锅炉燃烧系统的控制系统设计解析

目录

1锅炉工艺简介 (1)

1.1锅炉的基本结构 (1)

1.2工艺流程 (2)

1.2煤粉制备常用系统 (3)

2 锅炉燃烧控制 (4)

2.1燃烧控制系统简介 (4)

2.2燃料控制 (4)

2.2.1燃料燃烧的调整 (4)

2.2.2燃烧调节的目的 (5)

2.2.3直吹式制粉系统锅炉的燃料量的调节 (6)

2.2.4影响炉内燃烧的因素 (7)

2.3锅炉燃烧的控制要求 (11)

2.3.1 锅炉汽压的调整 (11)

3锅炉燃烧控制系统设计 (14)

3.1锅炉燃烧系统蒸汽压力控制 (14)

3.1.1该方案采用串级控制来完成对锅炉蒸汽压力的控制 (14)

3.2燃烧过程中烟气氧含量闭环控制 (17)

3.2.1 锅炉的热效率 (18)

3.2.2反作用及控制阀的开闭形式选择 (20)

3.2.3 控制系统参数整定 (20)

3.3炉膛的负压控制与有关安全保护保护系统 (21)

3.3.1炉膛负压控制系统 (22)

3.3.2防止回火的连锁控制系统 (23)

3.3.3防止脱火的选择控制系统 (24)

3.4控制系统单元元件的选择（选型） (24)

3.4.1蒸汽压力变送器选择 (24)

3.4.2 燃料流量变送器的选用 (25)

4 DCS控制系统控制锅炉燃烧 (26)

4.1DCS集散控制系统 (26)

4.2基本构成 (28)

锅炉燃烧系统的控制

4.3锅炉自动燃烧控制系统 (31)

总结 (34)

致谢 (35)

参考文献 (36)

1锅炉工艺简介

1.1锅炉的基本结构

锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。

1、锅炉本体

锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁、过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。

炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上进行火床燃烧的炉膛称为层燃炉，又称火床炉；将液体、气体或磨成粉状的固体燃料喷入火室燃烧的炉膛称为室燃炉，又称火室炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧、适于燃烧劣质燃料的炉膛称为沸腾炉，又称流化床炉；利用空气流使煤粒高速旋转并强烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。炉膛的横截面一般为正方形或矩形。燃料在炉膛内燃烧形成火焰和高温烟气，所以炉膛四周的炉墙由耐高温材料和保温材料构成。在炉墙的内表面上常敷设水冷壁管，它既保护炉墙不致烧坏，又吸收火焰和高温烟气的大量辐射热。炉膛的结构、形状、容积和高度都要保证燃料充分燃烧，并使炉膛出口的烟气温度降低到熔渣开始凝结的温度以下。当炉内的温度超过灰熔点时，灰便呈熔融状态。熔融的灰渣颗粒在触及炉内水冷壁管或其他构件时会粘在上面。粘结的灰粒逐渐增多,遂形成渣块,称为结渣。结渣会降低锅炉受热面的传热效果。严重时会堵塞烟气流动的通道，影响锅炉的安全和经济运行。一般用炉膛容积热负荷和炉膛截面热负荷或炉排热负荷表示其燃烧强烈程度。炉膛容积热负荷是单位炉膛容积中每单位时间内释放的热量。在锅炉技术中常用炉膛容积热负荷来衡量炉膛大小是否恰当。容积热负荷过大，则表示炉膛容积过小，燃料在炉内的停留时间过短，不能保证燃料完全燃烧，使燃烧效率下降；同时这还表示炉墙面积过小，难以敷设足够的水冷壁管，结果炉内和炉膛出口处烟气温度过高，受热面容易发生结渣。室燃炉的炉膛截面热负荷是单位时间内单位炉膛横截面上燃料燃烧所释放的热量。在炉膛容积确定以后，炉膛截面热负荷过大会使局部区域的壁面温度过高而引起结渣。层燃炉的炉排热负荷是单位时间内燃料燃烧所释放的热量与炉排面积的比值。炉排热负荷过高会使飞灰大大增加。炉膛设计需要充分考虑使用燃料的特性。每台锅炉应尽量燃用原设计的燃料。燃用特性差别较大的燃料时，锅炉运行的经济性和可靠性都可能降低。

