摘 要

火力发电对于国民经济的发展来说，其重要性不言而喻。根据调查数据，中国的火力发电量呈快速增长趋势，2006年的发电量为23,696亿千瓦时，2014年的发电量为41,731亿千瓦时。年均复合增长率为7.33%。在2014年，我国火力发电量已经占到了总发电量的75.20%。这说明火力发电依旧是我国主流的发电方式。既然是我国发电市场的中流砥柱，那对于它的研究就至关重要。

燃煤蒸汽锅炉是火力发电厂最核心的发电设备，所以，想要保证火力发电厂环保而经济的运行，就需要不断的优化燃煤蒸汽锅炉。而燃烧是燃煤蒸汽锅炉发电的必要环节，对燃烧过程进行控制优化，能有效提高燃煤蒸汽锅炉整体的运行效率。本文以建立燃煤蒸汽锅炉燃烧过程控制系统为主，对燃煤蒸汽锅炉进行建模仿真，并作出优化。

燃烧过程的控制由以下几个部分组成，压力控制、温度控制、燃烧程度控制、安全性控制、节能控制等。本文根据火电厂锅炉燃烧过程的生产工艺和流程，利用单回路、串级、比值等控制系统的特点，分别设计锅炉燃烧过程控制系统的三个子系统：蒸汽压力控制系统，燃料与空气的比值控制，炉膛负压控制系统。

在完成一系列分析后，本文将利用MATLAB/Simulink软件进行建模仿真，最后得出结论。

关键词 燃煤蒸汽锅炉 燃烧过程控制 SIMULINK仿真

ABSTRACT

The importance of thermal power generation for the development of the national economy is self-evident. According to the survey data, China's thermal power generation shows a rapid growth trend. In 2006, the power generation amounted to 2,3969.6 billion kwh. In 2014, the amount of power generation was 4173.1 billion kwh. The compound annual growth rate is 7.33%. In 2014, China's thermal power generation accounted for 75.20% of the total power generation. This shows that thermal power generation is still the main power generation method in China. Since it is the mainstay of China's power generation market, it is crucial to its research.

Coal-fired steam boilers are the core power generation equipment for thermal power plants. Therefore, to ensure the environmentally-friendly and economic operation of thermal power plants, it is necessary to continuously optimize the use of coal-fired steam boilers. Combustion is a necessary step in the power generation of coal-fired steam boilers. Optimizing the combustion process can effectively improve the overall operating efficiency of coal-fired steam boilers. This paper focuses on the establishment of a combustion process control system for a coal-fired steam boiler, modeling and simulating a coal-fired steam boiler, and optimizing it.

The control of the combustion process consists of the following components: pressure control, temperature control, combustion degree control, safety control, and energy-saving control. According to the production process and flow of boiler combustion process in thermal power plant, the three subsystems of boiler combustion process control system are designed by using the characteristics of single loop, cascade, and ratio control systems: steam pressure control system, ratio of fuel to air , Furnace negative pressure control system.

After completing a series of analyses, this article will use MATLAB/Simulink software to model and simulate, and finally come to the conclusion.

Key words：Coal-fired steam boiler Combustion process control SIMULINK simulation

目录

第1章 绪论 4

1.1 燃煤蒸汽锅炉的建模及运行优化的研究意义 4

1.2 国内外研究现状 4

1.3 论文研究目标和内容 6

1.3.1 研究目标 6

1.3.2 研究内容 6

第2章 热电厂锅炉的结构和工作原理 8

2.1 热电厂锅炉结构 8

2.2 热电厂锅炉工作原理 9

第3章 燃烧过程控制系统概述 11

3.1蒸汽压力控制系统和燃料空气比值系统 11

3.2 炉膛负压控制系统 12

3.3 燃烧过程控制原理框图 15

第4章 锅炉燃烧控制系统建模与仿真 16

4.1燃烧炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制 16

4.2炉膛负压控制 16

4.3燃烧系统稳定性分析 17

4.3.1 燃料控制系统 17

4.3.2 空气流量控制系统 18

4.3.3 负压控制系统 19

4.4 锅炉燃烧控制各子系统仿真 20

4.4.1 燃料控制系统 20

4.4.2 蒸汽压力控制系统 23

4.4.3 空气流量控制系统系统 25

4.4.4 负压控制系统前馈补偿整定 26

4.5 锅炉燃烧控制系统Simulink仿真 28

第5章 锅炉燃烧过程优化 30

第6章 总结与展望 33

致谢 34

参考文献 35

附录图1燃烧控制系统框图 37

附录图2燃烧控制系统仿真框图 38

附录图3燃烧控制系统仿真结果图 39

第1章 绪论

本章论述的主要类容为课题的研究意义及研究目标。

1.1 燃煤蒸汽锅炉的建模及运行优化的研究意义

众所周知，火力发电厂所消耗的最主要的资源就是煤炭，而煤炭市场目前正处于整改过程中，因此，许多不符合法律的煤矿已经被查封，这使得煤炭的价格不断地攀升。但是，我国的用电价格却没有上涨，反而逐渐下降，这便大大增加了火力发电厂的压力。

