燃煤蒸汽锅炉智能控制技术的研究.pdf

沈阳理工大学 硕士学位论文 燃煤蒸汽锅炉智能控制技术的研究 姓名王翠竹 申请学位级别硕士 专业检测技术与自动化装置 指导教师刘砚菊 20100301 沈阳理工大学硕士学位论文 摘 要 锅炉是国民经济中重要的热能供应设备，电力、机械、冶金、化工、纺织、 造纸、食品等行业，以及民用采暖都需要锅炉供给大量的热能。锅炉燃烧过程是 一个具有大惯性、大时延、变参数的多输入多输出复杂过程，传统的锅炉燃烧控 制多采用 PID 控制，但 PID 控制是无法为具有大惯性、大时延和变参数的过程提 供高质量的控制的，解决这些问题的方法是采用比 PID 更为有效的控制技术。 本文以某 60t/h 燃煤蒸汽锅炉的燃烧系统作为研究对象，首先介绍了燃煤蒸汽 锅炉的工艺和锅炉燃烧系统自动控制的主要任务，分别对其汽包水位控制、蒸汽 压力控制、经济燃烧控制和炉膛负压控制进行了系统分析，在此基础上改进了各 个子控制系统的模型。接着对模糊控制和遗传算法的基本理论基础和实现方法进 行了介绍。重点是针对燃煤蒸汽锅炉燃烧系统的特点和控制要求，提出基于自适 应模糊 PID 的汽包水位控制方案和基于遗传算法的蒸汽压力模糊-PI 复合控制方 案，实现了 PID 参数的实时在线调整和模糊控制规则的优化。在对汽包水位控制 和蒸汽压力控制进行原理分析和智能控制方法设计之后，均作了相应的 MATLAB 仿真，得出仿真曲线。最后给出了将所采用的智能控制算法应用于实际工程而得 到的运行曲线。仿真和实验结果证明了本文提出方法的有效性。 关键词锅炉燃烧控制；模糊控制；自适应模糊 PID；遗传算法 沈阳理工大学硕士学位论文 Abstract Boiler is an important equipment supplying energy in the national economy, electric power, machinery, metallurgy, chemical industry, textile industry, paper-making industry, food industry, as well as civil heating all need a great of energy supplied by boiler. Its combustion process is a complex process of multiple- and multiple-output with large inertia, large delay, changing parameters. Many traditional boiler combustion control system use the PID, but it is impossible to provide high-quality control for the process with large inertia, large delay and changing parameters, the to solve these problems is adopting more effective technology than PID. The article studies based on the combustion system of a 60t/h coal-fired steam boiler. Firstly, the craft of coal-fired steam boiler and main tasks of boiler combustion system automatic control are introduced. The analysis to drum water level control, steam pressure control, economic burning control and furnace pressure control is carried out respectively, then improve the structure of every sub-system. Subsequently, the basic theory and to achieve of fuzzy control and