（控制理论与控制工程专业论文）秸秆锅炉燃烧控制系统动态特性和控制策略研究.pdf

华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 秸秆锅炉是以农作物秸秆为主要燃料的锅炉。其燃烧系统具有参数分布、非线 性、时变、多变量耦合的特点，难以对其燃烧系统进行精确的建模。本文对河北晋 州7 5 t h 秸秆锅炉的燃烧系统进行了理论建模，并由现场实际数据建立了燃料量到 汽包压力、主蒸汽压力的传递函数。并分析了锅炉振动炉排的特点，给出炉排的有 效振动频率。分析了汽包蓄热对锅炉燃烧控制的影响。由燃烧系统的动态特性设计 了锅炉负荷、总风量、一次风量、二次风量、燃料量和炉膛负压的控制系统。针对 秸秆锅炉的燃烧特性。首先设计了c m a c ( 小脑模型神经网络) 与p i d 并行的控制系 统，仿真表明此系统对阶跃、正弦、方波信号的响应迅速，跟踪效果良好。进而设 计了c m a c 汽压串级控制系统。仿真结果表明，燃料量扰动时与传统的p i d 汽压串 级系统相比，响应速度变快，调节精度提高。适应性和鲁棒性也明显优于常规控制 系统。 关键词：秸秆锅炉，燃烧控制系统，c m a c 串级控制 a b s t r a c t t h es t r a wb o i l e rt a k e sf a r mc r o ps t r a wa st h eb o i l e r sm a i nf u e l t h ep r o c e s so f b o i l e r sc o m b u s t i o ni sam u l t i - - p a r a m e t e r ，n o n l i n e a r , t i m e v a r y i n ga n ds t r o n g l y c o u p l i n gc o u r s e ，s oi ti sh a r dt oe s t a b l i s ht h ee x a c tm a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h e c o n t r o l l e do b j e c t s t h ea r t i c l es e tu pt h et h e o r i e sm a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h eb u r n s y s t e mo nh e b e ij i n z h o u7 5 t hs t r a wb o i l e r a n db u i l tu pt h et r a n s f e rf u n c ti o nf r o m t h ef u e lt od r u m - s t e a mp r e s s u r ea n dm a i n - - s t e a mp r e s s u r eb a s e do nl o t so fo n - l i n e d a t a a n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eg r a t e ，g i v et h ev i b r a t i o nf r e q u e n c y a n a l y z e d t h ei n f l u e n c eo ft h ed r u mh e a tu p o nt h eb o i l e rc o m b u s t i o nc o n t r 0 1 f r o mc o m b u s t i o n s y s t e mo ft h ed y n a m i cs t a t ec h a r a c t e r i s t i cd e s i g n e db o i l e rb u r d e n ，t o t a lb r e e z eq u a n t i t y a b r e e z eq u a n t i t y t w ob r e e z eq u a n t i t y , f u e lq u a n t i t ya n ds t o v et a n gn e g a t i v ep r e s so f c o n t r o ls y s t e m a i ma tt h eb u r n a b l ec h a r a c t e r i s t i co ft h es t r a wb o i l e r f i r s t l y , d e s i g n e d t h ec m a c ( c e r e b e l l am o d e la r t i c u l a t i o n c o n t r o l l e r ) p r o c e e d st o g e t h e r w i t hp i do f c o n t r o ls y s t e m ，t h es i m u l a t er e s u l ts h o wt h es y