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基于锅炉燃烧工况反馈的燃烧控制系统设计

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国网技术学院学报 第16卷第5期 Journal of State Grid Technology College 45 ,‘‘+’ +”+“+”+”、 }发电技术}k +-+n+・.+-+..  基于锅炉燃烧工况反馈的燃烧控制系统设计 Design of the Combustion Control System Based on the Feedback of Boiler Combustion Conditions 吴元林金秀章 华北电力大学自动化系 河北 保定 07 1 003 【摘要】大型发电厂锅炉燃烧控制系统是单元机组协调控制系统的重要组成部分。这就对燃烧 控制系统的快速性和稳定性提出了较高的要求.针对锅炉侧存在的大迟延、大惯性等特点,提 出以热量信号,炉膛辐射能以及直接计算出锅炉蓄热为中间变量来反应炉内燃烧情况并且应 用到炉主控燃烧主控制系统中,分析了各方法的优缺点,为实际生产提供了理论依据。 【关键词】热量信号 辐射能 锅炉蓄热 燃烧控制系统 【中图分类号】TP273 【文献标识码】A 0 引言 主控燃烧主控制系统中,分析了各方法的优缺点, 单元机组协调控制系统的主要任务是使机组 为实际生产提供了理论依据。 在机前蒸汽压力偏差不超过允许范围的情况下,尽 快适应负荷变化的要求,同时应使被调节变量变化 1 热量信号 平稳,不致过分超调。然而汽轮发电机和锅炉是两 1.1热量型号的构成 个能量调节动态特性差异很大的控制对象,汽机侧 热量信号是有蒸汽流量信号和汽包压力微分 完成的是一个热能与电能的转换过程,过程惯性 信号构成,其表达式为 小,延迟小,调节响应快,而锅炉侧由于能量的产生 是一个燃料的热能转换过程,热量的积累与释放过 警 程惯性大,燃料调节迟延大,炉侧在接到负荷指令 式中 一蒸汽流量;P6一汽包压力; 一锅炉蓄 后。煤量的改变到蒸汽流量发生变化所需要的时 热系数;表示锅炉蓄热能力大小的系数。 间.即蒸汽产生的纯迟延时间决定了单元机组对负 由热量信号Q的表达式可以看出.稳态时蒸汽 荷的响应速度。因此,引入一个超前调节量来快速 流量D可以认为是燃料释放热量的准确测量值;动 反应炉内燃烧总热量的变化,以改善燃料控制逻辑 态时,由于燃料量发生扰动,有一部分热量储存在 的实时性,降低设备自扰带来的负面影响。对于提 锅炉的汽水中,表现为汽包压力的变化,故可以用 高锅炉本体运行的安全性和经济性,提高单元机组 蒸汽流量信号与汽包压力的微分信号的叠加作为 的负荷适应能力来说是至关重要的。 燃烧率的测量信号。热量信号应该只反映燃烧率的 本文分别从热量信号、锅炉辐射能以及直接计 变化而不反映用气量的变化,即当燃烧率变化时. 算出锅炉蓄热来反应炉内燃烧情况并且应用到炉 热量信号应该成比例的随之变化,蒸汽负荷变化 收稿日期:2013—1O一1O 时,只要燃烧率不变,热量信号不应发生变化…。 作者简介:吴元林(1989一),女,硕士研究生。现主要从事先 由于蒸汽流量信号测量复杂,受蒸汽的温度和 进控制理论及应用的研究。 压力的影响,测量精度不易保证。故采用汽机调速 基于锅炉燃烧工况反馈的燃烧控制系统设计 Vo1.16 No.5 热量信号能够在一定程度上反应锅炉总的能 级压力信号代替蒸汽流量信号,即Q= + × , 量输入.可识别燃烧工况的变化以及燃料特性的变 所以说,在各种工况下,热量信号均能较准确的表 化。在调节系统中它可及时反映燃料的内部扰动。 示锅炉的实际能量。 热量信号作为锅炉能量的输入,由于它包括有锅炉 1.2热量信号的应用 蓄能的成分,因此它适用于静态过程和动态过程。 DEB方法通过热量信号来提高反映人炉燃料 热量信号只反映了锅炉内扰(燃料变化)的变化,而 量变化的响应速度,其控制框图如图1。 不受外扰(如调节阀门开度)的影响[2]。 只 DEB方法通过热量信号来提高反映人炉燃料 量变化的响应速度,从一定程度上反应了锅炉蓄热 的利用量.解决了机前压力信号带来的滞后现象使 得控制性能得到改善,但其本质是仍然属于锅炉汽 水系统的一个参数,延迟时间常数还是较大。再者 DEB调节方式不能完全补偿单元机组协调控制系 统的全部非线性特性。