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毕业设计（论文）

系别

动力工程系

专业班级

自动化专业06K1班

流化床锅炉床温主汽压控制系统的设计与仿真

题目

二○一○年六月

II

华北电力大学科技学院本科毕业设计（摘要）

流化床锅炉床温与主汽压控制系统的设计与仿真

摘要

循环流化床锅炉（简称CFB锅炉）具有燃烧效率高、燃烧适应性广、低污染等独特优点，受到世界各国的广泛重视并得到迅速发展。

但CFB锅炉在理论和实践两方面仍有许多不完善之处，尤其在床温主汽压控制系统方面，大多数CFB锅炉自动化水平不高，有的至今仍采用手动操作，其原因是由于CFB锅炉是一个多参数、非线性、时变及变量紧密耦合的复杂系统。

CFB锅炉很难建立精确的数学模型，如果采用固定参数的常规控制器，当工况发生较大变化时，很难保证控制系统的控制品质。

相关研究设计结果表明，要想取得较好的控制效果必须将有耦合关系的系统经行解耦，因此本文针对CFB锅炉的特殊性，寻找到被控对象的传递函数，对传递函数应用对角矩阵经行解耦，将解耦后的被控对象看做是两个彼此独立的系统，进而设计PID控制器。

通过仿真分析结果表明该方法能够在完成床温主汽压系统解耦的前提下，方便地实现循环流化床锅炉控制优良的静动态特性。

解耦后的控制系统具有较好的抗干扰能力、鲁棒性等。

关键字：

循环流化床锅炉（CFB）；床温主汽压；对角矩阵解耦；PID控制；

Fluidizedbedboilermainsteampressurecontrolsystemdesignandsimulation

Abstract

fluidizedbedboiler（CFBboilerforshort）hasahighcombustionefficiency,combustionandwideadaptability,lowpollutionandotheruniqueadvantagesaretheworldwideattentionandrapiddevelopment.ButtheCFBboilerbothintheoryandinpracticetherearestillmanyimperfections,inparticular,themainsteampressureinthebedtemperaturecontrolsystemcontext,mostofCFBboilerautomationlevelisnothigh,somearestillusingmanualoperations,thereasonisduetoCFBBoilerisamulti-parameter,nonlinear,time-varyingandvariablesystemofcloselycoupledcomplex.CFBboilerisdifficulttoestablishaccuratemathematicalmodel,iftheconventionalcontrollerwithfixedparameters,significantchangesoccurwhentheconditionwasdifficulttoensurequalitycontrolsystemofcontrol.Researchdesignresultsshowthat,inordertoobtainbettercontroleffectrelationshipmustbeacoupledlinesystemhasbeendecoupled,sotheparticularityofthispaperCFBboiler,tofindthetransferfunctionoftheobjectand,ontheapplicationofthetransferfunctionoftheanglematrixbyrowdecoupling,thedecouplingoftheplantisseenastwoseparatesystems,thendesignPIDcontroller.ThesimulationresultsshowthatthemethodcancompletethebedtemperatureinthemainsteampressuresystemisdecoupledunderthepremiseofconvenienceGermanytoachievegoodcontrolofcirculatingfluidizedbedboilerstaticanddynamiccharacteristics.Decoupledcontrolsystemhasgoodanti-jammingcapability,robustness.

Keywords:

circulatingfluidizedbedboiler（CFB）;bedtemperatureofmainsteampressure;diagonalmatrixdecoupling;PIDcontrol;

