锅炉燃烧自动控制Word格式文档下载.docx
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给水通过省煤器预热后给锅炉上水，空气经空气预热器后由炉排左右两侧6个风道进入，烟气通过除尘器除尘，由引风机送至烟囱排放，主蒸汽经过过热器送至汽柜和用汽部门。
鼓风机、引风机都是由交流变频器来控制，通过调节鼓风机、引风机的速度来实现控制鼓风量、引风量。
二、锅炉自动控制的主要任务[2]
（一）锅炉汽包水位的控制
汽包水位是锅炉安全运行的主要参数之一。
水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热器管内结垢，影响传热效率，严重的将引起过热管爆管；
水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而爆管。
尤其是大型锅炉，例如，30万KW机组的锅炉蒸发量为1024t/h，而汽包容积较小，一旦给水停止，则会在十几秒内使汽包内的水全部汽化，造成严重的事故。
（二）过热蒸汽温度的控制
大型锅炉的过热器是在接近过热器金属管的极限高温条件下工作的，金属管道强度的安全系数很小，过热蒸汽温度过高会使金属管道的强度大为降低，影响设备安全；
温度过低则使全厂热效率显著下降。
所以过热蒸汽温度是有关安全和经济性的重要参数。
过热蒸汽温度自动调节的任务是维持过热器出口汽温在允许范围内，以确保机组运行的安全性和经济性。
（三）锅炉燃烧过程的控制
燃烧过程自动调节系统的选择虽然与燃料的种类和供给系统、燃烧方式以及锅炉与负荷的联接方式都有关系，但是燃烧过程自动调节的任务都是一样的。
归纳起来，燃烧过程调节系统有三大任务。
第一个任务是维持汽压恒定。
汽压的变化表示锅炉蒸汽量和负荷的耗汽量不相适应，必须相应地改变燃料量，以改变锅炉的蒸汽量。
第二个任务是保证燃烧过程的经济性。
当燃料量改变时，必须相应地调节送风量，使它与燃料量相配合，保证燃烧过程有较高的经济性。
第三个任务是调节引风量与送风量相配合，以保证炉膛压力不变。
对于一台锅炉，燃烧过程的这三项调节任务是不可分隔的，对调节系统设计时应加以注意。
1．2．2工业锅炉控制的发展与现状
一、锅炉自动控制装置的发展
锅炉是一种将一次能源（煤炭、石油、天然气等）转换为二次能源的重要设备。
由于多数单位的锅炉生产实行人工操作，不仅工作人员劳动条件差、劳动强度大，而且锅炉的热效率低。
为了提高效率，改善工作人员的劳动强度，使仪表控制逐渐取代人工操作，锅炉生产过程自动化就相应出现了。
在生产过程中，对炉膛负压，烟气成分，给水管道的压力、流量、汽包水位、蒸汽温度等热工参数进行自动监测和显示；
同时，对给水系统、燃烧系统进行调节，取得了很好的效果。
随着工业检测技术的发展，DDZ型系列仪表参与锅炉控制，目前已经由第一代DDZ-I型电子管式，到第二代DDZ-II型晶体管式，到目前最大量使用的DDZ-III型集成电路式，都在锅炉控制中起主要作用[3]。
常规仪表控制有如下局限性：
1、难于实现复杂的控制规律，如最优控制、自适应控制、人工智能控制等；
2、难于实现集中监测和操作，管理水平低；
3、改变控制方案较困难。
随着计算机技术革命的到来，计算机也逐渐被用在工业锅炉的控制上。
美国的霍尼维尔公司能源管理情况中心证明，锅炉计算机控制比一般锅炉仪表控制优势明显得多。
我国在这方面也成果显著。
例如：
