1000MW火电机组锅炉前后墙对冲燃烧控制系统课题研究技术报告

1000MW火电机组锅炉前后墙对冲燃烧控制系统课题研究

1 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

国外在发展先进的大型超临界火电机组方面已经取得了很大进展，技术日益成熟，并被广泛应用，取得了显著的节能和环保效益。国产火力发电机组要提高经济性和热能利用效率，需要增大机组容量，并提高机组的参数。增大单机容量，可以降低机组每千瓦的投资，而提高机组的参数可以提高火力发电机组的效率。

燃煤锅炉在我国大量存在并发挥着重要作用。燃煤锅炉是一个具有较大纯迟延和容量迟延特性的控制对象，而且其燃料量难以准确测量，因此燃煤锅炉控制的难点在于燃烧系统的控制。

锅炉燃烧控制的任务是使进入锅炉的燃料的燃烧热量与锅炉的蒸汽负荷要求相适应，同时保证锅炉燃烧过程安全经济地运行。锅炉主蒸汽压力是锅炉燃烧控制系统中的一个极为重要的指标，同时也是保证锅炉安全运行的主要条件之一。蒸汽压力过高会增加对机器设备损伤，蒸汽压力过低又不能正常启动设备，这些不仅对生产和生产设备造成很大的负面影响，也给企业带来了较大的经济损失。

由于采用中间储粉仓式制粉系统在基建投资和运行费用上的耗费比采用直吹式制粉系统多，因此现代大型发电机组大多数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[1]：

(1) 直吹式制粉设备的锅炉将制粉设备与锅炉本体紧密的联系成一个整体，因此，直吹式制粉设备的锅炉运行中，制粉系统也成为燃烧过程自动控制不可分割的部分； (2) 直吹式锅炉中，改变燃料调节机构的给煤机转速后，还需要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。

同时，大容量机组的应用，对自动控制系统提出了更高的要求，不但要求系统硬件的可靠性必须提高，更重要的必须保证控制策略的可靠性和先进性。

1.2 本课题设计的目的

针对该电厂两台1000MW火电机组的DG3000/26.15-Ⅱ1型超临界参数变压直流本生锅炉（每台炉共配有48个HT-NR3型旋流煤粉燃烧器，并采用前后墙对冲的布置方式，与之配套的是6台中速磨煤机，1台磨煤机配1台电子称重式给煤机）设计符合实际情况

第 1 页 共 32 页

1000MW火电机组锅炉前后墙对冲燃烧控制系统课题研究

的燃烧控制系统。

在燃烧系统的控制方面，常规的PID调节器控制原理简单，容易实现，稳态无静差，因此长期以来广泛应用于工业过程控制，并取得了良好的控制效果。即使在控制理论飞速发展的今天，使用最多的控制方式还是PID控制。然而，锅炉燃烧控制过程存在着非线性、参数时变性、模糊不确定性等问题，模糊控制器对被控对象的非线性和时变性具有一定的适应能力，即鲁棒性较好等特点，但它也有一些需要进一步改进和提高的地方。因此，采用模糊-PID控制不仅引入了经典PID调节器的原理简单、调节细腻的特点，而且具有模糊控制器的灵活性和适应性，提高了系统的控制精度。

本设计的目的在于：设计以主蒸汽压力为主被调量，燃料量为副被调量的燃烧控制系统控制方案，保证燃烧控制系统的主蒸汽压力随锅炉负荷的要求调节实际压力值。同时，在沿袭传统PID控制的基础上，也利用计算机控制技术及模糊控制理论对原有控制系统进行设计，并通过MATLAB仿真比较两种控制方式的控制效果，用以表明加入模糊控制优于传统PID控制方式，有其工程应用价值。

1.3 本课题设计的重点与难点

在研究控制系统特性的基础上，根据其控制对象的特点，通过对控制系统当中所用控制器的不断改进，期望使控制系统的控制品质得到提高。所以，本次设计的重点在于控制系统控制器的设计。

根据其对象及控制系统、控制方式的特殊性，在设计过程中同样也存在不同程度上的干扰因素[2]：

(1) 控制系统的研究，基于控制系统被控对象数学模型的建立。但要获得被控对象的精确数学模型，基本上是不可能的。实际的生产过程当中，也会有过多的因素不断变化，从而影响被控对象的性能，使得其数学模型不断变化。所以，控制系统的设计本身就存在一定的局限性；