因此在大范围内变动负荷 时,控制效果会变差。 2辐射能 实验研究表明:由于热量信号的延迟,使得汽 机对锅炉的能量需求为当前时间的需求量.而热量 图1 直接能量平衡协调控制系统 信号所代表的锅炉实际具有的能量为2分钟(假设 图中:Po一主汽压设定值;P7广.一主汽压;尸1一调 燃料燃烧到调节级压力和汽包压力所需时间为2分 节级压力; 一汽包压力;Ⅳ 机组实际负荷指令; 钟)之前所具有的能量.因此DEB控制系统所表征 Ⅳl厂机组实发功率;肘厂汽机指令; 锅炉指令。 的能量平衡从实际生产过程中来看是不同步的。因 由图1可以得出锅炉侧控制器的人口信号为。 此.研究学者致力于寻求一个能更快速、更准确的 p0 +P p0 ×旱(pr tit p0 )表征锅炉实际燃烧状况的参数来作为中间变量,并 pr 一(p + Q ) (1) 以此建立串级控制系统。辐射能,即燃料燃烧释放 式中,第一项是汽机调气门开度信号,锅炉指 出来的热量,能够快速、准确地反映炉膛燃烧状况 令的主体,表示汽机实际耗能的大小,作为锅炉燃 的信号。因此,可将辐射能信号_31 ]作为串级控制系 烧率的指令信号。第二项则是前馈信号,它代表由 统中的一个内回路被调量接入锅炉主控模块中,提 于汽轮机功率变化在单位时间内锅炉所需补充的 前反应炉膛燃料量的变化.克服锅炉侧扰动所导致 蓄热,该项在负荷变化的动态过程中,能使锅炉侧 具有适当的过调动作,以补偿锅炉对负荷响应的迟 的主汽压波动,保证机组的安全、稳定运行_5]。 对于锅炉燃烧系统来说,从燃料量进入炉膛到 延和惯性。第三项是锅炉实际具有的能量信号,即 炉膛辐射能信号变化所需时间都比较小(大约2 ,】一 热量信号,其中 表示由于汽包压力变化在单 秒).而且炉膛辐射能信号能准确反映燃料量和燃 d 位时间内锅炉蓄热的变化量。可见,炉侧控制系统 烧效率的改变,受外界通道、负荷的干扰都比较小。 是采用热量信号进行的反馈控制,能使锅炉的实际 因此.以炉膛辐射能信号为中间变量的串级控制系 能量与汽机对锅炉的能量需求平衡。 统是切实可行的 。其原理图如2所示: 国网技术学院学报 第16卷第5期 Journal of State Grid Technology College 47 程对机组煤耗的影响分析_6_。 在负荷变化时,采用以炉跟机为基础的协调控 制方式,先保证汽机侧响应负荷,同时炉主控侧引 入前馈。包括静态前馈与动态前馈,保证主蒸汽压 力的波动在允许的范围内。 图2以辐射能为中间变量的串级控制系统 根据此方案得到的控制系统逻辑结构图如图3 图中: 炉膛辐射能信号;W(.S)一燃料量到 所示: 炉膛辐射能通道的传递函数;F( )一为辐射能与负 Ⅳ0 荷指令的对应关系函数;G(s)一主蒸汽压力控制器。 通过辐射能与负荷指令的对应关系函数得到 与机组负荷相对应的辐射能信号理论值与反馈回 来的炉膛辐射能实际值相比较,当炉膛辐射能的实 际水平大于理论值时,表示炉膛内燃烧率大于当前 机组负荷需求的水平。炉内能量供大于求,反之则 供不应求,应通过控制器控制炉膛辐射能的实际值 与理论值在一定范围内,以提高机组的安全性与经 济性 。 利用炉膛辐射能信号快于热量信号的特性,在 MT }lB 建立了炉膛辐射能与负荷、主蒸汽流量、主蒸汽压 图3控制系统逻辑结构图 力、烟气含氧量及炉膛负压等关联后,用辐射能信 图3中右边是锅炉主控部分,左边的是汽机主 号替代原有的汽水侧参数作为中间变量串联于锅 控部分。其中: 炉主回路,这样可以从根本上减小从燃料量到汽水 厂是通过对电厂实时数据的分析拟合出的主汽 侧和负荷的纯延迟时间,这样可以有效的、及时的 压力与锅炉蓄热的函数关系: 消除或减弱燃料量的扰动(内扰),减小主汽压和机 厂2是稳态情况下,负荷与燃煤量的函数关系式; .组负荷的波动,极大地提高AGC的响应时间。 G。,G:分别是机侧控制器和炉侧控制器。 热量信号稳态精度很好,但是响应速度不快; 由控制系统逻辑结构图可以看出,炉主控包括 锅炉炉膛断面辐射能很快反映燃料变化。但稳态精 PID算法以及前馈,前馈主要由两个部分构成。 度不高,高频干扰也大。而且在实际应用过程中,用 1)根据负荷统计得到负荷与给煤量的函数曲 一个确定的传递函数来表示燃料量——炉膛辐射 线,由给定负荷通过这个函数曲线得到给煤量来满 信号通道的模型就过于理想化。