genetic algorithm is introduced. Focus is the design to drum water level control based on the self-adaptive fuzzy-PID and steam pressure fuzzy-PI control based on genetic algorithm, thereby achieve the PID parameters’ real-time online adjustment and the fuzzy control rules’ optimization.After the theory analysis and intelligence control design to the water level control and steam pressure control, the corresponding MATLAB simulation is done, then aquire the simulation curve. Finally give the actual running curve of application to intelligence control algorithm. The results of simulation and experiment show the effectiveness of the expounded in this article. Key wordsboiler combustion control; fuzzy control; self-adaptive fuzzy-PID; genetic algorithm 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者（签字） 日 期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名 指导教师签名 日 期 日 期 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景和研究意义 锅炉是国民经济中重要的热能供应设备，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热能。 目前，我国现有锅炉几十万台，各种工业炉窑十万余台。锅炉和工业炉窑年耗标 准煤约 3 亿吨以上，是国家的一个耗能大户。由于技术落后、设备陈旧、操作水平 低，目前大部分锅炉和工业炉窑还存在着热效率低、能耗高的问题。 锅炉燃烧过程是一个具有大惯性、大时延、变参数的多输入多输出复杂过程，传 统的锅炉燃烧控制多采用 PID 控制，但 PID 控制是无法为具有大惯性、大纯时延和变 参数的过程提供高质量的控制的，解决这些问题的方法是采用比 PID 更为有效的控制 技术。 锅炉燃烧智能控制技术可以利用锅炉运行数据和集散控制系统（DCS） ，通过一系 列先进建模、优化和控制技术的应用，提高锅炉运行效率，改善控制效果。这种技术 投资少，能够充分提高锅炉控制的自动化程度，使锅炉处于更理想的运行工况，可实 现电力、冶金、供暖等行业的自动化控制，并提高锅炉运行系统的安全性，因而受到 这些行业的广泛关注 [1]。 1.2 蒸汽锅炉燃烧控制技术的研究状况 综合近年来国内外关于锅炉燃烧控制方面的研究成果，大致可以分成以下四类 DCS 控制模块改进，常规性的燃烧控制试验调整，基于在线检测设备的控制系统，基 于多目标寻优技术的燃烧闭环控制系统 [2]。 1.2.1 国外的燃烧控制技术及其应用 一、美国 Ultramax 公司的燃烧控制技术 美国俄亥俄州 Ultramax 公司开发的 Ultramax 系统又称为先进过程管理系统，是一 个对生产操作进行日常管理的系统，能应用于各种生产过程， Ultramax 燃烧控制系统 是将一系列代表锅炉燃烧工况的参数，例如烟气氧量、排烟温度、烟气排放物等，作 为系统的输入数据，当系统取得这些样本数据后，建立锅炉燃烧特性模型，并经过软 沈阳理工大学硕士学位论文 2 件分析，给运行人员一个燃烧控制的操作指导，运行人员根据这些操作指导进行手动 操作，或将操作指导纳入到自动控制系统中进行参数调整。该系统的工作原理如图 1.1 所示。 