s t e m sr e s p o n s eq u i c k ，f o l l o we f f e c ti s g o o dt or a n k ，s i n e ，s q u a r ew a v e a n dt h ed e s i g n e dt h ec m a c c a s c a d ec o n t r o l s y s t e m ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w ，w h e nt h ef u e ld i s t u r b e dc m a ch a si m p r o v e dt h e p e r f o r m a n c eo fo r i g i n a ls y s t e m a ndi ti sb e t t e rt h a nn o r m a lp i dc o n t r o l l e ri n a d a p t a b i l i t ya n dr o b u s t q i a n gs h u a n g ( c o n t r o lt h e o r ya n d c o n t r o le n g i n e er ) d i r e c t e db yp r o f m ay o n g g u a n g ，p e n gg a n g k e yw o r d s ：s t r a wb o i l e r , b u r n i n gc o n t r o ls y s t e m ，c m a cc a s c a d ec o n t r o ls y s t e m 华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 秸秆锅炉是以农作物秸秆为主要燃料的锅炉。其燃烧系统具有参数分布、非线 性、时变、多变量耦合的特点，难以对其燃烧系统进行精确的建模。本文对河北晋 州7 5 t h 秸秆锅炉的燃烧系统进行了理论建模，并由现场实际数据建立了燃料量到 汽包压力、主蒸汽压力的传递函数。并分析了锅炉振动炉排的特点，给出炉排的有 效振动频率。分析了汽包蓄热对锅炉燃烧控制的影响。由燃烧系统的动态特性设计 了锅炉负荷、总风量、一次风量、二次风量、燃料量和炉膛负压的控制系统。针对 秸秆锅炉的燃烧特性。首先设计了c m a c ( 小脑模型神经网络) 与p i d 并行的控制系 统，仿真表明此系统对阶跃、正弦、方波信号的响应迅速，跟踪效果良好。进而设 计了c m a c 汽压串级控制系统。仿真结果表明，燃料量扰动时与传统的p i d 汽压串 级系统相比，响应速度变快，调节精度提高。适应性和鲁棒性也明显优于常规控制 系统。 关键词：秸秆锅炉，燃烧控制系统，c m a c 串级控制 a b s t r a c t t h es t r a wb o i l e rt a k e sf a r mc r o ps t r a wa st h eb o i l e r sm a i nf u e l t h ep r o c e s so f b o i l e r sc o m b u s t i o ni sam u l t i - - p a r a m e t e r ，n o n l i n e a r , t i m e v a r y i n ga n ds t r o n g l y c o u p l i n gc o u r s e ，s oi ti sh a r dt oe s t a b l i s ht h ee x a c tm a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h e c o n t r o l l e do b j e c t s t h ea r t i c l es e tu pt h et h e o r i e sm a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h eb u r n s y s t e mo nh e b e ij i n z h o u7 5 t hs t r a wb o i l e r a n db u i l tu pt h et r a n s f e rf u n c ti o nf r o m t h ef u e lt od r u m - s t e a mp r e s s u r ea n dm a i n - - s t e a mp r e s s u r eb a s e do nl o t so fo n - l i n e d a t a a n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eg r a t e ，g i v et h ev i b r a t i o nf r e q u e n c y a n a l y z e d t h ei n f l u e n c eo ft h ed r u mh e a tu p o nt h