畢業(yè)設計（論文）燃油蒸汽鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)的設計和仿真

1、燃油蒸汽鍋爐的燃燒控制摘要 工業(yè)自動化涉及的范圍很廣，過程控制是其中最重要的一個分支。它主要針對工業(yè)過程的五大參數(shù)，即溫度、壓力、流量、液位(或物位)、成分和特性等參數(shù)的控制問題。過程控制覆蓋了很多工業(yè)部門，例如石油、化工、電力、冶金、輕工、紡織等部門，在國民經(jīng)濟中所占有的地位極其重要。根據(jù)實際應用領域和工藝過程的不同，所采用的控制方式及其側重點也不相同。而在大量的工業(yè)生產(chǎn)中燃燒都是必要的一環(huán)，從燃燒角度來說，有燃油、燃煤、燃氣的區(qū)別。雖然燃燒的應用場合和燃料可能不同，但燃燒過程的控制都不外是燃燒控制、溫度控制、燃燒程度控制、安全性控制、節(jié)能控制等。本文僅以燃油蒸汽鍋爐為例說明燃燒系統(tǒng)中具有一

2、定普遍性的控制問題。本次課題的目的就是基于生產(chǎn)實際的需求，針對蒸汽壓力控制、燃料空氣比值控制和爐膛負壓控制進行系統(tǒng)框架設計并在matlab環(huán)境下建立模型、進行控制算法的實現(xiàn)研究。其主要采用了matlab中的simulink工具箱進行仿真，通過模擬示波器中的波形來調(diào)節(jié)參數(shù)，改良控制效果。關鍵字： 燃燒控制系統(tǒng)，matlab，過程控制，simulinkthe design and simulation of the combustion control system based on fuel steam boilerabstractindustrial automation involve a

3、very wide range, while process control is one of the most important branches. it mainly refer to control techniques of five industrial processes parameters which are temperature, pressure, and flow, liquid level (or bits), composition and characteristics. process control covers many industries, such

4、 as petroleum, chemical industry, electric power, metallurgy, light industry and textile department.it occupied an extremely important position of the national economy.the control modes and their emphasis depend on the different actual application and process engineering.combustion is essential in t

5、he industrial production.burning speaking, it can be divide into fuel, coal and gas. although burning applications and fuel combustion process may be different, the control of burning process all involve burning control, temperature control and burning level control, safety control, degree of saving

6、 energy control etc. this paper only to take fuel steam boiler combustion system as an example,it illustrates the control problems with certain universality in the combustion system. the purpose of this subject is to design the system framework for steam pressure control, fuel air ratio control and

7、hearth negative pressure based on the actual production needs, also make model in the matlab environment as well as research for the algorithm of control . it mainly uses the matlab and simulink toolbox, adjusting the parameters in terms of the waveform of oscilloscope.as a result, the control effec

8、t improved.key words:,combustion control system,matlab, process control, simulink目 錄摘 要.iabstract.ii前 言.11 緒論-61.1 研究目的及意義-61.2相關領域的研究現(xiàn)狀-6 1.2.1燃油蒸汽鍋爐發(fā)展和現(xiàn)狀-6 1.2.2燃燒控制系統(tǒng)的簡介-8 1.3 論文的章節(jié)安排2 燃油蒸汽鍋爐燃燒控制系統(tǒng)控制原理-62.1 系統(tǒng)基本結構與設備-6 2.2 主要控制技術及要求-10 2.2.1穩(wěn)定蒸汽母管的壓力-12 2.2.2維持鍋爐燃燒的最佳狀態(tài)和經(jīng)濟性-12 2.2.3維持爐膛負壓在一定范圍- 1

9、2 2.2.4鍋爐燃燒系統(tǒng)控制對象的特性-123 蒸汽壓力控制、燃料空氣比值控制和爐膛負壓控制的基本模型建立-14 3.1蒸汽壓力控制系統(tǒng)和燃料空氣比值控制系統(tǒng)基本模型-14 3.2爐膛負壓控制系統(tǒng)-154 matlab環(huán)境下控制算法的研究-18 4.1系統(tǒng)辨識-18 4.2控制系統(tǒng)參數(shù)整定-18 4.3控制系統(tǒng)simulink仿真-245 結 論-28參考文獻-28致謝-29附錄-46譯文及原文-501 緒論1.1 引言鍋爐是重要的工業(yè)設備，應用于煉油、冶金、化工、輕工等行業(yè)。并且鍋爐還是被廣泛的應用于國民經(jīng)濟各個部門的工業(yè)民用設備。隨著鍋爐的大規(guī)模使用，工業(yè)生產(chǎn)的不斷擴大，作為動力和熱源的

