燃烧过程控制系统

设计题目： 燃烧过程控制系统

一、燃烧过程控制系统的基本理论

燃油锅炉的燃烧控制主要有三个子系统构成：蒸汽压力控制系统、燃料空气比值控制系统和炉膛负压控制系统。

1．蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统

燃油蒸汽锅炉燃烧的目的是生产蒸汽供应其他生产环节使用。一般生产过程中蒸汽的控制是通过压力实现的，随着后续环节的生产用量不同，反应在燃油蒸汽锅炉环节就是蒸汽压的波动。维持蒸汽压力恒定是保证生产正常进行的首要条件。保证蒸汽压力恒定的主要手段是随着蒸汽压力波动及时调节燃烧产生的热量，而燃烧产生热量的调节是通过控制所供应的燃料量以及适当比例的助燃空气 实现的。如图1所示

图 1 燃烧炉蒸汽压力控制与燃料比值控制系统

2．炉膛负压控制系统

锅炉炉膛负压力过小时，炉膛内的热烟、热气会外溢，造成热量损失、影响设备安全运行甚至会危及工作人员安全；当炉膛负压太大时，会使外部大量冷空气进入炉膛，改变燃料和空气比值，增加燃料损失、热量损失和降低热效率。

保证炉膛负压的措施是引风量和送风量的平衡。如果负压波动不大，调节引风量即可实现负压控制；当蒸汽压力波动较大时，燃料用量和送风量波动也会较大，此时，经常采用的控制方案如图2所示。

图 2 炉膛负压控制系统

二、燃烧过程控制任务

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。

三、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。

气压调节对象的特性

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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。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。

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，

Qr的变化与燃烧率的变化这时的燃料量M的变化，表示锅炉燃烧率的变化，（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： WT(s)?KQT(s)??e??Ms M(s)1?T1s 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。

四、根据控制任务，主要调节以下三个物理量：

1．燃料量调节

调节燃料量使入炉燃料燃烧所产生的量能与锅炉外部负荷需求的量能相适应。

2．送风量调节

燃料量改变时，送风量也应改变，以保证燃料的完全燃烧和排烟热损失最小。调节送风量的目的是保证锅炉燃烧过程的经济性。 3．引风量调节

调节引风量的目的是使引风量与送风量相适应，以保持炉膛压力在要求范围

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内，以保证燃烧过程稳定性。

燃烧过程控制特点如图3

燃料量M 调节量 pT汽压或功率 α过剩空气系数 PS炉膛负压 送风量V 引风量VS 图 3 燃烧对象 五、燃烧过程控制基本方案

从燃烧过程控制任务来看，燃烧过程控制应具有如下功能： （1）迅速改变炉膛燃烧率，适应外部负荷变化。

（2）控制系统能迅速发现并消除燃烧率扰动。燃烧率扰动通常指燃料量和燃料热值的变化扰动。

（3）确保燃料、送风和引风等参数协调变化。保证燃烧经济性。 （4）确保燃烧过程的稳定性，避免炉膛压力大范围波动。

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。

六、 燃烧炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制

燃烧流量被控对象为：

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G(s)?燃料流量至蒸汽压力关系为：

2e?3s 13s?1 G(s)?3 蒸汽压力至燃料流量关系为:

G(s)?1/3 蒸汽压力至燃料流量关系为：

G(s)?1 燃料流量检测变换系统数学模型为： G(s)?1 燃料流量与控制流量比值为：

G(s)?1/2 空气流量被控对象为:

G(s)?(1)炉膛负压控制 引风量与负压关系：

G(s)?送风量对负压的干扰为：

G(s)?2 3s?110?se 7s?13e?2s 11s?1七、控制系统参数整定

(1) 燃烧控制系统

为使系统无静差，燃烧流量调节器采用PI形式，即：

Ki Gc(s)?Kp?

s其中，参数Kp和Ki采用稳定边界法整定。先让Ki=0，调整Kp使系统等幅振荡，即系统临界稳定状态。系统临界振荡仿真框图及其振荡响应如图4所示：

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图 4 系统临界振荡仿真框图

图 5系统临界振荡响应

记录此时的振荡周期Tcr?11s,比例参数Kcr?0.38,则Kp?Ki?Kp0.85Tcr?0.18

Kcr?1.73，2.2在Kp?1.73, Ki?0.18的基础上，对PI参数进一步整定，燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图如下所示，其中PI模块的结构如图4.2(a)所示。调节

Kp?1.1，Ki?0.1，系统响应如图6所示，可见系统有约10%的超调量。

图 6 燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真响应

(2)蒸汽压力控制系统

在燃料流量控制系统整定的基础上，采用试误法整定压力控制系统参数。系统整定仿真框图如图所示。当Ki=0，Kp=1时(此时相当于无调节器，因此系统

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最简单)，阶跃输出的仿真结果如图7所示

图 7 蒸汽压力控制系统参数整定仿真结果

由仿真结果可以看出，系统响应超调量约为25%。此时系统调节器最简单，工程上系统响应速度和稳定程度都较好。

(3) 空气流量控制系统

空气流量控制系统的整定方法和燃料流量控制参数整定方法类似，当

Ki=0.05和Kp=0.08时，系统阶跃响应如图8所示，其中上图为阶跃响应，下图为阶跃输入。可见系统响应超调量约为25%。

图 8 整定后空气流量控制系统阶跃响应

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图 9 整定后空气流量控制系统阶跃输入

(4) 负压控制系统

负压控制系统的整定方法和燃料流量控制参数整定方法类似。当Ki=0.05，

Kp=0.03时，系统阶跃响应如图10所示，可见系统响应超调量为25%。

图 10 整定后负压控制系统阶跃响应

(5)负压控制系统前馈补偿整定

采用动态前馈整定，其前馈补偿函数为：

7s?1 G(s)?

15s?5八 、控制系统SIMULINK仿真

利用各整定参数对控制系统进行仿真，框图如11所示。设定蒸汽压力值为10，炉膛负压值为5。仿真结果如图12所示，由上至下依次为蒸汽压力设定值波形，实际蒸汽压力与空气流量波形，负压变化波形和负压设定波形。

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图 11

图12 实际蒸汽压力与空气流量波形(红色为实际蒸汽压

力波形，黄色为空气流量波形)

九、课程设计总结

这次过程控制系统课程设计是对大四上期所学专业课《过程控制与集散系统》知识的回顾和检验，而本次实践是针对给定控制方式下进行系统的设计和相关参数的整定。

在《过程控制与集散系统》的学习中，我们已经了解到对系统控制性能改进的诸多方法，如引入前馈控制、串级控制、Smith 预估控制等，除此之外还可通过改变 PID 参数在一定的范围内进行控制性能的改进。

通过此次课程设计，让我对过程控制理论知识在实际应用中有了比较深刻的认识，提高了理论知识的学习，也检查了自己存在的不足之处。本次设计虽然设

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计思路大体上是正确的，但在细节处理方面多多少少存在一些问题，希望老师能够指教。

十、参考文献

1 方康玲《过程控制系统》，武汉理工大学出版社 2007年

2 郭阳宽 王正林 《过程控制工程及仿真》 电子工业出版社 2009年4月

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