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1 第三章锅炉燃烧控制系统 2 一 燃烧控制系统的基本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 燃烧过程控制的根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 1 维持蒸汽压力稳定锅炉蒸汽压力作为表征锅炉运行状态的重要参数 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 在单元机组中 锅炉蒸汽压力控制与汽机负荷控制是相互关联的 锅炉燃烧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为适应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 3 2 保证燃烧过程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 3 维持炉膛压力稳定锅炉炉膛压力是否稳定反映了燃烧过程中进入炉膛的风量与流出炉膛的烟气量之间的工质平衡关系 若送风量大于引风量 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围内变化 关系到锅炉的安全经济运行 4 锅炉燃烧过程的上述三项控制任务是不可分开的 它的三个被控参数 被调量 即蒸汽压力 过剩空气系数或最佳含氧量 炉膛压力 与三个调节量 即燃料量 送风量 引风量 间存在着关联 因此燃烧控制系统内的各子系统应协调动作 共同完成其控制任务 二 汽压被控对象的动态特性 1 燃烧率扰动下的汽压动态特性 5 燃料量扰动下的汽压对象的动态响应曲线 6 2 汽机调门开度扰动下的汽压动态特性 汽机调节阀开度扰动下的汽压响应曲线 锅炉燃料量不变 汽机调门开度阶跃变化 7 三 燃烧控制系统组成的基本原则 1 燃烧控制系统在外界负荷需求改变后应立即改变锅炉的燃料量 维持燃烧过程的能量平衡 然而 主蒸汽压力对燃料量的响应呈现较大的迟延和惯性 特别是采用直吹式制粉系统的燃烧过程 如何迅速改变燃烧率至关重要 8 2 燃烧控制系统应能迅速发现并消除燃料量的自发扰动 维持主汽压力稳定 3 当外界负荷需要改变时 锅炉的送风量和引风量应与燃料量协调动作 使锅炉燃烧经济性指标及炉膛压力参数保持平衡 即锅炉燃烧工况的稳定 4 对于单元制运行的锅炉允许主汽压力在一定范围内波动 特别是滑压运行时汽压变动范围更大 故 系统中有关参数应加以温度和压力的修正 以提高参数测量的精确性 9 燃烧控制系统的控制方案 燃料 空气系统 具有氧量校正的燃料 空气系统 具有热量信号的燃料 空气系统 10 燃料 空气原则性系统 P0 11 PI1 PI3 PI2 V L V B V VS d PS 热量 空气原则性系统 QDr 热量信号 QDr 为克服实际燃料量测量的困难 以D C dp dt QDr 代替燃料量B P0 M M QDr 12 P0 13 引入氧量校正的作用 当煤质变化时 这种情况是经常发生的 根据氧量的多少来适当调整 校正 风量 可保持最佳风煤比例 保持炉内过剩空气稳定 保持经济燃烧 根据锅炉的燃烧特点 在高负荷时 氧量要稍低一些 而低负荷时 氧量要稍高一些 14 1 要在燃料量 送风量 引风量三个子调节系统协调动作的基础上进行整定 2 调节系统中的有关系数一般是从满足稳态配比的原则确定 以保证燃料量 送风量和引风量满足适当的比例关系 3 燃烧调节系统中的三个调节量 燃料量 送风量 引风量 和三个被调量 汽压 过剩空气系数和炉膛压力 在动态过程中不允许有过分的超调 燃烧调节系统的调整原则 15 3 2中储式锅炉燃烧控制策略 16 一 概述中间储仓式锅炉的燃料系统和燃烧过程是相互独立运行的 燃料系统的任务是将原煤制成煤粉并存入煤粉仓 进入炉膛的燃料量是由给粉机将存于煤粉仓的煤粉送入炉膛 二 制粉控制系统中储式钢球磨的控制 17 燃煤火力发电厂进入锅炉炉膛的是磨碎的煤粉 将原煤块磨成煤粉的机械就是磨煤机 目前在电厂中采用的磨煤机有钢球磨煤机 竖井式磨煤机 风扇磨煤机等 原煤进入磨煤机被磨成煤粉 由送入磨煤机的风作为动力 将煤粉送入煤粉仓储存起来 18 一 控制任务 1 保证磨煤机磨成煤粉的细度符合规定 在我国煤粉细度是用70号筛子上煤粉颗粒的百分数 R70 来表示 煤粉太粗会增加机械未完全燃烧损失 