鍋爐燃燒過程控制系統設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 期 隨著我國電廠 ―節能降耗 ‖措施的推行，電廠開始普遍關注鍋爐燃燒優化技術，通過燃燒優化降低鍋爐煤耗 提高火電廠發電效率。 20 世紀 90 年代中期和末期，隨著測量技術的發展，許多企業研制開發了一系列重要的影響鍋爐燃燒參數的在線量儀表，如飛灰含碳量在線檢測裝置，煤粉濃度細度在線檢測裝置，煤質成分在線檢測裝置， 鍋爐火焰監測系統等。 同期，隨著人工智能技術的發展，在分散控制系統 DCS層面上控制邏輯的優化，先進的人工智能技術在鍋爐燃燒優化上應用的研究也開始受到了廣大科研人員的關注。 20 世紀 90 年代末期，隨著社會對環境的關注，電站鍋爐燃燒優化已由最初的以安全性，經濟性為目標的優化發展到經濟性 和 安全性，環保并舉的時期。 電子信息技術人工智能技術給電站 3 鍋爐燃燒優化注入了新的活力，鍋爐燃燒優化技術進入新的快速發展時期。電廠鍋爐利用煤的燃燒發熱，通過傳熱對水進行加熱，產生高壓蒸汽，推動汽輪機發電機旋轉，從而產生強大的電能。 鍋爐燃燒自動控制系統的基本任務是使燃料燃燒所提供的熱量適應外界對鍋爐輸出的蒸汽負荷的需求 , 同時保證鍋爐的安全經濟運行。鍋爐燃燒過程自動控制主要包括三項控制內容 : 控制燃料量、控制送風量、控制引風量。為實現對燃料量、送風量和引風量的控制 , 相應的有三個控制系統 , 即燃料量控制系統、送風量控制系統和引風量控制系統。以上三個控制系統之間存在著密切的相互關聯 , 要控制好燃燒過程 , 必須使燃料量、送風量及引風量三者協調變化。以主蒸汽壓力控制系統為主回路，燃燒率控制系統為內回路，通過傳感器采集爐膛壓力，含氧量和爐膛負 壓來調節鍋爐的給煤量， 送風量和引風量從而達到最佳熱效率。燃燒控制系統是電廠熱工控制的重要組成部分， 目前大部分電廠的鍋爐燃燒控制系統仍然采用 PID 控制。燃燒控制系統由主蒸汽壓力控制和燃燒率控制組成控制系統， 其中燃燒率控制由燃燒量控制、送風量控制、引風量控制三個子系統構成。鍋爐生產燃燒系統自動控制的基本任務是使燃料所產生的熱量適應蒸汽負荷的需要， 同事還要保證經濟燃燒和鍋爐的安全運行。具體控制任務可分為三個方面：一要穩定蒸汽母管壓力。二要維持鍋爐燃燒的最佳狀態和經濟性。三要維持爐膛負壓在一定范圍。這三者 是相互關聯的 【 2】 。 隨著 生產的發展，鍋爐日益廣泛的應用于工業生產的各個領域，成為發展國民經濟的重要熱工設備之一。在現代的建設中，能源的需求是非常大的，然而我國能源的利用率極低，所以提高鍋爐的熱效率具有極為重要的實際意義。此外，鍋爐是否因地制宜地有效地燃用地方燃料，并滿足環境保護的各項要求而努力解 4 決煙塵污染問題，以提高操作管理水平，減輕勞動強度，保證鍋爐額定運行及運行效率，安全可靠的供熱等課題。 本課題主要方向是采用過程控制對鍋爐進行控制，采用先進的控制算法，以達到優化技術指標、提高經濟效益和社會效益、提高 勞動生產率、節約能源、改善勞動條件、保護環境衛生、提高市場競爭能力的作用。 1 第二章 鍋爐的組成及工作原理 鍋爐的基本構造 鍋爐燃燒過程自動控制系統的任務是控制燃料燃燒過程， 使燃料燃燒所提供的熱量適合外界對鍋爐輸出的蒸汽負荷的需求， 同時保證鍋爐的安全經濟運行。 