工業(yè)蒸汽鍋爐的自動化控制過程與實現

1、工業(yè)蒸汽鍋爐的自動化控制過程與實現摘 要：本文敘述了工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的工作原理，具體闡述了鍋爐控制中的幾個重要的控制回路的控制算法，以及變頻器在鍋爐改造中的應用，提出了鍋爐控制系統(tǒng)的基本設計思路和各個環(huán)節(jié)控制實現方法。 關鍵詞：工業(yè)蒸汽鍋爐、爐膛負壓、蒸汽壓力、變頻控制、水位三沖量 一、引言 鍋爐微機控制，是近年來開發(fā)的一項新技術，它是微型計算機軟件、硬件、自動控制、鍋爐節(jié)能等幾項技術緊密結合的產物，我國現有中、小型鍋爐30多萬臺，每年耗煤量占我國原煤產量的1/3，目前大多數工業(yè)鍋爐仍處于能耗高、浪費大、環(huán)境污染嚴重的生產狀態(tài)。提高熱效率，降低耗煤量，降低耗電量，用微機進行控制是一件具有深遠意

2、義的工作。 工業(yè)鍋爐采用微機控制和原有的儀表控制方式相比具有以下明顯優(yōu)勢： 1 直觀而集中的顯示鍋爐各運行參數。能快速計算出機組在正常運行和啟停過程中的有用數據，能在顯示器上同時顯示鍋爐運行的水位、壓力、爐膛負壓、煙氣含量、測點溫度、燃煤量等數十個運行參量的瞬時值、累計值及給定值，并能按需要在鍋爐的結構示意畫面的相應位置上顯示出參數值。給人直觀形象，減少觀察的疲勞和失誤； 2 可以按需要隨時打印或定時打印，能對運行狀況進行準確地記錄，便于事故追查和分析，防止事故的瞞報漏報現象； 3 在運行中可以隨時方便的修改各種運行參數的控制值，并修改系統(tǒng)的控制參數； 4 減少了顯示儀表，還可利用軟件來代替許

3、多復雜的儀表單元，（例如加法器、微分器、濾波器、限幅報警器等），從而減少了投資也減少了故障率； 5 提高鍋爐的熱效率。從已在運行的鍋爐來看，采用計算機控制后熱效率可比以前提高5-10%，據用戶統(tǒng)計，一臺20T的鍋爐，全年平均負荷70%，以平均熱效率提高5%計，全年節(jié)煤800噸，按每噸煤380元計算每年節(jié)約304000元； 6 鍋爐系統(tǒng)中包含鼓風機，引風機，給水泵，等大功率電動機，由于鍋爐本身特性和選型的因素，這些風機大部分時間里是不會滿負荷輸出的，原有方式采用閥門和擋板控制流量，浪費非常嚴重。通過對風機水泵進行變頻控制可以平均節(jié)電達到30%-40%； 7 鍋爐是一個多輸入多數出、非線性動態(tài)對象

4、，諸多調解量和被調量間存在著耦合通道。例如當鍋爐的負荷變化時，所有的被調量都會發(fā)生變化。故而理想控制應該采用多變量解偶控制方案。而建立解偶模型和算法通過計算機實現比較方便； 8 鍋爐微機控制系統(tǒng)經擴展后可構成分級控制系統(tǒng)，可與工廠內其他節(jié)點構成工業(yè)以太網。這是企業(yè)現代化管理不可缺少的； 9 作為鍋爐控制裝置，其主要任務是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經濟運行，減輕操作人員的勞動強度。在采用計算機控制的鍋爐控制系統(tǒng)中，有十分周到的安全機制，可以設置多點聲光報警，和自動連鎖停爐。杜絕由于人為疏忽造成的重大事故。 綜合以上所述種種優(yōu)點可以預見采用計算機控制鍋爐系統(tǒng)是行業(yè)的大勢所趨。下面我們來共同探討鍋爐控制

