第十二章-锅炉燃烧过程控制系统

第十二章锅炉燃烧过程控制系统12121212－－－－1111概述概述概述概述一、单元机组的基本控制方式随着电力工业的发展，大型火力发电机组在电网中所占的比例越来越大，而电网因用电结构变化，负荷峰谷差逐步加大，因此要求大型机组具有带变动负荷运行的能力，以便迅速满足负荷变化的需要及参加电网调频。另外，机组容量不断地增加，锅炉的蓄热量相对减少，采用以往的机炉分别控制方式已不适应外界负荷的要求和不利于保持机炉之间的平衡，因此单元制运行下的火电机组按锅炉、汽轮机在控制过程中的任务和相互关系的不同，可以有三种基本控制方式，即锅炉跟随控制方式、汽机跟随控制方式和机炉协调控制方式。1111．．．．锅炉跟随控制方式图12－1为单元机组锅炉跟随控制方式示意图，其中虚框内的锅炉主控制器和汽轮机主控制器属于机组负荷控制系统中的协调控制级。当外界“负荷要求”增大时，负荷要求P0与机组实发功率PE出现偏差P0－PE。通过汽轮机主控制器发出汽机（主控）指令TD（TurbineDemand），该指令作为给定值送到汽轮机控制系统中，汽轮机控制系统根据汽机指令TD要求开大进汽调节阀，增加汽轮机进汽量，从而迅速改变发电机的输出功率，使其和负荷指令P0相一致。当汽轮机进汽调节阀开度增大后，锅炉主蒸汽压力pT随之降低，压力偏差p0－pT通过锅炉主控制器发出锅炉（主控）指令BD（BoilerDemand），该指令作为给定值送到锅炉控制系统中，锅炉控制系统根据指令要求增加锅炉的燃烧率（直流炉还调节给水量），使输入锅炉的能量和物质与锅炉的输出量相平衡。但燃料的燃烧、传热和水的蒸发等过程都需要一定的时间，因此机组负荷变化时会使主蒸汽压力产生波动。此外，当燃烧率扰动时，如μB增加使得pT升高，蒸汽流量D增大，使得输出功率增加，汽轮机侧为了保持输出功燃烧率μBP0图12－1锅炉跟随控制方式＋汽轮机μT—BDpT—＋p0TDPE汽轮机主控器汽轮机控制系统锅炉控制系统锅炉锅炉主控器~调节阀发电机率，通过汽轮机主控制器和汽轮机控制系统关小进汽调节阀门，即μT降低使得pT升高，其结果将进一步加剧主蒸汽压力的变化，造成较大的汽压波动。从上述控制过程可知，这种控制方式的特点是汽轮机侧调负荷，锅炉侧调汽压。调负荷过程中，锅炉跟随汽轮机而动作，故称为锅炉跟随（BoilerFollow，BF、炉跟机）控制方式。这种控制方式的优点是充分利用了锅炉的蓄热来迅速适应负荷的变化，对机组调峰调频有利。缺点是主蒸汽压力变化较大，对机组的安全经济运行不利。在大型单元机组中，锅炉的蓄热能力相对减小，对于较小的负荷变化，在主蒸汽压力允许的变化范围内充分利用锅炉的蓄热以迅速适应负荷是有可能的，这对电网的频率调节也是有利的。但是，在“负荷要求”变化较大时，汽压变化就太大，会影响锅炉的正常运行。尤其对于直流锅炉，蓄热能力比汽包锅炉小得多，采用锅炉跟随的控制方式适应较大的负荷变化实际上是不可能的。当单元机组中锅炉设备及其辅机运行正常，而机组的输出功率受到汽轮机设备及其辅机的限制时，可以采用这种锅炉跟随汽轮机的控制方式。2．汽机跟随控制方式图12－2为单元机组汽机跟随控制方式示意图。当“负荷要求”P0增加时，锅炉主控制器输出锅炉指令BD给锅炉控制系统，调节锅炉的燃烧率。经过一段迟延时间后，锅炉的蒸发量和主蒸汽压力pT逐渐增大，压力偏差p0－pT通过汽轮机主控制器输出汽机指令TD，汽轮机控制系统根据TD去开大汽轮机进汽调节阀，使进入汽轮机的蒸汽量增加，机组实发功率PE增加，以适应改变了的负荷要求指令P0。在蒸汽调节阀门开度μT变化后可以很快地改变主蒸汽压力pt，因此可以使主蒸汽压力pT变化很小。在负荷P0发生变化时，锅炉燃烧率μB改变后需经一些时间才能改变输出功率PE，因此机组对负荷响应较慢。此外，在锅炉侧燃烧率扰动时，汽压和蒸汽流量将发生变化，汽轮机控制器为保持汽压而动作调节阀门开度μT使输出功率PE发生波动。这种控制方式的特点是锅炉调侧负荷，汽轮机侧调汽压。