eb o i l e rc o m b u s t i o nc o n t r 0 1 f r o mc o m b u s t i o n s y s t e mo ft h ed y n a m i cs t a t ec h a r a c t e r i s t i cd e s i g n e db o i l e rb u r d e n ，t o t a lb r e e z eq u a n t i t y a b r e e z eq u a n t i t y t w ob r e e z eq u a n t i t y , f u e lq u a n t i t ya n ds t o v et a n gn e g a t i v ep r e s so f c o n t r o ls y s t e m a i ma tt h eb u r n a b l ec h a r a c t e r i s t i co ft h es t r a wb o i l e r f i r s t l y , d e s i g n e d t h ec m a c ( c e r e b e l l am o d e la r t i c u l a t i o n c o n t r o l l e r ) p r o c e e d st o g e t h e r w i t hp i do f c o n t r o ls y s t e m ，t h es i m u l a t er e s u l ts h o wt h es y s t e m sr e s p o n s eq u i c k ，f o l l o we f f e c ti s g o o dt or a n k ，s i n e ，s q u a r ew a v e a n dt h ed e s i g n e dt h ec m a c c a s c a d ec o n t r o l s y s t e m ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w ，w h e nt h ef u e ld i s t u r b e dc m a ch a si m p r o v e dt h e p e r f o r m a n c eo fo r i g i n a ls y s t e m a ndi ti sb e t t e rt h a nn o r m a lp i dc o n t r o l l e ri n a d a p t a b i l i t ya n dr o b u s t q i a n gs h u a n g ( c o n t r o lt h e o r ya n d c o n t r o le n g i n e er ) d i r e c t e db yp r o f m ay o n g g u a n g ，p e n gg a n g k e yw o r d s ：s t r a wb o i l e r , b u r n i n gc o n t r o ls y s t e m ，c m a cc a s c a d ec o n t r o ls y s t e m 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文秸秆锅炉燃烧控制系统动态特性和控 制策略研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：塑起日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：e t期：丝! 臣墨：多 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 能源对人类生存和社会经济发展极为重要，由于常规能源的有限性，近年来世 界各国对可持续能源的未来给予了高度重视，寻找新能源，提高新能源利用率和节 约能源已经成为重要的战略任务【l 】。秸秆是一种生物质燃料，是可再生能源。据有 关部门统计数据，我国在用作能源的农作物秸秆中，其中用于畜牧饲料为1 4 5 亿t ， 还田肥料o 9 l 亿t ，工业原料o 1 4 亿t ，作为农民传统的生活燃料的秸秆为2 8 亿 t ，分别占总量的2 4 ，1 5 ，2 3 和4 0 。除了上述用途外，还有1 8 7 约1 13 亿t 剩余秸秆没有任何用途，成为真正的废弃物，大部分被农民或农场主在田野焚 烧了，这不仅严重污染环境，影响交通，而且造成生物质能源的极大浪费【2 儿3 1 。秸 秆为低炭燃料，且硫含量、灰含量均比目前大量使用的煤炭低，是一种较为“清洁 的燃料，在有效的排污保护措施下发展秸秆发电，会大大改善环境质量，对环境保 护非常有利。因此，充分利用秸秆燃烧发电，具有节约能源、防止环境污染的社会 效益，也有很好的经济效益【4 】。 国外生物质发电技术的丌发，始于上世纪7 0 年代木期，现己日臻成熟。目前， 直接燃烧秸秆的先进没备已投放市场。