电厂燃煤锅炉燃烧控制方案的研究

摘 要：本文讲述了锅炉燃烧过程自动控制系统的任务，分析了锅炉燃烧控制系统的方案。

关键词：燃煤锅炉；燃烧控制；燃料量

锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是既要提供热量适应蒸汽负荷的需要，又要保证燃烧的经济性和锅炉运行的安全性。为了达到上述目的，燃烧过程的控制系统应包括三个调节任务：即维持汽压、保证最佳空燃比和保证炉膛负压不变。与此相对应，应有三个控制回路分别调节燃料量、送风量和引风量，从而构成了多参数的燃烧控制系统，为了正确设计控制系统，应先了解对象的动态特性。

1、锅炉燃烧过程自动控制系统的任务

锅炉燃烧过程自动控制系统的任务是控制燃料燃烧过程，使燃料燃烧所提供的热量适应外界对锅炉输出的蒸汽负荷的需求，同时保证锅炉的安全经济运行。

锅炉燃烧过程自动控制主要包括三项控制内容：

（1）控制燃料量。当外界对锅炉蒸汽负荷的要求变化时，必须相应地改变锅炉燃烧的燃料量。

（2）控制送风量。为了实现经济燃烧，必须相应地调节送风量，使送风量与燃料量相适应，控制送风量也是为了实现安全运行，若风量相对于燃料量太少的话，亦可能导致灭火事故。

（3）控制引风量。为了保持炉膛压力在要求的范围内，引风量必须与送风量相适应，炉膛负压的高低也关系着锅炉的安全、经济运行。

上述三项控制内容由三个（子）控制系统，即燃料量控制系统、送风量控制系统、引风量控制系统来实现。三个控制系统之间存在着密切的相互关联，要控制好燃烧过程，必须使燃料量、送风量及引风量三者协调变化。

2、锅炉燃烧控制系统方案优化

锅炉作为一种主要动力来源，是能源消耗大户，由于锅炉很多情况下处于半负荷下运行，因此如何优化锅炉生产、选择合理的燃烧控制方案具有重要意义。

（1）控制方案一

当负荷变化时，汽包压力信号P与送风量V组成串级调节系统输出指令调节引风量，引风量改变后引风量信号再与烟气中含氧量信号组成串级调节系统输出指令改变燃料量。引风量变化的同时，其信号作为前馈信号送至送风调节器，与反馈信号及炉膛负压一起输出指令，改变送风量。

该方案的特点为：

1）引风调节量首先适应负荷要求；

2）用氧量信号作为主控信号调节燃料量；

3）风煤同时调节。

存在问题：

1）负荷变化后，引风调节器先动作，出现调节滞后。

2）氧量信号作为控制燃烧量信号，实际测量效果不好，尤其是测量元件（氧化锆）更换周期短，给自动调节投运带来困难。

（2）控制方案二

此方案是在采用热量信号的燃烧过程自动控制理论基础上发展起来的，除了有热量信号和压力信号的串级调节以外，还有炉膛温度的限幅调节，并考虑了煤种变动对燃料量的影响。

该方案的特点为：

1）以热量信号为主汽压力调节的内回路反馈信号；

2）煤和风同时调节；

3）用氧量信号作为校正信号产生送风开度信号。

存在问题：

1）风煤同时调节，当煤质或煤量变动大时，调节达到经济燃烧所需时间长，开始时易冒黑烟；

2）采用氧量信号作为送风开度指令校正信号，实测效果并不好，因为氧化锆昂贵，给自动调节系统投运带来困难。

（3）控制方案三

此方案是根据氧量信号的燃烧自动控制理论发展起来的。用风煤比信号与氧量校正信号组成单回路调节系统控制燃料量、汽压量组成串级调节系统，调节送风电机频率，蒸汽流量是前馈信号。负压系统是单回路调节系统，送风量作为前馈信号。动负荷变化时，汽压变化，通过串级系统调节送风量，送风量变化以后，调节燃料量，使煤风按比例变化，从而适应负荷的变化，保证汽压P稳定。

该方案的特点为：

1）蒸汽流量作为前馈信号，以使送风快速跟随负荷变化，减小滞后；

2）先调送风，后调煤量；

3）负压系统用送风量作为前馈信号.