煤粉太细又会增加磨煤机的耗电量 因此 煤粉细度是制粉系统的主要的质量指标 19 2 解决煤粉的输送和防爆 必须对磨煤机出口风粉混合物的温度提出要求 如果磨制的煤粉温度过高 则容易引起自燃而导致煤粉爆炸 煤粉温度太低 即意味着煤粉因流动性差而无法采用气力输送 且易积粉 如果保证了风粉混合物的温度不变 则煤粉的湿度也基本上保持不变 20 3 力求降低磨制每吨煤粉的耗电量 提高经济性 钢球磨煤机制粉的耗电率除了与煤粉细度有关外 还与钢球的装载量 煤的装载量有关 与煤种 管道阻力 制粉系统的漏风量也有关 因此 要保持磨煤机处于最佳出力的工作状态 则必须及时消除来自各方面的扰动 21 1 给煤量扰动制粉系统运行中常会发生因煤块过大 煤太湿 给煤机工作不正常以及管道布置不合理等造成的断煤现象 此外还有通风阻力变化引起的通风量变化和煤粉细度的波动 在通风量一定时 磨煤机装煤量不仅影响煤粉细度R70 而且影响磨煤机出力B 它们之间的关系如图所示 在保证煤粉细度符合要求的前提下 为使磨煤机有最大出力 应保持磨煤机的装载量为最佳值 22 2 通风量扰动进入磨煤机的风量变化将引起磨煤机出力B以及煤粉细度R70 的变化 其关系曲线如上图所示 在其它条件不变时 可通过控制磨煤机入口负压来调整通风量 在保证煤粉细度符合要求的前提下 加大通风量可提高磨煤机的出力 Gm B曲线 Gm与R70 和B的关系 装煤量 磨煤机出力 风量 细度 23 3 原煤水分的扰动进入磨煤机原煤水分的变化将直接影响煤粉的湿度 使煤粉湿度保持在一定范围 既有利于储存和输送 又有利于保证磨煤机的最大出力 因此对不同水分的原煤要向磨煤机加入不同的热风 在不产生煤粉爆炸的前提下 尽量减小煤粉的湿度 二 控制系统组成根据磨煤机装煤量扰动 通风量扰动和原煤水分扰动的分析 磨煤机控制设计有三个控制回路 即磨煤机负荷控制回路 磨煤机入口负压控制回路和磨煤机出口温度控制回路 三个回路均设计为单回路控制系统 24 1 磨煤机负荷控制系统由于钢球磨在不同出力工况下 其耗电量变化较小 因此在保证煤粉细度的前提下 应使磨煤机工作在最大负荷下 磨煤机装煤量目前尚无直接的且准确的测量手段 一般采用间接方法 如磨煤机前后的压差代表装煤量 磨煤机负荷控制方案 a b c 风粉混合物流量D 25 方案 a 工作原理是 磨煤机差压信号 pm经排粉机前节流元件差压 p修正后的信号C作为被调量 被调量C与其给定值R比较后的差值信号E送到比例积分调节器 经运算后输出控制信号U 控制信号U作用到给煤单元控制给煤机 从而改变进入磨煤机的原煤并保持在最佳值 磨煤机差压 pm与装煤量之间有 球磨机阻力系数 风粉混合物流速 节流元件差压 p与装煤量之间有 节流元件阻力系数 过节流元件的气体流速 26 其中 以比值C作为球磨机负荷控制系统的被调量 目的是消除气体的流速等因素对磨煤机差压的影响 实际上 球磨机的制粉系统是负压运行 球磨机本身负压较小 而排粉机进口负压较大 故漏风量对 pm的影响较小 对 p的影响却较大 因此 比值C并不能消除漏风对装煤量的影响 即测量误差仍然存在 只有在漏风量一定的条件下 经过 p修正后的磨煤机差压 pm才能较准确地反映装煤量 27 此外 给煤量改变时首先改变的是磨煤机喉部阻力 之后才改变煤位 如给煤量增加 磨煤机喉部阻力增大 机身筒内的流速降低 故磨煤机差压首先减小 在磨煤机内存煤量增多之后 差压才开始增大 由此可见 在给煤量扰动之后 响应有一段时间的虚假信号 且扰动量越大这种虚假现象就越严重 Gm与Im和B的关系 球磨机的负荷特性 磨煤机出力 装煤量 装煤量 28 方案 b 工作过程是 用磨煤机工作电流变化来间接反映装煤量的变化 磨煤机的工作电流经转换器转换成电压信号 然后与其给定值R比较 其偏差值E送入比例积分调节器运算 控制信号U通过执行机构改变进入磨煤机的原煤量 如上图 b 由于球煤机工作电流变化较小 所以电流 电压转换器应有较高的灵敏度 此外 还要每天按时给磨煤机加钢球 以避免钢球重量变化对磨煤机工作电流产生影响 29 方案 c 对磨煤机而言 原煤量是流入物质 而风粉混合物则是流出物质 引入风粉混合物流量D的磨煤机负荷控制系统如上图 c 方案 c 中 磨煤机差压 pm与风粉混合物流量信号D综合后作为负荷控制系统的被调量 其工作过程与方案 a b 一样 风粉混合物流量信号是保证干燥风量的信号 在D保持不变时 pm越大 磨煤机装煤量越大 方案 d 对磨煤机而言 装煤量越大 噪声越小 通过测量磨煤机的噪声 来实现磨煤机负荷的控制 