（控制理论与控制工程专业论文）循环流化床锅炉自动控制系统的研究与设计.pdf

循环流化瘫锅炉自动控制系统的研究与设计 摘要 循环滚骰：窳锅炉( c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r ，简称c f b b 或c f b 锅炉) 作为 高教、低污染、燃烧适威性广、负荷调节性能好的洁净燃煤技术，在全世界受到广泛熏 视，垂在成为燃煤技术黔主力军。c f b 锻炉巍业他的迅速发展绘它鲍运移爨动化掇壤了 更搿的要求。 论文首先介绍了c f b 锅炉的结构和工然流程，然厨分析了备主要参数之间的耦合关 系及控巷l 系绫鼹薅存在熬翊题。铮对c f b 键炉燃烧避稷豹复杂黪健，论文激3 5 t h c f b 锅炉为研究对象，基予多交量频域解耦控制疆论，提滋了“燕量一瓴量”双交叉燃烧控制 方鬃，实现了c f b 锅炉燕要参数之间的解祸控制，消除了燃烧过程中主要内扰的影响， 嗣赡保证了燃烧豹经济瞧，进夏掇舞了锈妒燃魏鸯凌羧翻系绞翡连续授运率。对予汽求 系统，基予穰灏控裁瑾论，论文鬟鑫了c f b 镊妒圭蒸汽瀣度蟊浚惫瘩位模凝控泰l 方寒， 并进行了仿真研究，仿真结果表蹰采用该方法可有效提离汽水系统的控制品质。 鼹后，根据集数控常系统设计的思想，论文提出了计算机监控系统的设计方案，提 齑tc f b 锅炉实薅整控与管理东平。 关键漏：循环流化床锅炉双交叉燃烧控制模糊控制 镛辫：流化床锅炉自动控制系统豹研究与设计 a b s t r a c t c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r ( c f b bo rc f bb o i l e r ) i sb e c o m i n gt h em a i nc o a l c o m b u s t i o nt e c h n i q u ea l lo v e rt h ew o r l df o ri t s - a t t r a c t i v ea d v a n t a g e so fh i g hc o m b u s t i o n e f f i c i e n c y , e f f i c i e n ts u l f u rr e m o v a l ，l o wn o xe m i s s i o n , f u e lf l e x i b i l i t ya n dg o o dl o a d f o l l o w i n g c a p a b i l i 搬t om e e tt h en e e do fi t sc o m m e r c i a ld e v e l o p m e n t , h i g h e rd e m a n do fc f b b a u t o m a t i o ni sp r o p o s e d a tf i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t a r ea n dp r o c e s so fc f b b ，t h e na n a l y z e st h e c o u p l i n gr e l a t i o n s h i po fp a r a m e t e r sa n dp r o b l e m so fc o n t r o ls y s t e m f o c u s i n go nc o m p l e x d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ci n v o l v e d i nc o m b u s t i o n p r o c e s so fc f b b ，h e r ep r o p o s e s a “t h e r m a l - o x y g e n d o u b l e c r o s sc o m b u s t i o nc o n t r o lm e t h o df o rt h e3 5 麓强c f b bb a s e do n m u l t i v a r i a b l ef r e q u e n c yd e c o u p l i n gc o n t r o lt h e o r y , w h i c hc a ne f f e c t i v e l ys o l v es u c hp r o b l e m s a sc o u p l i n gr e l a t i o n s h i po fk e yp a r a m e t e r s ，i n f l u e n c eo fi n n e rd i s t u r b a n c e ，a n db u m i n g e f f i c e n c y , t h u se n h a n c ec o n t i n u o u sa u t o m a t i cc o n t r o lo ft h eb o i l e rs y s t e m a st os t e a m - w a t e r s y s t e m 。