鍋爐燃燒過程設計與仿真頁鍋爐燃燒過程設計與仿真自動化14班羅莎寧立雪魏巍酈蔣敏2014年4月9日星期三目錄鍋爐燃燒過程 1目錄 2鍋爐燃燒過程的任務 3一、鍋爐蒸汽出口壓力穩(wěn)定 41、被控變量、控制量的選擇： 42、干擾： 43、控制方案的選擇： 44、調節(jié)閥： 55、主控制器： 66、副控制器： 67、燃料流量變送器的選擇： 68、主蒸汽壓力變送器： 69、控制規(guī)律的確定： 610、空氣與燃料比值控制： 711、控制系統參數整定 8二．風量控制子系統 13三、鍋爐爐膛負壓穩(wěn)定 171、爐膛負壓概述 172、控制系統構成 174、脫火控制 195、防回火控制 196、各部分的選擇 19鍋爐燃燒過程的任務控制任務被控變量操縱變量鍋爐蒸汽出口壓力穩(wěn)定燃燒過程的經濟運行鍋爐爐膛負壓穩(wěn)定蒸汽出口壓力燃料量與送風量比值爐膛負壓燃料量送風量抽風量一、鍋爐蒸汽出口壓力穩(wěn)定1、被控變量、控制量的選擇：燃料控制的任務在于使燃料所產生的熱量能夠滿足蒸汽負荷要求。因為蒸汽壓力是衡量鍋爐熱量平衡的標志，燃料又是影響蒸汽壓力的主要因素，因此蒸汽壓力可以作為燃料控制系統的主被控變量。燃料量作為控制量。2、干擾：它受到的主要擾動分為燃料的變化和蒸汽負荷的改變。3、控制方案的選擇：當燃料量和蒸汽負荷變化小時可以采用利用蒸汽壓力來調節(jié)燃料量的單回路控制系統。但對于鍋爐來說，運行中的燃料擾動是經常出現的，為了迅速克服燃料擾動，采用燃料量為副被控變量的串級控制系統。4、調節(jié)閥：氣開型因為當鍋爐出現事故時閥門一定得是關閉的，否則的話在事故出現后閥門是開的話使燃料流出，加重事故。對應的靜態(tài)增益為正。5、主控制器：選擇反作用，因為當被控過程輸入增加時，過程被控變量輸出增加，K0為證，閥為氣開型Kv為證，變送器一般為正，所以控制器也為正，所以控制器選擇反作用6、副控制器：選擇反作用，因為當閥的開度增大后，蒸汽的溫度升高壓力增大，K0為正，閥為氣開型Kv為正，變送器一般為正，所以控制器也為正，所以控制器選擇反作用7、燃料流量變送器的選擇：采用差壓式流量計原理：在流通管道上安裝節(jié)流元件，當流體流過節(jié)流元件時會產生流速變化，使孔板產生差壓，用差壓變送器把流體流過孔板所產生的壓力差，按比例變換為標準電流信號。（書P67頁）8、主蒸汽壓力變送器：因為蒸汽壓力比較大，所以選用彈簧管式測高壓，但注意要加冷凝管，防止高壓蒸汽與檢測元件直接接觸損壞壓力儀表。9、控制規(guī)律的確定：主控制器對精度要求比較高要求無誤差跟蹤被控變量變化，所以選用PI控制器，壓力是主回路中控制的參數，壓力參數的滯后非常小，當干擾來的時候會比較快的反映到輸出變化，所以不必加微分D控制，還節(jié)省了成本。而對于副控制器而言，它起隨動控制作用主要進行的是粗調，要求速度快，不需要一步到位只是對余差進行初步處理，最后的工作由主回路完成，所以沒必要加積分環(huán)節(jié)。如果加微分環(huán)節(jié)的話會使副回路太敏感，稍微有擾動就會變化，對系統穩(wěn)定運行不利，所以選擇P控制就行。10、空氣與燃料比值控制：為了保證經濟燃燒，燃燒過程要有合適的燃料和空氣比例，燃料流量是隨蒸汽負荷而變化的，因而作為主流量，與空氣流量組成比值控制系統，使燃料與空氣保持一定的比例，獲得良好的燃燒。燃燒爐蒸汽壓力控制系統和燃燒空氣比值控制系統的方案如下圖當負荷變化時，燃料量和空氣量很難配合的十分準確，若空氣量小于燃料量，鍋爐會產生缺氧燃燒，出現冒黑煙，所以變負荷時，空氣量應該略大于燃料量，在提升負荷時，先提空氣量，降負荷時，先將燃料量。當負荷增加時候，希望先增加空氣量I1<Ip,所以選擇HS，它直接改變空氣流量控制器的給定值，命令空氣量增加，當負荷減小時，要先減小燃料量Ip<I2，LS選擇Ip來來降低燃料量。