10、鍋爐，也向著高參數(shù)、高效率發(fā)展，為了確保安全，保證生產(chǎn)，鍋爐設備的控制系統(tǒng)就顯得愈加重要。由于負荷變化從本質(zhì)上說是非線性和時變的，鍋爐側又存在很大的延遲，負荷適應能力和主蒸汽壓力穩(wěn)定的矛盾一直是鍋爐燃燒自動控制中有待于進一步解決的問題。而且鍋爐燃燒控制系統(tǒng)不同于大多數(shù)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，它不僅存在動態(tài)品質(zhì)調(diào)節(jié)的問題還要考慮到鍋爐的經(jīng)濟燃燒。如何使主蒸汽壓力既具有良好的動態(tài)特性，又能使入爐燃料得以充分燃燒(即高效燃燒問題)，是燃燒優(yōu)化控制的真正內(nèi)涵，也是燃燒過程控制的關鍵。目前，主汽壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制器采用的控制規(guī)律以常規(guī)的基于數(shù)學模型的pid控制為多。自70年代以來，在鍋爐系統(tǒng)的建模和控制方面，從

11、理論和實際應用上進行了深入的探索，包括線性和非線性模型的建立及各種控制方法，如pid控制、自整定控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、最優(yōu)控制、預測控制、預見控制、魯棒控制、容錯控制、反饋線性化控制、多變量頻域控制，以及蒸汽壓力回路的均衡燃燒控制、采用爐膛溫度信號和爐膛輻射能信號為中間被調(diào)量的串級控制、工程中常用的直接能量平衡方法等。1.2 相關領域研究現(xiàn)狀1.2.1燃油蒸汽鍋爐發(fā)展和意義工業(yè)燃油鍋爐的發(fā)展經(jīng)歷了由簡單到復雜、由低參數(shù)到高參數(shù)、由單一品種到系列化產(chǎn)品的發(fā)展過程。隨著材料和制造工藝的提高，鍋爐的結構更加完善，種類日益豐富。工業(yè)鍋爐是一個比較復雜的工業(yè)設備，有幾十個測量參數(shù)、控制參數(shù)和擾動

12、參數(shù)，它們之間相互作用，相互影響，存在明顯的或不明顯的復雜因果關系，而且測控參數(shù)也經(jīng)常變化，存在一定的非線性特性，這一切都給鍋爐的控制增加了難度。鍋爐控制技術的發(fā)展經(jīng)歷了幾個歷史階段:(l)純手動階段在六十年代以前，由于自動化技術與電子技術發(fā)展不成熟，人們的自動化觀念還比較淡薄，這段時期的鍋爐一般采用純手動的控制方式，即操作工人通過經(jīng)驗決定送風、給水、引風、用料的多少，通過手動操作器等方式來達到控制鍋爐的目的。這樣就要求司爐人員必須有豐富的經(jīng)驗，增加了工人的勞動強度，事故率高，更談不上保證鍋爐的高效率運行。(2)自動化單元組合儀表控制階段隨著自動化技術與電子技術的發(fā)展，國外己經(jīng)開發(fā)并廣泛應用了

13、全自動工業(yè)鍋爐控制技術。60年代前期，我國工業(yè)鍋爐的控制技術開始發(fā)展，60年代后期我國引進了國外的全自動燃油工業(yè)鍋爐的控制技術，70年代后期己經(jīng)研制了一些工業(yè)鍋爐的自動化儀表，正式將自動化技術應用于工業(yè)鍋爐控制領域，因而熱效率有所提高，事故率也有所下降。但是，由于采用單元組合儀表靠硬件來實現(xiàn)控制功能，可靠性低，精度不高，而且只能完成一些簡單的控制算法，不能實現(xiàn)一些較先進的算法和控制技術，控制效果仍然不理想。(3)采用微機測控階段隨著電子技術的發(fā)展，高集成度、高可靠性、價格低廉的微型計算機、單板機、單片機、工業(yè)專用控制計算機的出現(xiàn)以及在我國的廣泛應用，為鍋爐控制領域開辟了一片廣闊的天地。運用計算

14、機技術，開發(fā)出高效率、高可靠性、全自動的微機工業(yè)測控系統(tǒng)日益得到重視。80年代后期至今，一國內(nèi)己經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了各種各樣的鍋爐微機測控系統(tǒng)，明顯地改善了鍋爐的運行狀況，但還不夠完善，并對環(huán)境和抗干擾要求較高。(4)智能控制理論的廣泛應用階段由于現(xiàn)代控制理論的發(fā)展以及在各方面的應用，解決了傳統(tǒng)控制理論難以解決的問題，給工業(yè)過程控制帶來了嶄新的應用前景，并取得了前所未有的效果，成為目前正在迅速發(fā)展的一個領域。各種形式的控制系統(tǒng)、智能控制器不斷地開發(fā)和利用。目前常用的有:多級遞階智能控制;專家控制系統(tǒng)與專家控制器;仿人智能控制器;自尋優(yōu)模糊智能控制系統(tǒng);自學習控制系統(tǒng);基于神經(jīng)網(wǎng)絡的控制系統(tǒng)。除此之外還

