(完整版)锅炉燃烧系统的控制系统设计

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 (5)

2.2.4影响炉内燃烧的因素 (6)

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 (24)

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 (27)

锅炉燃烧系统的控制

4.3锅炉自动燃烧控制系统 (31)

总结 (33)

致谢 (34)

参考文献 (35)

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。

煤的发热量低于设计值较多时，燃料使用量增加，对直吹式制粉系统锅炉，磨煤机可能要超出力运行，一次风量增加，煤粉变粗；对中储式制粉系统，煤粉管内的粉流量大，为避免堵粉都会对着火产生不利影响，尤其在燃用挥发分低的差煤时。发热量低的煤往往灰分都高，也会是着火推迟、炉温降低，燃烧不稳和燃尽程度变差，灰熔点低时还会产生较严重的炉膛结焦、燃烧器结焦问题。燃烧器结焦往往会破坏炉内的空气动力厂。

2.切圆直径

对四角布置切向燃烧的锅炉，切圆直径对着火稳定，燃烧安全，受热面气温偏差等具有综合的影响。适当加大却圆直径，可使邻角过来的火焰更靠近射流根部，对着火有利，对混合也有好处，炉膛充满度也比较好。当燃用挥发分较低的劣质煤时，希望有比较大的切圆直径；但是燃烧切圆直径过大，一次风煤粉气流可能偏转贴墙，以致火焰冲刷水冷壁，引起结焦和燃烧损失增加。这是必须避免的。当然用易着火或易结焦的煤以及高挥发分煤时，则应适当减小切圆直径。大的切圆可将炉内余旋保持到炉膛出口甚至更远，使煤粉气流的后期扰动强化，对煤粉的燃尽十分有利，但其消极作用是加大了沿炉膛宽度的烟量偏差和烟温偏差，易引起过热器，再热器的较大偏差及超温爆管。

燃烧切圆直径的大小主要取决于设计时确定的假想切圆的大小及各气流反切得效果。但运行调整也可对其发生一定影响，其中较常用的手段是改变二、一次风的动量比和喷嘴的停用方式。前者通过改变上游气流总动量与下游一次风刚性的对比影响一次风粉的偏转，切圆往往变乱，也会使燃烧切圆的直径和形状变化。

3.煤粉细度

煤粉越细，单位质量的煤粉表面积越大，加热升温、挥发分的析出着火及燃烧反应速度越快，因而着火越迅速；煤粉细度越小，燃尽所需时间越短，飞灰可燃物含量越小，燃烧越彻底。

图4-2是在一台然贫煤的600MW机组锅炉上实测煤粉细度影响曲线。从中可以看出，当煤粉比较细（R90<10%）的时候，煤粉细度变化对飞灰可燃物的影响不大，但当煤粉细度变粗，超过某一数值的时候，飞灰可燃物迅速增大，煤粉细度越大，其对飞灰可燃物的影响越显著。因此，为了提高燃烧的稳定性和经济性，严格控制煤粉细度是十分必要的。

图2.1 煤粉细度曲线图

4.煤粉浓度

煤粉炉中，一次风中的煤粉浓度对着火稳定性有很大影响。高的煤粉浓度不仅使单位体积燃烧释热强度增大，而且单位容积内辐射粒子数量增加，导致风粉气流的黑度增大，可迅速吸收炉膛辐射热量，使着火提前。此外，随着煤粉浓度的增大，煤中挥发分逸出后其浓度增加，也促进了可燃混合物的着火。因此，不论何种煤，在煤粉浓度的一定范围内，着火稳定性都是随着煤粉浓度的增加而后加强的。图4-3是国内研究人员的近期试验结果。图中着火指数定义为喷入试验炉内的风粉气流能维持稳定着火的最低炉温。由图可知，随着煤粉浓度的增加，各种煤的着火指数都降低，着火容易。对于高挥发分的褐煤，煤粉浓度的影响有一临界值。但随着煤质变差，这一临界值增大，甚至不出现。就是说，煤粉浓度的增加对劣质煤的着火总是有利的。

图2.2 煤粉浓度对着火的影响曲线图

煤粉浓度对着火的影响

1-永安无烟煤；2-峰峰贫煤；3-安源煤；4-大同烟煤；5-霍林河褐煤

5.锅炉负荷

锅炉负荷降低时，燃烧率降低，炉膛平均温度及燃烧器区域的温度都要降低，着火困难。当锅炉负荷降低到一定数值时，为稳定燃烧必须投油助燃。影响锅炉低负荷稳燃性能的主要因素是煤的着火性能、炉膛的稳燃性能和燃烧器的稳燃性能。同义煤种，在不同的炉子中燃烧，其最低稳燃负荷可能有较大的差别；对同一锅炉，当运行煤质变差时，其最低负荷值便要升高；燃用挥发分较高的好煤时，其值则可降低。

