锅炉燃烧控制系统设计.docx

1、- 1 -摘要锅炉燃烧控制系统最重要的任务是保持锅炉蒸汽压力稳定。当负载量改变，使蒸汽压力的变化，通过调节燃料量（或送风量） ，从而改变炉膛发热量，最终使蒸汽压力稳定。其次，我们应该保证燃料的经济燃烧，既不能因为空气不足而冒黑烟，也不能因为空气过多而导致热量损失增加。所以燃料量和空气量应保持一定的比例，或者说烟气中的氧气浓度应保持在一定的值。最后，鼓风量还要和引风量要相配合，以保持恒定的炉腾负压。如果负压太小，炉烟气外冒会影响设备和操作员工的安全；如果负压过大，使大量冷空气漏入炉中，导致热损失增加，降低了燃烧效率。关键字： 燃烧控制 串级控制 炉膛负压 联机控制- 2 -一、工业锅炉的工作过程

2、1.1 锅炉简介锅炉结构如图所示，主要包括炉膛、汽包、省煤器、炉排以及给水粟、鼓风机、引风机、炉排电机等重要设备。煤炭通过斜皮带机和平皮带机送至炉排，然后在炉膛内燃烧，最后随排澄电机排出。炉腊内的烟气则通过省煤器交换热量以较低温状态被引风机排出。而给水粟则将储水库里的水先经过省煤器送至汽包，其给水量可通过给水调节阀控制。汽包内的蒸汽通过蒸汽管向外输送以供使用。锅炉系统主要输入变量是给水量、送风量、给煤量、引风量、蒸汽负荷等，主要输出变量是蒸汽压力、汽包水位、烟气含氧量和炉膛负压、蒸汽流量等。所以锅炉系统是一个多输入，多输出且相互关联的复杂的控制对象。系统的输入变量其实就是我们控制方法的控制量，

3、根据控制量的不同可将锅炉系统划分为若干个子控制系统：给煤系统、送风系统、引风系统和汽包水位系统。当然他们都有自己主要的调节对象，分别为：蒸汽压力、烟气含氧量、炉腊负压、汽包水位。锅炉控制系统的控制指标为：蒸汽压力在期望压力的1%，空气燃烧比应该保证0.4%的过量氧气，汽包水位应控制在5cni。其中给煤系统、送风系统、引风系统之间又有紧密的关系，三者共同组成了锅炉燃烧控制系统。1.2 为锅炉结构和工艺流程示意图燃烧的煤层厚度通过闸板控制，炉排转速可由交流变频调速电机控制。尾部受热面有省煤器和空气预热器。- 3 -锅炉结构和工艺流程示意图给水通过省煤器预热后给锅炉上水，空气经空气预热器后由炉排左右

4、两侧 6 个风道进入，烟气通过除尘器除尘，由引风机送至烟囱排放，主蒸汽经过过热器送至汽柜和用汽部门。鼓风机、引风机都是由交流变频器来控制，通过调节鼓风机、引风机的速度来实现控制鼓风量、引风量。二、锅炉燃烧的控制要求2.1 锅炉燃烧过程的任务、被控变量和操纵变量控制系统 被控变量 操纵变量 控制目的锅炉燃烧控制系统蒸汽出口压力烟气成分炉膛负压燃料流量送风流量引风流量蒸汽负荷平衡燃烧的完全和经济性锅炉运行的安全性锅炉燃烧控制系统的基本任务是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷要求，同时保证锅炉的经济、安全运行。为适应蒸汽负荷的变化，应及时调节燃料量。为完全燃烧，应控制燃烧量与空气的比值，使过剩的空气

5、系数满足要求，为防止燃烧过程中火焰或烟气外喷，应控制炉膛的负压。这三项控制任务互相- 4 -影响。另外，从安全角度考虑，需设置安全控制系统即设置防止回火的联锁控制系统和防脱火的联锁控制系统。三、燃烧控制基本控制方案锅炉的燃烧控制对于锅炉的安全、高效运行和节能降耗都具有重要意义，其控制和管理随之要求也越来越高。燃料控制的任务在于进入锅炉的燃料量随时与蒸汽压力要求相适应。因为蒸汽压力是衡量锅炉热量平衡的标志，燃料又是影响蒸汽压力的主要因素，因此蒸汽压力可以作为燃料控制系统的被调量。锅炉蒸汽压力是燃烧过程调节对象的主要被控量，引起蒸汽压力变化的因素有很多，如燃料量、送风量、给水量、蒸汽流量以及各种使