南通醋酸化工厂与北京工业大学研制的GJK-805型微型机计算机锅炉控制装置，应用于该厂20吨/小时的锅炉上，使锅炉的热效率提高了5.37%，年节煤约800吨，它采用TP805为主体，CTC定时中断，每秒采集一次数据，采用积分分离PID控制算法。
重庆工业自动化仪表厂和重庆农药厂联合研制的智能式工业锅炉控制系统用于控制SHL10-13型饱和蒸汽锅炉取得了满意效果，运行稳定，使用方便，软件上采用模块化设计，构成了全新的数字化实时过程控制系统。
还有大连计算机技术研究所研制的锅炉微机控制系统能够不停机实时进行参数修改功能，又有无扰手动/自动切换和双套报警系统，实现了对水位、汽压、负压、含氧量等主要参数的监控，算法上采用了模糊控制分别对炉膛负压系统和含氧量调节系统进行了一些模糊判断，使该系统有了一定的适应能力[4][41]。
二、锅炉自动控制规律的发展
自从仪表取代人工成为工业锅炉的控制核心以来，PID控制一直是仪表过程控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。
由于PID技术发展的比较成熟，在计算机锅炉控制系统中就成为了首选，是最为可靠、效果很好的控制规律。
随着锅炉控制的发展，出现了许多改进的PID控制算法，如带死区的、积分分离的，参数自整定的等一系列PID控制规律。
随着控制理论的发展，自适应控制、预测控制也被应用到锅炉的控制中，近年来，以专家系统、模糊控制、神经网络控制为代表的智能控制也开始应用到工业锅炉的控制系统中，国内、外许多学者的许多理论和实践也都表明，智能控制，尤其是模糊控制将成为现阶段实际控制系统中应用较为广泛的一种控制方法[5]。
第二章锅炉燃烧过程的控制系统
2．1锅炉燃烧系统简介
2．1．1燃烧系统的任务
燃烧过程自动调节有三大任务[7]：
1．维持汽压。
汽压的设定值是根据生产要求设定的；
负荷量是由生产需要随时调整；
锅炉的蒸汽流量是由蒸汽压力和负荷的阀门开度共同决定的。
汽压的变化表明蒸汽流出量与负荷需求量不相符，需改变给煤量以维持汽压恒定，使蒸汽流量满足负荷要求。
2．保证燃烧的经济性。
改变给煤量时，必须相应地改变送风量，使之与燃料量相配合，保证燃烧过程的经济性。
送入空气量不足，则燃料不能充分燃烧；
送入空气量过大，则过剩空气带走炉膛的热量，造成热损失。
3．保证引风和鼓风的正确配比，维持炉膛负压值。
膛压为正，会使炉膛有爆炸危险，并且使炉火外喷，对锅炉周围设备及操作人员造成威胁；
负压过大，则过剩空气会带走炉膛中的热量。
2．1．2燃烧系统的调节对象
燃烧调节系统一般有3个被调参数，气压p、过剩空气系数α（或最佳含氧量O2）和炉膛负压Pf；
有3个调节量，它们是燃料量M、送风量F和引风量Y。
燃烧调节系统的调节对象对于燃料量，根据燃料种类的不同可能是炉排电机，也可能是燃料阀。
对于送风量和引风量一般是鼓风电机和引风电机。
2．2燃烧系统调节对象的特性
锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是既要提供热量适应蒸汽负荷的需要，又要保证燃烧的经济性和锅炉运行的安全性。
为了达到上述目的，燃烧过程的控制系统应包括三个调节任务：
即维持汽压、保证最佳空燃比和保证炉膛负压不变。
与此相对应，应有三个控制回路分别调节燃料量、送风量和引风量，从而构成了多参数的燃烧过程控制系统。
为了能正确地设计控制系统，应先了解对象的动态特性。
一、气压调节对象的特性[8]～[11]