锅筒它是自然循环和多次强制循环锅炉中接受省煤器来的给水、联接循环回路，并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。锅筒筒体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。锅筒的主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排除锅水中的盐水和泥渣，

以避免含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中。这些盐分和杂质如在过热器管和汽轮机通道上发生结垢、积盐和腐蚀，会影响设备的经济安全运行。锅炉出口的蒸汽一般都有一定的质量标准。锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。其中汽水分离装置的作用是将从水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开来，并尽量减少蒸汽中携带的细小水滴。中、低压锅炉常用挡板和缝隙挡板作为粗分离元件。中压以上的锅炉除广泛采用多种型式的旋风分离器进行粗分离外，还用百叶窗、钢丝网或均汽板等进行进一步分离。随着水处理技术的提高，蒸汽分离装置趋向于简化和定型化。排污装置（包括连续排污和定期排污）能在锅炉运行中排出一部分含有较高盐分和泥渣的锅水。锅筒上还装有水位表、安全阀等监测和保护设施。

2、辅助设备

除锅炉本体外，在电站锅炉中还有许多配套的辅助设备：煤粉制备系统，把原煤磨成粉，以利煤的充分燃烧，包括给煤机、磨煤机、排粉机、粗粉分离器和煤粉管道等；

送、引风系统，向锅炉供给燃烧需要的空气及将煤燃烧后的烟气排出锅炉，包括送风机、引风机和烟风道等；

给水系统，包括给水泵、阀门和管道等；

水处理系统（见锅炉水处理）；

灰渣清除系统，包括碎渣机、出渣机、除尘器等；

自动控制和监测系统（见锅炉自动控制、锅炉汽温调节）。

1.2工艺流程

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。

图1.1 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两侧留个风道进入，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。

热电厂是利用煤和天然气作为燃料发电、产汽的，这也是目前世界上主要的电能生产方式。生产工艺是将燃料送入炉膛内燃烧，放出的热量将水加热成为具有一定压力和温度的过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮机膨胀做功，高速气流冲击汽轮机叶片带动转子旋转，同时带动同轴发电机转子发电。热电厂锅炉将经过处理后的除盐水加热至430度(根据汽机工况)左右的过热蒸汽送入汽轮机,推动汽轮机保持每分钟3000转的速度带动同轴的发电机旋转,通过同轴励磁机产生的直流电输入发电机转子,在静子上产生感应电势,同时作过功的余汽可用来当作供热源

1.2煤粉制备常用系统

①直吹式制粉系统:磨好的煤粉直接全部送入炉膛中燃烧，宜采用中速和高速磨煤机，适用于磨较软的烟煤和褐煤。缺点是磨煤机的出力和煤粉细度与锅炉负荷有关，因而随着锅炉负荷的变化需调整磨煤机的运行台数，并且研磨部件容易磨损。中速磨煤机直吹式制粉系统又分为正压式与负压式两种。近代大容量锅炉多采用正压系统。

②中间储仓式制粉系统:特点是磨煤机的出力和煤粉细度与锅炉负荷无关,适于采用可磨制各种硬度煤种的钢球磨煤机。缺点是设备较直吹式复杂，磨煤机耗电量较大，空载与满载时耗电量相差不大，故应使其常在满载下运行。

按煤粉燃烧器结构分类

煤粉燃烧器是将煤粉送入炉膛进行燃烧的设备。

①旋流式燃烧器:携带煤粉的一次风和不带煤粉的二次风分别用不同管道与燃烧器连接。煤粉与空气能充分混合并形成回流区。每台锅炉可配置4～48只燃烧器。

②直流式燃烧器：喷口成狭窄形,其一、二次风在燃烧器中都不旋转。煤粉在其中能完全燃烧。

受热面分蒸发受热面和过热受热面。现代大、中型锅炉均以水冷壁构成炉膛，由此水冷壁（即受热面）吸收炉内辐射热使水蒸发成饱和蒸汽。为不增加炉膛容积而增加辐射受热面，大型锅炉可采用双面曝光的水冷壁。过热受热面可分为布置于炉膛上部的屏式过热器受热面和布置于对流烟道内的对流过热器受热面。前者吸收炉内辐射热；后者吸收对流热。

