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第五节 燃烧过程自动控制系统 一、燃烧过程控制系统的任务 锅炉燃烧过程是一个将燃料的化学能转变为热能，以蒸汽形式向负荷设备提供热能的能量转换过程。燃烧过程控制的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应锅炉蒸汽负荷的需要，同时还要保证锅炉安全经济运行。每台锅炉燃烧过程的具体控制任务及控制系统的选择因燃料种类、制粉系统类型、燃烧设备的结构以及锅炉的运行方式不同而有所区别，具体可归纳为以下几个方面。 1维持蒸汽压力稳定 汽压变化反映了燃烧过程中能量供需的不平衡，此时，应根据外界负荷要求改变燃料量，以改变锅炉的产汽量，从而保持汽压稳定。汽压测点的选择视热力系统的结构而定。对于单元制机组，应维持过热器出口或汽机入口汽压恒定；对于母管制系统，则应维持母管汽压稳定。 2保证燃烧过程的经济性 燃料量变化时，应相应地改变送风量，以保持合适的过剩空气系数，减少锅炉未完全燃烧损失和排烟热损失，使锅炉运行于最佳燃烧工况。然而到目前为止，锅炉的燃烧效率尚无法直接进行测量，只能用烟气中的含氧量或保持一定的风量与燃料量比值的办法来间接判别。 3维持炉膛压力稳定 锅炉炉膛压力反映了燃烧过程中进入炉膛的送风量与流出炉膛的烟气量之间的工质平衡关系。其正常与否关系着锅炉的安全经济运行。负压过小，炉膛容易向外喷火或喷灰，甚至引起炉膛爆炸；而负压过大，会使大量冷风漏入炉膛，降低炉膛温度，增大引风机负荷和排烟损失。通常，对于燃煤锅炉，为防止炉膛向外喷灰，通常采用微负压(一30O Pa)运行。对于燃油锅炉，则通常采用微正压运行，以防止炉膛漏风，使烟气中过剩空气系数上升，造成过热器管壁腐蚀。 上述三项控制任务是不可分割的，通常用三个调节器控制三个调节变量(燃料量B、送风量V、引风量)，以维持三个被控量(汽压，、过剩空气系数或最佳含氧量、炉膛负压)，三个控制系统互相协调，共同完成上述三项控制任务。 4负荷分配 对于并列运行母管制系统锅炉，除上述三项任务外，还必须保持各并列运行锅炉之间的负荷按比例分配。对于大型单元机组，燃烧控制的任务与所采用的负荷控制方式有关。这个问题将在第十章中讨论。 5维持燃料系统的正常运行 对于燃油锅炉来说，燃料系统包括燃油的加温及加压系统；而对于燃煤锅炉而言，则包括制粉及输送粉系统。对于燃油锅炉及采用具有中间粉仓的燃煤锅炉，燃料系统可以相对独立地运行，因而燃料系统的控制与燃烧过程的控制是相互独立的，但采用直吹制粉系统的锅炉，其燃料系统与燃烧系统是紧密联系在一起的，因此其燃烧过程的控制，随着锅炉燃烧率的变化，不仅改变制粉系统的给煤量，同时相应改变各有关风量，以维持燃料系统的正常运行。 二、燃烧过程控制对象的动态特性 锅炉燃烧过程控制对象是一个多输入多输出的复杂对象。三个被控量中通常以汽压作为主要被控量(假设单元机组采用炉跟机负荷控制方式)。下面将着重分析汽压控制对象的动态特性。对于送、引风两个控制对象，当送、引风改变后，炉膛中燃料和空气比值和炉膛负压变化较快，可近似认为是比例环节，所以不专门讨论。 (一)汽压控制对象动态特性分析 汽压控制对象生产流程示意如图648所示。燃料与相应的送风量进入炉膛，燃料燃烧产生的热量被布置在炉膛四周的蒸发受热面吸收而产生蒸汽，蒸汽流经过热器加热成过热蒸汽，过热蒸汽由蒸汽管道送人汽轮机做功。 