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东北大学硕士学位论文摘要 循环流化床锅炉控制系统的研究 摘要 循环流化床锅炉是近年来国际上发展起来的新一代锅炉，是目前国内外推崇的高效 环保型锅炉。具有煤种适应性广、负荷调节性能好、燃烧效率高、环境污染小等优点。 当前我国工厂实际自动化水平还很落后，循环流化床锅炉的很多控制回路还沿用手动控 制，因此实现锅炉的计算机自动控制有着重要的意义。 ( 1 ) 本文从实际出发，以黑龙江绥化油脂厂2 0 吨时循环流化床锅炉项目为背景，主 要进行了以下研究工作。首先介绍循环流化床技术的发展概况，分析国内目前循环流化 床锅炉自动化控制的发展水平，确定了本文的工作内容。 ( 2 ) 介绍了循环流化床锅炉的原理、结构、燃烧系统的控制任务和循环流化床锅炉 的优点，对循环流化床锅炉控制系统进行了分析研究，分析了各个主要参数之间的耦合 关系。从系统上看，循环流化床锅炉主要包括燃料系统、引风系统、汽水系统。本文以 2 0 吨时的循环流化床锅炉为研究对象，给出了各个控制子系统的控制方案，在循环流 化床锅炉的控制系统设计中，可以采用p i d 算法作为基本控制算法，以串级控制作为控 制系统的基本结构，从而使控制系统设计简单化。 ( 3 ) 对锅炉汽包水位的动态特性进行分析，给出了炉膛负压、汽包水位的数学模型， 并以最有代表性的汽包水位子系统为研究对象进行了控制算法的研究，控制算法采用了 串级三冲量p d 控制。 ( 4 ) 通过实验得到水流量单位阶跃扰动下的水位反应曲线及汽包水位闭环近似传递 函数、蒸汽流量单位阶跃扰动下的水位反应曲线及近似传递函数，以及炉膛负压模型。 使用m a l d a b 软件对汽包水位、炉膛负压进行了实时仿真，通过仿真验证了所设计的两个 控制器控制效果良好。 ( 5 ) 设计了锅炉安全保护系统，包括炉膛安全保护系统、主汽压力保护、汽包水位 及辅机联锁。 本文阐述的设计方案和方法，对今后类似循环流化床锅炉控制系统的设计有着一定 的借鉴作用。对提高循环流化床锅炉自动化水平做了有益的尝试。 关键词：循环流化锅炉；汽包水位；炉膛负压 1 1 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fc o n t r o ls y s t e mo f c f b b a b s t r a c t c f b bi st h en e wg e n e r a t i o no fb o i l e rw h i c ht h er e c e n ty e a r so ni n t e r n a t i o n a ld e v e l o p e d ， i st h ep r e s e n td o m e s t i ca n df o r e i g ne s t e e m sh i g h l ye f f e c t i v ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nb o i l e r h a st h ec o a lt op l a n tt h ec o m p a t i b i l i t yb r o a d l y ，t h el o a dc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i cg o o d ，t h e c o m b u s t i o ne f f i c i e n c yh i g h ，t h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni ss m a l la n ds oo nt h em e r i t t h e c u r r e n to u rc o u n t r yf a c t o r ya c t u a la u t o m a t i o nl e v e lv e r yi sa l s ob a c k w a r d t h ec f b bv e r y m a n yc o n t r o ll o o pa l s oc o n t i n u e st ou s et h eh a n dc o n t r o l ，t h e r e f o r er e a l i z e st h eb o i l e r c o m p u t e ra u t o m a t i cc o n t r o lt oh a v et h ev i t a ls i g n i f i c a n c e ( 1 ) t h i st e x tf r o mp h y s i c a l l ys e to u t ，w i t ht h eh e i l o n g i i a n gs h u i h u ag r e a s ef a c t o r y2 0 t o n h o u rc f b bt h ei t e mi sab a c k g r o u n d a n dp r i m a r i l yp r o c e e d sb e l o wr e s e a r c hw