第二章 锅炉控制1

第二章锅炉控制系统

2－1汽包锅炉过热汽温系统一、过热汽温控制任务

以600MW机组国产汽包锅炉为例，其过热汽温额定值为541℃（主汽压力为17.3Mpa），在负荷为额定值的60-100%范围变化时，过热汽温不超过额定值的-10－+5℃，长期偏差不允许超过±5℃。为了防止过快的蒸汽温度变化速率造成某些高温工作部件产生较大热应力，还对温度变化的速率进行限制，一般限制在3℃/min内。

二、过热汽温对象特性

过热汽温系统是一个多输入单输出对象。归结起来，影响过热汽温主要扰动有三种：（1）蒸汽流量（负荷）扰动；（2）烟气热量扰动：燃烧器运行方式变化、燃料量变化、燃料种类或成分变化、风量变化等等这些变化最终均反映在烟气热量的变化；（3）减温水流量扰动。θ+++GD(s)GQ(s)GW(s)DQW１．蒸汽流量（负荷）扰动下的汽温特性

(1)静态特性

(2)动态特性

以对流式过热器为例tt00DTΔDτDTD2．烟气热量扰动下汽温特性

tt00QyTΔQyτQTQ3．减温水量扰动下的过热汽温特性

τDtt00WjTΔWjTC过热汽温串级控制系统

T2T1tt00WjTΔWj图10－7减温水对汽温T1和汽温T2的影响WjT1T2G1(s)G2(s)G(s)图10－8过热汽温控制对象方框图三过热汽温控制方案

减温器T1T3T2γT2γT1PI1PI2KZ蒸汽过热器Ⅰ过热器Ⅱ减温水调节阀图10－9串级过热汽温控制系统+－+－U1WjT2T1Gc1(s)Gc2(s)KZ

KuG2(s)G1(s)γT1γT2ΔWjU1图10-10过热汽温串级控制系统原理框图四、过热汽温分段控制系统

（1）过热汽温分段控制系统

一级减温器T3T4γT4γT3PI3PI4KZⅠ段过热器Ⅱ段过热器减温水Wj1T1T2γT2γT1PI1PI2KZⅢ段过热器二级减温器减温水Wj2图10-12过热汽温分段控制系统（2）按温差控制的分段控制系统

蒸汽流量D－＋＋＋＋－＋－－＋一级减温器T3T4γT4γT3PI3PI4KZⅠ段过热器Ⅱ段过热器一级减温水调节阀T1T2γT2γT1PI1PI2KZⅢ段过热器二级减温器二级减温水调节阀∑Df2(x)f1(x)－图10-13按温差控制的过热汽温分段控制系统五、过热汽温控制系统实例

A、B－减温水调节阀；A、B－减温水截止阀一级减温器二级减温器分割屏过热器末级过热器至汽机后屏过热器T2AT1初级过热器蒸汽MM一级减温水ABBAMM二级减温水ABBT3T4T5图10-15过热蒸汽流程图二、过热汽温控制系统方案

NOf(x)PID1N∑A△K∫△K∫∑主蒸汽流量（1）分隔屏过热器出口汽温(2)PID2一级减温器出口汽温总风量TA手动切换f(x)一级减温水调节阀燃烧器摆角∑f(t)∑f(t)(3)(4)(1)(2)K图10－16一级减温控制系统简图

控制系统切手动的一般原则是：（1）测量信号出现问题；（2）控制偏差大；（3）调节机构出现问题；（4）设备的一些特殊要求。因此，一级减温控制系统切手动的条件是：(1)导前汽温T5信号故障(2)汽温T4信号故障(3)蒸汽流量信号故障(4)温度设定值与实际值偏差大(5)调节阀控制指令与反馈偏差大(6)主燃料跳闸（MFT）(7)汽机跳闸(8)锅炉负荷低于20％当出现上述条件之一时，切换器T切向NO，强制手动控制。NO二级减温器出口汽温二级减温水调节阀PID1A△K∫△K∫∑末级过热器出口汽温(1)PID2总风量TA手动切换f(x)燃烧器摆角∑f(t)∑f(t)主蒸汽流量(2)(3)f(x)(1)(2)图10-17二级减温控制系统简图2-2再热汽温一般控制方案