图648汽压被控对象生产流程 (a)燃料能量转变成蒸汽量；(b)汽压被控对象生产流程一燃料量调节机构开度；B- 燃料量；V - 送风量； - 炉膛热量； - 汽包压力- 蒸汽量；一主蒸汽压力； 过热器流动阻力； - 汽轮机 流动阻力； - 汽轮机背压； - 汽轮机进汽阀开度 根据汽压控制对象的生产流程画出的汽压控制对象方框图如图649所示。下面对汽压控制对象各组成部分的动态特性，根据对象的结构和物理特性，应用分析方法近似导出。这对在生产现场用试验方法求取汽压控制对象动态特性具有一定的指导意义。 1锅炉燃烧部分 锅炉燃烧部分是指从燃料调节机构开度改变到引起炉膛热量变化部分。炉膛热量是指炉膛燃料完全燃烧时，在单位时间所产生的热量。它与燃料量的关系可表示为 图649汽压控制对象方框图 QB=Q (635) 图650燃烧部分动态特性方框图式中：B为燃料量；为燃料收到基低位发热量。根据锅炉燃烧部分的工作过程机理，可以用图650来描述其动态特性，其中KB是燃料调节机构的传递系数；是从燃料调节机构动作到炉膛的实际燃料热量发生改变所经历的时间迟延。锅炉燃烧部分的传递函数为 6-36 2蒸发部分 燃料燃烧后产生的热量，除去一部分热损失，其余都被水冷壁内的炉水吸收，使炉水蒸发为蒸汽量。与之间的静态关系可以按能量平衡关系建立： ()= = 6-37式中：为锅炉效率；为饱和蒸汽焓值；为给水焓值；为传递系数。 燃料燃烧热量折算成的蒸汽量并不一定就是锅炉的输出蒸汽量D，锅炉输出蒸汽量D随着汽轮机的负荷改变而变化。当以(D)为输人信号，以汽包压力为输出信号时，由锅炉热平衡关系可知，当锅炉吸热量(热负荷)与送出的热量(锅炉蒸汽量带走的热量)不平衡时，汽包压力变化将呈现无自衡的动态特性。由于热量转换为蒸汽量的变化过程中有惯性和迟延，应是双容对象动态特性，但可以近似认为其传递函数为G(s)= = (638)式中：为锅炉蓄热系数，其物理意义是：汽包压力每变化一个压力单位时锅炉需要储藏(或释放)的蒸汽量。 3蒸汽输出部分 蒸汽输出部分包括过热器和主蒸汽管道两部分。 (1)过热器：当把过热器作为汽压对象的蒸汽输出设备看待时，它可以被看作是一个有阻力的管道，而不必考虑它的传热关系和热容量，这时的过热器可以近似看作是比例环节，其传递函数为 G(s)= = (639)式中：R为过热器管道阻力；D为锅炉输出蒸汽流量；为汽包压力； 为主蒸汽压力。第六章汽包锅炉自动控制系统131 (2)主蒸汽管道：主蒸汽管道的流人量是锅炉输出蒸汽流量D，流出量为汽轮机的耗汽量，主蒸汽压力加则是反映D与之间关系的物质平衡指标。 蒸汽管道是一个容量系数很小的容器，所以可将其近似看作具有积分特性，传递函数为G(S)= = (6-40)式中：为蒸汽管道的容量系数。 4汽轮机部分 汽轮机的进汽量受主蒸汽压力、汽轮机背压户。和调节汽门(简称阀门)开度,的影响，其中背压很少变化，且假定汽轮机阀门特性为线性的，所以汽轮机的进汽量可用下式表示：D = (641)式中：为汽轮机的流通阻力；为汽轮机阀门的传递系数；为汽轮机阀门的开度。 汽轮机部分的动态特性方框图可表示为图651。根据对汽压控制对象的四个组成部分动态特性的近似定性分析，可画出汽压控制对象的动态特性方框图649。其中简化而将炉膛的热量信号直接用蒸汽蒸发量来表示。 上述分析是在近似条件下定性分析的结果，但它确实反映了各部分的动态特性。 