随着负荷的增加，炉温升高，对燃烧经济性的影响一般是有利的。但负荷的这个影响与煤质有关。燃烧调整试验表明，挥发分高的煤，飞灰可燃物很低，负荷对燃烧损失的影响也很小，对于Vdaf》40%的烟煤，负荷怎么调整，燃烧损失也不大变化。但对于挥发分低的煤，负荷对燃烧损失的影响就大，如图4-4所示。

图2.3 锅炉负荷对燃烧损失的影响

6.一、二次风的配合

一、二次风的混合特性也是影响炉内燃烧的重要因素。二次风在煤粉着火以前过早地混入一次风对着火不利的，尤其对于挥发分低的难燃烧煤种更是如此。因为这种过早的混合等于增加了一次风率，使着火热量增加，着火推迟；如果二次风过迟混入，又会使着火后的煤粉得不到燃烧所需氧气的及时补充。故二次风的送入应与火焰根部有一定的距离，使煤粉气流先着火，当燃烧过程发展到迫切需要氧气时，再与二次风混合。如果不能恰当地把握混合的时机，那么与其过早，不如迟些。

对于旋流式燃烧器，由于基本是单只火嘴决定燃烧工况，而各燃烧器射流之间的相互配合作用远不及四角燃烧方式，因此一、二次风的混合问题就显得更为重要。

7.一次风煤粉气流初温

提高煤粉气流初温可减少煤粉气流的着火热，并提高炉内的温度水平，使着火提前。提高煤粉气流初温的直接办法是提高热风温度。计算表面，一次风温从20度升至300度时着火热可减少60%；升至400度时着火热可减少80%。图4-5是热风温度对炉内烟温的影响关系。由图可见，热风温度升高，炉膛温度升高很快，煤粉着火提前。

图2.4 热风温度对炉内烟温的影响

1-热风温度310摄氏度； 2-热风温度340摄氏度；3-热风温度390摄氏度

8送风量调节

锅炉送风量的具体调节的方法，对于离心式风机，通过改变入口调节挡板的开度进行调节，对于轴流式风机，通过改变风机动叶的安装角度进行调节。除了改变总风量外，有时还需要根据燃烧要求，改变各二次风挡板的开度，进行较细致的配风。在调节风量时应注意观察风机电流、电压、炉膛负压、氧量等指示值的变化，以判断调节是否有效。

2.3锅炉燃烧的控制要求

控制任务被控变量操纵变量

锅炉蒸汽出口压力稳定燃烧过程的经济稳定锅炉炉膛负压稳定

蒸汽出口压力

燃料量与送风量比值

炉膛负压

燃料量

送风量

抽风量表一锅炉燃烧过程的任务、被控变量和操控变量

锅炉燃烧控制系统的基本任务是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷要求，同时保证锅炉的经济、安全运行。为适应蒸汽负荷的变化，应及时调节燃料量。为完全燃烧，应控制燃烧量与空气的比值，使过剩的空气系数满足要求，为防止燃烧过程中火焰或烟气外喷，应控制炉膛的负压。这三项控制任务互相影响，应消除或削弱它们的关联。此外，从安全考虑，需设置防喷嘴背压过低的回火和防喷嘴背压过高的脱火措施。

2.3.1 锅炉汽压的调整

锅炉运行时主蒸汽压力的控制是通过锅炉出力与汽轮机蒸汽进汽量的平衡来实现的，当两者平衡时，对于定压运行的机组，便能稳定工况、变工况或各种扰动下均保持

主蒸汽压力的稳定；对于变压运行的机组，便能始终保持主蒸汽压力按负荷对应的关系进行变化。

锅炉在运行时，汽压总是被作为被监视和控制的主要参数之一，汽压降低会减少蒸汽在汽轮机中膨胀作功的焓降，使蒸汽作功能力降低，在外界负荷不变情况下，汽耗量也随之增大，从而降低发电厂的经济性；同时汽轮机的轴向推力增加容易发生推力轴瓦烧坏等事故。如果蒸汽压力降低过多会使汽轮机被迫不能保持额定负荷。汽压过高，使汽轮机转子以及汽缸、锅炉承压管道那机械应力过大，将危及机炉和蒸汽管道的安全。锅炉汽压高低对于汽包水位、汽温等主要运行参数也有很大影响，当汽压降低由于对应的饱和温度降低，使部分炉水蒸发，会引起炉水体积膨胀，故汽包水位要上升，反之则炉水体积要收缩，汽包水位下降，引起虚假水位。汽压变化对汽温的影响，一般是汽压升高时，过热蒸汽的温度也升高，这是因为，当气压升高时对应的饱和温度的焓值增大，在燃料消耗量未改变时，锅炉的蒸发量要瞬间减小，在传热系数传热面积和传热温压基本不变的情况下，平均每公斤蒸汽的吸热量必然增大，导致过热蒸汽温度升高。