图 1.1 Ultramax 系统工作原理图 Ultramax 采用了贝叶斯统计和加权非线性回归分析相结合的建模方法，可快速精 确地辨识出锅炉的运行特性，并在最优化原理指导下快速寻找到最佳的控制量组合。 回归模型是一个“黑箱”模型，所以为了建立初始回归模型，需要做很多性能试验。该 系统最大的特点就是每次对数据进行分析后都会对模型进行相应的修正。这样，没有 起到优化控制效果的控制量组合就会在下一次分析时被舍弃，进而实现真正的持续优 化，而且对于新的运行工况该系统也能进行控制。这种控制性能得以实现的核心就在 于运用了贝叶斯统计的建模方法。该系统的控制实际上是一个在模型实时更新基础上 的稳态控制。 二、美国 Pegasus 公司的燃烧控制技术 1）NeuSIGHT 系统 NeuSIGHT 系统是美国 Pegasus 公司应用人工智能神经网络技术设计的燃烧控制系 统，其主要功能是以提高锅炉热效率和降低 NOx 排放为目标的稳态控制。 图 1.2 NeuSIGHT 系统工作原理图 NeuSIGHT 系统利用 DCS 本身具有的数据库的数据作为数据分析的基础，经过 神经网络模型在线分析，迅速得出运行参数的最适值，然后输出到 DCS，DCS 系统通 模型修正 及优化 锅炉 操作量 性能参数 扰动 基于神经网络 模型的控制 DCS 锅炉 运行参数 操作量 最适值 操作量 补偿值 性能 第 1 章 绪论 3 过控制偏移量，进而实现 NeuSIGHT 对锅炉燃烧的智能控制。但是， 这种燃烧智能控制技术并没有考虑锅炉运行的动态特性和过程，所以这种控制也只是 稳态控制。该系统的工作原理如图 1.2 所示。 2）PowerPerfecter 系统 PowerPerfecter 系统是美国 Pegasus 公司另一个锅炉运行智能控制软件，国外也称 它为 DeltaE3 系统。它基于与 NeuSIGHT 系统类似的神经网络技术，并增加了模型预 测控制（MPC）技术，能通过建立多目标的动态控制器，动态调整 DCS 设定参数，实 现锅炉燃烧动态闭环控制。该系统的工作原理如图 1.3 所示。 图 1.3 PowerPerfecter 系统工作原理图 1.2.2 国内的燃烧控制技术及其应用 一、锅炉烟气含氧量的燃烧控制技术 国内早期燃烧智能控制技术的研究主要针对锅炉烟气含氧量的控制研究。烟气含 氧量代表了锅炉燃烧的风煤比，是影响锅炉燃烧效率和污染排放的关键参数。早期的 燃烧控制主要以提高锅炉运行效率为目的，一般情况下，锅炉的效率与烟气含氧量成 凸的二次曲线关系，因此这些运行控制的研究都是采用这一关系曲线对锅炉的烟气含 氧量进行在线的寻优控制，以保证锅炉的最佳燃烧效率。由于早期锅炉效率不可在线 测量，因此很多研究采用了烟气中 CO 含量与锅炉效率的关系作为间接寻优烟气氧量 的依据。 二、闭环均衡燃烧控制系统 国内另一种可以被称为燃烧智能控制的技术为闭环均衡燃烧控制系统（BCCS） 。 传统的燃烧控制系统的主要任务是保证进入锅炉炉膛的燃料总量与机组所需的燃料量 相符，但这并不能确保燃料能平均分配至锅炉的每个燃烧器。燃料分配的非均衡性造 成了燃烧的不稳定、炉膛火焰中心的偏移以及水冷壁的结焦等现象。均衡燃烧控制系 稳态控制 神经网络稳态模型 控制算法 非线性模型预测控制 自适应非线性动态模型 预测控制算法 锅炉 机组实 时数据 操作量 设定值 沈阳理工大学硕士学位论文 4 统能在风粉浓度在线监测系统基础上，通过对每个给粉机转速进行控制，较好地解决 上述问题。若锅炉以四角切圆方式进行燃烧，均衡燃烧控制系统能保证流经同层的每 个燃烧器的煤粉浓度相等，并能够控制各个工况下总的煤粉量以最适的比例分配给各 层燃烧器。该系统是由以主蒸汽压力为被调节量、总给粉量（燃料）为调节手段的主 调节系统和以煤粉浓度为被调节量、给粉机转速为调节手段的若干个副调节系统组成 的一个闭环控制系统，其工作原理如图 1.4。 图 1.4 均衡燃烧控制系统工作原理图 上述两种智能控制技术中，第一类控制系统简单、有效，但是比较粗糙，实际应 用很少，这主要是受早期锅炉可控性较差、各种分析测量仪表尚没有成熟的影响，第 二类控制系统采用一次风管煤粉浓度作为反馈信号，增加独立的煤粉浓度控制回路， 不但可消除煤粉浓度变化增加的扰动，增加主蒸汽压力控制的稳定性，同时可保证每 层燃烧器风速、煤粉浓度均衡，达到智能燃烧的目的，但由于该系统以燃烧器煤粉浓 度测量为基础，而这一测量技术的研究目前进展很慢，只是在热风送粉的锅炉中得到 实际应用，并且可靠性也不是很高，严重影响了均衡燃烧控制系统的实际使用效果和 广泛推广。 