一、再热蒸汽温度控制任务保持再热器出口汽温为给定值二、再热汽温的影响因素

（1）机组负荷的变化（蒸汽流量变化）对再热汽温有很大的影响；（2）烟气热量变化也是影响再热蒸汽温度的重要因素。

由于再热器是纯对流布置，再热器入口工质状况取决于汽轮机高压缸排汽工况，因而再热汽温的变化幅度较过热汽温大的多。三、再热汽温度调节手段

以改变烟气流量作为主要调节手段（1）改变烟气挡板位置，从而改变尾部烟道通过再热器的烟气分流量；（2）改变再循环烟气流量；（3）改变燃烧器的倾斜角度；（4）采用多层布置圆型燃烧器等调节方法。

再热蒸汽温度的另一个调节手段是喷水减温，但它是一种辅助调节手段。

四、再热汽温控制方案

1.采用烟气挡板调节手段的再热汽温控制系统

燃烧器过热挡板省煤器省煤器低温过热器低温再热器屏式过热器高温过热器高温再热器再热挡板至空气预热器图10－18烟气挡板控制再热汽温烟道布置示意图f3(x)A图10－19采用烟气挡板控制再热汽温控制方案主蒸汽流量D再热汽温A∑－±△－K过热挡板f1(x)f2(x)KZKZ再热挡板KZ喷水阀△PID1△PID2

以300MW机组数喷水量每减少1%，火电厂的热经济提高0.2%-0.3%。对现场300MW机组的数据分析，机组只采用喷水减温会导致煤耗率比设计工况增加0.46-0.6%，再热气温每减少10t/h，在VWO工况下机组的煤耗率减少0.551g/KW*h。由此可见减少喷水量对于电厂经济效益的提高有着重要作用。低温再热器高温再热器再热减温水烟气挡板副调减温器后再热汽温主调再热汽温2.采用摆动燃烧器调节手段的再热汽温控制系统

送风量减温器后再热汽温再热汽温主蒸汽流量A∑1f(x)∑4A∑2∑3再热喷水调节阀摆动燃烧器图10－24摆动燃烧器的再热汽温控制原理PID2PID1PID3再热汽温控制系统实例

1．燃烧器摆角控制系统蒸汽流量A∑/nf(x)A侧再热汽温∑△K∫D角图10－25燃烧器摆角控制系统TA手动切换B侧再热汽温A角B角C角f(x)NOPID1A△K∫∑(1)PID2减温器出口汽温总风量TA手动切换f(x)减温水调节阀∑f(t)蒸汽流量(2)(3)I1NO(1)∑∑/nA侧再热汽温A侧再热汽温2强制关0％(1)(2)图10－26再热汽温喷水减温控制系统TA△K∫2-3锅炉燃烧过程控制系统

2－

3－1概述一、单元机组的基本控制方式(1)锅炉跟随控制方式(2)汽机跟随控制方式(3)机炉协调控制方式

1．锅炉跟随控制方式

燃烧率μBP0图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2．汽机跟随控制方式

-—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2汽机跟随控制方式3．机炉协调控制方式

图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~调节阀发电机二、燃烧过程控制任务

满足机组负荷要求，维持主蒸汽压力稳定；

燃烧过程控制任务与机组运行方式有关。保证燃烧过程经济性；使燃料得以充分燃烧

保证燃烧过程稳定性。

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

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。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，以保证燃烧过程稳定性。

