基于鍋爐控制的過(guò)程控制方案設(shè)計(jì)

卜 麗，周 正，孫長(zhǎng)江

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，徐州 221116）

1 被控對(duì)象工藝流程描述

1.1 被控對(duì)象工藝流程

待加熱物料 A 經(jīng)由上料泵 P1101 泵出，溫度為常溫20℃，流量為F1101，分兩路，其中一路進(jìn)入換熱器 E1101 與熱物料換熱后，與另外一路混合，進(jìn)入加熱爐F1101 的對(duì)流段。進(jìn)入換熱器E1101的待加熱物料 A走管程，一方面對(duì)最終產(chǎn)品（熱物料A）的溫度起到微調(diào)（減溫）的作用，另一方面也能對(duì)待加熱物料 A起到一定的預(yù)熱作用。加熱爐對(duì)流段由多段盤(pán)管組成，爐膛產(chǎn)生的高溫?zé)煔庾陨隙峦ㄟ^(guò)管間，與管內(nèi)的物料A換熱，回收煙氣中的余熱并使物料A進(jìn)一步預(yù)熱。對(duì)流段流出的物料 A全部進(jìn)入 F1101 輻射段爐管，接受燃燒器火焰的輻射熱量，達(dá)到所要求的高溫后出加熱爐，進(jìn)入換熱器E1101，進(jìn)行溫度的微調(diào)并為冷物料預(yù)熱，最后以工藝所要求的物料溫度輸送給下一生產(chǎn)單元。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，維持流量穩(wěn)定和溫度穩(wěn)定是整個(gè)控制系統(tǒng)的最終目的。

圖1 加熱爐工藝流程描述

1.2 控制要求

1.2.1 物料出口溫度要求

保證物料A 進(jìn)料流量一定的情況下，使加熱后的物料A 達(dá)到要求的溫度并且維持在允許范圍里面。

1.2.2 節(jié)能減排控制要求

節(jié)能要求是在滿足工藝控制要求的前提下，達(dá)到最小燃料使用量。其中，一方面要求加熱爐在正常工況時(shí)燃料的使用量最少，同時(shí)在從冷態(tài)開(kāi)車到加熱爐達(dá)到正常工況所需的燃料用量也要達(dá)到最少。減排要求是二氧化碳的排放量少，且兼顧由于燃燒不充分產(chǎn)生有毒一氧化碳的排放量。

1.2.3 安全控制要求

針對(duì)爐管爆裂（A 物料為可燃物質(zhì)）、爐膛滅火、進(jìn)料中斷這三種加熱爐事故進(jìn)行故障識(shí)別并設(shè)計(jì)相應(yīng)的安全控制系統(tǒng)。

1.2.4 過(guò)程特性simulink仿真

Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。本系統(tǒng)中，我們可以很方便地在simulink中建立過(guò)程控制模型。通過(guò)對(duì)加熱爐系統(tǒng)的simulink仿真測(cè)試，基本了解控制對(duì)象的特性，為得到良好的控制品質(zhì)做好了充分的準(zhǔn)備。

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)綜合仿真測(cè)試，可以得到：

1）加熱爐系統(tǒng)是一個(gè)大慣性、大滯后的控制系統(tǒng)，燃料流量控制溫度需要較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，因此在控制時(shí)需要設(shè)計(jì)出合理的控制方法，保證控制速度，同時(shí)減少超調(diào)和調(diào)節(jié)時(shí)間。

2）加熱爐輸出溫度的變化會(huì)影響換熱器的冷物料初始溫度，當(dāng)對(duì)換熱器進(jìn)行控制時(shí)，導(dǎo)致冷物料初始溫度發(fā)生大幅波動(dòng)，造成加熱爐控制系統(tǒng)和換熱器控制系統(tǒng)的耦合控制，在實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要注意解耦控制，或者部分解耦。

3）換熱器的開(kāi)度控制并不能夠靜態(tài)改變輸出溫度，只能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整溫度的瞬態(tài)變化。

2 控制方案設(shè)計(jì)

2.1 開(kāi)車方案流程圖

圖2 開(kāi)車方案流程圖

2.2 燃燒控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)中，耦合主要由于部分燃料兩次經(jīng)過(guò)換熱器引起。因此，為簡(jiǎn)化模型，減弱或消除耦合的影響，采用部分解耦的方法，實(shí)現(xiàn)換熱器閥門開(kāi)度對(duì)加熱爐耦合的解耦。經(jīng)過(guò)matlab仿真可知，系統(tǒng)很快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，加熱爐與換熱器協(xié)同工作，保證出口溫度為給定值。

2.3 進(jìn)風(fēng)量控制系統(tǒng)