汽压变化的速度表明了锅炉保持及恢复汽压的能力，汽压的变化速度影响因素是：负荷的变化速度、锅炉的储热能力及燃烧设备的惯性等。负荷变化是主动也是影响最大的因素，负荷变化速度越快，引起汽压变化的速度也越快，对于单元制机组而言，汽轮机负荷的变化幅度将直接影响锅炉主蒸汽压力的变化。锅炉储热能力是指当外界负荷变化而燃烧工况不变时，锅炉能够放出或者吸收热量的能力，锅炉的储热能力对汽压的变化是一个缓冲作用。燃烧设备的惯性是指从燃料量开始变化到炉内建立新的热负荷所需要的时间，在锅炉运行时，燃烧设备惯性越大，负荷变化时，汽压变化的速度就越慢。

汽压变化反应了锅炉蒸发量与外界负荷之间的平衡，由于外界负荷、炉内燃烧工况、换热情况以及锅炉内工作情况经常变化，引起锅炉蒸发量的不断变化，所以汽压的变化与波动是必然的，汽压稳定只是相对的。

引起锅炉汽压的变化原因很多，主要有两方面：一是锅炉内部因素，一是锅炉外部因素。外部因素是指非锅炉设备本身的原因造成的扰动，主要有外界负荷的变化；高压加热器因故障退出运行；给水压力变化。内部因素主要是指炉内燃烧工况的变动和锅炉内工作情况的异常。当外界负荷不变时，汽压的稳定主要取决于炉内燃烧工况，此外，锅炉换热状况的改变也会影响汽压的稳定。对于判断汽压变化的原因主要可以考虑：当蒸汽压力与蒸汽流量的变化方向相反时，是由外部因素造成的；若汽压与蒸汽流量的变化一致时，通常是由于内部扰动的影响。当汽压下降时蒸汽流量下降，说明燃料燃烧的供热量不足，当汽压上升的同时，蒸汽流量增加，说明燃烧供热量偏多。

3锅炉燃烧控制系统设计

锅炉的燃烧控制对于锅炉的安全、高效运行和节能降耗都具有重要意义，其控制和管理随之要求也越来越高。燃料控制的任务在于进入锅炉的燃料量随时与蒸汽压力要求相适应。因为蒸汽压力是衡量锅炉热量平衡的标志，燃料又是影响蒸汽压力的主要因素，因此蒸汽压力可以作为燃料控制系统的被调量。

锅炉蒸汽压力是燃烧过程调节对象的主要被控量，引起蒸汽压力变化的因素有很多，如燃料量、送风量、给水量、蒸汽流量以及各种使燃烧工况发生变化的原因。它受到的主要扰动分为内扰(燃料的变化)和外扰(蒸汽流量的改变)。由于每个系统的输入输出之间都一定的系统延迟，即当输入变化的时候系统输出不能够马上反应其变化从而是系统的控制不及时。

3.1 锅炉燃烧系统蒸汽压力控制

蒸汽压力控制器的输出同时作为燃料和空气流量控制器的设定值。这样可以保持蒸汽压力恒定，同时燃料流量和空气的比例是通过燃料控制器和送风控制器的正确动作而得到间接保证的。

同时采用比值控制系统中的单闭环比值控制系统，不仅能使从动量的流量跟随主动量的变化而变化，实现主、从动量的精确流量比值，还能克服进入从动量控制回路扰动影响。单闭环比值控制系统的结构形式简单，所增加的仪表投资少，实施起来亦较为方便，而控制品质却有很大的提高，而且被大量的用于生产控制过程中。

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

选择串级控制系统的理由：

（1）从回路的个数分析，由于串级控制系统是一个双回路系统，因此能迅速克服进入副回路的干扰，从某个角度讲，副回路起到了快速“粗调”作用，主回路则担当进一步“细调”的功能，所以应设法让主要扰动的进入点位于副回路内。（2）能改善被控对象的特性，提高系统克服干扰的能力。由于副回路等效被控对象的时间常数比副对象的时间常数小很多，因而由于副回路的引入而使对象的动态特性有了很大的改善，有利于提高系统克服干扰的能力。

