第五章锅炉燃烧控制系统

1、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。 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

2、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。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、

3、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。保持汽机调节阀开度不变，阶跃变化燃料量M： Tm( )1MbM BsM BbPKWseMT st-=+( )1MMM TsM TbPKWseMT st-=+燃料量扰动下的汽压对象的动态响应曲线 （2）汽机调门开度扰动下的汽压动态特性 锅炉燃料量不变，汽机调门开度阶跃变化。 ( )1bT BT BTbPKWsT sm= -+1( )()1MT MT MTbPKWsKT sm= -+汽机调节阀开度扰动下的汽压响应曲线 三、燃烧控制系统组成的基本原则

4、 （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。 （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。四、中储式锅炉燃烧控制系统基

5、本方案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。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。 锅炉主指令（燃烧率指令） 烟汽中的实际含氧量 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 工作过程： (1)当BD增加时，调节器PI1动作，增大给粉机

6、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。 (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

7、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。 (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。2%O2%O热量信号的运算实现：bQbdPDDCdt=+汽包压力 注：其实本身是一个实际微分 特点：热量信号代替燃料量信号，并对风量施

8、以氧量校正；能消除燃料自发扰动的影响。 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。 热值校正回路 经热值修正后的给粉机转速信号 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

9、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DQnQ，积分器输出增大， 的乘法系数增大，nQ增大。在燃料子系统中，nQBD，调节器PI1输出减小，降低给粉机转速，减小进入炉膛的燃料量。当锅炉主指令BD增加时， 增大，nQ增大，因而DQ也增大，积分器输出基本不变。nn五、直吹式锅炉燃烧控制系统的基本方案 1直吹式锅炉燃烧过程的特点 一次风 二次风 不存在中间储煤仓，制成的煤粉直接送入炉膛，这样省去了细粉分离器和中间储粉仓而节约投资。直吹式制粉系统中的制粉设备有钢球磨、中速磨、竖井磨和

10、风扇磨等。磨煤机工作方式又有负压直吹式系统和正压直吹式系统和风扇磨直吹系统。负压工作方式的优点是不会向外喷粉，但排粉机叶片易磨损。正压方式解决了排粉机磨损问题，但需要解决密封问题。风扇磨直吹系统由于其本身具有的排粉能力而省去排粉机。设计锅炉燃烧控制系统时应注意： （1）由于燃料量调节阀只能设在磨煤机前，即调节进入磨煤机的原煤量M0，因此制粉过程就被包括在汽压通道中，大大增加了汽压通道的惯性和迟延。 （2）由于一次风在磨煤机之前引入，因而对制粉系统的正常工作影响很大。一次风量过大，进入炉膛的煤粉颗粒大，风量过小又影响送粉而易造成磨煤机堵塞。 （3）不同种类的制粉设备，不同工作方式，它们各具特点。

11、因此设计燃烧控制系统时必须区别对待。2“一次风燃料”燃烧控制方案 对装煤量大的磨煤机，利用改变一次风量吹出磨煤机中的蓄粉，可有效地减小燃料系统的惯性和迟延。 图中炉膛负压控制子系统与中储式锅炉燃烧控制系统相同。 工作过程：当锅炉主指令BD变化时，首先由一次风量调节器PI5和二次风量调节器PI2改变一次风量和二次风量。一次风量的改变可以迅速吹出磨煤机中的蓄粉，以适应负荷变化对炉膛发热量的需求。一次风量与二次风量成比例变化，即与进入炉膛的燃料量成比例变化，也有利于保证燃烧过程的经济性。在一次风量V01变化后，燃料量调节器PI1输出改变，改变进入磨煤量M0。 适用范围：适用于装载量大的钢球磨，中速磨

12、和竖井磨制粉系统，要维持磨煤机的正常运行必维持一定的装煤量，这也是保持出粉量稳定变化的需要。 注意：磨煤机装煤量的测量目前尚无直接的测量方法，工程中有一种用测量一次风差压信号与磨煤机前后差压信号的比值代表装煤量。 二次风量控制反馈信号V02通常是经过烟气含氧量校正后的信号，其校正回路同前氧量校正回路。 3“燃料空气”燃烧控制方案 随着锅炉容量的增加，磨煤机的运行台数通常也随之增加，相对而言磨煤机的装煤量在减小。对于装煤量少的磨煤机，其蓄粉量相应也少，这就不宜采用“一次风燃料”燃烧控制方案，而采用“燃料空气”控制方案。 工作过程：当锅炉主指令BD变化时，给煤量调节器PI1动作，改变进入磨煤机的原