1.3 本文的主要内容 本文针对蒸汽锅炉各参量控制系统的特点，对控制系统结构进行了改进，构造了 各个子系统的控制模型，阐述了模糊控制及遗传算法的基本原理，并分析了设计方 法，在此基础上设计了自适应模糊 PID 控制和基于遗传算法的模糊 PI 复合控制。蒸汽 锅炉经济燃烧和炉膛负压控制回路结构相对简单，本文将汽包水位回路和蒸汽压力回 路作为重点研究对象，将所设计的两种智能控制算法应用于汽包水位控制和蒸汽压力 PID 给粉 分配 手动 操作 给粉 煤粉浓度测量 _ 共 n 路 锅 炉 主蒸汽 压力 主蒸汽压力 给定值 _ _ PID 手动 操作 煤粉浓度测量 PID 给粉 第 1 章 绪论 5 控制，实现了蒸汽锅炉的智能控制，得出了仿真实验和实际运行结果，进行了比较。 论文由以下六章组成 第 1 章绪论。主要内容为对锅炉燃烧智能控制技术的概述，以及锅炉燃烧智能 控制技术在国内外的研究现状。 第 2 章蒸汽锅炉工艺及控制系统。简单介绍了燃煤蒸汽锅炉的工艺，对控制系 统的组成及各个控制回路的特性作了深入分析，然后给出了锅炉燃烧自动控制的各部 份结构组成。 第 3 章锅炉燃烧智能控制算法的研究。针对所采用的模糊控制和遗传算法作了 原理性介绍。 第 4 章基于遗传算法的锅炉燃烧控制系统。将模糊控制与传统的 PID 控制结 合，提出了自适应模糊 PID 控制；利用遗传算法优化模糊控制规则，提出了基于遗传 算法的模糊 PID 控制。 第 5 章锅炉燃烧智能控制系统计算机仿真研究。在前几章介绍的智能控制算法 原理和设计方法的基础上，对锅炉燃烧控制系统中的汽包水位系统和蒸汽压力系统进 行了 MATLAB 仿真，综合比较了所采用方法的控制效果。 第 6 章智能算法在锅炉控制工程中的应用。将智能控制算法应用于锅炉燃烧控 制系统，得到实际运行曲线，进一步比较，得出智能控制算法的优越性。 沈阳理工大学硕士学位论文 6 第 2 章 蒸汽锅炉工艺及控制系统 2.1 锅炉构造及工作过程 2.1.1 锅炉的构造 本课题所研究的锅炉设备为 60t/h 燃煤蒸汽锅炉，其结构大同小异，控制过程基本 相同。蒸汽锅炉结构和工艺流程如图 2.1。 图 2.1 燃煤蒸汽锅炉结构和工艺流程图 它主要由以下几部分组成 1）汽锅由上、下锅筒和沸水管组成。水在管内受管外烟气加热，因而在管内发 生自然循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽聚集在上锅筒里面。为了得到干湿度 比较大的饱和蒸汽，在上锅筒中还装有汽水分离设备。下锅筒作为连接沸水管使用， 同时储存水和水垢。 2）炉膛是使燃料充分燃烧并释放出热能的设备。煤由煤斗落在转动的链条炉蓖 上，进入炉内燃烧。燃烧所需要的空气由炉蓖下面的风箱送入，燃尽的残渣被炉蓖带 到除灰口，落入灰斗中。经过加热的高温烟气依次经过各个受热面，将热量传递给蒸 汽，使蒸汽变为过热蒸汽以后，经由烟囱排至大气。 3）过热器是将锅炉所产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。 4）省煤器利用烟气余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度和提高锅炉给水温 给水 汽包 主蒸汽 煤斗 过热器 引风挡板 引风机 鼓风机 炉膛 炉排 省煤器 空气预热器 除尘器 第 2 章 蒸汽锅炉工艺及控制系统 7 度的换热器。省煤器由蛇形管组成。小型锅炉中常采用有肋片的铸铁管式省煤器或不 装省煤器。 5）空气预热器继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空气 的换热器。热空气可以强化炉内燃烧过程，提高锅炉燃烧的经济性，提高锅炉热效 率。通常，大、中型锅炉均设有空气预热器，小型锅炉一般不采用空气预热器。 为保证正常工作，锅炉还必须有一些辅助设备，包括以下几部分 1）引风设备包括引风机、烟囱、烟道几部分，用它将锅炉中的烟气连续排出。 2）送风设备由送风机和风道组成，用它来供应燃料燃烧所需要的空气。 3）给水设备由给水泵和给水管组成。