淺議工業(yè)蒸汽鍋爐熱工燃燒自動(dòng)控制

　　論文關(guān)鍵詞：蒸汽鍋爐：熱工燃燒；自動(dòng)控制
　　論文摘要：鍋爐生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的控制調(diào)節(jié)過(guò)程，是多輸入多輸出、多回路、非線性的相互關(guān)聯(lián)的對(duì)象，目前控制理論尚難以妥善解決對(duì)其的控制問(wèn)題，其模型仍是半經(jīng)驗(yàn)性的，本文就熱工燃燒自動(dòng)控制進(jìn)行一些論述。
　　
　　1熱工調(diào)節(jié)
　　鍋爐熱工系統(tǒng)由給水系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)等部分組成。工業(yè)鍋爐熱工燃燒控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是針對(duì)這幾個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制，其主要控制回路：鍋爐汽包水位自動(dòng)控制和鍋爐燃燒自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)兩部分。
　　1.1 鍋爐汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)
　　鍋爐汽包水是正常運(yùn)行主要指標(biāo)之一，汽包水位是一個(gè)十分重要的調(diào)節(jié)參數(shù)。由于汽包水位在鍋爐運(yùn)行中占居首要地位，所以鍋爐自動(dòng)化都是從給水自動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)始的。
　　大于4t/h的鍋爐，必須裝設(shè)給水自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置。給水自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)，是使給水量跟蹤鍋爐蒸發(fā)量并維持汽包中的水位在工藝允許的范圍內(nèi)。鍋爐汽包水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)，是根據(jù)汽包水位的動(dòng)態(tài)特性來(lái)設(shè)計(jì)的。引起水位變化的因素很多，但主要是給水量和蒸發(fā)量的階躍變化，調(diào)節(jié)器就是依據(jù)水位信號(hào)、蒸汽流量和給水流量的偏差信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。為保證鍋爐運(yùn)行安全，給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)選用可靠性較高的儀表和自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
　　20t/h以上的蒸汽鍋爐，一般采用三沖量鍋爐汽包給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。三沖量鍋爐汽包給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是以汽包水位為主調(diào)節(jié)信號(hào)，蒸汽流量為調(diào)節(jié)器的前饋信號(hào)，給水流量為調(diào)節(jié)器的反饋信號(hào)組成阿調(diào)節(jié)系統(tǒng)。由于采用蒸汽流量信號(hào)對(duì)給水流量進(jìn)行前饋調(diào)節(jié)，克服外擾影響，用給水流量信號(hào)作為反饋信號(hào)，克服內(nèi)擾影響，使給水調(diào)節(jié)質(zhì)量波動(dòng)幅度得到大大提高。
　　裝有三沖量給水自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的鍋爐在運(yùn)行時(shí)，由于引進(jìn)了蒸汽流量和給水流量的調(diào)節(jié)信號(hào)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)作及時(shí)，抗干擾能力強(qiáng)，當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然發(fā)生變化，蒸汽流量信號(hào)使給水調(diào)節(jié)閥一開(kāi)始就向正確方向動(dòng)作，即如蒸汽流量增加，給水調(diào)節(jié)閥開(kāi)大。抵銷(xiāo)了由于虛假水位引起的反向動(dòng)作，減少了給水流量的波動(dòng)幅度，如果給水流量減少，則調(diào)節(jié)器立即根據(jù)給水流量減少的信號(hào)開(kāi)大給水閥門(mén)，使給水流量維持不變。
　　1.2 鍋爐燃燒的自動(dòng)調(diào)節(jié)