四、燃烧过程控制特点

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4燃烧对象2-3-2

被控对象动态特性

一、汽压被控对象数学模型与动态分析1.汽压被控对象数学模型

DTpbQr123Dh”pTp0图5蒸汽产生过程p0图6蒸汽产生过程方框图μTDTpTMV炉膛蒸发区过热器汽轮机μB环节1：

：炉内一次工质吸热量，M：燃料量：燃料收到基的低位发热量，：锅炉热效率，

：一次工质吸热量占锅炉总吸热量份额，％

MQr图7环节1方框图环节2：工质吸热蒸发（和过热）的过程总吸热量：（1）过热蒸汽带；（2）锅炉内饱和水的焓增，即锅炉蓄热的增量。故动态热平衡：

分别为过热蒸汽、给水及饱和焓值

D：蒸汽流量，

Wb：锅炉蓄水量hb是饱和蒸汽压力（汽包压力）Pb的函数，即

Cb为锅炉的蓄热系数，代表锅炉蓄热能力，即汽包压力每上升（下降）一个MPa,锅炉内工质所吸收（或释放）的热量。DQ的蒸汽流量单位表示炉膛内的发热量，故称为热量信号。

DQ

Pb-D环节3：（1）仅考虑过热器的流通特性（其吸热量已在环节2中考虑）其疏通阻力为Kgr,Pt：主汽压力

过热器动态阻力系数

+pT-Dpb（2）主蒸汽管道

pT主汽压反映锅炉蒸发量与汽机耗汽量之间的物质平衡关系。管道是一个容量很小的容器，所以可将其看作是具有积分特性：

DTDpT-+环节4：汽轮机作为负荷设备，其耗汽特性与其机组控制方式有关（1）当汽轮机控制系统未投入功率、频率调节，即为开环时，+uTDtpTKTRT：汽机流通阻力系数KT：汽机调节阀斜率UT：汽机调节阀开度

由P0很小

(2)当汽轮机控制系统投入功率、频率调节时，即为功频控制时。

KP——汽机耗汽系数

DTPTKP

为了便于求出汽压被控对象的传递函数，以热量信号DQ代替炉膛发热量Qr作为环节1的输出。

+++_D_+pb_pT+DQMKme-τms图13汽轮机控制系统为开环时的汽压被控对象方框图返回1返回2_PTDT+_D_+pbpT+QQMKme-τms图14汽轮机控制系统为功频控制时的汽压被控对象方框图返回2返回12.燃料量扰动下汽压被控对象的动态特性

（1）汽轮机控制系统为开环时，由于管道容量系数很小，则由于时间常数Tb、静态放大系数A和K均与有关，而与蒸汽负荷有关,因此,Tb、A和K均由随负荷变化而变化的特性，这对燃烧控制系统整定是不利的。

τMΔpbTbΔMMt0ΔptpbpTt0ΔDTDTt0pTpbTb图15μT不变时燃料量扰动下的汽压特性dddddd（2）汽轮机控制系统为功频控制时，

同理，令CM=0，图16DT不变时燃料量扰动下的汽压特性τMΔMMt0pbpTt0DTt0pTpb3.汽轮机负荷扰动下汽压被控对象动态特性

（1）μT扰动下汽压被控对象动态特性汽轮机控制系统为开环时图12-17μT扰动下的汽压特性μTt0pbpTt0DTt0pTpbΔμT（2）DT扰动下汽压被控对象动态特性

汽轮机控制系统为功频控制时，图18DT扰动下的汽压特性DTt0pbpTt0pTpbΔDT二、烟气含氧量动态特性

三、炉膛负压动态特性

2－3-3

燃烧过程控制基本方案

一、燃烧过程控制的基本构成

从燃烧过程控制任务来看，燃烧过程控制应具有如下功能：（1）迅速改变炉膛燃烧率，适应外部负荷变化。（2）控制系统能迅速发现并消除燃烧率扰动。燃烧率扰动通常指燃料量和燃料热值的变化扰动。（3）确保燃料、送风和引风等参数协调变化。保证燃烧经济性。（4）确保燃烧过程的稳定性，避免炉膛压力大范围波动。图12－21燃烧过程控制构成BD锅炉主控制器燃制料系控统送制风系控统引制风系控统协调级图12－22燃料控制系统(1)popT燃料量调节机构PI1MPI2BD燃料控制系统燃料量调节机构图12－23燃料控制系统(2)P0PEPI1MPI2BD燃料控制系统二、各控制系统的控制方案