13、煤量；送风量调节器PI2动作，改变进入炉膛的风量。在给煤机转速指令n变化时，一次风量调节器PI5动作，改变一次风量，改变进入炉膛的煤粉量。 燃料量信号M0的测量仍是问题。目前多采用给煤机转速信号并加以修正来代表给煤量，其修正回路的组成如左图所示。 修正回路的输入信号是P1而不是DQ。P1是汽机调速级压力，它代表着汽机的能量需求，即代表着汽机的进汽量。 在稳态时，上述修正回路输出信号M0即为P1，对锅炉而言即要求其燃料量的输入应与蒸汽量的输出相适应，即与汽机的进汽量相适应。 给煤量信号的形成： 燃煤锅炉的燃料主要是煤，但在锅炉点火到低负荷段需要燃油，因此锅炉燃料量控制实际包括燃油量控制和燃煤量控

14、制。一、燃油流量控制回路 整个回路由两个系统组成，即燃油流量调节系统和燃油压力调节系统，由机组运行人员选择控制方式。 （1）当运行人员选择燃油流量控制方式时，1调节器工作，燃油流量调节器的设定值由运行人员在DCS站上设定后经切换开关作用到1调节器，被调量是给油流量（Feed Oil）与回油流量（Return Oil Flow）的差值即进入炉膛的燃油量。当进油量小于设定值时，1调节器输出增加，给油调节阀开大，增大给油量；反之，进油量大于测定值时关小给油阀。在这种控制方式下，2燃油压力调节器也处于工作状态，但因其给定值是一个很小值Pmin，实际燃油压力（Heavy Oil PRESS）远远大于Pm

15、in，调节器输出始终为零该值作为1调节器输出的下限值，而不影响1调节器的正常工作。工作原理： （2）当运行人员选择燃油压力控制方式时，图中RCM置位，经脉冲元件，逻辑XOR等处理后动作调节器设定值切换开关。对于燃油流量调节器设定切换开关动作的结果是设定值为零，由于实际进油量远大于零，因此1调节器内部运算结果为负值，那么它实际输出值就取决于其下限设定值，该值为燃油压力调节器的输出。燃油压力调节器的设定值为运行人员在DCS站上的设定值与Pmin经大值选择后的输出值，当燃油压力小于设定值时，2调节器输出增大，1调节器输出随之增大，开大给油阀，因为燃油压力为给油阀后压力，所以燃油压力升高，进入炉膛的燃

16、油流量增大。反之，燃油压力大于设定值时，调节阀关小，进入炉膛燃油量减少。二、燃料量控制回路 在主控系统给出的锅炉主指令（BD）下燃料量与风量协调动作。又因该燃料系统为中间储仓式，即燃料量的调节是通过调节给粉机转速来实现，因此本燃料量控制回路的输入信号是锅炉主指令，输出信号是给粉机转速指令。 1燃料与风量交叉限制 在锅炉燃烧过程中，如果风量太小则造成炉膛灭火，为保证燃料的完全燃烧，风量应始终比燃料富裕。如下图中，锅炉主指令BD与风量信号AF在小值选择器中进行选择，把幅值较小的信号作为锅炉燃料调节器的给定值，锅炉主指令BD是按设计煤种标定的，因此风量信号AF是经过氧量修正后的实际送风量。燃料量控制

17、回路的方框图 该交叉限制回路工作过程中，当主指令增加时，并不立即去增大给粉机转速，而是在实际送风量增大后放行主指令，即先加风后加煤；当主指令减少时，先减煤后减风，并保证风量大于燃料量。 风煤交叉限制功能的投入或切除由运行人员选择。在上图中，逻辑为1即送风控制在自动工况下，运行人员按“投入”健时，RCM复位，切换开关T4处于常闭状态，其输出为BD、AF中的小值者。当运行人员按“切除”键时，RCM复位，切换开关T4动作，锅炉主指令BD直接作用到燃料调节器。 2“燃料-空气”控制策略 在上图中，燃料调节器的反馈信号是热量信号HR，即用热量代替燃料量信号的控制方案,即“燃料-空气”系统。燃料调节器的输

18、出经锅炉主站(Boiler Master)作用到积分器,其反馈信号是给粉机实际转速AVG FD。这是一个多输出系统，即积分器输出的给粉机转速指令将平行地作用到A、B、C、D、E五个燃料子站，每个燃料子站又同时操作4台给粉机。 3燃料量的闭环锁增/闭锁减 送风控制在自动工况下，如果风量AF与热量HR的差值低于某值时；或积分器输出指令大于比较器H/L上限定值时，逻辑回路动作图中切换开关T1和T2。切换开关T1动作结果是自保持，即其输出信号为动作前的给粉机转速指令，T2动作的结果是将转速指令当前值作为燃料调节器输出的上限设定值，因此燃料调节器输出信号只允许减小，而不会增加，即给粉机转速被闭锁增。 同