o r k i n t r o d u c et of o l l o wt h ed e v e l o p m e n tg e n e r a ls i t u a t i o no ft h ec f bt e c h n i q u ef i r s t ，a n dt h e l o c a la n dc u r r e n tc f bo fa n a l y s i sa u t o m a t et h ec o n t r o l sd e v e l o p m e n tl e v e l ，a n dm a k es u r e t h et e x t u a lw o r kc o n t e n t s ( 2 ) t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dc f b b t h ep r i n c i p l e ，t h es t r u c t u r e ，t h ec o m b u s t i o ns y s t e m c o n t r o ld u t ya n dt h ec f b bm e r i t ，h a sc o n d u c t e dt h ea n a l y s i sr e s e a r c ht ot h ec f b bc o n t r o l s y s t e m ，h a sa n a l y z e db e t w e e ne a c hm a i np a r a m e t e rc o u p l i n gr e l a t i o n s l o o k e df r o mt h e s y s t e mt h a t ，c f b bm a i n l yi n c l u d e st h ef u e ls y s t e m ，d i r e c t st h ew i n ds y s t e m ，t h es o f td r i n k s y s t e m t h i sa r t i c l eb y2 0t o n s t i m ec f b bi st h er e s e a r c ho b j e c t p r o d u c e dh a sc o n t r o l l e dt h e s u b s y s t e mo n eb yo n et h ec o n t r o lp l a n ，d e s i g ni nt h ec f b bc o n t r o ls y s t e mi n s i d e ，c a na d o p t t h ep i dc a l c u l a t ew a yt ob eu s e da st h eb a s i cc o n t r o lc a l c u l a t ew a y ，a n dc o n t r o lt h ec o n d u c t a n da c t i o n st oc o n t r o lt h es y s t e m sb a s i cc o n s t r u c t i o nw i t ht h es t r i n gc l a s s ，m a k ec o n t r o lt h e s y s t e mt od e s i g nt h es i m p l e ( 3 ) c a r r i e do nt h ea n a l y s i st ot h eb o i l e rs t e a md r u mw a t e rl e v e ld y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ， h a sp r o d u c e dt h ec h a m b e rn e g a t i v ep r e s s u r e ，t h es t e a md r u mw a t e rl e v e lm a t h e m a t i c a lm o d e l ， a n dt a k em o s th a dt h er e p r e s e n t a t i v es t e a md r a mw a t e rl e v e ls u b s y s t e mt oc o n d u c tt h ec o n t r o l a l g o r i t h mr e s e a r c ha st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h ec o n t r o la l g o r i t h mh a su s e dt h ec a s c a d et h r e e i m p u l s e sp i dc o n t r 0 1 ( 4 ) p a s st h ee x p e r i m e n tt og e tt h ew a t e rc u r r e n tt om e a s u r et h eu n i ts t e pd i s t u r b e dt o m o v et h en