另外，从环境保护角度来考虑，火力发电厂生产电能的全过程中，还会对外产生大量排放物污染环境。这些排放物大多来自燃料燃烧过程排出的尘粒、灰渣、烟气；电厂各类设备运行中排出的废水、废液，以及电厂运行时发出的噪声。本文主要研究火力发电厂的燃煤蒸汽锅炉运行优化，所以主要探讨排放物中的尘粒、灰渣和烟气。

燃煤蒸汽锅炉是火力发电厂最核心的发电设备，所以，想要保证火力发电厂环保而经济的运行，就需要不断的优化燃煤蒸汽锅炉。

1.2 国内外研究现状

工业革命开始之后，煤炭上百年来都是作为全球主要能源，即使在石油成为了主要能源之后，世界上最主要的基础能源之一依然非煤炭莫属。

近年来，温室气体产生的气候变化问题，已经成为全球共同的议题，新兴经济体的工业化进程开启，全球的资源供给和环境承载压力日益突出，在能源需求总体增长的关键时刻，世界也开始向低碳未来转变，能源的结构发生着日新月异的变化，低碳燃料的增速即将超过碳密集型燃料的增速。随着《巴黎协定》对煤炭发出了警告，各国高效利用煤炭清洁已经势在必行。

就我国本身的国情来说，目前的环保压力真正不断加大，我国不得不加快了环境治理的进度。根据国家环境保护部在2011年7月发布的《火电厂大气污染物排放标准》，各大发电集团正在响应国家新的环保政策，积极的担当社会责任。

为此，各大发电集团纷纷大幅度削减燃煤电厂污染物的排放总量，主动的提出烟尘、二氧化硫、氮氧化物三项排放限值分别为5mg/Nm3、35mg/Nm3、50mg/Nm3，通常在业内将此限值定义为燃煤锅炉“超净排放”标准。

因为每个国家的国情各不相同，在环境保护的前提条件和基础不同的情况下，每个国家颁布的国家排放标准也相同，不同点主要有三方面，分别是“标准修订频次、针对重点、修订依据。”我国火电厂现行排放标准远高于主要发达国家。

以我国和日本为例：我国在重点地区执行大气污染特别排放限值，SO2、NOX及烟尘(mg/m3)的排放浓度分别为100、50、20;日本对二氧化硫的排放实行K值控制，在120个特别地区以及其他非特别地区中，K值在3.0~17.5范围内分成16个级别，等同于172mg/m3~3575mg/m3。

从中国和美两国的电力污染物排放绩效来说，各类污染物排放的绩效每年都在下降。我国的排放标准修订频次高要比美国更加的严格，伴随着新建和在役机组环保设施逐步改造完成，排放绩效下降幅度开始变小。如果想要进一步降低排放绩效，则必须实施更加高效的超净排放协同控制技术。

从全球目前的状况来看，燃煤电厂依旧是主流发电模式。国际能源署2015年的时候，做出过预测：未来25年之内，亚洲煤炭在发电中的比重将从目前不到30%的状况增长到50%左右。印度、越南等国家正处于快速发展的重工业化的关键时刻，其高耗能经济结构，离不开煤炭资源。

另一方面，发达经济体美国、英国等欧美已进入后工业化时代的国家，其经济发展对高能耗的重工业依赖逐步减少，加之电力生产向绿色清洁方向转变，因此发达经济体，以煤炭作为燃料的煤电市场都呈下降趋势。在煤电机组发电相关政策上以减少项目资助、设定排放限制、淘汰使用为主基调。具体到国家，我国趋向慢慢持平，印度在增长，很多亚洲国家会继续增长，而欧洲国家可能波动平稳发展。

我国的燃煤电厂的节能减排的发展还存在着很多问题：

脱硫：一是由于实际燃煤含硫量增大以及脱硫装置设计裕量偏小;二是现在大部分的脱硫装置没有原来的那么优秀的运行性能，脱硫效率无法达到规定标准;三是取消GGH后，“石膏雨”形成进一步加剧。

脱硝：锅炉产生大量的的NOX，导致脱硝的运行成本增大;部分锅炉在实施脱硝改造后，锅炉排放的飞灰可燃物与CO含量大大增加，使锅炉热效率下降。

烟尘：现有除尘器受场地限制，大多无法达标;电袋除尘器等运维费用高、废旧滤袋处理起来困难。所以，优化污染物排放技术，逐渐形成一体化、协同控制，是中国未来火力发电厂节能减排的目标。