存在问题：

1）采用氧量信号作为控制信号，在实际执行中效果并不好；

2）用蒸汽流量代表负荷作为前馈信号，在有外扰动时，由于前馈信号可以减少滞后，执行效果好。但在有扰动时，如燃料量发生变化，热负荷突然产生阶跃，而引起流量信号增大，这时本应削弱弱燃烧，但实际控制系统却加强了燃烧，使蒸汽流量更大，出现了正反馈的错误动作；

3）先送风、后送煤在负荷增加时是正确的，保证了开始就能达到完全燃烧，但在负荷减少时，先减风、后减煤就变成了错误动作，易造成空气量不足，引起不完全燃烧，从而增加了热损失，降低了热效率。

（4）控制方案四

此方案是在燃烧过程自动控制理论基础上发展起来的。由汽压组成单回路调节系统，但增加了蒸汽流量作为前馈信号，燃料量信号经过运算后，再用氧量信号校正，按风煤比关系得出送风挡板开度，负压系统采用单回路调节，送风开度指令运算后作为引风系统控制的前馈信号，当负荷变化时，汽压和蒸汽流量发生变化。通过燃料调节器调节燃料量，同时通过风煤比关系调节送风，送风调节的同时，通过调节引风维持负压的变化。

该方案的特点为：

1）蒸汽流量D作为前馈信号调节给粉机转速；

2）调煤同时调风；

3）送风挡板开度作为负压系统的前馈信号。

存在问题：

1）与方案三相同，用蒸汽量作为前馈信号，可以部分解决滞后问题，却带来了因内扰引起的误操作；

2）调煤同时调风，在燃料用量突然加大时，可能会因为空气量不足而冒黑烟，恶化环保效果。

（5）控制方案五

此方案是根据采用氧量计的燃烧过程自动控制理论加以改造而形成的，由于采用氧量计为燃料量的校正信号，对烟气中含氧量的测量要求很高，一般要用氧化锆氧量计，而氧化锆比较贵，在实际测量应用效果不太好，投资太大，所以此方案一般时间不用氧量参与调节，只有煤种或煤量发生大变动时采用氧量信号作为校正。

该方案的特点为

1）先调风，后调煤；

2）氧量一般不参与调节；

3）负压系统是单值回路，没有前馈信号；

4）系统简单，易于整定。

存在问题：

1）先调风后调煤在负荷增加时运行好，在负荷减少时产生错误操作。

2）没有前馈信号，当燃料发热量增大时，只有作用到了蒸汽压力才能使调节器动作达到平衡，调节滞后性大。

（6）控制方案六

此方案是新提出的锅炉生产燃烧系统自动控制方案，虽然设计的理论基础还是从燃烧调节、给风调节和炉膛负压调节三个回路考虑而提出的控制理论，但这种控制方案充分考虑到锅炉燃烧过程自动控制中的多输入多输出的特点，因为虽然被分解的三个回路在形式上彼此独立，但实际上它们对锅炉燃烧过程的影响依然存在。

当前的许多燃烧自动控制方案，如前面的六种方案，它们都在解决燃烧系统自动控制某一方面有自己的特点，但又存在自身无法解决的问题。基于这种考虑，第七种方案被提出，该控制方案以主蒸汽压力作为主参数，并引入蒸汽。流量作为前馈信号，用来克服锅炉自动控制随负荷变化滞后长的问题。选取炉膛温度作为辅助参数组成了串级系统，通过副回路及时有效地克服了诸如燃料量、送风、引风、炉膛负压等因素所造成的干扰，主调节器采用常规的PI调节规律。

3、结论

控制方法的恰当与否对整个控制系统的性能影响极大。传统的控制算法大多是基于单输入单输出系统进行设计的，当对象比较复杂、滞后较大、参数间耦合较严重时，这些算法往往不能取得令人满意的控制效果，而且当工况变化时，改变控制策略也很困难。母管制锅炉燃烧系统自动控制技术结合被控对象的具体特点，采用了模糊智能控制、自寻优等先进控制算法和给粉机自动快速投切等策略，实现了母管制运行锅炉燃烧过程的长期、连续、稳定自动控制，取得了很好的控制效果和经济效益。