- 1 - 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸教师批阅 1 1 引言引言1. 1 课题背景火力发电厂在我国电力工业中占有主要地位，是我国重点能源工业之一，大 型火力发电机组在国内外发展很快，是我国现以 300MW 机组为骨干机组，并 逐步发展 600MW 以上机组。目前，国外已建成单机容量 1000MW 以上的单元 机组。单元发电机组是由锅炉、汽轮发电机和辅助设备组成的庞大的设备群。 由于其工艺流程复杂，设备众多，管道纵横交错，有上千个参数需要监视，操 作或控制，而且电能生产还要求有高度的安全可靠性和经济性，因此，大型机 组的自动化水平受到特别的重视。送风量就是其中一项需要监视的重要参数。 本次设计题目是：600MW 火电机组送风控制系统。1. 2 课题意义锅炉送风量是影响锅炉生产过程经济性和安全性的重要参数。大型锅炉一般 配有两台轴流式送风机，送风量是通过送风机的动叶来调整的。如果送风量比 较大，送风量与燃料量的比例系数 K（最佳比例值）随之增大，炉膛内燃烧将 不会充分，达不到经济性。如果送风量比较小，送风动叶开度就会比较小，临 近送风机的喘振区，喘振危害性很大，严重时能造成风道和风机部件的全面损 坏，而总风量小于 25%时，就会触发 MFT（主燃料跳闸）动作。所以，送风量、 过高或过低都是生产过程所不允许的。为了保证锅炉生产过程的安全性、经济 性，送风量必须通过自动化手段加以控制。因此，送风量的控制任务是：使送 风量与燃料量有合适的比例，实现经济运行；使炉膛压力控制在设定值附近， 保证安全运行。- 2 - 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸教师批阅 2 2 送风自动控制系统送风自动控制系统2. 1 送风量控制系统实现送风量自动控制的一个关键是送风量的准确测量。现代大型锅炉一般分 设一次风和二次风，有些锅炉还有三次风，因此总风量是这三种风的流量之和。常用的风量测量装置有对称机翼型和复式文丘里管。一些简单的测量装置， 有装于风机入口的弯头测风装置和装于举行风道内的挡风板等。 在协调控制中，氧量风量控制是燃烧控制的重要组成部分，其对于保证锅 炉燃烧过程的经济性和稳定性起着决定性作用。在稳态时 根据锅炉主控指令 的要求协调控制燃料量和送风量，保持适当的风煤比，即保证一定的炉膛出口 过剩空气系数 a，在动态调节过程中，必须保证增加负荷时先增加送风量再增 加燃料量，降负荷时先减少燃料量再减少送风量，保证送风量大于给煤量，以 达到空气与燃料交叉限制的目的。由于到目前为止，还没有找到一种有效的方法来准确地测量给煤量信号，工 程实际中一般以烟气含氧量作为给煤量的一种间接反馈信号。烟气含氧量是一 个非常重要的指标。氧量过低，证明燃料没有充分燃烧，浪费燃料又增加了有 害气体排放，氧量过高，使送引风机的耗电量增加，造成烟气中的 Nox、SO2 排放量增多。锅炉运行中，当过剩空气量增多时，不仅使炉膛温度下降，而且 也使最重要的烟气热损失增加。因此，过剩空气量要有一个最优值，即所谓的 最经济燃烧，过剩空气量常用过剩空气系数 a 来表示，即实际空气量 QP 与理 论空气量 QT 之比：A=QP/QT过量空气系数 还可以用炉膛出口烟气中的含氧量 O2来衡量，完全燃烧 情况下空气系数 与 O2的关系为：=21/(21- O2) 由上式可知 和 O2成反比关系，控制 就可以达到控制烟气中含氧量 O2的目的，其中含氧量一般都控制在 5左右，含氧量信号具有时间延迟短， 对判断是否充分燃烧反映快等优点。因此，可将送风调节系统直接看成是氧量 调节的过程送风控制系统一个带有氧量校正的串级回路控制系统，所谓串级回 路控制系统，就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的 设定值，由副控制器的输出去操纵调节阀，从而对主被控变量具有更好的控制 效果。