(2) 燃烧控制系统的控制方案，是以主蒸汽压力、燃料量等信号为基础的，但通过测量得到的实际信号无可避免地存在误差，这样也为以实际信号为基础的控制方案增加了一定的局限性；

(3) 由于发电厂所用的煤种多变，煤质不一，对煤量控制系统的适应性提出了更高的要求，其应用于实际运行的数学模型建立也更加困难。

第 2 页 共 32 页

1000MW火电机组锅炉前后墙对冲燃烧控制系统课题研究

2 前后墙对冲燃烧的原理与特性分析

2.1 锅炉燃烧控制系统简介

燃烧控制系统是电厂自动控制的重要组成部分，目前大部分电厂的锅炉燃烧控制系统采用常规的PID控制方案。锅炉燃烧自动控制系统常以主蒸汽压力为主调对象，因为锅炉压力是表征其生产过程中的一个极为重要的指标[3]，同时也是保证锅炉安全运行的主要条件之一 。

如图2-1所示，燃烧控制系统是由主蒸汽压力控制和燃烧率控制组成的串级控制系统，其中燃烧率控制由燃料量控制、送风量控制、引风量控制三个子系统构成。燃料控制系统通过调节给煤机转速来调节燃料量，使其与负荷相适应，从而维持主蒸汽压力。送风控制系统通过调节送风量，保持空燃比，使燃烧更经济；引风控制系统调节引风量，使送、引风量平衡，保持炉膛负压。其中，送风调节对象和引风调节对象都是用风机挡板作为调节机构的。在三个子控制系统中，燃料控制系统在燃烧控制系统中起着关键作用。

图2.1 燃烧控制系统结构图

锅炉燃烧控制系统主要实现下列任务[4]：(1) 当锅炉的蒸汽量与机组的汽耗量不相适应时，会引起主蒸汽压力的变化，这时必须相应地调节锅炉送风量与煤粉量，以改变锅炉的蒸汽量，使其与机组的汽耗量匹配，从而维持主蒸汽压力稳定；(2) 当燃料量改变时，必须相应调节送风机挡板开度，从而调节送风量，使其与燃料量匹配，保证炉膛烟气含氧量稳定，从而保证燃烧过程有较高的经济性；(3) 调节引风机挡板开度调节引风量，使其与送风量匹配，以保证炉膛压力稳定。

根据机组设备和自动化要求，燃烧控制系统整体设计的特点如下[5]：

第 3 页 共 32 页

1000MW火电机组锅炉前后墙对冲燃烧控制系统课题研究

(1) 机组的协调控制系统根据主蒸汽压力和负荷的变化通过锅炉主控和汽轮机主控分别改变燃料量和汽轮机调节阀的开度，以维持主蒸汽压力的稳定，使机组出力与负荷的变化相适应；

(2) 燃料量主控的给定值是锅炉主控的输出，被调量是实际给煤量。通过给煤机转速控制来改变给煤量；

(3) 每台磨煤机的煤量信号（给煤机控制在手动方式）或相应的燃料量主控的输出（给煤机控制在自动方式）经过处理（为满足加煤先加风、减煤后减风以及氧量校正的需要）后作为相应的二次风箱挡板控制给定值去调整二次风量，以保证燃烧的经济性。

(4) 每台磨煤机的煤量信号或相应的燃料量主控的输出经过函数变换分别作为送风机动叶控制系统、一次风压力控制系统、磨煤机一次风流量控制系统的给定值，这样，可以根据燃料量信号分别控制空气预热器的二次风道出口风压、一次风压力和每台磨煤机的一次风量，既可以保持一次风速的稳定，又可以稳定二次风压力，以保证炉膛火焰中心的稳定。

2.2 燃烧器系统分析

2.2.1 旋流煤粉燃烧器介绍

某电厂1000MW超临界锅炉采用的是BHDB公司生产的HT-NR3型旋流煤粉燃烧器[6]。该燃烧器主要由一次风、二次风、三次风以及启动油枪和点火油枪组成。在一次风管中装有煤粉浓缩器用于将煤粉气流进行浓淡分离，利用浓淡燃烧技术来加强煤粉气流的着火和燃尽。在一次风出口装有火焰稳燃环用于加强煤粉气流的着火。同时，将助燃空气分为两股（即二次风和三次风），这既有利于煤粉气流的着火和燃烧，又有利于减少煤粉燃烧过程中NOx的生成量。

