毕业设计（论文）单元机组控制系统优化与仿真实现.doc

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1、目 录第一部分 火电机组燃烧控制系统1 引言12 燃烧控制系统分析12.1 燃烧过程的控制任务12.2 燃烧过程的调节量22.3 燃烧过程的控制特点33 送风控制系统分析43.1 送风系统简述43.2 送风控制系统工艺流程53.2.1 一次风系统53.2.2 二次风系统63.3 SAMA图分析63.3.1 送风控制系统组态63.3.2 送风控制系统SAMA图总述73.3.3 二次风压控制103.3.4 氧量校正控制103.3.5 锅炉主控113.4 送风控制系统实验仿真113.4.1 动态特性实验113.4.2 送风系统动给定值扰动实验123.4.3 送风系统动调节量扰动实验134 燃烧优化的

2、概念及目的144.1 国内外燃烧优化控制技术154.1.1 国内燃烧优化技术164.2.2 国外燃烧优化技术174.2 应用中的难点分析185 总结19第一部分 火电机组燃烧控制系统1、引言锅炉燃烧过程是将燃料化学能转变为蒸汽热能的转换过程。燃烧过程控制的任务是使燃烧所提供的热量适应锅炉蒸汽负荷的需要，并保证锅炉安全经济运行。火电厂燃烧控制系统主要由燃料控制系统、送风控制系统和引风控制系统三个子系统组成。燃烧控制系统的作用是及时响应单元机组主控制系统发来的锅炉指令（BD），改变进人锅炉的燃料量和送风量，同时为了保证炉膛负压，及时改变锅炉的引风量，保证机组的能量供需平衡。具体地说，在汽轮机跟随（

3、TF）控制方式下，由燃烧控制系统保证机组的实发功率等于负荷要求指令（LD）；在锅炉跟随（BF）控制方式下，由燃烧控制系统保证主汽压力（Pv）等于汽压给定值（PS）。机组主控系统发出的锅炉指令（BD）作用到燃料控制系统和送风控制系统，保证了燃料量和送风量的静态配比（即风煤比）。送风控制系统除了以送风量（FD）作为送风调节器的主信号外，还接受锅炉指令（BD）经氧量校正信号后的动态前馈风量指令，以加强风量的调节。2、燃烧控制系统分析2.1 燃烧过程的控制任务燃烧控制系统的任务可归纳为以下三个方面：（1）维持蒸汽压力稳定锅炉蒸汽压力作为表征锅炉运行状态的重要参数，不仅直接关系到锅炉设备的安全运行，而且

4、其是否稳定反映了燃烧过程中能量供需关系。汽压控制的任务是维持蒸汽压力为一定值。在单元制运行方式下，由一台锅炉向一台汽轮机供汽，机炉之间存在紧密联系。锅炉的蒸汽压力值与机组的运行状态及运行方式有关。因此锅炉的气压控制与汽轮机的负荷控制是相互关联的。（2）保证燃烧过程的经济性保证燃烧过程的经济性是提高锅炉效率的一个重要方面。目前燃烧过程经济性是靠维持进入炉膛的燃料量与送风量之间的最佳比值来保证。也就是既要保证有足够的送风量使燃料得以充分燃烧，同时尽可能减少排烟造成的热损失。然而在许多情况下，对于进入炉膛的燃料量难以准确测量，加上燃料品种的变化，因此难以确定并维持燃料量与风量之间最佳比值。因而常采用

5、控制烟气中过剩空气系数，以其校正燃料量与风量之间比值的办法，保证燃烧过程经济性。（3）维持锅炉炉膛压力稳定锅炉炉膛压力反映了燃烧过程中进入炉膛的送风量与流出炉膛的烟气量之间的工质平衡关系。炉膛压力是否正常，关系着锅炉的安全经济运行。若送风量大于引风机的引风量，则炉膛压力升高，会造成炉膛往外喷灰或喷火，压力过高时有造成炉膛爆炸的危险。若排风量大于送风量，炉膛压力下降，不仅增加引风机耗电量，而且会增加炉膛漏风，降低炉膛温度，影响炉内燃烧工况。对于燃煤锅炉，为防止炉膛向外喷灰，通常采用微负压运行。对于燃油锅炉，则通常采用微正压运行，以防止炉膛漏风，使烟气中过量空气系数上升，造成过热器管壁腐蚀。2.2

6、燃烧过程的调节量根据控制任务，燃烧控制系统主要调节以下三个物理量：（1）燃料量调节通过调节燃料量使入炉燃料的完全燃烧所产生的量能与锅炉外部负荷需要的量能相适应。（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。由于过剩空气系数还不能直接测量，因此用测量烟气含氧量这一间接指标来判断燃烧经济性，或者直接平衡风与燃料比值来保证燃烧经济性。（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的范围内，一般通过调节引风量使炉膛维持在微负压状态，以保证燃烧过程稳定性。纵观锅炉燃烧过程，上述三项燃烧过程的调