华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）

目录

华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）

摘要 I

Abstract II

1引言 1

1.1循环流化床锅炉在国外的发展 1

1.2循环流化床锅炉在国内的发展 1

1.3国内引进流化床技术的主要类型 1

1.4循环流化床锅炉（CFBB）的优缺点 2

1.4.1循环流化床锅炉的主要优点 2

1.4.2循环流化床锅炉的缺点 3

1.5论文的选题背景及意义 4

1.6本课题研究的主要内容 4

2循环流化床锅炉原理 5

2.1循环流化床锅炉的结构 5

2.2循环流化床锅炉被控对象特点及控制的难点 6

2.2.1多变量输入、多变量输出 6

2.2.2输入变量、输出变量之间的非线性 6

2.2.3循环流化床形成理论基础——流化态理论 6

2.3循环流化床锅炉控制系统 7

2.3.1主汽压力调节系统 7

2.3.2一次风量调节系统 7

2.3.3二次风量调节系统 8

2.3.4引风量调节系统 8

2.3.5给水调节系统 8

2.3.6主汽温度调节系统 9

2.3.7料层差压控制 9

3循环流化床床温主汽压控制系统 10

3.1影响床温变化的因素 10

3.1.1给煤与床温 10

3.1.2一次风与床温 11

3.2影响主汽压变化的因素 12

3.2.1给煤量对主汽压的影响 12

3.2.2一次风对蒸汽压力的影响 13

3.3循环流化床床温主汽压被控对象 13

3.3.1对角矩阵解耦 14

3.3.3PID控制器的设计 17

3.3.4扰动试验测试 19

3.3.5鲁棒性试验测试 21

3.4结论 22

4结束语 24

参考文献 25

致谢 27

华北电力大学科技学院本科毕业设计（正文）

28

1引言

1.1循环流化床锅炉在国外的发展

1921年12月德国人温克勒发明了第一台流化床，该流化床使用的是粗颗粒床料。

1938年l2月麻省理工学院的刘易斯和吉里兰发明了快速流化床。

循环流化床真正成为具有工业实用价值的新技术是在20世纪50、60年代。

60年代末，德国鲁奇公司（Lurgi）发展并运行了Lurgi／VAW循环流化床锅炉的氢氧化铝焙烧反应器。

1979年芬兰奥斯龙（Ahlstrom）公司生产了20t／h的循环流化床锅炉，1982年德国鲁奇（Lurgi）公司的第一台50t／h的商用循环流化床锅炉投入运行，这标志着作为煤燃烧设备的循环流化床锅炉诞生了。

通常把第一代流化床锅炉称为鼓泡床锅炉（又称沸腾床）；循环流化床锅炉称为第二代流化床锅炉。

两者之间既有联系，也有差别。

随后，循环流化床技术迅速发展起来，尤其在国外发展很快，并向大型化方向发展。

目前国外主要开发研制单位和生产厂家有德国鲁奇公司、芬兰奥斯龙公司、美国巴特尔研究中心、美国福斯特·惠勒公司、德国巴布科克和斯坦缪勒公司、瑞典斯图特斯维公司。

1.2循环流化床锅炉在国内的发展

我国的循环流化床燃烧技术的发展相对较晚，但进步很快。

早在20世纪60年代初就开始发展鼓泡（流化）床锅炉，但循环流化床锅炉的起步却较晚，1981年国家计委下达了“煤的流化床燃烧技术研究”课题，标志着我国循环流化床锅炉的研究和产品开发技术正式启动。

直到1989年11月第一台由中科院与济南锅炉厂共同研制的35t／h循环流化床锅炉在山东明水电厂投入运行。

近几年国内在开发和研制循环流化床锅炉技术方面发展迅速。

中国科学院、清华大学、浙江大学、西安热工研究所、西安交通大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学等科研单位和高校与锅炉厂合作开发和研制出多种技术的35t／h、65t／h、75t／h、120t／h、220t／h中压、次高压及高压循环流化床锅炉。

1991年，锦西热电厂的75t／h循环流化床锅炉投人运行。

1992年哈尔滨锅炉厂与美国PPC公司合作设计和生产国内首台220t／h循环流化床锅炉。

到目前为止，已经投运的最大机组是装在四川内江的进口410t／h（100MW）奥斯龙循环流化床高压电站锅炉。

1.3国内引进流化床技术的主要类型

主要类型：

（以135MW/440T/H机组为例）芬兰奥斯龙技术（如东锅等）水冷式布风板,双炉膛结构,双旋风筒,高温圆型汽冷式分离器,J阀返料器,T型风帽,四台给煤机前墙给煤,锥型阀放渣技术,选择性小流化态风水冷渣方式,旋风筒与大床之间采用双非金属膨胀节连接,循环倍率为20-30。