其工作过程与方案 a b c 一样 磨煤机的噪声越大 磨煤机装煤量越小 30 2 磨煤机入口负压控制系统磨煤机入口负压控制的目的是维持制粉系统的通风量 同时保证制粉系统各点负压 制粉系统负压过大则增加漏风量 负压过小又会出现漏粉 左图是磨煤机入口负压控制系统组成原理方框图 磨煤机入口负压p负作为被调量 与其给定值R求偏差后送入比例积分调节器运算 调节器输出的控制作用U通过执行机构改变冷风挡板开度 从而改变磨煤机通风量以维持入口负压在给定值 31 3 磨煤机出口温度控制系统 磨煤机出口温度控制系统如左图 其组成原理及工作过程与入口负压控制系统是一样的 它是通过改变热风门挡板开度调整热风量来控制出口温度的 对磨煤机出口温度来说 在热风门开度变化后 其温度变化有一定的延迟和惯性 然而单独调整还是比较容易维持被调量的 但是 在热风量变化后进入磨煤机的通风量 热风量 冷风量 即随之变化 从而磨煤机入口负压也变化 实际上 在调整冷风量以维持入口负压时 也就影响了磨煤机出口温度 32 可见这两个系统之间是相互影响的 作为一个整体考虑时 这是一个双输入双输出的多变量系统 因此要想获得较好的调节效果 仅仅采用上述两个单回路系统是不够的 一般地 从负压控制系统中要引出冷风挡板位置指令信号 并以前馈的方式作用到热风挡板位置控制回路 使磨煤机出口温度控制系统改变为前馈加反馈的负荷控制系统 这样可以补偿冷风门开度对出口温度的影响 对于磨煤机控制回路来说 设计一个三输入三输出的多变量控制系统是合理的 可收到比三个独立的单回路控制系统要好得多的调节效果 33 三 燃烧控制系统1 采用热量信号的燃烧控制系统以热量信号DQ代替燃料量信号M热量信号与进入炉膛的燃料量M间呈比例关系 仅在时间上存在迟延 因此 用热量信号代替燃料量信号是可行的 34 锅炉主指令 燃烧率指令 烟气中的实际含氧量 锅炉蒸汽流量 热量信号 进入炉膛的实际风量 炉膛压力 给粉机转速指令 送风指令 引风指令 燃料 空气 燃烧控制方案 又称 热量 氧量 的燃烧控制 经热值修正后的给粉机转速信号 35 工作过程 1 当BD增加时 调节器PI1动作 增大给粉机转速增加燃料量 PI2动作增大送风量 PI2输出的增大 经前馈通道增大引风机位置指令 增大引风量 引风量与送风量成比例变化 送风量与燃料量成比例变化 2 由热量信号DQ反映的进入炉膛燃料量与指令BD不相等时 比例积分特性的调节器PI1输出指令就继续增加 直到DQ与BD平衡为止 同样 风量调节器PI2的作用保证风量与主指令相平衡 而炉膛压力调节器PI3则保证炉膛压力Pf等于设定值 36 3 风量控制子系统是由PI2 PI4组成的串级系统 其中PI2为内回路调节器 PI4为外回路调节器 由于燃烧控制系统的一个重要任务是保证燃烧的经济性 即燃料量与风量应有最佳的匹配 在该燃烧控制系统中 风量和燃料量是成比例变化的 然而当煤种变化其发热量偏离其设计值时 这种成比例变化显然难以保证经济燃烧 37 4 燃烧的经济性可通过过剩空气系数或烟气含氧量反映 即保证燃烧过程中有最佳的烟气含氧量 无疑就保证了燃烧过程的经济性 调节器PI4的被调量是烟气含氧量 其目标值是锅炉蒸汽流量D经函数f x 标定后给出的 即在不同的负荷下烟气含氧量应具备的最佳值 当实际含氧量偏离目标值时 PI4输出变化经乘法修正进入炉膛的实际风量 再次调整进入炉膛的风量 使等于当前负荷下的最佳值 热量信号的运算实现 汽包压力 注 其实本身是一个实际微分 38 2 采用给粉机转速信号的燃烧控制系统基本点 采用给粉机转速信号代替进入炉膛的燃料量信号 不仅是因为通常情况下给粉机转速与给粉量成正比 而且在负荷扰动时给粉机转速信号要比热量信号反应快 对负荷侧扰动的适应性强 能使燃料控制子系统快速平衡下来 系统特点 热量信号代替燃料量信号 并对风量施以氧量校正 能消除燃料自发扰动的影响 经热值修正后的给粉机转速信号 热值校正回路 39 结构分析 给粉机实测转速信号经乘法器运算后输出信号nQ 比较器 积分器I 乘法器组成一个闭合系统 其输入信号为热量信号DQ 根据积分特性 稳态时积分器输入信号必为零 即nQ DQ 这表明在一定意义上nQ代表着热量信号 因而该方案具备采用热量信号的控制系统特征 加入这种热值修正功能 不仅能消除煤种变化的影响 而且可消除给粉机转速自发变化的影响等 对于燃烧过程 无论是煤种变化 还是给粉机转速自身改变 都表现为炉膛发热量的变化 如DQ nQ 积分器输出增大 的乘法系数增大 nQ增大 在燃料子系统中 nQ BD 调节器PI1输出减