1、第第九章九章 锅炉燃烧过程自动控制系统锅炉燃烧过程自动控制系统9.1 汽包锅炉燃烧系统简介汽包锅炉燃烧系统简介 电站汽包锅炉燃烧系统包括燃料量控制、送风控制和引风控电站汽包锅炉燃烧系统包括燃料量控制、送风控制和引风控制三个子系统，设备众多，结构复杂，系统组成如下图所示：制三个子系统，设备众多，结构复杂，系统组成如下图所示：9.2 燃烧过程自动控制的任务燃烧过程自动控制的任务 汽包锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是根据机组负荷的变汽包锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是根据机组负荷的变化，使燃料燃烧所提供的热量适应锅炉输出蒸汽量的需求，同时化，使燃料燃烧所提供的热量适应锅炉输出蒸汽量的需求，同时保证燃
2、烧过程的经济性和锅炉运行的安全性。保证燃烧过程的经济性和锅炉运行的安全性。（一）母管制并列运行方式（一）母管制并列运行方式 采用母管制并列运行方式的机组，锅炉燃烧过程自动控制的采用母管制并列运行方式的机组，锅炉燃烧过程自动控制的任务为：任务为：l 按预定比例分配各台锅炉的负荷，维持母管蒸汽压力稳定；按预定比例分配各台锅炉的负荷，维持母管蒸汽压力稳定；l 保证各台锅炉燃烧过程的经济性；保证各台锅炉燃烧过程的经济性；l 维持各台锅炉炉膛负压的稳定。维持各台锅炉炉膛负压的稳定。（二）单元制炉跟机运行方式（二）单元制炉跟机运行方式 采用单元制炉跟机运行方式的机组，在电网负荷变化时，首采用单元制炉跟机运
3、行方式的机组，在电网负荷变化时，首先改变汽轮机进汽阀开度调节机组负荷，再通过改变锅炉燃烧率先改变汽轮机进汽阀开度调节机组负荷，再通过改变锅炉燃烧率维持主汽压力稳定，其机组控制原理图如下图所示：维持主汽压力稳定，其机组控制原理图如下图所示：炉跟机运行方式机组控制原理图炉跟机运行方式机组控制原理图此种运行方式下锅炉燃烧过程自动控制的任务为：此种运行方式下锅炉燃烧过程自动控制的任务为：l 维持主蒸汽压力稳定；维持主蒸汽压力稳定；l 保证锅炉燃烧过程的经济性；保证锅炉燃烧过程的经济性；l 维持锅炉炉膛负压的稳定。维持锅炉炉膛负压的稳定。（三）单元制机跟炉运行方式（三）单元制机跟炉运行方式 采用单元制机
4、跟炉运行方式的机组，在电网负荷变化时，首采用单元制机跟炉运行方式的机组，在电网负荷变化时，首先改变锅炉燃烧率调节机组负荷，再通过改变汽轮机进汽阀开度先改变锅炉燃烧率调节机组负荷，再通过改变汽轮机进汽阀开度维持主汽压力稳定，其机组控制原理图如下图所示：维持主汽压力稳定，其机组控制原理图如下图所示：机跟炉运行方式机组控制原理图机跟炉运行方式机组控制原理图此种运行方式下锅炉燃烧过程自动控制的任务为：此种运行方式下锅炉燃烧过程自动控制的任务为：l 保证机组负荷满足电网要求；保证机组负荷满足电网要求；l 保证锅炉燃烧过程的经济性；保证锅炉燃烧过程的经济性；l 维持锅炉炉膛负压的稳定。维持锅炉炉膛负压的稳
5、定。9.3 锅炉燃烧过程自动控制系统的组成与特点锅炉燃烧过程自动控制系统的组成与特点 针对电站锅炉燃烧过程自动控制任务的需要，电站锅炉燃烧针对电站锅炉燃烧过程自动控制任务的需要，电站锅炉燃烧控制系统由以下三个子控制系统组成：控制系统由以下三个子控制系统组成：以燃料量为调节变量，主蒸汽以燃料量为调节变量，主蒸汽压力为被调量，通过调节进入压力为被调量，通过调节进入炉膛的燃料量，维持主蒸汽压炉膛的燃料量，维持主蒸汽压力的稳定。力的稳定。燃料量控制系统燃料量控制系统 送风控制系统送风控制系统以送风量为调节变量，烟气含以送风量为调节变量，烟气含氧量为被调量，通过调节进入氧量为被调量，通过调节进入炉膛的送