给水泵用来克服给水管路和省煤器的流动 阻力和炉筒的压力，把水送入锅炉。为了安全，锅炉房通常要有两台以上给水泵，起 着相互备用的作用。 4）水处理设备其作用为用来清除水中杂质和降低给水硬度，防止锅炉受热面上 结水垢和腐蚀锅炉，从而提高锅炉的经济性和安全性。 5）燃料供给设备由运煤设备、原煤仓和储煤斗等设备组成，保证锅炉所需要燃 料的供应。 6）除灰除尘设备除灰设备是收集锅炉灰渣并运往存灰场地的设备，除尘设备是 除去烟气中灰粒和有毒气体的设备，以减少对周围环境的污染。 2.1.2 锅炉的工作过程 锅炉最基本的组成是汽锅和炉膛两大部分。燃料在炉膛里进行燃烧，将其化学能 转化为热能，高温的燃烧产物高温烟气，通过汽锅受热面将热量传递给汽锅内温 度较低的水，水被加热，进而沸腾汽化，生成蒸汽。所以锅炉的工作概括起来应包括 三个同时进行的过程燃料的燃烧过程、烟气向水的传热过程和水的气化过程 [3]。现分 别简要叙述如下 1）燃料的燃烧过程 燃料煤加到煤斗中，借助于自重下落在炉排面上，炉排靠电动机通过变速齿轮箱 减速后由链轮来带动，将燃料煤代入炉内。新煤入炉，经预热阶段后开始着火，挥发 物燃烧，同时焦炭也逐渐燃烧。燃料在燃烧的同时，向后移动。燃烧需要的空气是由 送风机送入炉体内的风仓，向上通过炉排到达燃料层。风量和燃料量要成比例，进行 充分燃烧，形成高温烟气。燃料燃烧剩下的灰渣，在炉排末段翻过除渣板后排入灰 沈阳理工大学硕士学位论文 8 斗。燃烧过程进行的完善与否，是锅炉正常工作的根本条件。要使燃料量、空气量和 负荷蒸汽量有一一对应的关系，这就要根据所需要的负荷蒸汽量来控制燃料量和送风 量，同时还要通过引风设备控制炉膛负压。该过程的特点是时间常数和滞后时间都比 较大，而且随着煤质、煤种以及风量的改变，这两个参数将有很大的变化。 2）传热过程 燃料燃烧所放出的热量使得炉内温度很高，高温烟气与布置在炉膛内四周墙面上 的水管进行强烈的辐射传热。烟气将热量传递给管内的水后，由于引风机和烟囱的引 力作用而向炉膛上方流动，经过蒸汽过热器，汽锅中产生的饱和蒸汽被烟气加热而过 热。沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道，经省煤器和空气预热器进行热交换，以 较低的温度排出锅炉。由于燃料的燃烧放热，炉膛内温度很高，所以在炉膛四周墙面 上都布置一排水管，称水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热和对流换热， 将热量传递给管内工质，继而烟气受引风机、烟囱的引力而向炉膛上方流动。烟气出 烟窗（炉膛出口）并掠过防渣管后就冲刷蒸汽过热器一组垂直放置的蛇形管受热 面，使汽锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加热而过热。烟气流经过热器后又经过胀 接在上、下锅筒间的设置了折烟墙的对流管束，使烟气呈“S”形曲折地横向冲刷管 束，再次以对流换热方式将热量传递给管束内的工质。沿途降低温度的烟气最后进入 尾部烟道，与省煤器和空气预热器内的工质进行热交换后，以较低的烟温排出锅炉。 省煤器实际上就是给水预热器，它和空气预热器一样，都设置在锅炉尾部烟道中，以 降低排烟温度，提高锅炉效率，从而节省了燃料。 传热过程是一个十分复杂的过程，受到各种因素的影响，其中包括一些很难确定 的随机因素，如受热面的结焦、煤质变化、火焰中心的移动等。此外由于锅炉受热面 是按温度范围布置的，因此受热面是交叉的。在交换过程中，一个受热面热交换情况 的变化会影响到其它受热面的热交换。其次是介质的比热不是常值，随着温度的升 高，在不同的温度下，每升高 1℃所需的热量多少是不同的；同样每降低 1℃释放出的 热量也是不同的。再次就是有些参数是分布式的，有些参数是非迭加性的多元函数， 由此决定了锅炉设备是一个多输入、多输出、非线性、强藕合的对象。 3）汽化过程 水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和汽水分离过程。经过处理 的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入汽锅。锅炉工作时，汽锅中的工 第 2 章 蒸汽锅炉工艺及控制系统 9 作介质是处于饱和状态下的汽水混合物。