11、控制系統參數整定為使系統無靜差，燃燒流量調節(jié)器采用PI形式，即：其中，參數Kp和Ki采用穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）整定。先讓Ki=0，調整Kp使系統等幅振蕩，即系統臨界穩(wěn)定狀態(tài)。系統臨界振蕩仿真框圖及其振蕩響應如圖所示：1(a)系統臨界振蕩仿真框圖1(b)系統臨界振蕩響應(c)輸入階躍響應記錄此時的振蕩周期Tk=7.5s和比例參數Kk=5.8則Kp=Kcr/2.2=2.636，Ki=Kp/(0.85Tcr)=0.41根據這然后加入PI進行調節(jié)燃料流量閉環(huán)控制系統單位階躍輸入的仿真框圖燃料流量閉環(huán)控制系統單位階躍輸入的仿真響應可見超調太大，達到接近50%說明積分作用太強，減小Ki=0.1,這時候超調約為10%可以在燃料流量控制系統整定的基礎上，采用試誤法整定壓力控制系統參數。系統整定仿真框圖如圖所示。當Ki=0，Kp=1時(此時相當于無調節(jié)器，因此系統最簡單))蒸汽壓力控制系統參數整定仿真框圖由仿真結果可以看出，系統響應超調量約為25%。此時系統調節(jié)器最簡單，工程上系統響應速度和穩(wěn)定程度都較好二．風量控制子系統（1）為使鍋爐適應負荷的變化，必須同時改變燃料量和空氣量，同時為了達到最佳的經濟燃燒，燃燒過程中應有最佳空燃比K。空燃比K是隨不同的負荷和燃料品種而變化的，為此燃燒控制系統可選負荷、燃燒品種等變化來構成系統的風量控制系統，有了最佳燃燒比K及比值控制保證了燃料和空氣的比值關系，但并不能保證燃料的完全燃燒。因此，需要一個測量完全燃燒的量，構成送風控制系統，以達到最高的鍋爐熱效率。熱效率不能直接測量，采用煙氣中的含氧量作為間接測量，來衡量鍋爐內的燃燒熱效率。（2）過路的熱效率可以用煙氣中的含氧量來表示。根據燃燒方程式，可以計算出燃料完全燃燒是所需的氧量，從而可得出所需的空氣量，為理論空氣量Qt。而實際上完全燃燒所需的空氣量Qp要超過理論空氣量Qt，即需要有一定的過剩空氣量。當過剩空氣量增多時，一方面使爐膛溫度降低，另一方面使煙氣損失增加，對于不同的燃料，過剩空氣量都有一個最優(yōu)值——最經濟燃燒。最佳燃燒區(qū)（3）燃燒過程中空氣與燃料的配比問題需要進行很好的控制。曲線1表示的是燃料不完全燃燒時的熱損失，曲線2表示從煙囪排出廢氣的熱損失，曲線3表示總能量的損失。由上圖可知，在上述情況間存在著一個污染小、熱效率高和熱損失少的低氧燃燒區(qū)，這種情況使火焰溫度升高，排煙量減少，并使得高溫區(qū)熱效率提高。最佳燃燒區(qū)（上圖）過剩空氣量與能量損失關系過剩空氣量常用過剩空氣系數α來表示，即實際空氣量Qp與理想空氣量QT之比αα=Qp/Qtα是衡量經濟燃燒的一種指標。保證鍋爐熱效率最高的α值稱為最佳α值，最佳α值與鍋爐負荷有關，一般α=1.2-1.4。但是α很難直接測量，需要利用它與煙氣含氧量之間的近似關系來間接計算。αα=21/（21-A）(A:煙氣含氧量)最佳α值：α=1.2-1.4，當在α1～1、6范圍內時，過剩空氣系數a與煙氣接近直線。當α在1、08～1、15（最佳過剩空氣量8%～15%）時，煙氣含氧量最優(yōu)值為1.6%～3%。從上圖也可看到，約在過剩空氣量為15%～18%時，鍋爐有最高效率。（4）以煙氣為被調節(jié)量，以燃料量為調節(jié)量的串級控制系統設計（5）系統實現：采用變比值控制，變比值器的比值由含氧控制器AC輸出。當煙氣中的含氧量變化時，表明燃燒過程中過剩空氣發(fā)生變化，因此通過AC及時調節(jié)燃料和空氣的比值，使燃燒過程達到經濟的目的。 