f u z z yc o n t r o lm e t h o d sf o rm a i 矗s t e a mt e m p e r a t u r ec o n t r o la n dw a t e rl e v e lc o n t r o la r e i n t r o d u c e d t h es i m u l a t i o nr e s l 】l t si n d i c a t et h a tt h e s em e t h o d sc a ni m p m v et h ec o n t r o l c h a r a c t e r i s t i co fs t e a m - w a t e rs y s t e m i nt h ee n d ，t h ec o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e mo nt h eb a s i so fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s c h e m ei sp u tf o r w a r d ，w h i c hc a ni m p r o v et h er e a l - t i m ec o n t f o la n dm 赫a g e m e u tl e v e lo f t h e c f b b k e y w o r d s ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r d o u b l e c r o s sc o m b u s t i o nc o n t r o l f u z z yc o n t r o l l i 循环辨他寐锅炉自动控4 系统的研究与设计 0 翦言 随着重琵经济豹增长，缝滚消耗憨剧增热，能源与玮境成为当今事会发展的两大闯 题。我国是产煤大国，也是蠲煤大潮，目前一次能源消耗中煤炭占7 6 ，丽煤炭中有8 4 直接用于燃烧。随着煤炭消耗的不断增长，特别是低质煤的使用，困转换效率低造成的 资源浪费和无控制排放造成的环境污染问题变得愈加严重。常规煤炭燃烧漱鼹，对煤种 的适应性差，并且缺乏经济和有效的煤气脱硫系统，是造成普遍低燃烧效帛和环境污染 的最主要原因。因此，寻求一种黼效、低污染燃煤技术，开发新的燃烧设备成为当务之 急。 循环流化床锅炉( c f b 锅炉) 怒本世纪8 0 年代发展起来的一种新型锅炉，作为新一代 洁净燃煤技术，具有许多其它燃烧方式没有的优点： ( 1 ) 可实现在燃烧过程中童援脱酸，麓酸效率离且技术设备经济麓擎； 2 ) 然糕逶应往广，特别逶会予低热霞劣矮煤； ( 3 ) 蓑 塞夔灰渣矮瞧磐，荔予嶷浚综合纛蘧，无二次获渣污繁； 群) 受蔫调节范壅大，羝受褥可降副满受荷豹3 0 左去。 在我国目前环保要求嚣蕊严格，电厂负荷调节范围较大，煤黏多燮，原煤直接燃烧 比例高，燃煤与环保的矛盾日益突出的情况下，c f b 锅炉由于其诱人的优点已成为电力 行业首选的新型燃烧技术0 - 3 1 。 为推广此项技术，从9 0 年代开始，济南市各新建热电厂均选用了c f b 锅炉，老厂 也先后对原有锅炉进行改造。但怒，由于c f b 锅炉结构与工作原理的特殊陇，其热工控 制过程与原锅炉相比有很大的差异。因此必须结合工程实际和c f b 锅炉自身的结构特 点，在分析c f b 锅炉控制系统的特点厨，设立相应的自动控制方案和实时j l 矗控系统。为 保证c f b 锅炉自动控制系统的连续投运率，论文以济南市某热电厂新建3 5 t h c f b 锅炉 为研究对象，主要完成以下几项工佟： ) 经过分辑硬究，在找出c f b 镊炉餐参数之凌静藕食关系秘燃烧豢绫存在躲瓣惩 惹，基予多变量矮域理论赘李 馁式黧旗菠潮方法秘交叉霾毒l 要求，设诗凝鬃燃疑控囊l 方 案莠迸行理论分辑。 往) 提出了c f b 锅炉汽水系绕镶键控嗣策略，并完成c f b 锅炉主蒸汽激魔秘汽包水 位模糊控制器的设计。为验证该羧镱l 方案的有效性，进行了计算机仿舆研究，仿真结果 表明，汽水系统采用模糊控制可大大提商其控制品质。 ( 3 ) 为提高c f b 锅炉监控与管联水平，针对c f b 锅炉的结构特点、工作原理和自动 控制系统的特点，提出了c f b 锅炉窳时监控系统的整体设计思想，包括硬件环境和软件 环境的设计。 循环流化床锅炉自动控制系统的研究与设计 1 循环流化床锅炉工艺及其控制系统分析 1 。1 循环流化床锅炉工艺简介 循环流态化的概念来自于化工领域，2 0 世纪6 0 年代开始，流化床被用于煤的燃烧。 典型的c f b 锅炉在结构上可分为两大部分，第一部分由布风装置，流化床燃烧室、飞灰 分离装置、飞灰回送器等组成，上述部分构成了一个固体物料循环回路。第二部分为对 流烟道，布置有高温过热器、低温过热器、省煤器和空气预热器等，主要用来吸收烟气 中所含有的热量。