19、理，当转速指令小于比较器H/L所设定的下限值时，切换开关T1、T3动作，燃料调节器输出信号的下限设定值改变为动作前的给粉机转速指令，从而使调节器输出信号只能在动作前的值的基础上增大，而不会减小，从而实现燃料量的闭锁减。 送入炉膛的燃料能否充分燃烧，直接关系到锅炉燃烧的经济性，因此要对进入炉膛的送风量加以控制。进入炉膛的二次风量大小取决于送风系统的风道压力及风道阻力。保证风道压力，调节风道流通阻力可调整送风量；也可调节风道流通阻力的同时调节风道压力来调节送风量。由于该燃料系统采用一次风机的热风送粉系统，因此一次风风道压力也应加以控制。 一、风量控制回路 风量控制系统由进入炉膛总风量目标值形成回路

20、、送风机出口挡板位置控制回路等两个回路组成。 空气流量给定回路1风量给定值形成 图中，热量信号HR经函数f（x）标定后代表着燃料量与锅炉主指令BD在大值选择器中进行选择，其较大者作为风量目标值。 为保证锅炉燃烧的经济性，对风量实施氧量校正是常用的方法。图中，这种校正来自两方面，一是汽机调速经压力P1经f（x）折算后自动校正，另一方面由运行人员在 DCS 站进行的过剩空气校正（Excess Air Correction）。运行人员根据DCS站显示的实际烟气含氧量，校正风量设定值。 经过校正后的目标值与由定值器A设定的30%最小风量在大值选择器中选择，使风量设定值不小于30%。大选输出信号AFD，

21、即送风量设定值用于下图的锅炉送风量控制器。 热量信号HR和锅炉主指令BD在大选中选择，实现风煤交叉限制，并使总风量始终富裕燃料量。在加负荷时，即锅炉主指令增加时，先加风后加煤；减负荷时，先减煤后减风。2风量控制回路 在上图中，比例积分调节器的给定值为AFD，反馈信号为TAF，它是进入炉膛的总风量，稳态时总风量等于给定值。风量调节器的输出信号f平行地作用到送风机A和送风机B挡板位置控制回路，调节送风机出口挡板位置，调整二次风量；与此同时，该位置指令f送到炉膛压力控制系统，动作引风机位置，进行引风前馈控制。 切换开关T3和T4实现指令的闭锁增和闭锁减功能。当闭锁增逻辑614为1时，切换开关T3动作

22、，将调节器输出信号上限限值由MAX切换为其输出值f，因此调节器输出信号即送风机位置指令f只许减少而不能增大。同理，当逻辑617为1时，T4动作，指令f成为调节器输出下限限值,因此信号只许f 增大而不能减小。 工作原理： 当送风机A和送风机B均在手动控制方式时，调节器跟踪驱动信号为1，调节器进入跟踪工况，其输出信号f随跟踪信号变化，即送风机A实际位置信号a和送风机B的实际位置信号b的平均值。该系统是两输出结构，运行人员可偏置送风机出口挡板位置。由上图看出，送风机A位置指令a0=f-e；当e=0时，a0=b0=f，即送风机A和B的位置相同；当e0时，b0a0 ，这种偏置作用在送风机A和送风机B均投

23、入自动工况时，运行人员在送风机B的DCS上设定，其值作用到切换开关T1，因T1闭合常开触点，该偏置信号作用到速率限制器，其输出信号e按设定速率变化。送风机A或B任一台处于手动工况时，图中与逻辑输出为零，偏差信号处于跟踪状态。若送风机A在手动，则切换开关T1、T2均不动作，偏差信号e=fa, 送风机A的DCS站输入为fe=f（fa）=a，这样A风机投自动时无扰动。若风机B在手动工况，风机A在自动，则T2动作，T1不动作； 偏差信号e=bf，风机B的DCS站输入为 fe=fbf=b，显然风机B投自动后无扰。当风机A和风机B均在手动时，风机A的DCS站输入随输出变化，而风机B的DCS站输入为fe=f

24、fa，由于调节器处于跟踪工况，所以f=（ab）/2，这样B站输入为（ab）a=b，因此投任一侧风机控制于自动后都是无扰的。3送风机出口挡板位置保护回路 送风机出口挡板位置保护回路的作用有两方面：闭锁送风机出口挡板位置和全开、全关送风机出口挡板。 送风机出口挡板位置保护回路 送风机出口挡板位置保护回路的作用有两方面：闭锁送风机出口挡板位置和全开、全关送风机出口挡板。 在上图中，由DCS站给出的送风机位置指令经过大、小选择器处理后输出。以送风机A位置控制为例，信号a0同时作用到大值选择器和切换开关T1，正常情况下T1不动作，因此大选输入信号均为a0，其输出便为a0，同样小选输出也为a0，这样送风机