7、节量是不可分割的，它的三个被控参数（即蒸汽压力、最佳空燃比、炉膛负压）与三个调节量（即燃料量、送风量、引风量）间是相互关联的，其中燃料量控制回路是锅炉跟踪外界负荷，送风量控制回路维持锅炉最高的热效率，引风量控制回路保持负压稳定。因此燃烧控制系统内的各子系统应协调动作，共同保证锅炉运行的机动性、经济性、安全性。燃烧控制系统的组成如图1所示：图1 燃烧控制系统组成2.3 燃烧过程的控制特点锅炉燃烧过程的这三项任务是不可分割的，可以用三个调节器控制三个调节量（燃料量、送风量、引风量）以维持三个被调量（主蒸汽压力、过量空气系数或最优含氧量、炉膛压力）。其中主蒸汽压力PT是锅炉燃料热量与汽轮机需要能量是

8、否平衡的指标；过量空气系数是燃料量和送风量是否保持适当比例的指标；炉膛压力是送风量和引风量s是否平衡的指标。燃烧过程三个被调量的调节存在着明显的相互影响。这主要是由于对象内部（各调节量与各被调量之间）存在相互作用，即其中每个被调量都同时受到几个调节量的影响，而每个调节量的改变又能同时影响几个被调量。图2表示了燃烧被控对象调节量对被调节量原影响。所以燃烧过程是一个多输入多输出、且变量间具有相互耦合的被控对象。图2 燃烧对象3、送风控制系统分析3.1 送风系统简述当外界负荷变化需要调节锅炉出力时，随着燃料量的改变，对锅炉的风量也需要做相应的调节，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

9、的是保证锅炉燃烧过程的经济性。在实际运行中，从运行的经济方面来看，在一定的范围内，随着炉内过剩空气系数的增加，可以改变燃料与空气的接触和混合，有利于完全燃烧，使化学未完全燃烧损失和机械未完全燃烧损失降低。但是，当过剩空气系数过大时，则炉膛温度的降低和燃烧时间的缩短（由于烟气流速加快），可能使不完全燃烧损失反而有所增加。而排烟带走的热损失则总是随着过剩空气系数的增大而增加，所以当过剩空气过大时，总的热损失就要增加。此外，随着炉内过剩空气系数的增大，使烟气容积也相应增大，烟气流速也提高，因而使送、引风机的耗电量也增加。从锅炉的安全方面来看，若炉内过剩空气系数过小，则会使燃料燃烧不完全，造成烟气中含

10、有较多的一氧化碳等可燃气体，降低了灰分的溶点因而引起水冷壁结渣。这将会导致锅炉运行恶化，严重时会被迫停炉。由于飞灰对受热面的磨损量与烟气流速三次方成正比，所以当过剩空气系数过大时，将使受热面管子和引风机叶片的磨损加剧，影响设备的使用寿命。此外，过剩空气系数增大时，由于过剩氧量的相应增加，将使燃料中的硫分易于形成三氧化硫，烟气露点温度响应提高，从而使尾部烟道的空气预热器遭到腐蚀。总之，风量过大或过小都会给锅炉的安全经济运行带来不良的影响。锅炉的风量控制是通过送风机进口导向挡板调节的。经调节后送风机送出的风量，经过一、二次风的配合调节才能更好的满足燃烧的需求。一、二次风的风量分配应根据它们所起的作

11、用进行调节。一次风量应满足进入炉膛风粉混合物挥发分燃烧及固体焦碳质点的氧化需要。二次风量不仅满足燃烧的需要，而且补充一次风末段空气量不足，更重要的是使二次风能与刚刚进入炉膛的可燃物混合，这需要有较高的二次风风速，以便在高温火焰中起到搅拌混合的作用。混合得越好，则燃烧得越快越完全。一、二次风还可调节由于煤粉管道或喷燃器的阻力不同而造成的各喷燃器风量的偏差，以及由于煤粉管道或喷燃器中燃料浓度偏差所需求的风量。此外，炉膛内火焰的偏斜、烟气温度的偏差，火焰中心的位置等均需利用风量的调节加以调整。一次风速过高会推迟着火的时间；过低则会烧损喷燃器出口管，并可能造成一次风管内煤粉沉积一直阻塞管道。二次风速过

12、高或过低都可能破坏气流与燃料的正常混合、搅拌，从而降低燃烧的稳定性和经济性。喷燃器出口断面的尺寸及流速决定了一、二、三次风量的百分率。风率的变化也将对燃烧工况有着很大的影响，当一次风率过大时，为达到风粉混合物着火温度所需的吸热量就要多，因而达到着火所需的时间就延长。判断风速和风率是否适宜的标准，首先是燃烧的稳定性，炉膛温度的合理性，以及对过热汽温的影响；其次是比较经济指标。3.2 送风控制系统工艺流程3.2.1 一次风系统火电厂中用于携带煤粉进入锅炉的送风称为一次风。有冷一次风与热一次风之分。由送风机将取自于环境中的空气送入空气预热器中加热，加热的热空气一部分送入磨煤机，用于干燥和输送煤粉，称