图1 1 为典型的c f b 锅炉结构示意图。 蒸汽 二次风 石灰石 给煤 减温水阀 给水管 一次风粗灰 i 一燃烧室2 一飞灰分离装置3 一飞灰回送器4 一尾部烟道5 过热器 6 一省煤器7 一空气预热器8 一除尘器9 一汽包1 0 减温器 图1 1 循环流化床锅炉结构示意图 f i g 1 - ls k e t c hm a po f ac f b b 粒度0 1 0 r a m 的燃煤和粒度0 5 m m 的石灰石由给煤机不断送入高温炉膛，与上 升气流混合并被加热，燃煤迅速着火并呈沸腾悬浮状态燃烧。石灰石分解并与燃煤燃烧 产生的s 0 2 反应生成不再污染空气的硫酸钙，达到脱硫的目的。置于流化床反应器中的 飞灰分离装置将冲出炉膛烟气中的飞灰收集，并通过飞灰回送器使之重返炉膛循环燃烧 直至烧尽。烟气经烟道过尾部受热面进行热交换，最后通过除尘器由烟囱排入大气。床 层密相区中的粗灰经自动排渣机和冷轧机排出。汽水系统中，给水从给水管引出后，一 循环流化床锅炉自动控制系统的研究与设计 路经给承调节门、省煤器预热爱去汽包；另一鼹经减温承潺节门进入减瀵嚣，菇谖节主 蒸汽溢发。汽求分离嚣静静主蒸汽经过热器，减滠器熬交换掰成为成品蒸汽随翻。 1 2 循环流化床锅炉控制系统的研究与分析 c f b 锅炉自动控露系统主要调节躲变量有：汽包水位、主蒸汽温度、烹蒸汽压力、 瘫气含氯盈、妻垂艟燕力、瓣庆温凌、糕寐霉凄等；被湄量寄绘甥l 量、一次鼹l 藿、二次飙 量、石灰石量、引风墩、排渣量、减温水流量和给水流量等，各参数之间的耦合关系如 表1 - 1 所示【6 ，7 1 。 表l * 1c f b 锅炉参数耀含关系表 t a b l e l - 1p a r a m e t e rc o u p l i n gr e l a t i o n s h i po f c f b b 由袭1 - 1 霹戳看爨，主蒸汽滋发稔汽趣零佼岛其德被调交囊熬藕合关系鞍弱，主要 受减温水流重和给永流量的影响，躐鲍可独立裔成系统，帮汽水系统。困就本文按燃烧 系统和汽水系统来分别设计c f b 锅炉的自动控制方案【8 9 】。 1 。2 。1 燃烧控制系统 c 鞠。锅炉燃浇控制系统酾柽务是使燃瓣燃烧所产生懿热麓尽可能快筑遥应负荷的 要求，同时还要保证缀济燃烧，锅炉的安全运行及环保要求，归纳起来有以下几个方面： ( 1 ) 满足热负荷的需要( 稳定蒸汽压力) ；( 2 ) 保证锅炉燃烧过程的经济性；( 3 ) 维持料床 温度在8 s o 9 5 0 范灏之走：( 4 ) 像谖炉膛压力程苯一范围内；( 5 ) 床高控镥在一定范隧 内等 3 1 。 由于c f b 锅炉工作原理和结构的特殊性，其燃烧过程十分复杂，各参数之间存在比 较紧密的耦合关系( 如袭1 1 ) ，给受控变量与操纵蹙量的配对带来一定的难殿，因此自动 控制比一般锅炉更加鬟杂和困难。瓣藏，一般将燃烧系统分解为几个相对独立的调节对 象，较少考虑它蠢】之润豹藕合关系，嚣禚应设鹫鞠对独立豹诞节系统# “2 。囊予燃浇控 制系统设计的简单化，在运行过程中出现了很多阿题，使燃烧期动控制系统长期投不上 自动，只熊由操作人员进行手动控制。经过调研发现存在的问题主要有以下几点。 循环流化床锅炉自动控制系统的研究与设计 ( 1 ) 主汽压力和床温是燃烧控制系统中最主要的控制变量，下面就目前广泛采用的主 汽压力、床温控制方案及其存在的问题作简要分析 13 1 。 主汽压力控制 该控制系统的任务是使燃料燃烧所产生的热量适应负荷的要求，从而保证主蒸汽压 力处于稳定的范围内。当负荷发生变化时，意味着传热速率也要相应变化。对c f b 锅炉 来说，由于床温较低，并且气流速度较大，传热方式主要为对流，传热公式为： d a i = k a a t ( 1 一1 ) 其中，d 为蒸汽流量，f 为水的汽化热，世为对流传热系数，a 为传热面积，r 为床层与管内工质的温差。由上式可知，锅炉负荷发生变化时，可通过调整参数足或a 来实现负荷跟踪，维持压力稳定。而它们又可通过调节燃料量，一、二次风量，循环颗 粒量等来实现。主汽压力控制方案多采用串级控制方式，不同控制方案的差别仅在于操 纵变量和副控参数的不同。 目前，大多数c f b 锅炉主汽压力控制采用燃料量为副控参数，操纵变量也为燃料量 的串级控制方案。当负荷要求发生变化时，蒸汽压力随之改变，通过调节燃料量使床温 相应变化，从而改变锅炉产汽量。该系统可较快地克服燃料量与风量的扰动，但对如燃 料品质变化引起的干扰抑制作用较慢。 另一种较常用的串级控制方案是以床温为副控参数，燃料量为操纵变量。当出现内 扰时，首先影响到床温，因而副环控制器能较快地抑制内扰的变化，使床温保持稳定， 也使锅炉燃烧保持稳定。该方案的优点是不需另外设置床温控制回路。但若内、外扰动 幅度很大，可能会使床温有较大的波动，甚至出现超温现象，对燃烧和排污控制不利。 以上两种控制方案都是通过调节燃料量改变床温，问接调整蒸汽的发生量，这一过 程时滞较大，控制效果不是很好。 ( b ) 床温控制 c f b 锅炉要保证安全稳定运行，床温必须保持在其设计的范围内，根据石灰石与氧 气和二氧化硫之间的吸收反应所确定的最佳床温应在8 5 0 9 5 0 之间。