法国阿尔斯通技术（如上锅等）水冷式布风板,单炉膛结构,双旋风筒,高温圆型绝热式分离器,U阀自平衡返料器,钟罩式风帽,四台给煤机前墙给煤,锥型阀放渣技术,选择性小流化态风水冷渣方式,旋风筒与大床之间采用三个非金属膨胀节连接,分离器锥管,直管段装有防堵风管,循环倍率为20-30。

德国EVT福斯特惠勒技术（如哈锅等）水冷式布风板,双炉膛结构,双旋风筒,高温圆型绝热式分离器,L阀返料器,钟罩式风帽,二台给煤机后墙给煤,锥型阀放渣技术,选择性小流化态风水冷渣方式,旋风筒与大床之间采用双非金属膨胀节,（3个非金属膨胀节）循环倍率为33-40,快速床,薄床压控制。

1.4循环流化床锅炉（CFBB）的优缺点

1.4.1循环流化床锅炉的主要优点

（1）燃料适应性广

这是循环流化床锅炉的主要优点之一。

循环流化床锅炉中按质量百分比计，燃料仅为床料的1％～3％，其余是不可燃的固体颗粒。

如脱硫剂、灰渣或砂。

循环流化床锅炉的特殊流体动力特性使得气一固和固一固混合非常好。

因此，即使是很难着火燃烧的燃料，进入炉膛后由于很快与灼热的床料混合．所以能被迅速加热至高于着火温度，这就决定了循环流化床锅炉不需辅助燃料丽燃用任何燃料。

循环流化床锅炉既可燃用优质煤，也可燃用各种劣质燃料，如高灰煤、高硫煤、高灰高硫煤、高水分煤、煤矸石、煤泥，以及油页岩、泥煤、石油焦、尾矿、炉渣、树皮、废木头、垃圾等。

（2）燃烧效率高

在循环流化床锅炉中．燃烧区域扩展到整个炉膛乃至高温旋风分离器，携带出炉膛的粒子被高温旋风分离器捕集，并直接送回燃烧室下部循环再燃烧。

其燃烧效率要比鼓泡流化床锅炉高，燃烧效率通常在97.5％～99.5％范围内。

在燃烧优质煤时，燃烧效率与煤粉锅炉持平；燃烧劣质煤时，循环流化床锅炉的燃烧效率约比煤粉炉高5％。

（3）利于控制SO和NO的排放

循环流化床燃烧温度一般为900℃左右，采用石灰石作为床料添加剂时，炉内脱硫效果好，在Ca／S为1.5～2.5时可达到90％的脱硫效果；而鼓泡流化床锅炉达到90％脱硫效率则需Ca／S为2.5～3甚至更高。

有时即使Ca／S比更高，鼓泡流化床锅炉也不能达到90％的脱硫效率。

与燃烧过程不同，脱硫反应进行得较为缓慢。

在鼓泡流化床锅炉中，气体在燃烧区域的平均停留时间为1～2S，而在循环流化床锅炉中则为3～4S，停留时间更长，反应较充分。

另外，循环流化床锅炉中石灰石粒径一般为0.1～0.3mm；而鼓泡流化床锅炉中则为0.5～1mm。

粒径小反应比面积大，反应充分。

循环流化床锅炉一般采用分级燃烧。

燃烧温度不高，NO的生成量显著减少，循环流化床锅炉烟气中NO的浓度为50～150ppm。

（4）灰渣综合利用性能好

循环流化床燃烧过程属于低温燃烧，同时炉内优良的燃尽条件使得锅炉的灰渣含炭量低，易于实现灰渣的综合利用另外炉内加入石灰石后，灰渣成分也有变化，含有一定的CaSO和未反应的CaO。

