工业锅炉的自动化控制研究

摘要：结合工业锅炉运行实际，分析了工业锅炉自动控制的意义，工业锅炉自动控制系统的组成，并给出了工业锅炉自动控制的系统实例。关键词： 自动控制；工业锅炉 ；系统中图分类号：TK223 文献标识码： B 我国现有燃煤锅炉40多万台，这些锅炉大部分采用常规仪表和人工手动控制，靠人工调节风门大小来控制鼓、引风量，大量的电能浪费在风门上，人工调节炉排速度，平均热效率仅在65%左右，造成能源的大量浪费和环境的污染。为了适应节能和环保的需求，挖掘老设备的潜力，实现锅炉的高效燃烧，降低能耗，是我们所迫切需要解决的问题，采用智能自动化计算机技术和变频调速技术对燃煤锅炉进行自动化控制。实现锅炉系统的自动化控制后，能使锅炉安全、可靠、经济的运行。 1 工业锅炉的自动控制的意义（1）可提高锅炉运行的安全性、可靠性通过实时检测装置把锅炉系统及周边设备的运行状态和运行参数随时报告给人和智能控制系统，由自动调节装置对系统的运行状态进行调节；智能程序自动控制装置能简化操作步骤和减少操作数量，避免误操作；保护装置能使系统运行中周边设备发生异常、运行参数如炉堂温度、排烟温度、炉堂负压、汽包水位、蒸汽压力、出水温度、出水压力超过允许值提供声光报警或自动停炉等应急自动处理。 （2）可提高锅炉运行的经济性工业锅炉在燃烧过程中，各项技术指标都要求限定在一定范围内。为了确保燃烧过程的稳定、可靠和经济运行，设计采用的变频调速技术与计算机应用技术，锅炉燃烧过程智能控制装置通过检测出水压力、出水温度、蒸汽压力、汽包水位、室外温度、炉膛负压、炉膛温度、排烟温度、氧含量等运行物理量，通过智能控制器及变频器控制鼓、引风机和炉排转速，改变鼓风量、引风量、给煤量，使炉膛负压、出水压力、汽包水位、出水温度、蒸汽压力控制在预定范围内，锅炉在佳的风、煤比下燃烧，在节能条件下运行。锅炉自动控制装置，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能，锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。 2 工业锅炉的自动控制系统组成 工业锅炉自动控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、微机、手自动切换操作、执行机构及阀、滑差电机等部分组成。一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机；手自动切换操作部分，手动时由操作人员手动控制，用操作器控制滑差电机及阀等，自动时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以锅炉正常、可靠地运行。除此以外为锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，这是必不可少的，以免锅炉发生重大事故。 锅炉是一个较为复杂的调节对象，它不仅调节量多，而且各种量之间相互联系，相互影响，相互制约，锅炉内部的能量转换机理比较复杂，所以要对锅炉建立一个较为理想的数学模型比较困难。为此，把锅炉系统作了简化处理，化分为三个相对独立的调节系统。 当然在某些系统中还可以细分出其它系统如一次风量控制回路等。 2.1 炉膛负压为主调量的特殊燃烧自动调节系统 锅炉燃烧过程有三个任务：给煤控制，给风控制，炉膛负压控制。保持煤气与空气比例使空气过剩系数在1.08左右、燃烧过程的经济性、维持炉膛负压，所以锅炉燃烧过程的自动调节是一个复杂的问题。对于3×6.5t/h锅炉来说燃烧放散高炉煤气，要求是大限度地利用放散的高炉煤气，故可按锅炉的大出力运行，对蒸汽压力不做严格要求；燃烧的经济性也不做较高的要求。这样锅炉燃烧过程的自动调节简化为炉膛负压为主参数的定煤气流量调节。 炉膛负压Pf的大小受引风量、鼓风量与煤气量（压力）三者的影响。炉膛负压太小，炉膛向外喷火和外泄漏高炉煤气，危及设备与运行人员的安全。负压太大，炉膛漏风量增加，排烟损失增加，引风机电耗增加。根据多年的人工手动调节摸索，6.5t/h锅炉的Pf=100Pa来进行设计。调节方法是初始状态先由人工调节空气与煤气比例，达到理想的燃烧状态，在引风机全开时达到炉膛负压100Pa，投入自动后，只调节煤气蝶阀，使压力波动下的高炉煤气流量趋于初始状态的煤气流量，来保持燃烧中高炉煤气与空气比例达到佳状态。 2.2 锅炉水位调节单元 汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。所以其值过高过低都可能造成重大事故。它的被调量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节, 使汽包内部的物料达到动态平衡，变化在允许范围之内，由于锅炉汽包水位对蒸气流量和给水流量变化的响应呈积极特性。