控制炉膛辐射能的 足负荷的变化,此为一个静态前馈。 实际值与理论值在一定范围内考虑了辐射能信号 2)锅炉的蓄能会随着气压的变化而变化,当负 高频干扰大的影响因素,但还是没有解决其稳态精 荷指令变化时,控制量(锅炉燃烧率)一方面在静态 度不高的问题。 前馈的作用下满足了负荷的变化,同时还需要通过 动态补偿来满足系统改变气压(调整锅炉蓄能)的 3锅炉蓄热用于机组燃烧控制系统 需要。对于汽包锅炉汽水系统,压力信号相对于温 锅炉的蓄能会随着气压的变化而变化,当负荷 度有一定的优越性,传递快。且锅炉汽水系统内各 指令变化时,控制量(锅炉燃烧率)不仅要满足负荷 处压力变化的趋势基本一致,其次干扰因素相对较 的变化,同时还需要改变气压(调整锅炉蓄能)的需 少,容易找到有代表性的压力测点。因此将当前压 要,因此设计炉侧控制系统时需要考虑锅炉蓄热过 力下锅炉蓄热量与额定负荷压力下锅炉蓄热量理 基于锅炉燃烧工况反馈的燃烧控制系统设计 论值的偏差作为动态补偿叠加到炉主控输入侧。 = Vo1.16 No.5 根据上面炉侧控制方案,给出基于锅炉蓄热的 串级燃烧控制系统如图4所示: Q一单位煤质的发热量 、 盟为动态补偿的时间常数,具体值 V 由负荷的偏差除以升降负荷的速率。 的曲线趋势如图5所示: 图4燃烧控制系统图 图中:p『一主汽压设定值;p厂主汽压; E(s)一锅炉蓄热偏差; 图5加煤曲线趋势图 C(s)一燃料量到主蒸汽压力的传递函数; 在负荷变化的瞬间阶跃增加给煤量以满足汽 G(s)一主蒸汽压力控制器; 机侧能量需求保证负荷的跟踪能力,随着负荷偏差 ( )一稳态情况下负荷与给煤量的函数; 的逐步减小,给煤量缓慢减少直至为零,此时协调 厂( )一蓄热与主蒸汽压力的函数关系[ ; 控制系统处于稳态,动态补偿为零。 ( )一加煤曲线。 需给出预测锅炉蓄热/压力的动态方程。及时 由图4可以看出,主蒸汽压力由压力主控制器 补偿由于压力偏差造成的锅炉蓄热的变化量,保证 控制,炉主控前馈分两部分。一部分是根据负荷统 负荷快速响应利用锅炉蓄热的同时,迅速补偿锅炉 计得到负荷与给煤量的函数曲线.由给定负荷通过 能量,稳定主蒸汽压力的波动。但要保证蓄热计算 这个函数曲线得到给煤量来满足负荷的变化,此为 的准确性以及动态方程构造的精确性较为复杂。 一个静态前馈:另一部分是由于压力变化所需要补 充的锅炉蓄热。此为一个动态补偿。 4结语 当负荷变化时,即的微分不等于0时,的微分值 从上面的分析可以看出。通过三种不同的信号 即负荷的升降速率经过一个高低限比较块输出开 来反映炉内燃烧工况有利有弊,实际生产过程中可 关量至模拟量切换块T,如果负荷的变化率大于等 根据实际情况选择不同的燃烧控制方式。与此同时 于高限值或者小于等于低限值,则比较块输出开关 采用更先进的控制策略和算法来优化控制系统也 量为1,需要根据压力偏差重新计算补偿蓄热的给 是有效的方法之一。 煤量,否则比较块输出开关量为零,动态补偿蓄热 的给煤量经过切换块T维持当前不变直至输出开关 参考文献 量为1。避免因给煤量的增加对蓄热偏差的计算造 [1]彭刚.DEB协调控制系统基本参数的机理研究[J].河北 成的扰动。 电力技术,2005,24(2):1-3. 由于压力变化所需要补充的锅炉蓄热的给煤 [2]李希武.直接能量平衡法(DEB)控制系统分析[J].中国 量按照^( )的速率给煤。 电力,2000,33(6):65-69. [3]常瑞丽.利用辐射能信号进行锅炉燃烧控制优化的研究 ‘r 其中 f,(x)dt为补偿蓄热的给煤量,可以通 [D].杭州:浙江大学,2007. [4]罗自学.引入辐射能信号的锅炉燃烧检测及优化控制 过以下公式推导得到: [D].武汉:华中科技大学,2007. (下转第53页) 国网技术学院学报 第16卷第5期 Journal of State Grid Technology College 53 Yuan CaP,Liu Linkang2,Cui Jiaqing 1.Shandong Hualu—hengsheng Chemical CO.,Dezhou 253024,China; 2.Dezhou Green energy Electirc power CO.,Dezhou,253024,China Abstract:In order to improve the 260t/h coal-fired boiler which