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毕 业 设 计(论文)
题 目 大型火电机组燃烧控制系统分析
院 系 专业班级 学生姓名 指导教师
动力工程系
热能与动力工程专业0805班 李 平
李建强
二○一二年六月
华北电力大学本科毕业设计（论文）
大型火电机组燃烧控制系统分析
摘 要
对于火力发电机组，在系统组成与结构一定时，机组运行的安全性和经济性主要取决于锅炉安全经济的运行，而锅炉运行的安全性和经济性又主要取决于锅炉燃烧系统的性能。本文结合燃煤锅炉运行的具体情况，以自动控制原理为基础，对锅炉燃烧系统的运行进行了分析。
本文在对国内外锅炉控制现状、发展趋势分析的基础上，研究了燃煤锅炉燃烧系统的自动控制问题。分析了燃烧控制系统的热工控制结构特点，为更大范围符合锅炉燃烧的要求，提高燃烧自动的控制系统的利用率，是在按照传统燃烧自动控制结构设计的基础上优化实现的。燃烧控制系统是一个复杂的综合性控制系统，从控制理论上讲，它可为是多输入/多输出的多变量控制系统。它由六个子系统构成：燃料控制系统、磨煤机一次风量控制系统、磨煤机出口温度控制系统、一次风压力控制系统、二次风量控制系统和炉膛压力控制系统。在设计中，利用相应的控制规律和控制器进行优化设计，达到燃烧的最优化。锅炉燃烧集经济性、安全性于一身,并针对直吹式煤粉炉燃烧控制系统进行了分析,设计出可行性方案。
关键词：燃烧控制；直吹式制粉锅炉；火力发电厂
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华北电力大学本科毕业设计（论文）
Large Thermal Power Unit Of Combustion
Control System Analysis
Abstract
For thermal power units, in the system composition and structure must be, the unit operation of security and economy depends on the operation of the boiler safe economy, and boiler operation safety and economy and mainly depends on the performance of the boiler combustion system. Combining with the coal boiler operation of the specific situation, with automatic control principle as the basis, the boiler burning the operation of the system is analyzed.
Based on the analysis of the present situation and development trend of boiler control domestic and overseas and long-time study experiments, plant boiler is researched in this paper. The problem of automatic control for coal-fired boiler combustion system is discussed in this thesis. The structure characteristics of burning control system are analyzed. In order to accord with the boilder burning requirements of more scope, and improve the utilization of the burning. On the basic of the traditional structure it is designed for the optimuming of burning automation. The brum boiler burning control system is a complicated and synthetical control system. On control field ,we call it multiple input multiple output and multiple parameter control system. It is made up of six subsystem：Fuel control system, A wind mill control system, Mill outlet temperature control system, An air pressure control system, Secondary air flow control system and The furnace pressure control system. In this design, we applying some control principles and control appliances to find the most economic scheme to achieve optimum combustion, then make the burn boiler burning system have both safety and economy. Take the direct-blowing boiler combustion system as a example to analyse.
Keywords:Combustion control；direct-fired boiler ；fuel electric plant
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目 录
摘 要............................................................................................................ 错误！未定义书签。 1. 绪 论...................................................................................................... 错误！未定义书签。 1.1锅炉燃烧控制的发展概述 ..................................................................... 错误！未定义书签。 1.2本课题研究的内容和意义 ....................................................................................................... 1 2. 1000MW机组的燃烧系统及其设备......................................................................................... 3 2.1燃烧系统的工作过程 ............................................................................................................... 3 2.2制粉系统及其设备 ................................................................................................................... 4 2.2.1制粉系统 ................................................................................................................................ 4 2.2.2制粉系统的主要设备 ............................................................................................................ 5 2.3燃烧设备 ................................................................................................................................... 