但是在负荷(蒸气流量)急剧增加时，表现却为"逆响应特性"，即所谓的"虚假水位"，造成这一原因是由于负荷增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的沸点温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量汽泡，而使水位抬高。 汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，生产安全。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，实际应用中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双重量和水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。 除氧器压力和水位调节：除氧器部分均采用单冲量控制方案，单回路的PID调节。 2.3监控管理系统 以上控制系统一般由PLC或其它硬件系统完成控制，而在上位计算机中要完成以下功能： 实时准确检测锅炉的运行参数：为全面 掌握整个系统的运行工况，监控系统将实时监测并采集锅炉有关的工艺参数、电气参数、以及设备的运行状态等。系统具有丰富的图形库，通过组态可将锅炉的设备图形连同相关的运行参数显示在画面上；除此之外，还能将参数以列表或分组等形式显示出来。综合分析及时发出控制指令：监控系统根据监测到的锅炉运行数据，按照设定好的控制策略，发出控制指令，调节锅炉系统设备的运行，从而锅炉高效、可靠运行。 诊断故障与报警管理：主控中 心可以显示、管理、传送锅炉运行的各种报警信号，从而使锅炉的安全防爆、安全运行等级大大的提高。同时，对报警的档案管理可使业主对于锅炉运行的各种问题、弱点等了如指掌。为 锅炉系统安全、可靠地运行，监控系统将根据所监测的参数进行故障诊断，一旦发生故障，监控系统将及时在操作员屏幕上显示报警点。报警相关的显示功能使用户定义的显示画面与每个点联系起来，这样，当报警发生时，操作员可立即访问该报警点的详细信息和按照所推荐采取的应急措施进行处理。 历史记录运行参数：监控系统的实时数据库将维护锅炉运行参数的历史记录，另外监控系统还。设有专门的报警事件日志，用以记录报警／事件信息和操作员的变化等。历史记录的数据根据操作人员的要求，系统可以显示为瞬时值，也可以为某一段时间内的平均值。历史记录的数据可有多种显示方式，例如曲线、特定图形、报表等显示方式；此外历史记录的数据还可以由以网络为基础的多种应用软件所应用。 计算运行参数：锅炉运行的某些运行参数不能够直接测量，如年运行负荷量、蒸汽耗量、补水量、冷凝水返回量、设备的累积运行时间等。监控系统提供了丰富的标准处理算法，根据所测得的运行参数，将这些导出量计算出来。 3 工业锅炉自动控制系统实例 3．1燃煤锅炉手动调无级变频调速控制系统该系统包括以下功能：运行参数数字显示:出回水温度显示、排烟温度显示、炉堂温显示、出回水压力显示、炉堂负压显示; 　 运行状态指示:炉排、鼓风机、引风机、系统循环泵运行指示和故障指示; 　 超温报警:出水温度达到设定温度时自动停炉并声光报警; 超压报警:出水压力达到设定压力时自动停炉并声光报警; 循环泵故障报警:当系统未循环时锅炉不能启动，锅炉处于运行中循环泵因故停止或系统循环中断锅炉自动停止并声光报警。　给煤量控制:通过控制柜面板炉排转速调节器调节炉排转速控制给煤量,使出水温度控制在目标范围; 鼓引风量连锁控制: 通过控制柜面板鼓风机转速调节器调节鼓风机转速,把鼓风量控制在目标值范围,引风量随着炉堂负压值的变化自动调节引风机转速,使锅炉处于微负压下运行。 3.2智能自动化燃煤热水锅炉控制系统　系统包括的功能有：运行参数数字显示:出回水温度显示、排烟温度显示、炉堂温显示、出回水压力显示、炉堂负压显示、氧含量显示; 　运行状态指示：炉排、鼓风机、引风机、系统循环泵运行指示和故障指示; 　超温报警:出水温度达到设定温度时自动停炉并声光报警; 　超压报警:出水压力达到设定压力时自动停炉并声光报警; 　循环泵故障报警:当系统未循环时锅炉不能启动，锅炉处于运行中循环泵因故停止或系统循环中断锅炉自动停止并声光报警。给煤量自动控制:智能自动化燃煤热水锅炉控制器依据出水温度目标值和出水温度实测值进行比较经处理后输出控制信号至炉排变频器自动调节炉排转速控制给煤量,使出水温度控制在目标范围; 　鼓风量自动控制:依据给煤量的实测值经智能分析后实时自动调节鼓风机变频器的运行频率控制鼓风量. 　炉堂负压自动调节:依据炉堂负压实测值经智能分析后实时自动调节引风机变频器控制引风机转速,使炉堂负压处于目标值范围。　智能自动化燃煤热水锅炉控制系统同时具备各项手动调节功能。具备标准通讯口,可与供热系统工业计算机过程监控系统连接,实现整个生产过程的控制和系统管理、数据采集、控制运算、控制输出、实时数据处理与显示、历史数据查询、远程通信、设备管理、运行记录报表打印。 作者简介：周永恒（1966-），男，江苏启东人，工程师，主要从事锅炉及压力容器检验。