13、为热一次风。热一次风用于保证煤粉进入锅炉时既有一定的温度，提高能量利用率。冷一次风用于调节热一次风温，以保证热交换效果到最好。总之，一次风的作用主要是干燥和输送煤粉，包括制粉系统的干燥通风量和磨煤通风量。干燥通风量的作用是向入锅炉原煤提供热量，完成煤炭在磨制过程中干燥作用，维持磨煤机出口温度对应煤量下所需要的通风量。磨煤通风量不但包括干燥通风量，还包括携带和输送煤粉所需的风量。一次风携带的煤粉进入炉膛后通过二次风提供氧气燃烧。一次风主要作用是将煤粉进行干燥并输送至锅炉燃烧器,同时供给煤粉着火阶段挥发分燃烧所需要的氧量。一次风系统设备连接关系示意图如图3所示。图3一次风设备连接关系示意图3.2.

14、2 二次风系统二次风是通过燃烧器的单独通道送入炉膛的热空气，进入炉膛后才逐渐和一次风相混合。二次风为碳的燃烧提供氧气，并能加强气流的扰动，促进高温烟气的回流，促进可燃物与氧气的混合，为完全燃烧提供条件。二次风一般由送风机提供，经空气预热器加热。本次操作的模型为实验室双鸭山600MW机组。其二次风系统监控画面如图4所示。图4 送风系统监控画面3.3 SAMA图分析3.3.1 送风控制系统组态送风控制系统的基本任务是为煤粉的输送和其在炉膛内的充分燃烧提供足够的空气量。在电站锅炉燃烧过程中，进入炉膛的总风量分为一次风和二次风两部分。其中一次风负责将燃烧所需的煤粉送入炉膛，由送风控制系统中的一次风压力

15、控制系统通过一次风机进行控制；二次风用于保证煤粉的充分燃烧和燃烧过程的经济性，由送风控制系统中的二次风控制系统通过送风机进行控制。送风控制系统主要用的是比值控制。其简易SAMA图如图5所示。图5 简易燃烧系统SAMA图从图5可知，根据送风控制系统的任务可知，送风控制就是说要保证燃烧过程中有合适的燃料与风量的比例，使炉膛里的燃烧为富氧燃烧，从而使得达到经济燃烧的目的；通过煤量确定送风量的给定值，再与实际风量求偏差，用PID进行调节。在燃料控制系统中，主蒸汽压力与主蒸汽压力设定值经过一个PID控制器，其输出为锅炉主控指令，然后经过一个函数转换器作为送风控制PID控制器的设定值。在送风系统中氧量作为

16、风量实际值的修正，送风系统PID的输出经过两个手操器去控制送风机A与送风机B的动叶开度，从而维持炉膛内合适的过剩空气系数。3.3.2 送风控制系统SAMA图总述本次仿真实验是采用双鸭山火电厂600MW为模型。其锅炉主控SAMA图与二次风压SAMA图如图6、7所示。从图7可知，此SAMA图位于5号站的135页，5号站#13574、#13576模块为一个取大模块，5号站#1353、#13575是两个一阶惯性的低通滤波器模块。锅炉主控指令与总燃料量指令经过滤波、取大模块保证了在负荷要求变大时做到先加风后加煤，在负荷要求变小时做到先减煤后减风的要求。5号站#13577是一个函数转换器模块，锅炉主控指令

17、与总燃料量指令经过滤波，然后经过#13577模块与氧量修正模块后转换成风量信号作为送风控制系统PID的设定值(SP)，其中#1354模块为设定值发生器模块，在A、B送风机有一个送风机处于自动状态时可以通过此模块直接对风量的设定值进行设置。#13540为一个低通滤波模块，总风量经过此模块作为PID的实际值与风量设定值做偏差。#1352为送风控制系统的PID调节器，输出经过两个手操器，其中#1357为送风机A的手操器，#13515为送风机B的手操器，在手动状态下可以直接利用此模块对送风机的阀门开度进行设置，然后输出送风机A、B的动叶开度，进而维持炉膛内合适的含氧量。其中氧量校正的SAMA图如图8所

18、示。送风控制系统为了保证最佳空气/燃料比， 通常用烟气中含氧量来对实测风量进行校正。通常烟气中含氧量最佳给定值是锅炉负荷变化的函数，随着负荷的增加，烟气中最佳含氧量会减小。当氧量控制M/A站在自动方式时，烟气中含氧量的测量值和氧量设定值的偏差经氧量校正调节器、函数发生器f(x)输出的信号用于对总风量信号进行校正。#1387函数发生器f(x)起标度变换作用，即将0-100%的变化信号转换成0.85-1.15变化范围的校正系数。#1385为氧量校正的PID控制器，其中PID的限幅为0.85-1.15。#13810为氧量校正的手操器，在手动方式下可以通过此模块直接输出氧量的修正系数对总风量进行修正。

