600MW(300MW)火电机组锅炉燃烧控制系统的设计

摘要

摘要

目前，我国的电厂大多数是火力发电厂，煤是发电的主要燃料，锅炉燃烧是发电的重要环节之一。我们要以最经济的方式来利用有限的能源，这就要求我们寻找燃烧的最优方案。

本文在对国内外锅炉控制现状、发展趋势分析的基础上，研究了燃煤锅炉燃烧系统的自动控制问题。分析了燃烧控制系统的热工控制结构特点，为更大范围符合锅炉燃烧的要求，提高燃烧自动的控制系统的利用率，是在按照传统燃烧自动控制结构设计的基础上优化实现的。燃烧控制系统是一个复杂的综合性控制系统，从控制理论上讲，它可为是多输入/多输出的多变量控制系统。它由六个子系统构成：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、二次风量控制系统和炉膛压力控制系统。在设计中，利用相应的控制规律和控制器进行优化设计，达到燃烧的最优化。锅炉燃烧集经济性、安全性于一身,并针对直吹式煤粉炉燃烧控制系统进行了分析,设计出可行性方案。

关键词：直吹式制粉锅炉;“W” 型火焰燃烧器;燃烧控制

ABSTRACT

At present, most power plant in our country is thermal power, coal is the main energy resource and the combustion is an important part. We should use the limit resource by the way of economy. So we must to find an optimum scheme.

Based on the analysis of the present situation and development trend of boiler control domestic and overseas and long-time study experiments, plant boiler is researched in this paper. The problem of automatic control for coal-fired boiler combustion system is discussed in this thesis. The structure characteristics of burning control system are analyzed. In order to accord with the boilder burning requirements of more scope, and improve the utilization of the burning. On the basic of the traditional structure it is designed for the optimuming of burning automation. The brum boiler burning control system is a complicated and synthetical control system. On control field ,we call it multiple input multiple output and multiple parameter control system. It is made up of six subsystem：Fuel control system, A wind mill control system, Mill outlet temperature control system, An air pressure control system, Secondary air flow control system and The furnace pressure control system. In this design, we applying some control principles and control appliances to find the most economic scheme to achieve optimum combustion, then make the burn boiler burning system have both safety and economy. Take the direct-blowing boiler combustion system as a example to analyse.

Keywords:Direct- blowing boiler;W-flame burner;Combustion control

目录

目录

摘要.............................................................................................................................................. I ABSTRACT........................................................................................................................................ II 第1章绪论 (1)

1.1锅炉燃烧控制的发展概述 (1)

1.2本课题研究的内容和意义 (2)

第2章600MW机组的燃烧系统及其与设备 (4)

2.1燃烧系统的工作过程 (4)

2.2制粉系统及其设备 (6)

2.2.1制粉系统 (6)

2.2.2制粉系统的主要设备 (6)

2.3燃烧设备 (10)

2.3.1煤粉炉的炉膛 (10)

2.3.2燃烧器 (11)

2.4风机 (12)

第3章燃烧控制系统的设计 (13)

3.1概述 (13)

3.1.1燃烧过程控制任务 (13)

3.1.2燃烧过程调节量 (13)

3.1.3燃烧过程控制特点 (14)

3.2燃料控制系统 (15)

3.2.1燃料调节系统 (15)

3.2.2燃料调节——测量系统 (16)

3.2.3给煤机指令 (17)

3.3磨煤机一次风量、出口温度控制系统 (17)

3.3.1磨煤机一次风量控制系统 (17)

3.3.2磨煤机出口温度控制系统 (18)

3.4一次风压力控制系统 (19)

3.5二次风（送风）控制系统 (23)

3.5.1总风量调节——测量系统 (23)

3.5.2烟气含氧量调节及偏差限制系统 (24)

3.5.3送风调节系统 (26)

3.6炉膛压力控制系统 (27)

结论 (31)

参考文献 (32)

致谢........................................................................................................... 错误！未定义书签。

第1章绪论

第1章绪论

1.1锅炉燃烧控制的发展概述

锅炉燃烧控制作为实现锅炉安全经济运行目标的有效手段，随着计算机技术、CRT显示技术、通讯技术和自动控制理论应用的迅速发展，为使锅炉燃烧控制系统能统一到机、炉、电控制的高效智能一体化、信息管理与控制集成化中，以及现场总线控制系统（FCS）和智能仪表融入到分散控制系统（DCS）的新型控制和保护策略的网络自动化中，国内外许多公司在这方面都做了有益的探索。

经典控制理论、现代控制理论、智能控制理论作为自动控制理论发展的三个不同阶段，在锅炉燃烧控制理论的发展上得到了体现。在70年代，其控制过程采用单回路调节器实现，控制策略PID控制，锅炉燃烧控制的研究主要集中在锅炉的动态特性和数学模型，从线性到非线性，从单变量到多变量，从时不变到时变等，都进行了广泛而深入的研究[1-5]。使生产一线一部分工人从繁重的体力劳动中解脱出来。增加了生产的平稳性和安全性。