锅炉的燃烧过程是一个能量转换、传递的过程，也就是利用燃料燃烧的热量产生用汽设备所需蒸汽的过程。
主汽压力是衡量蒸汽量与外界负荷两者是否相适应的一个标志。
因此，要了解燃烧过程的动态特性主要是弄清汽压对象的动态特性。
1．气压被控对象的生产流程及环节划分
锅炉汽包压力是燃烧过程控制的主要被控量，分析燃烧过程对象的动态特性，是确定燃烧系统自动控制方案的主要依据。
汽压被控对象的生产流程示意图如图2.1所示，整个系统由炉膛1，汽包、水冷壁组成的蒸发受热面2，过热器3，母管4和用汽设备5组成。
工质（水）通过炉膛吸收了燃料燃烧发出的热量，不断升温,直到产生饱和蒸汽汇集于汽包内，最后经过过热器成为过热蒸汽，输送到用汽设备作功。
W——给水量；
is——给水热焓；
Pb——汽包压力；
D——蒸汽流量；
——汽机耗汽量；
——汽机进汽阀开度；
——汽机背压；
i"
——过热蒸汽焓；
——母管压力
图2.1汽压对象生产流程示意图
环节1：
其输入量为单位时间内炉膛燃烧的燃料量M（kg/s），输出量为单位时间内传给炉膛受热面的燃料发热量Qr（kJ/s），又称炉膛热负荷。
在锅炉运行中，当燃料量M发生变化时，送风量与引风量应同时协调变化，这时的燃料量M的变化，表示锅炉燃烧率的变化，Qr的变化与燃烧率的变化（相当于M的变化）成正比。
燃料从煤斗下来落在炉排上，形成均匀的、有一定厚度的燃料层进行燃烧。
所谓“火床”即是形象地表达了这种燃烧方式的特点。
根据给煤量阶跃扰动响应曲线求得床温被控对象的近似传递函数为：
（2—1）
燃烧和传热过程是一个复杂的化学物理过程，燃料量改变后，首先需要经过一定的吸热、燃烧、放热时间，而后将热量传给受热面的金属管壁（辐射传热和对流传热同时进行），然后将热量传给锅炉的汽水容积。
根据热力学定律，当物体吸收热量时其温度将升高，并有下列等式成立（式中认为物体质量为单位质量）。
Q=CT（2—2）
式中T——温度（K）；
C——比热（kJ/kg·
K）；
Q——热量（kJ）。
根据式（2—1）可得：
。
将式（2—2）两边取拉氏变换，并把上式代入得：
由此得到汽压被控对象环节1的近似传递函数为：
（2—3）
式中
——M变化引起Qr变化的比例系数（kJ/kg）；
——M改变至Qr变化的滞后时间（s）；
T1——M变化引起Qr变化的惯性时间（s）；
环节1的方框图如图2.2所示。
图2.2环节1方框图
环节2的动态热平衡方程式可以表示如下：
（2—4）
式中ib——汽包水焓值（kJ/kg）；
Wb——汽包蓄水量（kg）。
由于锅炉内饱和水的热焓是饱和蒸汽压力Pb的函数，即
则：
（2—5）
将上式代入式（2—4）得：
（2—6）
令
；
得：
（2—7）
式中Cb——蓄热系数（kg/MPa）；
DQ——用蒸汽量单位表示的锅炉汽水容积吸热量（kg/s）。
环节2的输入量取为热量信号与蒸汽流量信号之差，输出量为Pb，对式（2—7）进行拉氏反变换，得环节2的传递函数为：
（2—8）
环节2的方框图如图2.3所示。
图2.3环节2方框图
过热器出口、入口差压的大小与过热器流通阻力、蒸汽流量D有关，可用下式近似为：
（2—9）
对上式两边取增量，为
令2KgrD=Rgr，则上式写成如下形式：
（2—10）
——压力变化增量（MPa）；
dD——蒸汽变化增量（kg/s）；
Rgr——过热器动态阻力（cm2/s）。
Rgr的大小与D有关，随负荷增加而增加。
将式（2—10）进行拉氏变换，得到环节3的传递函数：