19、其中，送风控制系统示意图如图9所示。图6 锅炉主控SAMA图图7 二次风压SAMA图图8 氧量校正SAMA图图9 送风控制系统示意图3.3.3 二次风压控制（5号站135页）（1） 风煤交叉限制为了在机组增、减负荷动态过程中，使燃料得到充分燃烧，就要保证有足够的风量。需要保持一定的过量空气系数，因此，在机组增负荷时，就要求先加风后加煤；在机组减负荷时，就要求先减煤后减风。这样就存在一个风煤交叉限制。模块135-41锅炉主控大于模块135-73实际的总燃料量（即加负荷）时，通过模块135-74大选模块选择锅炉主控，然后经过滤波，函数转换等送入模块135-2PID作为其设定值SP，使得总风量先增加

20、。当模块135-41锅炉主控小于模块135-73实际的总燃料量（即减负荷）时，通过模块135-74大选模块选择实际的总燃料量，然后经过滤，函数转换等送入模块135-2PID作为其设定值SP，使得风量先保持不变，待总燃料量减小到小于锅炉主控后，锅炉主控经大选模块等一系列模块后送入PID作为设定值，然后才使得风量减小。这样便可以始终使风大于煤。（2） A、B送风控制总风量经过滤波模块后送入模块135-2PID作为其实际值PV，经PID模块后，经模块135-7M/A手自动切换模块、限幅模块等一系列模块后作为送风A、B的控制信号来控制A、B挡板开度。3.3.4 氧量校正控制（5号站138页）锅炉燃烧过

21、程的重要任务之一是维持炉内过剩空气稳定，以保证经济燃烧。炉内过剩空气稳定，对燃煤锅炉来说，一般是通过保证一定的风煤比来实现的，这种情况只有在煤质稳定时，才能较好地保持炉内过剩空气稳定，而当煤质变化，就不能保持炉内过剩空气稳定，不能保持经济燃烧。 要随时保持经济燃烧，就必须经常检测炉内过剩空气系数或氧量，并根据氧量的多少来适当调整风量，以保持最佳风煤比，维持最佳的过剩空气系数或氧量。所以，送风调节系统常采用氧量校正信号。由A侧、B侧空预器入口烟气含氧量、锅炉主控指令控制氧量调整指令。A侧、B侧空预器入口烟气含氧量经过运算送入模块138-5PID作为其实际值PV，锅炉主控指令经过函数转换等送入模块

22、138-5PID作为其设定值SP，然后经过限幅等一系列动作输出作为氧量校正控制。氧量校正限制在0.85到1.15之间。3.3.5 锅炉主控（7号站6页）调节压力，两个PID控制器。第一个PID。LDC与功率偏差一路经过函数转换，与主汽压力设定值、一次调频压力修正输出求和，作为PID的设定值SP；一路经过函数转换与滤波，再由反踢触发逻辑指令控制产生的值，与从负荷目标与功率偏差经过函数转换与滤波，再由正踢触发逻辑指令控制产生的值，三路求和（模块6-11）送入PID作为前馈信号FF；主汽压力作为PID的实际值PV。第二个PID。速度级压力通过中值选择（MED，模块6-19），经滤波与主汽压力通过一个

23、除法器，再和主汽压力设定值相乘，经滤波后，一路经函数转换与限速（模块6-27）送入模块6-11；一路与主汽压力求差判断偏差大小；一路经函数计算送入PID作为前馈信号FF。主汽压力设定值作为PID的设定值SP，主汽压力作为PID的实际值PV。两个PID的输出值，通过协调方式逻辑指令控制输出（模块6-32）。然后与状态反馈输出，焓值修正值求和，送入手自动切换模块6-57，产生锅炉主控信号，或是锅炉主控手动逻辑信号。燃料主控手动逻辑指令控制总燃料量或是RB燃料指令输出，然后与锅炉主控信号经限幅模块6-34，输出锅炉主控输出信号。为最大限度地降低锅炉的迟滞和惯性对升降负荷的影响, 在锅炉主控回路中加入

24、了预给煤运算逻辑，当升降负荷的逻辑信号置位时，给出一个额外的加或减煤量的指令，经若干时间该信号消失，该信号的作用为“正踢”( 相当于初始冲量)；当升降负荷的逻辑信号复位时, 在预给煤的运算逻辑中设计了一个“反踢”( 类似于“刹车器”)，即给出一个额外的减或加煤量的指令，用以防止锅炉汽压的“过调”。3.4 送风控制系统实验仿真3.4.1 动态特性实验动态特性实验的目的主要是为了观察一下系统在PID控制器均断开的情况下，当给系统施加一个扰动时，系统会如何反应，进而从系统相应的曲线中总结出系统的一些特性，对系统特性有一个大致的了解。烟气含氧量是影响燃烧过程经济性的重要指标，主要通过改变送风机动叶开度