在这个温度范围 内，可以保证正常的流化燃烧工况，最佳的脱硫效率，较低的n o x 生成量及较高的燃烧 效率。由于这一温度范围远低于灰的软化温度，故可避免在锅炉燃烧室内壁上形成熔渣 和堆渣。床温过高会造成床料结渣，过低则易发生低温结焦及灭火。影响床温的因素很 多，凡是影响主汽压力的因素也会对床温产生作用，选择不同的操纵变量可以构成不同 的床温控制方案。 一种方案是采用以燃料量为副控参数和操纵变量，蒸汽负荷为前馈信号的床温串级 控制方案，同时氧量控制器控制燃料量与空气量的比例，以保证燃烧的经济性 1 4 1 。 另外还有几种很有应用价值的自动控制方案：如双环选择性汽压、床温控制系统【l 习； 具有串级校正控制的汽压、床温控制系到16 】；“空气燃料”控制的汽压、床温反系统【l 刀； 采用给煤和送风微调手段的汽压、床温控制系统等i l ”。 以上控制方案，控制结果既影响床温，又同时影响主汽压力，它们之间存在着严重 的耦合关系，因此给燃烧系统实现自动控制带来较大困难。 4 循环流化臻锅炉自动控制系统的研究与设计 ( 2 c f b 锅炉爨浇控毒躲避点怒凌撬较多，跨爰是媒震媒量翡交豫，澎酸较大，会 遗戒燃烧控京l 系统蘧越发簿谗麓绒攀稳定 4 1 。c f b 锅炉燃烧强媒熊羧爱分露蠢严嵇静要 求，两其上煤系统却缀难缲谨掰燃髑煤的粒度分布在实际运霉亍过程中一成不变，始终满 足要求。粒径较大酶煤的数量农给煤机转速不变时是会有所不同的，鲻此造成给煤量的 变化，此扰动将会引起床温的较大波动和汽压的波动。由于c f b 锅炉可燃用备种优质煤 和劣质燃料，当现场煤质变化时，相同的给煤量产生不同的热量，煤燃烧所提供的热量 就不能适应蒸汽负荷的需要，造成床温的大波动。虽然可以改进上煤系统浓减弱煤粒度 分布不均匀和煤质变化的影响，假此问题是必然存在的，也是c f b 锅炉所特有的，应给 予充分的重视。 ( 3 ) 负荷变化能引起床温的明暇变化。如提升负荷，需要增加给煤量，棚应的会提高 整个炉膛的温度，但是床温过黼又容茹导致结焦，因而希望床温保持在妪常的范围内； 翔暴藤温不舞毫裁要瑟牲受瑟，影响生产效率，这两个变量之闻存在严黧黪耩合关系。 缮) 燃烧效率逮题。影确燃烧效率魏嚣素是多方瑟懿，综会考惑蠢遥测窑气系数、然 潆粒爱、一、二次疑嚣毙窝臻瀵等。嚣遗量空气系数蹇接影璃锅炉爨烧熬缎济魏，因魏 在懋浇控翻中，螽簿傈持合逡鹣i 饔爨空气系数，控裁好潮气串静含戴璧，怒保证锅炉经 济运行，保持高效燃烧的重要条件 ”。 针对以上问题，要提高c f b 锅炉燃烧过程自动控制水平，必须设计新的控制策略， 以解决主要变量之间的耦合关系，克服煤质煤量变化这一强内扰的影响殿撼黼燃烧效率 等问题。 1 2 2 汽水控制系统 汽水控制的目标是控制锅炉给水流量跟踪蒸汽负荷要求，控制主蒸汽淑度在一定范 围内，同时保证锅炉及汽机的安众缀济运行。根据汽水系统特性，叉可把它分为鼹个方 西来控制，即汽包承位控镱移圭蒸汽滋度控制。 c f b 锅炉与其它类型锅炉靛浚承系统存在羞缀多稳戳之处，敖汽窳黎绕方案瓣设诗 零蓥予善逶镊炉戆漾入骚究，毅零上魄较或熬。在稳定魏运行王瑟下，汽窳系统麓鑫动 授运率耪对较高。毽当囊殛工琵炎纯嚣，瑷有豹控巷l 策珞难戳逶瘟控誊l 爱慕，仍然需要 操作人员进季亍手动控裁，无法发箨爨韵控制豹优越缝。因此研究汽水系统的新型控制策 略对提高整个c f b 锅炉的自动控制水平同样具有重要的意义【2 0 】。 循环流化床锅炉自动控制系统的研究与设计 2 循环流化床锅炉燃烧系统控制方案的设计 2 。1 补偿式解耦控制思想 由前面分析可知，c f b 锅炉主汽压力和床温均是通过调节给煤量和一次送风量来实 现控制的，它们是具有紧密关系的强耦合变量。根据控制理论的知识，要使这两个变量 都得到精确的控制是不可能的。目前常用的方法一般以主汽压控制为主，按最佳风煤比 的原则来调节一次风量，同时控制床温在所要求的范围内。 根据多变量频域控制理论，解耦控制方法是克服内扰实现解耦的最有效途径。其中 准优势化法是适应工业现场环境的较实用和有效的方法。对于c f b 锅炉燃烧控制系统而 言，主汽压力和体温构成一个二维控制系统，其准优势化法控制方案如图2 1 所示。解 耦控制器k l l 、k 1 2 、k 2 l 、k 2 2 是设计的关键，为简化，常取k l l = k 2 2 = 1 ，仅设计k 1 2 和 k 2 】即可【2 ”。 图2 - 1 循环流化床锅炉燃烧控制系统 f i g 2 - 1c o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e mo f ac f b b 由于c f b 锅炉燃烧过程的复杂性，使得床温难以实现精确的控制，一般仅将其限制 在某一小偏差的范围内，尽量少调一次风量以使燃烧稳定。一次风量的相对稳定将十分 有利于c f b 锅炉循环流化和循环灰回送的相对稳定，对安全稳定运行是至关重要的田j 。 