循环流化床锅炉灰渣可以用于制造水泥的掺合料或者其他建筑材料的原料，有利于灰渣的综合利用。

同时低温烧透也有利于提取灰渣中的稀有金属。

（5）负荷调节性能好

循环流化床锅炉由于截面风速高和吸热控制容易，所以负荷调节快。

负荷调节范围可低至10％～25％；负荷调节速度可达（5％～1O％）／min。

1.4.2循环流化床锅炉的缺点

循环流化床锅炉是在鼓泡床锅炉的基础上发展起来的，它几乎可以消除鼓泡床锅炉所有的缺点。

但是最近几年的发展和实践表明，循环流化床锅炉也有其自身的缺点，有待进一步研究解决。

（1）循环流化床锅炉部件的磨损和腐蚀严重

由于循环流化床锅炉内的流速高、颗粒浓度大、为控制NO的排放而采用分级燃烧时，炉膛内存在还原性气体的区域等因素，会造成受热面与吊挂管的磨损与腐蚀，膜式水冷壁的变截面处和裸露在烟气冲刷中的耐火材料砌筑部件亦有磨损，研究表明，磨损与风速的3.6次方成正比，与浓度成正比。

在这方面应注意加强试验以及计算机数值试验方面的研究，以解决循环流化床锅炉发展过程中的这一重大问题。

（2）生成量高

流化床燃烧技术可有效地抑制NO、排放。

但是，又产生了另一个环境问题，即排放问题。

循环流化床燃烧过程中生成量一般达200ppm．比鼓泡流化床锅炉和高温煤粉炉要高很多。

是一种对大气臭氧层有很强破坏作用的有害气体。

近年来的研究结果表明，通过对燃烧工况的调整．能较好地控制的生成量。

（3）耗电量大

循环流化床锅炉的分离循环系统比较复杂，布风板及系统阻力增大，锅炉自身耗电量大，约为机组发电量的7％左右，导致运行费用增加。

（4）床温过高

循环流化床的设计床温一般为850～900℃。

而实际运行中的床温一般在950℃以上，甚至更高。

超过1000℃。

对于易结焦的煤来说，这个问题非常突出。

（5）分离装置和返料机构

以目前循环流化床锅炉的运行情况看，高温旋风离器还是比较成熟的，但燃用高灰燃料时分离器的磨损问题尚未解决，而且分离器的体积也十分庞大，基本上和炉膛直径相近。

受旋风分离器最大尺寸的限制，大容量循环流化床锅炉必须配置多个分离器。

由于旋风分离器内衬有较厚的防磨耐火材料，热惯性大，因此延长了启动时间，负荷变化动态特性变差。

在循环流化床中，被分离下来的固体物料必须通过返料机构送回床内。

但由于返料机构中的温度很高，采用机械阀门之类的调节装置,会很容易产生卡死、转动不灵活等现象，并且还会产生严重的磨损,所以,目前一般采用非机械阀。

总之，开发相应合适的返料机构是非常必要的。

1.5论文的选题背景及意义

循环流化床锅炉作为近年来新发展起来的一门新型锅炉，具有燃烧效率高、燃料适应性广、负荷调节性能好、低污染等许多独特的优点而受到越来越多的关注。

循环流化床锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性，存在强交叉耦合的复杂控制对象，输入参数和输出参数之间存在着许多交叉影响。

对于有耦合的系统，要想达到较好的控制效果，需要对有耦合的部分经行解耦，通用的解耦方法有前馈补偿法、对角矩阵法、单位矩阵法，本文主要应用对角矩阵法解耦，是系统达到目的要求,再应用PID控制。

对于一些回路之间耦合关联严重的系统，应用解耦方法，以解除系统中各输入量和输出量之间的耦合关系，这种方法在实际中也得到了应用，通过计算相对增益，可以确定过程中每个被调量相对每个调节量的响应特性，并以此为依据去够成控制系统，另外，相对增益还可以指出过程关联的程度和类型，以及对回路控制性能的影响。