25、进而改变进入炉膛的送风量，从而对烟气含氧量进行调节。在做动态特性实验时A，B送风机动叶调节阀门均切手动，A送风机调节阀开度由初始的45.3增大到50.0，观测送风量实际值（红色曲线）与设定值（黄色曲线）的变化趋势如图10所示。图10 送风系统飞升曲线由图可知，当A送风机调节阀开度增大后，送风量实际值与设定值均增大并最终达到新的稳定值。由图中送风量的阶跃响应曲线可知，其动态特性具有滞后、惯性和自平衡能力。3.4.2送风系统动给定值扰动实验给定值扰动实验的目的主要是观察系统在设定值改变的情况下，是否能通过PID调节器的控制作用使得被控量送风量最终能够跟踪上设定值。当调节效果不好时，通过多次调节PI

26、D调节器中各个参数，最终使得调节效果达到最好状态。A，B送风机动叶调节阀门均自动，锅炉主控切手动，然后将它的输出由开始的240.42增大到260，观测送风量实际值（红色曲线）与设定值（黄色曲线）的变化趋势如图11所示。此时，因为锅炉主控切手动，所以系统处于汽机跟随方式，锅炉控制系统控制机组功率，汽机控制系统控制主汽压力。当锅炉主控给定值有扰动后，送风量随之变化，并经过超调振荡之后趋于稳定。超调量、衰减率、稳态误差等与PID调节器的调节参数有直接的关系。图11 送风系统给定值扰动5号站135页135-2PID模块参数设置为：比例带170，积分时间为130，微分时间为0。超调量衰减率动态误差可见，

27、调试指标均中，超调量大于20%，未能满足要求，衰减率，动态误差满足要求。PID调节器参数未能设置的很好，还需要进行相应的调节改进。3.4.3送风系统动调节量扰动实验调节量扰动实验的目的主要是为了测试前面我们通过给定值扰动实验调节的PID参数是否能起到较好的调节作用。A送风机动叶调节阀门切手动，开度由初始的45.3增大到50.0，B送风机调节阀处于自动，观测送风量实际值（红色曲线）与设定值（黄色曲线）的变化趋势如图5所示。图12 送风系统调节量扰动可以看出，当A送风机动叶调节阀门开度增大时，为了保持送风量保持恒定，B送风机动叶调节阀门开度在A送风机动叶调节阀门动作之后随之相应的减小，从而去控制送

28、风量，最终使送风量维持恒定。但是B送风机动叶调节阀门开度并没有随着A送风机动叶调节阀门开度的突然变化而立即减小同样的幅度，而是经过缓慢调节最终达到稳定状态，因为A调节阀门开度是在手动状态下给的扰动，所以会立即的改变开度，而B调节阀门开度是自动状态，它是经过PID控制器控制开度的，PID控制器输出不会突变，所以会慢慢变化，最终达到稳定状态。4 燃烧优化的概念及目的电站锅炉燃烧具有非线性、大滞后、强干扰、紧耦合等特性，是一个时刻变动的十分复杂的动态过程。图13为锅炉的节能减排原理。燃烧效率1.00空气不足，燃烧不充分，冒黑烟空气过剩，NOx污染增加空气量（%）理论空气量最优燃烧区热效率过剩空气排热

29、损失不完全燃烧热损失1.10图13 锅炉的节能减排原理锅炉燃烧优化技术是根据锅炉燃烧对应的煤种和负荷，通过对锅炉燃料供给和配风参数的调整，以及对其控制方式的改变等，保证送入锅炉炉膛内的燃料及时、安全、稳定和连续地燃烧，并在满足机组负荷变动需要的前提下，获得最佳燃料工况的燃烧调整方式，以提高锅炉效率，降低发电煤耗，实现锅炉经济环保安全运行。进行燃烧优化调节的目的是：在满足外界电负荷需要的蒸汽数量和合格的蒸汽品质的基础上，保证锅炉的安全性和经济性。4.1 国内外燃烧优化控制技术目前，寻找实用有效的锅炉燃烧优化技术一直是国内外学者研究的热点和难点，该领域的研究文献较多，主要分为以下几个方面：（1）

30、基于燃烧优化调整试验的研究通过锅炉燃烧优化调整试验可以寻求合理的风煤配比，确定锅炉燃烧系统的最佳运行参数，并提出合理的计算机控制曲线，用以指导运行操作。在运行期间，可以针对特定的目的进行燃烧调整试验，寻求锅炉的优化燃烧技术。（2） 基于燃烧理论建模技术的研究通过对燃烧理论建模和求解方法的深入研究，对炉内燃烧过程进行数值模拟。（3） 基于燃烧设备层面的设计与改造研究主要是基于燃烧技术的理论研究，通过锅炉改造，特别是燃烧器的优化设计、改造来实现锅炉的燃烧优化调整。（4） 基于检测技术的燃烧优化研究利用炉膛火焰检测技术、锅炉排放物检测技术、风煤在线测量技术以及煤质在线分析技术等对影响锅炉燃烧的重要参

