锅炉燃烧控制系统课件

第九章锅炉燃烧过程自动控制系统9.1汽包锅炉燃烧系统简介电站汽包锅炉燃烧系统包括燃料量控制、送风控制和引风控制三个子系统，设备众多，结构复杂，系统组成如下图所示：第九章锅炉燃烧过程自动控制系统9.1汽包锅炉燃烧系统1第九章锅炉燃烧控制系统课件29.2燃烧过程自动控制的任务汽包锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是根据机组负荷的变化，使燃料燃烧所提供的热量适应锅炉输出蒸汽量的需求，同时保证燃烧过程的经济性和锅炉运行的安全性。（一）母管制并列运行方式采用母管制并列运行方式的机组，锅炉燃烧过程自动控制的任务为：按预定比例分配各台锅炉的负荷，维持母管蒸汽压力稳定；保证各台锅炉燃烧过程的经济性；维持各台锅炉炉膛负压的稳定。（二）单元制炉跟机运行方式采用单元制炉跟机运行方式的机组，在电网负荷变化时，首先改变汽轮机进汽阀开度调节机组负荷，再通过改变锅炉燃烧率维持主汽压力稳定，其机组控制原理图如下图所示：9.2燃烧过程自动控制的任务汽包锅炉燃烧过3炉跟机运行方式机组控制原理图此种运行方式下锅炉燃烧过程自动控制的任务为：维持主蒸汽压力稳定；保证锅炉燃烧过程的经济性；维持锅炉炉膛负压的稳定。（三）单元制机跟炉运行方式采用单元制机跟炉运行方式的机组，在电网负荷变化时，首先改变锅炉燃烧率调节机组负荷，再通过改变汽轮机进汽阀开度维持主汽压力稳定，其机组控制原理图如下图所示：炉跟机运行方式机组控制原理图此种运行方式下锅炉燃烧过程自动控4机跟炉运行方式机组控制原理图此种运行方式下锅炉燃烧过程自动控制的任务为：保证机组负荷满足电网要求；保证锅炉燃烧过程的经济性；维持锅炉炉膛负压的稳定。9.3锅炉燃烧过程自动控制系统的组成与特点针对电站锅炉燃烧过程自动控制任务的需要，电站锅炉燃烧控制系统由以下三个子控制系统组成：机跟炉运行方式机组控制原理图此种运行方式下锅炉燃烧过程自动控5以燃料量为调节变量，主蒸汽压力为被调量，通过调节进入炉膛的燃料量，维持主蒸汽压力的稳定。燃料量控制系统

送风控制系统以送风量为调节变量，烟气含氧量为被调量，通过调节进入炉膛的送风量，使烟气含氧量达到设定的最佳值，保证燃料燃烧所需的空气量和燃烧过程的经济性。

引风控制系统以引风量为调节变量，炉膛压力为被调量，通过调节引风量维持炉膛压力的稳定。锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制系统组成以燃料量为调节变量，主蒸汽压力为被调量，通过调节进入炉膛的燃6在锅炉燃烧控制过程中，通过燃料量控制、送风控制和引风控制三个子系统分别对三个调节变量（燃料量B、送风量V、引风量G）进行调节，以维持三个被调量（主蒸汽压力pT、烟气含氧量O2、炉膛压力plt）的稳定。锅炉燃烧控制过程中各调节变量和被调量之间的关系如下图所示：

因此电站锅炉燃烧控制系统是一个多输入多输出的非线性多变量强耦合控制系统。在锅炉燃烧控制过程中，通过燃料量控制、送风控制79.4锅炉燃烧过程被控对象的动态特性锅炉燃烧过程被控对象的动态特性是指机组运行过程中各种扰动引起的各被调量变化的动态关系，锅炉燃烧过程被控对象的动态特性主要有以下三个：（一）主蒸汽压力的动态特性