秸秆供热，发电或热电联产已成现实。1 9 8 8 年，丹麦建成了世界上第一座专门利用庄稼秸秆的发电厂1 6 j 。目前丹麦己建立了1 3 家秸秆发电厂，还有一部分烧木屑或垃圾的发电厂也能兼烧秸秆。b w e 公司的秸秆 发电技术己走向世界。瑞典、芬兰、西班牙等国由b w e 公司提供技术设备建成了秸 秆发电厂，其中位于英国坎贝斯的生物质能发电厂是目前世界上最大的秸秆发电 厂，装机容量3 8 万k w 8 1 。目前美国有3 5 0 座生物质发电站，总装机容量达7 0 0 0 m w ， 提供了大约6 6 万个工作岗位。预计至l j 2 0 1 0 年美国生物质能发电将达到l3 0 0 0 m w 装 机容量。由中国龙基电力科技有限公司与北京德源投资有限公司共同合作经营的龙 基电力有限公司将在中国境内投资生产世界先进的发电厂设备，逐步把b w e 公司的 生物质能发电技术引入中国，在国内生产b w e 公司的生物质能发电锅炉及全部配套 设备例。 尽管我国生物质发电具有巨大的资源潜力，部分技术实现了商业化，产品、产 业也有了一定的发展，但生物质焚烧发电产业发展还面临着许多问题和障碍。 ( 1 ) 缺乏成熟的核心技术和设备 到目前为止，用于生物质焚烧发电的锅炉及燃料输送系统的技术和设备绝大部 分依靠进口，国内尚无成熟的产品制造厂家，这已经成为制约我国生物质发电事业 快速发展的瓶颈。同时，由于与国外生产运输方式、工作习惯和文化的差异，很可 华北电力大学硕十学位论文 能在技术和设备引进以后造成消化不良，使机组无法安全、稳定、满发运行。另外， 由于缺乏核心技术，投产后生物质发电企业很有可能将长期受制于国外企业。 ( 2 ) 发电运营成本偏高 据国外生物质发电厂运行实际统计和我国权威部门测算，生物质发电成本远高 于常规燃煤发电成本，约为煤电的1 5 倍。成本高的原因有：初投资高，生物质 发电单位投资约1 00 0 0 元k w ，而常规火电机组，一般都在60 0 0 - 70 0 0 元k w ； 机组热效率低于常规火电机组，现在新建常规火电机组容量一般都在3 0 0 m w 及 以上，而国内可建的生物质发电机组容量一般只有1 2 - - - 2 5 m w 左右；燃料成本较 高，由于生物质秸秆燃料低位热值一般在8 0 0 0k j k g ，大大低于煤炭，再加上秸秆 比重轻、密度小、体积大，运输成本巨大，这些都将导致燃料成本偏高。 目前国内已有不少锅炉厂在秸秆燃烧锅炉设计制造方面进行了较为深入的技 术准备工作，配合国内秸秆电站工程的建设，已有数家锅炉厂在对国外已运行生物 质燃料锅炉进行调研的基础上，进行了秸秆燃烧锅炉的方案设计。从调研情况来看， 国内锅炉厂对秸秆燃烧特性和秸秆燃烧锅炉需要注意的核心问题都有较深的研究， 并且已有解决问题的针对性思路，在参考国内外各种生物质燃料锅炉、垃圾锅炉的 基础上，推出了循环流化床、往复炉排、水冷振动炉排等多种炉型，在参数选取上 多数锅炉厂倾向于先从中温中压参数起步，待积累运行经验后再论证提高参数是否 经济合理。 就目前的运行经验来看，秸秆锅炉燃烧过程中常见的问题如下： ( 1 ) 秸秆锅炉的燃料一般来说比较复杂，常见的燃料有以下几种：玉米秆，小麦 秆，棉花秆，果木枝条，糠醛渣，煤。锅炉运行时，秸秆可以单独燃烧，也可以将 几种不同的秸秆送入炉内混烧。按锅炉设计韵不同，煤和糠醛渣可单独燃烧也可和 秸秆混烧。由于每一种燃料的水分，灰分，挥发份以及碳氢氧氮的含量不同，混合时 的成分更为复杂。因此，当燃料品种发生变化时，传统的控制效果不好，汽压的波动 很大。 ( 2 ) 由于燃料破碎质量不合格而导致的破碎机频繁堵塞。由于给料的不均匀造 成给料量只能根据锅炉烟温变化情况及尾部氧量进行调整，因此调整手段的滞后易 导致汽包压力的产生和主汽温度的突然升降，系统难以稳定运行，燃料的大量堆积 导致水冷振动炉排振动频率加大，从而对炉膛负压产生了较大影响，燃烧控制的影 响很大。 秸秆锅炉的燃料比较复杂，当多种秸秆混燃时对燃烧质量的影响很大，目前国 内没有特别成熟的燃烧控制方案。因此，研究秸秆锅炉的燃烧控制系统动态特性和 控制策略有及其重要的现实意义。 2 华北电力大学硕j 仁学位论文 1 2 燃烧控制研究现状 火电机组是由发电机、汽轮机和锅炉三大主机及其辅助设备组成的庞大的设备 群。火电机组控制系统是一个具有强烈交叉影响的多输入多输出系统，锅炉蒸汽压 力控制和汽轮机功率控制既互相依赖、互相制约，又相对独立有各自的调节手段【l 。 从电网来说，要求机组的出力能够快速适应外界负荷的要求，从机组本身来说， 其出力是由锅炉和汽轮机两者共同决定的，但是锅炉和汽轮机在适应负荷变化的能 力上却有很大的差异。从负荷的时变动态特性看，锅炉具有较大的惯性，即从燃烧 率改变到汽压( 蒸汽量) 变化有较大的滞后和惯性。相对而言，汽轮机的惯性要小的 多。单元机组负荷增加时，初始阶段所需的蒸汽量主要由锅炉释放蓄热量而产生。 随着单元机组容量的增大，锅炉的蓄热量相对于机组的容量越来越小，机组的负荷 适应能力与保持汽压不变之间的矛盾越来越突出。 锅炉燃烧控制系统的根本任务是根据负荷指令调整锅炉炉膛内的燃烧率。在控 制中，既存在动态品质调节又存在锅炉经济性问题，如何使主蒸汽压力调节具有良 好的动态响应，并能使入炉燃料得到充分燃烧是燃烧优化控制的关键。