【 3】鍋爐是一種產生蒸汽或熱水的熱交換設備。它通過燃料的燃燒釋放大量熱能，并通過熱傳遞把能量傳遞給水，把水變成蒸汽或熱水，蒸汽或熱水直接供給工業和生活中所需要的熱能。所以鍋爐的中心任務是把燃料中的化學能有效的轉化為蒸汽的熱能。圖 鍋爐的大體組成部分。 鍋爐的主要設備包括氣鍋、爐子、爐膛、鍋筒、水冷壁、過熱器、省煤器、燃燒設備、引風設備、送風設備、給水設備、空氣預熱器、水處理設備、燃料供給設備以及除灰除塵設備等。 氣鍋：由上下鍋筒和三簇沸水管組成。水在管內受管外煙氣加熱，因而管簇內發生自燃的循環流動，并逐漸氣化，產生的飽和蒸汽積聚在上鍋筒里面。 爐子：是是燃燒從充分燃燒并釋放出熱量的設備。 爐膛：保證燃料的充分燃燒，并使水流受熱面積達到規定的數值。 鍋筒：使自然循環鍋爐個受熱面能適應負荷變化的設備。（須指出，直流鍋爐內無鍋筒。 ） 2 水冷壁：主要是輻射受熱面，保護盧比的作用。 過熱器：是將氣鍋所產生的飽和蒸汽繼續加熱為過熱蒸汽的換熱器。過熱器一般都裝在爐膛出口。 省煤器：是利用余熱加熱鍋爐給水，以降低排出煙氣溫度的換熱器。采用省煤器后，降低了排煙溫度，提高了鍋爐效率，節省了燃料。同時，由于提高了進入汽包的給水溫度，減少了因溫差而引起汽包壁的熱適應力，從而延長了汽包的使用壽命。 燃燒設備：將燃料和燃燒所需的空氣送入爐膛并使燃料著火穩定，充分燃燒。燃燒設備主要有磨煤機、給煤機、燃燒器、風機等 【 4】 。 引風設備：包括引風機、煙道和煙囪等幾 部分。用它將鍋爐中的煙氣連續排出。 送風設備：包括有鼓風機和分道組成。用它來供應燃料所需的空氣。 給水設備：由水泵和給水管組成。 空氣預熱器：是繼續利用離開省煤器后的煙氣余熱，加熱燃料燃燒所需要的空氣，是一個換熱器。省煤器出口煙溫度高，裝上空氣預熱器后，可以進一步降低排煙溫度，也可改善燃料著火和燃燒條件，降低不完全燃燒所造成的損失，提高鍋爐機組的效率。 水處理設備：其作用是為清除水中的雜質和降低給水硬度，以防止在鍋爐受熱面上結水垢或腐蝕。 燃料供給設備：由運煤設備、原煤倉和儲煤斗等設備組成，保證鍋爐所需燃料 供應。 3 除灰除塵設備：是收集鍋爐灰渣并運往儲灰場的設備 【 5】 。 此外，出了保證鍋爐的正常工作和安全，蒸汽鍋爐還必須裝設安全閥、水位表、高低水位報警器、壓力表、主汽閥、排污閥和止污閥等，還有用來消除受熱面上積灰的吹灰器，以提高鍋爐運行的經濟型。 圖 過爐控制系統硬件組成圖 鍋爐的工作原理及過程 鍋爐是一種生產蒸汽的換熱設備。它通過煤、由或燃氣等的燃燒釋放出化學能，并通過傳熱過程將能量傳遞給水，使水轉變為蒸汽，蒸汽直接供給工業生產中所需的熱能，或通過蒸汽動力機，嫩而過轉變為機能，或通過汽輪發電機轉變為電能。所以鍋爐的中心任務是把燃料中的化學能最有效的轉變為蒸汽的熱能。因此，近代鍋爐亦稱為蒸汽發生器。 4 調節系統在蒸汽鍋爐熱工燃燒時有著很大的輔助作用，能夠為燃燒環節提供必要的環境，協調好每個步驟的有序進行 【 6】 .鍋爐的工作過程概括起來 應該包括三個同時進行的過程：燃料的燃燒過程、水的氣化過程、煙氣向水的傳熱過程。 燃料的燃燒過程 首先將燃料（這里用煤）加到煤斗中，借助于重力下落在爐膛排面上，爐排接電動機通過變速此輪箱減速后有鏈輪來帶動，將燃料煤帶入爐內。