第九章鍋爐燃燒過程自動控制系統9.1汽包鍋爐燃燒系統簡介電站汽包鍋爐燃燒系統包括燃料量控制、送風控制和引風控制三個子系統，設備眾多，結構復雜，系統組成如下圖所示：第九章鍋爐燃燒過程自動控制系統9.1汽包鍋爐燃燒系統1第九章鍋爐燃燒控制系統課件29.2燃燒過程自動控制的任務汽包鍋爐燃燒過程自動控制的基本任務是根據機組負荷的變化，使燃料燃燒所提供的熱量適應鍋爐輸出蒸汽量的需求，同時保證燃燒過程的經濟性和鍋爐運行的安全性。（一）母管制并列運行方式采用母管制并列運行方式的機組，鍋爐燃燒過程自動控制的任務為：按預定比例分配各臺鍋爐的負荷，維持母管蒸汽壓力穩定；保證各臺鍋爐燃燒過程的經濟性；維持各臺鍋爐爐膛負壓的穩定。（二）單元制爐跟機運行方式采用單元制爐跟機運行方式的機組，在電網負荷變化時，首先改變汽輪機進汽閥開度調節機組負荷，再通過改變鍋爐燃燒率維持主汽壓力穩定，其機組控制原理圖如下圖所示：9.2燃燒過程自動控制的任務汽包鍋爐燃燒過3爐跟機運行方式機組控制原理圖此種運行方式下鍋爐燃燒過程自動控制的任務為：維持主蒸汽壓力穩定；保證鍋爐燃燒過程的經濟性；維持鍋爐爐膛負壓的穩定。（三）單元制機跟爐運行方式采用單元制機跟爐運行方式的機組，在電網負荷變化時，首先改變鍋爐燃燒率調節機組負荷，再通過改變汽輪機進汽閥開度維持主汽壓力穩定，其機組控制原理圖如下圖所示：爐跟機運行方式機組控制原理圖此種運行方式下鍋爐燃燒過程自動控4機跟爐運行方式機組控制原理圖此種運行方式下鍋爐燃燒過程自動控制的任務為：保證機組負荷滿足電網要求；保證鍋爐燃燒過程的經濟性；維持鍋爐爐膛負壓的穩定。9.3鍋爐燃燒過程自動控制系統的組成與特點針對電站鍋爐燃燒過程自動控制任務的需要，電站鍋爐燃燒控制系統由以下三個子控制系統組成：機跟爐運行方式機組控制原理圖此種運行方式下鍋爐燃燒過程自動控5以燃料量為調節變量，主蒸汽壓力為被調量，通過調節進入爐膛的燃料量，維持主蒸汽壓力的穩定。燃料量控制系統

送風控制系統以送風量為調節變量，煙氣含氧量為被調量，通過調節進入爐膛的送風量，使煙氣含氧量達到設定的最佳值，保證燃料燃燒所需的空氣量和燃燒過程的經濟性。

引風控制系統以引風量為調節變量，爐膛壓力為被調量，通過調節引風量維持爐膛壓力的穩定。鍋爐燃燒控制系統鍋爐燃燒控制系統組成以燃料量為調節變量，主蒸汽壓力為被調量，通過調節進入爐膛的燃6在鍋爐燃燒控制過程中，通過燃料量控制、送風控制和引風控制三個子系統分別對三個調節變量（燃料量B、送風量V、引風量G）進行調節，以維持三個被調量（主蒸汽壓力pT、煙氣含氧量O2、爐膛壓力plt）的穩定。鍋爐燃燒控制過程中各調節變量和被調量之間的關系如下圖所示：

因此電站鍋爐燃燒控制系統是一個多輸入多輸出的非線性多變量強耦合控制系統。在鍋爐燃燒控制過程中，通過燃料量控制、送風控制79.4鍋爐燃燒過程被控對象的動態特性鍋爐燃燒過程被控對象的動態特性是指機組運行過程中各種擾動引起的各被調量變化的動態關系，鍋爐燃燒過程被控對象的動態特性主要有以下三個：（一）主蒸汽壓力的動態特性

