流化床锅炉床温主汽压控制系统的设计与仿真_毕业设计论文正文(编辑修改稿)

流化床锅炉床温主汽压控制系统的设计与仿真_毕业设计论文正文(编辑修改稿)内容摘要：

理 循环流化床锅炉的 结构 循环流化床锅炉是一种利用新型燃烧技术 —— 循环流化床燃烧矿物燃料生产蒸汽的一种装置，具有燃烧适应性强、效率高、脱硫率高、污染物排放量低等优点。 目前，推广循环流化床的主要障碍在于循环流化床锅炉工艺复杂，对其进行良好的自动控制难度较大，因此目前循环流化床锅炉的自动化水平大部分比较低。 图 21 循环流化床的结构 图 第一部分由炉膛 (又称流化床 )、气固分离设备，固体物料再循环设备和外置热交换器等组成， 上述部件形成了一个固体物料循环回路。 第二部分为水平烟道，布置有过热器、省煤器 和空气预热器等。 煤粉由给煤机 进入炉膛，再由从炉膛底部进入的一次风将煤粉送入炉膛中央进行燃烧。 燃烧所需的一次风和二次风分 别从炉膛的底部和侧墙送入，燃料主要在炉膛内流态化并呈沸腾状燃烧。 炉膛四周布置有水冷壁管，用于吸收燃烧所产生的部分热量， 由气流带出炉膛的固体物 料在气固分离装置中被收集并通过返料装置送回炉膛循环燃烧直至烧尽。 烟气经烟道 尾部受热面进行热交换，最后通过除 尘器由烟囱排入 大气。 加入石灰石的目的，是为了在炉内进行脱硫。 石灰石的主要化学成份是 CaO，而煤粉燃烧后产生的 SO2 、 SO3 等，若直接通过烟囱排入 大气层，必然会造成污染。 加入石灰石后，石灰石中的 CaO 与烟气中的 SO2 、 SO3。 等起化学反应，生成固态的 CaSO3 、 CaSO4 (即石膏 )，从而减少了空气中的硫酸类的酸性气体的污染。 华北电力大学科技学院本科毕业设计（正文） 6 循环流化床锅炉被控对象特点及控制的难点 多变量输入、多变量输出 循环流 化床是一个非线性、多变量、强耦合的复杂系统，循环流化床锅炉被控对象如下 图 22 所示 图 22 由图 22可见，循环流化床锅炉被控对象为多变量输入、多变量输出对象。 由于循环流化床锅炉燃烧中，任何一个物理参数 (如温度、压力、流量、液位 )的改变都会影响到其他物理参数的改变 (这在控制理论中称之为耦合性 )。 如燃料量 (煤粉量 )的改变，不仅会影响到炉床温度的变化，也会影响到主蒸汽流量的变化，以及影响到主蒸汽压力的变化和主蒸汽温度的变化。 输入变量、输出变量之间的非线性 循环流化床锅炉燃烧过程中，各被控设备 的输出物理量对输入物理量的响应有较大的时间滞后特性，以及各被控设备的输出物理量与输人物理量的之间的数学特性为非线性，使得控制运算变得复杂，这样就必然给各物理量的控制带来很大的困难。 循环流化床形成理论基础 —— 流化态理论 固定床：当空气流速不大时，空气穿过床料颗粒间隙由上部出去，而床料高度未发生明显的变化，床料未被流化的状态称为：固定床，如链条炉。 沸腾床：当空气流速继续增大时，小气泡聚集成较大气泡不断上移穿过料层并破裂，此时气、固两相混合强烈，如水沸腾状故这时的状态被称为：鼓泡床或沸腾床。 流化床 ：在鼓泡床的基础上继续增大空气流速，床料内气泡消去，气、固两相混合更加强烈，看不清料层界面，但床内仍然存在一个密相区和稀相区，下部密相区的床料浓度比上部稀相区的床料浓度大得多，在上移过程中床内中间的浓度小于四壁附近的物料浓度，这时的状态被称为流化床。 这就是所谓的“炉内沸腾面壁流 ”。 气体输送：当空气流速再增加时床料上下浓度趋于一致，床料将均匀地快速全部喷出华北电力大学科技学院本科毕业设计（正文） 7 床外，这时的流化状态被称为喷流床或气力输送如：煤粉炉的燃烧方式。 湍流床：介于流化床与气体输送之间的状态被称为湍流床， CFB 实际上是在两中状态之间交替变化。 图 23 循环流化床锅炉控制系统 ]2[ ]7[ 国内的 CFB 锅炉，一般都提出了床温主汽压闭环控制的要求，调节手段主要是通过调节一、二次风的配比及给煤等来进行，但是实际的投运情况表明，这些回路基本上都没有有效投入自动，特别是在负荷波动时均没有投自动。 