然而，单元 机组锅炉通常为大容量、高参数锅炉，蓄热系数c b 较小，对于外界负荷的扰动，汽 压变化的时问常数较小，变化速度快，因此锅炉控制系统要求其燃烧率控制有较高 的响应速度，这对于保证汽压稳定是十分重要的1 1 2 1 。 目前主蒸汽压力的常见调节策略分两种：基于主蒸汽压力与给定值偏差的调 节策略；基于能量平衡( 即汽轮机所需能量信号与锅炉供给能量信号的偏差) 的 调节策略。 基于主蒸汽压力与给定值偏差的调节策略又分为两类；基于主蒸汽压力与给 定值偏差的单回路调节策略，即仅以偏差作为控制信号来调节燃料量，具有控制系 统简单，参数少且整定方便的优点，存在控制相应速度慢、克服扰动能力差的缺点， 因为从燃料到主蒸汽压力的通道是一个大迟延过程，基于主蒸汽压力与给定值偏 差以及中间导前信号的双回路调节策略( 串级调节) ，以偏差和导前信号作为控制 信号，具有控制响应速度快、克服扰动能力好、超调较小的优点、存在控制系统相 对复杂，内外回路参数整定不方便的缺点【l 3 1 。 主蒸汽压力串级调节策略中导前信号的选择也有多种方法：传统方法是引进 热量信号d q = d + c k d p d d t 作为导前信号，其中d 为主蒸汽流量信号，c k 为锅炉的 蓄热系数，p d 为汽包压力，虽然热量信号能准确反映锅炉燃烧率( 燃料数量、质量) 变化，但是文献 1 4 1 5 】中已证明：与主蒸汽压力偏差信号相比，热量信号d o 并 没有明显的超前。以它作为中间被调量组成的串级调节系统对系统大延迟特性没有 明显的改善；直接以燃料量作为导前信号，与主蒸汽压力偏差信号相比，超前作 用明显【l3 1 ，但是燃料量的直接测量困难，燃料量的数量不代表其质量，无法准确反 3 华北电力大学硕士学位论文 映锅炉燃烧率的大d , t 1 6 】；其他导前信号，比如周怀春等提出炉膛断面辐射能信号 作为导前信号，与热量信号相比更能快速反映锅炉燃烧率的变化，如果以它作为中 间被调量构成串级系统，势必能使系统的特性得到较大改善。 目f j f 锅炉蒸汽压力调节策略所用到的调节规律有：常规p i d 控制、模糊控制、 神经网络控制等。 1 常规p i d 控制 在电厂广泛应用的d c s 中，普遍采用常规p i d 控制策略。p i d 控制优势在于： 一方面理论简单、成熟，作为电厂工程技术人员熟悉，另一方面鲁棒性强、运行可 靠，可使用工程整定的方法，对模型的依赖程度不像现代控制理论要求那么高，先 验知识要求少。但是锅炉的复杂特性使得其采用常规数学模型的固定参数p i 控制 器难以获得良好的控制效果。其它经典的控制方法在对付这些控制难点时，都显得 无能为力。这主要是因为在对象动态特性不断变化的情况下，控制器的参数非常难 以整定。即使整定好，随着工况的不断变化，控制参数也会偏离最优点。 2 模糊控制 文献 1 7 提出了“带有智能权函数的f u z z y - p i ds m i t h 预估器”的复合控制策 略，并将其用于锅炉主汽温的控制，控制效果明显优于常舰p i d 控制器。文献 1 8 】 以锅炉动态热平衡为基础，结合智能控制理论，提出一种风煤比模糊自寻优控制方 案，解决系统存在的参数时变、大时滞等问题并可进行有效的控制。文献 1 9 2 0 运用模糊控制策略对锅炉主汽压系统进行了仿真研究和实时控制，结果表明，模糊 控制器能够克服许多干扰因素，对于锅炉这一类的工业对象，显示了强鲁棒性并产 生了良好的控制效果。文献 2 1 针对汽包锅炉燃烧系统的特点，设计了一种模型参 考自适应模糊器，并采用了一种快速模糊控制的遗传算法将控制器的隶属参数进行 优化，以提高系统的响应速度。 3 神经网络控制 文献 2 2 1 提出的基于神经网络的锅炉燃烧优化模型，通过在线学习功能进行神 经元网络模型训练，以不断地在线修正锅炉燃烧优化模型，提高预测精度。文献 2 3 】 利用自适应神经元控制不需要知道被控对象的模型、算法简单的特点，针对3 0 0 m w 单元机组中储式负压运行煤粉锅炉进行控制。文献【2 4 采用炉膛辐射信号为中间被 调量的串级控制系统，然后将模糊控制与神经网络相结合，实现模糊神经网络预测 控制。 4 其他 文献 2 5 分析基于直接能量平衡压力控制系统的实质，提出分析、整定d e b 系 统的方法；同时还分析送、引风控制系统特点，提出优化送、引风控制系统方法。 该优化控制技术用于工程实际，明显改善了锅炉燃烧控制系统品质。文献【2 6 基于 能量平衡s m i t h 预估器的锅炉母管蒸汽压力的优化控制。研究实施锅炉母管蒸汽压 4 华北电力人学硕十学位论文 力控制的难点，提出基于直接能量平衡和s m i t h 预估器的锅炉母管蒸汽压力的优化 控制算法。文献 2 7 采用了自抗扰控制( a d r c ) 和主蒸汽压力送风量通道解耦策 略，以提高系统的自适应性和鲁棒性，解决系统的强祸合、大延迟问题。文献 2 8 】 结合多a g e n t 理论设计了一种新型的并列运行锅炉母管压力控制系统。包括控制系 统的总体结构设计和系统中各a g e n t 的功能、结构和运行机制的设计等，同时还对 系统的各种性能进行了仿真试验。 