在保证主蒸汽压力稳定的情况下，汽轮机跟随锅炉而动作，故称为汽机跟随（TurbineFollow，TF、机跟炉）控制方式。这种控制方式的优点是在运行中主蒸汽压力相当稳定（汽压变化很小），有利于机组的安全经济运行。缺点是由于没有利用锅炉的蓄热，而只有当锅炉改变燃烧率造成蒸发量改变后，才能改变机组的出力，这样适应负荷变化能力较差，不利于机组带变动负荷和参加电网调频。这种控制方式适用于承担基本负荷的单元机组或当机组刚刚投入运行经验还不够时，采用这＋——μT燃烧率μB汽轮机TDpT—p0BDPEP0＋锅炉主控器汽轮机控制系统锅炉控制系统锅炉汽轮机主控器~调节阀发电机图12－2汽机跟随控制方式种系统可使汽压稳定而为机组稳定运行创造条件。当单元机组中汽轮机设备及其辅机运行正常，而机组的输出功率受到锅炉设备及其辅机的原因限制时，也可以采用这种汽轮机跟随锅炉的控制方式。3．机炉协调控制方式图12－3为单元机组机炉协调控制方式示意图。当负荷要求改变时，锅机和汽轮机主控制器对锅炉和汽轮机控制系统分别发出的BD和TD指令中都含有负荷偏差Po－PE信号，因此锅炉和汽轮机都进行负荷调节，即同时改变锅炉的燃烧率和汽轮机的进汽量进行负荷调节，同时为了使汽压变化幅度不致太大，还根据主蒸汽压力pT偏离给定值po的情况适当地限制汽轮机进汽调节阀的开度变化和适当地加强锅炉的控制作用。当调节结束时，机组的输出功率PE等于负荷要求Po，而主蒸汽压力pT恢复为给定值po。图12－3机炉协调控控制方式p0μT燃烧率μB——TDpT＋BDPEP0＋锅炉主控器汽轮机控制系统锅炉控制系统锅炉汽轮机主控器汽轮机~调节阀发电机在负荷调节动态过程中，机炉协调控制可使汽压在允许的范围内波动，这样可充分地利用锅炉的蓄热，使单元机组能较快地适应负荷要求的变化，同时主蒸汽压力pT的变动范围也不大，因而使机组的运行工况比较稳定。当单元机组锅炉侧和汽轮机侧设备都运行正常时，且相应的控制系统都投自动时，采用机组协调控制的方式。为了适应不同的运行工况，大型单元机组的自动控制系统中均具备这几种控制方式。由上可知，锅炉控制系统是单元机组负荷控制系统的一个子系统，其接收的BD指令来源于系统协调级，其控制任务与机组运行方式有关。对于汽包锅炉来说，参与单元机组负荷控制的锅炉控制系统就是锅炉燃烧过程控制系统。二、燃烧过程控制任务1．满足机组负荷要求，维持主蒸汽压力稳定当机组运行方式为汽机跟随方式时，燃烧控制系统负担着机组出力，即调节功率；当机组运行方式为锅炉跟随方式时，燃烧控制系统维持主蒸汽压力稳定；当机组运行方式为协调跟随方式时，燃烧控制系统既要负担着机组出力，同时又要维持主蒸汽压力稳定。因此，可见燃烧过程控制任务与机组运行方式有关。2．保证燃烧过程经济性保证燃烧过程经济性是提高锅炉效率的一个重要方面，目前经济性是靠维持进入炉膛燃料量与通风量之间的最佳比值来保证，有足够的风使燃料得以充分燃烧，同时尽可能减少排烟造成的热损失。目前采用烟气过剩空气系数（烟气含氧量）来校正燃料量与风量之间的比值进而来保证燃烧过程的经济性。3．保证燃烧过程稳定性燃烧稳定性影响着锅炉运行的安全性和经济性，影响燃烧稳定性的因素很多，其中炉膛压力是重要因素之一。炉膛压力反映着燃烧过程送风与引风之间的工质平衡关系，送风量大于引风量时，炉膛压力增加，会造成炉膛往外喷灰或喷火；送风量小于引风量，增加引风电耗，增加炉膛漏风，炉温下降，影响炉内燃烧工况；此外，炉膛压力波动还影响燃料的着火稳定性，对锅炉运行安全有影响。因此，为了保证燃烧过程稳定性，需对炉膛压力进行控制，维持锅炉炉膛压力稳定。三、燃烧过程调节量根据控制任务，主要调节以下三个物理量：1．燃料量调节通过调节燃料量使入炉燃料燃烧所产生的量能与锅炉外部负荷需求的量能相适应。2．送风量调节燃料量改变时，送风量也应改变，以保证燃料的完全燃烧和排烟热损失最小。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，因此用测量烟气的含氧量这一间接指标来判断燃烧的经济性或直接保持风与燃料的比值来保证燃烧的经济性。