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分类号：TK223.7 文献标识码：A
文章编号：1001－2060（2000）02－0175-03 Main Boiler Combustion Control System of a Steam Power Propulsion Plant Li Laichun Xu Songnan Lang Shubin
（Harbin No.703 Research Institute） Abstract：The operation of a marine main boiler is characterized by a very high frequency of load changes, and often by a sizable margin at that. As a result, to maintain a stable main steam pressure is of primary importance in avoiding the occasional popping of boiler safety valves. This places a very high demand to the fast response of the combustion control system. The present paper describes a boiler combustion system suited for frequent load changes.
Key words：steam power plant, main boiler, combustion control system▲ 1 前言
锅炉燃烧控制系统即为适应锅炉负荷变化的要求，而使油量和风量按比例配合的控制，一般通过控制主蒸汽压力来实现。本文介绍的舰船主锅炉燃油量是通过控制燃油分配箱负荷手轮的转角来控制投入工作的喷油器数量实现，锅炉送风量是通过控制汽轮鼓风机转速来实现。
对定参数运行的锅炉而言，锅炉工作的额定压力与安全阀启跳压力相差很小，在锅炉负荷大幅度变化时，主蒸汽压力控制采用简单的PID调节很难满足要求，既使比例P、积分I参数设置比较小，从试验情况看出也无法满足快速性的要求，常会发生安全阀启跳现象。况且P、I参数过小还会给系统工作带来一些不利因素，如变工况时被调量超调过大，油、风量波动幅度加大，稳定工况时被调量变化频繁，不易稳定，还会引起汽轮风机转速频繁波动，这对系统及设备的工作很不利。本文介绍了一种开环控制与PID调节协调控制的燃烧控制系统。 2 燃烧控制系统设计
燃烧控制系统由主蒸汽压力和空气压力调节回路组成。以下分别介绍。
2.1 主蒸汽压力调节回路设计
主蒸汽调节回路控制原理框图，如图1所示。图中x1：主蒸汽压力测量值；x2：负荷信号；x3：电动执行器阀位信号，；x4：空气压力信号；DI1：自动／手动信号，；LAG1：一阶惯性环节；DI2：负荷切换信号，；VLM1：变化率限幅环节；LSL1、LSL2：低值选择器，；Y1：控制输出信号；P01～P05：参数，；Y2：空气压力外给信号；f1(x2)、f2(x2)：低负荷运行时上、下限限幅函数；f3(x2)、f4(x2)：高负荷运行时上、下限限幅函数；f(x4)：风／油变换函数；A09、F09、Bnn：调节器内部寄存器。
图1 主蒸汽压力调节回路控制原理框图 2.2 调节回路设计说明
从图1可知，该调节回路同常规调节回路相比较具有如下特点：
2.2.1 变P、I参数调节
回路采用两组P、I参数，根据主蒸汽压力测量值与给定值的偏差绝对值大小进行切换。偏差大小规定值时采用较小的一组P、I参数，当偏差小于规定值时采用较大的一组P、I参数，从而回路可实现变速调节，目的是变工况时减小动态偏差，稳定工况时减小被调量波动频率。
2.2.2 开环控制与PID调节的协调控制
回路通过对PID控制运算输出的限幅作用实现变工况时的开环控制，稳定工况时采用PID调节进行微调，从而实现开环控制与PID调节的协调控制。
如图2所示，负荷信号与锅炉的耗油量的关系可用P1折线近似表示。要使负荷大幅度变化时主蒸汽压力的动态偏差满足要求，锅炉燃油量的调节速度跟上负荷变化的速度，为此根据负荷信号的变化规律设计了P2、P3两条上、下限制P1的折线。P2、P3折线可根据锅炉的高、低负荷运行情况进行切换，如图2所示。