8 2.3.1煤粉炉的炉膛 ........................................................................................................................ 8 2.3.2燃烧器 .................................................................................................................................... 9 2.4风机 ......................................................................................................................................... 10 3. 燃烧控制系统的分析 .............................................................................................................. 12 3.1概述 ......................................................................................................................................... 12 3.1.1燃烧过程控制任务 .............................................................................................................. 12 3.1.2燃烧过程调节量 .................................................................................................................. 12 3.1.3燃烧过程控制特点 .............................................................................................................. 13 3.2燃料控制系统 ......................................................................................................................... 14 3.2.1燃料调节系统 ...................................................................................................................... 14 3.2.2燃料调节——测量系统 ...................................................................................................... 15 3.2.3给煤机指令 .......................................................................................................................... 16 3.3磨煤机一次风量、出口温度控制系统 ................................................................................. 16 3.3.1磨煤机一次风量控制系统 .................................................................................................. 16 3.3.2磨煤机出口温度控制系统 .................................................................................................. 17 3.4一次风压力控制系统 ............................................................................................................. 18 3.5二次风（送风）控制系统 ..................................................................................................... 22 3.5.1总风量调节——测量系统 .................................................................................................. 22 3.5.2烟气含氧量调节及偏差限制系统 ...................................................................................... 23 3.5.3送风调节系统 ...................................................................................................................... 25 3.6炉膛压力控制系统 ................................................................................................................. 26 结 论............................................................................................................................................ 29 参考文献 ....................................................................................................................................... 30 致 谢............................................................................................................................................ 31
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1 绪 论
1.1锅炉燃烧控制的发展概述
锅炉燃烧控制作为实现锅炉安全经济运行目标的有效手段,随着计算机技术,CRT 显 示技术,通讯技术和自动控制理论应用的迅速发展,为使锅炉燃烧控制系统能统一到机, 炉,电控制的高效智能一体化,信息管理与控制集成化中,以及现场总线控制系统(FCS) 和智能仪表融入到分散控制系统(DCS)的新型控制和保护策略的网络自动化中,国内外许多公司在这方面都做了有益的探索。经典控制理论, 现代控制理论, 智能控制理论作为自动控制理论发展的三个不同阶段, 在锅炉燃烧控制理论的发展上得到了体现。
在 70 年代,其控制过程采用单回路调节器实现,控制策略PID控制,锅炉燃烧控制的研究主要集中在锅炉的动态特性和数学模型,从线性到非线性,从单变量到多变量,从时不变到时变等,都进行了广泛而深入的研究。使生产一线一部分工人从繁重的体力劳动中解脱出来。增加了生产的平稳性和安全性。
进入 80 年代以后,计算机技术的迅速发展引起了控制技术的革命,现代控制策略迅速在锅炉燃烧控制系统的实际应用中得到发展,控制策略也得到了长足的发展,特别是智能技术发展,有代表性的有:最优化控制,自适应控制,预测控制等。这些优化控制技术将模型与控制系统的设计结合起来考虑,重点在于使所设计的控制系统具有鲁棒性,而模型则不像先前那样要求得很严格。为解决国内现有中小型燃煤锅炉出力不能随着外界温度的变化及时变化,炉膛温度低,排烟温度较高。风煤比不能及时调整,炉膛换热效率低等问题指明了方向。 随着现代科学技术的迅速发展和重大进步,生产的规模越来越大,使得控制对象日益复杂化,而且人们对控制系统的性能指标诸如控制精度等要求也越来越高,自动控制理论正面临新的发展机遇和严峻挑战。