主蒸汽壓力pT受到的主要擾動有二個，其一是燃燒率μB擾動稱為基本擾動或內部擾動；其二是汽輪機耗汽量D的擾動，稱為外部擾動。

內擾下主蒸汽壓力的動態特性

主蒸汽壓力pT在內、外擾動下的動態特性；

煙氣含氧量O2在送風量擾動下的動態特性；

爐膛壓力plt在引風量擾動下的動態特性。

主蒸汽壓力pT

的動態特性與汽輪機的調節裝置有關，圖（a）為汽輪機功率不變時，鍋爐燃燒率μB擾動下主蒸汽壓力pT

變化的階躍響應曲線：9.4鍋爐燃燒過程被控對象的動態特性鍋爐燃8

此時主蒸汽壓力pT是一個無自平衡能力的被控對象。汽包壓力pb與主蒸汽壓力pT之差Δp2與主蒸汽流量以及過熱器的阻力成正比。根據階躍響應曲線確定遲延時間，可以求出：

反應速度：

反應時間：

反應時間TB定義為：燃燒率改變其額定值的10％,汽壓改變10%所經過的時間。此時主蒸汽壓力pT是一個無自平衡能力的被控對象9

此時主蒸汽壓力pT是一個有自平衡能力的被控對象。汽包壓力pb與主蒸汽壓力pT之差Δp2隨燃料量和進入汽輪機的蒸汽流量的增加而增加。圖（b）為汽輪機調節閥門開度不變時，鍋爐燃燒率μB擾動下主蒸汽壓力pT

變化的階躍響應曲線：根據鍋爐蒸發受熱面的熱量平衡關系可得：式中:

ΔQr——熱負荷階躍變化；

D

——主蒸汽流量；

h′′——飽和蒸汽焓；

C

——蒸發受熱面熱容。此時主蒸汽壓力pT是一個有自平衡能力的被控對象10根據以上熱平衡關系式可得：（9－1）

式中Cb稱為蓄熱系數，其物理意義為汽包壓力pb改變一個單位，蒸發受熱面所吞吐的蒸汽量。

式（9－1）表明，測出主蒸汽流量D和汽包壓力pb的變化速度dpb/dt，與一定的蓄熱系數Cb配合,就可得到代表熱負荷Qr的熱量信號，可以迅速反映燃料量的變化。

外擾下主蒸汽壓力的動態特性外部擾動是指電網負荷變化的擾動，圖（a）和圖（b）分別為汽輪機進汽量D和汽輪機調節閥門開度μT

擾動下主蒸汽壓力pT

變化的階躍響應曲線：根據以上熱平衡關系式可得：（9－1）式中Cb11

圖（a）中，主蒸汽壓力pT

在階躍下降Δp0后，一直維持等速下降，為無自平衡能力的被控對象。圖（b）中，主蒸汽壓力pT

在階躍下降Δp0后，下降速度逐漸變慢，最后穩定于一個較低的壓力值，為有自平衡能力的被控對象。圖（a）中，主蒸汽壓力pT在階躍下降Δ12（二）煙氣含氧量的動態特性

煙氣含氧量O2是影響燃燒過程經濟性的重要指標，主要通過改變進入爐膛的送風量V

對煙氣含氧量O2進行調節。送風量V

擾動下煙氣含氧量O2變化的階躍響應曲線為：

由上圖中煙氣含氧量的階躍響應曲線可知，其動態特性具有滯后、慣性和自平衡能力。（二）煙氣含氧量的動態特性煙氣含氧量O2是影響13（三）爐膛壓力的動態特性

爐膛壓力plt

對鍋爐運行的安全性有重要影響，主要通過改變引風量G

對爐膛壓力plt進行調節。引風量G

擾動下爐膛壓力plt

變化的階躍響應曲線為：

在送風量V

和引風量G

的擾動下，爐膛壓力plt

的動態特性慣性很小，可近似認為是比例環節。（三）爐膛壓力的動態特性爐膛壓力plt對鍋149.5鍋爐燃燒過程自動控制的基本方案9.5.1并列運行鍋爐燃燒過程自動控制系統采用母管制的并列運行鍋爐燃燒過程自動控制系統的兩種基本方案如下圖所示：9.5鍋爐燃燒過程自動控制的基本方案9.5.1并列運15上面介紹的兩種控制系統存在以下兩點不足：