（3）提高了系统的控制精度。因此具有一定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。

以蒸汽压力为被调节量，以燃料量为调节量的串级控制系统设计如图所示。

图3.1 蒸汽出口压力控制方框系统

主变量的选择应遵循以下原则：

副变量的选择应遵循以下原则：

1）应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁的和幅度大的扰动，并力求包含尽可能多的扰动；

2）应使主、副对象的时间常数匹配；

3）应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型

串级系统，实质上是把两个调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被控量准确地保持为给定值。通常串级系统副环的对象惯性小，工作频率高，而主环惯性大，工作频率低。为了提高系统的控制性能，希望主副环的工作频率相差三倍以上，以免频率相近时发生共振现象面破坏正常工作。串级控制系统可以看作一个闭合的副回路代替了原来的一部分对象，起了改善对象特征的作用。除了克服落在副环内的扰动外，还提高了系统的工作频率，加快过渡过程。

串级控制系统的主回路是一个定值控制系统，在副回路确定后，相当于一个单回路系统，外扰——蒸汽压力扰动可以在此回路中得到有效抑制。副回路是一个随动系统，能够快速有效地克服二次扰动的影响，因此内扰——给煤扰动可以在副回路中得到有效地抑制。同时提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力，改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率。

一般来说，一个设计合理的串级控制系统，当干扰从副回路进入时，其最大偏差将会较小到控制系统的十分之一至一百分之一，即便是干扰从主回路进入，最大偏差也会缩小到单回路控制系统的三分之一至五分之一。但是，如果串级控制系统设计得不合理，其优越性就不能够充分体现。因此，串级控制系统的设计合理性十分重要。) D6 p9 |0 d$ p

这种方案蒸汽压力的主要扰动是蒸汽负荷的变化与燃料量的波动。当蒸汽负荷及燃料量波动较小时，可以采用蒸汽压力来控制燃料量的单回路控制系统；而当燃料量波动较大时，可组成整齐压力对燃料流量的串级控制系统。燃料流量是随蒸汽负荷而变化的，因而作为主流量，与空气流量组成比值控制系统，使燃料与空气保持一定的比例，获得良好的燃烧，这是燃烧过程的基本控制方案。

图3.2 蒸汽出口压力控制系统

此串级控制系统中燃料与空气是变量，因而采用比值控制系统中的单闭环比值控制系统来控制燃料与空气的比值，进而控制蒸汽压力的扰动。下面为单闭环控制系统的方框图和原理图：

图3.3

单闭环控制系统方框图

图3.4 单闭环控制系统系统图

3.2燃烧过程中烟气氧含量闭环控制

燃烧过程控制保证了燃料和空气的比值关系，但并不能保证燃料的完全燃烧，让了的完全燃烧与燃料的质量（含水量、灰粉等）、热值等因素有关。不同的锅炉负荷下，燃料量和空气量的最佳比值会不同，因此，需要有一个检查燃料完全燃烧的控制指标，并根据该指标控制送风量的大小。衡量燃烧过程是否完全燃烧的常用控制指标是烟气中的含氧量。

它在前述方案中基础上,加入了烟道气中氧含量的控制回路。这是一个以烟道气中氧含量为控制目标的燃料流量与空气流量的变比值控制系统,也称烟气氧含量的闭环控制系统。此方案可以保证锅炉的最经济燃烧。前述方案一,虽然也考虑了燃料与空气流量的比值控制,但它不能在整个生产过程中始终保证最经济燃烧。因为其一,在不同的负荷下,两流量的最优比值是不同的;其二,燃料的成分有可能会变化;其三,流量的不准确。这些因素都会不同程度的影响到燃料的不完全燃烧或空气的过量,造成炉子热效率下降。这就是燃料流量定比值控制系统的缺点。为了改善这一情况,最好有一指标来闭环修正两流量的比值。目前最常用的是烟气中的氧含量。

3.2.1 锅炉的热效率

锅炉的热效率主要反映在烟气成分（主要是含氧量）和烟气温度上。烟气中各种成分例如：氧气、二氧化碳、一氧化碳和未燃烧烃含量基本可反映燃料的燃烧情况。常用的含氧量用Ao表示。

理论空气量Qt是根据燃烧反应方程式，计算出的完全燃烧时所需的空气量。实际空气量Qp是实际燃烧过程的中所需的空气量，。超过理论空气量的这部分空气量称为过剩空气量。过剩空气量增大，炉膛温度降低越多，烟气中带走的热损失也越大。不同的空气量有最佳值（对于液体，过剩空气量约为8％～15％），如下图：

图3.5 过剩空气量与能量损失的关系

过剩空气系数a表示过剩空气量，定义为：

a=

过剩空气系数很难直接测量，它与烟气中氧量有关。