　　容量較大的鍋爐，根據(jù)節(jié)能和自動(dòng)化水平的需要以及維護(hù)水平和允許時(shí)，可設(shè)置鍋爐燃燒自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
　　鍋爐燃燒系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)的基本任務(wù)，是使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量，適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要，同時(shí)還要保證燃燒和鍋爐的安全運(yùn)行。調(diào)節(jié)的內(nèi)容有三個(gè)，即維持蒸汽母管壓力不變；保持鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性；維持爐膛負(fù)壓在一定范圍內(nèi)。這三項(xiàng)調(diào)節(jié)任務(wù)是相互關(guān)聯(lián)的，它們可以通過(guò)調(diào)節(jié)燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量來(lái)完成。對(duì)于燃燒過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)在負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)使燃燒量、送風(fēng)量和引風(fēng)量各自保持不變，及時(shí)地補(bǔ)償系統(tǒng)內(nèi)的內(nèi)部擾動(dòng)，這些內(nèi)部的擾動(dòng)包括燃料的質(zhì)量變化，以及由于電網(wǎng)頻率變化引起燃料量、送風(fēng)量、引風(fēng)量的變化等。在負(fù)荷變化的外擾作用時(shí)，則應(yīng)使燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量成比例的改變，既要適應(yīng)負(fù)荷要求，又要使三個(gè)被調(diào)量：蒸汽壓力、爐壁負(fù)壓和燃燒經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)保持在允許的范圍內(nèi)。
　　
　　2 微型在鍋爐熱工燃燒自動(dòng)控制上的應(yīng)用
　　2.1 鍋爐微機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)
　　2.1.1 汽包水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)
　　工業(yè)鍋爐汽包水位使正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，水位過(guò)高會(huì)影響汽包的汽水分離，產(chǎn)生蒸汽帶液現(xiàn)象，水位過(guò)低又會(huì)影響鍋爐的汽水自然循環(huán)，如不及時(shí)調(diào)節(jié)就會(huì)使汽包水全部氣化，可能導(dǎo)致鍋爐燒壞和發(fā)生爆炸事故。鍋爐汽包水位不僅受給水量（進(jìn)量）和蒸發(fā)量（出量）之間平衡關(guān)系的影響，同時(shí)還受到汽水循環(huán)管路，汽水容積變化影響，還有燃料量的變化，汽包壓力的變化，給水、蒸汽量的擾動(dòng)等諸多因素對(duì)水位均會(huì)產(chǎn)生影響。在手動(dòng)狀態(tài)下除采用DDZ－Ⅲ型儀表進(jìn)行三沖量水位自動(dòng)調(diào)節(jié)外，還在微機(jī)自控系統(tǒng)中采用三沖量汽包水位微機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)方式。三沖量微機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想就是分析了影響水位調(diào)節(jié)對(duì)象動(dòng)態(tài)特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)汽包水位這一調(diào)節(jié)對(duì)象有一定的延遲和慣性特點(diǎn)，即在蒸汽流量、給水量發(fā)生階段變化時(shí)，調(diào)節(jié)對(duì)象不可能立即跟著做相反方向的變化，尤其在蒸汽流量發(fā)生階段變化時(shí)，汽水容積跟著做相反方向的變化，造成“虛假水位”現(xiàn)象。