传统的经典控制理论和现代控制理论在应用中遇到不少难题,其主要原因是: (1)这些控制理论都是针对系统精确的数学模型进行研究的,而与普遍带有复杂性,不确定性,不完全性,模糊性,时变性,非线性等的实际系统有一定差距; (2)这些控制理论研究系统时必须提出一些比较苛刻的假设,而这往往与实际不符; (3)对于某些复杂的和包含不确定性的控制过程,根本无法用传统数学模型来表示,即无法解决建模问题; 这些控制理论为了提高性能指标所设计出的控制系统往往很复杂, (4) 即增加设备投资,又降低系统的可靠性。与此同时,人工智能的研究得到飞速发展,并迅速渗透到各领域中。自动控制与人工智能的结合产生了智能控制。
20 世纪 90 年代,国内不少学者将智能控制用于锅炉系统的建模,仿真,诊断及控制。智
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能控制理论主要是以数值计算,逻辑运算,符号推理等为工具,模拟人类学习和控制的能力,对难以建立精确数学模型的复杂系统进行控制研究。总而言之,以上提到的燃烧控制系统(包括大部分电厂采用的串级控制和新近提出的控制策略)都有其自身的优势,但由于锅炉燃烧过程很复杂,都没有对燃烧过程建立精确的数学模型。锅炉燃烧问题是科技工作者普遍关注的问题,也是发展较快的一个领域。在这方面,发达国家曾经走在最前列,特别是美国,日本等国家,他们研制的各种燃烧设备一度占领了国际市场。现在,发展中国家正以极快的速度发展,争取在这一领域占有一席之地[1]-[20]。
1.2本课题研究的内容和意义
一、本课题研究的内容
通过查阅大量中文、外文资料，了解国内、外电厂锅炉燃烧控制系统的背景及发展，分析本设计课题的可行性，并撰写开题报告。深入学习本课题所涉及的基础理论及新方法，针对燃烧控制对象的多变量耦合、迟延大、惯性大的特点，利用多变量解偶、前馈控制等经典控制理论。详细了解1000MW单元机组锅炉直吹式制粉系统和风烟系统的流程和主要设备情况，据此分析其燃烧系统的控制方案，包括燃料控制系统、风量控制系统、炉膛压力控制系统、磨煤机控制系统、一次风控制系统、辅助风和燃料风控制系统等，绘制各控制系统方框图和逻辑图。
二、本课题研究的意义
我国的主要矿物燃料基本都是被燃烧掉的[11]，节约能源、保护环境是国家产业政策的核心，确保燃烧过程始终处于最优状态可最大限度地节约能源、保护环境，这也是研究燃烧控制系统的根本目的。
电厂燃煤锅炉是我国目前应用面宽，数量多的耗用一次能源的重要设备。每年消耗原煤几亿吨。锅炉运行的好坏，燃烧系统的优劣，对于节约能源，保护环境等有着重大的社会经济效益。由于燃煤工业锅炉有不同于燃气、燃油锅炉的特点，所以，在当前国外对燃气、燃油锅炉有较好的控制方法时，燃煤锅炉的燃烧系统还存在着许多问题要解决，这要求人们认真地研究和探索。
火电厂锅炉机组越来越向大容量、高参数、高效率的方向发展，对锅炉燃烧控制系统控制品质的要求也随之提高。在系统组成与结构一定时，机组运行的安全性和经济性主要取决于锅炉的安全经济运行，而锅炉运行的安全性和经济性主要取决于锅炉的燃烧运行调整。在火电发电成本中，燃料费用一般要占70%以上，因此，提高锅炉燃烧系统的运行水平对机组的节能降耗具有重要意义。
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2 1000MW机组的燃烧系统及其与设备
2.1燃烧系统的工作过程
燃煤锅炉的工作过程主要由以下几个过程组成：
（1）原煤破碎——原煤干燥与磨制煤粉——输送煤粉——组织燃烧； （2）空气加热——燃料燃烧配风；
（3）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——由过热器受热面讲蒸汽进一步加热达到过热状态；
（4）排渣、清灰、除灰、烟气排放。
图2-1 煤粉锅炉及其辅助系统示意图
外界冷空气是经送风机升后送往空气预热器的。冷空气在空气预热器内被烟气加热后，一部分热空气则直接经燃烧器送入炉膛，这部分热空气称为一次风；另一部分热空气
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则直接经燃烧器送入炉膛，这部分热空气称为二次风。二次风在炉膛内与已着火的煤粉气流混合，并参与燃烧反应。
煤粉和空气经燃烧器送入炉膛后在炉膛内进行悬浮燃烧放出热量。炉膛周围布置着大量水冷壁管，炉膛上部布置着顶棚过热器及屏式过热器等受热面，水冷壁和顶棚过热器等是锅炉的辐射受热面。高温火焰和烟气在炉膛内向上流动时，主要以辐射换热的方式把热量传递给水冷壁和过热器管内的水或蒸汽，烟气自身的温度也不断地降低下来。
烟气离开炉膛以后进入水平烟道。在锅炉本体的烟道，然后再向下进入垂直烟道。在锅炉本体的烟道内布置着过热器、再热器、省煤器和空气预热器等受热面。烟气在流过这些受热面时主要以对流换热的方式放出热量，这些受热面称为对流受热面。过热器和再热器布置在烟气温度较高的地区，称为高温受热面。而省煤器和空气预热器布置在烟气温度较低的尾部烟道内，故称为低温受热面或尾部受热面。
烟气流经一系列对流受热面时，不断放出热量而逐渐冷却下来，离开空气预热器的烟气（即锅炉排烟）温度已相当低，通常在110~160℃之间。由于煤粉锅炉的烟气中携带有大量飞灰，为了防止环境污染，锅炉的排烟首先要经过除尘器，使绝大部分飞灰被捕捉下来。最后，比较清洁的烟气通过引风机由烟囱排入大气。
以上与燃料有关的煤、风、烟系统称为锅炉的燃烧系统。锅炉的“炉”即泛指燃烧系统。燃烧系统是由燃烧设备（炉膛、燃烧器和点火装置）、空气预器、通风设备（风机）以及烟风道组成的。锅炉的燃烧系统的工作生产流程如下所示。
燃烧所需要的空气——送风机——空气预热器——两路热风管道
燃烧器二次风喷口——燃烧室 —— 制粉系统输送煤粉——燃烧器一次风喷口——燃烧室
2.2制粉系统及其设备
2.2.1制粉系统
制粉系统分为中间仓储式制粉系统和直吹式制粉系统，它是指将原煤磨成粉，然后送入锅炉进行悬浮燃烧所需设备和相关连接管道的组合。中间仓储式制粉系统将磨好的煤粉先储存在煤粉仓中，然后再根据锅炉运行负荷的需要，从煤粉仓经给粉机送入炉膛燃烧；
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而直吹式制粉系统将原煤经磨煤机制成煤粉后直接吹入炉膛进行燃烧。直吹式制粉系统又可以分为正压系统和负压系统两种。本文采用直吹式制粉系统，对其特点进行简要的介绍。
现代大型发电机组大多数都采用直吹式制粉系统。直吹式锅炉的燃烧控制具有如下特点：
（1）中间粉仓式制粉设备的锅炉在燃烧设备与制粉系统之间有明显可分的界限，而直吹式制粉设备的锅炉将制粉设备与锅炉本体紧密地联系成一个整体。因此在直吹式制粉设备的锅炉运行中，制粉系统成为燃烧过程自动控制不可分割的组成部分。
（2）在中间粉仓式制粉设备的锅炉中，改变燃料调节机构位置（给粉机转速）就能立即改变进入炉膛的煤粉量。因此中间粉仓式锅炉无论在适应负荷变化或消除燃料自发性扰动方面都比较及时。而在直吹式锅炉中。改变燃料调节机构位置（给煤机转速）后，还需经过磨煤制粉的过程，才能使进入炉膛的煤粉量发生变化，直吹式锅炉在适应负荷变化或消除燃料内扰方面的反应均较慢，从而引起汽压较大的变化。因此在锅炉负荷不变时，控制系统如何及早地发现原煤量的扰动就成为直吹式锅炉燃烧控制系统中需要特别予以考虑的问题。
（3）由于直吹式锅炉在单独改变给煤量时并不能快速地使煤粉量发生变化（因磨煤机有较大的迟延和惯性），但改变一次风量却能迅速改变进入炉膛的煤粉量。因此为了提高直吹式锅炉的负荷响应能力，在改变给煤量的同时应同时改变一次风量。
（4）为及早消除燃烧量的自发性扰动，首先要及时地发现进入磨煤机中的原煤量的变化，即要快速正确地测量出磨煤机中的煤量。进入磨煤机中煤量的测量方法随着磨煤机类的大小来间接反映磨煤机中煤量的多少。
2.2.2制粉系统的主要设备
（一）磨煤机 一.磨煤机的分类
发电厂使用的磨煤机大致分为以下三种：
（1）低速磨煤机：转速为15至25r/min,目前常用的是双进双出的钢球筒式磨煤机、单进单出的钢球筒式磨煤机；
（2）中速磨煤机：转速为50至300r/min，如MPS中速磨煤机、RP(或HP)中速磨煤机、MBF中速磨煤机；
高速磨煤机：转速高达750至1500r/min,如锤击式和风扇磨式磨煤机。 二.磨煤机的工作原理
这里以中速碗式磨煤机为例，它的工作原理是，给煤机将煤从磨煤机中心落煤管进入，
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煤落到旋转的磨碗上，在离心力的作用下向磨碗的边缘移动。三个独立的弹簧加载磨辊按相隔120℃分布于磨碗上部，磨辊与磨碗之间保持一定间隙，两者并无直接的接触。磨辊利用弹簧加压装置施以必要的研磨压力，当煤通过磨辊与磨碗之间时，煤就被磨制成粉。这种磨煤机主要是利用磨辊与磨碗对它们之间的煤的压碎与碾磨两种方法来实现磨煤的。磨制出煤粉由于离心力的作用继续向外移动，最后沿磨碗边缘溢出。