燃料一面燃燒，一面向后移動燃料所需要的空氣是由風機送入爐排腹中風倉后，向上穿過爐排到達燃料層，進行燃料反應形成高溫煙氣。燃料燃燒剩下的灰渣，在爐排末端翻過除渣板后排入灰斗，（若是燃氣式鍋爐就沒有這一部分了）這整個過程稱為燃燒過程。 水的 汽化 過程 水的汽化過程就是蒸汽 的產生過程，主要包括水循環和水分離過程。經處理的水由水泵加壓，先流經省煤器而得到預熱，然后進入氣鍋。鍋爐工作時氣鍋的工作介質是處于飽和狀態的汽水混合物。位于煙溫較低區段的對流管束，因受熱較弱，汽水工質的容量較大，而位于煙溫較高區段的對流管束，因受熱強烈，相應的汽水工質的容量較小，從而量大的工質則向上流入下鍋筒，而容量小的工質則向上流入上鍋筒，形成了鍋水的自然循環。 5 蒸汽所產生的過程是借助于上鍋筒內設的汽水分離裝置。以及在鍋筒本身空間的重力分離力作用，使汽水混合物得到分離。蒸汽在上鍋筒頂部引出后，進入蒸汽過熱 器，而分離出來的水仍回到上鍋筒下半部的水中。鍋爐中的水循環，也保證與高溫煙氣相接處的金屬受熱面的冷卻而不被燒壞，是鍋爐能長期安全運行的必要條件。而汽水混合物的分離設備則是保證蒸汽品質和蒸汽過熱可靠工作的必要設備。 煙氣向水傳熱過程 由于燃料的燃燒放熱，爐內溫度很高在爐膛的四周墻面上，都布置一排水管，俗稱水冷壁。高溫煙氣與水冷壁進行強烈的輻射換熱，將熱量傳給管內工質水。繼而煙氣受引風機和煙囪的引力而向爐膛上方流動。煙氣從爐膛出口掠過放渣管后，就沖刷蒸汽過熱器，一組垂直放置的蛇形管受熱面，使氣鍋中產 生的飽和蒸汽在其中受煙氣加熱而得到的過程。煙氣流經過過熱器后掠過脹接在上、下鍋筒間的對流管束，在管束間設置了折煙墻使煙氣呈 ―S‖型曲折地橫向沖刷，再次以對流換熱的方式將熱量傳遞給管束的工質。沿途逐漸降低溫度的煙氣最后進入胃部煙道，與省煤器和空氣預熱器內的工質進行熱交換后，以經濟的較低的煙溫排出鍋爐。省煤器實際上同給水預熱器和空氣預熱器一樣，都設置在鍋爐尾部（低溫）煙道，以降低排煙溫度提高鍋爐效率，從而節省了燃料。 以上就是一般鍋爐工水的過程，一個鍋爐進行工作，其主要任務是： (1) 要使鍋爐出口壓力穩定。 6 (2) 保證燃 燒過程的經濟型。 (3) 保持鍋爐負壓恒定。通常我們是路膛負壓保持在微負壓（ 10—80Pa）。 為了完成上述三項任務，我們對三個量進行控制：燃料量，送風量，引風量。從而使鍋爐能正常運行。 1 第三章 鍋爐燃燒控制系統設計 鍋爐燃燒控制系統的任務 鍋爐燃燒系統的控制與燃料種類、燃燒設備以及鍋爐形式等有密切關系。鍋爐燃燒控制系統的設計過程中 ,控制方案選擇的好壞對實控制目的起到了非常重要的作用 【 7】 。由鍋爐燃燒理論可知 , 對燃煤鍋爐熱效率影響較大且可變的熱損失主要有排煙熱損失、機械不完全燃燒熱損失、化學不完全燃 燒熱損失 【 8】 。現側重以燃煤鍋爐來討論燃燒過程的控制。燃燒過程的控制基本要求有三個： 第一、 保證出口蒸汽壓力穩定，能按負荷要求自動增減燃料量； 第二、 燃燒良好，供氣適宜，既要防止由于空氣不足使煙囪冒黑煙，也不 因空氣過量而增加熱量； 第三、 保證鍋爐安全運行。在該控制系統中，可選用的操縱變量也由 3 個 : 料量、送風量和引風量。