本文设计了一种c m a c ( 小脑模型神经网络) 与p i d 并行的串级控制策略调节 汽压。 1 3 课题参考锅炉介绍 河北晋州的7 5 t h 秸秆锅炉项目是我国“十一五规划中三个国家级示范工程 之一，是全国第一个采用国产设备、纯燃烧秸秆发电项目，也是省市充分利用可再 生能源、造福人民的重点工程。 本锅炉为无锡花光锅炉股份有限公司制造的，单锅筒、集中下降管、自然循环、 四回程布置的燃秸秆炉。炉膛采用膜式水冷壁，炉底布置水冷振动炉排。在冷却室 和过热器室分别布置了高温过热器、中温和低温过热器。尾部采用光管式省煤器及 管式空气预热器。炉膛、冷却室和过热器室四周全为膜式水冷壁，为悬吊结构；尾 部竖井烟道四周为护板，采用钢架支承结构。锅炉蒸发量7 5 t h ，额定蒸汽压力( 表 压) 3 8 2m p a ，给水温度1 5 0 ，排污率2 ，锅炉热效率9 0 。 锅炉燃料按1 0 0 玉米秸秆进行设计，按1 0 0 燃烧果木枝条进行校核，还兼顾 其它生物质燃料( 小麦秸秆、棉花秸秆、糠醛渣等) 并满足以煤为备用燃料。 秸秆及果木枝条分析结果见表l _ 1 ：( 西安热工研究院试验结果) 秸秆入炉尺寸要求：秸秆破碎前打包至尺寸2 1 2 1 2 ( m ) ，每包秸秆重量 5 0 0 k g 。 玉米秆、棉花秆、果木枝条等入炉前以炉前破碎机破碎，破碎后的尺寸为：长 5 0 m m ，厚5 m m ，宽度为秸秆的自然宽度。破碎后的秸秆由秸秆输送到料仓，再由给 料机输送进炉膛燃烧；麦秆包撕碎后由铰笼送进炉膛燃烧；糠醛渣须粉碎后由炉膛 后墙下方的抛煤机抛入炉膛燃烧；燃煤由炉膛后墙下方的抛煤机抛入炉膛。 5 华北电力入学硕士学位论文 表1 - 1 秸秆及果木枝条分析结果 项目符号单位玉米秸小麦秸棉花秸 果木枝条 全水m 。 9 81 0 43 2 7l o 3 水分m 。d 8 3 4 8 1 49 0 06 9 7 灰分a d 8 1 48 9 0 5 6 02 1 0 挥发份v d 7 3 167 2 0 47 2 7 8 7 9 8 5 碳c d 4 5 6 04 4 5 74 7 1 64 9 6 4 氢 h d2 1 2 2 1 32 1 82 4 9 氮n d 1 - 0 30 6 91 0 5 0 4 9 氧0 d 4 2 9 04 3 4 84 3 7l 4 5 2 2 全硫s t d 0 2 2o 2 30 2 9 0 0 5 发热量 q 眦。， m j k g l5 6 815 4 71 8 2 716 5 9 1 4 课题的主要任务 锅炉燃烧过程实质是将燃料化学能转变为蒸汽热能的能量形式转换过程。分析 秸秆在锅炉中的燃烧过程，建立燃烧系统的生产流程模型，分析燃料量、汽机调汽 门丌度变化对燃烧系统的影响是本文的主要任务。 燃烧过程控制的根本任务是使燃料所提供的热量适应锅炉蒸汽负荷的需要，并 保证锅炉安全经济运行。燃烧过程控制的具体任务及其控制策略因燃料种类，燃烧 设备以及锅炉的运行方式不同有所区别。对于秸秆锅炉来说，燃烧控制系统的基本 任务可归纳为以下几方面： ( 1 ) 蒸汽压力恒定。汽压的变化表示锅炉的蒸汽产量和负荷的耗汽量不相适 应，这时必须相应地改变燃料的供应量，以改变锅炉的蒸汽产量。 ( 2 ) 燃烧控制系统应能迅速发现并消除燃料量的自发扰动，维持主蒸汽压力的 稳定。 ( 3 ) 保证锅炉燃烧过程经济性。当燃料量改变时，必须相应地调节送风量，使 它与燃料量相配合，保证燃烧过程有较高的经济性。到目l j 为止，锅炉的燃烧效率 不能直接测量出来，因此经常是用一些间接的方法来判断燃烧的效率。因为锅炉炉 膛的燃烧效率与炉膛烟气含氧量有关，因此一般是采用调节送风量以维持炉膛烟气 含氧量始终维持在最佳含氧量水平上，从而保证炉膛燃烧的经济性。 ( 4 ) 风量与送风量相配合以保证炉膛压力在某一恒定值。炉膛压力的高低，关 6 华北电力人学硕士学位论文 系着锅炉的安全经济运行。负压过小有引起炉膛爆炸的危险，负压过高则会造成风 机耗电量增加，排烟热损失的增加。 ( 5 ) 炉排的控制原则是：秸秆烧完后，灰渣在炉排面上均匀分布，在出口处的炉 排面上也应该有渣，但没有灰渣堆积现象。炉排振动频率过快，炉排尾部没有渣，炉 排面暴露在炉膛火焰辐射下，不宜保护炉排免受火焰的强烈辐射。反之，则炉排出口 处会出现堆渣现象。因此必须建立炉排振动与给料量的数学关系。 7 华北电力人学硕十学位论文 第二章秸秆锅炉燃烧过程分析与动态特性研究 电厂机组包含的设备众多，分别属于各个子系统，本课题是研究秸秆锅炉燃烧 控制系统动态特性以及控制策略，因此首先要对秸秆锅炉燃烧过程控制系统进行必 要的分析。 2 1 秸秆锅炉燃烧系统的任务 电站锅炉燃烧过程实质是将燃料化学能转变为蒸汽热能的能量形式转换过程。 燃烧过程控制的基本任务是使燃烧所提供的热量适应锅炉蒸汽负荷的需要，并保证 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、燃烧设备以及锅炉的运行方式不同而有区别，燃烧系统的任务归纳起来有下面 几个： ( 1 ) 维持蒸汽压力稳定 如果是一台锅炉运行，则维持过热器出口蒸汽压力，如果是几台锅炉并列运行， 则维持母管压力。 