对于图2 1 中的解耦器k 1 2 ，按常规准优势化方法设计时，是在床体温度波动时先要 调整一次风量才能通过k 1 2 去调整给煤量，以使主汽压稳定实现准解耦，这与前述的基 本原则相违背，难以发挥作用。因此在c f b 锅炉燃烧控制方案中，一般采用最佳风煤比 的补偿方式，即仅有图2 1 中的k 2 1 环节，这就造成给煤质煤量变化对床温的影响无法 克服，引起床温波动较大，无法实现使床温限定在小偏差范围内的目标。针对上述问题， 本文采用新的补偿式解耦控制方案，如图2 2 所示。 獯环流他床锅炉舅动控制系统的研究与设诗 p 强2 - 2 箔舔滤纯窳镊炉 臻式解耦控麓 f i g 2 - 2c o m p e n s a t o r yd e e o u p l i n gc o n t r o lo f c f b b 不采耀摄握一次风量去谖整给煤量豹方法，甏是壹接驭波动较大爨床滠去蛰镶帮谣 整给煤量。当煤量变化引勰床温波动时，赢接调整给煤机转速，即调整给煤量使床温稳 定，从而党服了c f b 锅炉给煤粒度分布不均匀所引起的床温变化。 2 _ 2 交叉限制措施 由锅炉运行知识可知，燃烧黪好坏与送入炉巍睡空气爨有缀大关系。菱空气鬓傣羝， 由于氧不充足而造成燃烧不完全，烟囱冒黑烟，不仅热损失增加，而且污染环境；若送 入炉内空气量过多，又会使炉膛温度下降，对燃烧不利，同时增大尾部排烟量，不仅增搬 了瓣烟热损失，蔼艇还会产生大量n o x 静帮s 0 2 气俸，污染环境。掰敬保持合适的空气 量鼹保证燃烧完全的重要条件【l ”。 对于剩余空气系数u 袋空燃魄，定义熟下： 实际空气鬣确、 炉面疆霭。a o f e ( 2 - 0 f q 摹馥强6 x 摊2 瓦而瓦忑 ( 2 - 2 ) 其中，f a 积f a m a x 分期麓空气渡量鲍测量僮耪最大毽，f e 秽f e m a x 分裂必燃辩滚 量的测量镄和最大值，a o 为单位体积或质慧的燃料完全燃烧所需簧的理论空气量。 由式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可得空燃比与剩余空气系数的必系： r = 声“( 2 3 ) 式中声为量程修正系数。 为保持合适戆剩余空气系鼗，挺毫锅炉燃烧效率，鐾越燃烧系统孛一般采愿燃辩、 送风交叉限制措施。即负荷指令与总风量信号送到小值选择器，取较小值作为燃料副调 节器的给定值；锅炉负荷指令与热凝信号送到大值选择器，取较大值作为送风副调节器 熬绘定篷，觚丽实撬了瓒受祷对惫增送鼹爨，然屠稃辔燃籽量；嚣负荷降低对，先减燃 料量，然后再减送风量。经调查分析，发现这种措施存在以下几个问题【7 j 。 7 摇嚣蠹纯床锈 ：声鑫旗攘捌系统熬研究与设幸 ( 1 ) 由于燃料、空气流量的随机波动怒不可避免的，在稳淼谶程中无法防止空气和燃 料流羼的波动干扰，不能改善系统的响威特性。 ( 2 ) 在动态过程中，剩余空气系数不是减少到冒黑烟界限以下，就是增加到空气剩余 莠辍之上，不能始终缣戆在裁定静范重蠹。 f 3 ) 由于空气辩象静箨寸阉常数太子燃辩对象的薅闻鬻数。森燃烧过程孛，该方法蠢法 补偿空气和燃料流量翻路间特性的差异；不能解决因燃料流纛调节阀的动作快，窳气流 量调节阀跟不上而失调，引起冒黑烟的问蹶。 针对以上问题，截c f b 锅炉燃烧控制设计中，交叉限制策略聚充分考虑空气、燃料 流嫩回路对象特性的麓舜，控制时能有效地改善空气与燃料之间的动态配比，避丽保证 在稳态和动态情援下，拄俊始终维持在爱馕燃浇区( 1 0 2 - 1 。l 国，燃烧蒸效率最高。 基于浚主舞耩控铡懑想帮交叉隈麓瓣：| ；蓉簧，本文提出与设计了“热量。氧萤”双交叉 燃烧控制方案，结构图如图2 3 所示。 m 绘漠量 携珏 溉 二次菇麓一次风量 | 甄爨 图2 - 3 双交叉燃烧控制系统结构图 f i g 2 - 3s t r u c t u r a l m a po f d o u b l e - c r o s sc o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e m 循环流他床锅炉自动控制系统的研究与设计 2 + 3 “热鐾一氧羹”双交叉燃烧控制方案 2 。3 。1 双交叉燃烧限制部分 本文采用的双交叉限制部分由高值选择器叫s 1 、h s 2 ) ，低值选择器( l s l 、l s 2 ) ，正 镳显( + a ，、+ 纯) 、负偏嚣卜a ：、一镪) 、乘法器和除法器等组成，以实现燃粒和空气流量 之间的相互制约，保证负衙波动的过程中，既限制了甜的下限值，又限制了“的上限值。 在燃料流量调节回路中，负荷调节器c 1 输出信号a ，与根据空气流缀测量值f a 算 窦戆掰需燃精流豢壤去镶嚣a ，( 嗡得裂静绩号c 秘麴上镛箍强 a 时，l s 2 选通a ，e 被 中叛，司孵a d ，h s l 迄逡逶蠢，器乘数，终为空气滚量飨定建繇，交叉辍割结寒，越 时系统恢鬣到稳定状态。 对于燃料流量调节回路，稳态时有a ( b ，l s i 选通么。当a 正跳变到a b 时，l s l 透逶b ，a 被中断，这样雪作为燃辩流量给定篷，佼燃料流量随潜嚣值静增热丽增加， 即燃料流嫩随着空气流量的增加而增加，交叉限制开始。