5、系統(tǒng)的原理和結構。 二、鍋爐控制系統(tǒng)的一般結構與工作原理 常見的工業(yè)鍋爐系統(tǒng)如圖1所示。首先除氧水通過給水泵進入給水調節(jié)閥，通過給水調節(jié)閥進入省煤器，冷水在經過省煤器的過程中被由爐膛排出的煙氣預熱，變成溫水進入汽包，在汽包內加熱至沸騰產生蒸汽，為了保證有最大的蒸發(fā)面因此水位要保持在鍋爐上汽包的中線位置，蒸汽通過主蒸汽閥輸出。空氣經過鼓風機進入空氣預熱器，在經過空氣預熱器的過程中被由爐膛排出的煙氣預熱，變成熱空氣進入爐膛。煤經過煤斗落在爐排上，在爐排的緩慢轉動下煤進入爐膛被前面的火點燃，在燃燒過程中發(fā)出熱量加熱汽包中的水，同時產生熱煙氣。在引風機的抽吸作用下經過省煤氣和空氣預熱器，把預熱傳導給進

6、入鍋爐的水和空氣。通過這種方式使鍋爐的熱能得到節(jié)約。降溫后的煙氣經過除塵器除塵，去硫等一系列凈化工藝通過煙囪排出。 鍋爐微機控制系統(tǒng)，一般由以下幾部分組成，即由鍋爐本體、一次儀表、PLC、上位機、手自動切換操作、執(zhí)行機構及閥、電機等部分組成，一次儀表將鍋爐的溫度、壓力、流量、氧量、轉速等量轉換成電壓、電流等送入微機?？刂葡到y(tǒng)包括手動和自動操作部分，手動控制時由操作人員手動控制，用操作器控制變頻器、滑差電機及閥等，自動控制時對微機發(fā)出控制信號經執(zhí)行部分進行自動操作。微機對整個鍋爐的運行進行監(jiān)測、報警、控制以保證鍋爐正常、可靠地運行，除此以外為保證鍋爐運行的安全，在進行微機系統(tǒng)設計時，對鍋爐水位、

7、鍋爐汽包壓力等重要參數應設置常規(guī)儀表及報警裝置，以保證水位和汽包壓力有雙重甚至三重報警裝置，以免鍋爐發(fā)生重大事故。 微機控制系統(tǒng)由工控機、顯示器、打印機、PLC、手操器、報警裝置等組成，能完成對給水、給煤、鼓風、引風等進行自動控制，使鍋爐的汽包水位、蒸汽壓力保持在規(guī)定的數值上，以保證鍋爐的安全運行，平穩(wěn)操作，達到降低煤耗、提高供送汽質量的目的，同時對運行參數如壓力、溫度等有流程動態(tài)模擬圖畫面并配有數字說明，還可對汽包水位、壓力、爐溫等進行越限報警，發(fā)出聲光信號，還可定時打印出十幾種運行參數的數據。以形成生產日志和班、日產耗統(tǒng)計報表，有定時打印、隨機打印、自定義時間段打印等幾種方式。 鍋爐控制系

8、統(tǒng)的硬件配置，目前有幾種，功能較好首推可編程序控制器PLC，適合于多臺大型鍋爐控制，由于PLC具有輸入輸出光電隔離、停電保護、自診斷等功能，所以抗干擾能力強，能置于環(huán)境惡劣的工業(yè)現場中，故障率低。PLC編程簡單，易于通信和聯網，多臺PLC進行鏈接及與計算機進行鏈接，實現一臺計算機和若干臺PLC構成分布式控制網絡，另外使用PLC加上位機的控制系統(tǒng)具有很好的擴容性，如需要增加控制點或控制回路只需添加少量輸入輸出模塊即可，為以后的控制系統(tǒng)升級改造和其他功能的添加打下良好基礎，也為以后一機多爐控制系統(tǒng)等其他工廠級自動化網絡打下良好基礎。雖然，從短期的角度看價格稍高，如果從長遠觀點看，其壽命長，故障率低

9、，易于維修，值得選用。 三、鍋爐控制系統(tǒng)中各控制回路的介紹 鍋爐控制系統(tǒng)，一般有蒸汽壓力、汽包液位、爐膛負壓、除氧器水位、除氧器壓力等控制系統(tǒng)。鍋爐的燃燒控制實質上是能量平衡系統(tǒng)，它以蒸汽壓力作為能量平衡指標，不斷根據用汽量與壓力的變化調整燃料量與送風量，同時保證燃料的充分燃燒及熱量的充分利用。 3.1 鍋爐給水控制回路 給水自動調節(jié)的任務是使給水流量適應鍋爐的蒸發(fā)量，以維持汽包水位在允許的范圍內。給水自動調節(jié)的另一個任務是保持給水穩(wěn)定。在整個控制回路中要全面考慮這兩方面的任務。在控制回路中被調參數是汽包水位（H），調節(jié)機構是給水調解閥，調節(jié)量是給水流量（W）。 對汽包水位調節(jié)系統(tǒng)產生擾動的因