15、有綜合了幾種控制形式的混合式智能控制器(或系統(tǒng))等多種形式，如以模糊控制為基礎的專家模糊控制系統(tǒng)，最常見的是以常規(guī)pid數(shù)字控制為基礎，通過專家系統(tǒng)在線實時整定pid控制參數(shù)，即所謂的智能(或專家)自適應pid控制器。通過對我國鍋爐控制現(xiàn)狀的分析，在硬件方面，很多鍋爐的控制仍然使用常規(guī)儀表、繼電器作為主要的控制手段，需要過多的人為參與，即使現(xiàn)在的儀表不少已趨于智能化，但對其使用也主要局限在檢測方面;在軟件方面，傳統(tǒng)的pid控制算法己經(jīng)不適合像鍋爐這樣的非線性、時變、多變量禍合的復雜系統(tǒng)。鍋爐耗費大量燃料的同時，還耗費了大量的電能，如何提高鍋爐熱效率問題，一直是專家學者所關注的問題。因此，總結國

16、內(nèi)外鍋爐控制經(jīng)驗，結合我國鍋爐應用的具體實際，設計出適合的鍋爐控制硬件系統(tǒng)，并應用現(xiàn)代控制理論、先進控制算法，提高鍋爐控制的自動化水平，使鍋爐控制實現(xiàn)自動控制、提高鍋爐的工作效率、合理利用資源，達到鍋爐控制系統(tǒng)安全、節(jié)能、環(huán)保運行的目的，不僅具有很高的學術研究價值，而且具有顯著的經(jīng)濟效益和深遠的社會效益。 1.2.2 燃燒控制系統(tǒng)簡介 現(xiàn)代燃燒控制系統(tǒng)指在無人直接參與情況下通過自動化儀表和自動控制裝置(包括計算機和計算機網(wǎng)絡)完成熱力過程參數(shù)測量、信息處理、自動控制、自動報警和自動保護。它的范圍極其廣泛，包括了主機、輔助設備、公用系統(tǒng)的自動化。而其中最重要的是鍋爐、汽輪發(fā)電機組運行的自動化，它

17、大致包含四個基本內(nèi)容:1、自動檢測 指熱力過程中溫度、壓力、流量、液位、成分等熱工參數(shù)的測量由自動化儀表來完成。自動檢測的熱工參數(shù)是監(jiān)督火電廠機組是否正常運行的依據(jù)，是隨時調(diào)整自動控制作用的根據(jù)，也是機組進行經(jīng)濟核算、事故分析、自動報警等的數(shù)據(jù)來源。2、自動調(diào)節(jié)一般指正常運行時，操作的自動化，即在一定范圍內(nèi)，自動地活應外界負荷變化或其他條件變化，使生產(chǎn)過程自動進行。鍋爐的自動調(diào)節(jié)，主要包括以下四個部分的控制:(1)汽包液位的控制:控制汽包液位高度在一個能保證鍋爐安全運行的位置，水位過高會影響汽水分離，產(chǎn)生汽帶水現(xiàn)象;水位過低會影響汽水循環(huán)，使金屬局部過熱而爆管，導致重大事故。因此，必須對汽包水

18、位進行自動調(diào)節(jié)，把水位嚴格控制在規(guī)定范圍內(nèi)。(2)汽包蒸汽壓力控制:維持蒸汽壓力恒定，蒸汽壓力是衡量鍋爐的蒸汽生產(chǎn)量與負荷設備的蒸汽消耗量是否平衡的重要指標，是蒸汽的重要工藝參數(shù)。蒸汽壓力過低或過高，對于金屬導管和負荷設備都是不利的。壓力過高，會加速金屬的蠕變，導致鍋爐受損;壓力過低，就不可能提供給負荷設備符合質(zhì)量的蒸汽。因此，控制蒸汽壓力是安全生產(chǎn)的需要，也是保證燃燒經(jīng)濟性的需要。(3)最優(yōu)燃燒控制:即最優(yōu)空氣燃料比控制，在保證鍋爐汽壓穩(wěn)定的前提下，調(diào)節(jié)爐排轉速和鼓風量的配比，以使鍋爐燃料得以充分燃燒，達到最優(yōu)燃燒。(4)爐膛負壓控制:負壓控制即控制引風量使鍋爐運行在負壓狀態(tài)下，避免鍋爐爐膛