25、位置实际指令a= a0。当逻辑为1时，为0时，与逻辑输出为1，T1动作，大值选择器输入分别为指令a0和大选输出信号。显然在指令a0增加时，大选输出信号可随之增大，而a0减小，则输出保持不变，实现送风机位置闭锁减功能。 同理，当逻辑为1时，T2动作，小值选择器输出信号在a0减时随之减小，而a0增大时却保持不变，实现闭锁功能。 当为1，即两台引风机运行时，切换开关T3动作，位置实际指令a=100%，全开送风机出口挡板。逻辑为1时，T4动作，a=0%，全关送风机出口挡板。二、二次风挡板控制回路 二次风挡板控制分为辅助风挡板控制和燃料风挡板控制，其中辅助风6层挡板中有两层在燃油时切换为燃料风控制方式。

26、1辅助风挡板控制下图是aa、cc、dd、ef四层挡板位置控制回路组成方框图。 它以二次风风箱压力（SA Windbox PRESS）与炉膛压力(Furnace PRESS)的差值为被调量，其设定值是汽机调速级压力P1经函数f (x)处理后与机组负荷有关的值，f (x)特性如左图，在低负荷和高负荷两段，调整辅助风挡板开度维持压差Pmin和Pmax定值上，而风箱差压与机组负荷的关系曲线 中间负荷段，风箱差压P随机组负荷增大而增大。 这是一个多输出系统，信号SAD平行地作用到6层辅助风挡板控制回路。图中所示的层控制回路可以看出，运行人员可通过本层DCS站偏置本层的挡板位置。当全关本层二次风挡板逻辑为

27、1时，切换开关T2动作，由定值器A设定的100%信号作用到本层挡板回路，全关该层挡板。同理，当为1时，T1动作，全开本层挡板。bc、de两层辅助风挡板控制回路如下图所示。 切换开关T的状态确定本层二次挡板控制的目标，即作为辅助风还是作为燃料风。 当T不动作时，二次风挡板位置指令SAD平行地作用到bc、de两层挡板控制回路，它们全开、全关管理同前四层。 当T动作后，bc、de两层风挡板位置随燃油压力HOP信号变化而变化。即，在燃油压力增大时，也开大这两层挡板开度，增大送风量。 2燃料风挡板控制 ff、gg层二次风挡板称为燃料风控制挡板，其位置控制回路如下图（a）所示。由图知，本层挡板开度随汽机调

28、速级压力P1变化而变化，其关系曲线如图（b）所示。由图示曲线知，在高负荷期间，这两层挡板通常均处于全开状态。燃料风挡板控制特性 位置控制回路 电站锅炉炉膛压力的高低关系着锅炉的安全经济运行。炉膛压力过高会造成风机耗电量的增加，以及排烟热损失的增加；炉膛压力过低则有引起炉膛爆炸的危险。因此必须将炉膛压力控制在安全允许范围内，其控制手其控制手段是根据炉膛压力调整引风量与锅炉的送风量相适应。 一、炉膛压力测量 对炉膛压力的多变送器测量，提高信号测量的可靠性是锅炉防内爆的措施之一。该炉膛压力测量如右图所示。 炉膛压力测量系统 动态滤波 三变送器中输出值居中者。 二、炉膛压力控制回路1. 炉膛压力的正常

29、调节 引风机位置指令g是加法器1的输出，它由两部分组成：信号e是送风机位置指令FDFD经函数F(x)3处理后形成，是炉膛压力控制系统的前馈信号，可配置引风机和送风机两者位置关系，尽可能使引风量与锅炉送风量相适应，维持炉膛压力的稳定，前馈控制作用使引风机位置变化快速跟踪送风机位置变化，大大改善炉膛压力的动态响应；炉膛压力实际值FP与其设定值FP0差值FP送函数F(x)1处理，F(x)1的特性曲线如下图（a）所示，即FP在（m，m）间变化时，输出为零，炉膛压力比例积分调节器输出信号f不变，这样小幅度高频偏差信号引起引风机入口档板频繁动作就被抑制，只有在FP超越(-m，m)范围时，调节器动作，校正引风机位置改变引风量，使炉膛压力保持在容许范围(m，m)内。可见，炉膛压力控制采取了前馈反馈复合控制策略。 2超驰控制 引风机入口挡板位置指令a 、b是由加法器2和加法器3给出。由图知，a和b分别由三个信号处理而成：信号y1、y4是控制回路调节信号g经运算而成，称为正常的自动调节作用；信号y2、y3称之为超驰控制信号。 超驰信号y3是炉膛压力偏差信号FP经函数F（x）2处理再送比例放大器运算而获得。函数F（x）2的特性曲线如图5-25（b）所示，它是一个死区组件，即当FP在（n,n）范围内时，其输出值y3为零，则超驰信号为零