锅炉蒸汽压力作为表征锅炉运行状念的重要参数，不仅直接关系到锅炉设备的 安全运行，而且其是否稳定反映了燃烧过程中能量供求关系。汽压的变化表示锅炉 的蒸汽产量和负荷的耗汽量不相适应，这时必须相应地改变燃料的供应量，以改变 锅炉的蒸汽产量。在单元机组中，锅炉燃烧蒸汽压力控制与汽机负荷控制是相互关 联的，锅炉的能量控制系统的任务是及时调整锅炉燃料量，使锅炉的能量输出与汽 机对外界负荷需求而需要的能量输入相适应，其标志是蒸汽压力的稳定。 ( 2 ) 保证锅炉燃烧的经济性 保证燃烧过程的经济性是提高锅炉效率的重要方面，它是通过维持进入炉膛的 燃料量与送风量之间的最佳比值来实现，即在有足够的风量使燃料得以充分燃烧的 同时，尽可能减少排烟造成的热损失。 当燃料量改变时，必须相应的调节送风量，使它与燃料量相配合，保证燃烧过 程有较高的经济性。到目前为止，锅炉的燃烧效率不能直接测量出来，因此，经常 用一些间接的方法来判断燃烧效率，而燃烧控制系统的发展与这一问题的解决方案 密切相关。 ( 3 ) 维持炉膛压力稳定 锅炉炉膛压力是否稳定反映了燃烧控制中进入炉膛的风量与流出炉膛的烟气 之间的工质平衡关系。若送风量大于引风量，则炉膛压力升高，太高的压力会造成 炉膛向外喷火；反之，送风量小于引风量炉膛压力下降，过低的压力会造成漏风而 降低炉膛温度，影响炉内燃烧工况，经济性下降。所以说，炉膛压力是否在允许范 8 9 华北电力人学硕士学位论文 l 一炉膛，2 一汽包，3 一过热器，4 一蒸汽母管，5 一汽轮机 w 一给水量，i 广- 给水热焓，p b _ 汽包压力，d 一蒸汽流量，d 广汽机耗汽量 u t - 一汽机进汽开度，p 旷汽机背压，i ”过热蒸汽焓，p m 一母管压力 图2 2 汽压对象生产流程示意图 2 2 1 汽压调节对象的特征 p o 锅炉的燃烧过程是一个能量转换，传递的过程，也就是利用燃料燃烧的热量产 生用汽设备所需蒸汽的过程。主汽压力是衡量蒸汽量与外界负荷二者是否相适应的 一个标志。因此，要了解燃烧过程的动态特性主要是弄清汽压对象的动态特性。 ( 1 ) 汽压被控对象的生产流程及环节划分【3 2 】 3 3 1 锅炉汽包压力是燃烧过程控制的主要被控量，分析燃烧过程对象的动态特性， 是确定燃烧系统自动控制方案的主要依据。汽压被控对象的生产流程如图，整个系 统由炉膛l ，汽包，水冷壁组成的蒸发受热面2 ，过热器3 ，母管4 和用汽设备5 组成。工质( 水) 通过炉膛吸收了燃烧发出的热量，不断升温，直到产生饱和蒸汽汇 集于汽包内，最后经过过热器成为过热蒸汽，输送到用汽设备做功。 环节1 ： 其输入量为单位时问内炉膛燃烧的燃料量m ( k g g ) ，输出量为单位时 间内传给炉膛受热面的燃料发热量q r ( k j i s ) 。又称炉膛热负荷。 在锅炉运行中，当燃料量m 发生变化时，送风量和引风量同时协调变化，这 时的燃料量m 的变化，表示锅炉燃烧率的变化，q r 的变化与燃烧率的变化成正比。 燃烧和传热过程是一个复杂的物理化学变化过程，燃料量改变后，首先将热量传给 受热面的金属管壁( 辐射传热和对流传热同时进行) ，然后将热量传给锅炉的汽水容 l o 华北电力人学硕士学位论文 所以环节1 的传递函数可近似表示为 w ( s ) = 器氓p 咖s ( 2 - 1 ) k 0 一燃料量m 变化引起炉膛热负荷q r 变化关系的比例系数，k j k g ； t m 一燃料量变化至炉膛热负荷变化的滞后时间，s 。 环节2 ：对于锅炉受热面，其流入热量是燃烧后传给受热面热量q r ，并有一部 分热量储存在锅炉中。汽包压力p m 反映了流入热量与流出量的平衡关系。环节2 q ，d t = ( f ”一t ) 删，+ 丸 ( 2 2 ) 式中f 。一过热器焓值， k j k g ； 一给水焓值，k j k g ； 乇汽包水焓值，k j k g ； d 一蒸汽流量，k g s 睨一汽包储水量，k g ； 由于锅炉内饱和水的热焓是饱和蒸汽压力p b ( 即汽包压力) 的函数，即 = ( 只) 则如掣妃 代入上式，得 q r 蚓卜u 啪呢掣妃 堑( & ) 旦：三+ 1 木堡 i “一i si “一i s d t 哌塑盟 令g = 望i - i ，；。叮= 旦i - i ， 得d q = 。+ c 6 鲁 华北电力大学硕十学位论文 式中g 一蓄热系数，k g m p a 一用蒸汽流量单位表示的锅炉汽水容积吸热量( k g s ) 。 在上式中，蓄热系数g 代表了锅炉的蓄热能力，即表示当锅炉汽包压力每改变 1 m p a 时锅炉多释放出的蒸汽量。而d d 则表示炉膛热负荷o ，的大小。所不同的是， 此时热负荷o ，是用热流量d q 表示的。如果测量出蒸汽流量d 和汽包压力的变化速 度堡a r t ，将两者按一定的比例( 比例系数c b ) 相加，就能得到代表热负荷q ，的信号， 所以信号d d 也称作热量信号。 环节2 的输入量取热量信号与蒸汽流量信号之差，输出量为汽包压力p b ，对上 式进行拉氏变换，得到环节2 的传递函数为： 喇2 揣2 万1 ( 2 3 ) 由上式可以看出，环节2 是一个积分环节，其积分时间的大小取决于锅炉的蓄 热系数c b 。