1．燃料控制系统

2．送风控制系统

图12－23送风基本控制系统送风机风量调节机构KVPIM送风机风量调节机构图12－24送风控制系统_++_+DσVMO2氧量调节器送风调节器f(x)K图12－25最佳含氧量与负荷关系0负荷最佳含氧量O2σ图12－26送风控制系统送风机风量调节机构＋－_+DBDVO2氧量调节器送风调节器f1(x)×f2(x)3．引风控制系统

图12－27引风控制系统++引风机风量调节机构pSSpSVf(x)引风调节器－三、燃烧过程控制基本方案

++――+―送风机风量调节机构引风机风量调节机构O2V燃料量调节机构MBD―popTPI1f1(x)pSDpSS++PI2―PI5+PI3f3(x)PI4图12－28燃烧控制基本方案f2(x)×2-3-4

燃烧控制中的几个问题

一、燃料量测量

1.热量信号

热量信号DQ不仅能反映出燃料量的改变；同时也反映出燃料的热值变化。以增量形式表示，由于燃料量不变，令

对上式由t0至t1时刻积分，整理得

则

t0tt1t0ADtt1pb(t1)－pb(t0)图12－29μT扰动下D和pb响应曲线

蒸汽流量D是由汽轮机第一级压力p1计算而来的，因此，工程上常采用如下形式的热量信号DQ

需要指出的是，如有燃料量或燃料热值变化，只有当其影响到汽包压力pb或蒸汽流量D(汽轮机第一级压力p1)后，才能从热量信号DQ反映出来，因此严格来说，热量信号DQ在测量时间上是有滞后的。

2.基于给煤量修正的总燃料量（发热量）测量

给煤机控制装置有给煤量测量功能，测量值求和后就代表入炉总煤量Mc。但由于煤种和水分不同，煤的发热量不同，因此需将总煤量Mc信号进行修正以构建一个既能反映燃料量变化又能反映出煤的热值变化的燃料量（发热量）信号。

＋－＋ko……∑1给煤机A给煤量给煤机F给煤量Mc×∑3△∫蒸汽流量汽包压力d/dt∑2DQkMQ燃油量OM×A图12－30基于给煤量修正的总燃料量测量f(t)f(t)二、增益自动调整燃料调节器给煤机A磨煤机A给煤机B磨煤机B给煤机F磨煤机F总给煤量BTU修正回路总燃料量锅炉指令BD—＋＋燃料量控制系统二、增益自动调整给煤机给煤指令图12－31增益自动调整回路增益调整回路51xΣSA

SBSC

SDSESFf(x)×总燃料量M锅炉指令BDf(x)△PID乘法器为燃料调节对象的一部分，选择合适的函数f(x)，则可以做到不管给煤机投入的台数如何，都可以保持燃料调节对象增益不变，这样就不必调整燃料调节器的控制参数了。增益调整与平衡器（GAINCHANGER&BALANCER），就是完成该功能。三、风煤交叉限制

为了在机组增、减负荷动态过程中，使燃料得到充分燃烧就要保证有足够的风量。需要保持一定的过量空气系数，因此，在机组增负荷时，就要求先加风后加煤；在机组减负荷时，就要求先减煤后减风。这样就存在一个风煤交叉限制。