19、向外噴火，同時也避免鍋爐熱量因為正壓而被過多地隨排放的尾氣排放，保持鍋爐燃燒的經(jīng)濟性。3、遠方控制及程序控制: 遠方控制是通過開關或按鈕，對生產(chǎn)過程中重要的調(diào)節(jié)機構和截止機構實現(xiàn)遠距離控制。程序控制主要是指機組(或局部系統(tǒng)、設備)在啟動、停止、增減負荷、事故處理時的一系列基于邏輯的操作。4、自動保護:是利用自動化裝置，對機組(或系統(tǒng)、設備)狀態(tài)、參數(shù)和自動調(diào)節(jié)進行監(jiān)視，當發(fā)生異常時，送出報警信號或切除某些系統(tǒng)和設備，避免發(fā)生事故，保證生命和設備的安全?；痣姀S的自動保護對象主要有鍋爐、汽輪發(fā)電機本體、輔助設備、局部工藝系統(tǒng)以及自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。大型火電廠自動化的任務是保證機組安全運行，提高機組生產(chǎn)

20、效率，滿足電網(wǎng)負荷要求，降低操作人員的勞動強度，因此要具有相應的自動化措施與之相適應: 1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(data acquisition system, das)廣義稱為計算機監(jiān)視系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集與顯示、制表打印、報警、在線性能計算、操作指導。2、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(coordination control system ccs)或模擬量控制系統(tǒng)(modulating control system mcs):通過控制回路協(xié)調(diào)汽輪機和鍋爐工作狀態(tài)，同時給鍋爐自動控制系統(tǒng)和汽輪機自動控制系統(tǒng)發(fā)出指令，以達到快速響應負荷變化的目的，盡最大可能發(fā)揮機組的調(diào)頻、調(diào)峰能力，穩(wěn)定運行參數(shù)。它通常指機、爐閉環(huán)控

21、制系統(tǒng)總體，及其相關子系統(tǒng)。3、鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(furnace safeguard supervisory system,fsss)或燃燒器管理系統(tǒng)(burner mangement system, bms):主要功能是保護鍋爐爐膛的安全，避免發(fā)生爆炸事故，以及監(jiān)視鍋爐內(nèi)工況，對氣、油、燃燒器進行遙控或程控管理。4、順序控制系統(tǒng)(sequence control system, scs):在生產(chǎn)過程中，對某工藝系統(tǒng)或某大型主設備及有關的輔助設備群，包括電動機、閥門、檔板的啟動、停止、和運行中的事故處理，按預先制定的序列(時間、判據(jù)等)進行相關和有序的邏輯控制。順序控制系統(tǒng)遞階式結構，包括

22、:機組級、組級順控、子組級順控和設備級控制等四級組成，實現(xiàn)整個機組中各主要設各的監(jiān)視操作、順序啟停和聯(lián)鎖保護等功能。機組級是最高一級的順序控制，也稱機組自啟停系統(tǒng)，它能在少量人工干預下自動完成機組的啟停。功能組級是操作人員發(fā)出功能組啟動指令后，同一功能組的相關設備按預先規(guī)定的操作順序和時間間隔自動啟動。以完成生產(chǎn)流程的一個特定功能目標。根據(jù)命令請求可以自動完成這些相關子組和設備的自動順序操作聯(lián)動、成組試驗以及備用設備的選擇和自動切換等。子組級順控是將某臺輔機及其附屬設備(如潤滑油系統(tǒng)、相關擋板、閥門)作為一個整體進行控制。設備級(又稱驅動級)控制包括了單臺設備的基本控制回路和聯(lián)鎖保護邏輯。1.

23、3 文章論文章節(jié)安排本論文各章的組織結構如下：第1章 為緒論部分。主要介紹了論文的研究背景，介紹了燃油蒸汽鍋爐和燃燒控制系統(tǒng)的問題描述，研究意思，并對系統(tǒng)的一些特點進行了簡單介紹和分析。第2章 為系統(tǒng)控制原理的研究，介紹了系統(tǒng)設備和結構以及主要技術還有要求。第3章 為控制基本模型的建立，分三部分給出主要原理圖和框圖。第4章 為matlab環(huán)境下控制算法研究，通過simulink工具得出了各部分的波形。第5章 為展望和總結，對得出波形進行分析，并提出以后的研究方向。 2 燃油蒸汽鍋爐燃燒控制系統(tǒng)控制原理2.1 系統(tǒng)基本結構與設備 (l)汽包由上下鍋筒和三組沸水管組成。水在管內(nèi)受外部煙氣加熱，發(fā)生