6、风量，使烟气含氧量炉膛的送风量，使烟气含氧量达到设定的最佳值，保证燃料达到设定的最佳值，保证燃料燃烧所需的空气量和燃烧过程燃烧所需的空气量和燃烧过程的经济性。的经济性。引风控制系统引风控制系统以引风量为调节变量，炉膛压以引风量为调节变量，炉膛压力为被调量，通过调节引风量力为被调量，通过调节引风量维持炉膛压力的稳定。维持炉膛压力的稳定。锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制系统组成锅炉燃烧控制系统组成 在锅炉燃烧控制过程中，通过燃料量控制、送风控制和引风在锅炉燃烧控制过程中，通过燃料量控制、送风控制和引风控制三个子系统分别对三个调节变量（控制三个子系统分别对三个调节变量（燃料量燃料量B、送
7、风量、送风量V、引引风量风量G）进行调节，以维持三个被调量（）进行调节，以维持三个被调量（主主蒸汽压力蒸汽压力pT、烟气含、烟气含氧量氧量O2、炉膛压力、炉膛压力plt）的稳定。锅炉燃烧控制过程中各调节变量）的稳定。锅炉燃烧控制过程中各调节变量和被调量之间的关系如下图所示：和被调量之间的关系如下图所示：因此电站锅炉燃烧控制系统是一个多输入多输出的因此电站锅炉燃烧控制系统是一个多输入多输出的非线性多变量强耦合控制系统。非线性多变量强耦合控制系统。9.4 锅炉燃烧过程被控对象的动态特性锅炉燃烧过程被控对象的动态特性 锅炉燃烧过程被控对象的动态特性是指机组运行过程中各种锅炉燃烧过程被控对象的动态特性
8、是指机组运行过程中各种扰动引起的各被调量变化的动态关系，锅炉燃烧过程被控对象的扰动引起的各被调量变化的动态关系，锅炉燃烧过程被控对象的动态特性主要有以下三个：动态特性主要有以下三个：（一）主蒸汽压力的动态特性（一）主蒸汽压力的动态特性 主主蒸汽压力蒸汽压力pT受到的主要扰动有二个，其一是受到的主要扰动有二个，其一是燃烧率燃烧率 B扰动扰动称为基本扰动或内部扰动；其二是称为基本扰动或内部扰动；其二是汽轮机耗汽汽轮机耗汽量量D的扰动，称为的扰动，称为外部扰动。外部扰动。u 内扰下主蒸汽压力的动态特性内扰下主蒸汽压力的动态特性l 主蒸汽压力主蒸汽压力pT 在内、外扰动下的动态特性在内、外扰动下的动态
9、特性；l 烟气含氧量烟气含氧量O2在送风量扰动下的动态特性在送风量扰动下的动态特性；l 炉膛压力炉膛压力plt 在引风量扰动下的动态特性。在引风量扰动下的动态特性。主主蒸汽压力蒸汽压力pT 的动态特性与汽轮机的调节装置有关，图（的动态特性与汽轮机的调节装置有关，图（a）为汽轮机功率不变时，锅炉为汽轮机功率不变时，锅炉燃烧率燃烧率 B扰动下扰动下主主蒸汽压力蒸汽压力pT 变化的变化的阶跃响应曲线：阶跃响应曲线：此时此时主蒸汽压力主蒸汽压力pT是一个是一个无自平衡能力的被控对象。无自平衡能力的被控对象。汽汽包压力包压力pb与与主蒸汽压力主蒸汽压力pT 之差之差p2与主蒸汽流量以及过热器与主蒸汽流量
10、以及过热器的阻力成正比。的阻力成正比。根据阶跃响应曲线确定根据阶跃响应曲线确定迟迟延时间延时间 ，可以求出：，可以求出：Bl 反应速度：反应速度：Btgl 反应时间：反应时间：1BBTtg 反应时间反应时间TB定义为：燃烧定义为：燃烧率改变其额定值的率改变其额定值的10,汽压改汽压改变变10%所经过的时间。所经过的时间。此时此时主蒸汽压力主蒸汽压力pT是一个是一个有自平衡能力的被控对象。有自平衡能力的被控对象。汽汽包压力包压力pb与与主蒸汽压力主蒸汽压力pT 之差之差p2随燃料量和进入汽轮机的随燃料量和进入汽轮机的蒸汽流量的增加而增加。蒸汽流量的增加而增加。图（图（b）为汽轮机调节阀门开度不变