10、素有蒸發(fā)量D、爐膛熱負荷（燃料量M），給水量（W）。 蒸發(fā)量D擾動作用下水位對象的動態(tài)特性 當給水流量不變，蒸發(fā)量忽然增加D時，如果只從物質不平衡角度來看，則反映曲線如圖2(a)中的H1(t)所示，但由于蒸發(fā)量增加時，汽包容積增加，水位將上升，水位的反映曲線如圖2(a)中的H2(t) 所示。H1(t)和H2(t)相結合，實際的水位階躍反應曲線如圖2(a)中的H(t)所示。 爐膛負荷擾動（燃料量M擾動）時水位對象的動態(tài)特性 燃料量增加M時，蒸發(fā)量大于給水量，水位下降。但開始是由于有虛假水位存在，水位線上升，然后再下降。如圖2(b)中所示。 給水流量（W）擾動時的水位對象的動態(tài)特性 當蒸發(fā)量不變，

11、而給水量階躍擾動時。汽包水位如圖2(c)所示。在開始階段。由于剛進入得水水溫較低。使汽水混合物中的汽泡吞量減少。水位下降，如圖2(c)中的H1(t)所示。而H2(t)反映了物質不平衡引起的水位變化，H1(t)和H2(t)相加得到了總的給水量擾動的階躍反應曲線H(t)。 由于給水調節(jié)對象沒有自平衡能力，又存在滯后。因此在一般鍋爐控制系統(tǒng)中汽包液位回路采用閉環(huán)三沖量調節(jié)系統(tǒng)。所謂三沖量調節(jié)系統(tǒng)就是把給水流量W，汽包水位H，蒸汽流量D三個變量通過運算后調節(jié)給水閥的調節(jié)系統(tǒng)。具體調節(jié)過程方框圖如圖3所示。 先通過蒸汽流量變送器和給水流量變送器取得各自的信號乘以相應的比例系數，通過比例系數可以調節(jié)蒸汽流

12、量或給水流量對調節(jié)系統(tǒng)的影響力度。通過差壓變送器取得水位信號作為主調節(jié)信號H。如果水位設定值為G，那么在平衡條件下應有D*Dk-W*Wk+H-G=0的關系式存在。其中Dk為蒸汽流量系數 Wk為給水流量系數。如果再設定時，保證在穩(wěn)態(tài)下D*Dk=W*Wk那么就可以得到H=G。此時調節(jié)器的輸出就與符合對應，給水閥停在某一位置上。若有一個或多個信號發(fā)生變化，平衡狀態(tài)被破壞，PI調節(jié)模塊的輸出必將發(fā)生變化。當水位升高了，則調節(jié)模塊的輸出信號就減小，使得給水調節(jié)閥關小。反之，當水位降低時，調節(jié)模塊的輸出值增大，使給水閥開大。實踐證明三沖量給水單極自動調節(jié)系統(tǒng)能保持水位穩(wěn)定，且給水調節(jié)閥動作平穩(wěn)。 鍋爐給水

13、系統(tǒng)中還有一個比較重要的控制回路是給水壓力回路，因為汽包內壓力較高，要給鍋爐補水必須提供更高的壓力，給水壓力回路的作用是提高水壓，使水能夠正常注入汽包。但在蒸汽流量未達到滿負荷時，對給水流量的要求也不高。在老式的鍋爐系統(tǒng)中一般采用給水泵一直以工頻方式運轉，用回流閥降低水壓防止爆管，現在一般采用通過變頻器恒壓供水的方式控制水壓，具體實現方式是： 系統(tǒng)下達指令由變頻器自動啟動第一臺泵運行，系統(tǒng)檢測給水管的水壓，當變頻器頻率上升到工頻時，如水壓未達到設定的壓力值，系統(tǒng)自動將第一臺電機切換至工頻直供電，并由變頻器拖動第二臺水泵運行，如變頻器運行到工頻狀態(tài)時供水母管壓力仍未達到設定壓力值系統(tǒng)自動將第二臺