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另一方面分析了采用DDZ－Ⅲ型儀表所組成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)出現(xiàn)的“虛假水位”所采取的措施達(dá)不到滿意的效果，而采用微機(jī)利用其運(yùn)算功能特長(zhǎng)，以PID調(diào)節(jié)規(guī)律為其控制方法基礎(chǔ)，再加上對(duì)“虛假水位”的判斷程序，選擇適當(dāng)?shù)难訒r(shí)環(huán)節(jié)，進(jìn)行壓力補(bǔ)償、壓差補(bǔ)償運(yùn)算，就能解決好水位調(diào)節(jié)這一關(guān)鍵任務(wù)。
　　2.１.２鍋爐燃燒系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)
　　鍋爐燃燒系統(tǒng)主要有汽包壓力、蒸汽流量、鼓風(fēng)量、給煤量、爐膛負(fù)壓、煙氣含氧量六個(gè)參量組成，調(diào)節(jié)的目的就是使燃燒所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要，需同時(shí)：（1）保證母管蒸汽壓力維持不變；（2）保持鍋爐燃燒的型；（3）維持爐膛負(fù)壓在一定的范圍內(nèi)。
　　為完成上述任務(wù)，鍋爐的微型調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用了綜合自動(dòng)調(diào)節(jié)方案，即：（1）根據(jù)出口壓力調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)變頻控制器頻率，從而改變鼓風(fēng)量，并且汽包壓力及蒸汽流量換算的熱量信號(hào)進(jìn)行精調(diào)，為保證出口蒸汽計(jì)算準(zhǔn)確，引進(jìn)了溫度和壓力補(bǔ)償；（2）根據(jù)最佳風(fēng)煤比調(diào)節(jié)爐排轉(zhuǎn)速，也就是調(diào)節(jié)燃燒煤的供應(yīng)量和進(jìn)風(fēng)量的比值，改變鍋爐燃燒的發(fā)熱量進(jìn)而改變了鍋爐的蒸發(fā)量，并引進(jìn)了殘氧（剩余空氣含氧量）信號(hào)加以修正，使鍋爐母管壓力保持在一定值內(nèi)，還根據(jù)爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)變頻控制器頻率，從而改變引風(fēng)量，用微分信號(hào)進(jìn)行超前調(diào)節(jié)，也就是說(shuō)在負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)（蒸汽流量不變情況下）應(yīng)使燃料量、送風(fēng)量、引風(fēng)量各保持不變；在負(fù)荷變動(dòng)時(shí)（外干擾時(shí)）使燃料量、送風(fēng)量、引風(fēng)量成比例改變。根據(jù)以上要求，就可以確定燃燒系統(tǒng)微機(jī)控制方案，畫(huà)出系統(tǒng)框圖，充分利用微機(jī)計(jì)算程序，盡可能的代替儀表單元（如函數(shù)發(fā)生器、加減器、微分器、限幅器、濾波器等等）快速對(duì)各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
　　上面談了微機(jī)水位、燃燒兩個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理，經(jīng)過(guò)微機(jī)運(yùn)算處理，其輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)D／A轉(zhuǎn)換裝置分別送到給水閥，鼓、引風(fēng)機(jī)變頻控制器，爐排和煤機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用計(jì)算機(jī)直接步進(jìn)調(diào)節(jié)閥位、風(fēng)量及轉(zhuǎn)速，這樣系統(tǒng)就能夠選擇最佳參數(shù)進(jìn)行最佳調(diào)節(jié)。
　　2.２鍋爐微機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)
　　1）可對(duì)汽包水位、給水流量、給水壓力、省煤器進(jìn)口水溫車(chē)器出口水溫、省煤器進(jìn)口煙溫、兩側(cè)省煤器出口煙溫、兩側(cè)空氣預(yù)熱器出口風(fēng)溫、、兩側(cè)空氣預(yù)熱器出口煙溫、除塵器出口煙溫、除塵器出口煙壓、鼓引風(fēng)風(fēng)量、省煤器進(jìn)口煙壓、省煤器出口煙壓、空氣預(yù)熱器出口風(fēng)壓、蒸汽流量、空氣預(yù)熱器出口煙壓、蒸汽壓力、蒸汽溫度、爐膛溫度、爐膛負(fù)壓、給煤量、含氧量等現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)巡檢采樣，汽包水位并具有彩色閉路監(jiān)視裝置；2）給水閥位、各種風(fēng)機(jī)頻率、爐排轉(zhuǎn)速等模擬量跟蹤信號(hào)巡檢采樣；3）各種閥位、鼓引風(fēng)機(jī)、爐排電機(jī)、分煤器啟/停狀態(tài)及各個(gè)閉合調(diào)節(jié)回路的手動(dòng)/自動(dòng)等開(kāi)關(guān)量信號(hào)巡檢采樣顯示；4）鼓、引風(fēng)機(jī)變頻信號(hào)采樣。