它们位于烟气温度较低的对流管束中，由于 受热较弱，汽水工质的容重较大；而位于烟气高温区的水冷壁和对流管束，因受热强 烈，相应的工质的容重较小，因而容重大的工质往下流入下锅筒，而容重小的工质则 向上流入上锅筒，形成了水的自然循环。此外，为了组织水循环和进行输导分配的需 要，一般还设有置于炉墙外的不受热的下降管，借以将工质引入水冷壁的下集箱，而 通过上集箱上的汽水引出管将汽水混合物导入上锅筒。蒸汽产生的过程是借助于上锅 筒内装设的汽水分离设备，以及在锅筒本身空间中的重力分离作用，使汽水混合物得 到分离。蒸汽在上锅筒顶部引出后进入蒸汽过热器，而分离下来的水仍回到上锅筒下 半部的水中。锅炉中的水循环也保证了与高温烟气相接触的金属受热面得以冷却而不 会烧坏，这是锅炉能够长期安全可靠运行的必要条件。而汽水混合物的分离设备则是 保证蒸汽品质和蒸汽过热器可靠工作的必要设备。 2.2 锅炉燃烧的自动控制任务 燃煤蒸汽锅炉的生产任务是根据负荷设备的要求，生产具有一定参数（压力及温 度）的蒸汽，为了满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济性，工业 锅炉控制主要有下列自动调节任务 1）保持汽包水位范围 汽包水位是锅炉正常运行的主要指标，关系着汽水分离的速度和生产蒸汽的质 量，也是确保安全生产的重要参数。水位过高会影响汽水分离，产生蒸汽带液现象； 水位过低会影响汽水循环，严重时会使个别上水管内的流动停滞，致使金属管壁局部 过热而爆管，导致重大事故。因此，必须对汽包水位进行自动调节，使水位严格控制 在规定范围内。对于汽包水位的调节，调节参数可以选用给水阀的开度。 2）维持蒸汽压力在预定值 蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指 标，是蒸汽锅炉的重要工艺参数。蒸汽压力过低或过高，对于金属导管和负荷设备都 是不利的。压力过高，会加速金属的蠕变，导致锅炉受损；压力过低，就不可能提供 给负荷设备符合质量的蒸汽。在锅炉运行过程中，蒸汽压力降低，表明负荷的蒸汽消 耗量大于锅炉的蒸发量；蒸汽压力升高，说明负荷的蒸汽消耗量小于锅炉的蒸发量。 因此，控制蒸汽压力，是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。 3）维持锅炉燃烧的经济性 沈阳理工大学硕士学位论文 10 锅炉的热效率主要取决于空燃比。如果比值不当，空气不足，结果导致燃料的不 完全燃烧，当大部分燃料不能完全燃烧时，热量损失直线上升；如果空气过多，就会 使大量的热量损失在烟气之中，使燃烧效率降低。因此，必须使空气和燃料维持适当 的比例，使锅炉燃烧过程工作在最佳工况下，保持炉膛烟气出口处的过剩空气系数为 最佳值，使锅炉热效率最高，避免环境污染，达到节能降耗的目的。 4）维持炉膛负压在一定范围内 炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量的不相适应。通常要求炉膛负压保持在- 100Pa 的范围内，这时对燃烧工况、锅炉房工作条件、炉子的维护及安全运行都最有 利。如果炉膛负压太小，炉膛容易向外喷火，既影响环境卫生，又可能危及设备与操 作人员的安全；负压太大，炉膛吸入冷风量增大，增加了引风机的电耗和烟气带走的 热量损失。因此，需要维持炉膛压力在一定的范围之内。 通过对蒸汽锅炉自动调节任务的分析，我们知道蒸汽锅炉的汽包水位是正常运行 的主要指标之一，汽包水位是一个十分重要的被调参数，因此要设计以汽包水位为被 控量的给水控制系统。 要维持蒸汽压力和炉膛负压稳定及维持经济燃烧的风煤比，需设计燃烧过程自动 调节系统来实现这三项任务。这三项调节任务是相互关联的，它们可以通过调节燃料 量、送风量和引风量来完成。对于燃烧过程自动控制系统的要求是在负荷稳定时， 应使燃料量、送风量和引风量各自保持不变，及时地补偿系统的内部扰动。这些内部 扰动包括燃料的质量变化，以及由于电压波动引起的燃料量、送风量和引风量的变化 等。在负荷变化的外扰作用时，则应使燃料量、送风量和引风量成比例地改变，既要 适应负荷要求，又要使三个被调量蒸汽压力、炉膛负压和燃烧经济性指标保持在允 许范围内。 2.3 锅炉燃烧控制系统的回路特性分析 被控过程的数学模型，对系统的分析、设计及实现生产过程自动化都有着十分重 要的意义。