空气预热器装于锅炉烟道尾部，用以回收烟气余热，提高助燃空气的温度。高参数、大容量的锅炉为提高热风温度(>300℃),常需使空气预热器与省煤器分级交叉布置。

2 锅炉燃烧控制

2.1燃烧控制系统简介

在锅炉运行中，燃烧调整通常由燃烧控制系统来完成。燃烧控制系统由燃料量控制系统、风量控制系统和炉膛风压控制系统三大部分组成。燃烧控制系统的任务是根据机炉主控制器来调节燃料量、送风量和炉膛风压，使锅炉在安全、经济条件下调节至负荷指令的要求。

增减燃料量信号同时调节燃料量与送风量，使风煤流量匹配。送风量作为炉膛风压调节的前馈信号，使引风量跟随送风量增减，燃料量、烟气氧量、炉膛风压作反馈信号改善调节品质，燃料量反馈信号用以平衡燃料量增减指令，防止过调。氧量反馈信号用以纠正送风量，使风煤流量配合最佳。炉膛风压反馈信号用以纠正引风量，使炉膛风压处于最佳状态。

燃烧控制的基本任务：

维持蒸汽压力稳定——燃料控制

保证燃烧过程的经济性——送风控制

2.2燃料控制

2.2.1燃料燃烧的调整

不同负荷下的燃烧的调整

锅炉运行中负荷的变化是最为经常的，高负荷运行时，由于炉膛温度高，着火与混合条件也好，所以然少一般是稳定的，但易产生炉膛和燃烧器结焦、过热器、再热器局部超温等问题。燃烧调整时应注意将火球位置调整居中，避免火焰偏斜；燃烧器全部投入并均匀分配燃烧率，防止局部过大的热负荷；适当增大一次风速，推开着火点离喷口的距离。此外，高负荷时煤粉在炉内的停留时间较短而且排烟损失较大，为此可在条件允许的情况下，适当降低过量空气系数的运行，以提高锅炉效率。

在低负荷运行时，由于燃烧减弱，投入的燃烧器数量较少，炉温较低，火焰充满度较差，使燃烧不稳定，经济性较差。为稳定着火，可适当增大空气系数，降低一次风率和风速。煤粉应磨得更细些，但增大炉膛氧量后会降低燃烧器的区域温度，因此，当煤质差时亦因限制其高线。低负荷时应尽可能的集中火嘴运行，提高风中煤粉浓度，并保证最下排燃烧器的投运。为提高炉膛温度，可以适当降低炉膛负压，以减少漏风，这样不但能稳定燃烧，也能减少不完全燃烧的损失，但此时必须注意安全，防止炉膛喷火烟伤人，此外，低负荷时保持更高些的过量空气系数对于抑制锅炉效率的过分降低也是有利的。

煤质变化时的燃烧调整

无煤烟、贫烟的挥发分较低，燃烧时的最大问题是着火。燃烧配风的原则是采取较小的一次风率和风速以增大煤粉浓度、减少着火热并是着火点提前；二次风速可以高些，这样可与增加其穿透能力，使实际燃烧切圆的直径大些，同时也有利于避免二次风过早混入一次风粉气流。燃烧差煤时也要求将煤粉磨的更细些，以强化着火和燃尽；也要求较大的过量空气系数，以减少燃烧损失。

挥发分高的烟煤，一般火不成问题，需要注意燃烧的安全性，可适当减小二次风率，一、二次风的混合应早些进行。煤质好时，应降低空气过量系数的运行，一提高锅炉效率。

2.2.2燃烧调节的目的

炉内燃烧过程的好坏，不仅直接关系到锅炉的生产能力和生产过程的可靠性，而且在很大程度上决定了锅炉运行的经济性。进行锅炉燃烧调节的目的是：在外满足外界电负荷需要的蒸汽品质的基础上，保证锅炉运行的安全性和经济性。具体可归纳为：1、保证正常稳压的汽压、气温和蒸汽量；2、保证火稳定、燃烧安全，火焰均匀充满炉膛，不结渣，不烧损燃烧器和冷水壁、过热器不超温；3、使机组运行保持较高的经济性；4、减少燃烧污染物排放。

