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1、 燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真 1 1 燃油蒸汽锅炉的燃烧控制 1 绪论 1.1 引言 锅炉是重要的工业设备，应用于炼油、冶金、化工、轻工等行业。并且锅炉还是被广泛的应用于国民经济各个部门的工业民用设备。随着锅炉的大规模使用，工业生产的不断扩大，作为动力和热源的锅炉，也向着高参数、高效率发展，为了确保安全，保证生产，锅炉设备的控制系统就显得愈加重要。由于负荷变化从本质上说是非线性和时变的，锅炉侧又存在很大的延迟，负荷适应能力和主蒸汽压力稳定的矛盾一直是锅炉燃烧自动控制中有待于进一步解决的问题。而且锅炉燃烧控制系统不同于大多数生产过程控制系统，它不仅存在动态品质调节的问题还要考虑到锅炉
2、的经济燃烧。如何使主蒸汽压力既具有良好的动态特性，又能使入炉燃料得以充分燃烧(即高效燃烧问题)，是燃烧优化控制的真正内涵，也是燃烧过程控制的关键。目前，主汽压调节系统的控制器采用的控制规律以常规的基于数学模型的PID 控制为多。自 70 年代以来，在锅炉系统的建模和控制方面，从理论和实际应用上进行了深入的探索，包括线性和非线性模型的建立及各种控制方法，如 PID 控制、自整定控制、模糊控制、神经网络控制、最优控制、预测控制、预见控制、鲁棒控制、容错控制、反馈线性化控制、多变量频域控制，以及蒸汽压力回路的均衡燃烧控制、采用炉膛温度信号和炉膛辐射能信号为中间被调量的串级控制、工程中常用的直接能量平
3、衡方法等。1.2 相关领域研究现状 1.2.1燃油蒸汽锅炉发展和意义 工业燃油锅炉的发展经历了由简单到复杂、由低参数到高参数、由单一品种 燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真 1 2 到系列化产品的发展过程。随着材料和制造工艺的提高，锅炉的结构更加完善，种类日益丰富。工业锅炉是一个比较复杂的工业设备，有几十个测量参数、控制参数和扰动参数，它们之间相互作用，相互影响，存在明显的或不明显的复杂因果关系，而且测控参数也经常变化，存在一定的非线性特性，这一切都给锅炉的控制增加了难度。锅炉控制技术的发展经历了几个历史阶段:(l)纯手动阶段 在六十年代以前，由于自动化技术与电子技术发展不成熟，人们的自动
4、化观念还比较淡薄，这段时期的锅炉一般采用纯手动的控制方式，即操作工人通过经验决定送风、给水、引风、用料的多少，通过手动操作器等方式来达到控制锅炉的目的。这样就要求司炉人员必须有丰富的经验，增加了工人的劳动强度，事故率高，更谈不上保证锅炉的高效率运行。(2)自动化单元组合仪表控制阶段 随着自动化技术与电子技术的发展，国外己经开发并广泛应用了全自动工业锅炉控制技术。60年代前期，我国工业锅炉的控制技术开始发展，60年代后期我国引进了国外的全自动燃油工业锅炉的控制技术，70年代后期己经研制了一些工业锅炉的自动化仪表，正式将自动化技术应用于工业锅炉控制领域，因而热效率有所提高，事故率也有所下降。但是，
5、由于采用单元组合仪表靠硬件来实现控制功能，可靠性低，精度不高，而且只能完成一些简单的控制算法，不能实现一些较先进的算法和控制技术，控制效果仍然不理想。(3)采用微机测控阶段 随着电子技术的发展，高集成度、高可靠性、价格低廉的微型计算机、单板机、单片机、工业专用控制计算机的出现以及在我国的广泛应用，为锅炉控制领域开辟了一片广阔的天地。运用计算机技术，开发出高效率、高可靠性、全自动的微机工业测控系统日益得到重视。80年代后期至今，一国内己经陆续出现了各种各样的锅炉微机测控系统，明显地改善了锅炉的运行状况，但还不够完善，并对环境和抗干扰要求较高。(4)智能控制理论的广泛应用阶段 由于现代控制理论的发
6、展以及在各方面的应用，解决了传统控制理论难以解 燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真 1 3 决的问题，给工业过程控制带来了崭新的应用前景，并取得了前所未有的效果，成为目前正在迅速发展的一个领域。各种形式的控制系统、智能控制器不断地开发和利用。目前常用的有:多级递阶智能控制;专家控制系统与专家控制器;仿人智能控制器;自寻优模糊智能控制系统;自学习控制系统;基于神经网络的控制系统。除此之外还有综合了几种控制形式的混合式智能控制器(或系统)等多种形式，如以模糊控制为基础的专家模糊控制系统，最常见的是以常规PID数字控制为基础，通过专家系统在线实时整定PID控制参数，即所谓的智能(或专家)自适应P