（2—11）
环节3的方框图如图2.4所示。
图2.4环节3方框图
PM作为环节4的输出量，取D与DT之间差值作为输入变量，则环节4的传递函数为:
（2—12）
式中CM——蒸汽母管的容量系数（kg/MPa）。
环节4的方框图如图2.5所示。
图2.5环节4方框图
环节5的传递函数可用下式表示：
（2—13）
式中RT——汽轮机动态流通阻力系数（MPa/kg·
s-1）；
KT——调节阀的静态放大系数（kg/s）；
——调节阀开度（%）。
对式（2—13）取拉氏变换后为：
（2—14）
取母管压力PM及阀门开度
作为输入量，DT作为输出量，环节5的方框图如图2.6所示。
图2.6环节5方框图
为了研究问题的方便，将环节1的输出量Qr也用热量信号DQ来表示，则环节1的比例系数K'
M用KM来代替,此时：
环节1的传递函数为：
（2—15）
式中KM——锅炉燃料量变化引起蒸汽流量变化的比例系数。
汽压被控对象的方框图和信号流图分别如图2.7及图2.8所示。
图2.7汽压被控对象方框图
图2.8汽压被控对象信号流程图
2．燃烧率扰动下汽压被控对象的动态过程模型
由于给煤量提供煤粉量不均匀以及煤的质量（发热量）发生变化，引起了燃料量的变化。
若燃料量增加，炉膛热负荷立即增大，致使汽包压力上升，压差增大，就使蒸汽量增加。
由于汽机调汽门开度不变，主汽压将随着蒸汽的积累而增大。
主汽压的升高又会使蒸汽通向用汽设备的流出量增加，最终达到新平衡。
M扰动下的汽包压力变化的传递函数可以由图2.8根据梅逊增益公式求出为：
（2—16）
由于实际母管容量系数CM很小，可以认为CM≈0，则上式可写为：
（2—17）
同样，燃烧率扰动下母管压力PM变化的传递函数为：
（2—18）
3．负荷扰动下汽压被控对象的动态过程模型
负荷阶跃扰动下，汽压变化的动态特性有下列两种情况。
（1）μT扰动下汽压被控对象的动态过程模型
在这种情况下，μT的阶跃变化是汽压被控对象的输入量，而Pb和PM是输出量，由图2.8可以得到相应的传递函数：
（2—19）
由于CM≈0，则
（2—20）
同理求得：
（2—21）
（2）用汽量D扰动下汽压被控对象的动态过程模型
由图2.8可以得到在D阶跃扰动下汽压被控对象的传递函数：
（2—22）
由于CM≈0，得：
（2—23）
同理可得：
（2—24）
二、送风自动调节对象的特性
送风调节系统的好坏，直接影响炉膛的空气过剩系数的变化。
引起空气过剩系数变化的主要扰动是燃料量和送风量。
风量扰动下对象的动态特性具有较大的自平衡能力，几乎没有延迟和惯性，近似为以比例环节。
而燃料量扰动时，需经过输送和燃烧过程而略有迟延。
三、炉膛负压自动调节对象的特性
炉膛负压主要受鼓、引风机的影响，调节通道的动态特性较好，扰动通道的飞升时间很短，飞升速度很快。
通过对燃烧过程被控对象的动态特性分析可知，燃烧过程的主要干扰量为给煤量（内扰）和蒸汽负荷变化量（外扰），在燃烧率扰动下，汽压被控对象存在一定的滞后时间。
根据汽压的变化去改变燃烧率（即同时协调地改变燃料量、送风量和引风量）能够较为有效地控制汽压，这就为燃烧过程的设计提供了依据。
2．3锅炉燃烧控制系统的结构
2．3．1目前常见的燃烧控制系统
研究控制系统的组成十分重要，由于设计思想的不同产生了不同结构的控制系统。
燃煤锅炉燃烧控制系统发展至今已形成了几种典型的系统结构，串接串联式、串接并联式、控制反系统等。
煤粉锅炉还有交叉限幅式。