主蒸汽压力pT受到的主要扰动有二个，其一是燃烧率μB扰动称为基本扰动或内部扰动；其二是汽轮机耗汽量D的扰动，称为外部扰动。

内扰下主蒸汽压力的动态特性

主蒸汽压力pT在内、外扰动下的动态特性；

烟气含氧量O2在送风量扰动下的动态特性；

炉膛压力plt在引风量扰动下的动态特性。

主蒸汽压力pT

的动态特性与汽轮机的调节装置有关，图（a）为汽轮机功率不变时，锅炉燃烧率μB扰动下主蒸汽压力pT

变化的阶跃响应曲线：9.4锅炉燃烧过程被控对象的动态特性锅炉燃8

此时主蒸汽压力pT是一个无自平衡能力的被控对象。汽包压力pb与主蒸汽压力pT之差Δp2与主蒸汽流量以及过热器的阻力成正比。根据阶跃响应曲线确定迟延时间，可以求出：

反应速度：

反应时间：

反应时间TB定义为：燃烧率改变其额定值的10％,汽压改变10%所经过的时间。此时主蒸汽压力pT是一个无自平衡能力的被控对象9

此时主蒸汽压力pT是一个有自平衡能力的被控对象。汽包压力pb与主蒸汽压力pT之差Δp2随燃料量和进入汽轮机的蒸汽流量的增加而增加。图（b）为汽轮机调节阀门开度不变时，锅炉燃烧率μB扰动下主蒸汽压力pT

变化的阶跃响应曲线：根据锅炉蒸发受热面的热量平衡关系可得：式中:

ΔQr——热负荷阶跃变化；

D

——主蒸汽流量；

h′′——饱和蒸汽焓；

C

——蒸发受热面热容。此时主蒸汽压力pT是一个有自平衡能力的被控对象10根据以上热平衡关系式可得：（9－1）

式中Cb称为蓄热系数，其物理意义为汽包压力pb改变一个单位，蒸发受热面所吞吐的蒸汽量。

式（9－1）表明，测出主蒸汽流量D和汽包压力pb的变化速度dpb/dt，与一定的蓄热系数Cb配合,就可得到代表热负荷Qr的热量信号，可以迅速反映燃料量的变化。

外扰下主蒸汽压力的动态特性外部扰动是指电网负荷变化的扰动，图（a）和图（b）分别为汽轮机进汽量D和汽轮机调节阀门开度μT

扰动下主蒸汽压力pT

变化的阶跃响应曲线：根据以上热平衡关系式可得：（9－1）式中Cb11

图（a）中，主蒸汽压力pT

在阶跃下降Δp0后，一直维持等速下降，为无自平衡能力的被控对象。图（b）中，主蒸汽压力pT

在阶跃下降Δp0后，下降速度逐渐变慢，最后稳定于一个较低的压力值，为有自平衡能力的被控对象。图（a）中，主蒸汽压力pT在阶跃下降Δ12（二）烟气含氧量的动态特性

烟气含氧量O2是影响燃烧过程经济性的重要指标，主要通过改变进入炉膛的送风量V

对烟气含氧量O2进行调节。送风量V

扰动下烟气含氧量O2变化的阶跃响应曲线为：

由上图中烟气含氧量的阶跃响应曲线可知，其动态特性具有滞后、惯性和自平衡能力。（二）烟气含氧量的动态特性烟气含氧量O2是影响13（三）炉膛压力的动态特性

炉膛压力plt

对锅炉运行的安全性有重要影响，主要通过改变引风量G

对炉膛压力plt进行调节。引风量G

扰动下炉膛压力plt

变化的阶跃响应曲线为：

在送风量V

和引风量G

的扰动下，炉膛压力plt

的动态特性惯性很小，可近似认为是比例环节。（三）炉膛压力的动态特性炉膛压力plt对锅149.5锅炉燃烧过程自动控制的基本方案9.5.1并列运行锅炉燃烧过程自动控制系统采用母管制的并列运行锅炉燃烧过程自动控制系统的两种基本方案如下图所示：9.5锅炉燃烧过程自动控制的基本方案9.5.1并列运15上面介绍的两种控制系统存在以下两点不足：