图2.2 HT-NR3型燃烧器配风示意图

第 4 页 共 32 页

1000MW火电机组锅炉前后墙对冲燃烧控制系统课题研究

在HT-NR3燃烧器中，助燃空气被分为三股，分别是直流一次风、直流二次风和旋流三次风。一次风由一次风机提供，它首先进入磨煤机干燥原煤并携带磨制合格的煤粉通过燃烧器的一次风入口弯头组件进入HT-NR3燃烧器，再流经燃烧器的一次风管，最后进入炉膛。一次风管内靠近炉膛端部布置有一个锥形煤粉浓缩器，用于在煤粉气流进入炉膛以前对其进行浓缩。经浓缩作用后的一次风和二次风、三次风调节协同配合，以达到低负荷稳燃和在燃烧的早期减少NOx的目的。

2.2.2 燃烧器的布置

旋流燃烧器常用的布置方式[7]主要有：前墙布 置、前后墙对冲或交错布置，此外，还有两侧墙对 冲或交错布置等。其中，前墙布置和前后墙对冲或 交错布置在我国应用较为广泛。

燃烧器特性及其布置方式决定了炉内空气动力 特性，而良好的空气动力特性应该是使火焰在炉膛

充满程度好，烟气不冲墙贴壁，受热面不结渣，布 图2.3 前后墙对冲布置 置方便等。而且墙置对冲燃烧方式具有燃烧经济性高，燃烧稳定性和负荷适应性较好, 炉膛结渣倾向低, 炉膛出口烟气热偏差小等特点。

该炉采用新型HT-NR3型低NOx燃烧器，燃烧器采用前后墙对冲布置。燃烧系统共布置有48只燃烧器喷口，20只燃尽风喷口。煤粉燃烧器分3层，每层共8只，前后墙各布置16只燃烧器；在前后墙距最上层燃烧器喷口一定距离处布置有一层燃尽风喷口，共20只燃尽风喷口。

燃烧器风箱为每个HT-NR3燃烧器提供二次风和三次风。每个燃烧器设有一个风量均衡板，用以使进入各个燃烧器的风量保持平衡。该挡板的调节杆穿过燃烧器面板，能够在燃烧器和风箱外方便地对该挡板的位置进行调整。

二次风和三次风通过燃烧器内同心的二次风、三次风环形通道在燃烧的不同阶段分别送入炉膛。燃烧器内设有挡板来调节二次风和三次风之间的分配比例，能够在燃烧器和风箱外方便地对该挡板的位置进行调整。

2.2.3 前后墙对冲燃烧的特点

大型锅炉要结合燃煤着火、燃尽和结渣特性进行炉膛燃烧系统选型，主要是选择燃烧方式、炉膛结构特性参数、燃烧器型式、制粉及配风参数等。对于不同锅炉的燃

第 5 页 共 32 页

1000MW火电机组锅炉前后墙对冲燃烧控制系统课题研究

烧技术及其不同的燃煤特性，锅炉运行性能有所不同。锅炉运行性能主要是指燃烧经济性、炉膛结渣特性、煤种适应性及低负荷适应性、炉膛出口烟气热偏差、NOx排放量等。通过电厂实际运行情况的分析归纳，同其他各种燃烧方式和燃烧器相比较，旋流煤粉燃烧器前后墙燃烧锅炉有如下优越的运行性能[8]：

(1) 启动容易

前后墙对冲式燃烧系统中，燃烧器实际上是成组启动的，必要时也可以几个燃烧器启动，它并不像其他的燃烧方式要求各角之间协同，也不要求前后墙上下层间的协同， 只要本燃烧器风煤比和旋流强度合适就可以，因此控制比较简单，目标比较集中。

(2) 煤的着火和低负荷稳燃特性好

煤粉在炉膛内着火和稳燃，主要取决于需要多少着火热和如何得到这些着火热两者之间的平衡。在前后墙对冲式燃烧旋流燃烧器情况下，煤粉着火基本上是在二次风还没有混入的情况下进行的，即是处在煤粉浓度高、着火温度相对较低、所需着火热较小的情况下进行的，因而点火比较容易。另一方面，旋流燃烧器的回流区是可调的，对煤的着火和稳燃比较有利。