1.3 论文研究目标和内容

1.3.1 研究目标

热力发电的最重要设备是锅炉设备。提高锅炉的工作效率就是提高热力发电的效率。了解燃煤锅炉的工作原理及技术参数，针对典型燃煤锅炉进行建模仿真，寻找燃煤锅炉最佳运行方案，达到节能减排的目的。

1.3.2 研究内容

近年来，温室气体产生的气候变化问题，已经成为全球共同的议题，新兴经济体的工业化进程开启，全球的资源供给和环境承载压力日益突出，在能源需求总体增长的关键时刻，世界也开始向低碳未来转变，能源的结构发生着日新月异的变化，低碳燃料的增速即将超过碳密集型燃料的增速。随着《巴黎协定》对煤炭发出了警告，各国高效利用煤炭清洁已经势在必行。

本文的研究内容主要包括燃煤蒸汽锅炉燃烧过程控制系统的建模与仿真，并对其进行优化运行。

本文结构如下：

第一章 探究燃煤蒸汽锅炉优化的意义，对比国内外火电厂燃煤蒸汽锅炉的发展现状及前景，并提出了本设计的研究目标。

第二章 说明了燃煤蒸汽锅炉的整体架构，并简要介绍各系统的功能，同时阐述了燃烧过程控制的重要性，着重介绍燃烧过程控制系统的结构与功能。

第三章 燃烧过程控制系统的概述。

第四章 锅炉燃烧控制系统建模与仿真，其中包括：燃烧系统稳定性分析、锅炉燃烧控制各子系统仿真、锅炉燃烧控制系统Simulink仿真。

第五章 锅炉燃烧过程优化。

第六章 总结与展望。

1. 热电厂锅炉的结构和工作原理

本章论述的主要类容为介绍热电厂锅炉的结构与工作原理。

2.1 热电厂锅炉的结构

热电厂燃煤蒸汽锅炉由“锅”和“炉”两部分组成。

锅：即锅炉的水汽系统，锅主要由汽包、下降管、联箱、水冷壁、过热器和省煤器等设备组成。

1. 汽包：汽包俗称锅筒，蒸汽锅炉的汽包，内部装有的是热水蒸汽，其具有一定水容积，与下降管、水冷壁相连接，组成自然水循环系统，同时，汽包又接受省煤器的给水，向过热器输送饱和蒸汽；汽包是加热，蒸发、过热三个过程的分解点。

（2）下降管：作用是把汽包中的水连续不断地送入下联箱，供给水冷壁，使受热面有足够的循环水量，以保证可靠的运行，为了保证水循环的可靠性，下降管自汽包引出后都布置在炉外。

（3）联箱：又称集箱。一般是直径较大，两端封闭的圆管，用来连接管子。起汇集、混合和分配汽水，保证各受热面可靠地供水，或汇集各受热面的水或汽水混合物的作用，（位于炉排两侧的下联箱，又称防焦联箱）水冷壁下联箱，通常都装有定期排污装置。

（4）水冷壁：水冷壁布置在燃烧室内四周。或部分布置在燃烧室中间。它由许多上升管组成，以接受辐射传热为主受热面。作用：依靠炉膛的高温火焰和烟气。对水冷壁的辐射传热，使水（未饱和水或饱和水）加热蒸发成饱和蒸汽，由于炉墙内表面被水冷壁管遮盖，所以炉墙温度大为降低，使炉墙不致被烧坏。而且又能防止结渣和熔渣对炉墙的侵蚀；筒化了炉墙的结构，减轻炉墙重量。

（5）过热器：是蒸汽锅炉的辅助受热面，它的作用是在压力不变的情况下，从汽包中引出饱和蒸汽，再经过加热，使饱和蒸汽成为一定温度的过热蒸汽。

（6）省煤器：布置在锅炉尾部烟道内，利用烟气的余热加热锅炉给水的设备，其作用就是提高给水温度，降低排烟温度，减少排烟热损失，提高锅炉的热效率。

（7）减温装置：保证汽温在规定的范围内。汽温调节：1、蒸汽侧调节（采用减温器） 2、烟气侧调节（采用摆动式喷燃器）

炉：炉就是锅炉的燃烧系统，由炉膛、烟道、喷燃器及空气预热器等组成。

（1）炉膛：炉膛是由一个炉墙包围起来的，供燃料燃烧好传热的主体空间，其四周布满水冷壁。炉膛底部是排灰渣口，固态排渣炉的炉底是由前后水冷壁管弯曲而形成的倾斜的冷灰斗，液态排渣炉的炉底是水平的熔渣池。炉膛上部是悬挂有屏式过热器，炉膛后上方烟气流出炉膛的通道叫炉膛出口。