不能保证燃料量和送风量的最佳比例，使燃烧处于最佳状态；

引风量变化落后于送风量，造成炉膛压力的较大波动。针对以上两点不足，改进后的并列运行锅炉燃烧过程自动控制系统如下图所示：上面介绍的两种控制系统存在以下两点不足：不能保证燃料量和送16下图所示为母管制并列运行锅炉燃烧过程自动控制系统的原理图，系统中加入了高、低值选择器，在负荷变化时可以合理控制风、煤增减顺序，以保证调节过程中燃料的完全燃烧：下图所示为母管制并列运行锅炉燃烧过程自动控制179.5.2单元机组锅炉燃烧过程自动控制系统在单元制汽轮发电机组中，锅炉按运行方式不同可以分为中储式和直吹式两种，下面对其对应的燃烧过程自动控制系统分别进行介绍。（一）中储式锅炉燃烧过程自动控制系统9.5.2单元机组锅炉燃烧过程自动控制系统18

热量信号

热量信号，是指燃料进入炉膛燃烧时在单位时间内产生的热量。可以用静态下的主蒸汽流量D

和动态下的汽包压力变化速度dpb/dt

表示，其计算公式为：式中:Cb

——

锅炉的蓄热系数。

在系统中，以热量信号代替燃料量信号，不但可以反映燃料量的变化，而且还可以克服燃料单位发热量变化对燃烧过程的影响，从而提高锅炉运行过程的稳定性。在锅炉运行过程中,热量信号只应该反映燃烧率的变化（内扰）,而不应该反映负荷的变化（外扰）。即热量信号只与燃烧率的变化有关,而与负荷的变化无关。

热量信号在燃料量B

和汽轮机调节阀门开度μT

扰动下的阶跃响应曲线分别如图（a）和图（b）所示：热量信号热量信号，是指燃料进入炉膛燃烧时在单19根据前面分析，当燃烧率不变而负荷变化时热量信号不变，即：负荷变化过程中，在t0～t1时间段内对上式进行积分运算可得：因此锅炉蓄热系数Cb的计算公式为：根据前面分析，当燃烧率不变而负荷变化时热量信号20时间t0～t1期间蒸汽流量

变化的累积量用试验方法求取锅炉蓄热系数Cb时，保持锅炉燃烧率不变而使负荷作任意扰动，记录蒸汽流量

D

和汽包压力pb

变化的曲线如下图所示：锅炉蓄热系数Cb的物理意义为：在燃烧率不变时汽包压力每变化一个单位，释放或吸收的蒸汽量。时间t0～t1期间蒸汽流量变化的累积量用试21在锅炉运行过程中，汽包压力变化速度dpb/dt

测量不到，只能测得带有惯性的速度信号，同时再加入主蒸汽流量D的实际微分信号，可以得到实际热量信号：（二）直吹式锅炉燃烧过程自动控制系统现代大型单元机组中锅炉普遍采用直吹式制粉系统，其主要特点如下：

制粉系统与锅炉燃烧过程紧密联系，是燃烧过程自动控制不可分割的组成部分。

在运行过程中燃料量指令变化后，还需经过磨煤制粉的过程，才能改变进入炉膛的燃料量，负荷适应能力较差，且容易引起主蒸汽压力的较大波动。采用直吹式制粉系统的锅炉生产过程如下图所示：在锅炉运行过程中，汽包压力变化速度dpb/dt22采用直吹式制粉系统的锅炉生产过程（a）示意图；（b）方框图

采用直吹式制粉系统的锅炉生产过程23一次风量作为燃料控制手段的燃烧控制系统

煤粉量t燃料与一次风一起扰动燃料扰动一次风扰动一次风量作为燃料控制手段的燃烧控制系统煤粉量t燃料与一次风24

采用一次风量为反馈信号的燃烧控制系统采用一次风量为反馈信号的锅炉燃烧过程自动控制系统适用于采用中速磨制粉系统的锅炉，其原理图如下：采用一次风量为反馈信号的燃烧控制系统采用一次259.6锅炉燃烧过程自动控制系统实例分析