officially put into operation,frequently fire burning,burning boiler send powder pipe skewness,coking chamber of a stove or furnace,water wall tube,etc. Through the feeding pipe diameter,a duct narrow application plate adjustable single core pipe technology,and the modiifed air dynamic field test and evaluation,reconstruction results show that ensure a range of wind speed in the design,use the adjustable leveling air distribution conditions in the hearth,shrinkage cavity tech— nology can effectively avoid repemed over a range of issues,to ensure the safety of boiler,economic and stable operation. Key words:coal—-ifred boiler;adjustable plate single core porosity;air distribution (上接第48页) [5]祁小兵.基于辐射能的协调控制系统的研究与应用[D]. [7]刘吉臻,秦志明,张栾英,谷俊杰.汽包锅炉蓄热分析与 保定:华北电力大学,2012. 计算[J].动力工程学报,2012,32(2):96-100. [6]郭喜燕,杨永平,王修彦.锅炉蓄热过程对机组煤耗的影 [8]罗德海,张长青.锅炉蓄热补偿和煤质校正的研究与应 响分析[J].中国电机工程学报,2007,27(26):31—34. 用[J].热力发电,2013,42(1):87—9O. Wu Yuanlin。Jin Xiuzhang Department of Automation,North China Electirc Power University,Baoding 071003,China Abstract:Combustion control system of large power plant boiler is an important part of unit coordinated control system.The speed and stability of the combustion control system put forward higher requirements.According to of the large delay and the lrage inertia and other characteristics of boiler side,in this paper the heat radiation energy signal,the boiler radiant energy as well as the direct calculation of the boiler heat accumulator are as intermediate variables to react the internal combustion respectively and applied to the main combustion control system.The advantages and disadvantages of each method were analyzed and provided a theoretical basis for the practical production. Key words:hem signal;radiation;boiler heat storage;combustion control system 

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