燃烧过程的稳定直接关系到锅炉运行的可靠性。如燃烧过程不稳定将引起蒸汽参数发生波动；炉内温度过低或一、二次风配合失当，将影响燃料的着火和正常燃烧，是造成锅炉灭火的主要原因；炉膛内温度过高或火焰中心偏斜，将引起水冷壁、炉膛出口受热面结渣，并可能增大过热器的热偏差，造成局部管壁超温等。

燃烧过程的经济性要求保持合理的风煤配合，一、二次风配合和引风配合，此外还要求保持适当高的炉膛温度。合理的风煤配合就是要保持最佳的过量空气系数；合理的一、二次风配合就是要保证着火迅速、燃烧完全；合理的引风配合就是要保持适当的炉膛负压、减少漏风。当运行工况改变时，这些配合比例如果调解适当，就可以减少燃烧损失，提高锅炉效率。

对于煤粉炉，为达到上述燃烧调节目的，在运行操作过程时应注意燃烧器的出口一、二次风速、风率，各燃烧器之间的负荷分配方式，炉膛风量、燃烧量和煤粉细度等各方面的调节，使其达到较佳数值。

2.2.3直吹式制粉系统锅炉的燃料量的调节

当锅炉负荷不变时，可通过调节运行着的制粉系统的出力来解决。对于中速磨，当负荷增加时，可先开打一次风机的进风挡板，增加磨煤机的通风量，以利用磨煤机内的存煤量作为增加负荷的缓冲调节，然后再增加給煤量。相反，当负荷减少时，则应是先

减少給煤量，然后降低磨煤机的通风量。此调节方式可避免出粉量和燃烧工况的骤然变化，还可以减少调解过程中石子煤量和防止堵磨。不同形式的中速磨，由于磨内存煤量不同，其响应负荷不同。对于双进双出钢球磨，当负荷变化时，则总是磨煤机通风量首先变化，其次才是給煤量的相应调节，这种调节方式可以使制粉系统的出力对锅炉负荷做出快速的响应。

当锅炉负荷有较大变动时，需启动或停止一套制粉系统。减负荷时，当各磨出力均降至某一最低值时，即应停止一台磨，以保证其余各磨在最低出力以上运行；加负荷时，当各磨出力上升至其最大允许值时，则应增投一台新磨。在确定启动或停止方案时，必须要考虑到制粉系统运行的经济性、燃烧工况的合理性，必要时还应该兼顾气温调节等方面的要求。

各运行磨煤机的最低允许出力，取决于制粉经济性和燃烧器着火条件恶化的程度；各运行磨煤机的最大允许出力，则不仅与制粉经济性、安全性有关，而且要考虑锅炉本身的特性。对于稳燃性能低的锅炉或燃烧较差的煤种时，往往需要集中火嘴运行，因而可能推迟增投新磨的时机；炉膛、燃烧器结焦严重的锅炉，高负荷时都需要均匀的燃烧出力，因而也常降低各磨的上限出力。燃烧器投运层数的优化顺序则主要考虑气温调节、低负荷稳燃等特性。

燃烧过程的稳定性，要求燃烧器出口处的风量和粉量尽可能同时改变，以便在调解过程中始终保持稳定的风媒比。因此，应掌握从给煤机开始调节到燃烧器出口煤粉量产生改变的时滞，以及从送风机的风量调节开关动作到燃烧器风量改变的时差，燃烧器出口风煤改变的同时性可根据这一时滞时间差的操作来解决。一般情况下，制粉系统的时滞总是远大于风系统的，所以要求制粉系统对负荷的响应更快些，当然过分提前也是不适宜的。锅炉运行中应对此作出一些规定。

在调节給煤量时和风机风量时，应注意监视辅机的电流变化、挡板开度指示、风压以及有关参数的变化，防止电流超限和堵塞煤粉管等异常情况发的生。

2.2.4影响炉内燃烧的因素

1煤质

锅炉实际运行中，煤质往往变化较大。但任何燃烧设备对煤种的适应总有一定程度，因而运行煤种的这种变动对锅炉燃烧的稳定性和经济性均将产生直接的影响。

煤的成分中，对燃烧影响最大的是挥发部分。挥发部分高的煤，着火点低，着火距离近；燃烧速度和燃尽程度高。但燃烧挥发部分高的煤，往往是炉膛结焦的一个重要原因。与此相反，当然用煤种的挥发分低时，燃烧的稳定性和经济性下降，而锅炉的最低的稳燃负荷升高。