进入80年代以后，计算机技术的迅速发展引起了控制技术的革命，现代控制策略迅速在锅炉燃烧控制系统的实际应用中得到发展，控制策略也得到了长足的发展，特别是智能技术发展，有代表性的有：最优化控制，自适应控制，预测控制，鲁棒控制[6-8]等。这些优化控制技术将模型与控制系统的设计结合起来考虑，重点在于使所设计的控制系统具有鲁棒性，而模型则不像先前那样要求得很严格。为解决国内现有中小型燃煤锅炉出力不能随着外界温度的变化及时变化，炉膛温度低、排烟温度较高。风煤比不能及时调整，炉膛换热效率低等问题指明了方向。

随着现代科学技术的迅速发展和重大进步，生产的规模越来越大，使得控制对象日益复杂化，而且人们对控制系统的性能指标诸如控制精度等要求也越来越高，自动控制理论正面临新的发展机遇和严峻挑战。传统的经典控制理论和现代控制理论在应用中遇到不少难题，其主要原因是：（1）这些控制理论都是针对系统精确的数学模型进行研究的，而与普遍带有复杂性、不确定性、不完全性、模糊性、时变性、非线性等的实际系统有一定差距；（2）这些控制理论研究系统时必须提出一些比较苛刻的假设，而这往往与实际不符；（3）对于某些复杂的和包含不确定性的控制过程，根本无法用传统数学模型来表示，即无法解决建模问题；（4）这些控制理论为了提高性能指标所设计出的控制系统往往很复杂，即增加设备投资，又降低系统的可靠性。与此同时，人工智能的研究得到飞速发展，并迅速渗透到各领域中。自动控制与人工智能的结合产生了智能控制。20世纪90年代，国内

外不少学者将智能控制用于锅炉系统的建模、仿真、诊断及控制。智能控制理论[9-10]主要是以数值计算、逻辑运算、符号推理等为工具，模拟人类学习和控制的能力，对难以建立精确数学模型的复杂系统进行控制研究。

总而言之，以上提到的燃烧控制系统（包括大部分电厂采用的串级控制和新近提出的控制策略）都有其自身的优势，但由于锅炉燃烧过程很复杂,都没有对燃烧过程建立精确的数学模型。锅炉燃烧问题是科技工作者普遍关注的问题，也是发展较快的一个领域。在这方面，发达国家曾经走在最前列，特别是美国、日本等国家，他们研制的各种燃烧设备一度占领了国际市场。现在，发展中国家正以极快的速度发展，争取在这一领域占有一席之地。

1.2本课题研究的内容和意义

一、本课题研究的内容

通过查阅大量中文、外文资料，了解国内、外电厂锅炉燃烧控制系统的背景及发展，分析本设计课题的可行性，并撰写开题报告。深入学习本课题所涉及的基础理论及新方法，针对燃烧控制对象的多变量耦合、迟延大、惯性大的特点，利用多变量解偶、前馈控制等经典控制理论。详细了解600MW单元机组锅炉直吹式制粉系统和风烟系统的流程和主要设备情况，据此设计其燃烧系统的控制方案，包括燃料控制系统、风量控制系统、炉膛压力控制系统、磨煤机控制系统、一次风控制系统、辅助风和燃料风控制系统等，绘制各控制系统方框图和逻辑图。

二、本课题研究的意义

我国的主要矿物燃料基本都是被燃烧掉的[11]，节约能源、保护环境是国家产业政策的核心，确保燃烧过程始终处于最优状态可最大限度地节约能源、保护环境，这也是研究燃烧控制系统的根本目的。

电厂燃煤锅炉是我国目前应用面宽，数量多的耗用一次能源的重要设备。每年消耗原煤几亿吨。锅炉运行的好坏，燃烧系统的优劣，对于节约能源，保护环境等有着重大的社会经济效益。由于燃煤工业锅炉有不同于燃气、燃油锅炉的特点，所以，在当前国外对燃气、燃油锅炉有较好的控制方法时，燃煤锅炉的燃烧系统还存在着许多问题要解决，这要求人们认真地研究和探索。

火电厂锅炉机组越来越向大容量、高参数、高效率的方向发展，对锅炉燃烧控制系统控制品质的要求也随之提高。在系统组成与结构一定时，机组运行的安全性和经济性主要取决于锅炉的安全经济运行，而锅炉运行的安全性和经济性主要取决于锅炉的燃烧运行调整。在火电发电成本中，燃料费用一般要占70%以上，因此，提高锅炉燃烧系统的运行水

第1章绪论平对机组的节能降耗具有重要意义。

第2章600MW机组的燃烧系统及其与设备

2.1燃烧系统的工作过程

煤粉是由原煤经过制粉系统的一系列设备而成的。在图2-1中，从原煤仓落下的原煤经给煤机送入磨煤机中，同时由空气预热器出来的一部分热空气经排粉机也送入磨煤机中，将煤加热和干燥，同时热空气本身也是输送煤粉的介质。离开磨煤机的煤粉和空气混合物经燃烧器送入炉膛中进行燃烧。