實施時應注意，快速反映煙氣含氧量，對煙氣含氧量的檢測變送系統應選擇正確。選用氧化鋯氧量儀表檢測煙氣中的含氧量。(6)煙氣含氧量是保證燃燒經濟性的重要指標。為維持含氧量，其主要調節(jié)手段是調節(jié)送風機入口處擋板控制的送風量，也是它的主要擾動。爐膛負壓變化、煤量變化也影響含氧量。含氧量的動態(tài)特征主要是指在送風量的階躍擾動下，含氧量隨著時間變化的特征，該動態(tài)特征具有慣性、自平衡能力和滯后。傳遞函數一般為W(s)=Kv/(TvS+1)eτsW(s)=Kv/(TvS+1)2(7)控制閥的氣開/氣關形式選擇及控制器的作用1）控制閥：氣開型因為當鍋爐出現事故時閥門一定得是關閉的，否則的話在事故出現后閥門是開的話使燃料流出，加重事故。2）主控制器：選擇反作用，因為當煙氣的含氧量增大后，空氣量應減小，閥的開度為+，變送器為+，所以控制器也為+所以控制器選擇反作用。3)副控制器：選擇反作用，因為當閥的開度增大后，燃料流量增大，閥的開度為+，變送器為+，所以控制器也為+，所以控制器選擇反作用。（8）實際運行在鍋爐的實際運行中，煙氣中的最佳含氧量的數值隨鍋爐的負荷改變而改變。一般在負荷增加時，最佳含氧量的值減小，應減少過剩空氣量，為了使含氧量最佳值隨負荷的改變而變化，可將負荷信號通過一個函數發(fā)生器產生一個隨負荷而變化的最佳含氧量信號作為氧量控制器的設定值，再由氧量控制器校正過剩空氣量，使鍋爐在不同的負荷下始終運行在最佳狀態(tài)。（9）總過程三、鍋爐爐膛負壓穩(wěn)定1、爐膛負壓概述爐膛壓力是指送入爐膛內的空氣、煤粉及煙氣和引風機吸走的煙氣量之間的平衡關系，即指爐膛頂部的煙氣壓力。爐膛負壓是反映燃燒工況穩(wěn)定與否的重要參數，是運行中要控制和監(jiān)視的重要參數之一。爐內燃燒工況一旦發(fā)生變化，爐膛負壓隨即發(fā)生相應變化。當鍋爐的燃燒系統發(fā)生故障或異常時，最先將在爐膛負壓上反映出來，而后才是火檢、火焰等的變化，其次才是蒸汽參數的變化。因此，監(jiān)視和控制爐膛負壓對于保證爐內燃燒工況的穩(wěn)定、分析爐內燃燒工況、煙道運行工況、分析某些事故的原因均有極其重要的意義。爐膛負壓太小，爐膛向外噴火和外泄漏高爐煤氣，危及設備與運行人員的安全。負壓太大，爐膛漏風量增加，排煙損失增加，引風機電耗增加。2、控制系統構成、變量的選擇被控變量：爐膛頂部煙氣出口壓力。控制量：引風機的開度干擾為爐膛內引風量落后于燃料量和鼓風量的控制，可能引起系統大的波動，造成不穩(wěn)定因素壓力變化等。、系統的組成3、爐膛負壓控制爐膛負壓控制通過引風量來調節(jié)當鍋爐負荷較大時，蒸汽壓力的變動也較大，這時可以引入蒸汽壓力作為前饋信號，與反饋引風量一同構成前饋-反饋控制系統。4、脫火控制Pc1為正常工況使用的調節(jié)器，pc2為取代調節(jié)器。系統正常運行電磁閥失電，pc3系統不起作用，而pc1調節(jié)器工作。當壓力下降是，調節(jié)器pc1輸出增加，調節(jié)閥開度增加，天然氣流量增大，蒸汽壓力增加至正常值，從而使回復正常工況；但當蒸汽壓力減小到某一下線時，導致調節(jié)閥閥后壓力過于增加而產生脫火危險，pc2調節(jié)器的輸出大幅度減小，且低于pc1的輸出值時。低值選擇器通pc2系統，使調節(jié)閥的開度減小，降低了閥后壓力，從而避免了脫火事故的產生。當工況恢復正常后，pc1調節(jié)器的輸出又低于pc2的輸出，pc2自動切除，pc1再次投入運行。Pc1pc2為反作用調節(jié)器，也是壓力調節(jié)器，選擇PI調節(jié)，A.O為氣開型。5、防回火控制原理如上圖，系統正常運行時，pc3下限節(jié)點是斷開的，該控制回路不起作用。但是當蒸汽壓力增加時，如上分析，低通選擇器的選擇式調節(jié)閥關小，燃料的