3．引风量调节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。四、燃烧过程控制特点燃烧过程三项控制任务，对应着三个调节量（燃料量，送风量和引风量）以维持三个被调量（机组负荷或主蒸汽压力pT，过剩空气系数α或最佳烟气含氧量和炉膛负压ps），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；过剩空气系数α是燃料量M和送风量Ｖ是否保持适当比例的指标；炉膛负压ps是送风量Ｖ和引风量Ｖs是否平衡的指标。燃烧过程的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12－4表示了燃烧对象的调节量对被调量的这种影响。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控制对象。虽然燃烧过程对象的三个调节量对三个被调量都有严重影响，但如果在锅炉的运行过程中，严格保持燃料量M、送风量Ｖ和引风量Ｖs这三个调节量的比例，就能保持主蒸汽压力pT、过剩空气系统α和炉膛负压ps基本不变。也就是说，当锅炉的负荷要求变化时，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、α、Ｖs基本不变；当锅炉的负荷要求不变时，燃烧过程控制系统应能保持相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锅炉给水、汽温等这类单变量对象要复杂得多。12121212－－－－2222燃燃燃燃烧过程被控对象动态特性烧过程被控对象动态特性烧过程被控对象动态特性烧过程被控对象动态特性锅炉燃烧过程是一个多输入多输出的对象，一般控制系统都是通过调节燃料量M控制主蒸汽压力pT（或机组负荷）；调节送风量Ｖ控制过剩空气系统α（烟气含氧量）；调节引风量Ｖs控制炉膛负压ps。在这三个被调量中，汽压动态特性最为复杂和重要，因此，下面着重分析汽压被控对象的动态特性。一、汽压被控对象数学模型与动态分析1.1.1.1.汽压被控对象数学模型汽压被控对象数学模型汽压被控对象数学模型汽压被控对象数学模型汽压被控对象生产流程示意如图12－5所示，燃料与相应的送风量进入炉膛，燃料燃烧产生的热量被布置炉膛四周的蒸发受热面吸收而产生蒸汽，蒸汽流经过热器被加热成过热蒸汽，过热蒸汽由蒸汽管道送入汽轮机做功。根据汽压被控对象的生产流程画出的汽压对象方框图12－6所示。汽压受控对象由锅炉燃烧部分（炉膛）（1）、蒸发部分（2）、过热部分（3）和汽轮机四个部分组成。下面流程简要分析各部分的动态特性。1－炉膛；2－汽包；3－过热器；4－汽轮机DTpbQr123Dh”pTp0图12－5蒸汽产生过程燃料量M送风量VPS炉膛负压α过剩空气系数被调量调节量引风量VSpT汽压或功率图12－4燃烧对象p0图12－6蒸汽产生过程方框图μTDTpTMV炉膛蒸发区过热器汽轮机μBW：给水量hs：给水热焓pb：汽包压力D：蒸汽流量uB：燃料量调节机构开度DT：汽机耗汽量uT：汽机进汽阀开度p0：汽机背压h”：过热蒸汽热焓pT：主蒸汽压力环节1111：燃料调节机构动作后，燃料入炉燃烧，所释放的热量由炉内受热而吸收的整个过程。根据燃烧过程的热平衡方程：（12－1）11rarMQMQKM式中：炉内一次工质吸热量，；1rQ/kJsM：燃料量，/kgs：燃料收到基的低位发热量，arQ/kJkg：锅炉热效率，％：一次工质吸热量占锅炉总吸热量份额，％1燃料在极短的时间内完成燃烧及放热过程，而传热过程可近似用迟延来代表。由于汽压生产过程仅考虑一次工质，因此一次工质吸热量将视为整个汽压生产过程的总吸热量，1rQ记作，由此可得，环节1的传递函数rQ1()Gs（12－2）'1()()()MsrMQsGsKeMs其方框图如图1