引言火力發(fā)電廠在我國電力工業(yè)中占有主要地位，是我國的重點能源工業(yè)之一。自動控制系統(tǒng)控制品質(zhì)的優(yōu)劣，直接表征了控制系統(tǒng)克服外界干擾能力的大小。衡量一個控制系統(tǒng)的指標一般可歸為三個方面，即穩(wěn)定性、準確性和快速性。大型火力發(fā)電機組是典型的過程控制對象，它是由鍋爐、汽輪發(fā)電機組和輔助設(shè)備組成的龐大的設(shè)備群。由于其工藝流程復(fù)雜，設(shè)備眾多，管道縱橫交錯，有上千個參數(shù)需要監(jiān)視、操作或控制，沒有先進的自動化設(shè)備和控制系統(tǒng)要正常運行是根本不可能的。而且電能生產(chǎn)還要求高度的平安可靠性和經(jīng)濟性，尤其是大型骨干機組，這方面的要求更為突出。因此，大型機組的自動化水平受到特別的重視。目前已逐步把常規(guī)控制與計算機控制結(jié)合起來，有的已開始完全采用計算機來進行控制。在本設(shè)計中將以汽包鍋爐為控制對象，主要討論大型單元機組燃燒控制過程方案的特點以及系統(tǒng)的整定。鍋爐生產(chǎn)燃燒系統(tǒng)自動控制的根本任務(wù)是使燃料所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負荷的需要，同時還要保證經(jīng)濟燃燒和鍋爐的平安運行。具體控制任務(wù)可分為三個方面：一，穩(wěn)定蒸汽母管壓力，這是燃燒控制系統(tǒng)的第一項任務(wù)。如果蒸汽壓力變了，說明鍋爐的蒸汽生產(chǎn)量與負荷設(shè)備的蒸汽消耗量不適應(yīng)，因此必須改變?nèi)剂狭恳愿淖冨仩t燃燒發(fā)熱量從而改變鍋爐的蒸發(fā)量以恢復(fù)蒸汽母管壓力為額定值。二，維持鍋爐燃燒的最正確狀態(tài)和經(jīng)濟性。燃燒的經(jīng)濟性指標難以測量，常用鍋爐中煙氣的含氧量或者燃料量與送風(fēng)量的比值來表示。三，維持爐膛負壓在一定范圍。爐膛負壓的變化反映了引風(fēng)量與送風(fēng)量的不適應(yīng)。這三者是相互關(guān)聯(lián)的。本次設(shè)計的題目是直吹制煤粉爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計及仿真研究，主要內(nèi)容包括燃燒控制系統(tǒng)的組成；汽壓被控對象在各種擾動下的動態(tài)特性；燃燒控制系統(tǒng)的根本方案；以及燃燒控制系統(tǒng)的參數(shù)整定；最后，對燃燒控制系統(tǒng)進行MatLab仿真。第一章燃燒過程控制系統(tǒng)概述近代大電站的開展趨勢是向大容量、高參數(shù)方向開展，隨著單機容量的增大，如果再采用中間儲粉倉式制粉系統(tǒng)將消耗更多的基建投資和運行費用，顯然在經(jīng)濟上是不合算的。因此，采用直吹式制粉系統(tǒng)是大機組開展的方向。在直吹式鍋爐運行時，制粉設(shè)備是與鍋爐緊密地聯(lián)系在一起的。其生產(chǎn)過程示意圖如圖1-1所示。圖1-1直吹式鍋爐汽壓生產(chǎn)過程示意圖在穩(wěn)定運行時，進入磨煤機的原煤量等于送入爐膛的煤粉量，并與負荷要求相適應(yīng)。一次風(fēng)用于制粉及輸送煤粉，一次風(fēng)量的大小亦隨鍋爐的負荷而增減。在煤粉直吹制鍋爐中制粉系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)是為了保證制粉系統(tǒng)正常運行和適應(yīng)鍋爐負荷的需要，成為燃燒過程自動調(diào)節(jié)的一個組成局部。在有中間煤粉倉的鍋爐中，改變?nèi)剂狭康恼{(diào)節(jié)機構(gòu)〔給粉機〕就能直接改變進入爐膛的煤粉量，因此適應(yīng)負荷變換和消除燃料擾動就比擬及時，而在煤粉直吹鍋爐中，改變?nèi)剂狭康恼{(diào)節(jié)機構(gòu)首先改變進入磨煤機的原煤量和一次風(fēng)量。如果在負荷改變時只改變進入磨煤機的原煤量，那么進入爐膛的煤粉量的變化就很不及時，會使汽壓有較大的變動。在鍋爐的負荷不變時，制粉系統(tǒng)應(yīng)供給與負荷相適應(yīng)的煤粉量，并應(yīng)迅速消除給煤量的自發(fā)擾動。