为了很好地控制一个过程，则需要知道当一个已知控制量变化时，被控量 如何改变并最终改变多少以及向哪个方向改变、被控量的变化将需要经历多长时间、 被控量随时间变化的曲线形状等，这些均依赖于过程的数学模型。过程控制系统的设 计、调节器参数的最佳整定都是以被控过程的数学模型为依据的。因此，一个过程控 制的优劣，主要取决于对生产过程的了解和建立被控过程的数学模型。 第 2 章 蒸汽锅炉工艺及控制系统 11 被控过程的数学模型指的是动态模型，即过程在各输入量（包括控制量和扰动 量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。要建立被控过程 的数学模型，首先需了解整个工艺过程，确定被控量，通过分析找到控制量及主要干 扰，得到被控量在控制量和干扰阶跃变化下的动态响应特性，找到相应的数学关系， 用数学表达式较完整地描述调节对象的特性，为设计较好的控制系统打下基础。 2.3.1 汽包水位回路特性分析 蒸汽锅炉的汽包水位是锅炉正常运行的主要指标之一，也是一个十分重要的被调 参数，保持汽包水位在一定的范围内变化是保证锅炉安全运行的重要条件。蒸汽锅炉 汽包水位调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包中的水位在工艺允许的 范围内 [4]。 燃煤蒸汽锅炉汽包水位的自动调节，是根据汽包水位的动态特性来设计的。锅炉 汽包中的水位不仅受到给水量（锅炉的输入量）和蒸发量（流出量）之间平衡关系的 影响，同时还受到在汽水循环管路中汽水混合物内汽水容积变化的影响。因为锅炉汽 水中水位值 h 不仅反映了汽包（包括水循环的管路）中的水容积，也反映了水面下汽 包的容积。水面下汽包的容积又与锅炉的负荷和蒸汽压力有关。根据汽包的物质平衡 和热平衡关系，可以得出汽包水位被控对象的扰动有四个来源一是给水方面的扰 动，其中包括给水压力的变化和调节阀开度的变化，这个扰动来自给水管道和给水 泵；二是蒸汽负荷的扰动，包括蒸汽管道阻力的变化和蒸汽调节阀开度的变化；三是 燃料量的变化，包括引起燃料发热量变化的种种因素；四是汽包压力的变化，压力变 化对汽包水位的影响是通过汽包内部汽水系统在压力升高时的“自凝结”过程和压力 降低时的“自蒸发”过程起作用的。 考虑到由于燃料量对汽包水位的影响有较大的传送滞后和容器滞后，影响十分缓 慢，可以略去不计。对于汽包压力的变化往往是由于蒸汽负荷变化引起的，因此压力 的变化可归并到蒸汽负荷中去，所以压力变化对汽包水位的影响也可略去不计。这样 G1s G2s 给水流量 蒸汽负荷 汽包水位 - 图 2.2 汽包水位调节对象通道特性 沈阳理工大学硕士学位论文 12 引起汽包水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。汽包水位调节对 象的通道特性如图 2.2 所示。 2.3.2 蒸汽压力回路特性分析 锅炉汽包蒸汽压力是燃烧过程控制对象的主要被调量，在一般的饱和蒸汽锅炉 中，蒸汽压力是衡量储蓄在锅炉中能量大小的尺度，只有当锅炉输入和输出的能量平 衡时，压力才能保持稳定 [5]。为此，下面分析一下在主要扰动作用下，汽包蒸汽压力变 化的动态特性。 引起蒸汽压力变化的因素是很多的，如燃料量、送风量、引风量、给水量、蒸汽 流量以及各种使燃烧工况变化的原因。它的主要扰动是燃料量的改变（称为内扰动） 和蒸汽流量的改变（称为外扰动） 。 1）燃料量改变时蒸汽压力变化的动态特性（内扰特性） 锅炉在正常运行时，若进入炉膛的燃料量发生变化，则炉膛发热量立即改变，几 乎没有延迟和惯性，即为比例环节。而蒸发部分可以看作是一个储蓄热量的容器，反 映储热量多少的主要参数是汽包压力。当炉膛发热量 Q 和蒸汽流量 D 所带走的热量不 相等时，汽包压力 P 就要发生变化。蒸汽压力变化的动态特性与锅炉的供汽条件有 关，如果用汽量 D 不变，而燃料量改变产生内扰时，蒸汽压力成积分规律变化；如用 汽设备的调节阀开度不变，则随着汽压 P 的升高，蒸汽流量也将增加，这时蒸汽压力 呈指数规律变化，当蒸汽流量多带走的热量等于燃料量增加的热量时，蒸汽压力又在 新的数值上稳定下来，系统达到新的平衡。 在实际过程中，忽略一些次要因素的影响，同时考虑到汽压对象具有一定的传递 滞后，我们可以把燃料量改变时蒸汽压力对象的动态特性近似为惯性环节、积分环节 和滞后环节的串联。 