图651汽轮机动态特性方框图 (二)在燃烧率扰动下汽压控制对象的动态特性 燃烧率扰动就是燃料调节机构开度户的改变，并假设锅炉送、引风均作相应的改变。 汽压控制对象的动态特性与负荷设备汽轮机的用汽条件有密切的关系。下面分两种情况来讨论。图652燃烧率扰动(不变)时汽压被控对象方框图 (a)主蒸汽压力对燃烧率扰动的方框图； (b)汽包压力对燃烧率扰动的方框图 1汽轮机负荷不变(即耗汽量不变)时的汽压控制对象的动态特性这种情况是指在地扰动时保持汽轮机耗汽量始终不变。例如当汽轮机采用功频电调系统时，无论锅炉侧汽压如何变化，功频电调均能保持汽轮机功率(耗汽量)不变，即图649中的不变，故在方框图中可以不予考虑。这时汽压控制对象的方框图可用图652表示。由图可求得主蒸汽压力132第二篇单元机组的自动控制系统和汽包压力P在燃烧率扰动下的传递函数为 6-42 6-43 实际上，蒸汽管道的容量系数很小，可认为0，这时上面两式可近似为 (644) (645) 可见，在燃烧率扰动下和汽轮机耗汽量保持不变时，主蒸汽压力和汽包压力均表现为具有纯迟延的无自衡能力特性，其阶跃响应曲线如图653所示。汽包压力夕与主蒸汽压力乡之差P，与汽轮机耗汽量成正比，因此扰动前后的汽轮机耗汽量不变，所以两者之压差是不变的(=)。 汽压被控对象的迟延时间和响应时间 (或响应速度)的数值可以由阶跃响应曲线上求得，在图653中： T= 6-46 现场试验数据表明，对于燃油及燃气锅炉，10s；对于煤粉炉，2040s。 2汽轮机调门开度不变时汽压被控对象的动态 图653燃烧率扰动时汽包汽压的 特性 阶跃响应曲线(一常数) 当汽轮机采用一般液压调速系统时，调门开度不变，即图649中的不变，在方框图中不予考虑，这时汽压被控对象的方框图如图654所示。由图可求得主蒸汽压力和汽包压力在燃烧率扰动下的传递函数为 6-47 6-48当0时，上面两式可近似为 6-49 6-50 可见，在燃烧率扰动下和汽轮机调节机构开度保持不变时，从主蒸汽压力和汽包压力的动态特性看，对象都表现为有迟延的惯性环节，其阶跃响应曲线如图655所示。这时汽压对象之所以有自平衡能力是因为汽压升高后，汽轮机阀门开度不变，而汽轮机的进汽量第六章汽包锅炉自动控制系统133 图654燃烧率扰动时(不变)汽压被控对象方框图(a)主蒸汽压力对燃烧率扰动的方框图；(b)汽包压力对燃烧率扰动的方框图相应地增加，自发地限制了汽压的升高。汽包压力与主蒸汽压力之差p是随着蒸汽流量增加而增大的，因此。 (三)负荷扰动下汽压控制对象的动态特性 负荷扰动下汽压控制对象的动态特性的试验求取也有两种情况：一种是以汽轮机调节门开度作阶跃扰动的，另一种是以汽轮机进汽量作阶跃扰动的。 1汽轮机调节门开度扰动下的汽压控制对象的动态特性。 此时，图649所示汽压控制方框图就可表示为图656。从而可求得扰动下汽压控制对象的传递函数为 6-51 6-52由于C所以 ） 6-53 6-54图655燃烧率扰动时汽压的曲线(=常数) 图656汽轮机调门开度扰动时汽压控制对象方框图(a)主蒸汽压力对汽轮机进汽调门扰动方框图；(b)汽包压力对汽轮机进汽调门扰动方框图图657汽轮机调门阶跃扰 动下的汽压响应曲线(654) 由式(653)和式(654)传递函数可以看出，在,扰动下汽包压力控制对象为一阶惯性环节，主蒸汽压力控制对象为比例环节和一阶惯性环节的并联环节，它们的阶跃响应曲线如图657所示。 