在組織直吹式鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng)時需注意以下幾點：(1)由于燃料調(diào)節(jié)機構(gòu)在磨煤機之前，制粉過程被包括在汽壓調(diào)節(jié)通道中，增大了汽壓調(diào)節(jié)通道的慣性和遲延，尤其是采用裝煤量大的磨煤機的制粉系統(tǒng)。因此，如何在負荷變化時，能迅速有效地改變進入爐膛的煤粉量，是組織直吹式鍋爐燃燒控制系統(tǒng)必需要注意的。(2)由于一次風(fēng)在磨煤機之前引人，制粉系統(tǒng)中沒有細粉別離器，一次風(fēng)量對制粉系統(tǒng)的正常工作影響很大。風(fēng)量過大，那么會造成煤粉顆粒變大，風(fēng)量過小不僅影響送粉，而且容易造成磨煤機堵塞。同時，一次風(fēng)通過磨煤機后，經(jīng)分支管向一組燃燒器輸送煤粉(通常是幾臺磨煤機同時工作)，進入各燃燒器的煤粉量與其一次風(fēng)量有關(guān)。因此，如何在保證總風(fēng)量與負荷成比例的同時，保證一次風(fēng)壓穩(wěn)定，及各燃燒器的一、二次風(fēng)比例，是組織直吹鍋爐燃燒控制系統(tǒng)時不容無視的。1.1燃燒控制系統(tǒng)原理圖1-2所示為采用熱量信號的燃燒控制系統(tǒng)。圖1-3所示為其對應(yīng)的方框圖。該系統(tǒng)采用帶氧量校正信號的“燃料-空氣〞系統(tǒng)方案。圖1-2燃燒控制系統(tǒng)原理框圖燃燒控制子系統(tǒng)采用熱量信號DQ作為燃料量的反應(yīng)信號，經(jīng)比擬器與壓力調(diào)節(jié)器輸出的負荷指令LD相比擬，其差值經(jīng)燃料調(diào)節(jié)器后，調(diào)節(jié)進入爐膛的燃料量。負荷指令LD與總風(fēng)量信號經(jīng)小值選擇器，取較小者作為燃料調(diào)節(jié)的給定值，以保證動態(tài)過程中，燃料量小于送風(fēng)量。圖1-3燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖送風(fēng)量控制子系統(tǒng)同樣經(jīng)大值選擇器及動態(tài)補償后的負荷指令信號，作為給定值調(diào)節(jié)送風(fēng)量，大值選擇器的作用與燃料調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中小值選擇器的作用相同，即大值選擇器與小值選擇器相配合，以保證負荷增加時先增加送風(fēng)量，而負荷降低時先減少燃料量。大值選擇器中引入給定信號的作用，在于防止低負荷情況下，風(fēng)量過小而造成燃燒不穩(wěn)定。引風(fēng)量控制子系統(tǒng)將爐膛壓力PS與給定值PS0相比擬后，其差值送入引風(fēng)調(diào)節(jié)器PI4，調(diào)節(jié)引風(fēng)量。在調(diào)節(jié)鍋爐燃燒率時，首先由燃料和送風(fēng)調(diào)節(jié)器PI1和PI3根據(jù)負荷指令LD改變給煤量M和總風(fēng)量V，使之迅速滿足燃燒及制粉過程的需要。引風(fēng)調(diào)節(jié)器PI4通過調(diào)節(jié)引風(fēng)量VS，維持爐膛壓力為給定值。1.2燃燒控制系統(tǒng)的任務(wù)鍋爐燃燒過程是一個將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽哉羝问较蛟O(shè)備〔以汽輪機為代表〕提供熱能的能量轉(zhuǎn)換過程。燃燒過程控制的根本任務(wù)是調(diào)整燃燒率水平，使之適應(yīng)外界負荷的需要，穩(wěn)定蒸汽壓力，并確保燃燒過程在平安經(jīng)濟的工況下進行。具體可歸納為以下幾方面。維持蒸汽壓力穩(wěn)定鍋爐蒸汽壓力作為表征鍋爐運行狀態(tài)的重要參數(shù)，不僅直接關(guān)系到鍋爐設(shè)備的平安運行，而且其是否穩(wěn)定反映了燃燒過程中能量供求關(guān)系。在母管制運行方式下，考慮的是多臺鍋爐與多臺汽輪機之間總的能量需求關(guān)系。以蒸汽母管壓力代表這種關(guān)系。汽壓控制任務(wù)是維持蒸汽母管壓力為一定值。在單元制運行方式下，由一臺鍋爐向一臺汽輪機供汽，機爐之間存在緊密聯(lián)系。鍋爐的蒸汽壓力值與機組的運行狀態(tài)及運行方式有關(guān)。因此鍋爐的汽壓控制與汽輪機的負荷控制是相互關(guān)聯(lián)的。