7、ID控制器。通过对我国锅炉控制现状的分析，在硬件方面，很多锅炉的控制仍然使用常规仪表、继电器作为主要的控制手段，需要过多的人为参与，即使现在的仪表不少已趋于智能化，但对其使用也主要局限在检测方面;在软件方面，传统的PID控制算法己经不适合像锅炉这样的非线性、时变、多变量祸合的复杂系统。锅炉耗费大量燃料的同时，还耗费了大量的电能，如何提高锅炉热效率问题，一直是专家学者所关注的问题。因此，总结国内外锅炉控制经验，结合我国锅炉应用的具体实际，设计出适合的锅炉控制硬件系统，并应用现代控制理论、先进控制算法，提高锅炉控制的自动化水平，使锅炉控制实现自动控制、提高锅炉的工作效率、合理利用资源，达到锅炉控制
8、系统安全、节能、环保运行的目的，不仅具有很高的学术研究价值，而且具有显著的经济效益和深远的社会效益。1.2.2 燃烧控制系统简介 现代燃烧控制系统指在无人直接参与情况下通过自动化仪表和自动控制装置(包括计算机和计算机网络)完成热力过程参数测量、信息处理、自动控制、自动报警和自动保护。它的范围极其广泛，包括了主机、辅助设备、公用系统的自动化。而其中最重要的是锅炉、汽轮发电机组运行的自动化，它大致包含四个基本内容:1、自动检测 指热力过程中温度、压力、流量、液位、成分等热工参数的测量由自动化仪表来完成。自动检测的热工参数是监督火电厂机组是否正常运行的依据，是随时调整自动控制作用的根据，也是机组进行
9、经济核算、事故分析、自动报警等的数 燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真 1 4 据来源。2、自动调节 一般指正常运行时，操作的自动化，即在一定范围内，自动地活应外界负荷变化或其他条件变化，使生产过程自动进行。锅炉的自动调节，主要包括以下四个部分的控制:(1)汽包液位的控制:控制汽包液位高度在一个能保证锅炉安全运行的位置，水位过高会影响汽水分离，产生汽带水现象;水位过低会影响汽水循环，使金属局部过热而爆管，导致重大事故。因此，必须对汽包水位进行自动调节，把水位严格控制在规定范围内。(2)汽包蒸汽压力控制:维持蒸汽压力恒定，蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标
10、，是蒸汽的重要工艺参数。蒸汽压力过低或过高，对于金属导管和负荷设备都是不利的。压力过高，会加速金属的蠕变，导致锅炉受损;压力过低，就不可能提供给负荷设备符合质量的蒸汽。因此，控制蒸汽压力是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。(3)最优燃烧控制:即最优空气燃料比控制，在保证锅炉汽压稳定的前提下，调节炉排转速和鼓风量的配比，以使锅炉燃料得以充分燃烧，达到最优燃烧。(4)炉膛负压控制:负压控制即控制引风量使锅炉运行在负压状态下，避免锅炉炉膛向外喷火，同时也避免锅炉热量因为正压而被过多地随排放的尾气排放，保持锅炉燃烧的经济性。3、远方控制及程序控制:远方控制是通过开关或按钮，对生产过程中重要的调
11、节机构和截止机构实现远距离控制。程序控制主要是指机组(或局部系统、设备)在启动、停止、增减负荷、事故处理时的一系列基于逻辑的操作。4、自动保护:是利用自动化装置，对机组(或系统、设备)状态、参数和自动调节进行监视，当发生异常时，送出报警信号或切除某些系统和设备，避免发生事故，保证生命和设备的安全。火电厂的自动保护对象主要有锅炉、汽轮发电机本体、辅助设备、局部工艺系统以及自动调节系统等。大型火电厂自动化的任务是保证机组安全运行，提高机组生产效率，满足电网负荷要求，降低操作人员的劳动强度，因此要 燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真 1 5 具有相应的自动化措施与之相适应:1、数据采集系统(da
12、ta acquisition system,DAS)广义称为计算机监视系统，包括数据采集与显示、制表打印、报警、在线性能计算、操作指导。2、协调控制系统(coordination control system CCS)或模拟量控制系统(modulating control system MCS):通过控制回路协调汽轮机和锅炉工作状态，同时给锅炉自动控制系统和汽轮机自动控制系统发出指令，以达到快速响应负荷变化的目的，尽最大可能发挥机组的调频、调峰能力，稳定运行参数。它通常指机、炉闭环控制系统总体，及其相关子系统。3、锅炉炉膛安全监控系统(furnace safeguard supervisory