不能保證燃料量和送風量的最佳比例，使燃燒處于最佳狀態；

引風量變化落后于送風量，造成爐膛壓力的較大波動。針對以上兩點不足，改進后的并列運行鍋爐燃燒過程自動控制系統如下圖所示：上面介紹的兩種控制系統存在以下兩點不足：不能保證燃料量和送16下圖所示為母管制并列運行鍋爐燃燒過程自動控制系統的原理圖，系統中加入了高、低值選擇器，在負荷變化時可以合理控制風、煤增減順序，以保證調節過程中燃料的完全燃燒：下圖所示為母管制并列運行鍋爐燃燒過程自動控制179.5.2單元機組鍋爐燃燒過程自動控制系統在單元制汽輪發電機組中，鍋爐按運行方式不同可以分為中儲式和直吹式兩種，下面對其對應的燃燒過程自動控制系統分別進行介紹。（一）中儲式鍋爐燃燒過程自動控制系統9.5.2單元機組鍋爐燃燒過程自動控制系統18

熱量信號

熱量信號，是指燃料進入爐膛燃燒時在單位時間內產生的熱量。可以用靜態下的主蒸汽流量D

和動態下的汽包壓力變化速度dpb/dt

表示，其計算公式為：式中:Cb

——

鍋爐的蓄熱系數。

在系統中，以熱量信號代替燃料量信號，不但可以反映燃料量的變化，而且還可以克服燃料單位發熱量變化對燃燒過程的影響，從而提高鍋爐運行過程的穩定性。在鍋爐運行過程中,熱量信號只應該反映燃燒率的變化（內擾）,而不應該反映負荷的變化（外擾）。即熱量信號只與燃燒率的變化有關,而與負荷的變化無關。

熱量信號在燃料量B

和汽輪機調節閥門開度μT

擾動下的階躍響應曲線分別如圖（a）和圖（b）所示：熱量信號熱量信號，是指燃料進入爐膛燃燒時在單19根據前面分析，當燃燒率不變而負荷變化時熱量信號不變，即：負荷變化過程中，在t0～t1時間段內對上式進行積分運算可得：因此鍋爐蓄熱系數Cb的計算公式為：根據前面分析，當燃燒率不變而負荷變化時熱量信號20時間t0～t1期間蒸汽流量

變化的累積量用試驗方法求取鍋爐蓄熱系數Cb時，保持鍋爐燃燒率不變而使負荷作任意擾動，記錄蒸汽流量

D

和汽包壓力pb

變化的曲線如下圖所示：鍋爐蓄熱系數Cb的物理意義為：在燃燒率不變時汽包壓力每變化一個單位，釋放或吸收的蒸汽量。時間t0～t1期間蒸汽流量變化的累積量用試21在鍋爐運行過程中，汽包壓力變化速度dpb/dt

測量不到，只能測得帶有慣性的速度信號，同時再加入主蒸汽流量D的實際微分信號，可以得到實際熱量信號：（二）直吹式鍋爐燃燒過程自動控制系統現代大型單元機組中鍋爐普遍采用直吹式制粉系統，其主要特點如下：

制粉系統與鍋爐燃燒過程緊密聯系，是燃燒過程自動控制不可分割的組成部分。

在運行過程中燃料量指令變化后，還需經過磨煤制粉的過程，才能改變進入爐膛的燃料量，負荷適應能力較差，且容易引起主蒸汽壓力的較大波動。采用直吹式制粉系統的鍋爐生產過程如下圖所示：在鍋爐運行過程中，汽包壓力變化速度dpb/dt22采用直吹式制粉系統的鍋爐生產過程（a）示意圖；（b）方框圖

采用直吹式制粉系統的鍋爐生產過程23一次風量作為燃料控制手段的燃燒控制系統

煤粉量t燃料與一次風一起擾動燃料擾動一次風擾動一次風量作為燃料控制手段的燃燒控制系統煤粉量t燃料與一次風24

采用一次風量為反饋信號的燃燒控制系統采用一次風量為反饋信號的鍋爐燃燒過程自動控制系統適用于采用中速磨制粉系統的鍋爐，其原理圖如下：采用一次風量為反饋信號的燃燒控制系統采用一次259.6鍋爐燃燒過程自動控制系統實例分析