e x tw a t e rl e v e lt or e s p o n dt h ec u r v ea n dv a p o rp a c kt h ew a t e rl e v e lt os h u tt h e w r e a t ht ol o o kl i k et od e l i v e rt h ef u n c t i o n ，s t e a md i s c h a r g eu n i ts t e pd i s t u r b e dt om o v et h e n e x tw a t e rl e v e lt or e s p o n dt h ec u r v ea n dl o o kl i k et od e l i v e rt h ef u n c t i o n ，a n dt h ei sn e g a t i v e i u 查i ! 苎兰堡主兰堡垒墨兰坐! ! ! ! l t od r e s st h em o d e l u s a g em a t l a bs o f t w a r et ov a p o rp a c kt w oc o n t r o l l e r sf o rw a t e rl e v e l ， n e g a t i v e l yp r e s s i n gp r o c e e d i n gs o l i d h o u ri m i t a t i n gt r u e ，p a s s i n gi m i t a t i n gr e a l l yv e r i f y i n g d e s i g n i n gc o n t r o lt h er e s u l ti sg o o d - ( 5 ) d e s i g n e dt h eb o i l e rs a f e t yt op r o t e c tt h es y s t e m ，a n di n c l u d ef u r n a c et a n k s a f e t yt o p r o t e c tt h es y s t e m ，m a i nv a p o rp r e s s u r et op r o t e c t ，v a p o rp a c kw a t e rl e v e l a n da s s i s tt h e m a c h i n et h el o c k c f b bd e s i g np r o j e c tt h i st e x te l u c i d a t i o nw i t ht h em e t h o d ，r i g h tf r o mn o wo ns i m i l a r f o l l o wt h ed e s i g nt oc o n t r o lt h es y s t e mt oh a v eg o tt oc e r t a i n l yd r a wl e s s o n sf r o mt h ef u n c t i o n t r i a li n c r e a s ec f b ba u t o m a t el e v e ld i db e n e f i c i a l l y k e y w o r d s ：c f b b ； s t e a md r u mw a t e fl e v e l ； c h a m b e rn e g a t i v e p r e s s u r e l v 东北大学硕士学位论文第一章前言 第一章前言弟一旱月l j 苗 1 1 国内外循环流化床技术的发展概况 循环流化床锅炉( c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r 简称c f b b ) 是近年来国际上发展 起来的新一代锅炉嘲，是目前国内外推崇的高效环保型锅炉。具有煤种适应性广、负荷 调节性能好、燃烧效率高、环境污染小等优点。因此在电力、供热、化工生产等行业中 得到越来越广泛的应用。循环流化床真正得到应用始于7 0 年代末，8 0 年代初。1 9 7 9 年 芬兰奥斯龙( a l a l s t r o m ) 公司开发的世界首台2 0t h 商用循环流化锅炉投入运行，此后循 环流化床锅炉技术发展很快，目前世界上发电容量为1 0 0m w - 2 5 0m w 的循环流化床电 站锅炉已有数十台投入运行，其中容量最大的是采用鲁奇t a r g i 技术，由法国s t e i n 公司 制造、安装，在法国g a r d a n n e 电厂的2 5 0m w7 0 0 t h 循环流化床锅炉，于1 9 9 5 年5 月 投入运行，美国a b b c e 公司、f w 公司等主要循环流化床锅炉的制造商，都在开发 3 0 0 - 3 5 0 m w 等级的产品，可以说目前国外大型化循环流化床技术正逐渐成熟，逐渐达 到与煤粉炉容量相当的水平。国内中、小型循环流化床技术也己相当成熟，但在大型化 循环流化床锅炉的开发研究方面，与先进国家仍有相当大的差距。 1 2 锅炉自动化控制概述 锅炉是把煤、石油、天然气等燃料所储藏的化学能转换成热能的重要设备，在工业 生产和军民生活中扮演重要角色。