13、 system,FSSS)或燃烧器管理系统(burner mangement system,BMS):主要功能是保护锅炉炉膛的安全，避免发生爆炸事故，以及监视锅炉内工况，对气、油、燃烧器进行遥控或程控管理。4、顺序控制系统(sequence control system,SCS):在生产过程中，对某工艺系统或某大型主设备及有关的辅助设备群，包括电动机、阀门、档板的启动、停止、和运行中的事故处理，按预先制定的序列(时间、判据等)进行相关和有序的逻辑控制。顺序控制系统递阶式结构，包括:机组级、组级顺控、子组级顺控和设备级控制等四级组成，实现整个机组中各主要设各的监视操作、顺序启停和联锁保护等功能。
14、机组级是最高一级的顺序控制，也称机组自启停系统，它能在少量人工干预下自动完成机组的启停。功能组级是操作人员发出功能组启动指令后，同一功能组的相关设备按预先规定的操作顺序和时间间隔自动启动。以完成生产流程的一个特定功能目标。根据命令请求可以自动完成这些相关子组和设备的自动顺序操作联动、成组试验以及备用设备的选择和自动切换等。子组级顺控是将某台辅机及其附属设备(如润滑油系统、相关挡板、阀门)作为一个整体进行控制。设备级(又称驱动级)控制包括了单台设备的基本控制回路和联锁保护逻辑。1.3 文章论文章节安排 本论文各章的组织结构如下：第一章为绪论部分。主要介绍了论文的研究背景，介绍了燃油蒸汽锅炉和燃烧
15、控制系统的问题描述，研究意思，并对系统的一些特点进行了简单介绍和分析。第二章为系统控制原理的研究，介绍了系统设备和结构以及主要技术还有要求。燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真 1 6 第三章为控制基本模型的建立，分三部分给出主要原理图和框图。第四章为MATLAB环境下控制算法研究，通过SIMULINK工具得出了各部分的波形。第五章为展望和总结，对得出波形进行分析，并提出以后的研究方向。2 燃油蒸汽锅炉燃烧控制系统控制原理 2.1 系统基本结构与设备 (l)汽包由上下锅筒和三组沸水管组成。水在管内受外部烟气加热，发生自然循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽集聚在上锅筒。为了得到干度比较大的饱
16、和蒸汽，在上锅筒中还装设汽水分离设备。下锅筒主要用于连接沸水管，同时还用来储存水和水垢。(2)炉膛是使燃料充分燃烧并释放热量的设备。得到的高温烟气依次经过各个受热面，将热量传递给水以后，由烟囱排至大气。(3)过热器是将锅炉所产生的饱和蒸汽继续加热为合格蒸汽的换热器件，亦称为过热蒸汽换热器。(4)空气预热器是继续利用烟气余热，加热燃料燃烧时所需的空气的换热器件。通常大、中型锅炉均设有空气预热器，小型锅炉由于力求简单，一般不采用空气预热器。为保证正常工作，锅炉还必须有一些辅助设备，包括以下几部分:(l)引风设备:包括引风机、烟囱、烟道几部分，用它将锅炉中的烟气连续排出。有些小型锅炉不采用引风机，而
17、只利用烟囱的自然抽力来排除烟气。(2)送风设备:由送风机和风道组成，用它来供应燃料燃烧所需要的空气。(3)给水设备:由给水泵和给水管组成。给水泵用来克服给水管路的流动阻力和炉筒的压力，把水送入锅炉。为了安全，锅炉房通常要有两台以上给水泵，并且采用气动和电动两种拖动方式，起着相互备用的作用。(4)水处理设备:其作用为用来清除水中杂质和降低给水硬度，防止锅炉受热面上结水垢和腐蚀锅炉，从而提高锅炉的经济性和安全性。(5)供汽设备:由过热器、减温器、集汽包、供汽管路等组成。由锅炉汽包引出的饱和蒸汽，通过过热器把蒸汽的温度提高一定程度，由减温器控制所需温 燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真 1 7
18、度，再由蒸汽管道送至用户。(6)仪表设备:包括蒸汽、水流量、压力、温度、液位指示、给煤、送风等机械和自动调节装置组成。有的用气压作调节动力，也有的用液压，还有的用电作调节动力。通过仪表和自动记录的反应，对流量、压力、温度、液位指示、给煤、送风、引风等的变化来进行调节，达到生产运行的要求。3 控制系统基本模型建立 3.1 蒸汽压力控制系统和燃料空气比值控制系统基本模型 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调节压力实现的，随着后续环节的生产用量不同，反映在燃油蒸汽锅炉环节就是蒸汽压的波动。维持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