下面简单分析前三种控制系统的结构。
规定：
PM表示蒸汽压力，V表示送风，M表示给煤，VS表示引风，ST表示炉膛负压，ɑ表示风煤比，PIi（I=1，2，3，4）表示PI控制器。
一、串接串联燃烧自动控制系统[12]
空气先行串接串联燃烧自动控制系统的简化结构见图2.9所示，它的缺点是当蒸汽负荷减少时，空气流量先于燃料减少，从而导致燃料过多，使黑烟增多。
F（t）是前馈补偿系数。
图2.9空气先行串接串联燃烧控制系统
空气先行串接串联控制系统很容易变为燃料先行串接串联控制系统，如图2.10所示。
当蒸汽负荷增加时，燃料先增加，后增加风量，从而导致过多的燃料，使黑烟增多。
对链条炉来说，一般采用的是空气先行控制系统。
图2.10燃料先行串接串联燃烧控制系统
二、串接并联燃烧控制系统[13]
该系统是以控制燃料量和空气量的比例来保证燃烧的经济性。
结构见图2.11所示。
PI2和PI3设定值，PI2接受负荷要求信号和燃料反馈信号M，其任务是使燃料与负荷要求相适应。
PI3接受负荷要求信号和送风量信号，其任务是使送风量与负荷要求相适应，从而间接地使送风量与燃料量成正比，即保证燃烧的经济性。
为了保证送风量与引风控制协调进行，以减小炉膛负压偏差，由送风系统经补偿装置F（t）（时间函数转换器）加一前馈信号送入引风调节器PI4。
该补偿装置可以是一个微分环节，动态时前馈补偿信号发生作用，静态时微分信号消失，炉膛负压任由PI4控制。
图2.11串接并联燃烧控制系统
前面讨论的二种典型的燃烧控制系统是靠空燃比ɑ保持一定值来达到经济燃烧的。
这在负荷、煤种经常变化，燃料测量不准确的情况下，不能较好地保证经济燃烧。
对串接并联系统，由于燃料调节部分和送风调节部分的动态特性可能不一致，所以空燃比会发生变化。
对图2.11略加改进，在送风控制子系统中串入一个氧量校正调节器PI5，组成具有氧量校正的燃烧控制系统。
蒸汽负荷与烟气含氧量有关系，故通过一个函数转换器f（x）对它进行负荷修正。
经过修正的氧量信号进入PI5调节器与最佳含氧量给定值进行比较，当产生偏差时，PI5输出给PI3进行风量校正，这个校正应进行的相当缓慢，因为PI3的调节作用已基本上保证了风煤比例。
三、燃烧控制反系统[14]
燃烧控制反系统具有这样的特点：
引风量与负荷相适应，送风量维持炉膛负压。
用氧量信号调节燃料量。
这种系统不要求测量热量信号，燃料信号，送风量。
但要求准确迅速的测量烟气中的含氧量。
这种系统结构见图2.12所示。
图2.12燃烧控制反系统
这种系统具有的优点是可以消除漏风的不利影响，而与之对应的燃烧控制正系统，由于漏风则会导致送风、引风的相互干扰，致使炉膛工况不稳定。
该系统的缺点是对含氧量测量信号提出了较高的要求，对这种要求，目前较难达到。
2．3．2燃烧控制系统总体方案设计
锅炉燃烧系统是一个复杂的多变量耦合系统。
输入量有：
给煤量、鼓风量和引风量；
输出量有：
蒸汽压力、烟气含氧量（燃烧的经济性）、炉膛负压。
燃料是热量的唯一来源，给煤量的变化直接影响锅炉提供的蒸汽量，也影响汽包压力的变化，是燃烧系统的主控量。
鼓风量的变化产生不同的风煤比和相应的燃烧状况，表现出不同的炉膛温度，并决定炉膛损失的大小，直接决定着锅炉能否经济运行。
在送风量改变的同时也改变引风量，使炉膛负压保持稳定，保证锅炉安全运行。
这三个控制子回路组成了一个不可分割的整体，统称为锅炉燃烧控制系统，共同保证锅炉运行的机动性、经济性和安全性。