14、水泵切換至工頻直供電，再由變頻器拖動第三臺運行，依次類推，直至壓力達到設定值。若鍋爐需要的給水量減少，變頻控制系統(tǒng)可自動降低變頻器的運行頻率，如變頻器的頻率到零仍不能滿足要求，則變頻器自動切換至前一臺水泵進行變頻運行，依次類推。變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的實質是：始終利用一臺變頻器自動調整水泵的轉速，切換時間以管網的實際壓力和設定壓力的差值決定，同時保證管網的壓力動態(tài)恒定。值得注意的是為了防止變頻器報警停機或其他故障造成水泵不轉會引起鍋爐缺水，所以應該加反饋裝置確保變頻器正常工作。 除此之外鍋爐的供水系統(tǒng)中還包括除氧器壓力控制和除氧器水位控制，除氧器壓力控制主要是為了保證除氧器口有足夠的蒸汽壓力用于

15、將軟化水除氧，這是一個單閉環(huán)控制回路，輸入參數是除氧器壓力輸出參數控制除氧器進汽閥。除氧器水位控制主要是為了保證除氧器內有足夠的水提供給鍋爐，這是一個單閉環(huán)控制回路輸入參數，是除氧器水位輸出參數控制除氧器進水閥。 3.2 鍋爐燃燒調節(jié)系統(tǒng) 燃燒過程自動調節(jié)系統(tǒng)的選擇雖然與燃燒的種類和供給系統(tǒng)、燃燒方式以及鍋爐與負荷的聯結方式都有關系，但是燃燒過程自動調節(jié)的任務都是一樣的。歸納起來，燃燒過程自動調節(jié)系統(tǒng)有三大任務： 維持汽壓恒定。汽壓的變化表示鍋爐蒸汽量和負荷的耗汽量不相適應，必須相應地改變燃料量，以改變鍋爐的蒸汽量。 保證燃燒過程的經濟性。當燃料量改變時，必須相應地調節(jié)送風量，使它與燃料量相配

16、合，保證燃燒過程有較高的經濟性。 調節(jié)引風量與送風量相配合，以保證爐膛壓力不變。 燃燒調節(jié)系統(tǒng)一般有三個被調參數，汽壓p、煙氣含氧量a和爐膛負壓pt。一般有3個調節(jié)量，他們是燃料量M，送風量F和引風量Y。燃燒調節(jié)系統(tǒng)的調節(jié)對象對于燃料量，根據燃料種類的不同可能是爐排電機，也可能是燃料閥。對于送風量和引風量一般是擋板執(zhí)行機構或變頻器。 燃燒調節(jié)系統(tǒng)是一個多參數變量調節(jié)系統(tǒng)。這種調節(jié)系統(tǒng)通常把它簡化成互相聯系，密切配合但又相對獨立的3個單變量系統(tǒng)來實現。為便于分析，下面我們按3個系統(tǒng)來分別分析。這三個系統(tǒng)分別是以燃料量維持鍋爐壓力恒定的蒸汽壓力調節(jié)系統(tǒng)，以送風量維持鍋爐經濟燃燒的送風調節(jié)系統(tǒng)，以引

17、風量維持爐膛負壓穩(wěn)定的爐膛負壓調節(jié)系統(tǒng)。 3.2.1 蒸汽壓力調節(jié)對象的特性 引起蒸汽壓力變化的主要原因是燃料量和用汽負荷發(fā)生變化。其動態(tài)特性如下。 燃料量擾動下的汽壓變化特性 在用汽負荷不變的情況下，如鍋爐燃料量(B)發(fā)生B的階躍擾動，此時汽壓的飛升曲線如圖4(a)所示。此時對象沒有自平衡能力，具有較大的遲滯和慣性。但如果鍋爐出口的用汽閥門開度不變，那么由于汽壓因燃料量擾動而發(fā)生變化時，蒸汽流量也將發(fā)生變化。由于汽壓變化時，蒸汽流量增大自發(fā)地限制了汽壓的變化，因此對象有平衡能力。此時汽壓的飛升曲線如圖4(b)所示。 用汽負荷擾動下的汽壓變化特性 負荷階躍擾動下，汽壓變化的動態(tài)特性也有下列兩種