19、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。因此，蒸汽压力是最终被控制量，可以根据生成情况确定；燃料量是根据蒸汽压力确定的；空气供应量根据空气量与燃料量的合理比例确定。燃烧炉蒸汽压力控制系统和燃烧空气比值控制系统的方案如下图 3.1，3.2 所示 蒸汽压力 锅炉蒸汽压力检测 FC FC 锅炉 燃烧系统 燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真 1 8 燃料 空气 3.1 燃烧炉蒸汽压力控制系统和燃料空气比值控制系统结构简图 蒸汽压力 给定 -燃料流量 +_ 空气流量 3.2 燃烧炉蒸汽压力控制系统和燃料空气比值控制系统
20、框图 3.2.炉膛负压控制系统 当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，调节引蒸汽压力 调节器 燃料流量 调节器 被控对象燃料流量被控对象 燃料流量与蒸汽压力 燃料流量 检测与变换系统 蒸汽压力 检测变换系统 空气流量 调节器 被控对象（空气流量）空气流量 检测与变换系统 FC 燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真 1 9 风量即可实现负压控制；当蒸汽压力波动较大时，燃料
21、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3.3 所示。该方案中以负压为控制目标，引风量做成控制闭环，利用前馈控制消除送风量变动对负压的影响。送风量 负压给定 +-+炉膛负压 _ 3.3 炉膛负压控制系统框图 3.4 控制系统总框图 前馈补偿 调节器 逆风对负 压影响 引风与负压关系 引风调节器 负压测量变换 燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真 1 10 4 MATLAB 环境下控制算法的研究 4.1 系统辨识(1)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：sessG31132)(燃料流量至蒸汽压力关系为：3)(sG 蒸汽压力至燃料流量关系为:3/1)(sG 蒸
22、汽压力至燃料流量关系为：1)(sG 燃料流量检测变换系统数学模型为：1)(sG 燃料流量与控制流量比值为：2/1)(sG 空气流量被控对象为:sessG21113)(2)炉膛负压控制 引风量与负压关系：sessG1710)(送风量对负压的干扰为：燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真 1 11 132)(ssG 4.2 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：sKiKpsGc)(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4.1 所示：4.1
23、(a)系统临界振荡仿真框图 燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真 1 12 4.1(b)系统临界振荡响应 记录此时的振荡周期 Tcr=11s 和比例参数 Kcr=3.8,则 Kp=Kcr/2.2=1.73，Ki=Kp/(0.85Tcr)=0.18 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 4.2(c)所示，可见系统有约 10%的超调量。燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真 1 13 4.2(a)PI 模块结构 4.2(b
24、)燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图 4.2(c)燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真响应 燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真 1 14 (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，因此系统最简单)，仿真结果如图 4.3 所示，上图为系统仿真图，下图为阶跃输出。4.3(a)蒸汽压力控制系统参数整定仿真框图 4.3(b)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