主汽压力调节系统 通过调节给煤量和配风来控制主蒸汽压力，以满足机组的运行要求。 由于给煤量是影响床温的重要因素之一，故在构 造主汽压力控制方案时把床温的影响也纳入控制方案中。 床温增加则减小给煤量，床温降低则增大给煤量。 由于循环流化床锅炉运行时床温可以在一定范围内波动，故在主汽压力控制方案中设置了不调温死区，即床温在该死区内时不改变给煤供给量。 同时由于氧量直接反映了炉膛内燃料与风的配比，因此方案中利用氧量校正给煤量。 由于主蒸汽流量变化直接反映了机组的负荷变化，故在主汽压力控制方案中把主蒸汽流量信号经过函数运算后直接加到控制输出上，通过前馈形式提高系统的响应速度。 一次风量调节系统 一次风量控制采用串级控制系统，主汽压力为 主调、一次风量为副调，其运算结果去控制一次风门挡板开度，以调节送入炉膛的一次风量。 一次风量测量值是在考虑了温度修正和压力修正后才送入 PID中进行运算的。 锅炉负荷指令在进行处理时，需要考虑煤质的特性及负荷变化情况。 煤种不同时，助燃空气量会有所不同。 同时，负荷变化时一次风量占总风量的比例也会发生变化。 同时由于一次风对锅炉床温具有调节作用，故在构造一次华北电力大学科技学院本科毕业设计（正文） 8 风量调节系统时也考虑了床温修正。 如果床温偏高，在一定范围内可增大一次风量。 如果床温偏低，在一定范围内可减少一次风量。 由于床温主要靠给煤控制，一次风量不作为调节床温的 主要手段，故在一次风量控制系统中床温信号仅作为修正信号。 二次风量调节系统 二次风量控制采用串级控制系统。 烟气含氧量测量值与给定值一起送入主调中进行PID运算，其结果作为副调的给定值与二次风量测量值进行 PID运算，运算结果经限幅及手操控制后控制二次风量调节系统的执行机构，以使二次风量满足机组运行要求。 由于给煤量变化到烟气含氧量变化需要一段时间，故在二次风量控制方案中直接对给煤量进行处理，把其结果作为前馈信号加到控制输出中，以提高控制系统的快速响应性。 在对给煤量进行处理的函数中，考虑了燃料／空气比例 、负荷影响及一次风量等因素，其运算结果直接叠加到 PID运算的输出上。 引风量调节系统 在引风量调节系统中，炉膛负压测量值经过惯性延滞处理后与给定值一起送入 PID中进行运算，运算结果动作引风机执行机构，从而控制炉膛负压满足机组运行要求。 炉膛负压过程值采取两点取平均值的办法进行处理。 由于一次风量和二次风量发生变化时，需经过一段时间炉膛负压才发生变化，故在引风量控制系统中直接把一次风量与二次风量之和作为前馈信号送入 PID控制输出中，以提高一、二次风量变化时控制系统响应的快速性。 给水调节系统 汽包水位是机组运行的一个重要参数，他反映了给水量与供汽量的动态平衡关系。 如果水位过高，会破坏汽水 分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，从而增加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的结垢，甚至会使汽轮机发生水冲击而损坏叶片。 相反，如果水位过低则会破坏水循环，导致水冷壁管道破裂。 因此，机组启停和正常运行时要求保持汽包水位相对恒定。 如果水位超出正常范围，轻则发出报警，重则停炉停机。 循环流化床锅炉给水调节系统低负荷时采用单冲量调节系统，高负荷时采用三冲量调节系统。 构成给水调节系统的三冲量是汽包水位、主蒸汽流量及给水流量。 汽包水位信号经汽包压力补偿后作为主调的输入，蒸汽流量信号经温度、压力修正后与给水流量信号一 起作为副调的反馈输入。 当 CFB锅炉的负荷如果经常波动那么就需要对控制策略做一定的修改，因为当锅炉负荷出现大扰动时，会带来很严重的虚假水位现象。 三冲量控制不能使给水控制阀正确、及时地快速跟进负荷的变化。 