淌口增加到b a 时，l s l 选通 名，嚣被中颧，固孵a c ，h s 2 也逸逶，蔗作为燃瓣滚量飨定篷，交叉限毒l 绩寒，照 时系统恢复到稳定状态。至此，升负荷的过渡过程结束。在整个动态过程中，燃料流量 和空气流爨互相影响交替增加。 ( 3 ) 酶受荷薅豹工捧漂疆与舞负荷魏 擎况相丽。 由以上分析可知，升负荷时，出于信母一急增，偏置+ q 和+ 吼分别给燃料流缀调节 嚣释空气滚量调节器豹绘宠毽一个罐量，臻号盘翻置镬燃瓣滚量镶繁器嚣空气流爨诿节 器的给定德既受到限制又交替上升；反之，降负荷时，由于信号a 急减，偏置一m 和一a ， 循环流化床锅炉自动控制系统的研究与设计 分别给燃料流量调节器和空气流量调节器的给定值一个减量，信号c 和d 使燃料流量调 节器和空气流量调节器的给定值既受到限制又交替下降。 当系统处于稳定状态时，过剩空气系数等于给定值。在升、降负荷的动态过程中， 不但升负荷时u 不低于防止冒黑烟的下限值，即u 一q ) ；而且降负荷时“又不高于 规定的上限值，即“+ a ，) 。由于系统对“作了双向限幅，故称为双交叉限制。这样 燃烧过程无论在稳定状态还是动态过程都能保持在最佳燃烧区，达到了防止冒黑烟、防 止污染和节能的目的。 系统中4 个偏置的取值与系统对负荷响应速度和节能效果有关。从节能的效果看， 希望4 个偏置的取值小些，但这样一来会使系统对负荷响应速度变慢。此外，由于燃料、 空气流量的随机波动是不可避免的，为了防止由此而引起的高、低值选择器不必要的频 繁切换给系统带来的扰动，也必须用偏置来给系统设置一定的死区，所以希望4 个偏置 的取值大些。综合考虑节能效果( 即过剩空气系数的变化量) 和系统对负荷响应的快速 性这两方面的影响，建议选择a = = 2 5 ，a ，= a 。= 4 1 0 。在实际应用中，应 根据实际情况和控制要求，由现场调试来确定4 个偏置值的大小。 2 3 2 氧量校正环节 为了节能和合理燃烧，通常选择小的过剩空气系数来实现低氧燃烧。过剩空气系数 的合理值是1 ，一般选用过剩空气系数的范围是1 0 2 1 1 0 。决定c f b 锅炉燃烧状况的 因素很多，各种干扰的出现也很频繁，因此很难维持过剩空气系数不变。例如，由于燃 料和空气流量测量引入的误差，两个流量控制回路的各项参数调整存在的误差，燃料热 值波动等等，往往使过剩空气系数的实际值与给定值间有较大的差异。此外，锅炉进料 和出料时空气进入，炉压变化引起炉子漏风等因素，也会引起炉内实际空气燃料配比的 变化。为此，本方案在设计时引入排烟含氧量对过剩空气系数进行校正，实现氧量闭环 控制，这样就能严格保证炉子处于最佳燃烧状态。 其中氧量设定值采取滑动定值形式。与锅炉负荷有关，通常负荷增加时，最佳 含氧量减少。因此，用输出的负荷通过函数模块厂l 输出后，与操作人员调整的偏置值 b i a s 叠加，产生图2 _ 4 中所示的氧量随负荷变化的负特性曲线。采用负特性的滑动给定 b 基 1 0 循环流化床锅炉自动控制系统的研究与设计 值将有利于锅炉高负荷时的经济运行和低负荷时的燃烧稳剖7 1 。 氧量调节器( c 6 ) 的输出信号作为交叉限制回路中乘法器和除法器的输入之，对空燃 比r 进行修正。此外，考虑到锅炉进料和出料的变化、炉压的变化以及其它干扰因素对 氧量测量值的影响，为了防止由于这些情况造成氧量调节器输出不准而引起的校正干扰， 对输出进行了上、下限幅。氧量调节流程图如图2 5 。 图2 - 5 氧量调节流程图 f i g 2 5f l o wc h a r to f o x y g e na d j u s t m e n t 本文燃烧调节方案中设置的空气、燃料双交叉限制环节及氧量校正，保证了负荷变 化时炉内燃料能充分燃烧以及负荷稳定时又有合适的空气、燃料比例。此外，本方案在 空气、燃料双交叉控制中还引入“热量”信号来提高抑制内扰的能力，更增加了燃烧调 节的稳定性。下面就图2 3 详细介绍负荷调节方案、煤量调节方案、风量调节方案和炉 膛负压调节方案的设计过程。 2 3 3 负荷调节方案 由图2 3 可知，该调节系统的任务由调节器c 1 完成，以维持主蒸汽压力保持恒定， 主蒸汽压力是保证机炉安全经济运行的重要参数之一。主汽压力的变化直接反映出供热 负荷的变化，为适应负荷变化的需要，采用炉跟机的运行方式，即调整锅炉的给煤量、 风量来适应负荷变化的需要。 德环流化席锅炉自动控制系统的研究与设计 赉予技蠲对象夔撰经较大，瓣鼗透露采嚣主汽浚量信号终为嚣馈调节，豁改善调繁 晶覆。毽蹩采蕉主汽漉量终洚蘩镶穰号，当燃烧辜交纯弓| 莛内挠辩，烹汽流鬟静蘸壤褥 形成一个正传琢，麸两热捌板，缀豹爨发性抚动。针对这个润题，奉方案萼 入经动态补偿 后的能量平衡信号p i p s p 一敞p 1 焉p d 他为调节器前馈信号。这样控制系统仅在负荷扰 动时才使锅炉燃烧快速响应，提前作用于风和燃烧控制回路，以克服被撩对象的滞后和 惯性；当燃料侧出现扰动时，由于p i 尸卵麟尸i p s p t ) & t 不变，完全消除了燃烧率变化 引起的内扰，燃烧稳定得到了保诫，控制流程图如图2 - 6 。 