磨煤干燥用的热空气由磨碗周缘的风环进入磨煤机的磨煤空间。热空气携带煤粉上升，较重的煤粉颗粒脱离气流，返回磨碗重磨，这是煤粉的第1级分离。煤粉气流继续上升，在分离器顶部进入折向门装置，由于碰撞在分离器顶部壳体上和转弯处的离心力作用，又有一部分粗粉颗粒返回磨碗重磨，这是煤粉的第2级分离。较细的煤粉气流通过折向门进入内锥体，折向门叶片使风粉混合物在内锥体内产生旋转，由于离心力作用，煤粉进一步分离，这是煤粉的第3级分离。折向叶片的角度决定旋流的速度，从而决定煤粉的最终细度。细度不合格的煤粉沿着内锥体内壁从旋流中分离出来，返回磨碗重磨，而细度合格的煤粉经由出口文丘里管和出粉管闸门离开磨煤机进入煤粉管道系统。
混杂在煤中石子、煤矸石和铁块等杂质从磨碗边缘溢出后，由于较重而从风环处落下。在磨碗下部的热风室内装有可转动（随主轴转动）的石子煤刮板，它把上述杂物刮入石子煤排出口，进入石子煤箱中石子煤排出口装有阀门，在磨煤机正常运行情况下，阀门保持开启，只有在清理石子煤箱时（石子煤箱出石子煤），才关闭该阀门。平时切记不要关闭此阀门，否则杂物留在机内，被刮板支架和刮板研磨，会造成部件的额外磨损，甚至会使石子煤刮板断裂，并存在潜在的着火隐患。
如果有煤排入石子煤箱，则表明给煤量过多，或磨辊压力过小，或一次风流量太小，或磨煤机出口温度过低。磨煤机部件磨损过多或调整不当也会造成煤的排出。煤的过量溢出表明磨煤机运行不正常，应立即采取措施，加以调整[13]。
磨煤机是在正压下运行，密封空气系统向动静间隙提供清洁空气，用以防止热空气和煤粉溢出而污染传动部件。也向磨煤机磨辊耳轴提供密封空气以免煤粉进入磨辊轴承。
三.磨煤机的调整
磨煤机投运之后，需要对其调整。通常需要调整的量有：磨辊与磨碗的间隙、磨辊弹簧的压力、煤粉细度和磨煤出力等。
1.磨辊与磨碗间隙的调整
当磨辊与磨碗间的间隙过大时，粉碎煤的能力降低，石子煤收集箱中含煤量增加，磨煤机的出力减小。当磨辊与磨碗的间隙过小时，磨辊与磨碗之间会发生冲击震动，这对碾磨件、轴承、齿轮和电动机等的寿命有不利影响。
间隙调整的原则是在不相碰的前提下间隙越小越好。间隙的调整是用磨辊定位螺栓
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（又称顶丝）来完成的。磨辊辊套和磨碗衬板的磨损也会增大间隙，当间隙无法用定位螺栓调整到所需数值时，则说明磨辊辊套和磨碗衬板需要调换。
2.磨辊弹簧压力的调整
弹簧的压力与弹簧的压缩量成正比，通过调节压力调节螺栓可以调节弹簧的压力。弹簧压力的调整与煤质有关，必须在调试时通过实验来确定。
3.煤粉细度的调整
煤粉细度的调整主要是通过改变分离器折向门叶片的开度来完成的，折向门叶片开度从大到小，则煤粉细度由粗变细。当用折向门叶片开度调节煤粉细度时，折向门开度达最大（半径方向）时，煤粉仍太细，则就需要减小磨辊弹簧的压力；反之，折向门开度达最小时，煤粉仍很粗，则就需要加大磨辊弹簧压力，以增加磨辊对煤层的碾磨紧力。
必须注意，磨煤机的一次风量也会影响煤粉细度。但是一次风量的大小取决于使炉内保持良好着火燃烧的一次风比例，不能把它作为调节煤粉细度的手段。
4．磨煤出力的调整
一般当磨煤机出力低于50%额定出力时，由于煤粉燃烧器出口煤粉浓度过低，对煤粉着火稳定性不利。另外，磨煤机出力过低，对制粉系统不经济，单位电耗会增加。反之，当磨煤机出力超过额定值太多，将会导致磨煤机的运行不稳定。磨煤机出力的调整是根据机组负荷的变化，通过调节给煤机的给煤量（给煤机转速）来完成的。通常磨煤出力调整数据要通过调整实验来确定。
（二）给煤机
给煤机是将原煤定量、均匀地根据锅炉的负荷或磨煤机的出力调节给煤量的设备。目前主要采用电子称重式给煤机和刮板式给煤机两种。
一. 电子称重式给煤机
电子称重式给煤机是引进美国Stock公司引进技术制造的一种带有电子称重和微机控制装置的皮带式给煤机，通过自动调速装置可以将煤精确地定量送入磨煤机，其误差仅为1%。给煤机由机体、输煤皮带、电机和驱动装置、清扫装置、称重装置、断煤报警装置和工作灯等组成。
二. 电子称重式给煤机的工作原理
给煤机由两个固定在机体上的称重托辊形成一个确定的称重跨距，在称重跨距中间另有一称重托辊，此托辊悬挂在一对负荷传感器上，称出称重跨距内皮带上一半煤的重量。经标定的负荷传感器的输出信号表示皮带单位长度上一半的煤量。连接在皮带驱动滚筒上的编码器的频率信号表示皮带的运动速度。负荷传感器输出信号经放大器变换后乘以编码器频率信号即表示给煤机的给煤量（t/h）。
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经标定的给煤机信号经过转换和综合产生一个累计信号，送入总煤量显示器，其输出显示了给煤的累计总重量。
给煤量信号通常输入一个频率而产生一个模拟量，其与磨煤机所需给煤量成正比。给煤量信号与磨煤机要求煤量指令信号相比较，得到一个差值信号，从而控制皮带驱动滚轮转速，使给煤机煤量符合磨煤机要求的给煤量指令信号。
电子称重给煤电路能按给煤量指令信号大小来输送煤，与煤的密度变化无关。如果皮带上的煤密度发生变化，皮带速度也随着变化，以保持给煤量为正值。皮带速度变化与煤的密度变化成反比。
原煤在给煤机内流程如下：煤仓中原煤→煤流检测器→煤斗闸门→落煤管→给煤机进口→给煤机输送皮带→称重传感组件→断煤信号→给煤机出口→磨煤机。8224型给煤机工作原理比较简单，原煤仓落煤经给煤机进口，由皮带驱动滚轮驱动皮带滚动，将皮带上原煤输送至给煤机出口进入磨煤机进行碾磨。皮带边缘的零星落煤由其下部的清扫装置连续清理刮至给煤机出口。给煤机给煤量调节是通过电磁调速电动机控制启动滚轮转速而实现的。
电子称重式给煤机给煤量的称重原理是通过负荷传感器测出的单位长度皮带上煤的重量G，再乘以由编码器测出的皮带转速v，就得到了给煤量B，即B=Gv。
2.3燃烧设备
煤粉炉的燃烧设备包括炉膛、燃烧器、点火装置以及为燃料燃烧提供热风的空气预热器。本文主要介绍炉膛和燃烧器。
2.3.1煤粉炉的炉膛
在煤粉炉中，炉膛是供煤进行悬浮燃烧的空间，也是热交换的场所。固态排渣炉的炉膛结构如图2-3所示，它的四周炉墙上布满了蒸发受热面（水冷壁），大型锅炉在炉膛中还敷设有辐射式、半辐射式过热器和再热器。它的结构大小和受热面，应使烟气在炉膛出口之前得到足够的冷却，防止对流受热面结渣，同时满足锅炉蒸发量的要求。炉膛的下部，由前后墙水冷壁管倾斜形成冷灰斗，把炉膛内燃烧后分离出来的高温炉渣占总灰量的5%~10%，其余随烟气的形式流经对流受热面后排出锅炉。
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图2-3 燃煤锅炉示意图
炉膛既是燃烧空间，又是锅炉的换热部件，因此它的结构必须能保证燃料的完全燃烧，又能使烟气到达炉膛出口时已被冷却到受热面不结渣的温度。为此，炉膛应满足以下要求
[15]
：
（1）应具有足够的空间和合理的形状，以便组织燃烧，减小不完全燃烧热损失。 （2）要有合理的米内温度场和良好的炉内空气动力特性，不仅能够保证燃料在炉内
稳定着火和完全燃烧，又能够避免火焰冲击炉墙，防止炉膛水冷壁结渣。
（3）应能布置足够的受热面，将炉膛出口烟温降到允许的数值，以保证炉膛出口及其后面的受热面不结渣。
2.3.2燃烧器
一.燃烧器的布置
采用直流燃烧器下的四角切圆的燃烧方式，其具有炉膛充满度好，扰动大、有利于燃烬、低NOx排放等一系列优点，是当前国际先进的一种燃烧方式。
四角燃烧器在炉膛内布置成对冲燃烧方式，1号、2号、3号、4号燃烧器出口与相邻墙壁夹角均成45℃。它将煤粉（一次风）和二次风在炉膛四角与炉膛中心一假想切圆相切的方式喷入炉膛，实现煤粉的切圆燃烧。
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二.工作原理主要表现为几个过程：
（1）煤粉气流卷吸高温烟气而被加热的过程；
（2）射流的相互撞击、射流两侧的补气及压力平衡过程； （3）煤粉气流的着火过程；
（4）煤粉与二次风空气的混合过程； （5）四股气流形成的切圆旋转过程；
2.4风机
随着我国火力发电机组容量的不断增加，作为火电厂主要辅助设备的风机，除适应了电厂容量扩大的需要外，对风机的可靠性和运行经济性更提到了一个新的高度。风机行业电厂锅炉风机的生产企业努力以各自的方式来适应电力工业建设的需要。与初期产品相比，现在为电厂锅炉配套风机的技术等级和质量指标均有了划时代的发展，风机的运行经济明显提高，风机产品总体的可靠性的提高体现在因风机故障所引起电厂计划外停机事故的减少上。
电厂所需风机种类很多。诸如锅炉鼓引风机、一次空气风机、排尘风机、烟气再循环风机、脱硫风机及密封风机等等。这些风机对电厂核定经济运行均有其重要作用。但这几种风机中脱硫风机目前尚未摆在日程上，而烟气再循环风机、排粉风机、密封风机由其工作性质所决定都采用离心式已无需讨论，但锅炉鼓引风机及一次空气风机则常有不同见解和配套方式[19]。引风机，其作用是及时排出燃料在锅炉炉膛内燃烧时所生成的烟气；一次风机，其作用是将磨制好的煤粉排送至炉膛。