采用直吹式制粉系统，燃烧控制系统主要包括6个子控制系统，即燃料控制系统、磨煤机一次风量、磨煤机出口温度、一次风压力、二次风量、炉膛压力控制系统。9.6锅炉燃烧过程自动控制系统实例分析采用直吹式制269.6.1燃料控制系统

9.6.1燃料控制系统279.6.2磨煤机风量、温度控制系统

9.6.2磨煤机风量、温度控制系统28（一）磨煤机一次风量控制系统

（一）磨煤机一次风量控制系统29（二）磨煤机出口温度控制系统

（二）磨煤机出口温度控制系统309.6.3风量控制系统

风量控制系统有一次风和二次风两个相互独立的系统，一次风主要用于将煤粉从磨煤机输送到燃烧器，二次风主要用来帮助燃料在炉膛中完全燃烧。

9.6.3风量控制系统31（一）一次风压力控制系统

（一）一次风压力控制系统32第九章锅炉燃烧控制系统课件33（二）二次风量（送风）控制系统（二）二次风量（送风）控制系统349.6.4炉膛压力控制系统

9.6.4炉膛压力控制系统35第九章锅炉燃烧过程自动控制系统9.1汽包锅炉燃烧系统简介电站汽包锅炉燃烧系统包括燃料量控制、送风控制和引风控制三个子系统，设备众多，结构复杂，系统组成如下图所示：第九章锅炉燃烧过程自动控制系统9.1汽包锅炉燃烧系统36第九章锅炉燃烧控制系统课件379.2燃烧过程自动控制的任务汽包锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是根据机组负荷的变化，使燃料燃烧所提供的热量适应锅炉输出蒸汽量的需求，同时保证燃烧过程的经济性和锅炉运行的安全性。（一）母管制并列运行方式采用母管制并列运行方式的机组，锅炉燃烧过程自动控制的任务为：按预定比例分配各台锅炉的负荷，维持母管蒸汽压力稳定；保证各台锅炉燃烧过程的经济性；维持各台锅炉炉膛负压的稳定。（二）单元制炉跟机运行方式采用单元制炉跟机运行方式的机组，在电网负荷变化时，首先改变汽轮机进汽阀开度调节机组负荷，再通过改变锅炉燃烧率维持主汽压力稳定，其机组控制原理图如下图所示：9.2燃烧过程自动控制的任务汽包锅炉燃烧过38炉跟机运行方式机组控制原理图此种运行方式下锅炉燃烧过程自动控制的任务为：维持主蒸汽压力稳定；保证锅炉燃烧过程的经济性；维持锅炉炉膛负压的稳定。（三）单元制机跟炉运行方式采用单元制机跟炉运行方式的机组，在电网负荷变化时，首先改变锅炉燃烧率调节机组负荷，再通过改变汽轮机进汽阀开度维持主汽压力稳定，其机组控制原理图如下图所示：炉跟机运行方式机组控制原理图此种运行方式下锅炉燃烧过程自动控39机跟炉运行方式机组控制原理图此种运行方式下锅炉燃烧过程自动控制的任务为：保证机组负荷满足电网要求；保证锅炉燃烧过程的经济性；维持锅炉炉膛负压的稳定。9.3锅炉燃烧过程自动控制系统的组成与特点针对电站锅炉燃烧过程自动控制任务的需要，电站锅炉燃烧控制系统由以下三个子控制系统组成：机跟炉运行方式机组控制原理图此种运行方式下锅炉燃烧过程自动控40以燃料量为调节变量，主蒸汽压力为被调量，通过调节进入炉膛的燃料量，维持主蒸汽压力的稳定。燃料量控制系统