11、时，锅炉）为汽轮机调节阀门开度不变时，锅炉燃烧率燃烧率 B扰动扰动下下主蒸汽压力主蒸汽压力pT 变化的阶跃响应曲线：变化的阶跃响应曲线：根据锅炉蒸发受热面的热量根据锅炉蒸发受热面的热量平衡关系可得：平衡关系可得：rbQDhdtCdp式中式中:Qr 热负荷阶跃变化；热负荷阶跃变化；D 主蒸汽流量；主蒸汽流量；h 饱和蒸汽焓；饱和蒸汽焓；C 蒸发受热面热容。蒸发受热面热容。根据以上热平衡关系式可得：根据以上热平衡关系式可得：brbd pQDChd t（91）式中式中Cb称为称为蓄热系数蓄热系数，其物理意义为，其物理意义为汽包压力汽包压力pb改变一个单改变一个单位，蒸发受热面所吞吐的蒸汽量。位，蒸发
12、受热面所吞吐的蒸汽量。式（式（9 91 1）表明，测出）表明，测出主蒸汽流量主蒸汽流量D和和汽包压力汽包压力pb的变化速的变化速度度dpb/dt，与一定的，与一定的蓄热系数蓄热系数Cb配合配合,就可得到代表就可得到代表热负荷热负荷Qr的的热热量信号量信号，可以迅速反映燃料量的变化。，可以迅速反映燃料量的变化。u 外扰下主蒸汽压力的动态特性外扰下主蒸汽压力的动态特性 外部扰动是指电网负荷变化的扰动，图（外部扰动是指电网负荷变化的扰动，图（a）和图（）和图（b）分别）分别为汽轮机为汽轮机进汽量进汽量D和汽轮机和汽轮机调节阀门开度调节阀门开度 T 扰动下扰动下主主蒸汽压力蒸汽压力pT 变化的阶跃响应
13、曲线：变化的阶跃响应曲线：bCCh 图（图（a）中，）中，主蒸汽压力主蒸汽压力pT 在阶跃下降在阶跃下降p0后，一直维持等后，一直维持等速下降，为速下降，为无自平衡能力无自平衡能力的被控对象。的被控对象。图（图（b）中，）中，主蒸汽压力主蒸汽压力pT 在阶跃下降在阶跃下降p0后，下降速度逐后，下降速度逐渐变慢，最后稳定于一个较低的压力值，为渐变慢，最后稳定于一个较低的压力值，为有自平衡能力有自平衡能力的被控的被控对象。对象。（二）烟气含氧量的动态特性（二）烟气含氧量的动态特性 烟气含氧量烟气含氧量O2是影响燃烧过程经济性的重要指标，主要通过是影响燃烧过程经济性的重要指标，主要通过改变进入炉膛的
14、改变进入炉膛的送风量送风量V 对对烟气含氧量烟气含氧量O2进行调节进行调节。送风量送风量V 扰扰动下动下烟气含氧量烟气含氧量O2变化的阶跃响应曲线为：变化的阶跃响应曲线为：由上图中烟气含氧量的阶跃响应曲线可知，其动态特性具有由上图中烟气含氧量的阶跃响应曲线可知，其动态特性具有滞后、惯性和自平衡能力滞后、惯性和自平衡能力。（三）炉膛压力的动态特性（三）炉膛压力的动态特性 炉膛压力炉膛压力plt 对锅炉运行的安全性有重要影响，主要通过改变对锅炉运行的安全性有重要影响，主要通过改变引风量引风量G 对对炉膛压力炉膛压力plt进行调节进行调节。引风量引风量G 扰动扰动下下炉膛压力炉膛压力plt 变变化的
15、阶跃响应曲线为：化的阶跃响应曲线为：在在送风量送风量V 和和引风量引风量G 的扰动下，的扰动下，炉膛压力炉膛压力plt 的动态特性的动态特性惯惯性很小性很小，可近似认为是，可近似认为是比例环节比例环节。9.5 9.5 锅炉燃烧过程自动控制的基本方案锅炉燃烧过程自动控制的基本方案9.5.1 并列运行锅炉燃烧过程自动控制系统并列运行锅炉燃烧过程自动控制系统 采用母管制的并列运行锅炉燃烧过程自动控制系统的两种基采用母管制的并列运行锅炉燃烧过程自动控制系统的两种基本方案如下图所示：本方案如下图所示：上面介绍的两种控制系统存在以下两点不足：上面介绍的两种控制系统存在以下两点不足：l 不能保证燃料量和送风