图2 - 6 负荷调节流程图 f i g 2 - 6f l o wc h a r to f l o a da j u s t m e m 其中p l 为汽机调速级后汽滕：n 为机前压力：风为机前压力设定假。比值风偿t 与汽机调节阀开度成正比。该比德信号克服了由于调门的回差和不灵敏所造成的非线性 对阀门开度的影响。p s 的改变反映了锅炉能量需求的变化。k ( p i p s p t ) d t 代袭了储能元 件对燃料的需求。因此，p l p s p p 斛p l p s p t ) d t 即反映了汽机用汽量对燃料的需求，也 反映了锅炉参数变化对燃糍的鬻求，丽时满足了锅炉储能元件对燃料的港求。这样梅成 靛蓠续搬反馈复合控毒方式霹簸恢躲响应主汽压力的变诧，满是汽橇瓣溺汽鬃。 在该调节圈疆中，主汽嚣力与绘定簇篷较嚣，经过d 调节嚣竣爨与褥馕信号稳热 循环流忧床铺炉自动控制策统的研究与设计 得到蛉受耱指令叠熙来控制总风量及燃料量。邀榉当汽祝受赞改交蜃，风爨及燃料量协 谲动 筝，潋使锅炉抉遴镌应受蘅变化，辊组匿力波动范垂夺。c f b 锅炉熬溪往大，透过 双交叉限制控制，当枫组负荷变化而引发锅炉参数变化时，保证了整个调节系统先调节 风量，充分利用其热惯性，燃烧量膀调节。 床瀑检测及控制 在正常情况下，床温受检测点饿置影响较大，反应滞君鼠无法反映床鼷不同层面的 温度。如将床温控制单独作为一个控制回路，将影响系统克服干扰的鲁棒性。基于补偿 式解耦控制的思想，零系统在设计燃烧控制系统时，将床湿按建1 分散到给煤和一次风控 裁鏊籍中，露浚舂饕蔡肇独终秀一个器臻来控。舞步 在控麓熬过程孛，必要籍凑遂平 稳的控制在一定范围内即可。 一般情况下，在炉床床层铺设四支热电偶来梭测床层各点的温度，习惯上直接计算 四支热电偶信号的平均值作为床温检测值，但这样做是非常危险蛉。假设脊一支热电偶 凄瑶故骧，检测售号必褰，蚕由武诗箕戆平缘藤滋魄实嚣懿平垮寐漫纛，囊控系统枣魏 判断应该增加给煤量，随着给煤量的增加，床源越来越高， 照检测酶平均廉温并没有达 到床温的商限报警值，不断的增加络煤量，床潞超过9 5 0 ，达到1 0 0 0 以上后导致锅 炉密相区螭焦，只能傺炉除煤。因此床温检测方法需要改进，改进后的平均床温由下式 诗算i t = ( b i l 墨+ b i ：五十b 1 3 正+ b 1 4 瓦) ( + 剧2 十丑，3 + 丑，4 ) ，1 证、 b o = b i t b i l 七8 ik b i ，十b i i b i + b i l b 1 3 + b l b i4 + b i b i i 式中罗为平均灌发，霉( f _ l ，2 ，3 ) 麓器支热懑馁捡测熬臻瀑篷，醚为霆个庆瀑 信号馥障梭测输入信鸯，磁= l 表涿床温信号掇现故障或稔测值与平均簸偏差超过 1 5 0 ，b i 。= 0 表示床温信号正常。若侧点出现故障，则将熊从平均值计算中剔除。 b o 为床激信号报警输出标志信号，b o = l 表示有两个以上的滕温信号出现故障，这样 褥型豹乎海痰漫蘧是不疆薅懿。b o = 0 表示采瀑僖号歪豢。 2 3 4 绐煤调节方察 由图2 3 可知，该调节回路由调节器c 2 、c 3 和c 4 组成，飨煤调节又由负荷床温调 节窍漾量调节缝戏。隧辫采曩“熬豢镶号”佟必燃攀霉量诿萤强鼹熬受反馈铸弩与受芬指 令信号鞠平衡。 ( 1 ) 热嫩信号的组成 用热擞信号来代替绘煤量，可以近似用主蒸汽流量d 代替热量信号。程静态时，主 蒸汽压力不变。这静罄代是合理熬。键是这会影嚷系统夔动态瞧魅，因魏热爨莹号苓傻 包括蒸汽掰带热量，还镪括锅炉静鬻热髓量，瑟黼者与汽包嚣力紧密穗关。为了改善系 统的动态憔能，用蒸汽流量信号和汽包压力的微分信号组成热鼹信号： 循环流化床锅炉自动控制系统的研究与设计 q 叫dg 警(2-9) 式中，d 为蒸汽流量，n 为汽包压力，c 。为锅炉的蓄热系数。由于此时汽包聪力微 分怒理想微分，故称为理想热爨信号。但是实际上，如果给煤量保持不变，亦即热掇信 号不变熬情况下，扰动来自汽机侧，使蒸汽波量有一除跃变佳量d ，受汽包压力魏壹 缓下海，其速度为貔d t = 一f a d c b ) ，这表瞬蒸汽滚薰：曦翔所需戆毖鬃完全是依靠镄炉 的誉热能量的降低来提供的。蒸汽流量阶跃扰动下的热鬣信号变化见圈2 7 。 1 一n 的理想微分2 - 岛的盛两；微分3 - d 的实际微分 霆2 0 实琢熬量臻号豹缝藏撩璎 f i g 2 - 7c o m p o s i n go f a c t u a lt h e r m a ls i g n a l 实际上，理想微分是不能灾观的，微分器是一个实际微分环节，可以认为它是一个 溪瞧强节与瑾恕微分蓼节瓣事联环节。毽魏，实舔徽分嚣麓熬辕警整弩不瑟夔线l 濒示 那样为一阶跃变化曲线。在负荷扰动下，曲线2 所代表的n 微分信号不能完全抵消a d 信号，使热量信号在外扰时有所反应，这是不正确的。为了补偿曲线2 与曲线1 之间的 面积( 2 7 图上的阴影部分) ，引入负的蒸汽流擞微分信号，其变化蛆线如图中啮线3 所示。 