图2-1 煤粉锅炉及其辅助系统示意图

外界冷空气是经送风机升后送往空气预热器的。冷空气在空气预热器内被烟气加热后，一部分热空气则直接经燃烧器送入炉膛，这部分热空气称为一次风；另一部分热空气则直接经燃烧器送入炉膛，这部分热空气称为二次风。二次风在炉膛内与已着火的煤粉气流混合，并参与燃烧反应。

第2章 600MW 机组的燃烧系统及其与设备

煤粉和空气经燃烧器送入炉膛后在炉膛内进行悬浮燃烧放出热量。炉膛周围布置着大量水冷壁管，炉膛上部布置着顶棚过热器及屏式过热器等受热面，水冷壁和顶棚过热器等是锅炉的辐射受热面。高温火焰和烟气在炉膛内向上流动时，主要以辐射换热的方式把热量传递给水冷壁和过热器管内的水或蒸汽，烟气自身的温度也不断地降低下来。

烟气离开炉膛以后进入水平烟道。在锅炉本体的烟道，然后再向下进入垂直烟道。在锅炉本体的烟道内布置着过热器、再热器、省煤器和空气预热器等受热面。烟气在流过这些受热面时主要以对流换热的方式放出热量，这些受热面称为对流受热面。过热器和再热器布置在烟气温度较高的地区，称为高温受热面。而省煤器和空气预热器布置在烟气温度较低的尾部烟道内，故称为低温受热面或尾部受热面。

烟气流经一系列对流受热面时，不断放出热量而逐渐冷却下来，离开空气预热器的烟气（即锅炉排烟）温度已相当低，通常在110~160℃之间。由于煤粉锅炉的烟气中携带有大量飞灰，为了防止环境污染，锅炉的排烟首先要经过除尘器，使绝大部分飞灰被捕捉下来。最后，比较清洁的烟气通过引风机由烟囱排入大气。

以上与燃料有关的煤、风、烟系统称为锅炉的燃烧系统。锅炉的“炉”即泛指燃烧系统。燃烧系统是由燃烧设备（炉膛、燃烧器和点火装置）、空气预器、通风设备（风机）以及烟风道组成的。锅炉的燃烧系统的工作生产流程如图2-2所示。

图2-2锅炉的燃烧系统的工作流程 细灰

二

次

风 原煤 （一次风） 煤粉气流 灰渣 冷空气

含灰烟气 烟气 制

粉

设备及系

统 燃烧器 水 冷 壁 过 热 器 再 热 器 省 煤 器 空气预热器 除 尘 器 引 风 机 送风机

2.2制粉系统及其设备

2.2.1制粉系统

制粉系统是指将原煤粉，然后送入锅炉进行悬浮燃烧所需设备和相关连接管道的组合。它可以分为中间仓储式制粉系统和直吹式制粉系统。中间仓储式制粉系统将磨好的煤粉先储存在煤粉仓中，然后再根据锅炉运行负荷的需要，从煤粉仓经给粉机送入炉膛燃烧；而直吹式制粉系统将原煤经磨煤机制成煤后直接吹入炉膛进行燃烧。本文采用直吹式制粉系统，对其特点进行简要的介绍。

采用直吹式制粉系统的单元机组在基建投资和运行费用上比采用中间储粉仓式制粉系统的耗费小，因此现代大型发电机组大多数都采用直吹式制粉系统。直吹式锅炉的燃烧控制具有如下特点[12]：

（1）中间粉仓式制粉设备的锅炉在燃烧设备与制粉系统之间有明显可分的界限，而直吹式制粉设备的锅炉将制粉设备与锅炉本体紧密地联系成一个整体。因此在直吹式制粉设备的锅炉运行中，制粉系统成为燃烧过程自动控制不可分割的组成部分。

（2）在中间粉仓式制粉设备的锅炉中，改变燃料调节机构位置（给粉机转速）就能立即改变进入炉膛的煤粉量。因此中间粉仓式锅炉无论在适应负荷变化或消除燃料自发性扰动方面都比较及时。而在直吹式锅炉中。改变燃料调节机构位置（给煤机转速）后，还需经过磨煤制粉的过程，才能使进入炉膛的煤粉量发生变化，直吹式锅炉在适应负荷变化或消除燃料内扰方面的反应均较慢，从而引起汽压较大的变化。因此在锅炉负荷不变时，控制系统如何及早地发现原煤量的扰动就成为直吹式锅炉燃烧控制系统中需要特别予以考虑的问题。

（3）由于直吹式锅炉在单独改变给煤量时并不能快速地使煤粉量发生变化（因磨煤机有较大的迟延和惯性），但改变一次风量却能迅速改变进入炉膛的煤粉量。因此为了提高直吹式锅炉的负荷响应能力，在改变给煤量的同时应同时改变一次风量。

（4）为及早消除燃烧量的自发性扰动，首先要及时地发现进入磨煤机中的原煤量的变化，即要快速正确地测量出磨煤机中的煤量。进入磨煤机中煤量的测量方法随着磨煤机类的大小来间接反映磨煤机中煤量的多少。

2.2.2制粉系统的主要设备

（一）磨煤机

一.磨煤机的分类