但是锅炉工业的迅猛发展却是近十几年的事情。我国 的锅炉工业是新中国成立后才建立和发展起来的。电力、机械、冶金、化工、纺织、造 纸、食品等行业，以及工业和民用采暖都需要锅炉供给大量的蒸汽。目前，中、大型锅 炉的设计、控制、运行技术相对比较成熟，运行效率比较好。而中、小型锅炉的控制、 运行现状不尽人意，多数锅炉处于人工控制状态，人工控制不仅加大了操作工人的劳动 强度，难以使锅炉处于良好的工况，运行效率低下，降低了锅炉的热效率。因此提高中、 小型锅炉的运行效率，实现锅炉生产过程微机控制，对国民经济的发展有十分重大的意 义。计算机的应用使机组运行的安全可靠性得到了进一步的提高。提高机组运行的经济 性。自动化仪表能保护机组在良好的状态下运行。因此，可以减少事故停机的损失和设 备检修费用，可提高热效率，降低供电热耗和煤耗。机组实现自动启停，可缩短启停时 间，因而使各种热损失及工质损失都大为减少。实现生产过程自动化，可使运行人员从 繁忙的体力劳动和紧张的精神负担中解脱出来，值班员除在机组启停时有些操作外，正 1 东北大学硕士学位论文第一章前言 常运行时只需在控制室内集中监视主设备及自动化仪表的运行情况。 1 3 课题提出的背景及意义 尽管循环流化床锅炉由于其独特优点受到广泛的重视，但仍然存在着许多亟待解决 的问题，尤其是在自动控制与优化运行方面，大多数的循环流化床锅炉的自动化水平 不高。锅炉工业突飞猛进的发展却是近几十年的事情，国外的锅炉制造工业在二十世纪 五、六十年代发展最快，七十年代前后达到高峰，国外的工业锅炉多以石油和天然气 为燃料，自七十年代世界性能源危机以来，由于石油和天然气燃料价格的高涨，煤炭 资源又重新受到重视。但是为防止环境污染，燃煤锅炉主要在净化燃烧产物技术上发 展。总的来说国外的锅炉控制技术、自动化控制程度完善。我国是当今世界燃煤锅炉 生产和使用最多的国家，每年生产工业锅炉2 以万台计，大部分为燃煤锅炉，其中， 中、小型燃煤锅炉有3 0 多万台占了绝大多数，这些锅炉年耗煤量占全国年产煤量的三 分之一。而且其中大部分锅炉处于人工操作状态，劳动强度大，热效率低，每年排 放的烟尘大约6 2 0 万吨，s 0 2 约5 1 0 万吨，此外还有大量的n o x 等有害气体，成为我 国大气煤烟型污染的主要来源之一，尤其是燃煤排放的c 0 2 气体超过5 亿吨，对全球 温室效应也有一定影响。近几年，随着人们环保意识的不断加强，燃煤锅炉尾气排放 问题引起了广泛的关注，在我国从2 0 0 0 年起，很多地方政府都相继开展清洁能源活动。 各地对燃煤锅炉不同程度地进行了煤改气技术改造，将燃煤锅炉改造成了燃油燃气锅 炉。但是同燃煤锅炉相比，由于燃油燃气锅炉的运行成本较高，直接影响到广大工业 生产企业的生产成本核算。因此目前燃煤锅炉的煤改气工程，还仅仅限于小型煤炉。 由于循环流化床锅炉的燃烧温度低灰未烧结成渣，内部结构没有被破坏，活性较好， 尤其是燃用煤矸石、油页岩等燃料，其灰渣可以用作水泥生产的良好掺和料，亦可作 为其它建筑材料。正是以上的优势和特点，使得循环流化床锅炉的发展和应用，在我 国和世界范围内都非常迅速，现已成为公认的洁净煤技术领域的研究重点和热点。 1 4 本文的工作内容 ( 1 1 介绍循环流化床锅炉的燃烧系统的结构及特性。 ( 2 ) 分析和研究了循环流化床锅炉各个子系统的控制方案，并对汽包水位子系统为 研究对象进行动态特性和控制算法的研究及p i d 参数的整定。 o ) 设计两个控制器。给水控制系统和炉膛负压控制系统，对给水控制系统和炉膛 负压控制系统进行分析和研究，根据其特性给出应用于锅炉汽包水位调节系统及炉膛负 压控制系统的控制方案。 2 东北大学硕士学位论文第一章前言 ( 4 ) 建立汽包水位，炉膛负压仿真数学模型，对所设计的控制系统进行仿真研究。 ( 5 ) 锅炉安全保护系统的设计。 3 东北大学硕士学位论文第二章循环流化床锅炉的控制系统 第二章循环流化床锅炉的控制系统 2 1 循环流化床锅炉简介 2 1 1 循环流化床锅炉的原理 循环流化床燃烧是一种燃烧化石燃料、废物和各种生物燃料的燃烧技术。它的基本 原理是燃料在流化状态下燃烧。一般粗颗粒在燃烧室下部燃烧，细颗粒在燃烧室上部燃 烧。被吹出燃烧室的细颗粒采用各种分离收器集之后，送回床内循环燃烧。 2 1 2 循环流化床锅炉的结构 循环流化床锅炉可分为两部分。第一部分由炉膛( 快速流化) 、气固物料分离设备、 固体物料再循环设备等组成，上述部件形成了一个固体物料循环回路。第二部分为尾部 对流烟道，布置有过热器、省煤器和空气预热器等，与常规煤粉锅炉相似。这里主要介 绍前一部分。 图2 1 为典型循环流化床锅炉的示意图。燃烧所需的一次风和二次风分别从炉膛的 底部和侧墙送入，燃料的燃烧主要在炉膛完成，炉膛的四周布有水冷壁，用于吸收燃烧 产生的部分热量。由气流带出炉膛的固体物料在气固物料分离装置中被收集并通过反料 装置送回炉膛。流化床燃烧室以二次风入口为界分为两个区。二次风以下为大粒子还原 气氛燃烧区，二次风入口以上为小颗粒氧化气氛燃烧区。燃料的燃烧过程、脱硫过程、 n o 和n 2 0 的生成及分解过程主要在燃烧室内完成。燃烧室内布置有受热面，它完成大 约5 0 燃料释放热量的传递过程。