在生产过程自动化的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方法。

在本世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制以外，它是唯一的控制方式。

此后，随着科学技术的发展特别是电子计算机的发展，涌现出许多新的控制方法，然而直到现在，PID控制由于它本身的优点仍然是最广泛应用的基本控制方式。

1.6本课题研究的主要内容

1.通过收集参考资料，对所选课题的研究意义、现状和发展有一个基本的认识和了解。

2.了解流化床锅炉床温-主汽压控制系统在火力发电机组电力生产过程中的作用、工作原理和需要控制的参数及一般采用的控制手段；

3.了解流化床锅炉-床温主汽压被控对象的动态特性、查阅被控对象的数学模型、提出控制系统设计的难点及需要解决的相关技术问题；

4．知道影响床温主汽压的因素，通过对影响因素的进一步深入了解，设定控制策略。

5.解耦控制算法的研究；

6.基于被控对象数学模型设计具有解耦功能的床温主汽压控制系统，并通过仿真整定控制器参数；

7.通过仿真试验，研究控制系统的稳定性、鲁棒性、抗干扰能力、解耦能力等，给出相应的动态性能指标。

8.独立完成毕业设计任务书提出的内容。

9.掌握利用MATLAB实施控制系统仿真及参数整定的基本方法。

10.通过整个研究设计工作，掌握从事工程技术工作时分析问题解决问题的一般思路和基本方法。

2循环流化床锅炉原理

2.1循环流化床锅炉的结构

循环流化床锅炉是一种利用新型燃烧技术——循环流化床燃烧矿物燃料生产蒸汽的一种装置，具有燃烧适应性强、效率高、脱硫率高、污染物排放量低等优点。

目前，推广循环流化床的主要障碍在于循环流化床锅炉工艺复杂，对其进行良好的自动控制难度较大，因此目前循环流化床锅炉的自动化水平大部分比较低。

图2-1循环流化床的结构图

第一部分由炉膛（又称流化床）、气固分离设备，固体物料再循环设备和外置热交换器等组成，上述部件形成了一个固体物料循环回路。

第二部分为水平烟道，布置有过热器、省煤器和空气预热器等。

煤粉由给煤机进入炉膛，再由从炉膛底部进入的一次风将煤粉送入炉膛中央进行燃烧。

燃烧所需的一次风和二次风分别从炉膛的底部和侧墙送入，燃料主要在炉膛内流态化并呈沸腾状燃烧。

炉膛四周布置有水冷壁管，用于吸收燃烧所产生的部分热量，由气流带出炉膛的固体物料在气固分离装置中被收集并通过返料装置送回炉膛循环燃烧直至烧尽。

烟气经烟道尾部受热面进行热交换，最后通过除尘器由烟囱排入大气。

加入石灰石的目的，是为了在炉内进行脱硫。

石灰石的主要化学成份是CaO，而煤粉燃烧后产生的SO、SO等，若直接通过烟囱排入大气层，必然会造成污染。

加入石灰石后，石灰石中的CaO与烟气中的SO、SO。

等起化学反应，生成固态的CaSO、CaSO（即石膏），从而减少了空气中的硫酸类的酸性气体的污染。

2.2循环流化床锅炉被控对象特点及控制的难点

2.2.1多变量输入、多变量输出

循环流化床是一个非线性、多变量、强耦合的复杂系统，循环流化床锅炉被控对象如下图2-2所示

图2-2

由图2-2可见，循环流化床锅炉被控对象为多变量输入、多变量输出对象。

由于循环流化床锅炉燃烧中，任何一个物理参数（如温度、压力、流量、液位）的改变都会影响到其他物理参数的改变（这在控制理论中称之为耦合性）。

如燃料量（煤粉量）的改变，不仅会影响到炉床温度的变化，也会影响到主蒸汽流量的变化，以及影响到主蒸汽压力的变化和主蒸汽温度的变化。

2.2.2输入变量、输出变量之间的非线性

循环流化床锅炉燃烧过程中，各被控设备的输出物理量对输入物理量的响应有较大的时间滞后特性，以及各被控设备的输出物理量与输人物理量的之间的数学特性为非线性，使得控制运算变得复杂，这样就必然给各物理量的控制带来很大的困难。