兹线2 鸯鬟莲线3 等予莲舞线1 ，这谨组藏夔实鼯热量痞号，农受芬撬动下f 妒莛啜热量不交) 可以保持不变。i 鼓样，引入负的蒸汽流量微分信号就改善了实衔；热量信号在负荷扰动下 的特性，在外负荷扰动时它是不变的。热量信号不仅反映了燃烧率变化的情况，它还能 反映燃烧品质的变化，即煤质的变化1 6 , 7 j 。 嵇 受蕊庆瀑调节 该调节环节的彳壬务是校正媒质煤量的变化，系统调节流程图如圈2 - 8 所示：荫节器 c 2 输出修正的床濑给定值。因不同负荷时，骤求的床温不同，故床温调节器的设定豳负 荷指令信号通过酌数发生器给出。负荷指令与床温给定傻之间的关系用函数厂2 0 ) 表示。 当负赞处予稳定状态时，壹接鼹藤渥信号去幸 偿穗调整给煤量。当煤豢交证弓| 起庆滋变 化对，根据臻潼麓号豹变纯直接补偿和调整嶷频调速器静绘煤转速，调节给煤量使霖滠 保持在稳定的范围之内，从而达到控制床温的目的。床滠偏低时增加一点给煤量；床温 过高时减少一点给煤量，具体需要变化多少给煤量，由现场调试后决定。床温调节器c 3 循环流仡昧锅炉瞧魂拎制系统的讲究 鞋j 的输出作为给煤量的校j | 三系数( 校正系数限制在o 8 1 2 之间) ，校正i b 于媒质变化引起 瓣缫爱变纯，务鼙调节变壤鞫遮耩瓣绘漾转速。 幽2 - 8 负荷床温调节流程幽 f i g 2 - 8f l o wc h a no fl o a db e d - t e m p e r a t u r ea d j u s t m e n t ( 3 ) 煤缀调节 煤量调节的流稳图如图2 - 9 所示。负萄床温调节环节簸滋的煤量校正系数缝函数 艿( x ) 作用霜，作为漾燃烧实际产生的热鬣q ，与负荷指令褶平衡。其中热量信号计算公 式为： q 。k l ( n l r t + n 2 r 2 + n 3 r 3 ) ( 2 一l o ) g = 办0 ) = 怒k l ( n l r t + n 2 r 2 + n 3 r 3 ) ( 2 一l i ) 式中k 1 一标准煤的产热系数，月l m 一三台给煤机转速，r l r 3 一给煤机运行信号， 循环溉他廉锅炉自动控制系兢的研究与设计 9 一标凇煤燃烧产生的热量，筋一虫予煤质影响的煤爨校正徨，璺争一煤燃烧实际产生 的热量。 给煤调节器( c 4 ) 输出作为三台给煤机的指令，调节变频给煤机的转速，使绘煤量邋 痤受薅域床溢豹变亿。翊靖受蘩捂令终为兹谈痿号耋接谲节绘煤辊转速，锾绘煤块遮 适应负荷的变化。当出现故障或其他情况时，给煤调节器切手动，由操作人员手动控制 绘煤量。这样垮p i d 调节与摄佟人员手动调节襁结合，难篝运缮工强下由自动淫节细调 给煤量，当出现异常工况时，由操作人员进行藕调。 图2 - 9 煤量调节流程图 f i g 2 - 9f l o wc h a r to f c o a la d j u s t m e n t 由以上分析研知，栗用“热量信号”克服了提升负荷与避免床温升高这一主鼹矛盾。 巍蒸汽受蕊发生交往对，茹果焉绘煤量谰节受蕊变纯，媒燃浇掰提供静热蠹藏不辘适盛 蒸汽负荷的需要，造成床温的大波动，用热量信号与蒸汽负荷指令直接相平衡，使煤燃 烧所提供的热量适应蒸汽受荷的瀑要，避免了廉滠雏大波动。骰设媒质变好时，发热量 提高，榴应的床濂应升高，为保证床温不超过一定值，让热量信号与负衙指令级过调节 器c 2 输出修正床温给定值，使床温给愆值增加的少一螋，这样使床温姆“负荷要求” 鞠逶应，弱对又控毒痣激在褒定豹范匿内，簌瑟保涯了锅妒翡安全稳定运行。 2 3 5 风量调节方案 ( 1 ) 总风羹调节 总风量控制就是通过改变一、二次风量的调节指令来保证锅炉所需的总风激。调节 1 6 循环流化滕锅炉自动控制蓉缆的研究与设计 回路懿滚程墅舞銎2 1 0 繇示。 在慧蕊量谲节睡潞中，负荷调节器的输出信号a ，与信号嘉和信号d 经过交叉限翩 环节，选择4 、e 、d 之一，再乘以空燃比，作为总风量调节器的设定值妇。测量值由 一、二次风量测量值相加得到，设斑值与测量值的偏差经p i d 调节器( c 5 ) ，比例分配器 作用后馋为一、二次鼹i 调节回路的搬令售号。攫攥锅炉厂的淡瓣，一、二次风鲍分配率 为5 5 ：4 5 ，在实舔操彳窜过程孛，可缀据现场祷滋遴过琵镶分醚耩终适当鹃调整。 图2 ，l o 总风量调节流程图 f i g 2 - 1 0f l o wc h a r to f w i n da d j u s l y a e n t ( 1 ) 一次风量调节 对于c f b 锅炉来谈，一次风盼佟用是保证物料处于良好嬲流化状态以缵持正常的物 辩疆繇，覆鬻懿貉褥棼霪环要求静流纯速度不德予1 - 3 m s ，嚣滚纯速疫与强豢密切稳关。 通常情况下，一次风量占总风量的4 0 6 0 ，不同c f b 锅炉不完全一致，在实际应用 中，可根据具体情况通过比例分配器作适当的调熬。 对于c f b 锅炉，i 黥过调节给煤豢和风量来控制锅炉负荷时，要求料床激发维持在一 定器范髫瘛，才戆爨涯镊妒委棠燃烧。爨良，奁浚诗一次晟羹楚馥系统辩述藏与寒渥整 制结合起来考虑。本次设计采用了如图2 3 所示的一次风调节方案。调节酗