粒度0 - 1 0 r a m 的燃煤，粒度0 - 5 r a m 的石灰石由给煤机 不断送入高温炉膛，与上升气流混合并被加热，燃煤迅速着火并呈沸腾悬浮状态燃烧。 石灰石分解并与燃煤燃烧产生的反应生成不再污染空气的硫酸钙，达到脱硫的目的。流 化床的飞灰分离装置将冲出炉膛烟气中的飞灰收集，并通过飞灰回送器使之重返炉膛循 环燃烧直至燃尽，烟气经烟道过尾部受热面进行热交换，最后通过除尘器烟筒排入大气， 床层密相区的粗灰经自动排渣机和冷轧机排出，汽水系统从给水管中引出后一路经给水 调节门、省煤器预热后去汽包；另一路经减温水调节器进入减温器，在减温器中热交换 后将蒸汽变成为成品蒸汽。循环流化床燃烧室是一个燃烧设备、热交换器，集流化过程、 燃烧、传热与脱硫反应于体。因此循环流化床燃烧室是流化床燃烧系统的主体。 东北大学硕士学位论文第二章循环流化床锅炉的控制系统 图2 1 循环流化床结构示意图 f i g2 1s k e t c hm a po f c f b 2 1 3 循环流化床锅炉燃烧控制的任务 循环流化床锅炉燃烧系统的基本任务是使燃料所提供的热量适应蒸汽负荷的要求， 同时，还要保证锅炉的安全经济运行。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、燃烧设备及锅炉的运行方式的不同而有区别，燃烧系统的控制任务归 纳起来有几个方面： ( 1 ) 维持锅炉主蒸汽的压力( 单台锅炉运行，维持过热出口主气压力，多台锅炉并 列运行，维持母管主蒸汽压力) ，气压的变化表示锅炉的蒸汽产量与负荷的耗汽量不相 适应。这时必须相应地改变燃料的供应量，改变锅炉的供汽产量。 ( 2 ) 保证锅炉燃烧的经济性。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。到目前为止，锅炉的热效率不能直接测量 出来，都是用间接的方法判断锅炉的热效率，而燃烧系统的发展与这一问题的解决方案 密切相关。 ( 3 ) 引风量与送风量相配合以保证炉膛压力在某一值。炉膛压力的高低，关系着锅 炉的安全经济运行。 5 东北大学硕士学位论文g - = 章循环流化床锅炉的控制系统 ( 4 ) 床体温度是一个直接影响锅炉能否安全连续运行的重要控制参数，同时也直接 影响锅炉运行的脱硫效率及n o x 产生量。一般床体温度控制在8 5 0 。c 左右，这个温度 是实现炉内脱硫的最佳温度，同时在8 5 0 。c 左右时，n o ；的产生量也比较小。床体温 度过低，不但使锅炉效率下降，而且会使锅炉运行不稳定，容易灭火。温度过高会使炉 内脱硫效率下降，使n o i 产生量大大增加，同时容易造成炉膛料床结焦，使循环流化床 锅炉无法循环流化燃烧。若发生炉膛料床结焦的情况，则必须停炉。由此可见，床体温 度参数的控制是极为重要的控制参数。 床高控制也与锅炉的安全联系运行密切相关。 ( 6 ) 二级返料回灰量控制的好坏，将直接影响循环流化床锅炉的循环率，另外床体 温度也有影响。 2 1 4 流化床锅炉的优点 ( 1 ) 燃料的适应性好。只要燃料的热值大于把燃料本身和燃料所需空气加热到稳定 燃烧温度所需的热量，这种燃料就能在循环流化床内稳定燃烧，不需要使用辅助燃料助 燃，还可以达到高的燃烧效率。循环流化床锅炉能烧优质燃料，也能烧劣质燃料，这对 一些燃料来源，种类和质量多变的锅炉用户，是十分适宜的。 ( 2 ) 燃料效率高。由于炉内颗粒的内外循环，延长了颗粒在炉内的停留时间，且颗 粒与气体的相对运动速度大，可获得较好的传热效果。 ( 3 ) 排烟清洁。在燃烧过程中，同时完成炉内脱硫，脱氧反应。在加入石灰石能得 到9 0 的脱硫效果。由予床温低于9 0 0 。c ，一、二次风分级燃烧，即保证充分燃烧，又 形成局部还原区，有效的抑制n o x 的生成。 ( 操作灵活，易于调峰。当负荷变化时，只须调节给煤量和流化速度就可以满足 负荷的变化。一般情况下，循环流化床锅炉的热负荷变化范围为1 0 0 2 5 ，其变化速 率为5 1 0 r a i n 。 ( 5 ) 易于灰渣的综合利用。循环流化床锅炉燃烧过程属于低温燃烧，同时炉内的优 良燃烧条件使得锅炉的灰渣含碳量低，易于低温烧透，利于实现灰渣的综合利用。 投资和运行费用适中。在综合考虑经济运行及污染物排放控制( 脱氧、脱硫及 灰渣利用) 时，循环流化床锅炉投资及运行费用低于煤粉锅炉。 6 东北走学硕士学位论文第二章循环流化床锅炉的控制系统 2 2 循环流化床锅炉控制系统的研究与分析 2 2 1 循环流化床锅炉的工艺要求 本文以黑龙江绥化油脂厂2 0 吨时循环流化床锅炉项目为依托，系统的工艺要求是 额定蒸发量2 0 吨时，额定蒸汽压力2 4 5 m p ，额定蒸汽温度4 0 0 。c ，一次风预热温度 6 0 。c ，二次风预热温度1 8 0 。c ，排烟温度1 6 5 。