保證燃燒過程的經(jīng)濟性保證燃燒過程的經(jīng)濟性是提高鍋爐效率的一個重要方面。目前燃燒過程的經(jīng)濟性是靠維持進入爐膛的燃料量與送風(fēng)量之間的最正確比值來保證的。也就是要保證有足夠的送風(fēng)量使燃料充分燃燒，同時盡可能減少排煙造成的熱損失。然而在許多情況下，對于進入爐膛的燃料量難以準確測量，加上燃料品種的變化，因此難以確定并維持燃料量與送風(fēng)量之間的最正確比值。因而常采用控制煙氣中過剩空氣系數(shù)，或以其校正燃料量與風(fēng)量之間比值的方法來保證燃燒過程的經(jīng)濟性。鍋爐爐膛壓力反映了燃燒過程中進入爐膛的送風(fēng)量與流出爐膛煙氣量之間的工質(zhì)平衡關(guān)系。爐膛壓力是否正常，關(guān)系著鍋爐的平安運行。假設(shè)送風(fēng)量大于排風(fēng)量〔引風(fēng)機的引風(fēng)量〕，那么爐膛壓力升高，會造成爐膛往外噴灰或噴火，壓力過高時會造成爐膛爆炸的危險。假設(shè)排風(fēng)量大于送風(fēng)量，爐膛壓力下降，不僅增加引風(fēng)機耗電量，而且會增加爐膛漏風(fēng)，降低爐膛溫度，影響爐內(nèi)燃燒工況。對于燃煤鍋爐，為防止?fàn)t膛向外噴灰，通常采用微負壓運行。對于燃油鍋爐，通常采用微正壓運行，以防止?fàn)t膛漏風(fēng)，使煙氣中過?？諝庀禂?shù)上升，造成過熱器管壁腐蝕。維持燃料系統(tǒng)正常運行燃料系統(tǒng)，對于燃油鍋爐來說，包括燃油的加溫及加壓系統(tǒng)，而對于燃煤鍋爐而言，那么包括制粉及輸送粉系統(tǒng)。對于燃油鍋爐及采用具有中間粉倉的燃煤鍋爐，燃料系統(tǒng)可以相互獨立運行，因而燃料系統(tǒng)的控制與燃燒過程的控制是相互獨立的。但采用直吹制粉系統(tǒng)的鍋爐的燃料系統(tǒng)與燃燒系統(tǒng)是緊密聯(lián)系在一起的，因而其燃燒過程的控制，隨著鍋爐燃燒率的變化，不僅改變制粉系統(tǒng)的給煤量，同時相應(yīng)改變各有關(guān)風(fēng)量，以維持燃燒系統(tǒng)的正常運行。綜上所述，燃燒過程的幾項任務(wù)是不可分割的。隨著鍋爐運行方式的不同，燃料系統(tǒng)和燃料品種的不同，其具體任務(wù)也有所不同。這些都將是燃燒過程控制系統(tǒng)的具體組成。1.3汽壓調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性鍋爐的燃燒過程是一個能量轉(zhuǎn)換、傳遞的過程，也就是利用燃料燃燒的熱量產(chǎn)生汽輪機所需蒸汽的過程。主蒸汽壓力是衡量蒸汽量與外界負荷是否相適應(yīng)的一個標志。因此，要了解燃燒過程的動態(tài)特性主要是弄清汽壓對象的動態(tài)特性。主蒸汽壓力PM受到主要擾動來源有二：其一是燃料量擾動，稱為根本擾動或內(nèi)部擾動。其二是汽輪機耗汽量擾動，稱為外部擾動。圖1-4是其生產(chǎn)流程示意圖。它是由爐膛1，蒸發(fā)受熱面〔水冷壁〕2，汽包3和過熱器4，汽輪機5組成。工質(zhì)〔水〕通過爐膛吸收了燃料燃燒發(fā)出的熱量，不斷升溫，直到產(chǎn)生飽和蒸汽聚集于汽包內(nèi)，最后經(jīng)過過熱器成為過熱蒸汽，輸送到汽輪機做功。圖1-4汽壓對象生產(chǎn)流程示意圖汽壓被控對象的方框圖如圖1-5所示。圖1-5汽壓對象的方框圖其中=；Cb=70[kg/MPa]是汽包蓄熱系數(shù)；CM=30[kg/MPa]是蒸汽母管容量系數(shù)；Rgr=1.5[Mpa/t/h]是過熱器動態(tài)阻力系數(shù)；M—燃料量；DQ—熱量信號；Pb—汽包壓力；D—蒸汽流量；DT—汽輪機耗汽量；PM—主蒸汽壓力引起汽壓變化的主要擾動為以燃料量為代表的燃燒率擾動和汽輪機耗汽量代表的外界負荷擾動。以下分析在燃料量擾動下及在汽輪機耗汽量擾動下汽壓對象的動態(tài)特性。由圖1-5，根據(jù)梅遜公式，此時汽壓對于燃料量擾動的傳遞函數(shù)為〔1-1〕〔1-2〕由以上兩式，可得Pb、PM在燃料量擾動下的響應(yīng)曲線如圖1-6所示。圖1-6DT不變時汽壓在燃料量擾動下的響應(yīng)曲線由于燃燒率變化后〔例如階躍增加〕，從爐膛熱負荷增加，汽水循環(huán)加強到汽壓上升，要有一個過程，所以汽壓變化一開始有遲延，以后直線上升。由于燃料量增加后燃燒所放出的熱量始終大于蒸汽流量所帶