2.2.3循环流化床形成理论基础——流化态理论

固定床：

当空气流速不大时，空气穿过床料颗粒间隙由上部出去，而床料高度未发生明显的变化，床料未被流化的状态称为：

固定床，如链条炉。

沸腾床：

当空气流速继续增大时，小气泡聚集成较大气泡不断上移穿过料层并破裂，此时气、固两相混合强烈，如水沸腾状故这时的状态被称为：

鼓泡床或沸腾床。

流化床：

在鼓泡床的基础上继续增大空气流速，床料内气泡消去，气、固两相混合更加强烈，看不清料层界面，但床内仍然存在一个密相区和稀相区，下部密相区的床料浓度比上部稀相区的床料浓度大得多，在上移过程中床内中间的浓度小于四壁附近的物料浓度，这时的状态被称为流化床。

这就是所谓的“炉内沸腾面壁流”。

气体输送：

当空气流速再增加时床料上下浓度趋于一致，床料将均匀地快速全部喷出床外，这时的流化状态被称为喷流床或气力输送如：

煤粉炉的燃烧方式。

湍流床：

介于流化床与气体输送之间的状态被称为湍流床，CFB实际上是在两中状态之间交替变化。

图2-3

2.3循环流化床锅炉控制系统

国内的CFB锅炉，一般都提出了床温主汽压闭环控制的要求，调节手段主要是通过调节一、二次风的配比及给煤等来进行，但是实际的投运情况表明，这些回路基本上都没有有效投入自动，特别是在负荷波动时均没有投自动。

2.3.1主汽压力调节系统

通过调节给煤量和配风来控制主蒸汽压力，以满足机组的运行要求。

由于给煤量是影响床温的重要因素之一，故在构造主汽压力控制方案时把床温的影响也纳入控制方案中。

床温增加则减小给煤量，床温降低则增大给煤量。

由于循环流化床锅炉运行时床温可以在一定范围内波动，故在主汽压力控制方案中设置了不调温死区，即床温在该死区内时不改变给煤供给量。

同时由于氧量直接反映了炉膛内燃料与风的配比，因此方案中利用氧量校正给煤量。

由于主蒸汽流量变化直接反映了机组的负荷变化，故在主汽压力控制方案中把主蒸汽流量信号经过函数运算后直接加到控制输出上，通过前馈形式提高系统的响应速度。

2.3.2一次风量调节系统

一次风量控制采用串级控制系统，主汽压力为主调、一次风量为副调，其运算结果去控制一次风门挡板开度，以调节送入炉膛的一次风量。

一次风量测量值是在考虑了温度修正和压力修正后才送入PID中进行运算的。

锅炉负荷指令在进行处理时，需要考虑煤质的特性及负荷变化情况。

煤种不同时，助燃空气量会有所不同。

同时，负荷变化时一次风量占总风量的比例也会发生变化。

同时由于一次风对锅炉床温具有调节作用，故在构造一次风量调节系统时也考虑了床温修正。

如果床温偏高，在一定范围内可增大一次风量。

如果床温偏低，在一定范围内可减少一次风量。

由于床温主要靠给煤控制，一次风量不作为调节床温的主要手段，故在一次风量控制系统中床温信号仅作为修正信号。

2.3.3二次风量调节系统

二次风量控制采用串级控制系统。

烟气含氧量测量值与给定值一起送入主调中进行PID运算，其结果作为副调的给定值与二次风量测量值进行PID运算，运算结果经限幅及手操控制后控制二次风量调节系统的执行机构，以使二次风量满足机组运行要求。

由于给煤量变化到烟气含氧量变化需要一段时间，故在二次风量控制