当阶跃后，蒸汽流量D立即成比例增加，主蒸汽压力比例“下跳” 。由于锅炉燃料量并未增加，故汽包压力和主蒸汽压力随即以一定速度下降。由于主蒸汽压力下降后，实际蒸汽流量会下降(图中虚线D所示)，所以和。下降速度也随之减小。最后，由于燃料量没有增加，所以蒸汽流量将降到扰动前的数值，而汽压稳定在一个较低的数值上，表现为有自平衡能力的特性。因为最终蒸汽流量不变，所以主蒸汽压力和汽包压力的差值最后也恢复到扰动前的数值。在扰动过程中，锅炉供应的蒸汽量是由锅炉压力降低过程中储能量的改变(减小)转换而来的。 2汽轮机进汽流量扰动下的汽压控制对象的动态特性 汽轮机进汽流量扰动时，汽压控制对象的方框图可表示为图658。由图可求得汽压控制对象的传递函数为 6-55 6-56由于C0，得 6-57 6-58第六章汽包锅炉自动控制系统135 图658进汽量扰动时汽压控制对象方框图(a)主蒸汽压力对进汽流量扰动方框图；(b)汽包压力对进汽流量扰动方框图 可见，在汽轮机进汽流量扰动时，汽包压力控制对象可近似为积分环节，主蒸汽压力控制对象可近似为比例环节与积分环节的并联环节，其阶跃响应曲线如图659所示。 当阶跃增加时，主蒸汽压力立即下降，其大小与的扰动量成正比。此后由于汽轮机的耗汽量始终大于燃料燃烧所产生的蒸汽量，锅炉的能量供求不能保持平衡，因此汽包压力和主蒸汽压力将一直下降，呈现无自平衡能力特性。由于蒸汽流量阶跃增加后保持不变，所以与之间的压差+也始终不变。 三、燃烧过程自动控制系统的基本方案 (一)燃烧过程自动控制系统的基本组成原则 通过上述对燃烧过程控制的任务以及被控对象的特点和动态特性的分析可知，虽然在不同情况下燃烧过程控制。图659汽轮机进汽量阶跃 扰动下的汽压响应曲线的任务和对象特性不尽相同，但归纳起来，可以得出燃烧过程控制系统组成的基本原则。 (1)能迅速改变炉膛燃烧率，适应外界负荷变化。由对象动态特性的分析可以看出，在外界负荷变化时，只有迅速改变锅炉燃烧率，维持燃烧过程的能量平衡，才能保持蒸汽压力的稳定。燃烧率的改变，主要是燃料量的改变，而蒸汽压力对于燃料量变化时的响应有一定的迟延(迟延时间大小受燃料系统影响较大)。因此对于带变动负荷的锅炉以及采用迟延时间大的燃料系统的锅炉，如直吹式锅炉，在设计燃烧过程控制系统时，如何迅速改变炉膛内燃烧率是不容忽视的。 (2)能迅速发现并消除燃烧率扰动。燃烧率扰动通常指燃料量的自发扰动，这不仅影响蒸汽压力的稳定，在并列运行方式下还会引起其他锅炉汽包压力及锅炉负荷的变化。因此在设计自动控制系统时，应保证控制系统具有尽快消除燃烧率自发性扰动的能力。 (3)确保燃料、送风和引风等参数协调变化。当燃烧率改变时，只有保持送风量V与燃料量B成比例变化，才能保证燃烧经济性。只有保持引风量与送风量协调变化，才能保证炉膛压力稳定。因此，确保燃料、送风和引风等参数协调变化是确保燃烧工况稳定必不可少的条件。 对于以上几点，在组成控制系统时，需根据锅炉本身的特点及燃烧过程的具体情况有所侧重。如对于带基本负荷锅炉的燃烧系统，比较侧重提高燃烧的经济性及运行工况的稳定；对于带变动负荷的锅炉，则比较侧重对负荷变化的响应速度，而兼顾其他。 (二)燃烧过程控制系统结构 虽然燃烧过程控制对象是一个多输入多输出的多变量相关控制对象，各调节量(B，V，)与各被调量(，a或O2，)存在着相互作用，但是，在系统设计时，从工程实用观点出发，我们仍然可以将燃烧自动控制系统划分为三个相对独立而又紧密联系的子系统，分别说明如下。 