c ，适用燃料贫煤、褐煤、无烟煤、烟 煤，热效率8 5 ，脱流效率= 9 0 ，钙硫比1 5 2 2 2 2 循环流化床锅炉参数的耦合关系 循环流化床锅炉自动控制系统主要调节的变量有；汽包水位、主蒸汽温度、主蒸汽 压力、烟气含氧量、炉膛负压；料床温度、料床厚度等；被调量有给煤量、一次风量、 二次风量、石灰石量、引风量、排渣量、减温水流量等，各参数之间的耦合关系如表2 1 所示： 表2 1c f b 锅炉参数耦合关系表 t a b l e2 1p a r a m e t e rc o u p t i n gr e l a t i o n s h i po f 给煤量强强弱 一次风较强强中 二次风较强强中 引风量弱弱强 石灰石量弱弱弱 排渣弱弱弱 减温水流量中 无 无 给水流量中无无 强 强 强 弱 弱 弱 无 无 中 弱 弱 弱 中 强 无 无 强 弱 弱 弱 强 弱 无 无 中 中 中 弱 弱 弱 强 无 中 中 中 弱 弱 弱 无 强 由表2 1 可以看出，汽包水位、减温水流量与其他被调量的耦合关系较弱，可独立 白成系统。所以，目前一般将循环流化床锅炉系统分为几个相对独立的控制系统，即汽 水系统、主蒸汽温度系统及燃烧控制系统。其中燃烧控制系统一直是个公认的难题，而 前两者的设计得益于普通锅炉的深入研究。 2 2 3 循环流化床锅炉的控制系统方案 在循环流化床锅炉的控制系统设计中嘲，可以采用p i d 算法作为基本控制算法，以 串级控制作为控制系统的基本结构，从而使控制系统设计简单化。为了保证系统的稳定 一7 一 东北走学硕士学位论文第二章循环流化床锅炉的控制系统 性及高静态指标，p i d 算法采用变速积分非线性算法。但由于循环流化床锅炉燃烧机理 复杂，系统变量之间耦合紧密且有严重的非线性，如循环流化床锅炉的烟气中的飞灰浓 度较大，呈流化循环状态；并随着负荷变化，飞灰的浓度也会变化，而普通的锅炉的烟 气中飞灰变化则不大。这就形成了它本身特有的辐射、传导及对流的固有传热特性，这 使得建模和控制变得十分复杂和困难，常规控制难于保证其高性能指标得以实现。因此， 控制系统设计决定采用主控变量决定次要控制变量，再对后者所控变量的偏差进行动态 补偿的方法，同时采用优化先进控制算法克服常规控制算法的不足。见2 2 图 图2 2 控制系统总图 f i g2 2c o n t r o ls y s t e m sa s s e m b l yd r a w i n g 当锅炉的蒸汽负荷变化时，蒸汽母管压力则随之而变，汽包压力亦必随之而变，则 进入和流出锅炉的热量不平衡，必须改变燃料量以使之平衡。改变燃料量必须改变空气 量，但为了保证最佳燃烧和炉膛内一定负压，必须改变引风机的排风量。与此同时，还 必须通过汽包水位的控制改变给水量，保证输出蒸汽与给水的平衡：过热蒸汽系统通过 改变减温水量控制蒸汽温度，为了生产合格的蒸汽，生产过程的主要工艺参数必须严格 控制。 蒸汽量和压力要适合需要或保持在给定范围内：过热蒸汽温度保持在一定范围内； 8 东北大学硕士学位论文 第二章循环流化床锅炉的控制系统 汽包水位要保持在一定范围内；燃烧的经济性，且要保证安全运行；炉膛负压要保持一 定范围内。 因此锅炉的自动化控制主要包括汽包水位控制、过热蒸汽温度自动控制、蒸汽压力 调节、炉床温度调节、炉床料位调节、燃烧自动控制( 包括热负荷、一次风、二次风、 引风) 及联锁控制几个方面。其中汽包水位是关系到锅炉安全的重要参数，汽温和汽压 是蒸汽质量也是汽机所要求的重要指标，燃烧控制则是节能的重点所在。 2 2 3 1 主蒸汽母管压力控制 锅炉主蒸汽母管调节系统能通过负荷分配计算将锅炉的负荷指令，以并联协调的方 式送至每台锅炉的燃料和空气控制系统，保证三台锅炉有一台出现故障的时候，其它锅 炉能自动增加负荷，该系统有下列特点“： ( 1 ) 根据供给锅炉燃烧所需要的空气量，限制给煤机一次风量的指令，以保证燃料 量不大于实际空气量，并提供报警信息。 ( 根据供给锅炉的总燃料量，调节锅炉送风系统的控制指令，以保证燃料所需的 空气量，实现风煤比的最佳控制。 ( 3 ) 风煤调节是通过负荷规则调节器实现“加负荷时，先加风后加煤；减负荷时， 先减煤后减风”的控制规则。 图2 3 主蒸汽母管压力控制框图 f i g2 3d i a g r a mo fs t e a mm o t h e rt u b ep r e s s u r ec o n t r 0 1 9 东北大学硕士学位论丈第二章循环流化床锅炉的控制系统 2 2 3 2 锅炉负荷控制 锅炉负荷指令信号是通过检测蒸汽母管压力( 蒸汽母管压力调节器输出) 和实际蒸 汽流量来产生的，它是根据蒸汽负荷变化去改变燃料的流量及对应的风量，使蒸汽母管 压力保持在设定值上。一般情况下，热负荷的被控变量是主汽压力，其主要干扰为蒸汽 负荷与燃料流量的变化，当两者的波动比较小时，可以采用燃料流量为操作变量的单回 路控制系统。如波动较大，可以采用蒸汽压力对燃料流量的串级控制。实际上针对锅炉 主控系统是一个慢速控制回路而汽机功率控制系统是快速控制回路，这两个控制系统问 调节速度不匹配，使主汽压力控制无法跟随汽机功率控制，造成机炉问的能量失衡，引 起主汽压力波动较大。采用优化控制算法，即锅炉侧主汽压力控制采用直接能量平衡 ( d e b ) 控制方式和模糊控( f u z z y ) * 0 3 np i d 复合控制方式，以提高主汽压力控制回路的 控制速度，并使锅炉主控同时兼有燃料控制和机前压力控制功能。其中给粉机变频器调 速系统作为燃料控制系统的操作执行回路，接受燃料控制系统的燃料指令，经过m o c s ( 自动平衡系统) 和给粉机各层操作回路的偏置，合理分配各给粉机的负荷，达到优化 燃烧的目的，同时，给粉机转速变化量为实现经济燃烧送给风机控制器作为随动信号， 要控制一、二次风量和床温的变化，因为给煤机的给入速度会影响床温的变化。 