2）蒸汽流量改变时蒸汽压力变化的动态特性（外扰特性） 第 2 章 蒸汽锅炉工艺及控制系统 13 蒸汽流量改变时对蒸汽压力的扰动称为外扰。外扰有两种情况，一种是负荷设备 的蒸汽阀门开度改变，另一种是负荷设备用汽量的突然增加（或减少） 。下面就分析在 两种情况的扰动下，蒸汽压力变化的动态特性。锅炉与各用汽站的组合如图 2.3 所示。 如果负荷设备的蒸汽调节阀开度突然改变，锅炉的汽压也随即改变。当蒸汽调节 阀开度突然开大，则从汽包中流向负荷设备的蒸汽流量立即增加。但是，由于燃料量 没有增加，因此蒸汽压力逐渐下降，从汽包中流出的蒸汽量也逐渐减少，最后蒸汽流 量只能恢复到原来值。也就是说燃料量不改变，在平衡状态时，锅炉供应的蒸汽流量 也不会改变。至于阀门开度增大后，短时间增加的蒸汽量是依靠锅炉蒸发部分储热量 减少、压力降低释放出来的。外扰的另一种情况，当负荷设备蒸汽用量突然增加时， 汽包蒸汽压力随蒸汽流量的增加而下降。如果蒸汽流量继续保持增大后的数值，由于 燃料量没有增加，热量不能平衡，所以蒸汽压力一直下降，直到改变燃料量使其产生 的热量与蒸汽流量相平衡时，才能恢复保持锅炉的蒸汽压力。 忽略一些次要因素的影响，我们可以把蒸汽流量改变时蒸汽压力变化的动态特性 近似为一个积分环节和滞后环节的串联。 从时间上来说炉膛温度比蒸汽压力超前得多，且惯性时间常数也比较小。因此， 本文对蒸汽压力的控制采用以炉膛温度为副控参数，以蒸汽压力为主控参数的串级控 制系统。根据以往研究者的经验，我们可以把炉膛温度模型近似为一个惯性环节和滞 后环节的串联，而蒸汽压力模型近似为一个积分环节和滞后环节的串联。 2.3.3 经济燃烧回路特性分析 锅炉燃烧控制要实现的一个主要功能是提高锅炉的燃烧经济性，使锅炉运行在最 高热效率状态下，以达到节约燃煤的目的。燃烧的效率高低难以直接测量，常用烟气 中的含氧量作为表示指标。 风煤比是影响锅炉热效率的一个重要因素，风煤比过低，鼓风量不足，将使燃煤 锅 炉 用汽站 阀门 图 2.3 锅炉与用汽站组合图 用汽站 用汽站 沈阳理工大学硕士学位论文 14 燃烧不完全，燃煤的燃烧不完全就会使锅炉冒黑烟，浪费燃煤且污染环境；若风煤比 过高，鼓风量过多，就会使大量的热量损失在排放的烟气中，因此无论风煤比过高还 是过低都将使锅炉的热效率大大降低。 风煤比是锅炉系统最重要的技术指标之一，是锅炉能否最佳燃烧的关键。在现行 的各种控制方法中，广泛采用固定风煤比调节加变氧量的校正方案，但节能效果并不 理想。这是由于变氧量调节规律中，最佳含氧量与蒸汽负荷的关系曲线，一般由司炉 人员凭经验获得，带有一定的片面性；另外，含氧量测量值只能代表烟道中的某一点 的氧含量，不代表平均氧含量，而且炉膛漏入的空气量受外界条件的影响，含氧量不 能准确地反映燃烧状态的好坏，加之目前氧化锆质量欠佳，受烟道高温气腐蚀及灰粉 的堵塞和磨损的影响，使含氧量测量可靠性不高，维护量大，难以长时间稳定工作。 2.3.4 炉膛负压回路特性分析 炉膛负压是通过改变引风量和送风量进行调节的，这两个被调量改变速度快，它 们的动态特性可以认为是一个惯性环节和一个纯滞后时间很小的滞后环节的串联。 2.4 锅炉燃烧自动控制系统的结构 锅炉燃烧控制系统可分为四个回路汽包水位回路、蒸汽压力回路、经济燃烧回 路和炉膛负压回路 [6]。 1）汽包水位回路的扰动主要有两个蒸汽负荷和给水流量。其控制系统结构如图 2.4。其中，aD、aW及 aH 分别为蒸汽流量变送器、给水流量变送器、差压变送器的转 换系数。 aH 调节阀 PID 控制器 - 图 2.4 汽包水位控制系统框图 设定值 汽包 对象 G1S- aW 给水扰动 G2SaD 水位 蒸汽扰动 第 2 章 蒸汽锅炉工艺及控制系统 15 2）蒸汽压力回路的扰动主要有三个热负荷的扰动（其中包括影响发热量的各种 因素及送风量和引风量） 、蒸汽负荷的扰动和给水量的扰动。由于给水量的扰动能及时 被水位调节系统消除，因此可以不考虑其影响。而送风和引风等热扰动比压力调节对 象快得多，且能及时被相应的调节系统所克服，并随时保证与燃料量成一定比例关 系，所以热负荷扰动只需考虑燃料扰动。蒸汽压力控制系统结构如图 2.5。 3）经济燃烧回路的主要扰动是燃煤的扰动，其结构如图 2.6。 4）炉膛负压回路的扰动是鼓风的扰动，其结构如图 2.7。 2.5 本章小结 本章系统的介绍了蒸汽锅炉的基本工艺流程和工作过程，着重分析了锅