煤粉爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計及仿真研究

常文利

(寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電信息學(xué)院，陜西 寶雞 721013)

鍋爐燃燒過程是一個熱力學(xué)問題，鍋爐燃燒控制系統(tǒng)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(guān)于鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的研究逐年增多：應(yīng)蕾等[1]基于模糊控制策略對鍋爐燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計；韓升利等[2]基于數(shù)值仿真的方法研究了煤粉鍋爐直流燃燒器二次風(fēng)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(guān)鍵技術(shù)；劉曉波[4]研究了燃煤鏈條鍋爐分區(qū)多重強(qiáng)化燃燒技術(shù)；周東東[5]基于圖像處理對高爐風(fēng)口燃燒帶溫度場進(jìn)行了相關(guān)的研究；張裕泰等[6]對中小型燃煤鍋爐進(jìn)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(jìn)行了數(shù)值分析。雖然關(guān)于鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的研究較多，但是對燃燒控制系統(tǒng)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(tǒng)、蒸汽壓力控制系統(tǒng)及爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計

鍋爐燃燒過程中會產(chǎn)生較多的熱量，使得鍋爐中的液體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝鴮φ羝麎毫Υ笮〉目刂浦苯佑绊懙饺紵业陌踩虼隋仩t燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)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(fù)壓和燃料的空氣比值也應(yīng)同樣給予重視，并且對爐膛負(fù)壓和燃料的空氣比值的控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)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(huán)控制系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。

爐膛負(fù)壓是評價燃燒室的蒸汽溢出性能的一個重要指標(biāo)，爐膛負(fù)壓越大，燃燒室的熱氣外溢現(xiàn)象越嚴(yán)重。為了實現(xiàn)對爐膛負(fù)壓的調(diào)節(jié)，可以在輸入端給定負(fù)壓以彌補(bǔ)因蒸汽負(fù)壓作用而產(chǎn)生的外溢，控制方案如圖2所示。圖中“送風(fēng)對負(fù)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(fù)壓有著負(fù)相關(guān)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(guān)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(fù)壓的耦合作用，設(shè)計鍋爐燃燒的綜合控制系統(tǒng)，方案如圖3所示。

圖2 爐膛負(fù)壓控制方案

圖3 綜合控制系統(tǒng)方案

2 仿真數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

欲建立準(zhǔn)確的仿真模型，首先應(yīng)建立準(zhǔn)確的煤爐燃燒數(shù)學(xué)模型。考慮到煤爐燃燒過程較為復(fù)雜，受到諸多外在因素的影響，應(yīng)該對煤爐燃燒的系統(tǒng)做出必要的假設(shè)：

1)煤爐的熱分解過程較為徹底；

2)煤爐燃燒的反應(yīng)速率受到爐膛負(fù)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(jù)假設(shè)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(yīng)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(fēng)燃燒速度；kd為燃料流量的擴(kuò)散速度；k0為內(nèi)流場流動速度；E為蒸汽壓力系數(shù)；RT為爐膛負(fù)壓系數(shù)；D為爐膛大徑；Nu為伯努利系數(shù)；δ為等密度系數(shù)。

與此同時，根據(jù)假設(shè)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(jù)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(shù)；T0為煤爐初始溫度；T為煤爐實時溫度；αch為粒度系數(shù)；η為燃燒室氧氣占比；ρch為粒子密度。假設(shè)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(jù)文獻(xiàn)[5]，ks可以表達(dá)為：

(6)

式中：Tch為煤粉燃燒后的溫度。根據(jù)氧氣在煤爐中的擴(kuò)散速率可知：

(7)

式中：Tg為送風(fēng)氣流溫度。由燃燒器進(jìn)入鍋爐的煤粉粒子粒徑被認(rèn)為是符合Rosin-Rammler關(guān)系式：

(8)

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

3 控制系統(tǒng)仿真

本文使用MATLAB對本文所設(shè)計的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行仿真驗證，基于煤爐燃燒數(shù)學(xué)模型，重點驗證燃料空氣比值控制系統(tǒng)、蒸汽壓力控制系統(tǒng)及爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

3.1 燃料空氣比值控制系統(tǒng)仿真

圖4描述的是燃料空氣比值控制系統(tǒng)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(tǒng)進(jìn)行MATLAB仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。通過圖5(a)可以看出：臨界震蕩響應(yīng)的幅值隨著時間的延長呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，但是，其振蕩頻率與響應(yīng)時間呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。通過圖5(b)可以看出：單位階躍輸入響應(yīng)隨著響應(yīng)時間的延長呈現(xiàn)出先增大后逐漸穩(wěn)定的現(xiàn)象，這說明本文的燃料空氣比值控制系統(tǒng)的設(shè)計合理可靠。

圖4 空氣比值控制系統(tǒng)仿真原理

圖5 燃料空氣比值控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

3.2 蒸汽壓力控制系統(tǒng)仿真

圖6所示為蒸汽壓力控制系統(tǒng)的仿真原理，使用MATLAB進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)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(yīng)時間的延長呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，并且當(dāng)響應(yīng)時間超過30s時，蒸汽壓力的幅值逐漸趨于穩(wěn)定。通過圖7(b)可以看出：蒸汽壓力的單位階躍響應(yīng)特性與燃料空氣比值控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出較好的一致性。

圖6 蒸汽壓力控制系統(tǒng)仿真原理圖

3.3 爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)仿真

圖8描述的是基于爐膛負(fù)壓的控制系統(tǒng)的仿真原理，通過圖8所示的仿真原理對爐膛負(fù)壓的控制系統(tǒng)的臨界震蕩響應(yīng)和單位階躍輸入響應(yīng)進(jìn)行仿真分析。

圖7 蒸汽壓力仿真結(jié)果

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

圖8 爐膛負(fù)壓的控制系統(tǒng)仿真原理

圖9 爐膛負(fù)壓的控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

本文基于建立的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，對臨界震蕩響應(yīng)和單位階躍輸入響應(yīng)的爐膛負(fù)壓、燃料空氣比值及蒸汽壓力進(jìn)行了相應(yīng)的仿真，通過仿真可以看出：燃料空氣比值的臨界震蕩響應(yīng)幅值隨著時間的

延長呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，但是其振蕩頻率與響應(yīng)時間呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系；單位階躍輸入響應(yīng)隨著響應(yīng)時間的延長呈現(xiàn)出先增大后逐漸穩(wěn)定的現(xiàn)象。