(3) 煤种适应性好，燃烧经济性高

对冲燃烧的旋流燃烧器有较好的负荷适应性和燃烧经济性，主要取决于两点：一是燃烧器型式和布置，二是受热面的配合和调温方式。前者主要是由于各燃烧器之间风粉分配均匀，一次风取值较自由和回流区的质和量都是可调的，这就大大提高了对不同煤的着火和燃尽的适应性。

(4) 对冲燃烧抗结焦性好

在对冲燃烧旋流燃烧器出口后的气流中，低速的煤粉空气混合物处在两股强大的旋转二次风包围中，因此，即使粗煤粉也不可能从二次风之中分离出来而接触炉壁，结焦倾向相比四角切圆燃烧锅炉要低得多，炉膛中布置的吹灰器数量也要比四角切圆燃烧锅炉少很多。

(5) 炉膛出口热偏差小

由于每个旋流燃烧器组成小的旋转射流，但整个炉膛中的气流不像四角切圆燃烧炉内气流整体旋转而造成炉膛出口以后受热面处的流场和温度场分布不均匀，导致过热器和再热器热偏差过大而超壁温或蒸汽温度达不到要求。另一方面，前后墙旋流对冲燃烧温度偏差小，使得过热器和再热器系统简单，交叉少，阻力小，运行维护方便。

第 6 页 共 32 页

1000MW火电机组锅炉前后墙对冲燃烧控制系统课题研究

再热器系统阻力的降低，提高了电厂循环效率。

(6) 燃烧NOx排放量低

配有新型的低NOx旋流燃烧器的对冲燃烧设计能够快速着火，高温燃烧，并利用在火焰内焰的还原技术，实现了低NOx排放。

综上所述，可知前后墙对冲燃烧技术，不仅可以强化煤粉气流的扰动与混合，增加气流在炉膛中的充满度，而且沿炉膛宽度方向热负荷及烟气温度分布更均匀，在减少炉膛出口左右侧烟温偏差方面比四角切圆燃烧具有明显的优势。同时，对减少高温区受热面局部发生高温蠕变及高温腐蚀的可能性具有较好的作用。对冲燃烧方式及锅炉的结构特性对该电厂设计燃用的山西省晋城贫煤与河南省平顶山烟煤的混煤有较好的经济利用价值，并且改善了炉膛结渣等不利条件，保证了锅炉的安全经济运行。

第 7 页 共 32 页

1000MW火电机组锅炉前后墙对冲燃烧控制系统课题研究

3 燃烧控制系统的设计方案

3.1 燃烧控制系统模型的建立

在锅炉的燃烧系统中，锅炉主蒸汽压力是燃烧控制对象的主要被调量，引起蒸汽压力变化的因素很多，如燃料量、送风量、给水量、蒸汽流量以及各种使燃烧情况变化的原因，其中主要扰动是燃料量的改变。在燃料改变时，忽略一些次要因素的影响，锅炉主蒸汽压力被控对象的动态特性近似为：

G(S)?Kexp(??0S) （3-1）

(1??1S)(1??2S)其中K为静态增益，?1和?2为时间常数，?0为延迟时间。

然而，根据实际情况，用于控制燃料量的给煤机和锅炉的整体模型均为带有纯延迟的一阶惯性环节。

3.2 传统PID设计方案

3.2.1 常规串级控制方案

主蒸汽压力控制系统是一个复杂的多输入回路[9]，燃料量的变化、风量及其分布、负荷、主蒸汽流量等都对主蒸汽压力有影响。一般对主蒸汽压力影响最大的因素就是燃料量的变化，从给煤量的增减到主蒸汽压力的变化，要经历传煤输送机，一次风携带煤粉进入炉膛，煤粉燃烧等多种物理、化学的转换过程。