組成的燃燒系統的控制方案要滿足燃燒所產生的熱量，適應蒸汽負荷的需要 。使燃料與空氣量之間保持一定的比值，保證燃燒的經濟性和鍋爐的安全運行 。使引風量與送風量相適應，保持爐膛一定的負壓，以免負壓太小，甚至為正，造 成爐膛內熱煙氣往外冒出，影響設備和工作人員的安全 。如果負壓過大，會使大量冷空氣漏進爐內，從而使熱量損失增加。此外，還需防止燃燒嘴背壓太高時脫火，燃燒嘴背壓太低時回火的危險。 2 鍋爐燃燒控制系統的組成 燃燒系統自動調節的第一個任務是維持鍋爐出口熱水溫度保持穩定 , 克服自身燃料方面的擾動 , 保證負荷與出力的協調 。 第二個任務是使燃料量與空氣量相協調 (風煤比 ) ,保證燃燒的經濟性 。 第三個任務是使引風量與送風量相適應 , 維持爐膛壓在一定范圍內 【 9】 。鍋爐燃燒控制系統由主蒸汽壓力控制系統和爐膛負壓控制系統 【 10】 。主蒸汽壓力控制系統又包含燃料控制系統和送風控制系統，由于這兩個控制系統是緊密聯系的，所以一般不將它們分開討論 。在爐膛負壓控制系統中，送風量對爐膛壓力的影很小，爐膛壓力主要是靠引風機來調節的，所以有時它也被稱為引風控制系統。在整個鍋爐燃燒控制系統中，蒸汽壓力的變化表示鍋爐蒸汽的產生量與負荷的耗汽量不相適應，因此必須相應的而改變燃料的供應量，以改變鍋爐蒸汽的產量。當燃料改變時，必須相應的改變送風量，使燃料量與空氣量相適應，保證燃燒過程有較高的經濟性。同時，當送風量改變時，也應該相應的改變引風量，從而使得爐 膛壓力保持在 20Pa左右。 鍋爐是一個多輸入、多輸出、多回路、非線性的相互關聯的復雜的控制系統 , 調節參數與被調節參數之間 , 存在著許多交叉的影響 , 調節難度非常大。我們將系統控制分散成給煤控制 ,送風控制 , 汽包液位控制 , 爐膛負壓控制等一系列閉環控 【 11】 。 主蒸汽壓力控制系統 本爐采用中間儲倉式制粉系統，其特點是制粉系統出力的變化并不直影響鍋 3 爐的負荷。當鍋爐負荷發生變動時，是通過改變給粉機轉速進行的。 當鍋爐負荷變化，調節給粉機轉速時，給粉量的增減應緩慢進行，調節范圍不易太大。若轉 速過高，不但會因煤粉濃度過大堵塞一次風管，而且容易使給粉機超負荷。若轉速過低，則在爐膛溫度不太高的情況下，由一于濃度不足，著火不穩，容易發生熄火。給粉機的轉速控制在 300 一 800r/ min 的范圍內。調整給粉機轉速的同時，應注意調整送、弓 }風量，保持汽壓和汽溫的穩定。增加負荷時，先增加風量，隨之增加給粉量 。減負荷時，先減少給粉量，隨之減少風量，并使同層給粉機的下粉量一致，以便于配風。 當外界負荷變化而需要調節鍋爐出力時，隨著燃料量的改變，鍋爐的風量也需要作出相應的調節。 在鍋爐運行中，實際進入爐內的空 氣不可能全部與燃料接觸并發生完全反應。為了減少化學不完全燃燒熱損失和煙氣熱損失，獲得良好的燃燒效率，實際送入爐內的空氣量通常比理論計算空氣量多一些，兩者之比稱為過量空氣系數 α。過量空氣系數的控制是通過煙氣分析儀測量煙氣中的 02 成分來實現的。由一于目前普遍采用氧量計，過量空氣系數 α與煙氣中 O2 含量關系如式 3 一 1 所示 : 22121O??? 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