锅炉设备的控制

,第六章锅炉设备的控制,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,2,锅炉设备的控制,概述锅炉汽包水位控制蒸汽过热系统的控制燃烧控制系统火电站锅炉和发电机组的协调控制,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,3,电站锅炉及其辅助设备系统简图,煤斗；给煤机；磨煤机；空气预热器；排粉风机；燃烧器；炉膛；水冷壁；屏式过热器；高温过热器；低温过热器；省煤器；除尘器；吸风机；烟囱；送风机；汽包；下降管；顶棚过热器；排渣室,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,4,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,5,锅炉机组的工作过程,原煤破碎原煤干燥磨制煤粉输送煤粉组织燃烧；空气加热燃料燃烧配风；锅炉给水由省煤器受热面加热升温由蒸发受热面(水冷壁）吸热将给水转变为汽水混合物或直接转变为蒸汽由过热器受热面将蒸汽进一步加热达到过热状态；排渣、清灰、除灰、烟气排放。,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,6,锅炉机组的系统,制粉系统燃烧系统给水系统除渣、除灰和清灰系统烟气排放系统,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,7,制粉系统和燃烧系统,制粉系统：原煤输送系统将破碎后的原煤送入原煤仓给煤机磨煤机煤粉分离合格的煤粉由空气送入炉内燃烧。燃烧系统燃烧所需要的空气送风机空气预热器燃烧器二次风喷口燃烧室。两路热风管道制粉系统输送煤粉燃烧器一次风喷口燃烧室。,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,8,给水系统,给水(凝结水和少量补给水)水处理设备除去大部分杂质汽轮机低压蒸汽抽汽加热并经除氧器去除给水中的氧和不溶解性气体由给水泵提高给水压力汽轮机高压蒸汽抽汽加热锅炉省煤器加热水冷壁蒸发过热器升温至汽机要求的进汽温度。,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,9,除渣、除灰和清灰系统,燃烧产生的大块熔渣（约占总灰量的510%），经水冷壁冷却形成固态渣由炉底排放经碎渣机破碎；烟气中携带的细灰粒（约占总灰量的9095%），经除尘器将细灰从烟气中分离出来，由除灰系统送往灰场；锅炉运行中沉积到受热面上的细灰由吹灰器清除进入除灰系统。,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,10,烟气排放系统,燃烧产生的烟气由锅炉尾部的空气预热器出口排出后，经过除尘器，将烟气中的大部分细灰分离出来，排往除灰系统，以防止粉尘粒子对大气产生污染。,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,11,概述,燃料和空气按一定比例进入燃烧室燃烧，产生的热量传给蒸气发生系统，产生饱和蒸汽，然后经过热器，得到过热蒸汽，供给生产负荷设备使用。,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,12,锅炉设备的主要控制要求,汽包的液位、蒸汽的压力：保持在一定范围内，适应用户负荷的变化过热蒸汽温度：保持在一定范围内炉膛负压：保持在一定范围内燃烧完全：根据经济性和环保的要求运行安全：液位、炉膛负压、过热度、蒸汽压力等在安全运行范围内,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,13,锅炉设备的主要控制系统,给水自动控制系统：保持物料的平衡（给水和蒸汽）被控变量：汽包液位操纵变量：给水量锅炉燃烧的自动控制系统：满足经济性、安全性和环保要求被控变量：蒸汽压力操纵变量：燃料量被控变量：烟气含氧量操纵变量：送风量被控变量：炉膛负压操纵变量：引风量过热系统的自动控制系统：满足过热度、壁温等要求被控变量：过热蒸汽温度操纵变量：喷水量,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,14,6.1锅炉汽包水位的控制,设置锅炉水位控制的必要性锅炉汽包水位的动态特性锅炉汽包水位的控制应用示例,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,15,设置锅炉水位控制的必要性,水位稳定是保证锅炉、汽轮机锅炉安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的重要指标水位过高：汽包内水汽分离差，蒸汽带水，造成过热蒸汽的温度下降损坏蒸汽透平叶轮片过热器管壁结垢，传热效率下降水位过低：在用户负荷大时，水会全部汽化，造成设备损坏在急冷时，引发锅炉的爆炸,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,16,锅炉汽包水位的动态特性,给水流量W对汽包水位H的动态特性蒸汽流量D对汽包水位H的动态特性,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,17,给水流量W对汽包水位H的动态特性,初始段，进入的冷水吸收水位以下饱和汽水中的热量，减少了饱和汽水中的气泡容积，补充气泡的空间，水位上升缓慢；当水位以下气泡容积不再变化时，水位呈线性升高。