煤粉爐燃燒控制系統的設計及仿真研究

常文利

(寶雞職業技術學院機電信息學院，陜西 寶雞 721013)

鍋爐燃燒過程是一個熱力學問題，鍋爐燃燒控制系統及控制方案的好壞在一定程度上決定著鍋爐的安全性，因此關于鍋爐燃燒控制系統的研究逐年增多：應蕾等[1]基于模糊控制策略對鍋爐燃燒控制系統進行了優化設計；韓升利等[2]基于數值仿真的方法研究了煤粉鍋爐直流燃燒器二次風噴口金屬溫度；胡琨等[3]研究了大比例摻燒高爐煤氣鍋爐關鍵技術；劉曉波[4]研究了燃煤鏈條鍋爐分區多重強化燃燒技術；周東東[5]基于圖像處理對高爐風口燃燒帶溫度場進行了相關的研究；張裕泰等[6]對中小型燃煤鍋爐進行了清潔能源的改造研究；徐國群等[7]對沖旋流燃燒鍋爐爐膛壁面氛圍進行了數值分析。雖然關于鍋爐燃燒控制系統的研究較多，但是對燃燒控制系統的輸入量和輸出量的研究仍然較少。本文主要對燃料空氣比值控制系統、蒸汽壓力控制系統及爐膛負壓控制系統進行研究。

1 鍋爐燃燒控制系統設計

鍋爐燃燒過程中會產生較多的熱量，使得鍋爐中的液體逐漸轉變為蒸汽，而對蒸汽壓力大小的控制直接影響到燃燒室的安全，因此鍋爐燃燒控制系統的設計應重點考慮對蒸汽壓力的控制。除了燃燒室的蒸汽壓力之外，爐膛負壓和燃料的空氣比值也應同樣給予重視，并且對爐膛負壓和燃料的空氣比值的控制系統進行相應的設計。以燃燒室的空氣比值作為輸入量、蒸汽壓力作為輸出量，繪制閉環控制系統原理圖，如圖1所示。

爐膛負壓是評價燃燒室的蒸汽溢出性能的一個重要指標，爐膛負壓越大，燃燒室的熱氣外溢現象越嚴重。為了實現對爐膛負壓的調節，可以在輸入端給定負壓以彌補因蒸汽負壓作用而產生的外溢，控制方案如圖2所示。圖中“送風對負壓影響”表示爐膛在送入一定量氣體時，會對改善爐膛的實時負壓有著負相關的影響作用。

圖1 燃燒過程控制原理圖

考慮到蒸汽壓力和燃燒室的空氣比值也會對鍋爐燃燒的控制起到正相關的作用，因此，綜合考慮蒸汽壓力、燃燒室的空氣比值及爐膛負壓的耦合作用，設計鍋爐燃燒的綜合控制系統，方案如圖3所示。

圖2 爐膛負壓控制方案

圖3 綜合控制系統方案

2 仿真數學模型構建

欲建立準確的仿真模型，首先應建立準確的煤爐燃燒數學模型?？紤]到煤爐燃燒過程較為復雜，受到諸多外在因素的影響，應該對煤爐燃燒的系統做出必要的假設：

1)煤爐的熱分解過程較為徹底；

2)煤爐燃燒的反應速率受到爐膛負壓和蒸汽壓力的影響；

3)煤粉燃燒模型可以看作等密度模型。

根據假設1)和2)，可將煤粉的燃燒速度定義為：

(1)

式中：K為煤粉的熱反應速度；β為煤粉含量與氧氣消耗量的比值；C為燃燒室的氧氣濃度；ks為引風燃燒速度；kd為燃料流量的擴散速度；k0為內流場流動速度；E為蒸汽壓力系數；RT為爐膛負壓系數；D為爐膛大徑；Nu為伯努利系數；δ為等密度系數。

與此同時，根據假設3)的等密度模型將煤粉粒子模型定義為：

(2)