1.离心式风机工作原理
当离心泵启动后，泵轴带动叶轮一起作高速旋转运动，迫使预先充灌在叶片间液体旋转，在惯性离心力的作用下，液体自叶轮中心向外周作径向运动。液体在流经叶轮的运动过程获得了能量，静压能增高，流速增大。当液体离开叶轮进入泵壳后，由于壳内流道逐渐扩大而减速，部分动能转化为静压能，最后沿切向流入排出管路。所以蜗形泵壳不仅是汇集由叶轮流出液体的部件，而且又是一个转能装置。当液体自叶轮中心甩向外周的同时，叶轮中心形成低压区，在贮槽液面与叶轮中心总势能差的作用下，致使液体被吸进叶轮中心。依靠叶轮的不断运转，液体便连续地被吸入和排出。液体在离心泵中获得的机械能量最终表现为静压能的提高。
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2.轴流式风机工作原理
叶片的旋转使空气受到冲击力,从而使空气获得一定的速度和风压,并由导叶和扩散筒将部分动能转变为静压,从而使风机出口具有一定的风速和风压。
轴流式风机与离心式风机相比有以下优点：
（1）轴流式风机体积小，占地少，外形尺寸与风（烟）道尺寸相近。 （2）轴流式风机的叶片可以做成转动，调节风量较为方便。 （3）采用动叶调节时，轴流式风机的工作范围较为宽阔。
因此大容量机组的锅炉送、引风机普遍采用离心式，以改善低负荷运行时的效率。在直吹式制粉系统中冷一次风机需要产生较高的风压,一般都采用轴流式[2]。
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3 燃烧控制系统的分析
3.1概述
3.1.1燃烧过程控制任务
燃烧控制系统的任务可归纳为以下三个方面： 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需关系。汽压控制的任务是维持蒸汽压力为一定值。在单元制运行方式下，由一台锅炉向一台汽轮机供汽，机炉之间存在紧密联系。锅炉的蒸汽压力值与机组的运行状态及运行方式有关。因此锅炉的气压控制与汽轮机的负荷控制是相互关联的。
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一个重要方面。目前燃烧过程经济性是靠维持进入炉膛的燃料量与送风量之间的最佳比值来保证。也就是既要保证有足够的送风量使燃料得以充分燃烧，同时尽可能减少排烟造成的热损失。然而在许多情况下，对于进入炉膛的燃料量难以准确测量，加上燃料品种的变化，因此难以确定并维持燃料量与风量之间最佳比值。因而常采用控制烟气中过剩空气系数，以其校正燃料量与风量之间比值的办法，保证燃烧过程经济性。
3.维持锅炉炉膛压力稳定
锅炉炉膛压力反映了燃烧过程中进入炉膛的送风量与流出炉膛的烟气量之间的工质平衡关系。炉膛压力是否正常，关系着锅炉的安全经济运行。若送风量大于引风机的引风量，则炉膛压力升高，会造成炉膛往外喷灰或喷火，压力过高时有造成炉膛爆炸的危险。若排风量大于送风量，炉膛压力下降，不仅增加引风机耗电量，而且会增加炉膛漏风，降低炉膛温度，影响炉内燃烧工况。对于燃煤锅炉，为防止炉膛向外喷灰，通常采用微负压运行。对于燃油锅炉，则通常采用微正压运行，以防止炉膛漏风，使烟气中过量空气系数上升，造成过热器管壁腐蚀。
3.1.2燃烧过程调节量
根据燃烧控制任务，主要调节以下三个物理量。 1.燃料量
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通过调节燃料量使入炉燃料的完全燃烧所产生的量能与锅炉外部负荷需要的量能相适应。
2.送风量
燃料量改变时，送风量也应改变，以保证燃料的完全燃烧和排烟损失最小。调节送风量的目的是保证锅炉燃烧过程的经济性。由于过剩空气系数还不能直接测量，因此用测量烟气含氧量这一间接指标来判断燃烧经济性，或者直接平衡风与燃料比值来保证燃烧经济性。
3.引风量
调节引风量的目的是使引风量与送风量相适应，以保持炉膛压力在要求的范围内，一般通过调节引风量使炉膛维持在微负压状态，以保证燃烧过程稳定性。
3.1.3燃烧过程控制特点
锅炉燃烧过程的这三项任务是不可分割的，可以用三个调节器控制三个调节量（燃料量、送风量、引风量）以维持三个被调量（主蒸汽压力、过量空气系数或最优含氧量、炉膛压力）。其中主蒸汽压力pt是锅炉燃料热量与汽轮机需要能量是否平衡的指标；过量空气系数a是燃料量M和送风量V是否保持适当比例的指标；炉膛压力ps是送风量Vi和引风量Vs是否平衡的指标。
燃烧过程三个被调量的调节存在着明显的相互影响。这主要是由于对象内部（各调节量与各被调量之间）存在相互作用，即其中每个被调量都同时受到几个调节量的影响，而每个调节量的改变又能同时影响几个被调量。图3-1表示了燃烧被控对象调节量对被调节量原影响。所以燃烧过程是一个多输入多输出、且变量间具有相互耦合的被控对象。
燃料量M 送风量V 引风量Vs 图3-1 燃烧对象
调节量 被调量 pt汽压或功率 a过量空气系数 ps炉膛压力 虽然燃烧过程对象三个调节量对三个被调节量都有严重的影响，如果在锅炉运行过程中，严格保持燃料量M、送风量V和引风量Vs这三个调节量比例变化，能保持主蒸汽压力pt、过剩空气系数a和炉膛压力ps基本不变。也就是说，当锅炉负荷要求变化时，燃烧过程控制系统应使M、V、Vs这三个调节量同时按比例地快速改变，以适应外界负荷的需要，并使pt、a、ps基本不变；当锅炉负荷要求不变时，燃烧过程控制系统应能保持相
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应的调节量稳定不变。因此，燃烧过程控制系统的设计和分析，显然要比前面所讨论过的汽包水位、锅炉给水、汽温等这类单变量对象要复杂得多[12]。
本文采用直吹式制粉系统，燃烧控制系统主要包括6个子系统，即燃料控制系统、磨煤机一次风量控制系统、磨煤机出口温度控制系统、一次风压力控制系统、二次风量控制系统和炉膛压力控制系统。
3.2燃料控制系统
燃料控制系统的任务是保证进入锅炉的燃料量随时与外界负荷要求相适应，控制系统大都设计成串级调节系统。其接受的是锅炉指令，反馈信号是热量信号，控制的是给煤机转速，以给煤机转速代表煤量信号。
3.2.1燃料调节系统
热量信号MCS-FD01-0132暖炉油母管压力暖炉油流量暖炉回油流量PTAINFTAINΔH/LFTAIN（INC）MCS-FD04-0126总风量ΔH/L∑32MCS-FD01-0232MCS-FD01-0132MCS-FD04-0232MCS-FD04-03AΔK∫TRACK（DEC）-锅炉负荷指令31DD总燃料量大于（小于）指令（INC）（INC）<ΔK∫∑≯≮（DEC）ΔA100%MCS-LD02-0445MCS-LD02-04TTA0%K∫≯≮TRACK（DEC）MCS-LD02-0432Δ∫TRACK（DEC）AOUT52MCS-LD02-01TH/L≯≮IIAT↕∑IIH/L5MCS-FD02-045MCS-FD02-05∑DD给煤机指令最大（最小）∑∑∑给煤机转速指令111213141516MCS-FD02-04MCS-FD02-05MCS-FD02-04MCS-FD02-05ƒ(x)ZT暖炉油流量调节阀
图3-2燃料调节系统
（1）暖炉油的调节
燃料调节系统如图3-2所示，暖炉油流量与暖炉回油流量通过减法器输出燃油总油量，输出的燃油总油量一路与热量信号作代数和。另一路与给定油量作比较经过PID调节，再通过高低限幅，输出控制信号作用于暖炉油流量调节阀，控制燃油总油量的大小。其中高
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低限幅是由暖炉油母管压力与给定值经过PID调节得出的值。当暖炉油母管压力与给定值偏差过高时，跟踪器选择经燃油总油量PID调节后的信号作为燃油的压力。这样保证燃油有足够的压力使油雾化，达到充分燃烧。暖炉油流量调节阀也可以通过手动进行调节。当暖炉油流量调节阀为手动时，由模拟信号发生器产生调节量。
（2）燃煤量指令的形成
锅炉负荷与总风量在小值选择器中进行比较，选择小者作为燃料量指令的定值信号。通过小值选择器选择定值信号的作用是为了保证锅炉在燃烧过程中，风量始终大于燃煤量，保证燃煤在炉膛中能完全燃烧，提高燃烧的经济性。在稳定时，锅炉负荷指令与风量信号及燃煤量近似相等，达到适当的燃料/风量静态配比。
（3）给煤指令的形成
小值选择器的输出作为PID燃料控制器的给定值，热量信号作为燃料控制器的反馈信号，同时小值选择器的输出还作为前馈信号送至加法器，以加快燃料量的响应速度。六台给煤机转速相加得出实际总煤量，其与经过控制器调节后的理论总煤量比较，再经过积分调节得出给煤机转速指令。当限制煤量增加或减少作用时，切换开关选通右边的信号。
3.2.2燃料调节——测量系统