18、情況：當用汽閥門階躍擾動時，對象表現出具有自平衡能力，沒有延遲，但有較大的慣性，并有一個與閥門變化成比例的啟始飛躍，飛升曲線如圖4(c)所示；當用汽量階躍擾動時，其飛升曲線如圖4(d)所示，此時對象沒有自平衡能力，如果不及時增加進入鍋爐的燃料量，那么，汽壓將一直下降。 3.2.2 送風自動調節(jié)對象的特性 送風調節(jié)系統(tǒng)的工作好壞，直接影響爐膛的空氣過剩系數的變化也就是排出煙氣的含氧量。引起空氣過剩系數變化的主要擾動是燃料量和送風量配比。風量擾動下對象的動態(tài)特性具有較大的自平衡能力，幾乎沒有延遲和慣性，近似為一比例環(huán)節(jié)。而燃料量擾動時，需經過輸送和燃燒過程而略有延遲。由于送風系統(tǒng)幾乎沒有延遲和慣性

19、。所以在燃料充足的情況下送風量的大小將比較直接的反應在鍋爐的蒸汽壓力上。那么怎樣才能保證股風量和燃料量的搭配適宜，這里我們引入了風煤比這個概念。風煤比就是在當前風量下所能燃燒的煤的最大值。在控制作用中風煤比主要是根據當前風量來限制爐排的轉速，防止由于風量不夠導致煤不能充分燃燒。該參數對節(jié)煤和環(huán)保都有很大意義。因為如果不能充分燃燒將會導致煤渣的含炭量增高，這樣比較浪費煤，同時還會造成煙氣含炭量增高影響排放。 3.2.3 爐膛負壓自動調節(jié)對象的特性 爐膛負壓自動調節(jié)對象的動態(tài)特性較好，但擾動通道的飛升時間很短，飛升速度很快。 根據以上對燃燒系統(tǒng)調節(jié)對象的分析，下面我們針對燃燒自動控制系統(tǒng)三個任務對

20、控制采用的方案進行分析。 燃燒過程控制系統(tǒng)一般采用的控制流程圖如圖5（a）所示，先通過蒸汽壓力變送器經濾波后取得信號，與設定蒸汽壓力進行比較，判斷出鼓風PI調節(jié)器調節(jié)的方向和大小，通過鼓風PI調節(jié)單元計算出鼓風變頻器的輸出大小。同時把該信號輸出給風煤比計算單元，相應的算出在當時的風量下爐排的最大輸出值。再把蒸汽壓力的差值信號送給爐排PI調節(jié)器，通過爐排PI調節(jié)單元計算出爐排變頻器的輸出大小。經過風煤比限位，輸出給爐排變頻器。在實際調試過程中我們往往把鼓風PI調節(jié)中的比例系數設的比爐排PI單元的大，這樣可以很好的保證鼓風系統(tǒng)對蒸汽壓力的敏感度要高于爐排。實踐證明通過該方法控制下鍋爐的蒸汽壓力穩(wěn)定

21、性好，在蒸汽負荷變化時相應程度高?；以剂康?。 爐膛負壓的大小對于節(jié)能影響很大。負壓大，被煙氣帶走的熱量大，熱損失增加，煤耗量增大，理想運行狀態(tài)應在微負壓狀態(tài)。它能明顯增加懸浮煤顆粒在爐膛內的滯留時間，增加沉降，減少飛灰，使煤充分燃燒提高熱效率。但由于負荷變化，需要改變給煤量和送風量，隨之也要改變引風量，以保證爐膛負壓的穩(wěn)定，但由于系統(tǒng)有一定的滯后時間，為避免鼓風變化而引起爐膛負壓的波動，系統(tǒng)中引入鼓風信號作為前饋信號對引風機進行超前調節(jié)。爐膛負壓控制系統(tǒng)一般采用的控制流程圖如圖5（b）所示，調節(jié)原理比較簡單屬于單閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)，它的輸入量是爐膛負壓輸出量是引風變頻器，同時引入鼓風量作為前饋信號。 另外系統(tǒng)各回路中都設置了手自動兩種操作方式，為了實現無擾動切換，系統(tǒng)引入了各控制對象的反饋值，在手動操作時PLC輸出會自