- 3 - 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸教师批阅2. 2 模糊自整 PID 控制器的调节方案 控制策略 常规的 PID 算法为：u(k)=kpE(k)+E(k)+KDEC(k) 其中 E(k)为输入量偏差 EC(k)为偏差变化 Kp、Ki、 Kd 分别表示比例系数、积分系数、微分系数。糊自整 PID 控制器是模糊控制 器与传统 PID 控制器的结合，在常规 PID 控制器的基础之上，根据 E 和 EC（E 和 EC 是输入偏差 e 和偏差变化率 ec 经过输入量化后的语言变量） ，利用 模糊推理思想，PID 控制器参数与进行在线自整定。PID 参数模糊整定模型在不同情况下被控过程的对 Kp、Ki、Kd 三个参数的要求可以归纳为： 1 当E较大时，为了避免系统出现大的超调，须采用积分分离法令 - 4 - 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸教师批阅Ki0；为了让系统有较好的快速跟踪性能，Kp 尽可能取较大值，Kd 尽可 能取较小值。 2 当E中等大时，为了使系统超调量较小，Kp 应该取较小值 Ki 取中等 值。 3 当E较小时，为了使系统具有较好的稳态性能，Kp、Ki 应该取较大值， 为了避免系统出现振荡 Kd 取中等值。改模糊控制系统是一个二输入三输出的，输入语言变量论域为：E (3 3),EC(3 3),Kp(0.5 1),Ki(0 0.5),Kd(0 20).在输入输出语言变量各 自论域上定义了 7 个模糊子集,记为NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB，语言值得模 糊子集取为三角形隶属函数。根据参数自要求可以写出 Kp、Ki、Kd 三个参数 的模糊规则。控制系统建模与仿真使用 Matlab 建立模糊控制规则 在 Matlab 中输入 fuzzy，如图 3 所示。图 3 Matlab 模糊控制系统图对控制系统进行仿真分析，先用凑试法试出控制器最佳的 PID 参数，再对采 用了模糊 PID 控制器的控制系统进行仿真，讲两者结果进行比较。可以看出采 用模糊 PID 控制器的系统响应略快与普通 PID 控制器，但是控制时间只有 30s - 5 - 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸教师批阅比普通 PID 控制器的 80s 大大缩短，并且没超调量而普通 PID 控制器调量 为 10%。仿真结果显示普通 PID 控制器的控制时间为 150s 超调量为 5%,但模糊 PID 的 控制时间为 100s 且超调量为 0，调节品质好于普通 PID。入口扰动仿真 将系 统输入设置为 0，入口扰动设置为 20%再进行仿真。采用模糊 PID 控制系统过渡时间为 80s，优于普通 PID 的 110s。普通 PID 控制系统的过渡时间近 200s，而模糊 PID 的过渡时间 120s。图 4 送风控制系统阶跃响应图图 5 送风调节系统入口扰动响应曲线- 6 - 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸教师批阅2. 3 送风控制系统的分析 热风送粉煤粉炉燃烧控制系统是火力发电机组主要的控制系统之一，而 送风调节系统的调节作用是这一系统能顺利工作的前提，送风调节系统的任 务是通过调节送风机入口挡板,使烟气中的含氧量保持最佳值, 从而保证锅 炉燃烧系统配置最佳定燃比，使锅炉达到最高的热效率。恰使燃料完全燃烧所 需的空气量标为理论空气量，实际上按理论空气量无法达到完全燃烧的目的, 一般总要使送风量比理论空气量多一些。