流化床锅炉床温主汽压控制系统的设计与仿真设计正.docx

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流化床锅炉床温主汽压控制系统的设计与仿真设计正

毕业设计（论文）

系别

动力工程系

专业班级

自动化专业06K1班

学生姓名

指导教师

流化床锅炉床温主汽压控制系统的设计与仿真

题目

二○一○年六月

流化床锅炉床温与主汽压控制系统的设计与仿真

摘要

循环流化床锅炉（简称CFB锅炉）具有燃烧效率高、燃烧适应性广、低污染等独特优点，受到世界各国的广泛重视并得到迅速发展。

但CFB锅炉在理论和实践两方面仍有许多不完善之处，尤其在床温主汽压控制系统方面，大多数CFB锅炉自动化水平不高，有的至今仍采用手动操作，其原因是由于CFB锅炉是一个多参数、非线性、时变及变量紧密耦合的复杂系统。

CFB锅炉很难建立精确的数学模型，如果采用固定参数的常规控制器，当工况发生较大变化时，很难保证控制系统的控制品质。

相关研究设计结果表明，要想取得较好的控制效果必须将有耦合关系的系统经行解耦，因此本文针对CFB锅炉的特殊性，寻找到被控对象的传递函数，对传递函数应用对角矩阵经行解耦，将解耦后的被控对象看做是两个彼此独立的系统，进而设计PID控制器。

通过仿真分析结果表明该方法能够在完成床温主汽压系统解耦的前提下，方便地实现循环流化床锅炉控制优良的静动态特性。

解耦后的控制系统具有较好的抗干扰能力、鲁棒性等。

关键字：

循环流化床锅炉（CFB）；床温主汽压；对角矩阵解耦；PID控制；

Fluidizedbedboilermainsteampressurecontrolsystemdesignandsimulation

Abstract

fluidizedbedboiler（CFBboilerforshort）hasahighcombustionefficiency,combustionandwideadaptability,lowpollutionandotheruniqueadvantagesaretheworldwideattentionandrapiddevelopment.ButtheCFBboilerbothintheoryandinpracticetherearestillmanyimperfections,inparticular,themainsteampressureinthebedtemperaturecontrolsystemcontext,mostofCFBboilerautomationlevelisnothigh,somearestillusingmanualoperations,thereasonisduetoCFBBoilerisamulti-parameter,nonlinear,time-varyingandvariablesystemofcloselycoupledcomplex.CFBboilerisdifficulttoestablishaccuratemathematicalmodel,iftheconventionalcontrollerwithfixedparameters,significantchangesoccurwhentheconditionwasdifficulttoensurequalitycontrolsystemofcontrol.Researchdesignresultsshowthat,inordertoobtainbettercontroleffectrelationshipmustbeacoupledlinesystemhasbeendecoupled,sotheparticularityofthispaperCFBboiler,tofindthetransferfunctionoftheobjectand,ontheapplicationofthetransferfunctionoftheanglematrixbyrowdecoupling,thedecouplingoftheplantisseenastwoseparatesystems,thendesignPIDcontroller.ThesimulationresultsshowthatthemethodcancompletethebedtemperatureinthemainsteampressuresystemisdecoupledunderthepremiseofconvenienceGermanytoachievegoodcontrolofcirculatingfluidizedbedboilerstaticanddynamiccharacteristics.Decoupledcontrolsystemhasgoodanti-jammingcapability,robustness.

Keywords:

circulatingfluidizedbedboiler（CFB）;bedtemperatureofmainsteampressure;diagonalmatrixdecoupling;PIDcontrol;

1引言

1.1循环流化床锅炉在国外的发展

1921年12月德国人温克勒发明了第一台流化床，该流化床使用的是粗颗粒床料。

1938年l2月麻省理工学院的刘易斯和吉里兰发明了快速流化床。

循环流化床真正成为具有工业实用价值的新技术是在20世纪50、60年代。

60年代末，德国鲁奇公司（Lurgi）发展并运行了Lurgi／VAW循环流化床锅炉的氢氧化铝焙烧反应器。

1979年芬兰奥斯龙（Ahlstrom）公司生产了20t／h的循环流化床锅炉，1982年德国鲁奇（Lurgi）公司的第一台50t／h的商用循环流化床锅炉投入运行，这标志着作为煤燃烧设备的循环流化床锅炉诞生了。

通常把第一代流化床锅炉称为鼓泡床锅炉（又称沸腾床）；循环流化床锅炉称为第二代流化床锅炉。

两者之间既有联系，也有差别。

随后，循环流化床技术迅速发展起来，尤其在国外发展很快，并向大型化方向发展。

目前国外主要开发研制单位和生产厂家有德国鲁奇公司、芬兰奥斯龙公司、美国巴特尔研究中心、美国福斯特·惠勒公司、德国巴布科克和斯坦缪勒公司、瑞典斯图特斯维公司。

1.2循环流化床锅炉在国内的发展

我国的循环流化床燃烧技术的发展相对较晚，但进步很快。

早在20世纪60年代初就开始发展鼓泡（流化）床锅炉，但循环流化床锅炉的起步却较晚，1981年国家计委下达了“煤的流化床燃烧技术研究”课题，标志着我国循环流化床锅炉的研究和产品开发技术正式启动。

直到1989年11月第一台由中科院与济南锅炉厂共同研制的35t／h循环流化床锅炉在山东明水电厂投入运行。

近几年国内在开发和研制循环流化床锅炉技术方面发展迅速。

中国科学院、清华大学、浙江大学、西安热工研究所、西安交通大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学等科研单位和高校与锅炉厂合作开发和研制出多种技术的35t／h、65t／h、75t／h、120t／h、220t／h中压、次高压及高压循环流化床锅炉。