近似于一个积分环节和一个纯滞后环节的串联：,给水流量作用下水位的阶跃响应曲线,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,18,蒸汽流量D对汽包水位H的动态特性,蒸汽用量D增大，如给水量W不变，水位线性下降蒸汽用量D增大，汽包内气压下降，水呈沸腾状，水位下气泡增加，水位以一阶惯性特性上升，在一定气压下达到饱和汽水状态合成特性是反向特性，汽包水位呈虚假液位，使控制困难。,蒸汽流量干扰下水位的阶跃响应曲线,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,19,扰动分析,影响汽包水位的因素：汽包（包括循环水管）中的储水量水位下的气泡容积影响水位下的气泡容积的因素：锅炉的负荷蒸汽压力炉膛热负荷等主要扰动：锅炉蒸汽流量D和给水流量W,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,20,单冲量水位控制系统,控制方案：单回路控制，控制手段是控制给水量大型电站中，锅炉产汽量大，称变量为冲量单冲量即单变量，指汽包水位,特点：结构简单，但调节不够及时存在虚假液位，并且时滞大。因此控制作用不能太大，否则控制品质变差汽包容量较大，水位受扰后响应速度慢常用于虚假液位不严重，负荷较稳定的场合,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,21,双冲量水位控制系统,控制方案：双冲量指汽包水位和蒸汽量蒸汽量静态前馈的液位前馈-反馈控制系统,特点：引入前馈，补偿了虚假液位对控制的不良影响前馈改善系统的静态特性，提高了控制品质对给水量或给水压力的扰动，与单冲量系统相当（不能克服给水系统的干扰）对控制阀等非线性，静态补偿较困难,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,22,前馈控制器控制规律的确定,加法器的输出I=C1ICC2IF+I0IC表示水位控制器的输出；IF表示蒸汽流量变送器（一般经开方器）的输出；I0表示初始偏置值.C2符号的选择与控制阀的气开、气关特性有关。对象的Kp0，扰动的KFK1，故SP1增加较SP2要小，即负荷，空气增量大于燃料增量，当PV2增加后，才使SP1增加。即空气，再燃料，再空气，再燃料。负荷减少：OP,SP1受HSE1限制，最小增量K2；SP2受HSE2限制，最小增量K3K；因K3K2，故SP1减少较SP2要大，即负荷，燃料减量大于空气减量，当PV1减少后，才使SP2减少。即燃料，再空气，再燃料，再空气。,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,42,燃烧过程中烟气氧含量闭环控制,燃料与空气流量的比值控制并不能在整个生产过程中始终保证最经济燃烧：在不同的负荷下，燃料与空气流量的最优比值是不同的；燃料的成分（如含水分、灰分的量）有可能会变化；流量测量的不准确需要一个指标来闭环修正两流量的比值,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,43,燃烧过程中烟气氧含量闭环控制,锅炉燃烧的热效率：用烟气含氧量和烟气温度反映。烟气含氧量的分析：理论空气量QT：燃料完全燃烧所需的空气量实际空气量QP：实际使燃料完全燃烧所需的空气量。要大于实际计算的量，即要有一定的过剩空气量。过剩空气量常用过剩空气系数来表示：QP与QT之比,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,44,燃烧过程中烟气氧含量闭环控制,过剩空气量与能量损失的关系：过剩空气量大，烟气热损失大过剩空气量小，不完全燃烧损失大有一个最佳燃空比。通常过剩空气量为8-15%过剩空气系数与烟气含氧量Ao的关系：烟气最佳含氧量值：1.6%3%,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,45,烟气氧含量闭环控制系统,烟气含氧量的控制方案：以烟气含氧量为主被控变量，与燃料量和空气量组成的变比值控制,烟气含氧量的闭环控制系统,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,46,炉膛负压控制系统：通过引风量来控制炉膛负压炉膛负压的单回路控制炉膛负压的前馈-反馈控制前馈信号是送风量控制器的输出前馈信号是蒸汽压力控制器的输出,炉膛负压控制及安全控制系统,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,47,炉膛负压控制及安全控制系统,安全联锁控制系统防止脱火的安全控制系统燃料阀后压力过高时，用选择性控制防止回火的安全保护系统燃料阀后压力过低时，联锁切断燃料阀燃料量限速控制系统设置高限限幅器,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