直流锅炉燃烧控制系统设计

【摘 要】由于锅炉燃烧被控对象是典型的多变量复杂系统，因此锅炉燃烧控制系统可分三个子系统，即燃料量控制子系统、送风控制子系统和引风控制子系统。这三个子系统之间是相互联系、密不可分的。本文设计出以直流锅炉为例的燃烧过程控制系统。燃料控制系统中，采用暖油炉流量信号对来自协调控制系统的热量信号校正以调整燃料量；送风控制系统中，采用前馈反馈的控制策略；引风控制系统中，因引风调节对象的动态响应快，测量也容易，故只采用单回路控制系统。

【关键词】直流锅炉；燃烧控制系统；燃料量；送风量；引风量

文章编号：ISSN1006―656X（2015）01-00194-01

一、引 言

我国电力行业正在由计划经济体制逐步向市场经济体制过渡，发电企业一方面面临厂网分开、竞价上网的电力市场竞争，另一方面由于能源紧张导致煤价上涨，进一步加大了发电企业的生产成本。根据我国电力市场的实际情况和国民经济发展的需要，电站朝着高参数、大容量的方向发展已成为大势所趋[1]。直流锅炉在火电厂中已得到越来越广泛的应用。研究锅炉燃烧过程的控制，提高其控制品质，提高锅炉的燃烧效率，能够带来相当可观的经济效益。

二、燃烧控制对象的动态特性

锅炉的燃烧过程是一个能量转换、传递的过程，也就是利用燃料燃烧的热量产生汽轮机所需蒸汽的过程。主汽压力是衡量蒸汽量与外界负荷两者是否相适应的一个标志。因此，要了解燃烧过程的动态特性主要是弄清汽压对象的动态特性[2]。

（一）汽压静态特性

1.燃料量扰动

假设燃料量增加ΔB，汽轮机调速汽门开度不变，以下从三种情况分析工况变动后的汽压：

（1） 给水流量随燃料量增加，保持煤水比不变，由于锅炉产汽量增大，汽压上升。

（2） 给水流量保持不变，煤水比增大，为维持汽温必须增加减温水量，同样由于蒸汽流量增大，汽压上升。

（3）给水流量和减温水量都不变，则汽温升高，蒸汽容积增大，汽压也有所上升。

2.煤发热量扰动

假设煤发热量增加ΔQr，其他运行条件不变，这相当于燃料量扰动而煤质不变。结果汽温升高，汽压也有所升高。

3.给水量扰动

假设煤发热量增加ΔG，汽轮机调速汽门开度不变，也有三种情况：（1）燃料量随给水流量增加，保持煤水比不变，由于蒸汽流量增大，汽压上升。（2）燃料量不变，减小减温水量保持汽温，此时过热器出口蒸汽流量不变，汽压不变。（3）燃料量和减温水量都不变，如汽温下降在允许范围内，则蒸汽流量的增大使汽压上升。

4.汽轮机调门扰动

若汽轮机调门开大ΔK，而燃料量和给水量均不变，由于工况稳定后汽轮机排汽量仍等于给水流量，并未变化，汽压降低。

（二） 汽压动态特性

1.燃料量扰动

在其他条件不变的情况下，燃料量B增加ΔB。蒸发量在短暂迟延后，先上升后下降，最后稳定下来与给水量保持平衡。

2.给水量扰动

在其他条件不变的情况下，给水量增加ΔG。由于壁面热负荷未变化，故热水段和蒸发段都要延长。蒸汽流量逐渐增大到扰动后的给水流量，汽压有所升高。

3.功率扰动

此处功率扰动是指调速汽门动作取用部分蒸汽，增加汽轮机功率，而燃料量、给水量不变的情况。

三、燃烧控制系统设计

（一）总体设计方案

该系统是一个复杂的多输入多输出系统，而且变量之间相互耦合，对燃烧控制系统进行分解控制，分成燃料调节、送风量控制、引风量控制三个子系统。为保证机组安全经济运行：满足外界负荷的需求，燃料、送风量和引风量都由协调控制系统中的锅炉指令进行控制，燃烧控制系统原理如图1所示。