采用直吹式制粉系統，燃燒控制系統主要包括6個子控制系統，即燃料控制系統、磨煤機一次風量、磨煤機出口溫度、一次風壓力、二次風量、爐膛壓力控制系統。9.6鍋爐燃燒過程自動控制系統實例分析采用直吹式制269.6.1燃料控制系統

9.6.1燃料控制系統279.6.2磨煤機風量、溫度控制系統

9.6.2磨煤機風量、溫度控制系統28（一）磨煤機一次風量控制系統

（一）磨煤機一次風量控制系統29（二）磨煤機出口溫度控制系統

（二）磨煤機出口溫度控制系統309.6.3風量控制系統

風量控制系統有一次風和二次風兩個相互獨立的系統，一次風主要用于將煤粉從磨煤機輸送到燃燒器，二次風主要用來幫助燃料在爐膛中完全燃燒。

9.6.3風量控制系統31（一）一次風壓力控制系統

（一）一次風壓力控制系統32第九章鍋爐燃燒控制系統課件33（二）二次風量（送風）控制系統（二）二次風量（送風）控制系統349.6.4爐膛壓力控制系統

9.6.4爐膛壓力控制系統35第九章鍋爐燃燒過程自動控制系統9.1汽包鍋爐燃燒系統簡介電站汽包鍋爐燃燒系統包括燃料量控制、送風控制和引風控制三個子系統，設備眾多，結構復雜，系統組成如下圖所示：第九章鍋爐燃燒過程自動控制系統9.1汽包鍋爐燃燒系統36第九章鍋爐燃燒控制系統課件379.2燃燒過程自動控制的任務汽包鍋爐燃燒過程自動控制的基本任務是根據機組負荷的變化，使燃料燃燒所提供的熱量適應鍋爐輸出蒸汽量的需求，同時保證燃燒過程的經濟性和鍋爐運行的安全性。（一）母管制并列運行方式采用母管制并列運行方式的機組，鍋爐燃燒過程自動控制的任務為：按預定比例分配各臺鍋爐的負荷，維持母管蒸汽壓力穩定；保證各臺鍋爐燃燒過程的經濟性；維持各臺鍋爐爐膛負壓的穩定。（二）單元制爐跟機運行方式采用單元制爐跟機運行方式的機組，在電網負荷變化時，首先改變汽輪機進汽閥開度調節機組負荷，再通過改變鍋爐燃燒率維持主汽壓力穩定，其機組控制原理圖如下圖所示：9.2燃燒過程自動控制的任務汽包鍋爐燃燒過38爐跟機運行方式機組控制原理圖此種運行方式下鍋爐燃燒過程自動控制的任務為：維持主蒸汽壓力穩定；保證鍋爐燃燒過程的經濟性；維持鍋爐爐膛負壓的穩定。（三）單元制機跟爐運行方式采用單元制機跟爐運行方式的機組，在電網負荷變化時，首先改變鍋爐燃燒率調節機組負荷，再通過改變汽輪機進汽閥開度維持主汽壓力穩定，其機組控制原理圖如下圖所示：爐跟機運行方式機組控制原理圖此種運行方式下鍋爐燃燒過程自動控39機跟爐運行方式機組控制原理圖此種運行方式下鍋爐燃燒過程自動控制的任務為：保證機組負荷滿足電網要求；保證鍋爐燃燒過程的經濟性；維持鍋爐爐膛負壓的穩定。9.3鍋爐燃燒過程自動控制系統的組成與特點針對電站鍋爐燃燒過程自動控制任務的需要，電站鍋爐燃燒控制系統由以下三個子控制系統組成：機跟爐運行方式機組控制原理圖此種運行方式下鍋爐燃燒過程自動控40以燃料量為調節變量，主蒸汽壓力為被調量，通過調節進入爐膛的燃料量，維持主蒸汽壓力的穩定。燃料量控制系統

