(guò)程十分復(fù)雜，包括燃料與空氣的混合燃燒、高溫火焰和煙氣對(duì)水冷壁的傳熱等，由于煙氣溫度高流速慢，傳熱的方式主要是熱輻射；到爐膛出口處，煙氣降低到一定數(shù)值后，進(jìn)入對(duì)流束管段，與對(duì)流管束強(qiáng)烈沖刷，進(jìn)行以對(duì)流方式為主的換熱。對(duì)鍋爐輻射傳熱的