为了保证燃料和风量的比例配合，达到经济燃烧，用烟气氧量通过比例积分调节器和乘法器对实测风量进行校正。为了保证送风和引风之间的良好配合，引进送风挡板位置指令作为引风系统的前馈信号。比例积分调节器保证炉膛压力等于定值 。

（二）燃料量控制系统

大型单元机组的燃烧控制系统中一般都采用了燃料、送风交叉限制措施。即负荷指令与总送风量信号送到小值选择器，取较小值作为燃料副调节器的给定值；锅炉负荷要求指令与热量信号送到大值选择器，取较大值作为送风副调节器的给定值。从而实现在负荷增加时先增加送风量，然后再增加燃料量；而负荷降低时先减少燃料量，然后再减少送风量。其目的是保证在变负荷过程中炉膛内有一定的送风裕量。从而保证了燃料量的充分燃烧。

（三）送风控制子系统

送风机调节的作用是通过调节总送风量，保证燃烧过程中总的风-煤比值。该系统中被调量是烟气含氧量，调节量是各台送风机的送风量，反馈量是各台送风机总风量相加，构成串级控制系统，主调节器接受氧量与氧量给定值信号，用来进行氧量校正，起细调作用。副调节器接受燃料信号与主调节器的输出，保证风煤的基本比例，起粗调作用。

总风量测量回路提供总风量的反馈信号，A、B两台送风机的风量的测量各有两个测量变送元件，并设有偏差报警逻辑装置，当两个变送器的信号偏差较大时，偏差报警信号送入逻辑系统进行控制，从变送器送来的风量信号还要进行风温的修正，才能够送入加法器。由加法器将两台送风机的总风量相加得到实际风量信号，得到的实际风量信号经函数发生器后，在乘法器中与烟气含氧量校正信号相乘，即为校正后的总风量信号。

为了保证锅炉风量始终富裕燃料量，设置了大值选择组件，它接受锅炉指令、总风量和30%风量的定值3个信号。通常情况下，锅炉指令和总风量信号都大于30%的定值信号，所以由它们两者中选大值去控制风量。若由于某些原因，锅炉指令和风量信号都小于30%定值指令，则风量就受这定值指令控制，以免锅炉灭火。为了保证燃料的经济燃烧，还用烟气中氧量偏差信号经过PI组件和乘法器对风量信号进行修正。

（四）引风控制子系统

引风控制系统（炉膛压力控制系统）的任务是通过调节引风机入口挡板开度，与送风机配合，使炉膛压力保持在允许范围内。原理简图如图4所示。由于引风调节对象的动态响应快，测量也容易，所以引风控制系统一般只需采取以炉膛负压P作为被调量的单回路控制系统。

另外，控制系统还设计了防炉膛内爆超驰电路[6]。当无MFT信号时，超驰电路不起作用。当MFT时，超驰电路起作用，它产生一个最大可调的上升斜坡信号，通过加法器快速关小引风机入口挡板，经过一定时间后，斜坡信号自动下降，直到零为止，使引风机入口挡板逐渐恢复，从而避免因MFT动作而使炉膛负压高导致“内爆”。

四、结论

本文系统的介绍了燃煤工业锅炉的基本工艺流程和工作过程，分析了锅炉燃烧系统的可控性，设计了直流锅炉燃烧系统的控制方案。针对燃烧控制的三个子系统，本文作了合理的设计。 在燃料控制系统中，用热量信号代替了燃料量信号，并作为反馈信号送到燃料副调节器进行燃料量的调节，保证锅炉的稳定运行；在送风量控制中，被调量是烟气含氧量，调节量是各台送风机的总风量，构成串级控制系统，保证燃烧过程中总的风-煤比值；在引风量控制中，采取以炉膛负压作为被调量的单回路控制。

参考文献

[1]高大明.大型电站锅炉燃烧系统优化控制研究[D].北京：华北电力大学，2005

[2]肖兵，毛宗源.燃烧控制器的理论与应用[M].北京：国防工业出版社，2004

[3]郎泉江.热工过程自动控制[M].北京：中国电力出版社，2000

[4]马祥.大型火电厂锅炉燃烧系统建模及优化控制新方法的探讨[D].福州：福州大学，2004