因此需要引入负荷变化率 (ff)和汽包水位变化率 (fw)两个变量，正常水位调节时 （ ff） 和 （ fw） 均在某一限值之内，当出现上述异常时，其值会超过这两个变量的阈值，这时改用一定的调节规则强行上拉或下拉水位控制阀，以保证汽包水位在安全范围之内。 待水位恢复平稳之后，再切入三冲量方案。 华北电力大学科技学院本科毕业设计（正文） 9 主汽温度调节系统 循环流 化床锅炉正常运行时不仅要求主汽压力稳定，而且要求主汽温度稳定。 主汽温度是反映机组运行情况的一个重要参数。 如果主汽温度偏高，过热器及汽机将在更加恶劣的环境下运行，材料的使用寿命将会缩短。 相反，如果主汽温度偏低，则汽机达不到预定的运行效率。 因此，机组正常运行时要求主汽温度稳定。 循环流化床锅炉主汽温度调节系统采用由主汽温度、喷水减温器出口温度及主汽流量等参数组成的串级控制系统。 主汽温度测量值作为主调的反馈输入值，与主汽温度设定值进行 PID运算后送入副调，在副调中与减温器出口汽温进行控制运算，其结果经限幅后由手操器 输出至执行机构，调节喷水减温的控制阀。 由于主汽流量变化时，喷水量应相应地发生变化，故在主汽温度控制方案中把主汽流量信号以前馈形式引入控制系统中。 料层差压控制 如果锅炉采取间隙排渣工艺，可采用计算机报警提示的人工放渣手段。 把负荷分为高、平稳、中、低 4段，不同的负荷段有不同的高、低报警值。 这可根据工艺条件及操作经验取得，可以在流程图上进行修改。 另一方面，如果锅炉采用连续排渣，可以使用锅炉的料层差压来控制出渣器的转速，这样来控制排渣量。 华北电力大学科技学院本科毕业设计（正文） 10 3 循环流化床床温主汽压控制 系统 影响床温变化的因素 锅炉正常的床温运行范围为 790～ 900℃ ；高值报警点为 955℃ ，温度达 990℃ 时主燃料自动开始切除；最低运行床温 790℃ ，在无助燃情况下，不允许床温低于这一水平。 低值报警点为 760℃ ， 当床温低于 650℃ 时， 将自动切除主燃料，除非风道点火燃烧器投入运行；当床温低于 540℃时，无论风道点 火燃烧器是否运行， 给煤机都将自动切除。 影响床温的因素很多，主要是负荷、煤质、给煤量、风量、床层高度等运行中不可避免地存 在各种扰动，如负荷升降、煤质变化、给煤量和风量变化、排渣不畅等， 都会 造成床温变化，需要运行人员根据床温的调节规律进行正确判断并调整。 影响床温的可调因素包括给煤量、一次风量、二次风量、炉底排渣量等，但最重要的是给煤量和一次风量运行中调整给煤量的同时一定要注意调整风量，一般在加煤时要增加合适的风量，减煤时要减少适当的风量。 但循环流化床锅炉是一个热惯性很大、炉内气固运动非常复杂的系统，床温变化异常复杂，床温低时加煤可能使床温更低甚至发生灭火或爆燃，床温高时减煤也不能使床温立即下降，另外 增加一次风量也不一定能使床温下降，床层高度增加床温也不一定上升。 所以必须深入研究给煤量、风量、 床高、出口氧量等对床温的影响，了懈循环流化床床 温的运行特性，一定要从定性的理论分析曲线落实到定量的细致调节上，才能维持床温的稳定 ]12[。 给煤与床温 给煤是影 响床温最主要、最直接的因素之一，滞后性是给煤调节床温的最大特点， 增加了床温调节的难度。 图 1是以某次热态启动投煤过程为例的床温变化曲线，曲线 2分别是给煤和床温曲线，量程分别为 0％ ～ 100％ 、 500～ 950℃。 开始投煤时，由于床温较低，投煤以后煤达到着火点所需的时间较长，开始煤的吸热量大于放热量，导 致床温继续下降；同时床层高度不断增厚，流化速度降低，煤刚投进去以后基本都漂浮在床层上部，与热床料混合较差，煤的吸热与放热失去平衡，吸热量大于放热量，使床温没有明显改变；约 28 min后由于积煤较多，发生了爆燃，床温迅速上升；在开始阶段停止增煤以后，由于积煤较多，经过 42min，床温到达最大值 930℃ (由于测点布置在边壁上，床层中心温度应高于此值 )；之后由于床料中可燃物消耗较多，可燃物浓度下降，不足以维持床温，床温又下降很多，需加煤以。