25、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 4.4 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%。燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真 1 15 4.4(a)整定后空气流量控制系统阶跃响应 4.4(b)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 4.5 所示，其中上图为系统阶跃响应，下图为阶跃输入。可见系统响应超调量为 25%。燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计
26、和仿真 1 16 4.4.5(a)整定后负压控制系统阶跃响应 4.5(b)整定后负压控制系统阶跃输入(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：51517)(sssG 4.3 控制系统 SIMULINK 仿真(1)无干扰仿真 燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真 1 17 利用各整定参数对控制系统进行仿真，框图如 4.6 所示。设定蒸汽压力值为10，炉膛负压值为 5。仿真结果如图 4.7 至 4.10 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。4.6 控制系统仿真图 燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真 1 18
27、 4.7 蒸汽压力设定值波形 4.8 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)4.9 负压变化波形 燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真 1 19 4.10 负压设定波形 (2)有扰动仿真 系统在三个部分中均加入了幅值0.1 的随机扰动。系统仿真图如图4.11所示。仿真结果如图 4.12 至 4.16 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，扰动波形，负压变化波形和负压设定波形。4.11 有扰动系统仿真图 燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真 1 20 4.12 蒸汽压力设定值波形 4.13 有扰动蒸汽压力实际波形 燃油蒸汽锅炉的
28、燃烧控制系统的设计和仿真 1 21 4.14 扰动波形 4.15 有扰动负压变化波形 燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真 1 22 4.16 负压设定波形 燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计和仿真 1 23 5 结论与展望 5.1 总结 本文介绍了燃油蒸汽锅炉的燃烧控制系统的设计与仿真的研究背景和现状，并设计出了一套具有普遍可行性的燃烧控制系统，它共分为三个子系统：蒸汽压力控制系统，燃料空气比值系统和炉膛负压控制系统，本文分别对其做了论证和分析。同时，选择了 MATLAB 中的 SIMULINK 工具箱对整个系统进行仿真。在仿真阶段，采用的控制方法是应用最广泛的PI 控制，最终都使波形达到了稳定状态。仿真中分了有扰动和无扰动两种不同的情况进行，扰动为幅值0.1 的随机扰动，可以看到在有扰动的情况下，稳定性变差。但 Tp,Ts和超调量均无明显变化。系统基本符合要求。5.2 展望 燃油蒸汽锅炉和锅炉燃烧控制系统都是现代工业中最常用的设备，目前的技术已经相当成熟，鉴于设备和时间的限制，作者未能有机会用真正的设备来进行控制系统的研究，仅是通过仿真得出了一些理想状态的数据，而在实际的生产中，还有许多需要考虑的因素，在这样的系统中，还有许多的地方值得去改良，从而达到提高燃料使用效率，减少污染，提高经济效益的目的，这还需要进一步的大力研究。