可见，锅炉的燃烧过程是个复杂的物理化学过程。
各输入，输出的耦合关系十分复杂。
锅炉系统具有大的延时，并且参数是时变的，对于这样的对象，难以建立精确的数学模型。
经典的PID算法具有很强的适应能力，如果锅炉的负荷是平稳的，那么，PID可以达到控制要求。
本文提到的锅炉的负荷变化范围从零到最大负荷量，并且是不定时变负荷。
这种情况常规PID是难以控制的。
解决这些问题的方法是采用比PID更为有效的智能控制技术，这里采用模糊控制的方法。
下图为锅炉燃烧控制系统框图：
图2.13锅炉燃烧控制系统框图
将人工智能引入控制方案，主汽压控制采用模糊控制的思想，以克服汽压被控对象时变、大延时的特性；
为了保证锅炉的经济燃烧，送风量的控制采用自寻优控制；
炉膛负压的控制采用PID控制。
为便于分析，现分成三个系统进行讨论：
以燃料量维持汽包压力恒定的主汽压调节系统；
以送风量维持经济燃烧的送风调节系统；
以引风量维持炉膛负压稳定的炉膛负压调节系统。
在介绍这三个系统之前,我先介绍一下模糊控制。
第四章主汽压控制系统
主蒸汽压力的变化反映了锅炉的蒸汽产量与负荷耗汽量之间的不平衡，这时需要改变燃料量以改变锅炉的蒸汽产量，来达到适应负荷耗汽量变化的目的，从而构成主蒸汽压力控制系统。
主蒸汽压力的主要干扰量为给煤量（内扰）和蒸汽负荷变化量（外扰），在前面我们已经分析了这两种干扰对汽压对象的动态模型，从这两种模型可以看出，应该以内扰为主，可以使主汽压保持稳定。
所以，选择汽压为被控量，控制量是控制链条速度的交流电机的转速。
汽压被控对象的传递函数为：
（4—1）
式中，静态增益Kp、时间常数Tp1和Tp2、延迟时间τp都是随运行工况的不同而变的参数。
下面，我将采取三种不同的控制方法对汽压模型进行仿真，并比较各自的优缺点。
控制对象的各参数取为[24]：
τP=40，Kp=1，Tp1=100，Tp2=50。
输入为单位阶跃信号。
4．1PID控制
PID控制是比例积分微分控制的简称。
在生产过程自动控制的发展过程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。
在本世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制方式。
此后，随着科学技术的发展特别是电子计算机的诞生和发展，涌现出许多新的控制方法。
然而直到现在，PID控制由于它自身的优点仍然是得到最广泛应用的基本控制方式。
PID控制具有以下优点[25]：
原理简单，使用方便；
适应性强；
鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。
4．1．1PID控制系统结构
图4.1PID控制结构图
PID控制结构如图所示，其中U=Kpe+Ki∑e+Kdde/dt，
式中：
u——PID控制输出
e（t）——PID控制输入，即偏差e（t）=r（t）-y（t）
Kp——比例系数
Ki——积分系数
Kd——微分系数
4．1．2系统仿真
取PID各参数如下：
Kp=1.2,Ki=0.008,Kd=20。
得仿真结果如图所示：
图4.2阶跃响应仿真曲线
从图可看出，响应曲线的超调比较大，调节时间比较长，大概需要400S左右，改变PID参数，效果仍不理想。
要想获得较满意的控制效果，PID参数整定非常困难，而且即使整
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