A给煤机STB给煤机STC给煤机STD给煤机STE给煤机STF给煤机STAIN40AIN41AIN42AIN43AIN44AIN45MCS-LD02-01MCS-LD02-02MCS-LD02-02MCS-LD02-03MCS-LD02-03MCS-LD02-043535363637373838393940MCS-FD02-0540MCS-FD05-01MCS-FD02-04MCS-FD02-04MCS-FD05-01MCS-FD02-04MCS-FD05-01MCS-FD02-05MCS-FD05-01MCS-FD02-05MCS-FD05-01总燃料中包括A给煤机46总燃料中包括B给煤机47总燃料中包括C给煤机48总燃料中包括D给煤机48总燃料中包括E给煤机49总燃料中包括F给煤机50MCS-LD02-01MCS-LD02-02MCS-LD02-02MCS-LD02-03MCS-LD02-03MCS-LD02-04TAT给煤率ATATATATA给煤率7MCS-FD02-0410MCS-FD02-04∑6MCS-FD02-04给煤率MCS-FD02-04给煤率∑8∑给煤率9给煤率11MCS-FD02-04MCS-FD02-046MCS-FD08-01总煤量
图3-3 燃料调节——测量
如图3-3所示，进入锅炉燃烧的总煤量由所有运行磨煤机的给煤量相加。当其中一台给煤机测速变送器发生故障时，将直接产生给煤机转速故障信号，送入逻辑控制系统，进
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行逻辑控制。为了防止给煤机检修试转或其它原因时引起控制系统误动，需要对该给煤机采取相应的措施。通过切换开关可以达到防止系统的误动。
3.2.3给煤机指令
MCS-FD02-035MCS-FD04-03MCS-FD04-03MCS-FD04-03AOUT±TMCS-FD02-0135A330%AOUT±TAMCS-FD02-0136330%AOUT±TA330%≯≮TT≯≮TTMCS-FD02-0137≯≮TT62616564AT↕6867MCS-LD02-02MCS-FD04-03IIAT↕IMCS-LD02-01MCS-LD02-0116MCS-FD04-03IIAT↕IMCS-LD02-02MCS-LD02-0217MCS-FD04-03IMCS-LD02-02185460MCS-LD02-01MCS-LD02-02MCS-FD02-016MCS-FD02-03115563MCS-LD02-01MCS-LD02-02MCS-FD02-017MCS-FD02-03II5666MCS-LD02-01MCS-LD02-02MCS-FD02-018MCS-FD02-0316MCS-FD03-0117MCS-FD03-0218MCS-FD03-03T12T13T78MCS-LD02-0179H/LD至FSSSA给煤机转速最小MCS-LD02-01H/LD至FSSSB给煤机转速最小80MCS-LD02-01H/LD至FSSSC给煤机转速最小A给煤机给煤指令B给煤机给煤指令C给煤机给煤指令
图3-4燃料调节——给煤指令系统
如图3-4所示，对A给煤机来说，由燃料调节系统得出的给煤机转速指令在A给煤机手动时，手动切换开关产生作用，手动操作信号发生器产生的信号作为给煤机转速，再经过高低值限幅，如果产生的给煤机转速指令过低，将送至FSSS。其中当A给煤机转速至最小（逻辑图号62）时，给煤机关闭（切换开关输出0%作为高值限幅）。当有减A给煤机转速（逻辑图号61）作用时，第一级压力作为给煤机转速指令的高值限幅。若A给煤机为自动时，A给煤率将直接作为A给煤机转速。
3.3磨煤机一次风量、出口温度控制系统
3.3.1磨煤机一次风量控制系统
煤粉管道中的煤粉和空气混合物的速度应保证在一定范围内（约在20~30m/s左右），流速太低会使煤粉沉积在管道内，也会造成磨煤机内煤的溢出。另外，流速过低还会使着火点移近燃烧器喷口，使燃烧器过热或烧坏；流速过高，带入炉膛的煤粉颗粒度过粗，使着火减慢，煤粉和空气在炉膛的混合度差，使不完全燃烧增加，同时可能造成结渣。因此，磨煤机的一次风量必须保持在给定值。一次风量的给定值是随给煤机给煤量的改变而改变，其ƒ(x)函数关系如下。
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值定设量流风次一001%025%给煤机转速75%100%
图3-5给煤机转速与一次风量给定值的关系
从图3-5可知，给煤机转速（代表给煤量）在25%~75%改变时，对应的一次风量给定值的改变为线性关系，给煤机转速不会低于25%。当给煤机转速为最低速度25%时，对应的一次风量给定值满足大于煤粉和空气混合物的最低允许速度，约22m/s。当给煤机转速达75%时，对应的一次风量给定值能满足煤粉和空气混合物的最高允许速度（30m/s）。当给煤机转速在25%~75%之间时，应保证有适当的风煤比，以保证煤粉在炉膛内完全燃烧。
磨煤机一次风量控制系统如图3-6所示，A磨煤机入口风量经A磨煤机入口热风温度除法，开方器进行修正，得到修正后的一次风量。修正后的一次风量信号与给定值有偏差时，控制器PID输出的控制作用发生变化，通过切换开关T去开大或关小A磨煤机热风挡板，同时阀位变送器ZT输出一信号去A磨煤机出口温度控制系统，作为A磨煤机出口温度控制系统的前馈信号。控制器PID输出的控制信号是开大或关小A磨煤机热风挡板是通过PTC来控制的。当控制信号大于A磨煤机热风挡板ZT反馈的信号时，控制信号选通左端，输出开大挡板的信号。反之，选通右端，输出关小挡板的信号。当置热风挡板手动作用时，一次风量系统控制切换成手动方式。
3.3.2磨煤机出口温度控制系统
磨煤机出口温度控制的任务是保持出口温度在一定的范围内变化。如果温度太低，煤和粉煤将得不到足够的干燥，造成制粉困难，甚至造成堵塞，影响煤粉的输送；如果温度太高，可能会引起制粉系统某些地方着火，发生事故。因此输送煤粉的一次风必须满足一定的温度。从图3-6可知，改变冷、热风挡板的开度，能够改变一次风的温度，从而合磨煤机出口温度保持在给定值。
磨煤机出口温度信号经变送器与给定值进行比较，则控制器PID有控制信号输出，通过切换开关T去开大或关小A磨煤机冷风挡板，使磨煤机出口温度恢复到给定值，同时来自磨煤机热风挡板开度的信号作为前馈信号来改变冷风挡板的开度，以减少磨煤机出口温度控制时对一次风量的影响，以保证进入磨煤机的一次风量为恒定。控制器PID输出的控制信号是开大或关小A磨煤机冷风挡板是通过PTC来控制的。当控制信号大于A磨煤机
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冷风挡板ZT反馈的信号时，控制信号选通左端，输出开大挡板的信号。反之，选通右端，输出关小挡板的信号。当置冷风挡板手动作用时，磨煤机出口温度控制切换成手动方式。
B磨煤机出口温度B磨煤机入口热风温度B磨煤机入口风量TETEFTB给煤机转速指令17AINAINAINƒ(x)（INC）ΔK∫∑TRACK(DEC)÷√(INC)PTCTΔK∫TRACK(DEC) MCS-LD03-0291关I&I238AT↕IIPTCT30492≥1MCS-LD02-02MCS-LD03-02MCS-LD03-02MCS-LD03-02关90T↕IIII30389237COUTCOUTAIN&≥1MCS-LD03-02MCS-LD03-02MCS-LD02-02COUT%COUTAINƒ(x)ZT001ƒ(x)值定设量流风次一ZT0给煤机转速100%
图3-6 磨煤机一次风量、出口温度控制系统
3.4一次风压力控制系统
为了使磨煤机冷风挡板的位置变化和一次风量相对应，要求一次风母管压力恒定，因此设计了一次风压力控制系统。一次风由两台动叶可调轴流式一次风机产生，并采用改变一次风机动叶节距来保持一次风压力等于给定值，称为一次风压力控制系统，如图3-7所示。
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进入炉膛的一次风压力给煤机转速给煤机转速给煤机转速MCS-FD02-04MCS-FD02-04MCS-FD02-04给煤机转速MCS-FD02-04PTPT给煤机转速MCS-FD02-0412131415AINAIN11MCS-LD04-06>16给煤机转速ΔH/LT217218ƒ1(x)H/LΔMCS-FD02-04>MCS-LD04-06（INC）MCS-LD04-06219ΔK∫≯≮(DEC)（INC）A100%MCS-LD04-06215216TTA0%MCS-LD04-06H/LΔΔ∫TRACK214∑补偿后总一次风量(DEC)MCS-LD04-0620ƒ2(x) 一次风压力控制系统的被调量是进入炉膛的一次风母管压力，测量装置采用双变送器，主、副变送器的切换由转换器T实现。主、副变送器的信号同时送到时偏差器，当某一只变送器有故障超过允许值时，将发出报警信号，提醒运行人员要及时进行检查与修理。 一次风母管压力的给定值即控制器PID的给定值是代表锅炉负荷或内扰变化的煤量信号（给煤机转速）经函数器ƒ1(x)转换后的指令，ƒ1(x)的输出还要经过大值选择器后再作 19 华北电力大学本科毕业设计（论文） 用到控制器PID。