（2）烟风道：是由炉墙、部分受热面管道及包墙管等组成的管道，用以引导烟气的流动，并经各个受热面进行热量交换，分为水平烟道和尾部烟道。

（3）燃烧器：位于炉膛四角或墙壁上，其作用是把燃料和空气以一定速度喷入炉内，使其在炉内能进行良好的混合以保证燃料及时着火和迅速完全地燃烧。分直流燃烧器和旋流燃烧器两种基本类型。

（4）空气预热器：是利用锅炉排烟的热量来加热空气的热交换设备。它是装在锅炉尾部的垂直烟道中。

辅助设备辅助设备包括通风设备（送、引风机）、燃料运输设备、制粉系统、除灰渣及除尘设备、脱硫设备等。

2.2 热电厂锅炉的工作原理

锅炉的工作原理基本相同， 锅炉的作用是将燃料的化学能转变为热能，并利用热能加热锅内的水使之成为具有足够数量和一定质量（汽温、汽压）的过热蒸汽，供汽轮机使用。现在火力发电厂的锅炉燃料主要是煤，并且煤在燃烧之前先制成煤粉，然后送入锅炉在炉膛中燃烧放热。

“锅”是汽水系统，它主要任务是吸收燃料放出的热量，使水加热、蒸发并最后变成具有一定参数的过热蒸汽。其工作过程是：给水由给水泵打入省煤器以后逐渐吸热，温度升高到汽包工作压力的沸点，成为饱和水；饱和水在蒸发设备（炉）中继续吸热，在温度不变的情况下蒸发成饱和蒸汽；饱和蒸汽从汽包引入过热器以后逐渐过热到规定温度，成为合格的过热蒸汽，然后到汽轮机做功。“炉”是燃烧系统，它的任务是使燃料在炉内良好的燃烧，放出热量。

“炉”是燃烧系统，它的任务是使燃料在炉内良好的燃烧，放出热量。其工作原理：送风机将空气送入空气预热器中吸收烟气的热量并送进热风道，然后分成两股：一股送给制粉系统作为一次风携带煤粉送入喷煤器，另一股作为二次风直接送往喷煤器。煤粉与一、二次风经喷燃器喷入炉膛集箱燃烧放热，并将热量以辐射方式传给炉膛四周的水冷壁等辐射受热面，燃烧产生的高温烟气则沿烟道流经过热器，省煤器和空气预热器等设备，将热量主要以对流方式传给它们，在传热过程中，烟气温度不断降低，最后由吸风机送入烟囱排入大气。

总得来说，燃煤蒸汽锅炉的工作过程是：由原煤仓落下的原煤经给煤机送入磨煤机磨制成煤粉。在原煤磨制过程中，需要热空气对煤进行加热和干燥，因此外界冷空气通过送风机送入锅炉尾部烟道的空气预热器中，被烟气加热成为热空气进入热风管道。其中一部分热空气经排粉机送入磨煤机中，对煤进行加热和干燥，同时这部分空气也是输送煤粉的介质；另一部分热空气直接经燃烧器进入炉膛参与煤粉的燃烧。从磨煤机排出的煤粉和空气的混合物经燃烧器进入炉膛内燃烧。煤粉在炉膛内迅速燃烧后放出大量的热量，使炉膛火焰中心的温度具有1500度或更高的温度。炉膛四周内壁布置有许多的水冷壁管，炉膛顶部布置着顶棚过热器及炉膛上方布置着屏式过热器等受热面。水冷壁和顶棚过热器等是炉膛的辐射受热面，其内部的工质在吸引炉膛的辐射热的同时，使火焰温度降低，保护炉墙不致被烧坏。为了防止熔化的灰渣黏结在烟道内的受热面上，烟气向上流动到达炉膛上部出口处时，其温度要低于煤灰的熔点。高温烟气经炉膛上部出口离开炉膛进入水平烟道，与布置在水平烟道的过热器进行热量交换，然后进入尾部烟道，并与再热器、省煤器、和空气预热器等受热面进行热量交换，使烟气不断放出热量而逐渐冷却下来，使得离开空气预热器的烟气温度通常在110-160度之间。低温烟气再经过除尘器除去大量的飞灰，最后只有少量的细微灰粒随烟气由引风机送入烟囱排入大气。煤粉在炉膛中燃烧后所生成的较大灰粒沉降到炉膛底部的冷灰斗中，被冷却凝固落入排渣装置中，形成固定排渣。由给水泵送向锅炉的给水，经过高压加热器加热后进入省煤器，吸收锅炉尾部烟气的热量后进入汽包，并通过下降管引入水冷壁下联箱再分配给各个水冷壁管。水在水冷壁中吸收炉膛高温火焰和烟气的辐射热，使部分水蒸发变成饱和蒸汽，从而在水冷壁内形成了汽水混合物。汽水混合物向上流动并进入汽包，通过汽包中的汽水分离装置进行汽水分离，分离出来的水继续循环。

第3章 燃烧过程控制系统概述

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