1燃料控制子系统 燃料控制的任务在于使进入锅炉的燃料量随时与外界负荷要求相适应。 (1)燃料量的测量。正确及时地测量燃料量是燃料控制子系统的基本问题。然而燃料量(煤粉量)的直接测量还是一个尚待解决的难题，一般都采用下述间接测量方法。 1)给煤机转速。对于直吹式制粉系统的锅炉，在给煤机转速调节良好，考虑煤层密度、厚度对燃料量影响时，给煤量与转速之间具有确定的关系，可用给煤机转速求出燃料量。 2)给粉机转速。对采用中间储仓式制粉系统锅炉，可采用给粉机转速来间接代表燃料量。不足之处是转速信号不能反映煤粉的自发性扰动。 3)磨煤机进出口差压。对采用直吹式制粉系统锅炉，可用磨煤机进出口差压来近似代表燃料量，这是以假定磨煤机出力与其进出口差压的平方根成正比为前提的。 4)热量信号。所谓热量信号，是指燃料进入炉膛燃烧后，在单位时间内所产生的热量 ，、 ，。 折算为蒸汽量，以符号表示。信号可由下面公式表示：=D+ 6-59 图660热量信号的构成方框图 根据式(659)可以画出热量信号的构成方框图660。当不考虑管道金属蓄热变化，可近似代表炉膛热负荷大小，因而可代表进入锅炉燃烧的燃料量。此外，热量信号还能反映燃烧热值的变化。图661表示了在各种扰动情况下热量信号的响应曲线。图661中(a)为燃料量扰动而汽轮机调节阀脚不动作时的情况；图661(b)为汽机调节阀开度阶跃变化而燃料量B不变时的情况。 (2)燃料控制子系统结构。燃料控制子系统的原则性方案如图662所示，因为汽压是锅炉燃料热量与汽轮机需求能量的平衡标志，且在燃料量扰动下的动态响应较快，所以燃料量控制原则上可以采用以汽压作为被调量的单回路控制系统的结构方案。图662中串级结构是考虑到快速消除燃料量自发性扰动(煤粉的阻塞与自流)而引入燃料量负反馈的需要。另一方面，采用串级系统的结构方案，能使燃料控制系统具有根据 图661热量信号的阶跃响应曲线锅炉运行需要从带变动负荷(或带固定负荷)切换到带固定负荷(或带变动负荷)的功能。 2送风控制子系统 送风控制的任务是使送风量与燃料量保持合适的比例，实现安全经济燃烧。 (1)总风量的测量。送风量的准确测量是实现送风量自动控制的关键之一，目前常用的风量测量装置有对称机翼型和复式文丘里管，还有装于风机入口的弯头测风装置和装于矩形风道内的挡风板等一些简便的测量装置。 现代大型锅炉一般分设一次风和二次风，有些锅炉还有三次风，每一种风的风量是分别测量的，因此总风量是这三种风的流量之和。 (2)送风控制子系统结构。目前尚无法直接或迅速地测量燃烧经济性，因此在实践中，送风控制系统常采用直接保持燃料量与送风量比例关系的比值控制系统方案，如图663所示，以前馈形式引入的燃料量信号B作为送风调节器的给定值，送风量信号V作为反馈信号引入。 由于送风调节器采用PI控制规律，所以静态时，调节器入口信号的平衡关系为BKV=0，由此可得 式中：K为风煤比例系数。图662燃料控 图663送风控制系 制子系统的 统的原则性方案 原则性方案 只要调整比例系数K为适当的值，控制系统就能使进入锅炉的送风量与燃料量保持合适的比例，达到经济燃烧的目的。但是，在锅炉的长期运行过程中，负荷和煤种都会发生变化，保持风煤比为固定值的送风控制系统并不能始终保证燃烧过程的最佳经济性，所以完善的控制方案应该考虑送风量的修正。 