图2 负荷与喷油器数量对应关系曲线 P2、P3折线的限幅作用既可以限制稳定工况下锅炉油量的调节范围，又可以使负荷大幅度变化时锅炉油量连续加到或减少到预先的规定值，接着再根据主蒸汽压力偏离给定值的情况由PID调节进行微调。
2.2.3 油量增减速度的控制
由图2的限幅控制可知，负荷大幅度变化时会使油量快速增减，油量的改变速度仅取决于执行器的开关动作速度，这就存在一个与负荷变化速率相匹配的问题，为此系统引入了油量增减限速控制环节，如图3所示。由于P2、P3折线的限制作用会使变工况时MV阶跃变化，通过对MV进行上升和下降的双向变化率限幅，可使MV的增减速度得到控制，即油量的增减速度得到控制。通过改变P01、P02的设定值即可限制MV的上升、下降速度。
图3 变化率限幅输入输出特性 2.2.4 风量限制油量的控制
当负荷大幅度增加时，油量也会跟着大幅度增加，这便产生了油风的匹配问题。若风量跟不上油量的增加速度，势必造成锅炉冒烟，为此回路中又获取实际风量信号，经过风、油变换处理后作为限制油量增加速度的环节。从而实现增负荷时系统会有较佳的风油配比。图1中LSL2环节即为油量限制风量的环节。
2.3 空气压力调节回路的设计
回路的原理框图与常规调节回路基本相同，此处不再赘述。空气压力回路给定值为外给定，其信号来自主蒸汽压力调节回路的输出Y2,Y2经过油、风变换后作为空气压力的给定值信号。
该调节回路与一般回路的不同之处在于PID控制运算的算法选取上，通常回路均采用定值控制运算式，如式(1)所示，而空气压力调节回路采用追值控制运算式，如式(2)所示。  (1)
 (2)
式中MV：控制输出；E：偏差；PV：测量值；P：比例带；TI：积分时间；TD：微分时间；m：微分增益；S：运算子；AG：可变增益。 从式(1)可知，定值控制算式中比例动作只作用于测量值。当给定值变化时，操作输出MV不会发生急剧变化。对于给定值不断变化的调节回路而言，其调节速度显得慢些。从式(2)可知，追值控制算式中比例动作对偏差起作用。所以进行给定值变更时，也能得到迅速的响应，从而提高调节回路的调节速度。式(1)、(2)对给定值变更时的响应曲线如图4所示。空气压力调节回路正是由于采用了式(2)的控制算法，才满足了变负荷快速性的要求。 
图4 设定变更时的响应 3 试验记录曲线及结果分析
该燃烧控制系统按图5的变负荷试验曲线进行试验时，由计算机实时记录的主蒸汽压力，主蒸汽压力控制输出(即油量)，汽轮风机转速等部分曲线如图6、图7、图8所示。 
图5 燃烧控制系统变负荷试验曲线 
图6 主蒸汽压力测量值给定值记录曲线 
图7 主蒸汽压力回路控制输出MV记录曲线 
图8 汽轮鼓风机转速记录曲线
从图6的主蒸汽压力测量值给定值记录曲线可以看出，尽管系统负荷变化频繁且较大，但测量值基本维持在给定值附近，系统静态偏差在±0.1 MPa范围内，图中主蒸汽压力测量值最高为6.24 MPa，满负荷折算锅筒压力最高为6.49 MPa，主锅炉安全阀起跳压力为6.67 MPa，因此控制系统动态偏差满足变负荷安全阀不起跳的要求。从图7的记录曲线可以看出，主锅炉燃油量从5%至95%范围内变化，油量投入减少的速度很快，一般简单的PID调节很难满足快速性的要求，而本控制系统完全满足了动力装置变工况对快速性的要求。从图8的汽轮鼓风机转速记录曲线可以看出，变负荷时风机转速在3 100 r/min至7 800 r/min范围内快速变化。从实际调试情况也可以看出，变负荷时锅炉不冒烟，因此追值控制PID运算式满足了系统变工况锅炉不冒烟的要求。另外稳定工况下静态偏差在±200 r/min范围内，也满足了系统的要求。
4 结论
(1)通过实际试验证实，该燃烧控制系统设计合理，实际可行。从记录曲线分析可知尽管负荷的大幅度变化，但油量和风量按比例调节得很协调，主蒸汽压力的参数指标满足要求。
(2)该燃烧控制系统可以应用到负荷变化频繁且幅度较大的燃油和燃气锅炉上。■
作者简介：李来春(1963-)，男，吉林榆树人，哈尔滨.第七○三研究所高工.
作者单位：李来春（哈尔滨.第七○三研究所，黑龙江 哈尔滨 150036）
许松男（哈尔滨.第七○三研究所，黑龙江 哈尔滨 150036）
郎术斌（哈尔滨.第七○三研究所，黑龙江 哈尔滨 150036）
孙瑜刚（哈尔滨重型机器厂） 参考文献： ［1］李子连等.热工自动化设计手册.北京：水利电力出版社，1986.
［2］李友善.自动控制原理.北京：国防工业出版社，1983. | 