送风系统的被控对象为炉膛，它是惯性和迟延都比较小的自衡对象。调节 量之一为送入膛的空气量，当空气量不变，燃料量增加时，使空气量与燃料量 比值下降，烟气中的含氧量降低，当燃料量不变，空气量增加时，烟气中的含 氧量增加，控制系统应使送风量与燃料量协调变化，以保证经济性。另外，也 有采用锅炉排烟中的氧气量作为调节信号的系统。种系统具有明显的缺点，一 是很难找出能代表整个炉膛含氧量的准确测点，因而样量计测出的信号值得怀 疑。二是氧量计测出的整个炉膛氧量的平均值，不能保证每个燃烧器的完全燃 烧。2. 4 风量控制任务和控制方式风量控制子回路用来满足锅炉主控制器发出的风量请求, 并维持燃烧稳定以 及保证合适的风煤配比, 使锅炉燃烧系统达到最高热效率。入炉总风量等于二 次风量和一次风量之和, 其中一次风量是运行中各台磨煤机入口的一次风量之 和。为了测量精确, 各个风量测量信号均需要经过风温信号的修正。送风控制 系统根据总风量和总风量设定值的偏差给出 2 台送风机各自入口动叶开度的控 制指令。对于超临界直流锅炉机组的直吹式系统设计有总风量与总燃料量信号 之间的交叉限制,以确保锅炉的富氧燃烧。风量控制主要有两种基本方式: 一 种是由送风机调节风量, 二次风挡板调整风箱与炉膛的差压; 另一种是由二次 风挡板调节风量, 送风机调整风箱压力。一般来说, 采用第一种方式的控制系统能够较快获得风量响应, 因为在第二 种方式中, 用二次风挡板调节风量最终也要等送风机出口风压回复到稳态值才 能真正获得风量。2. 5 送风机的控制本文的分析对象是 600 MW 超临界机组, 采用正压直吹式中速磨煤系统,36 只旋流燃烧器分 3 层布置在前后墙, 形成对冲燃烧, 每个燃烧器配备有高能点 火器及点火油枪,另外配 12 只启动油枪作为低负荷稳燃用。燃烧用风分为直流 一次风、直流二次风和旋流三次风。采用每层燃烧器二次风箱配风和每个油枪 中心配风的方式, 在每层二次风风道上各有 2 个测风装置作为计量二次风量用, 每台磨煤机入口配有风量测量装置, 每台磨煤机出口 6 根一次风管道上分别装 有 1 个可调缩孔, 二次风采用热风再循环方式。风烟系统共配备 2 台静叶可 调轴流式引风机、2 台轴流式送风机、2 台的离心式一次风机、2 台离心式密- 7 - 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸教师批阅封风机和 6 台中速辊式磨煤机、6 台电子称重皮带式给煤机。本锅炉机组 采用大风箱配风形式, 每层风室的二次风可以实现远方调节, 三次风挡板可 以通过远方控制实现旋流强度的调节。该机组的风量控制系统采用 2 台各带 50%额定负荷的轴流式送风机, 控 制其动叶开度大小来满足入炉风量要求。送风控制系统风量调节器的给定值为 总风量指令, 测量值为总风量实时信号。当总风量的实测反馈信号与总风量指 令出现偏差的时候, 经过风量调节器输出后作为 2 台送风机动叶开度大小的共 有指令。为了尽快地满足负荷变化的要求, 并保持炉膛压力的稳定, 风量控制 系统中设计有以总风量指令为前馈信号的加速校正信号通道。前馈信号和风量 调节器输出的主信号在加法块中进行综合, 通过切换选择分别向 A、B 送风机 输出自动控制指令。为了使 2 台送风机能够带不同的负荷, 运行操作人员还 可以通过送风机的手自动操作站设定 1 个偏置值。本系统除了完成正常工况下 的串级控制系统内回路调节作用外, 还设计有非正常工况时送风机动叶开度定 向闭锁回路, 以及 2 台送风机分别实现手动操作和手自动相互切换时实现无扰 动的偏差平衡回路。若是炉膛压力异常, 通过大限制块、小限制块以及切换块的限制功能来闭锁 送风机动叶开度指令。例如,当炉膛压力过低时, 切换块的输入端接至 S2 端, 即将切换块的输出值又送回到输入端, 从而将该时刻的信号保持并输入大选块 中,