31、数进行检测分析来实现锅炉的燃烧优化。这类燃烧技术现在已经占据了主导地位。（5） 基于控制技术和人工智能技术发展的锅炉燃烧优化技术通过采用先进的控制逻辑、控制算法或人工智能技术、实现锅炉的燃烧优化，随着人工智能技术的逐步成熟和工业上成功的应用，这类燃烧优化技术正在迅猛发展。4.1.1 国内燃烧优化技术国内早期燃烧优化技术的研究主要为锅炉烟气含氧量的优化控制研究。烟气含氧量代表了锅炉燃烧的风煤比，是影响锅炉燃烧效率和污染排放的关键参数。早期的燃烧优化控制主要以提高锅炉运行效率为目的，由于早期锅炉效率不可在线测量，因此很多研究采用了烟气中CO含量与锅炉效率的关系作为间接寻优烟气氧量的依据。这类控制系

32、统简单，有效，但是比较粗糙，实际应用很少。国内另一种可以被称为燃烧优化控制的技术为闭环均衡燃烧控制系统（BCCS）。传统的燃烧控制系统的主要任务是保证进入锅炉炉膛的燃料总量与机组所需的燃料量相符，但这并不能确保燃料能平均分配至锅炉的每个燃烧器。燃料分配的非均衡性造成了燃烧的不稳定、炉膛火焰中心的偏移以及水冷壁的结焦等现象。均衡燃烧控制系统能在风粉浓度在线监测系统基础上，通过对每个给粉机转速进行控制，较好地解决上述问题。该系统是由以主蒸汽压力为被调节量、总给粉量（燃料）为调节手段的主调节系统和以煤粉浓度为被调节量、给粉机转速为调节手段的若干个副调节系统组成的一个闭环控制系统。工作原理图如图14。

33、图14 均衡燃烧控制系统工作原理图由于该控制系统采用一次风管煤粉浓度作为反馈信号，增加独立的煤粉浓度控制回路，不但可消除煤粉浓度变化增加的扰动，增加主蒸汽压力控制的稳定性，同时可保证每层燃烧器风速、煤粉浓度平衡，达到优化燃烧的目的。国内各高校和研究机构目前也开始对相继出现了一些燃烧优化系统，比如有西安热工研究院的锅炉燃烧优化指导系统、清华大学的OCP3系统、浙江大学的基于Internet/Intranet的燃烧优化系统、东南大学的BCOS-2000/2.0系统等。比如西安热工研究院的锅炉燃烧优化指导系统和DCS控制系统结合实现了闭环控制。东南大学的BCOS-2000/2.0系统，该系统采用了神

34、经网络技术进行建立预测模型，并采用了自适应技术以实现在线修正燃烧优化预测模型。这些产品从某些方面在一定程度上在电厂中得到应用，但是这些技术与国外产品相比相对不够成熟，目前在电厂锅炉机组运行中也没有得到大规模运行。4.1.2国外燃烧优化技术国外对燃烧控制系统的研究较早，目前比较成熟的燃烧优化技术产品如美国Ultramax公司的Ultramax燃烧优化技术、Pegasus公司的Power Perfecter 燃烧优化技术和NeuSIGHT燃烧优化技术、英国Powergen公司的GNOCIS PLUS燃烧优化技术等。美国Ultramax公司的Ultramax燃烧优化技术采用了贝叶斯统计加权非线性回归

35、分析相结合的预测建模方法，可快速精确地辨识出锅炉的运行特性，并在最优化原理指导下快速寻找到最佳的控制量组合。该系统的优化实际上是一个在模型实时更新基础上的稳态优化。该系统的工作原理如图15。.图15 Ultramax系统工作原理图其余三种燃烧优化产品都是基于神经网络技术建立的预测模型。NeuSIGHT系统的主要功能是以跳高锅炉热效率和降低NOx排放为目标的稳态优化。NeuSIGHT系统利用DCS本身具有的数据库的数据作为数据分析的基础, 经过神经网络模型在线分析, 迅速得运行参数的最优值, 然后输出到DCS,DCS系统通过控制偏移量, 进而实现NeuSIGHT对锅炉燃烧的优化控制。但是, 这种

36、燃烧优化控制技术并没有考虑机组运行的动态特性和过程, 所以这种优化也只是稳态优化。该系统的工作原理如图16。图16 NeuSIGHT系统工作原理图Power perfecter系统是美国Pegasus公司另一个锅炉运行优化控制软件, 国外也称它为DeltaE3系统。它基于与NeuSIGHT系统类似的神经网络技术, 并增加了模型预测控制(MPC)技术, 能通过建立多目标的动态优化控制器, 动态调整DCS设定参数与偏置, 实现锅炉燃烧优化动态闭环控制。该系统的工作原理如图17。图17 Power Perfecter系统工作原理图4.2 应用中的难点分析1）测量问题飞灰含碳的测量是锅炉效率计算的关键