6、燃烧工况发生变化的原因。它受到的主要扰动分为内扰(燃料的变化)和外扰(蒸汽流量的改变)。由于每个系统的输入输出之间都一定的系统延迟，即当输入变化的时候系统输出不能够马上反应其变化从而是系统的控制不及时。3.1 基本控制方案一：3.1.1 串级控制控制系统描述：（1） 蒸汽压力为主被控变量，燃料量为副被控变量组成的串级控制系统。（2） 燃料量为主动量，空气量为从动量的比值控制系统。特点：（1） 确保燃料量与空气量的比值关系，当燃料量变化时，空气量能够跟踪燃料量变化。（2） 送风量的变化滞后于燃料量的变化。以蒸汽压力为被调节量，以燃料量为调节量的串级控制系统设计如图所示。- 5 -控制方案：蒸汽

7、燃料 空气 IK燃料阀 空气阀蒸汽出口压力控制系统3.1.2 控制器正反作用及控制阀的气关气开形式选择：蒸汽压力控制器燃料控制器控制 阀副对 象主对 象燃料流量变送器蒸汽压力变送器输出量PTPC FC1FTFC2FYFT222输入量蒸汽出口压力控制方框系统- 6 -1）主控制器：选择反作用，因为当阀的开度增大后，燃料的流量增加，阀的开度为（+） ，变送器为（ +） ，所以控制器也为（+）所以控制器选择反作用2）副控制器：选择反作用，因为当阀的开度增大后，蒸汽的温度升高压力增大，阀的开度为（+） ，变送器为（ +） ，所以控制器也为 +所以控制器选择反作3）控制阀：气开型 因为当锅炉出现事故时阀

8、门一定得是关闭的，否则的话在事故出现后阀门是开的话使燃料流出。会加重事故。3.2 基本控制方案二：3.2.1 燃烧过程中烟气氧含量闭环控制然烧过程控制保证燃料和空气的比值关系，并不保证燃料的完全燃烧。燃料的完全燃烧与燃料的质量（含水量、灰粉等） 、热值等因素有关。不同的锅炉负荷下，燃料量和空气量的最佳比值会不同。因此，需要有一个检查燃料完全燃烧的控制指标，并根据该指标控制送风量的大小。衡量燃烧过程是否完全燃烧的常用控制指标是烟气中的含氧量。它在上述的方案中基础上,加入了烟道气中氧含量的控制回路。 这是一个以烟道气中氧含量为控制目标的燃料流量与空气流量的变比值控制系统,也称烟气氧含量的闭环控制系

9、统。 此方案可以保证锅炉的最经济燃烧。 前述方案一, 虽然也考虑了燃料与空气流量的比值控制,但它不能在整个生产过程中始终保证最经济燃烧。 因为，其一：在不同的负荷下,两流量的最优比值是不同的;其二：燃料的成分有可能会变化;其三：流量的不准确。 这些因素都会不同程度的影响到燃料的不完全燃烧或空气的过量,造成炉子热效率下降。 这就是燃料流量定比值控制系统的缺点。 为了改善这一情况,最好有一指标来闭环修正两流量的比值。 因此，常用烟气中含氧量作为检查燃料完全燃烧的控制指标，并根据该指标控制送风量。3.2.2 锅炉的热效率锅炉的热效率主要反映在烟气成分（主要是含氧量）和烟气温度上。烟气中各种成分例如：

10、氧气、二氧化碳、一氧化碳和未燃烧烃含量基本可反映燃料的燃烧情况。常用的含氧量用 表示。理论空气量 是根据燃烧反应方程式，计算出的完全燃烧时所需的空气量。实际空气量 是实际燃烧过程的中所需的空气量， 。超过理论空气量的这部分空气量称为过剩空气量。过剩空气量增大，炉膛温度降低越多，烟气中带走的- 7 -热损失也越大。不同的空气量有最佳值（对于液体，过剩空气量约为815） ，如下图：不完全燃烧的损失 总能量损失最高效率区-20 过剩空气量过剩空气量与能量损失的关系 常用过剩空气系数 a 表示过剩空气量，定义为：a=过剩空气系数很难直接测量，它与烟气中氧量 有关。a=2121-Ao8 64 2 010