24、自然循環(huán)流動，并逐漸汽化，產(chǎn)生的飽和蒸汽集聚在上鍋筒。為了得到干度比較大的飽和蒸汽，在上鍋筒中還裝設汽水分離設備。下鍋筒主要用于連接沸水管，同時還用來儲存水和水垢。 (2)爐膛是使燃料充分燃燒并釋放熱量的設備。得到的高溫煙氣依次經(jīng)過各個受熱面，將熱量傳遞給水以后，由煙囪排至大氣。 (3)過熱器是將鍋爐所產(chǎn)生的飽和蒸汽繼續(xù)加熱為合格蒸汽的換熱器件，亦稱為過熱蒸汽換熱器。 (4)空氣預熱器是繼續(xù)利用煙氣余熱，加熱燃料燃燒時所需的空氣的換熱器件。通常大、中型鍋爐均設有空氣預熱器，小型鍋爐由于力求簡單，一般不采用空氣預熱器。為保證正常工作，鍋爐還必須有一些輔助設備，包括以下幾部分: (l)引風設備:包

25、括引風機、煙囪、煙道幾部分，用它將鍋爐中的煙氣連續(xù)排出。有些小型鍋爐不采用引風機，而只利用煙囪的自然抽力來排除煙氣。 (2)送風設備:由送風機和風道組成，用它來供應燃料燃燒所需要的空氣。 (3)給水設備:由給水泵和給水管組成。給水泵用來克服給水管路的流動阻力和爐筒的壓力，把水送入鍋爐。為了安全，鍋爐房通常要有兩臺以上給水泵，并且采用氣動和電動兩種拖動方式，起著相互備用的作用。 (4)水處理設備:其作用為用來清除水中雜質(zhì)和降低給水硬度，防止鍋爐受熱面上結水垢和腐蝕鍋爐，從而提高鍋爐的經(jīng)濟性和安全性。 (5)供汽設備:由過熱器、減溫器、集汽包、供汽管路等組成。由鍋爐汽包引出的飽和蒸汽，通過過熱器把

26、蒸汽的溫度提高一定程度，由減溫器控制所需溫度，再由蒸汽管道送至用戶。 (6)儀表設備:包括蒸汽、水流量、壓力、溫度、液位指示、給煤、送風等機械和自動調(diào)節(jié)裝置組成。有的用氣壓作調(diào)節(jié)動力，也有的用液壓，還有的用電作調(diào)節(jié)動力。通過儀表和自動記錄的反應，對流量、壓力、溫度、液位指示、給煤、送風、引風等的變化來進行調(diào)節(jié)，達到生產(chǎn)運行的要求。2.2 主要控制技術及要求 鍋爐生產(chǎn)燃燒系統(tǒng)自動控制的基本任務，是使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量適應蒸汽負荷的需要，同時還要保證經(jīng)濟燃燒和鍋爐的安全運行。具體控制任務可概括為三個方面。 2.2.1穩(wěn)定蒸汽母管的壓力 維持蒸汽母管蒸汽壓力不變，這是燃燒過程自動控制的第一項任務。

27、如果蒸汽壓力變了就表示鍋爐的蒸汽生產(chǎn)量與負荷設備的蒸汽消耗量不相適應，因此，必須改變?nèi)剂系墓?，以改變鍋爐的燃燒發(fā)熱量，從而改變鍋爐的蒸發(fā)量，恢復蒸汽母管壓力為額定值。這項控制任務就稱為汽壓控制或熱負荷控制。此外，保持汽壓在一定范圍內(nèi)，也是保證鍋爐和各個負荷設備正常工作的必要條件。穩(wěn)定蒸汽母管的壓力，對于單獨運行的鍋爐相對來說要簡單些，對于并列運行的鍋爐，在一母管上同時有幾臺鍋爐，因而保持母管蒸汽壓力不變，還必須解決好幾臺并列運行鍋爐之間的負荷分配問題。 2.2.2維持鍋爐燃燒的最佳狀態(tài)和經(jīng)濟性維護鍋爐燃燒過程的最佳狀態(tài)和經(jīng)濟性是鍋爐燃燒過程自動控制的第二項任務。燃燒的經(jīng)濟性指標難于直接測量

28、，常用鍋爐煙氣中的含氧量，或者燃料量與送風量的比值來表示。如果能夠恰當?shù)乇３秩剂狭颗c空氣量的正確比值，就能達到最小的熱量損失和最大的燃燒效率。反之，如果比值不當，空氣不足，結果導致燃料的不完全燃燒，當大部分燃料不能完全燃燒時，熱量損失直線上升;如果空氣過多，就會使大量的熱量損失在煙氣之中，使燃燒效率降低。 2.2.3維持爐膛負壓在一定范圍 爐膛負壓的變化，反映了引風量與送風量的不相適應。通常要求爐膛負壓保持在2040pa的范圍內(nèi)。這時燃燒工況，鍋爐房工作條件，爐子的維護及安全運行都最有利。如果爐膛負壓太小，爐膛容易向外噴火，既影響環(huán)境衛(wèi)生，又可能危及設備與操作人員的安全。負壓太大，爐膛漏風量增