图2 4 负荷控制框图 f i g2 4d i a g r a mo fl o a dc o n t r 0 1 1 0 东北大学硕士学位论文第二章循环流化床锅炉的控制系统 2 2 3 3 燃料量控制 燃料量调节回路是将补偿后煤流量信号向给煤量调节器提供反馈信号，该调节器 有能力根据给煤机运行数量自动调节其增益。该调节回路根据锅炉负荷指令要求信号与 风量信号经交叉限制后选择较低值作为调节器的设定信号。选择较低值的目的是保证维 持燃烧室中的风燃料比。煤量调节器含有一个手动自动转换站。在手动方式时，操 作人员可以改变调节器的输出，增加或减少给煤量。在自动方式时，调节器输出随实际 和要求的煤量之间的偏差而改变给煤量。 图2 5 燃料量控制框图 f i 9 2 5 d i a g r a m o f f u e l q w f i t y c o n t l o l 2 2 3 4 送风系统 在热负荷发生变化时，燃煤锅炉的送风量也应发生变化，因此燃煤量和送风量都与 热负荷成一定的比例，只有这个比例保持得较好，才能获得较经济的燃烧。检查燃煤量 和送风是否比例恰当的直接指标是烟气中的含氧量，因此烟气中的含氧量可以用来校正 送风量，送风系统采用氧量校正与动态自寻优控制相结合方案，经验给定与氧量校正方 案：送风量粗给定是由司炉总结给定，并用烟气含氧量进行微调，按照不同负荷下对应 的最佳过剩空气系数自动修改氧量的设定值，使锅炉燃烧一直处于最佳状态。当氧量检 测出现故障时，动态寻优系统自动投入运行，寻找最佳的送风值。同时当负荷增加时， 在增加燃料之前要增加风量；当负荷减少时，要先减少燃料后减少空气量，系统框图见 锅炉总控制图。 2 2 3 5 一次风控制 总一次风量调节器是根据风主调节器要求来保证至锅炉喷咀的一次风风量。整个一 次风风量设定值是通过一些函数计算得出来的，它代表供给布风板上的一次风风量及供 给一次风喷咀的实际测量的一次风，同时根据氧量自寻优控制器算法和床温信号进行补 偿而得到的结果。调节器的测量信号是由机翼元件测量所得，调节器输出控制一次风机 入口叶片，维持风量在设定值。 ，1 1 东北大学硕士学位论文第二章循环流化床锅炉的控针系统 图2 6 一次风控制框图 f _ i g2 6d i a g r a mo f o n e w i n dc o n u o l 2 2 3 6 二次风控制和氧量校正控制 二次风主要是用来帮助悬浮段中，微小煤炭粒子的充分燃烧。二次风量控制是以二 次风量为测量信号，以烟气含氧量为校正信号，锅炉负荷指令为设定值，去控制二次风 调节挡板开度，其中烟气含氧量与负荷有关。 氧量修正调节回路是根据省煤器后烟道中剩余空气的氧量来调节上部二次风档板， 维持过量风量。为了节能和合理燃烧，通常选择小的过剩空气系数来实现低氧燃烧。过 剩空气系数的合理值是1 ，一般选用过剩空气系数的范围是1 0 2 - 1 1 0 。由于各种干扰过 剩空气系数不变，为此在设计时引入捧烟含量含氧量对空气系数进行校正，实现氧量闭 环控制，这样就能保证锅炉处于最佳燃烧状态。其中氧量设定值与锅炉负荷有关如图， 通常负荷增加时，最佳含氧量减少。 图2 7 = 次风和氧量校正控制框图 f i 9 2 7 d i a g r a m o f t w o w i n d s c o n t r o la n d o x y g e n q u a n t i t ya d j u s t m e n tc o n t r 0 1 1 2 东北大学硕士学位论文第二章循环流化床锅炉的控制系统 2 2 3 7 炉膛压力控制 在生产过程中热负荷变化，会引起燃煤量和送风量成比例地变化，而送风量的变化 将导致锅炉炉膛负压的变化，通过锅炉炉膛负压控制回路去改变引风量，使炉膛负压保 持在一定的范围内。但引风量调节总是落后于送风量调节，为了解决这个问题，我们把 送风调节的输出作为引风量调节的前馈信号，当送风量变化时引风量也随着变化，从而 使炉膛负压波动减小。该调节回路的目的是保证锅炉炉膛压力为设定值，并引入两个炉 膛压力测量信号，取其中一个值送至调节器。调节器输出控制引风机入口挡板。该调节 回路引入一次风和二次风负荷信号作为前馈信号。 图2 8 炉膛负压控制框图 f i g2 8d i a g r a mo fc h a m b e rp r e s sc o n t r o ls y s t e m 2 2 3 8 主蒸汽温度控制 主汽温度是锅炉汽水通道中温度最高的地方，主汽温度是整个锅炉或机组安全、经 济运行的重要参数之一。它的温度过高，容易使设备( 过热器、汽轮机、管道和阀门) 因热应力而损坏，主汽温度过低则降低锅炉和机组的运行效率。 主汽温度控制过程中所涉及的设备对象为：高温过热器、低温过热器、减温器、 减温控制阀。影响锅炉主汽温度控制的因素较多，负荷、燃料、风烟、水等因素对主汽 温度都有影响，由于过热蒸汽流量是根据生产需要决定的，所以流量不能用做控制手段， 因此过热器出口的蒸汽温度可通过控制过热器的喷水量来控制。此调节回路基于串级调 节，主调节器响应过热器出口温度与手动调节的设定值之间的温差。副调节器响应由主 调节器修正的温度和减温器后蒸汽温度之问的温差。使过热器出口蒸汽温度控制在设定 值，最终结果是控制锅炉出口的主蒸汽温度为设定值。 