图664(a)是具有氧量校正控制的送风控制系统。它可以看作为一个有燃料量前馈调节的串级控制系统，副调节器(送风调节器)用来保持送风量与燃料量的基本比例(燃烧经济性的粗调)，主调节器(氧量校正调节器)在副调节器作用基础上进一步实现送风量的校正控制(燃烧经济性的细调)。考虑到烟气中最佳含氧量的数值随锅炉的负荷改变而变化，氧量校正调节器以负荷的函数为给定值，不同负荷下最佳氧量值由锅炉热效率试验后确定，然后设置在函数发生器中。一般来说最佳氧量值随负荷增加而减小。当系统处于静态时，副调节器(假设为PI作用)的入口信号的平衡关系为 BK-V+ =0 (660) 因此，校正后的送风量信号为 V=BK+ (661)式中：听x为氧量校正调节器的输出信号。图664送风控制系统的改进有对烟气氧量要求可靠、正确测量的问题，实际应用中较难确定。3引风控制子系统 可见，在有氧量校正的送风控制系统中，送风量除需要与燃料量保持比例外，还有附加一个校正信号，才能保证最佳经济燃烧。 有氧量校正信号的送风控制系统，其结构比较复杂，又由于其主、副回路的时间常数(工作速度)相差不大，所以系统的整定投入比较困难。直接根据负荷、燃料品种的变化去修正最佳风煤比系数K的单回路比值控制系统方案如图664(b)所示。此系统结构简单，整定投运也比较方便，也没但在此系统中，负荷和燃料品种的修正系数在实际应用中较难确定 引风控制系统也称炉膛压力控制系统，其任务是通过控制引风量将炉膛负压控制在规定的范围之内，一般正常运行时，炉膛负压值保持为一300Pa。由于引风控制对象的动态响应快，测量也容易，所以引风控制系统采取以炉膛负压P，作被调量的单回路控制系统，如图665所示。由于送风量是炉膛压力最主要的扰动因素，所以可将送风量作为前馈信号引人引风调节器，这样当送风控制系统动作时，引风控制系统相应动作之后，再根据炉膛压力与定值的偏差，由引风 图665引风控制系统原则方案调节器进行校正调节。显然，送风前馈信号的引入，将有利于提高引风系统的稳定性和减小炉膛负压的动态偏差。第六章汽包锅炉自动控制系统139 控制方案中的函数发生器f(t)一般选用微分环节。以保证系统处于静态时，f(t)的输出为零，使炉膛负压保持为给定值。 (三)燃烧过程控制系统基本方案 1“燃料一空气”系统 “燃料一空气”系统为燃烧控制系统的基本方案，其原理框图如图666所示。主调节器PIl根据母管压力与给定值的偏差对各台并列运行锅炉按比例发出“负荷要求”信号，它本身不带执行器。如果某台锅炉带固定负荷，则由运行人员将开关切换至固定负荷信号。燃料调节器PI2接 图666 “燃料一空气”系统受负荷要求信号和燃料反馈信号B，控制燃料与“负荷要求”相适应。送风调节器PI3接受负荷要求信号和送风量V负反馈信号，控制送风量与“负荷要求”相适应，从而间接地使送风量与燃料量成适当比例，即保证燃烧经济性。引风调节器PI4接受炉膛压力信号，通过调节引风量确保炉膛压力为给定值。 所有调节器均采用比例积分作用的。因此，在静态时，母管压力等于给定值，炉膛负压。等于给定值，而燃料调节器输入信号为 N 6-62送风调节器的输入信号为 N 6-63合并上述两式得 (664) 式中：、分别为燃料量与送风量的反馈系数。 上式表明，该系统间接地保证了燃料量与空气量成一定比例关系。该方案的优点是结构简单、整定方便。由于直接以燃料量信号代表燃烧率与负