大值选择器的作用是保证一次风压力不低于压力6.5kPa，如果一次风压力的测量值与给定值的偏差超过0.3 kPa，将发出报警信号。ƒ1(x)的函数关系如图3-8所示。 压力给定值（kPa）8.76.30255075100X（%）给煤机转速 图3-8 ƒ1(x)的函数关系 主控制器PID的输出作为积分器的给定值指令，积分器的反馈信号是两台一次风机（一次风机A和B）节距信号（代表风量）之和。在正常情况下，积分器的输出经切换开关T2改变一次风机动叶节距，来改变风机的风量，保证一次风压力为要求的给值。一次风机动叶节距也受逻辑信号闭锁一次风叶开/关动叶节距和开/关一次风机动叶的影响。控制器PID输出的控制信号是开大或关小一次风机动叶节距是通过PTC来控制的。当控制信号大于一次风机动叶节距ZT反馈的信号时，控制信号选通左端，输出开大挡板的信号。反之，选通右端，输出关小挡板的信号。切换开关是用来实现自动手动方式切换，当置一次风压力控制手动信号作用时，选通手动操作信号发生器。 小值选择器输入的比较信号是积分器的输出和补偿后总一次风量经函数器ƒ2(x)转换后的一次风机动叶节距开度。它的作用是限制过分地要求开大一次风压。总一次风量由进入各台磨煤机的一次风量相加得到。各台磨煤机的一次风量在磨煤机的入口处测量，并用磨煤机入口的一次风温进行补偿。各台补偿后的磨煤机一次风量相加称为补偿后总一次风量。如图3-10所示是补偿后总一次风量。ƒ2(x)的函数关系如图3-9所示。 100一次风量755025（100，80）0255075100最大动叶节距X 图3-9 ƒ2(x)的函数关系 20 华北电力大学本科毕业设计（论文） 阀位变送器ZT信号是一次风机的动叶节距位置反馈信号，当要求的节距变化的信号过分大于当时的节距位置时，将发出报警信号并采取相应的措施。 A磨煤机入口风温A磨煤机入口风量B磨煤机入口风温B磨煤机入口风量C磨煤机入口风温C磨煤机入口风温TEFTTEFTTEFTAINAINAINAINAINAIN÷√÷√÷√∑补偿后总一次风量MCS-FD04-02∑20∑√√√÷÷÷AINAINAINAINAINAINTED磨煤机入口风温FTD磨煤机入口风温TEE磨煤机入口风温FTTEFT E磨煤机入口风温F磨煤机入口风温F磨煤机入口风温图3-10 补偿后总一次风量 21 华北电力大学本科毕业设计（论文） 3.5二次风（送风）控制系统 3.5.1总风量调节——测量系统 二次风管道有左右两侧，故二次风测量分左右两侧，每侧的二次风量经各自的二次风温进行补偿，两侧补偿后的二次风相加称为补偿后总二次风量。补偿后总一次风和补偿后总二次风量相加，便得到补偿后总风量测量值。如图3-11所示。 A送风机TEFTFTFTB送风机FTTEAINAINAINAINAINAINTΔH/LΔH/LT114115MCS-LD04-01补偿后总一次风MCS-FD04-02MCS-LD04-01÷√30MCS-FD04-02÷√292028MCS-FD04-0227MCS-FD04-02MCS-FD04-02∑H/LH/LH/LMCS-FU04-03×34氧量校正信号116D总风量<40%至FSSSD总风量>30%校正后的总风量MCS-LD04-05总风量<30%MCS-FD02-032626MCS-FD04-02MCS-FD04-0426 图3-11总风量调节——测量系统 图3-11中，二次风量采用双变送器测量，一个为主变送器，一个为副变送器，两个变送器之间有偏差比较器。当两个变送器间的偏差超过规定值时，表示两个变送器之一或者两个变送器同时发生了故障，这时将发生报警信号，并通过逻辑控制电路的作用，使磨煤 22 华北电力大学本科毕业设计（论文） 机一次风量控制由自动地切换到手动方式，以免发生误调。再经过温度补偿修正后得到补偿后的二次风量。将两台送风机A、B补偿后的二次风量相加便得到总二次风量。补偿后总一次风加补偿后总二次风，便得到补偿后总风量测量值。补偿后总风量再经过氧量校正便得到校正后的总风量。 3.5.2烟气含氧量调节及偏差限制系统 锅炉燃烧控制的主要任务是保证燃烧过程的经济性和稳定性。在稳态时，应根据锅炉主控指令的要求协调地控制燃料量和送风量，保持最佳空气/燃料配比和最佳烟气含氧量。在动态时，保证增负荷时先增风后增燃料，减负荷时先送减燃料后减风，达到空气/燃料交叉限制的目的。 锅炉在不同负荷时燃料量和送风量的最佳配比是不同的。因此，希望有一个检查燃料量和风量是否配合适当的指标来校正送风量，这个指标就是烟气中的含氧量。 通常炉膛出口过剩空气系数a是衡量锅炉安全、经济运行的一个重要指标。在锅炉运行中，如果过剩空气系数a过大，可能使火焰中心上移，引起过热器结焦和超温，且炉内温度降低，燃烧恶化。与此同时由排烟带走的热量损失也增大，锅炉效率降低。如果过剩空气系数a过小，由于空气扩散，风和煤粉混合接触机会减小，不完全燃烧损失增大，锅炉效率也将降低。因此锅炉内过剩空气系统a应保持适当值。由于过剩空气系统a与烟气中的含氧量O2%（通常用百分数表示）有如下关系式： a= 2121-O2 （3-1） 关系式（3-1）可以看出，保证了烟气中的最佳含氧量指标也就是使炉膛出口的过剩空气系数a在较合适的范围内。 X%值定设量氧第一级压力100% 图3-12 最佳含氧量与机组的负荷之间关系曲线 实验表明烟气中最佳含氧量与机组的负荷之间存在如图3-12所示的关系曲线，可以看出烟气中最佳含氧量随着机组负荷的增大是减小的。 23 华北电力大学本科毕业设计（论文） 烟气含氧量ATAINATAINATAINATAIN总风量MCS-FD04-01总燃料量MCS-FD02-032632第一级压力MCS-FD07-02ΔH/L∑/433140139给煤机转速指令MCS-FD02-04MCS-FD02-05MCS-FD02-05MCS-FD02-04MCS-FD02-04MCS-FD02-0516MCS-LD04-05MCS-LD04-051718192021(INC)ΔK∫TRACK(DEC)±ƒ(x)>ΔH/L142141MCS-LD04-05MCS-LD04-05IIA144TII(INC)MCS-LD04-05ΔK∫X%TRACK(DEC)143MCS-LD04-05MCS-FD04-01氧量校正值定设量氧1第一级压力100%MCS-FD02-04MCS-FD02-04MCS-FD02-05MCS-FD02-04MCS-FD02-04MCS-FD02-05333333333333 图3-13 烟气含氧量调节及偏差限制系统 烟气含氧量调节及偏差限制系统如图3-13所示，4个分析烟气含氧量变送器相加求平均值，得出烟气平均含氧量。第一级压力经过f(x)变换导出最佳含氧量，经过偏值修正，作为烟气含氧量的给定值。烟气平均含氧量与最佳含氧量的偏差通过PID控制器，输出氧量校正，送入总风量调节——测量系统。 总风量指令与总燃料量指令出现偏差时，一部分输入到高低限监视器，产生控制信号。另一部分经控制器PID调节，输出煤机转速指令偏差修正限制值，作为给煤机转速指令的高值限幅。当同时满足如下条件时：（1）风量测量正常。（2）给煤机转速信号正常。（3）总燃料量与总风量出现偏差。给煤机转速指令的高值限幅值取六台给煤机转速指令的最大值。 24 华北电力大学本科毕业设计（论文） 3.5.3送风调节系统 二次风量（送风）控制系统如图3-14所示，校正后的总风量作为主控制器PID的反馈信号（测量信号）。主控制器PID的给定值是风量指令，它是实际总燃料量信号、锅炉负荷指令信号、最小风量设定值（30%）分别在3个大值选择器比较后，取三者的最大值，一路经过时间函数器，另一路经微分器动态调整，通过大值选择器比较，取两者最大值送入主控制器PID，以保证总风量大于总燃料量，因而保证燃料在炉膛中能完全燃烧。 校正后的总风量MCS-FD04-0126总燃料量32MCS-FD02-03负荷指令31MCS-FD01-01ƒ(x)ƒ(t)（INC）ƒ(x)>A30%d/dt∑>ΔK∫∑≯≮(DEC)ΔH/LDA100%总风量小于指令MCS-LD04-0145TTA0%MCS-LD04-01MCS-LD04-0123（INC）45MCS-LD04-01MCS-FD06-01Δ∫TRACK93∑H/L(DEC)MCS-LD04-02PTCTMCS-LD04-02131130PTCTMCS-LD04-03MCS-LD04-03133132MCS-LD04-02MCS-LD04-02117118&&MCS-LD04-03T↕121122&MCS-LD04-03&MCS-LD04-02&&III125127&&T↕III126128MCS-LD04-02MCS-LD04-02MCS-LD04-03MCS-LD04-03≥1≥1/L201≥1≥1/L202MCS-LD04-03COUTCOUTAINCOUTCOUTAINƒ(x)ZTƒ(x)ZTA送风机动叶控制B送风机动叶控制 图3-14 送风调节系统 在正常情况下，主控制器PID的输出送到副控制器PID，副控制器PID有两路输出：一路经过PTC、切换开关T、逻辑控制器，去改变送风机A的动叶，增加或减少送风机A的送风量；另一路经过PTC、切换开关T、逻辑控制器，去改变送风机B的动叶，增加或减少送风机B的送风量。