37、点，目前国内一般都安装了氧化锆氧量计来进行烟气含氧量的实时测量，但是普遍存在测量误差大、短时间内波动大的问题，这严重影响了锅炉效率计算的准确性和闭环控制的效果，也成为锅炉运行优化控制的一大障碍。要实现No的闭环控制，又要求No的精确和快速测量，要使用烟气分析仪表，但是这种设备的价格比较贵，运行维护工作量大，成为燃烧优化控制的又一个难题。 2）自适应建模很有必要 由于煤质不稳定，再加上锅炉在运行中积灰、结渣以及锅炉检修等因素的影响，导致在性能试验数据基础上建立的锅炉模型失配严重，所以如何利用最新的燃烧数据进行模型的在线自适应修正显得格外重要。 3）如何保证燃烧稳定下实现最大范围的寻优由于近年煤炭

38、资源的紧缺，煤质经常得不到保证，因此燃烧稳定性往往被优先考虑。但寻优范围太广，将可能影响燃烧的稳定性；可燃烧优化控制的寻优范围太窄，优化后效果可能会不明显。这使得燃烧优化控制软件需要对燃烧的稳定性进行充分考虑，而不只是简单的性能目标的寻优问题。5总结通过学习这门课程，我对燃烧控制系统的整体过程结构以及送风、引风、燃烧等主要部分的子系统有了进一步的认识。通过对双鸭山火电厂600MW机组的送风控制系统SAMA图的分析，我对实际电厂的SAMA图有了一定的了解，结合马老师讲授的理论知识，我对火电机组的燃烧过程有了更深的了解，知道了如何做一个系统的动态特性、给定值扰动以及调节量扰动；也知道了如何通过一个

39、系统的动态特性来分析这个系统的特性，了解这个系统的传递函数。在做给定值扰动的时候，是需要对PID的参数进行整定的。原来对PID参数整定的方法，我只有理论的认识，不知道如何结合实际系统进行PID整定。所以在今后的学习中我会结合我所学的理论知识对实际系统进行分析，把自己所学的东西运用到实践中。为期两个星期的学习，时间很短，自己只是对燃烧系统及优化有了表面上浅浅的认识；但经过课程的学习，我了解到了针对燃烧控制仿真软件的一些操作，以及对操作策略逻辑的认识；认识到燃烧优化技术对于锅炉安全、高效和低污染运行的重要作用, 和对于能源可持续发展、环境保护的重要意义。从燃烧优化技术的发展情况可以看到，在取得全方

40、面的诸多成果的同时，仍然有许多问题有待进一步解决。研究燃烧优化技术任重道远，而自己如果要想真正的参与进去研究，储备知识还远远不够，需要进行深入的了解。目 录第二部分 协调控制系统及优化技术1 引言12 火电厂生产过程简介12.1 燃烧系统12.2 汽水系统22.3 发电系统23 单元机组的基本控制方式23.1 锅炉跟随控制方式23.2 汽机跟随控制方式33.3 机炉协调控制方式34 协调控制系统的基本概念44.1 单元机组协调控制的基本概念及任务44.2 单元机组协调控制系统的基本组成及原理44.3 单元机组协调控制系统的分类54.4 协调控制系统的设计64.4.1 以锅炉跟随（BF）为基础的

41、协调控制方式64.4.2 以汽机跟随（TF）为基础的协调控制方式74.4.3 机炉综合型的协调控制方式74.4.4 直接能量平衡84.5 协调控制系统的构成104.6 协调控制系统的SAMA图分析114.6.1 LDC（Load Demand Control）回路114.6.2 锅炉主控114.6.3 汽机主控124.6.4 汽温控制124.6.5 给水控制135 协调控制系统的优化技术136 总结157 参考文献16第二部分 协调控制系统及优化技术1、引言单元机组协调控制系统的被控对象是一个具有强耦合、复杂性、大惯性、大延迟、非线性、时变性等特点的多变量控制系统，因此，火电厂单元机组协调控制

42、系统具有很大的研究意义；同时，随着电力工业的飞速发展，为了实现更高的自动化水平，要求单元机组具有大幅度的快速调峰能力并实现电网的自动发电控制(AGC)。所以，现代电力自动化生产的发展趋势是在单元机组协调控制系统的基础上，组成整个电网级优化管理和协调控制系统。随着电力工业自动化水平的提高，发电自动控制(AGC)对单元机组负荷控制系统的控制品质提出了越来越高的要求。这些要求主要包括：大范围的负荷变动，良好的负荷静态动态跟踪性能、稳定性能等。对于协调控制系统来说，要满足这些要求，需要有3项任务：保证机组输出功率迅速满足电网的要求；迅速协调锅炉、汽轮机之间的能量供求关系，使输入机组的热能尽快与机组的输