1991年，锦西热电厂的75t／h循环流化床锅炉投人运行。

1992年哈尔滨锅炉厂与美国PPC公司合作设计和生产国内首台220t／h循环流化床锅炉。

到目前为止，已经投运的最大机组是装在四川内江的进口410t／h（100MW）奥斯龙循环流化床高压电站锅炉。

1.3国内引进流化床技术的主要类型

主要类型：

（以135MW/440T/H机组为例）芬兰奥斯龙技术（如东锅等）水冷式布风板,双炉膛结构,双旋风筒,高温圆型汽冷式分离器,J阀返料器,T型风帽,四台给煤机前墙给煤,锥型阀放渣技术,选择性小流化态风水冷渣方式,旋风筒与大床之间采用双非金属膨胀节连接,循环倍率为20-30。

法国阿尔斯通技术（如上锅等）水冷式布风板,单炉膛结构,双旋风筒,高温圆型绝热式分离器,U阀自平衡返料器,钟罩式风帽,四台给煤机前墙给煤,锥型阀放渣技术,选择性小流化态风水冷渣方式,旋风筒与大床之间采用三个非金属膨胀节连接,分离器锥管,直管段装有防堵风管,循环倍率为20-30。

德国EVT福斯特惠勒技术（如哈锅等）水冷式布风板,双炉膛结构,双旋风筒,高温圆型绝热式分离器,L阀返料器,钟罩式风帽,二台给煤机后墙给煤,锥型阀放渣技术,选择性小流化态风水冷渣方式,旋风筒与大床之间采用双非金属膨胀节,（3个非金属膨胀节）循环倍率为33-40,快速床,薄床压控制。

1.4循环流化床锅炉（CFBB）的优缺点

1.4.1循环流化床锅炉的主要优点

（1）燃料适应性广

这是循环流化床锅炉的主要优点之一。

循环流化床锅炉中按质量百分比计，燃料仅为床料的1％～3％，其余是不可燃的固体颗粒。

如脱硫剂、灰渣或砂。

循环流化床锅炉的特殊流体动力特性使得气一固和固一固混合非常好。

因此，即使是很难着火燃烧的燃料，进入炉膛后由于很快与灼热的床料混合．所以能被迅速加热至高于着火温度，这就决定了循环流化床锅炉不需辅助燃料丽燃用任何燃料。

循环流化床锅炉既可燃用优质煤，也可燃用各种劣质燃料，如高灰煤、高硫煤、高灰高硫煤、高水分煤、煤矸石、煤泥，以及油页岩、泥煤、石油焦、尾矿、炉渣、树皮、废木头、垃圾等。

（2）燃烧效率高

在循环流化床锅炉中．燃烧区域扩展到整个炉膛乃至高温旋风分离器，携带出炉膛的粒子被高温旋风分离器捕集，并直接送回燃烧室下部循环再燃烧。

其燃烧效率要比鼓泡流化床锅炉高，燃烧效率通常在97.5％～99.5％范围内。

在燃烧优质煤时，燃烧效率与煤粉锅炉持平；燃烧劣质煤时，循环流化床锅炉的燃烧效率约比煤粉炉高5％。

（3）利于控制SO和NO的排放

循环流化床燃烧温度一般为900℃左右，采用石灰石作为床料添加剂时，炉内脱硫效果好，在Ca／S为1.5～2.5时可达到90％的脱硫效果；而鼓泡流化床锅炉达到90％脱硫效率则需Ca／S为2.5～3甚至更高。

有时即使Ca／S比更高，鼓泡流化床锅炉也不能达到90％的脱硫效率。

与燃烧过程不同，脱硫反应进行得较为缓慢。

在鼓泡流化床锅炉中，气体在燃烧区域的平均停留时间为1～2S，而在循环流化床锅炉中则为3～4S，停留时间更长，反应较充分。

另外，循环流化床锅炉中石灰石粒径一般为0.1～0.3mm；而鼓泡流化床锅炉中则为0.5～1mm。

粒径小反应比面积大，反应充分。

循环流化床锅炉一般采用分级燃烧。

燃烧温度不高，NO的生成量显著减少，循环流化床锅炉烟气中NO的浓度为50～150ppm。

（4）灰渣综合利用性能好

循环流化床燃烧过程属于低温燃烧，同时炉内优良的燃尽条件使得锅炉的灰渣含炭量低，易于实现灰渣的综合利用另外炉内加入石灰石后，灰渣成分也有变化，含有一定的CaSO和未反应的CaO。

循环流化床锅炉灰渣可以用于制造水泥的掺合料或者其他建筑材料的原料，有利于灰渣的综合利用。

同时低温烧透也有利于提取灰渣中的稀有金属。

（5）负荷调节性能好

循环流化床锅炉由于截面风速高和吸热控制容易，所以负荷调节快。

负荷调节范围可低至10％～25％；负荷调节速度可达（5％～1O％）／min。

1.4.2循环流化床锅炉的缺点

循环流化床锅炉是在鼓泡床锅炉的基础上发展起来的，它几乎可以消除鼓泡床锅炉所有的缺点。

但是最近几年的发展和实践表明，循环流化床锅炉也有其自身的缺点，有待进一步研究解决。

（1）循环流化床锅炉部件的磨损和腐蚀严重

由于循环流化床锅