传统PID控制的基本原理[10]是用被控量对参考输入偏差的比例及其微分、积分的线性组合来产生控制信号的。(1) 比例控制能迅速反映误差，从而减少误差，但比例控制不能消除稳态误差；(2) 积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断积累，输出控制量以消除误差，因此只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，但积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡；(3) 微分控制可以减小超调，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减少调整时间，从而改善系统的动态性能。本次设计的PID控制方案拟用串级回路控制系统，设计原理如图3.1所示：

第 8 页 共 32 页

1000MW火电机组锅炉前后墙对冲燃烧控制系统课题研究

图3.1 主蒸汽压力串级控制系统原理图

主回路压力控制根据主蒸汽压力与设定值的偏差来调节燃料量以保证压力的稳定（其中主蒸汽压力的反馈信号可由高温蒸汽压力变送器获得）；副回路燃料控制器根据主回路输出与燃料量反馈值之差去控制进入锅炉的燃料量，且自身具有克服燃料量波动的能力，从而使压力保持在稳定范围之内（燃料量可由给煤机转速来调节）。

3.2.2 闭环均衡燃烧控制技术

燃烧优化控制的技术[11]是一种闭环均衡燃烧控制技术。传统的燃烧控制并不能确保燃料能平均分配至锅炉的每个燃烧器。燃料分配的非均衡性造成了燃烧的不稳定、炉膛火焰中心的偏移以及水冷壁的结焦等现象。新的均衡燃烧控制技术能通过对每个给粉机转速进行控制，较好地解决上述问题。该系统是由以主蒸汽压力为被调节量、总给粉量（燃料）为调节手段的主调节系统和以燃料量为被调节量、给粉机转速为调节手段的若干个副调节系统组成的一个闭环控制系统。

图3.2 均衡燃烧控制系统原理图

由于该控制系统采用燃料量作为反馈信号，增加独立的燃料量控制回路。不但可消除燃料量变化增加的扰动，增加主蒸汽压力控制的稳定性，同时可保证每层燃烧器风速、燃料量均衡，达到优化燃烧的目的。闭环均衡燃烧技术对于锅炉的节能、环保，提高热利用率，以及提高锅炉燃烧系统的安全性、稳定性方面都具有明显意义。

3.3 模糊控制器控制方案设计

第 9 页 共 32 页

1000MW火电机组锅炉前后墙对冲燃烧控制系统课题研究

在煤质稳定、煤颗粒均匀的情况下，传统PID控制器的控制效果还可以；但实际煤质、煤量的变化很大，控制不稳定。所以本文中设计加入模糊控制器，对燃烧控制方案进行改造。

随着控制理论的不断发展，多种不同的控制理论不断被人们应用于实际工业控制系统的设计当中。

模糊控制（Fuzzy Control）[12]是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法，它从行为上模仿人的模糊推理和决策过程。该方法首先将操作人员或专家经验编成模糊规则，然后将来自传感器的实时信号模糊化，将模糊化后的信号作为模糊规则的输入，完成模糊推理，将推理后得到的输出量加到执行器上。

模糊控制的基本原理框图如图3.3所示。它的核心部分为模糊控制器，如图中虚线框中部分所示，模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现。

模糊控制器给定值+×-A/D计算控制变量模糊量化处理模糊控制规则模糊决策非模糊化处理D/A执行机构被控对象被控参数变送器图3.3 模糊控制原理图

模糊控制适用于控制那些具有大惯性、大延迟、受环境干扰强烈、而且不易获得精确数学模型的一类被控过程。事实上，燃烧过程中主蒸汽压力控制系统的实际状况存在大时滞、大惯性、和非线性，且其实际的精确数学模型并不易获得。因此，本次设计采用模糊控制器作为所设计串级控制系统的主调节器，其副调节器仍采用传统PID控制器，这种将模糊控制与常规PID控制算法结合的控制方法，可以达到较高的控制精度，用此来实现对主蒸汽压力更好的控制。

模糊控制器是基于模糊条件语句的语言控制规则的控制器。模糊控制器的主要设计问题是模糊化过程、知识库（含数据库和规则库）、推理决策和精确化计算这四部分的设计。模糊-PID控制系统在结构上与传统PID控制系统的不同之处在于主控制器采用模糊控制器。由于模糊控制器是用微处理器来实现的，它应具备三个重要功能：

(1) 把系统的偏差从数字量转化为模糊量（由模糊化过程、数据库两块完成）；

第 10 页 共 32 页

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/kqat.html