副控制器PID的反馈信号为送风机A和B经过改变后风量信号 25 华北电力大学本科毕业设计（论文） 之和。主控制器PID的输出是副控制器PID的给定值，这样保证了稳态时总风量等于所需的风量指令。控制器PID输出的控制信号是增加或减小二次风机动叶节距是通过PTC来控制的。当控制信号大于二次风机动叶节距ZT反馈的信号时，控制信号选通左端，输出开大挡板的信号。反之，选通右端，输出关小挡板的信号。其对二次风机动叶节距的控制还受控制量闭锁送风机叶开动叶、闭锁送风机叶关动叶、开送风机动叶、关送风机动叶的影响。 当送风机置手动时，送风机动叶节距控制由手动控制。主控制器PID高低限幅的开关T在接受“送风机节距全关”和“送风机节距全开”信号时切换。送风机动叶节距开度也不能过低，当其过低时，将产生控制信号送入逻辑控制系统中进行异常处理。 3.6炉膛压力控制系统 锅炉动行时，如果机组要求的负荷指令改变，则进入炉膛的燃料量和送风量将跟着改变，燃料在炉膛中燃烧后产生的烟气也将随之改变。这时，为了维持炉膛内的正常压力，必须对引风量进行相应地调节。如果炉膛压力过高，炉膛内火焰和高温烟气就会向外面泄漏，影响锅炉的安全运行；如果炉膛压力过低，炉膛和烟道的漏风量将增大，可能使燃烧恶化，燃烧损失增大，甚至会燃烧不稳定或灭火。因此炉膛压力必须保持在一定的允许范围之内。 1000MW机组炉膛压力控制系统是通过调节两台双速离心式引风机进口动叶节距的位置，使引风量和送风量相适应，以保持炉膛压力在一定的允许范围之内，保证锅炉的经济与安全运行。炉膛压力控制系统如图3-15所示，从图中可以看出该系统具有以下几方面的特点. （一）炉膛压力的测量 采用3个差压变送器测量炉膛压力，它们的输出分别送到中值选择器，输出中间值。采用3个差压变送器的目的是为了防止因变送器故障或信号管道堵塞而影响测量值的可靠性，从而影响炉膛压力控制的可靠性。 测量的中间值与差压变送器的输出（测量）值进行比较，如果偏差超过一定范围，则将发出报警信号。炉膛压力大于+30Pa或小于-40Pa，通过“三态信号监视器”发出报警信号。 （二）采用死区非线性环节的炉膛压力控制 炉膛压力信号与给定值的偏差经死区非线性环节送入炉膛压力主控制器PID，如果炉膛压力和偏差在死区（不灵敏区）内，主控制器PID不动作；如果炉膛压力的偏差超过死区（不灵敏区），主控制器PID将有输出。采用死区非线性环节的目的是可以避免因炉膛 26 华北电力大学本科毕业设计（论文） 压力经常有的微小波动而导致频繁动作调节机构，增加机械磨损和动力消耗。 MCS-FD06-0143MCS-FD06-0144MCS-FD06-0141Δ∫∑TRACKKΔ∫∑42MCS-FD06-01TRACKPTCT191188MCS-FD06-01MCS-FD06-01440PTCTMCS-LD06-03196193MCS-LD06-03&189192&A↕&&A↕IIIIAMCS-LD06-03194197MCS-LD06-03II190223MCS-LD06-02MCS-LD06-05195224MCS-LD06-03MCS-LD06-05&&A&&≥1≥1AA≥1≥1×TT×COUTCOUTAIN247248MCS-LD06-02MCS-LD06-03COUTCOUTAINƒ(x)ZTƒ(x)ZTA引风机入口调节挡板B引风机入口调节挡板 图3-15炉膛压力调节系统 （三）送风机动叶位置的前馈控制 风量指令即送风机动叶位置信号送入主控制器PID加法器，风量指令是炉膛压力控制系统的前馈信号，当送风量改变时，如果以炉膛压力的变化调节，必将使炉膛压力的动态偏差较大，采用送风量的前馈信号，使引风量能及时随着送风量的改变而改变。这样可以改善炉膛压力的动态偏差。 主控制器PID和副控制器PID组成炉膛压力的串级控制系统，其目的是消除引风机进口动叶位置的自发的内部扰动，提高炉膛压力的调节品质。采用串级控制系统的结果将使在新的稳态时，炉膛压力等于给定值，引风量等于送风量。 （四）内爆保护 为了防止锅炉风爆的发生，炉膛压力控制系统采取了两个措施。 1.炉膛压力高/低的定向闭锁 引风机的定向闭锁是由闭锁开引风机入口挡板、闭锁关引风机入口挡板、开引风机入口挡板、关引风机入口挡板逻辑控制电路决定。当炉膛压力大于高限（+30Pa）时，逻辑控制电路将实现减闭锁，锁住引风机进口动叶节距的进一步关小；当炉膛压力小于低限 27 华北电力大学本科毕业设计（论文） （-40Pa）时，逻辑控制电路将实现增闭锁，锁住引风机进口动叶节距的进一步开大。引风机入口挡板增大或减小的选通是通过PTC来控制的。当控制信号大于引风机入口挡板ZT反馈的信号时，控制信号选通左端，输出开大挡板的信号。反之，选通右端，输出关小挡板的信号。 2.引风机进口动叶节距调到预定开度 当发生主燃料跳闸（MFT）时，由于熄火将会引起炉膛压力大幅度下降，进一步会引起炉膛发生内爆事故。因此，炉膛压力控制系统设计了一组电路去关闭引风机进口动叶节距到预定开度，这组电路器由斜坡升、斜坡降、URG、高值限幅器、减法器组成。正常情况下，斜坡升和斜坡降没有作用，URG没有输出信号，不影响引风机A、B的正常控制。当发生总燃料跳闸时，斜坡升或斜坡降作用，URG输出信号，送风机指令与斜坡输出相减，输出引风机前馈指令，如图3-16所示。 引风机前馈指令=送风机指令-斜坡输出URG输出MFTt 图3-16 MFT异常函数关系 当发生总燃料跳闸时，URG输出信号，引风机前馈指令也相应输出，经过比例器调节作为前馈信号，加快响应，将引风机A、B的进口动叶指令减小数倍后去关小引风机进口动叶节距；当达到预先整定的时间后，减小的倍数逐渐下降，使引风机进口动叶又慢慢开大；到最后，引风机进口动叶节距又恢复到原来的开度。 （五）引风机A和B的双速调节 为了减少引风机进口动叶节距改变的节流损失，采用两台双速离心式引风机来控制炉膛压力。引风机有高、低两种速度。当锅炉负荷较高时，引风量也相应地要增大，这时可以采用引风机的高速挡；当锅炉负荷较低时，引风量也相应地要减小，这时可以采用引风机的低速档。在高速挡和低速挡切换时，为了不使引风量产生突然改变，达到无扰动切换，本系统采用了改变控制系统闭环增益的措施，如图3-15所示。当引风机由低速改变到高速时，乘法器的输出将增加，从而使控制器PID的负反馈信号加强，因而使输出信号减小，使引风机的进口动叶节距关小。由低速挡改变到高速挡时，引风量能基本不变，达到无扰动切换的目的。引风机由高速改变到低速时，情况与上述相反。 （六）引风机A和B的手动/自动切换 引风机A和B的手动/自动切换是通过手动切换开关T来实现。 28 华北电力大学本科毕业设计（论文） 结 论 本文锅炉燃烧控制系统采用的是直流四角切圆燃烧方式，它可利用无烟煤和贫煤的混煤进行燃烧。所以对当地无烟煤和贫煤的混煤具有经济、可行的方案。还有对锅炉燃烧系统的设备选型也做了深入分析。使燃烧过程朝着经济、安全、稳定的方向运行。 燃烧控系统实现自动控制不仅大大降低了操作人员的劳动强度，而且对降低生产成本，提高效率以及保护环境都有重大的意义。 本文主要得出以下结论： 1.以直吹式制粉锅炉为例对锅炉燃烧控制系统结构和运行原理进行分析，设计出原理正确、考虑较为周全的大型机组燃烧过程控制系统。分析设计的1000MW锅炉燃烧控制系统具有普遍通用性。 2. 充分考虑了燃烧过程三个被调量的调节存在的相互影响，风煤比能够在静态和动态过程中保持一致；送、引风控制系统在逻辑控制系统的配合下运行的平稳性和安全性提高，炉膛负压波动减小，满足了运行的要求；在机组负荷不变时，锅炉燃烧稳定，各被调参数动态偏差显著减少，实现了锅炉的优化燃烧。 3.炉膛压力，在稳定工况下，为防止引风机入口调节挡板频繁动作，有利于机组安全运行。传统的调节方案采用惯性组件来滤波，其缺点是增加了炉膛压力测量值的反应时间，使调节灵敏度降低本方案采用死区模块来改善调节性能。 29 华北电力大学本科毕业设计（论文） 参考文献 [1] 樊泉桂.锅炉原理[M].北京：中国电力出版社，2008. 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[20]丁轲轲.热工过程自动调节[M].北京：中国电力出版社，2007年2月. 30 华北电力大学本科毕业设计（论文） 致 谢 在艰苦了几个月，终于将论文和设计做完了。在本次毕业设计和论文写作中，最感谢的是我的老师和同学！因为有了他们的支持，我才能坚持写完！尤其是我们宿舍的兄弟，在毕设期间对我的支持和帮助！ 当然还得感谢我的父母，在这几个月的艰苦奋斗中，他们默默的为我付出。尤其在我烦躁、沮丧的时候，他们给了我最大的安慰，使我能够继续努力和奋斗！ 可能，网络是不能感谢的，但我在此也要感谢它，因为我在浩瀚的网络资源中找到自己写作最需要的资料，虽然我没有广博的计算机知识，但在网上使我有了再次学习的机会。 最后，还要感谢所有帮助过我的人，谢谢你们！ 31 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容