随着锅炉参数和通容量的增加， c b 下降。 环节3 ：这罩仅考虑过热器的流通特性( 过热器的吸热量在环节2 中已考虑) 。 过热器的进e l 压力是汽包压力p b ，出口压力为蒸汽母管压力p m ，过热器出口，入 口差压的大小于过热蒸汽器流通阻力，蒸汽流量d 有关系。可用下式近似表示为 一只= k d 2 ( 2 4 ) 上式两边取增量，为 d ( 一只) = 2 k d d d 令2 k 矿= r ，则上式写成如下形式： d d ：垡! & 二墨! r g r 式中 d ( 昂一只) 压力变换增量，m p a ； 扣蒸汽变换增量，k g s ； & 过热器动态阻力，c m 2 。 r g r 的大小于锅炉负荷d 有关，随负荷增加而增加。将上式拉氏变化得环节3 1 2 华北电力人学硕士学位论文 的传递函数： w 3 = 只( s ) 一( s ) r ( 2 - 5 ) 环节4 ：蒸汽母管的流入量是锅炉的蒸汽量d ，流出量足进入汽机的蒸汽量d r ， 二母管压力p m 反映了流入，流出蒸汽流量物质平衡关系，p m 作为环节4 的输出 量，取d 和d r 之差作为输入变量，则环节4 的传递函数为： w 4 ( s ) =d ( j ) 一d ，o ) c m s ( 2 6 ) 式中一蒸汽母管的容量系数，k g m p a 。 环节5 ：汽机的流通量d t 是母管压力p m ，汽机背压p o 和调节阀开度u t 的函 数，由于背压p o 很小而且很少变化，假定汽机调节阀为线性的，则坏节5 的传递 函数可用下式表示： 。r = 击“所 ( 2 - 7 ) 式中 k r - - - 汽机动念流通阻力系数，石m 万p a ；职 s k r - - - 调节阀的静态放大系数， 百k g s ； u t - - 调节阀开度，； 兄一母管压力，m p a ； d r 汽机通汽量，k s 。 对上式取拉氏变换后为 d 加) = 去匕( s ) + k r u r ( s ) ( 2 书) 取母管压力昂及阀门开度“r 作为输入量，d r 作为输出量， 根据上述五个基本环节的分析，可以画出燃料量变换及气轮机调节阀开度变化 时，汽压被控对象的方框图。为了研究问题方便，将环节1 的输出量q ，也可用热 量信号d q 来，则环节1 的比例系数k ，m 用k m 来代替，此时 k m ：箬 1 3 华北电力人学硕士学位论文 环节l 的传递函数为舄等= k 肘p 1 胪 ( 2 - 9 ) 式中 k m 锅炉燃料量变化引起蒸汽量变化的比例系数3 4 1 。 汽压被控对象的方框图如下图所示 图2 - 3 汽压被控对象方框图 ( 2 )燃烧率扰动下汽压被控对象的动态过程特性 由于给料量提供燃料量不均匀以及秸秆的质量( 发热量) 发生变化，引起了燃料 量的变化。若燃料量增加，炉膛热负荷立即增大，致使汽包压力上升，差压增大， 就使蒸汽量增加。由于汽机调汽门开度不变，主汽压力将随着蒸汽的累计而增大。 主汽压的升高又会使蒸汽通向用汽设备的流出量增加，最终达到新平衡。m 扰动下 的汽包压力变化的传递函数可推导出为： w 。( s ) ：一p b ( s ) ：当壁! 盟 ( 2 1 0 ) 。、7 m ( s )s ( c o c u r + c 0 + c 6 ) 同样，燃烧率扰动下母管压力p m 变化的传递函数为 w h ( s ) ：螋：l 丛生址e 嘞， ( 2 1 1 ) 。、7 m ( s ) r r + r g r( 1 + 7 强) 【c 6 ( q + r 矿) j + 1 】 ( 3 )负荷扰动下汽压被控对象的动态模型 负荷阶跃扰动下，汽压变化的动态特性有下列两种情况。 a u t 扰动下汽压被控对象的动态模型 在这种情况下，u t 的阶跃变化是汽压被控对象的输入量，而p b 和p m 是输出量， 由图可得相应的传递函数： 1 4 华北电力大学硕十学位论文 吲沪器2 琢洱i - 两k r r 瓦r 面面p 嘞5 ( 2 - 1 2 ) - k r r r r 窖r + k ，r 2 r 2 一 r 7 + r 扩r 7 + r g rc b ( r r + r g r ) s + 1 ( 2 - 1 3 ) b 用汽重d 仇功卜汽胜被弪盯冢阴列念辽程俣型 由图可以得到在d 阶跃扰动下汽压被控对象的传递函数： ( s ) = 而p b ( s ) = 币瓦万- 1 丽 2 一1 4 ) 同理可得： = 鬻= 币万q r 丽v s + 1 ( 2 _ 1 5 ) 2 2 2 供风自动调节对象的特征 送风调节系统的任务是通过调节送风机入口挡板，使烟气中的含氧量0 2 保持 最佳值，从而保证锅炉燃烧系统配置最佳定燃比( v b ) ，使锅炉达到最高的热效率。 洽使燃料完全燃烧所需的空气量标为理论空气量v l ，实际上按理论空气量无 法完全达到完全燃烧的目的，一般总要使送风量比理论空气量多一些。可用过剩空 气系数a = v v l 来衡量。当实际空气量v 过高时，会增加风机的耗电和排烟损失； v 过低，又会增加不完全燃烧，使锅炉热效率降低。保证锅炉热效率最高的a 值称 为最佳0 【值，最佳0 【值与锅炉负荷有关，一般i x = 1 2 1 4 之间。过剩空气系数i x 还 可以用