送風控制系統以送風量為調節變量，煙氣含氧量為被調量，通過調節進入爐膛的送風量，使煙氣含氧量達到設定的最佳值，保證燃料燃燒所需的空氣量和燃燒過程的經濟性。

引風控制系統以引風量為調節變量，爐膛壓力為被調量，通過調節引風量維持爐膛壓力的穩定。鍋爐燃燒控制系統鍋爐燃燒控制系統組成以燃料量為調節變量，主蒸汽壓力為被調量，通過調節進入爐膛的燃41在鍋爐燃燒控制過程中，通過燃料量控制、送風控制和引風控制三個子系統分別對三個調節變量（燃料量B、送風量V、引風量G）進行調節，以維持三個被調量（主蒸汽壓力pT、煙氣含氧量O2、爐膛壓力plt）的穩定。鍋爐燃燒控制過程中各調節變量和被調量之間的關系如下圖所示：

因此電站鍋爐燃燒控制系統是一個多輸入多輸出的非線性多變量強耦合控制系統。在鍋爐燃燒控制過程中，通過燃料量控制、送風控制429.4鍋爐燃燒過程被控對象的動態特性鍋爐燃燒過程被控對象的動態特性是指機組運行過程中各種擾動引起的各被調量變化的動態關系，鍋爐燃燒過程被控對象的動態特性主要有以下三個：（一）主蒸汽壓力的動態特性

主蒸汽壓力pT受到的主要擾動有二個，其一是燃燒率μB擾動稱為基本擾動或內部擾動；其二是汽輪機耗汽量D的擾動，稱為外部擾動。

內擾下主蒸汽壓力的動態特性

主蒸汽壓力pT在內、外擾動下的動態特性；

煙氣含氧量O2在送風量擾動下的動態特性；

爐膛壓力plt在引風量擾動下的動態特性。

主蒸汽壓力pT

的動態特性與汽輪機的調節裝置有關，圖（a）為汽輪機功率不變時，鍋爐燃燒率μB擾動下主蒸汽壓力pT

變化的階躍響應曲線：9.4鍋爐燃燒過程被控對象的動態特性鍋爐燃43

此時主蒸汽壓力pT是一個無自平衡能力的被控對象。汽包壓力pb與主蒸汽壓力pT之差Δp2與主蒸汽流量以及過熱器的阻力成正比。根據階躍響應曲線確定遲延時間，可以求出：

反應速度：

反應時間：

反應時間TB定義為：燃燒率改變其額定值的10％,汽壓改變10%所經過的時間。此時主蒸汽壓力pT是一個無自平衡能力的被控對象44

此時主蒸汽壓力pT是一個有自平衡能力的被控對象。汽包壓力pb與主蒸汽壓力pT之差Δp2隨燃料量和進入汽輪機的蒸汽流量的增加而增加。圖（b）為汽輪機調節閥門開度不變時，鍋爐燃燒率μB擾動下主蒸汽壓力pT

變化的階躍響應曲線：根據鍋爐蒸發受熱面的熱量平衡關系可得：式中:

ΔQr——熱負荷階躍變化；

D

——主蒸汽流量；

h′′——飽和蒸汽焓；

C

——蒸發受熱面熱容。此時主蒸汽壓力pT是一個有自平衡能力的被控對象45根據以上熱平衡關系式可得：（9－1）

式中Cb稱為蓄熱系數，其物理意義為汽包壓力pb改變一個單位，蒸發受熱面所吞吐的蒸汽量。

式（9－1）表明，測出主蒸汽流量D和汽包壓力pb的變化速度dpb/dt，與一定的蓄熱系數Cb配合,就可得到代表熱負荷Qr的熱量信號，可以迅速反映燃料量的變化。

外擾下主蒸汽壓力的動態特性外部擾動是指電網負荷變化的擾動，圖（a）和圖（b）分別為汽輪機進汽量D和汽輪機調節閥門開度μT

擾動下主蒸汽壓力pT

變化的階躍響應曲線：根據以上熱平衡關系式可得：（9－1）式中Cb46

圖（a）中，主蒸汽壓力pT

在階躍下降Δp0后，一直維持等速下降，為無自平衡能力的被控對象。圖（b）中，主蒸汽壓力pT

在階躍下降Δp0后，下降速度逐漸變慢，最后穩定于一個較低的壓力值，為有自平衡能力的被控對象。圖（a）中，主蒸汽壓力pT在階躍下降Δ47（二）煙氣含氧量的動態特性

煙氣含氧量O2是影響燃燒過程經濟性的重要指標，主要通過改變進入爐膛的送風量V

對煙氣含氧量O2進行調節。送風量V

擾動下煙氣含氧量O2變化的階躍響應曲線為：

由上圖中煙氣含氧量的階躍響應曲線可知，其動態特性具有滯后、慣性和自平衡能力。（二）煙氣含氧量的動態特性煙氣含氧量O2是影響48（三）爐膛壓力的動態特性

爐膛壓力plt

對鍋爐運行的安全性有重要影響，主要通過改變引風量G

對爐膛壓力plt進行調節。引風量G

擾動下爐膛壓力plt

變化的階躍響應曲線為：

在送風量V

和引風量G

的擾動下，爐膛壓力plt

的動態特性慣性很小，可近似認為是比例環節。（三）爐膛壓力的動態特性爐膛壓力plt對鍋499.5鍋爐燃燒過程自動控制的基本方案9.5.1并列運行鍋爐燃燒過程自動控制系統采用母管制的并列運行鍋爐燃燒過程自動控制系統的兩種基本方案如下圖所示：9.5鍋爐燃燒過程自動控制的基本方案9.5.1并列運50上面介紹的兩種控制系統存在以下兩點不足：

不能保證燃料量和送風量的最佳比例，使燃燒處于最佳狀態；

引風量變化落后于送風量，造成爐膛壓力的較大波動。針對以上兩點不足，改進后的并列運行鍋爐燃燒過程自動控制系統如下圖所示：上面介紹的兩種控制系統存在以下兩點不足：不能保證燃料量和送51下圖所示為母管制并列運行鍋爐燃燒過程自動控制系統的原理圖，系統中加入了高、低值選擇器，在負荷變化時可以合理控制風、煤增減順序，以保證調節過程中燃料的完全燃燒：下圖所示為母管制并列運行鍋爐燃燒過程自動控制529.5.2單元機組鍋爐燃燒過程自動控制系統在單元制汽輪發電機組中，鍋爐按運行方式不同可以分為中儲式和直吹式兩種，下面對其對應的燃燒過程自動控制系統分別進行介紹。（一）中儲式鍋爐燃燒過程自動控制系統9.5.2單元機組鍋爐燃燒過程自動控制系統53

熱量信號

熱量信號，是指燃料進入爐膛燃燒時在單位時間內產生的熱量。可以用靜態下的主蒸汽流量D

和動態下的汽包壓力變化速度dpb/dt

表示，其計算公式為：式中:Cb

——

鍋爐的蓄熱系數。

在系統中，以熱量信號代替燃料量信號，不但可以反映燃料量的變化，而且還可以克服燃料單位發熱量變化對燃燒過程的影響，從而提高鍋爐運行過程的穩定性。在鍋爐運行過程中,熱量信號只應該反映燃燒率的變化（內擾）,而不應該反映負荷的變化（外擾）。即熱量信號只與燃燒率的變化有關,而與負荷的變化無關。

熱量信號在燃料量B

和汽輪機調節閥門開度μT

擾動下的階躍響應曲線分別如圖（a）和圖（b）所示：熱量信號熱量信號，是指燃料進入爐膛燃燒時在單54根據前面分析，當燃燒率不變而負荷變化時熱量信號不變，即：負荷變化過程中，在t0～t1時間段內對上式進行積分運算可得：因此鍋爐蓄熱系數Cb的計算公式為：根據前面分析，當燃燒率不變而負荷變化時熱量信號55時間t0～t1期間蒸汽流量

變化的累積量用試驗方法求取鍋爐蓄熱系數Cb時，保持鍋爐燃燒率不變而使負荷作任意擾動，記錄蒸汽流量

D

和汽包壓力pb

變化的曲線如下圖所示：鍋爐蓄熱系數Cb的物理意義為：在燃燒率不變時汽包壓力每變化一個單位，釋放或吸收的蒸汽量。時間t0～t1期間蒸汽流量變化的累積