风量燃料量＞＜锅炉指令BD图12－32风煤交叉限制基本方案燃料控制系统送风控制系统f1(x)f2(x)f3(x)图12－33风煤交叉限制方案风量燃料量氧量校正×锅炉指令BD送风控制系统f1(x)＞f3(x)燃料控制系统30％＜f2(x)＋－＋……∑1给煤机A给煤量给煤机F给煤量×∑3蒸汽流量汽包压力d/dt∑2燃油量×PIf1(x)0.8~1.2TA2×1风量＜f2(x)锅炉指令BD2Δ＋－×PITf3(x)A1A3A增益调整A－F给煤机指令图12－34煤粉锅炉的燃料控制系统的一般控制方案LAG1LAG6四、风机调节

１．节流调节

节流调节就是改变风机进口或出口管路上的节流挡板的开度，来改变风机的工作点，从而调节风机的通风量。（1）出口节流调节：采用风机出口节流调节时，节流挡板装置在风机出口管路上。改变管道系统特性曲线，从而使风机的风量改变。

一般已不采用这种调节方式。

风量V图12－35风机出口节流调节VBVAABO出口压力p（2）进口节流调节：

节流挡板设置在风机的进口管路上，通过改变风机进口节流挡板的开度，来改变风机进口压力和性能曲线，使风机工作点移动，达到调节风量目的。

进口节流调节要比出口节流调节的运行经济性为好，但挡板开度与风量变化不成线性关系，不宜采用自动调节，调节性能较差，因此大容量风机也不采用这种调节方式。

CVBVA风量VAB出口压力pO图12－36风机进口节流调节２．变角调节

（1）进口导流器调节(入口导叶调节、静叶调节):是通过改变风机入口处导流器叶片的角度，使风机叶片进口气流的周向速度发生变化，从而改变风机的性能曲线及工作点，进而达到调节风量的目的。由于导流器的附加阻力较小、风机效率下降较少，所以运行的经济性比节流调节高得多，而且导流器结构简单、设备费用低、调节性能较好、运行可靠、维护方便，风机常采用这种调节方法。－30°VCVCCVBVA风量VAB出口压力pO图12－37入口导叶调节30°0°－75°CVBVA风量VAB出口压力pO20°0°图12－38动叶调节（2）动叶调节（轴流式风机）：

通过改变风机叶片的角度，改变风机的特性曲线，实现改变风机运行工作点和调节风量。采用这种调节方法时，运行经济性和安全性均较好，且每一个叶片角度均对应一条性能曲线，叶片角度与风量的变化几乎成线性关系，便于采用自动调节，因此在大容量轴流式风机中得到广泛采用。

３．变速调节

出口压力pVCn3CVBVA风量VABO图12－39风机变速调节n1n24．风机防喘振

VA”－22.5°A”VCA’－30°CVA’VAAB出口压力pO20°0°ⅠⅡ风量V图12－40风机的不稳工况与预防动叶开度限制值风机动叶开度指令T动叶开度指令A图12－41风机防喘振方法接近喘振区

喘振是风机运行中的一种特殊现象，喘振会造成风机叶片断裂或其它机械部件损坏，威胁风机和整个系统的安全。因此运行中一旦发现风机进入喘振区，就应该采取措施使风机运行点避开喘振区。

2-3-6

直吹式锅炉燃烧过程控制

直吹式锅炉的燃料系统没有中间煤粉储仓，由给煤机将原煤送入磨煤机，原煤磨成煤粉后直接由一次风送入炉膛燃烧，同时二次风送炉膛助燃。对于600MW及以上机组，由于锅炉容量大，如果采用中间储仓式制粉系统，则煤粉仓较大，会增加投资，同时也不便于锅炉整体布置。因此，600MW及以上机组均采用直吹式制粉系统。115121－原煤仓；2－给煤机；3－磨煤机；4－煤粉分离器；5—一次风风箱；6－煤粉管道；7燃烧器；8锅炉；9－送风机；10－一次风机；11－空气预热器；12－二次风管道；13－一次热风管道；14－一次冷风管道；15－二次风风箱；16－热风挡板；17－冷风挡板；18－一次风门；19—密封门；3461578910图12－53正压冷一次风机直吹式制粉系统12131416171918来自密封风机一、直吹式锅炉燃烧控制特点