29、大，增加引風機的電耗和煙氣帶走的熱量損。因此，需要維持爐膛壓力在一定的范圍之內(nèi)。這三項控制任務是相互關聯(lián)的，它們可以通過控制燃料量、送風量和引風量來完成，對于燃燒過程自動控制系統(tǒng)的要求是:在負荷穩(wěn)定時，應使燃料量、送風量和引風量各自保持不變，及時地補償系統(tǒng)的內(nèi)部擾動，這些內(nèi)部擾動包括燃料的質(zhì)量變化，以及電網(wǎng)頻率變化引起的燃料量、送風量和引風量的變化等。在負荷變化的外擾作用時，則應使燃料量、送風量和引風量成比例的改變，既要適應負荷的要求，又要使三個被控量:蒸汽母管壓力、爐膛負壓和燃燒經(jīng)濟性指標保持在允許范圍內(nèi)。綜上分析，使燃料量與空氣量之間保持一定的比值關系，是確保經(jīng)濟燃燒的根本問題。這就需要正

30、確地測量燃料量和空氣量。對于空氣和氣體、液體燃料流量的正確測量，雖然也存在著一些具體問題，但是，選用合適的方法是可以實現(xiàn)的。在不少場合，用容積消耗量測量氣體和液體燃料的流量，是完全可行并準確可靠的。實現(xiàn)燃燒系統(tǒng)自動控制，通常有兩種方法:()l把鍋爐設備看成是一只熱量計，用測量鍋爐內(nèi)蒸發(fā)量的變化，來間接地監(jiān)視和控制燃燒系統(tǒng)。這樣進行控制，雖然有一定的困難，調(diào)節(jié)誤差比較大，但它是有效和可行的。(2)測量煙氣中的含氧量o2%，比較直接地監(jiān)視和控制燃燒系統(tǒng)。以往人們曾經(jīng)用煙氣中的co2%和co+h2%來監(jiān)視燃燒過程。大家知道，當燃煤的化學組分一定時，co2%才與過?？諝庀禂?shù)成單值對應關系，而在一般情況

31、下，co2量%與空氣過剩系數(shù)沒有一定的單值對應關系，所以靜態(tài)誤差較大，加之測量儀表可靠性較差和容量滯后很大，所以這種方法目前已基本趨于淘汰。煙氣中含氧量o2%與過?？諝庀禂?shù)存在著較好的單值對應關系，靜態(tài)誤差比測co2%的方法小好幾倍。實際上，爐膛中的過剩空氣，在評價整個燃燒過程質(zhì)量時，并不起決定性作用，起決定性作用的是燃料在剩余氧氣中的燃燒條件，即取決于自由氧的相對數(shù)量，所以選擇煙氣中的含氧量來控制空氣和燃料之比，從而控制燃燒過程，是比較合理而可行的，也是大有前途的。 2.2.4鍋爐燃燒系統(tǒng)控制對象的特性鍋爐汽包蒸汽壓力是燃燒系統(tǒng)控制對象的主要被調(diào)量，分析燃燒系統(tǒng)控制對象的動態(tài)特性，是確定燃燒

32、系統(tǒng)自動控制方案的主要依據(jù)。為此，下面分析一下在主要擾動作用下，汽包蒸汽壓力變化的動態(tài)特性。引起蒸汽壓力變化的因素是很多的，如燃料量、送風量、給水量、蒸汽流量以及各種使燃燒工況變化的原因。它的主要擾動是燃料量的改變(稱為內(nèi)擾動)和蒸汽流量的改變(稱為外擾動)。鍋爐在正常運行時，當進入爐膛的燃料量發(fā)生變化，則爐膛發(fā)熱量立即改變，幾乎沒有遲延和慣性，即為比例。而蒸發(fā)部分可以看作是一個儲熱量的容積，反映儲熱量多少的主要參數(shù)是汽包壓力p。當爐膛發(fā)熱量q和蒸汽流量d所帶走的熱量不相等時，汽包壓力p就要發(fā)生變化，其關系式為: 式中q-單位時間內(nèi)鍋爐爐膛發(fā)熱量; d-蒸汽流量(用熱量表示); c-鍋爐蒸發(fā)部

33、分的容量系數(shù)，即汽包壓力變化一個單位時，鍋爐蒸發(fā)部分儲熱量的改變;-鍋爐汽包壓力對時間的變化率。 蒸汽流量改變時對蒸汽壓力擾動稱為外擾。外擾有兩種情況，一種是負荷設備的蒸汽閥門開度改變，另一種是負荷設備用汽量的突然增加(或減少)所產(chǎn)生的。下面就分析兩種情況的擾動下蒸汽壓力變化的動態(tài)特性。如果負荷設備的蒸汽調(diào)節(jié)閥開度突然改變，鍋爐的汽壓也隨即改變。當調(diào)節(jié)閥開度突然開大，則從汽包中流向負荷設備的蒸汽流量d立即增加d。但是由于燃料量沒有增加，因此汽包蒸汽壓力逐漸下降，從汽包中流出的蒸汽量也逐漸減少，最后蒸汽流量只能恢復原值。也就是說燃料量不改變，在平衡狀態(tài)時，鍋爐供應的蒸汽流量也不會改變。至于閥門開