11、 20 30 40 过剩空气量过剩空气量与烟气含氧量、锅炉效率的关系上图显示了过剩空气系数 a 与烟气含氧量 、锅炉效率的关系。当 a 在11、6 范围内时，过剩空气系数 a 与烟气 接近直线。当 a 在1、081、15（最佳过剩空气量 8%15%）时，烟气含氧量 最优值为过滤效率过氧量- 8 -1、6%3%。从上图也可看到，约在过剩空气量为 15%18%时，锅炉有最高效率。因此，用烟气含氧量作为锅炉燃烧的经济指标。以烟气为被调节量，以燃料量为调节量的串级控制系统设计如图所示。烟气含氧量控制系统与锅炉燃烧控制系统一起实现锅炉的经济燃烧闭环控制系统如下图：烟气含氧量闭环控制系统，该系统是在原逻辑

12、提量和减量控制系统的基础上将原来的定比值改为变比值控制，变比值器的比值由含氧控制器 AC 输出。当烟气中的含氧量变化时，表明燃烧过程中过剩空气发生变化，因此通过 AC 及时调节燃料和空气的比值，使燃烧过程达到经济的目的。实施时应注意，快速反映烟气含氧量，对烟气含氧量的检测变送系统应选择正确。目前，常选用氧化锆氧量仪表检测烟气中的含氧量。控制方案：燃料量 蒸汽压力 空气量 烟气含氧量空气调节器燃料控制器控制 阀副对 象主对 象送燃料量变送器烟气含氧量变送器输出量比值器 送空气量变送器输入量烟气含氧的闭环控制系统方框图PC FY3 ACF2FY2FY1FC1- 9 -燃料阀 空气阀烟气含氧的闭环控

13、制系统3.2.3 控制器正反作用及控制阀的气关气开形式选择：1）主控制器：选择反作用，因为当烟气的含氧量增大后，空气量应减小，阀的开度为（+） ，变送器为（+ ） ，所以控制器也为（+）所以控制器选择反作用。2）副控制器：选择正作用，因为当阀的开度增大后，燃料流量增大，阀的开度为（+ ） ，变送器为（ +） ，所以控制器也为（ +）所以控制器选择正作。3）控制阀：气开型 因为当锅炉出现事故时阀门一定得是关闭的，否则的话在事故出现后阀门是开的话使燃料流出。会加重事故。3.3.1 上述两方案的有缺点通过对上述两种方案的详细说明,从中可以看出各种方案都有其优、 缺点:方案一: 主要优点:燃料流量是随

14、蒸汽负荷而变化的, 这样可保持蒸汽出口压力的稳定, 又可以保持蒸汽出口压力的稳定,又可使燃空比维持一定,系统控制简单, 使用仪表少。 主要缺点:燃料燃烧不能完全燃烧,当燃料或空气回路各自出现干扰FT1 ATPT2PT11XO2- 10 -时, 不能严格保持动态的燃料与空气比的不变。方案二: 主要优点 :可以保证锅炉燃烧过程的空气与燃料比值最优燃烧比, 防止由于流量测量的误差以及燃料的质量的变化。 另外,锅炉负荷不同时,可以保持两者的最优比有一定的不同。 主要缺点:虽然可以做到保证燃烧时刻处于最经济状态,但是其控制系统、 检测设备相对来说都比较复杂,其中氧含量检测设备以目前的技术来说还不能保证检

15、测结果十分精确, 其总体控制效果不能达到理论上的水平系统控制较复杂,仪表多 ,容易出问题, 而且仪表仪器价格昂贵。3.4.1、控制系统参数整定控制系统中滞后产生的主要原因有：对系统变量的测量、系统中设备的物理性质及物或信号的传递等。在实际工程控制问题中，有时因滞后系统的影响不大而在系统的设计或模型中将滞后省略。但是在更多的实际工程中，滞后是不能省略的，而且有些控制过程中，滞后往往是时变的，即滞后是时间 t 的函数。所以这些对象的纯滞后时间对控制系统的控制性能都极为不利，它使系统的稳定性降低，动态特性变坏。由于整个控制系统存在滞后，整个系统具有一阶环节和二阶环节来近似的等效一阶滞后环节seTKsG1)(二阶滞后环节seTs)1()(21在现场环境中，参数变化是时时刻刻的，很难用一个固定的数学公式将炉温的变化规律总结出来。所以在规定的要求范围内，对一些情况进行近似处理是很合理和必要的。在通常情况下，我们给定主控变量一个范围，作为系统的给定，使可以达到个满意的结果。对于火电厂锅炉来说，炉体的容量、结构、检测元件及其安放位置等都影响着滞后的大小。它不是一个单一的问题，是一