16、量的最佳比例，使燃烧处于最佳状态；不能保证燃料量和送风量的最佳比例，使燃烧处于最佳状态；l 引风量变化落后于送风量，造成炉膛压力的较大波动。引风量变化落后于送风量，造成炉膛压力的较大波动。针对以上两点不足，改进后的并列运行锅炉燃烧过程自动控针对以上两点不足，改进后的并列运行锅炉燃烧过程自动控制系统如下图所示：制系统如下图所示：下图所示为母管制并列运行锅炉燃烧过程自动控制系统的原下图所示为母管制并列运行锅炉燃烧过程自动控制系统的原理图，系统中加入了高、低值选择器，在负荷变化时可以合理控理图，系统中加入了高、低值选择器，在负荷变化时可以合理控制风、煤增减顺序，以保证调节过程中燃料的完全燃烧：制风、
17、煤增减顺序，以保证调节过程中燃料的完全燃烧：9.5.2 单元机组锅炉燃烧过程自动控制系统单元机组锅炉燃烧过程自动控制系统 在单元制汽轮发电机组中，锅炉按运行方式不同可以分为中在单元制汽轮发电机组中，锅炉按运行方式不同可以分为中储式和直吹式两种，下面对其对应的燃烧过程自动控制系统分别储式和直吹式两种，下面对其对应的燃烧过程自动控制系统分别进行介绍。进行介绍。（一）中储式锅炉燃烧过程自动控制系统（一）中储式锅炉燃烧过程自动控制系统l 热量信号热量信号 热量信号热量信号，是指燃料进入炉膛燃烧时在单位时间内产生的热，是指燃料进入炉膛燃烧时在单位时间内产生的热量。可以用静态下的量。可以用静态下的主蒸汽流
18、量主蒸汽流量D 和和动态下的动态下的汽包压力变化速度汽包压力变化速度dpb/dt 表示，其计算公式为：表示，其计算公式为：bbdCtQpDd式中式中:Cb 锅炉的蓄热系数。锅炉的蓄热系数。在系统中，以在系统中，以热量信号热量信号代替燃料量信号，不但可以反映代替燃料量信号，不但可以反映燃料燃料量的变化量的变化，而且还可以克服，而且还可以克服燃料单位发热量变化燃料单位发热量变化对燃烧过程的影对燃烧过程的影响，从而提高锅炉运行过程的稳定性。响，从而提高锅炉运行过程的稳定性。在锅炉运行过程中在锅炉运行过程中,热量信号热量信号只应该反映只应该反映燃烧率的变化燃烧率的变化（内内扰扰）,而不应该反映而不应该
19、反映负荷的变化负荷的变化（外扰外扰）。即）。即热量信号热量信号只与只与燃烧燃烧率的变化率的变化有关有关,而与而与负荷的变化负荷的变化无关。无关。热量信号热量信号在在燃料量燃料量B 和和汽轮机汽轮机调节阀门开度调节阀门开度 T 扰动下的阶扰动下的阶跃响应曲线分别如图（跃响应曲线分别如图（a a）和图（）和图（b b）所示：）所示：根据前面分析，当燃根据前面分析，当燃烧率不变而负荷变化时热烧率不变而负荷变化时热量信号不变，即：量信号不变，即：0bbd pDCd tbbD d tC d p 1010tbbbtD d tCptpt 负荷变化过程中，在负荷变化过程中，在t0t1时间段内对上式进行时间段内