,48,锅炉控制的实例,用集散控制系统实现汽包水位控制采用串级前馈控制系统（三冲量）过热蒸汽串级控制混合燃料的低过剩空气率的控制负荷变化时的最佳过剩空气控制燃料任意配比控制防黑烟控制：提减量逻辑比值控制,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,49,锅炉控制系统图,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,50,汽包水位三冲量控制,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,51,低过剩空气率的控制,a1=6.70a2=4.66a3=10.46R：过剩空气率ai：理论空气量,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,52,负荷变化时最佳过剩空气率控制,负荷变化时过剩空气量不同，如图所示。用FY完成氧含量计算，作为AC设定值。AC输出作为过剩空气率R，组成变比值控制。,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,53,燃料任意配比控制,对各种燃料设置FY运算器，进行不同的配比控制,P是低过剩空气运算器输出,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,54,防黑烟控制,防黑烟控制是逻辑比值控制，采用高选器、低选器实现,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,55,6.4火电站锅炉和发电机组的协调控制,协调控制概述协调控制单元机组动态特性的特点直接能量平衡协调控制系统单元机组的主控系统给水全程控制系统,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,56,火电站锅炉和发电机组的协调控制,协调控制是解决大系统控制问题的基本策略大系统的控制策略是分解-协调方法大系统分解为若干子系统，求各子系统局部最优解协调和统一各子系统间关系，得到大系统最优解单元机组的协调控制在常规机炉局部控制系统基础上，把锅炉和汽轮机组作为整体进行控制。,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,57,单元机组的协调控制,补偿锅炉侧扰动的机跟炉协调控制系统补偿汽机侧扰动的机跟炉协调控制系统补偿锅炉侧扰动的炉跟机协调控制系统补偿汽机侧扰动的炉跟机协调控制系统双向串联补偿功能的机组协调控制系统,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,58,单元机组动态特性的特点,被控变量：汽机前压力PT，汽机实际发出的电功率N操纵变量：锅炉燃料量，汽机主蒸汽流量实际应用时，汽机主蒸汽流量可采用主蒸汽调门的开度T锅炉燃料量可用制粉机同步机开度B机理分析：获得单元机组的一组非线性模型线性化：在不同负荷点进行线性化处理仿真检验：得到各操纵变量输入下系统输出响应曲线建立模型：加权最小二乘法拟合，获得各通道传递函数,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,59,单元机组动态特性的特点,单元机组被控过程的特点：操纵变量B对压力PT和汽机功率N的控制通道：有相接近的较大时间常数，过程响应较慢操纵变量T对压力PT和汽机功率N的控制通道：时间常数较小，过程响应快操纵变量选汽轮机蒸汽调节门开度T可快速改变机组被控变量PT和N直流锅炉蓄热能力比自然循环锅炉要小，惯性也较小,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,60,直接能量平衡协调控制系统,直接能量平衡(DEB)协调控制系统：汽轮机能量需求信号直接对锅炉输入能量进行控制保证任何工况下锅炉输入能量与汽轮机能量之间平衡能量平衡依据：机前压力PT是否偏离设定值偏离设定表示机炉之间能量的供需出现不平衡调节手段：炉跟机（调节锅炉输入能量）机跟炉（调整汽轮机负荷）,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,61,直接能量平衡协调控制系统,机前压力作为直接能量平衡控制指标的不足：机前压力并不真正代表能量，仅表征能量是否平衡，是间接能量平衡控制存在惰性，造成控制作用不及时直接能量平衡协调控制系统特点：机组功率由汽轮机调节汽门实现，具有炉跟机控制的特点，机组对外界负荷响应快采用代表汽轮机能量需求的信号作为机炉间协调信号控制锅炉输入能量，保证任何工况下机组内部能量供需平衡机前压力设定值Psp控制有定压与滑压两种方式。,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,62,以(P1/PT)Psp作为能量平衡信号的DEB协调控制系统,汽轮机一级压力P1与机前压力PT之比代表汽机调节汽门开度机前压力设定值Psp与代表汽机调门开度的(P1/PT)之积作为汽机能量需求信号,2019/11/20,北京科技大学自动化学院,63,以(P1/PT)Psp作为能量平衡