ptDpbMV1V2V1Mo磨煤机炉膛蒸发部分过热器图12－54直吹式锅炉汽压生产过程示意图

煤粉由一次风送入炉膛，送粉能力与一次风量有关；同时，一次风量对制粉系统的正常工作影响很大，所以必须对进入磨煤机的一次风量进行控制。磨煤机出口温度与煤粉干燥度有关，出口温度太低，会使煤得不到足够得干燥，影响煤粉的输送，甚至会造成堵塞；出口温度太高，则容易发生煤的自燃。因此，需对磨煤机出口温度进行控制。由于一般都是通过调节磨煤机入口热风挡板开度控制磨煤机入口一次风量；通过调节磨煤机入口冷风挡板控制磨煤机出口温度。为保证控制开度与风量的一一对应关系，为此需设置一次风压力控制系统。

用于输送煤粉的一次风是属于助燃的风量，但帮助燃料在炉膛内完全燃烧的主要还是由送风机提供的二次风。因此，燃烧过程的经济性主要是通过调节二次风量来保证。由于直吹式锅炉特性，燃烧过程控制的三个控制系统在直吹式锅炉燃烧过程控制中已演变成六个控制系统：燃料控制系统、磨煤机一次风量控制系统、磨煤机出口温度控制系统、一次风压力控制系统、送风控制系统（又称风量控制系统）和炉膛压力控制系统。二、直吹式锅炉燃烧过程控制的原则性方案

煤粉量t给煤量与一次风一起扰动给煤量扰动一次风扰动图12－55各种扰动下的磨煤机出粉特性1.“一次风——燃料”系统

－＋－－－－＋＋＋＋＋给煤量M调节机构BDPI1一次风量V1调节机构V1二次风量V2调节机构VPI2PI5×PI3O2O2Sf(x)PI4引风量VS调节机构pspssM图12－56“一次风——燃料”系统双进双出球磨机采用方案（略有不同）－＋－－－－＋＋＋＋＋给煤量M调节机构BDPI1一次风量V1调节机构V1二次风量V2调节机构VPI2PI5×PI3O2O2Sf(x)PI4引风量VS调节机构pspss煤位双进双出球磨机燃烧控制煤位设定2．“燃料——风量”系统

中速磨，相对装煤量小，因此采用改一次风量暂时增加进入炉膛的煤粉量，对于大型机组有较大负荷变化来说，其吹出的粉量还是不够的，因此燃烧过程控制可采用“燃料——风量”系统形式。

＋＋＋＋＋＋－－－－－给煤量M调节机构BDPI1M一次风量V1调节机构V1二次风量V2调节机构VPI2PI5×PI3O2O2Sf(x)PI4引风量VS调节机构pspss图12－57“燃料——风量”系统三、相应控制系统方案

1.燃料控制系统

总燃料量－＋图12－58燃料控制系统方案锅炉指令BD总风量f3(x)＜×∑2

燃油量磨煤机A给煤量磨煤机F给煤量f4(x)蒸汽流量∑3f

(t)△f7(x)∑4BALANCER给煤机A给煤控制装置……f6(x)f8(x)f2(x)给水温度∑1△f5(x)×PII燃料主控指令TA磨煤机投自动台数∑5ATA＜磨A入口一次风量f8(x)给煤机A给煤指令f(x)给煤机F给煤指令f1(x)2.磨煤机一次风量控制系统

600MW机组一般配置六台磨煤机，分别为A、B、C、D、E和F，每台磨煤机组的控制原理是完全相同的，但控制系统结构又都是互相独立的。这里仅以磨A的一次风量控制系统为例进行介绍。磨A入口一次风量给煤机A给煤指令f(x)∑1TA△PID∑2A磨A热风挡板图12－59磨A一次风量控制系统方