1 3 东北大学硕士学位论丈 第二章循环流化床锅炉的控制系统 图2 9 主蒸汽温度控制压力控制框图 f i g2 9d i a g r a mo ft h em a i ns t e a mt e m p e r a t u r ec o n t r o l 2 2 3 9 汽包给水控制方法 水位控制通过改变给水调节阀位置或主给水流量调节阀位置来实现。这些阀门接收 来自单冲量调节器或三冲量调节器的控制信号，单冲量调节仅仅用于锅炉启动时的汽包 水位控制；三冲量调节用于锅炉负荷大于3 0 时的汽包水位、蒸汽量及给水量控制。三 冲量控制是前馈蒸汽流量和串级控制组成的复合控制系统，在这个系统中，蒸汽流量和 给水流量都作用于副回路，当给水流量由于干扰或自发扰动时，副回路迅速改变给水流 量，以使给水流量基本不变，而当蒸汽流量扰动时，副回路迅速动作改变给水流量以使 水位变化很小。所以，实质上对给水流量的干扰也形成了一个前馈。而当水位偏离给定 值时，主回路动作而使水位恢复到给定值。 设 图2 1 0 汽包水位控制框图 f i g2 1 0d i a g r a mo fs t e a md r u ml e v e lc o n t r o ls y s t e m 一1 4 东北大学硕士学位论文第二章循环流化床锅炉的控制系统 2 2 3 1 0 锅炉床温控制 燃烧过程的控制和床温调节，是循环流化床锅炉的主要特点，锅炉床温调节回路目 的是根据负荷指令将床温保持在其预定值，根据石灰石与氧气和二氧化硫之间的吸收反 应所确定的最佳温度在8 5 0 。c - 9 0 0 。c 之间，在此温度范围内运行可保证最佳燃烧效率 和最佳脱硫效率以及最低的n o x 。为了将床温控制在其设定值，需要调整一次风量和二 次风量。因为一次风是从炉床底部向上吹，床温反映灵敏，二次风一般是分层分布，调 节二次风可以控制炉内的含氧量，使煤粒充分燃烧。所以控制床温主要是调整一次风量， 次之是给煤量。 1 一寸 图五1 1 床温控制框图 f i 9 2 1 1d i a g r a m o f b e a 4 e m p e r a t u r e c o n t r o l 2 2 3 1 1 料层差压调节 流化床料层差压过高使布风板阻力增大，可能造成风道和风室的震动，差压过低时 负荷又带不上去。因此，可根据料层差压自动控制排渣机的电机，使之保持规定值，同 时由于锅炉负荷，炉床床温与炉床床料有密切的关系，一般来说负荷( 燃料) 增加时， 炉床床料厚度增加，负荷减小时炉床床料厚度减小，负荷基本稳定后可通过床温修正床 料厚度。 床压控制调节回鼹通过测量三个床压信号取其中值，作为床压调节器的测量信号。 调节器设定值是由人为设定，该调节器输出信号送到水冷螺旋转速调节器，改变其转速 或者控制排渣阀，来控制燃烧室中的床物料量来满足一定的床压。 一1 5 东北大学硕士学位论文第二章循环流化床锅炉的控制系统 平均床温 床料差压 图2 1 2 料层压差调节框图 啦2 1 2d i a g r a mo f m a t e r l e v e lb a dp l e , s g u r ea d j u s t 2 2 3 1 2 减温减压温度、压力控制 减温减压温度控制是根据其出口的蒸汽温度来调节喷水调节阀，以维持出口的蒸汽 温度保持在设定值。减温减压压力控铺是根据其出口的蒸汽压力来调节压力调节阀。以 维持出口的蒸汽压力保持在设定值。 设定值 固2 1 3 减温减压温度、压力控制框图 f i g2 1 3d i a g r a mo fr e d u c et h ep r e s s u t c , m p e r a t t l r e ，p r e s s e x ee o a t t o l 一1 6 东北大学硕士学位论文第三章锅炉汽包水位调节系统 第三章锅炉汽包水位调节系统 3 1 锅炉汽包水位控制系统基本要求 3 1 1 “虚假水位”现象 汽包水位是锅炉运行的主要指标。如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而负 荷却很大，水的汽化速度又快，因而汽包内的水量变化速度很快，如不及时控制，就会 使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏或爆炸：水位过高会影响汽包的汽水分离。产生 蒸汽带水现象，会使过热器管壁结垢导致破坏。在锅炉控制系统中，汽包水位的控制是 最基本的也是及其重要的。汽包水位控制的任务是，使锅炉给水量始终跟着蒸发量，维 持汽包水位在锅炉生产允许的范围内。汽包及蒸发管储存着蒸汽和水，储存量的多少， 是以被控制量水位表征的，通常情况下汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给 水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。引起水位变化的主要扰动是蒸汽流量和给水 流量的变化。当蒸汽流量突然大增，汽包压力将急剧下降，饱和水将快速蒸发，使得饱 和水中产生大量的气泡致使水位上升，而此时给水量并没有增加。这就是锅炉的“虚假 水位”现象，此时的水位并不能代表锅炉中水位真实情况。 3 1 2 给水自动调节系统的任务 主要包括两方面： ( 1 )