送风控制系统以送风量为调节变量，烟气含氧量为被调量，通过调节进入炉膛的送风量，使烟气含氧量达到设定的最佳值，保证燃料燃烧所需的空气量和燃烧过程的经济性。

引风控制系统以引风量为调节变量，炉膛压力为被调量，通过调节引风量维持炉膛压力的稳定。锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制系统组成以燃料量为调节变量，主蒸汽压力为被调量，通过调节进入炉膛的燃41在锅炉燃烧控制过程中，通过燃料量控制、送风控制和引风控制三个子系统分别对三个调节变量（燃料量B、送风量V、引风量G）进行调节，以维持三个被调量（主蒸汽压力pT、烟气含氧量O2、炉膛压力plt）的稳定。锅炉燃烧控制过程中各调节变量和被调量之间的关系如下图所示：

因此电站锅炉燃烧控制系统是一个多输入多输出的非线性多变量强耦合控制系统。在锅炉燃烧控制过程中，通过燃料量控制、送风控制429.4锅炉燃烧过程被控对象的动态特性锅炉燃烧过程被控对象的动态特性是指机组运行过程中各种扰动引起的各被调量变化的动态关系，锅炉燃烧过程被控对象的动态特性主要有以下三个：（一）主蒸汽压力的动态特性

主蒸汽压力pT受到的主要扰动有二个，其一是燃烧率μB扰动称为基本扰动或内部扰动；其二是汽轮机耗汽量D的扰动，称为外部扰动。

内扰下主蒸汽压力的动态特性

主蒸汽压力pT在内、外扰动下的动态特性；

烟气含氧量O2在送风量扰动下的动态特性；

炉膛压力plt在引风量扰动下的动态特性。

主蒸汽压力pT

的动态特性与汽轮机的调节装置有关，图（a）为汽轮机功率不变时，锅炉燃烧率μB扰动下主蒸汽压力pT

变化的阶跃响应曲线：9.4锅炉燃烧过程被控对象的动态特性锅炉燃43

此时主蒸汽压力pT是一个无自平衡能力的被控对象。汽包压力pb与主蒸汽压力pT之差Δp2与主蒸汽流量以及过热器的阻力成正比。根据阶跃响应曲线确定迟延时间，可以求出：

反应速度：

反应时间：

反应时间TB定义为：燃烧率改变其额定值的10％,汽压改变10%所经过的时间。此时主蒸汽压力pT是一个无自平衡能力的被控对象44

此时主蒸汽压力pT是一个有自平衡能力的被控对象。汽包压力pb与主蒸汽压力pT之差Δp2随燃料量和进入汽轮机的蒸汽流量的增加而增加。图（b）为汽轮机调节阀门开度不变时，锅炉燃烧率μB扰动下主蒸汽压力pT

变化的阶跃响应曲线：根据锅炉蒸发受热面的热量平衡关系可得：式中:

ΔQr——热负荷阶跃变化；

D

——主蒸汽流量；

h′′——饱和蒸汽焓；

C

——蒸发受热面热容。此时主蒸汽压力pT是一个有自平衡能力的被控对象45根据以上热平衡关系式可得：（9－1）

式中Cb称为蓄热系数，其物理意义为汽包压力pb改变一个单位，蒸发受热面所吞吐的蒸汽量。

式（9－1）表明，测出主蒸汽流量D和汽包压力pb的变化速度dpb/dt，与一定的蓄热系数Cb配合,就可得到代表热负荷Qr的热量信号，可以迅速反映燃料量的变化。

外扰下主蒸汽压力的动态特性外部扰动是指电网负荷变化的扰动，图（a）和图（b）分别为汽轮机进汽量D和汽轮机调节阀门开度μT

扰动下主蒸汽压力pT

变化的阶跃响应曲线：根据以上热平衡关系式可得：（9－1）式中Cb46

图（a）中，主蒸汽压力pT

在阶跃下降Δp0后，一直维持等速下降，为无自平衡能力的被控对象。图（b）中，主蒸汽压力pT

在阶跃下降Δp0后，下降速度逐渐变慢，最后稳定于一个较低的压力值，为有自平衡能力的被控对象。图（a）中，主蒸汽压力pT在阶跃下降Δ47（二）烟气含氧量的动态特性

烟气含氧量O2是影响燃烧过程经济性的重要指标，主要通过改变进入炉膛的送风量V

对烟气含氧量O2进行调节。送风量V

扰动下烟气含氧量O2变化的阶跃响应曲线为：

由上图中烟气含氧量的阶跃响应曲线可知，其动态特性具有滞后、惯性和自平衡能力。（二）烟气含氧量的动态特性烟气含氧量O2是影响48（三）炉膛压力的动态特性

炉膛压力plt

对锅炉运行的安全性有重要影响，主要通过改变引风量G

对炉膛压力plt进行调节。引风量G

扰动下炉膛压力plt

变化的阶跃响应曲线为：

在送风量V

和引风量G

的扰动下，炉膛压力plt

的动态特性惯性很小，可近似认为是比例环节。（三）炉膛压力的动态特性炉膛压力plt对锅499.5锅炉燃烧过程自动控制的基本方案9.5.1并列运行锅炉燃烧过程自动控制系统采用母管制的并列运行锅炉燃烧过程自动控制系统的两种基本方案如下图所示：9.5锅炉燃烧过程自动控制的基本方案9.5.1并列运50上面介绍的两种控制系统存在以下两点不足：

不能保证燃料量和送风量的最佳比例，使燃烧处于最佳状态；

引风量变化落后于送风量，造成炉膛压力的较大波动。针对以上两点不足，改进后的并列运行锅炉燃烧过程自动控制系统如下图所示：上面介绍的两种控制系统存在以下两点不足：不能保证燃料量和送51下图所示为母管制并列运行锅炉燃烧过程自动控制系统的原理图，系统中加入了高、低值选择器，在负荷变化时可以合理控制风、煤增减顺序，以保证调节过程中燃料的完全燃烧：下图所示为母管制并列运行锅炉燃烧过程自动控制529.5.2单元机组锅炉燃烧过程自动控制系统在单元制汽轮发电机组中，锅炉按运行方式不同可以分为中储式和直吹式两种，下面对其对应的燃烧过程自动控制系统分别进行介绍。（一）中储式锅炉燃烧过程自动控制系统9.5.2单元机组锅炉燃烧过程自动控制系统53

热量信号

热量信号，是指燃料进入炉膛燃烧时在单位时间内产生的热量。可以用静态下的主蒸汽流量D

和动态下的汽包压力变化速度dpb/dt

表示，其计算公式为：式中:Cb

——

锅炉的蓄热系数。

在系统中，以热量信号代替燃料量信号，不但可以反映燃料量的变化，而且还可以克服燃料单位发热量变化对燃烧过程的影响，从而提高锅炉运行过程的稳定性。在锅炉运行过程中,热量信号只应该反映燃烧率的变化（内扰）,而不应该反映负荷的变化（外扰）。即热量信号只与燃烧率的变化有关,而与负荷的变化无关。

热量信号在燃料量B

和汽轮机调节阀门开度μT

扰动下的阶跃响应曲线分别如图（a）和图（b）所示：热量信号热量信号，是指燃料进入炉膛燃烧时在单54根据前面分析，当燃烧率不变而负荷变化时热量信号不变，即：负荷变化过程中，在t0～t1时间段内对上式进行积分运算可得：因此锅炉蓄热系数Cb的计算公式为：根据前面分析，当燃烧率不变而负荷变化时热量信号55时间t0～t1期间蒸汽流量

变化的累积量用试验方法求取锅炉蓄热系数Cb时，保持锅炉燃烧率不变而使负荷作任意扰动，记录蒸汽流量

D

和汽包压力pb

变化的曲线如下图所示：锅炉蓄热系数Cb的物理意义为：在燃烧率不变时汽包压力每变化一个单位，释放或吸收的蒸汽量。时间t0～t1期间蒸汽流量变化的累积