式中：δj為煤粉粒子直徑；δj,0為煤粉粒子初始直徑；ηj為煤粉的燃燒率。

根據上述燃燒速度和煤粉等密度粒子模型整理得：

(3)

式中：t為燃燒時間；C0為煤粉粒子系數；T0為煤爐初始溫度；T為煤爐實時溫度；αch為粒度系數；η為燃燒室氧氣占比；ρch為粒子密度。假設ηj對η的影響小于1.5%，則可將式(3)積分得：

(4)

式(4)中，煤粉粒子燃燒完畢的總時間tj,max為：

(5)

根據文獻[5]，ks可以表達為：

(6)

式中：Tch為煤粉燃燒后的溫度。根據氧氣在煤爐中的擴散速率可知：

(7)

式中：Tg為送風氣流溫度。由燃燒器進入鍋爐的煤粉粒子粒徑被認為是符合Rosin-Rammler關系式：

(8)

式中：R(δ0)為粒徑大于δ0的煤粉顆粒質量百分數；δc為煤粉的特征粒徑；n為煤粉的均勻性指數。

3 控制系統仿真

本文使用MATLAB對本文所設計的鍋爐燃燒控制系統的可靠性進行仿真驗證，基于煤爐燃燒數學模型，重點驗證燃料空氣比值控制系統、蒸汽壓力控制系統及爐膛負壓控制系統的準確性。

3.1 燃料空氣比值控制系統仿真

圖4描述的是燃料空氣比值控制系統的仿真原理圖，基于圖4所示的仿真原理圖對鍋爐燃料空氣比值控制系統進行MATLAB仿真，仿真結果如圖5所示。通過圖5(a)可以看出：臨界震蕩響應的幅值隨著時間的延長呈現出逐漸增大的趨勢，但是，其振蕩頻率與響應時間呈現出明顯的負相關關系。通過圖5(b)可以看出：單位階躍輸入響應隨著響應時間的延長呈現出先增大后逐漸穩定的現象，這說明本文的燃料空氣比值控制系統的設計合理可靠。

圖4 空氣比值控制系統仿真原理

圖5 燃料空氣比值控制系統仿真結果

3.2 蒸汽壓力控制系統仿真

圖6所示為蒸汽壓力控制系統的仿真原理，使用MATLAB進行控制系統仿真，仿真結果如圖7所示。通過圖7(a)可以看出：蒸汽壓力的幅值隨著響應時間的延長呈現出逐漸減小的趨勢，并且當響應時間超過30s時，蒸汽壓力的幅值逐漸趨于穩定。通過圖7(b)可以看出：蒸汽壓力的單位階躍響應特性與燃料空氣比值控制系統呈現出較好的一致性。

圖6 蒸汽壓力控制系統仿真原理圖

3.3 爐膛負壓控制系統仿真

圖8描述的是基于爐膛負壓的控制系統的仿真原理，通過圖8所示的仿真原理對爐膛負壓的控制系統的臨界震蕩響應和單位階躍輸入響應進行仿真分析。

圖7 蒸汽壓力仿真結果

通過圖9(a)可以看出：爐膛負壓的臨界震蕩幅值處于恒定值，并且爐膛負壓的臨界震蕩響應呈現出了標準的正弦曲線。通過圖9(b)可以看出：單位階躍響應特性與蒸汽壓力基本一致。

圖8 爐膛負壓的控制系統仿真原理

圖9 爐膛負壓的控制系統仿真結果

4 結束語

本文基于建立的數學關系模型，對臨界震蕩響應和單位階躍輸入響應的爐膛負壓、燃料空氣比值及蒸汽壓力進行了相應的仿真，通過仿真可以看出：燃料空氣比值的臨界震蕩響應幅值隨著時間的

延長呈現出逐漸增大的趨勢，但是其振蕩頻率與響應時間呈現出明顯的負相關關系；單位階躍輸入響應隨著響應時間的延長呈現出先增大后逐漸穩定的現象。