　　2.３ 鍋爐熱工燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)方案
　　鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)采用plc為主要控制元件，對(duì)鍋爐生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的控制，從而達(dá)到節(jié)省、物力，提高鍋爐熱效率和節(jié)省能源的目的，而計(jì)算機(jī)作為監(jiān)測(cè)顯示部分不參與到控制中去鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)在SPLC－9000系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)上采用多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，共分三層。
　　測(cè)控層；采用高性能的PLC可編程序控制器組成，PLC上安裝有CPU模塊、I∕O模塊、通訊模塊，并可以靈活擴(kuò)展。PLC內(nèi)可以通過(guò)梯形圖進(jìn)行程序編制，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)PLC對(duì)多臺(tái)鍋爐的自動(dòng)控制。通過(guò)遠(yuǎn)程擴(kuò)展方案，SPLC－9000系統(tǒng)還可以滿足距離較遠(yuǎn)的多個(gè)控制室的集中控制。
　　操作層；采用IPC工控機(jī)作為現(xiàn)場(chǎng)工作站，現(xiàn)場(chǎng)工作主站和現(xiàn)場(chǎng)工作從站分別安裝在不痛的控制室內(nèi)，提供畫(huà)面顯示和數(shù)據(jù)功能�？紤]到PLC可靠性高，造價(jià)也高，而普通接口板可靠性較低、造價(jià)也低，為了提高監(jiān)控系統(tǒng)的性能價(jià)格比，SPLC－9000系統(tǒng)同時(shí)提供可編程序控制器信號(hào)接入方式和接口板卡信號(hào)接入方式。系統(tǒng)的輸出控制工作有PLC獨(dú)立完成，工作站只負(fù)責(zé)提供給用戶修改參數(shù)的界面，并將用戶設(shè)定的控制參數(shù)下傳到PLC以調(diào)整控制效果。
　　管理層；采用普通計(jì)算機(jī)作為管理機(jī)，管理人員在遠(yuǎn)離控制室的調(diào)度室里可以通過(guò)管理機(jī)看到現(xiàn)場(chǎng)工作站上顯示的畫(huà)面，調(diào)用工作站存儲(chǔ)的報(bào)表數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的工作�？梢詫�(shí)時(shí)準(zhǔn)確的掌握鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)，做出合理的調(diào)度。
　　重要數(shù)據(jù)的采集、處理及控制全部由PLC完成，由于PLC是專(zhuān)為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的，是真正的工業(yè)計(jì)算機(jī)，所以其可靠性大大高于普通接口板和模塊。PLC的模塊化結(jié)構(gòu)和方便的擴(kuò)展特性使系統(tǒng)配置靈活。上位機(jī)僅起到監(jiān)視和管理的作用，如果接口板損壞或者工作站損壞，都不會(huì)影響到系統(tǒng)的自動(dòng)控制�，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控從站和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控主站運(yùn)行的軟件是相同的，只是在數(shù)據(jù)配置上有區(qū)別，不論那個(gè)站都可以查考到全部鍋爐的數(shù)據(jù)。
　　3.４ 效果分析
　　由于鍋爐系統(tǒng)的熱慣性大，負(fù)荷變化劇烈，操作人員只憑感觀參數(shù)控制鍋爐運(yùn)行，隨意性很大，難以保證鍋爐運(yùn)行的最佳狀態(tài)，而鍋爐熱工燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)投運(yùn)后，提高了鍋爐運(yùn)行熱效率，煤層燃燒充分，排放污染物達(dá)標(biāo)，能源利用率提高，減少人工手動(dòng)方法控制鍋爐運(yùn)行造成的能源浪費(fèi)，節(jié)省人力、物力，降低運(yùn)行，提高了鍋爐運(yùn)行的可靠性。

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