34、度增大后，短時間增加的蒸汽量是依靠鍋爐蒸發(fā)部分儲熱量減少(壓力降低)放出來的。3 控制系統(tǒng)基本模型建立3.1蒸汽壓力控制系統(tǒng)和燃料空氣比值控制系統(tǒng)基本模型燃油蒸汽鍋爐燃燒的目的是生產(chǎn)蒸汽供應其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)使用。一般生產(chǎn)過程中蒸汽的控制是通過調(diào)節(jié)壓力實現(xiàn)的，隨著后續(xù)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)用量不同，反映在燃油蒸汽鍋爐環(huán)節(jié)就是蒸汽壓的波動。維持壓力恒定是保證生產(chǎn)正常進行的首要條件。保證蒸汽壓力恒定的主要手段是隨著蒸汽壓力波動及時調(diào)節(jié)燃燒產(chǎn)生的熱量，而燃燒產(chǎn)生熱量的調(diào)節(jié)是通過控制所供應的燃料量以及適當比例的助燃空氣實現(xiàn)的。因此，蒸汽壓力是最終被控制量，可以根據(jù)生成情況確定；燃料量是根據(jù)蒸汽壓力確定的；空氣供應量根據(jù)

35、空氣量與燃料量的合理比例確定。燃燒爐蒸汽壓力控制系統(tǒng)和燃燒空氣比值控制系統(tǒng)的方案如下圖3.1，3.2所示fc 蒸汽壓力 鍋爐蒸汽壓力檢測 鍋爐 燃燒系統(tǒng)fc 燃料 fc 空氣 3.1燃燒爐蒸汽壓力控制系統(tǒng)和燃料空氣比值控制系統(tǒng)結構簡圖 燃料流量調(diào)節(jié)器被控對象燃料流量與蒸汽壓力 汽被控對象燃料流量量）蒸汽壓力 蒸汽壓力調(diào)節(jié)器給定 -燃料流量檢測與變換系統(tǒng)燃料流量蒸汽壓力檢測變換系統(tǒng)空氣流量調(diào)節(jié)器 被控對象（空氣流量） + _ 空氣流量空氣流量檢測與變換系統(tǒng)3.2燃燒爐蒸汽壓力控制系統(tǒng)和燃料空氣比值控制系統(tǒng)框圖 3.2.爐膛負壓控制系統(tǒng)當鍋爐爐膛負壓力過小時，爐膛內(nèi)的熱煙，熱氣會外溢，造成熱量損失

36、，影響設備安全運行甚至危及工作人員安全；當爐膛負壓太大時，會使外部大量冷空氣進入爐膛，改變?nèi)剂虾涂諝獗戎担黾尤剂蠐p失，熱量損失和降低熱效率。保證爐膛負壓的措施是引風量和送風量的平衡。如果負壓波動不大，調(diào)節(jié)引風量即可實現(xiàn)負壓控制；當蒸汽壓力波動較大時，燃料用量和送風量波動也會較大，此時，經(jīng)常采用的控制方案如圖3.3所示。該方案中以負壓為控制目標，引風量做成控制閉環(huán)，利用前饋控制消除送風量變動對負壓的影響。 送風量逆風對負 壓影響前饋補償 調(diào)節(jié)器負壓給定 負壓測量變換引風與負壓關系引風調(diào)節(jié)器 + + - + + 爐膛負壓 _3.3爐膛負壓控制系統(tǒng)框圖3.4控制系統(tǒng)總框圖4 matlab環(huán)境下控制

37、算法的研究4.1系統(tǒng)辨識(1) 燃燒爐蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制燃燒流量被控對象為： 燃料流量至蒸汽壓力關系為： 蒸汽壓力至燃料流量關系為: 蒸汽壓力至燃料流量關系為： 燃料流量檢測變換系統(tǒng)數(shù)學模型為： 燃料流量與控制流量比值為： 空氣流量被控對象為: (2) 爐膛負壓控制引風量與負壓關系： 送風量對負壓的干擾為： 4.2 控制系統(tǒng)參數(shù)整定 (1)燃燒控制系統(tǒng) 為使系統(tǒng)無靜差，燃燒流量調(diào)節(jié)器采用pi形式，即：其中，參數(shù)kp和ki采用穩(wěn)定邊界法整定。先讓ki=0，調(diào)整kp使系統(tǒng)等幅振蕩，即系統(tǒng)臨界穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)臨界振蕩仿真框圖及其振蕩響應如圖4.1所示： 4.1(a)系統(tǒng)臨界振蕩仿真框圖4.