20、对上式进行积分运算可得：积分运算可得：因此因此锅炉锅炉蓄热系数蓄热系数Cb的计算公式为：的计算公式为：1001tbbbtCD d tptpt时间时间t0t1期间蒸汽期间蒸汽流量流量 变化的累积量变化的累积量 用试验方法求取用试验方法求取锅炉蓄热系数锅炉蓄热系数Cb时，保持锅炉燃烧率不变而时，保持锅炉燃烧率不变而使负荷作任意扰动，记录使负荷作任意扰动，记录蒸汽蒸汽流量流量 D 和和汽包汽包压力压力pb 变化的曲线如变化的曲线如下图所示：下图所示：10ttD dtA 锅炉蓄热系数锅炉蓄热系数Cb的物理意的物理意义为：在燃烧率不变时汽包压义为：在燃烧率不变时汽包压力每变化一个单位，释放或吸力每变化一
21、个单位，释放或吸收的蒸汽量。收的蒸汽量。01bbbpttpp 在锅炉运行过程中，在锅炉运行过程中，汽包压力变化速度汽包压力变化速度dpb/dt 测量不到，只测量不到，只能测得能测得带有惯性的速度信号带有惯性的速度信号 ，同时再加入，同时再加入主蒸汽流量主蒸汽流量D的实际微分信号，可以得到的实际微分信号，可以得到实际热量信号实际热量信号：1bspTs 1111bbbbrsTsD CpDD C s pTsTQsTs（二）直吹式锅炉燃烧过程自动控制系统（二）直吹式锅炉燃烧过程自动控制系统 现代大型单元机组中锅炉普遍采用直吹式制粉系统，其主要现代大型单元机组中锅炉普遍采用直吹式制粉系统，其主要特点如下
22、：特点如下：u 制粉系统与锅炉燃烧过程紧密联系，是燃烧过程自动控制不可制粉系统与锅炉燃烧过程紧密联系，是燃烧过程自动控制不可 分割的组成部分。分割的组成部分。u 在运行过程中燃料量指令变化后，还需经过磨煤制粉的过程，在运行过程中燃料量指令变化后，还需经过磨煤制粉的过程，才能改变进入炉膛的燃料量，负荷适应能力较差，且容易引起才能改变进入炉膛的燃料量，负荷适应能力较差，且容易引起 主蒸汽压力的较大波动。主蒸汽压力的较大波动。采用直吹式制粉系统的锅炉生产过程如下图所示：采用直吹式制粉系统的锅炉生产过程如下图所示：采用直吹式制粉系统的锅炉生产过程采用直吹式制粉系统的锅炉生产过程 （a）示意图；（）示意
23、图；（b）方框图）方框图 一次风量作为燃料控制手段的燃烧控制系统 煤粉量t燃料与一次风一起扰动燃料扰动一次风扰动u 采用采用一次风量为反馈信号的燃烧控制系统一次风量为反馈信号的燃烧控制系统 采用一次风量为反馈信号的锅炉燃烧过程自动控制系统适用采用一次风量为反馈信号的锅炉燃烧过程自动控制系统适用于采用中速磨制粉系统的锅炉，其原理图如下：于采用中速磨制粉系统的锅炉，其原理图如下：9.6 9.6 锅炉燃烧过程自动控制系统锅炉燃烧过程自动控制系统实例实例分析分析 采用直吹式制粉系统，燃烧控制系统主要采用直吹式制粉系统，燃烧控制系统主要包括包括6个子控制系统，即燃料控制系统、磨个子控制系统，即燃料控制系
24、统、磨煤机一次风量、磨煤机出口温度、一次风煤机一次风量、磨煤机出口温度、一次风压力、二次风量、炉膛压力控制系统。压力、二次风量、炉膛压力控制系统。9.6.1 9.6.1 燃料控制系统燃料控制系统 9.6.29.6.2磨煤机风量、温度控制系统磨煤机风量、温度控制系统（一）磨煤机一次风量控制系统一）磨煤机一次风量控制系统（二）磨煤机出口温度控制系二）磨煤机出口温度控制系统统 9.6.3 9.6.3 风量控制系统风量控制系统 风量控制系统有一次风和二次风两个风量控制系统有一次风和二次风两个相互独立的系统，一次风主要用于将煤相互独立的系统，一次风主要用于将煤粉从磨煤机输送到燃烧器，二次风主要粉从磨煤机输送到燃烧器，二次风主要用来帮助燃料在炉膛中完全燃烧。用来帮助燃料在炉膛中完全燃烧。（一）（一）一次风压力控制系统一次风压力控制系统（二）二次风量（送风）控制系统（二）二次风量（送风）控制系统9.6.4 9.6.4 炉膛压力控制系统炉膛压力控制系统