43、出功率相适应以及在各种运行工况下，确保机组安全运行。2.火电厂生产过程简介火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气作为燃料生产电能的工厂，它的基本生产过程是：燃料在锅炉中燃烧加热水使成蒸汽，将燃料的化学能转变成热能，蒸汽压力推动汽轮机旋转，热能转换成机械能，然后汽轮机带动发电机旋转，将机械能转变成电能。火电厂是以锅炉、汽轮机、发电机、泵与风机为主体设备的一个整体。它们通过管道或线路相连构成生产主系统，其生产过程简介如下：图1 火电厂生产流程图2.1 燃烧系统燃烧系统是由输煤、磨煤、粗细分离、排粉、给粉、锅炉、除尘、脱硫等组成。是由皮带输送机从煤场,通过电磁铁、碎煤机然后送到煤仓间的煤斗内，

44、再经过给煤机进入磨煤机进行磨粉，磨好的煤粉通过空气预热器来的热风，将煤粉打至粗细分离器，粗细分离器将合格的煤粉（不合格的煤粉送回磨煤机），经过排粉机送至粉仓，给粉机将煤粉打入喷燃器送到锅炉进行燃烧。而烟气经过电除尘脱出粉尘再将烟气送至脱硫装置，通过石浆喷淋脱出硫的气体经过吸风机送到烟筒排入天空。2.2 汽水系统火力发电厂的汽水系统是由锅炉、汽轮机、凝汽器、高低压加热器、凝结水泵和给水泵等组成，他包括汽水循环、化学水处理和冷却系统等。水在锅炉中被加热成蒸汽，经过热器进一步加热后变成过热的蒸汽，再通过主蒸汽管道进入汽轮机。由于蒸汽不断膨胀，高速流动的蒸汽推动汽轮机的叶片转动从而带动发电机。为了进一

45、步提高其热效率，一般都从汽轮机的某些中间级后抽出作过功的部分蒸汽，用以加热给水。在现代大型汽轮机组中都采用这种给水回热循环。2.3 发电系统发电系统是由副励磁机、励磁盘、主励磁机（备用励磁机）、发电机、变压器、高压断路器、升压站、配电装置等组成。发电是由副励磁机（永磁机）发出高频电流，副励磁机发出的电流经过励磁盘整流，再送到主励磁机，主励磁机发出电后经过调压器以及灭磁开关经过碳刷送到发电机转子，当发电机转子通过旋转其定子线圈便感应出电流，强大的电流通过发电机出线分两路，一路送至厂用电变压器，另一路则送到SF6高压断路器，由SF6高压断路器送至电网。3、单元机组的基本控制方式3.1锅炉跟随控制方

46、式锅炉跟随控制方式简称炉跟机控制方式，这种控制方式是先让汽机跟随外界负荷的需要，再让锅炉跟随汽机的需要，因此称为“炉跟机”控制方式。它实质上就是常规的机炉分别控制的方式，在这种方式下，锅炉侧处于自动，汽轮机侧处于手动，汽轮机控制系统控制负荷，锅炉控制系统控制主蒸汽压力。这种方式的优点是充分利用了锅炉蓄热量，使机组能较快地跟踪外界负荷的变化。但由于锅炉的惯性和迟延，主汽压会有较大的波动。这种大幅度波动对锅炉的安全稳定运行是不利的，这就要对机组出力变化的幅度和速度加以限制。因此它适用于参加电网调频的机组。锅炉跟踪方式的原理图如图2所示：图2 锅炉跟随控制方式3.2 汽机跟随控制方式汽机跟随控制方式

47、简称机跟炉控制方式，这种控制方式是先让锅炉跟踪外界负荷的需要，再让汽机跟随锅炉的需要，因此称为“机跟炉”控制方式。在这种方式下，锅炉侧处于手动，汽轮机侧处于自动，汽轮机控制系统控制主蒸汽压力，锅炉控制系统控制机组功率。这种方式的优点是锅炉调节在前，汽轮机调节在后，主汽压力波动很小但是机组功率对外界负荷适应性比较差。原理图如图3所示。图3 汽机跟随控制方式3.3 机炉协调控制方式这种控制方式是将负荷变化和主汽压力变化同时送到两个调节系统中。它既克服了“炉跟机”方式中调用锅炉蓄热量过大而引起主汽压波动太大的问题，又解决的了“机跟炉”方式中根本不动用锅炉蓄热量以致不能较快地响应负荷变化的矛盾，所以这种控制方式既能以较快速度适应外界负荷变化又能保证主汽压力波动较小。原理图如图4所示。图4 机炉协调控制方式4.协调控制系统的基本概念4.1 单元机组协调控制的基本概念及任务单元机组协调控制系统，就是把锅炉和汽轮机、发电机作为一个整体进行综合控制的负荷控制系统，把自动调节、逻辑控制、连锁保护等功能有机地结合在一起，构成了一种具有多种控制功能，满足不同运行方式和不同工况下控制要求，以保证机组的安全经济运行。它是单元制机组的控制中枢，是现代火电厂自动化系统中最为核心的组成部分。它按照电网符合要求指令