38、1(b)系統(tǒng)臨界振蕩響應記錄此時的振蕩周期tcr=11s和比例參數(shù)kcr=3.8,則kp=kcr/2.2=1.73，ki=kp/(0.85tcr)=0.18在kp=1.73，ki=0.18的基礎上，對pi參數(shù)進一步整定，燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真框圖如下所示，其中pi模塊的結構如圖4.2(a)所示。調(diào)節(jié)kp=1.1，ki=0.1，系統(tǒng)響應如圖4.2(c)所示，可見系統(tǒng)有約10%的超調(diào)量。4.2(a)pi模塊結構4.2(b)燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真框圖 4.2(c)燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真響應 (2)蒸汽壓力控制系統(tǒng) 在燃料流量控制系統(tǒng)整定的基礎上，采用試

39、誤法整定壓力控制系統(tǒng)參數(shù)。系統(tǒng)整定仿真框圖如圖所示。當ki=0，kp=1時(此時相當于無調(diào)節(jié)器，因此系統(tǒng)最簡單)，仿真結果如圖4.3所示，上圖為系統(tǒng)仿真圖，下圖為階躍輸出。 4.3(a)蒸汽壓力控制系統(tǒng)參數(shù)整定仿真框圖4.3(b)蒸汽壓力控制系統(tǒng)參數(shù)整定仿真結果由仿真結果可以看出，系統(tǒng)響應超調(diào)量約為25%。此時系統(tǒng)調(diào)節(jié)器最簡單，工程上系統(tǒng)響應速度和穩(wěn)定程度都較好。(3)空氣流量控制系統(tǒng) 空氣流量控制系統(tǒng)的整定方法和燃料流量控制參數(shù)整定方法類似，當ki=0.05和kp=0.08時，系統(tǒng)階躍響應如圖4.4所示，其中上圖為階躍響應，下圖為階躍輸入?？梢娤到y(tǒng)響應超調(diào)量約為25%。4.4(a)整定后空氣

40、流量控制系統(tǒng)階躍響應4.4(b)整定后空氣流量控制系統(tǒng)階躍輸入(4)負壓控制系統(tǒng) 負壓控制系統(tǒng)的整定方法和燃料流量控制參數(shù)整定方法類似。當ki=0.05，kp=0.03時，系統(tǒng)階躍響應如圖4.5所示，其中上圖為系統(tǒng)階躍響應，下圖為階躍輸入?？梢娤到y(tǒng)響應超調(diào)量為25%。4.4.5(a)整定后負壓控制系統(tǒng)階躍響應4.5(b)整定后負壓控制系統(tǒng)階躍輸入(5) 負壓控制系統(tǒng)前饋補償整定 采用動態(tài)前饋整定，其前饋補償函數(shù)為： 4.3控制系統(tǒng)simulink仿真(1)無干擾仿真 利用各整定參數(shù)對控制系統(tǒng)進行仿真，框圖如4.6所示。設定蒸汽壓力值為10，爐膛負壓值為5。仿真結果如圖4.7至4.10所示，由上

41、至下依次為蒸汽壓力設定值波形，實際蒸汽壓力與空氣流量波形，負壓變化波形和負壓設定波形。4.6控制系統(tǒng)仿真圖4.7蒸汽壓力設定值波形4.8實際蒸汽壓力與空氣流量波形(紅色為實際蒸汽壓力波形，黃色為空氣流量波形)4.9負壓變化波形4.10負壓設定波形 (2)有擾動仿真系統(tǒng)在三個部分中均加入了幅值0.1的隨機擾動。系統(tǒng)仿真圖如圖4.11所示。仿真結果如圖4.12至4.16所示，由上至下依次為蒸汽壓力設定值波形，實際蒸汽壓力與空氣流量波形，擾動波形，負壓變化波形和負壓設定波形。4.11有擾動系統(tǒng)仿真圖4.12蒸汽壓力設定值波形4.13有擾動蒸汽壓力實際波形4.14擾動波形4.15有擾動負壓變化波形4.16負壓設定波形5 結論與展望5.1總結本文介紹了燃油蒸汽鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)的設計與仿真的研究背景和現(xiàn)狀，并設計出了一套具有普遍可行性的燃燒控制系統(tǒng)，它共分為三個子系統(tǒng)：蒸汽壓力控制系統(tǒng)，燃料空氣比值系統(tǒng)和爐膛負壓控制系統(tǒng)，本文分別對其做了論證和分析。同時，選擇了matlab中的simulink工具箱對整個系統(tǒng)進行仿真。在仿真階段，采用的控制方