為使加熱爐適應(yīng)負(fù)荷的變化，必須同時(shí)改變?nèi)剂狭亢涂諝饬?，?dāng)空氣流量太大時(shí)，多余的空氣會(huì)帶走很多熱量，造成燃燒能量的浪費(fèi)；但當(dāng)空氣太少時(shí)，就會(huì)造成不完全燃燒，產(chǎn)生大量黑煙及一氧化碳。因此，為了達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)燃燒，燃燒過(guò)程中應(yīng)有最佳空燃比K。

然而定比值控制方案只能克服流量干擾對(duì)比值的影響，當(dāng)系統(tǒng)中存在著除流量干擾以外的其他干擾，比如溫度、壓力、成分等其他干擾時(shí)，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須適當(dāng)修正兩物料的比值，即采用變比值的控制系統(tǒng)。

本系統(tǒng)中，燃燒時(shí)需要有一定的過(guò)?？諝饬浚?dāng)過(guò)?？諝饬吭龆鄷r(shí)，一方面使?fàn)t膛溫度降低，另一方面使煙氣損失增加。因此，對(duì)不同的燃料，過(guò)剩空氣量都有一個(gè)最優(yōu)值，即最經(jīng)濟(jì)燃燒。因此，選用煙氣含氧量作為變比值控制系統(tǒng)的第三參數(shù)，控制空氣與燃料的比值，以此來(lái)獲得最高的加熱爐效率，同時(shí)防止產(chǎn)生一氧化碳。

2.4 爐膛壓力控制方案

在實(shí)際系統(tǒng)中，除了要求控制系統(tǒng)在生產(chǎn)處于正常運(yùn)行狀態(tài)情況下能夠客服外界的干擾，維持生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)當(dāng)生產(chǎn)操作達(dá)到安全極限時(shí)，控制系統(tǒng)也有相應(yīng)的保護(hù)措施，促使生產(chǎn)操作離開(kāi)安全極限，返回到正常的狀況，或者是生產(chǎn)暫時(shí)停止下來(lái)，以防止事故的發(fā)生或者進(jìn)一步擴(kuò)大。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，爐膛壓力直接決定了生產(chǎn)的安全運(yùn)行，因此要求當(dāng)壓力達(dá)到極限值時(shí)，系統(tǒng)采取相應(yīng)的措施。系統(tǒng)中，當(dāng)爐膛壓力控制在一個(gè)安全范圍內(nèi)時(shí)，利用TT1105的溫度測(cè)量變送控制器去控制擋板的開(kāi)度。而當(dāng)爐膛壓力在這個(gè)范圍之外，用壓力控制器去控制擋板的開(kāi)度。這樣既保證了加熱爐的安全性，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。

2.5 分流閥閥位控制系統(tǒng)

在改變V1103的同時(shí)改變V1102的開(kāi)度，從而保持整個(gè)線路上物料A流量的穩(wěn)定。采用把V1103選用氣開(kāi)閥，而V1102選用氣關(guān)閥，并且這個(gè)閥用同一個(gè)控制信號(hào)的控制方法。

控制閥氣開(kāi)氣關(guān)的選擇，首先要從安全角度出發(fā)，即當(dāng)氣源供應(yīng)中斷，貨控制器出故障而無(wú)輸出，或者控制閥膜片破裂、漏氣等而使控制閥無(wú)法正常工作，以致閥芯回復(fù)到無(wú)能源的初始狀態(tài)時(shí)，應(yīng)能確保生產(chǎn)工藝設(shè)備的安全，不致發(fā)生事故。另外，需要保證當(dāng)控制閥出于無(wú)能源狀態(tài)而回復(fù)到初始位置時(shí)，不應(yīng)該降低產(chǎn)品的質(zhì)量。

本控制系統(tǒng)中，控制閥 V1103 出于安全性的考慮，當(dāng)系統(tǒng)出故障時(shí)，關(guān)閉分流閥，使通路關(guān)閉，所以選用氣開(kāi)形式；燃料進(jìn)料控制閥 V1104出于安全性考慮，當(dāng)控制信號(hào)中斷時(shí)，保證進(jìn)料通路關(guān)閉，因而也選擇氣開(kāi)形式。對(duì)于長(zhǎng)期工作在小開(kāi)度、或者負(fù)荷變化比較大的工況時(shí)，閥門宜選用對(duì)數(shù)特性的閥門，因此工作在小開(kāi)度的V1103、負(fù)荷變化較大的V1104，均采用對(duì)數(shù)特性的閥門。

從主控變量的回路可以看出，控制閥 V1103 為氣開(kāi)正特性，控制對(duì)象W1103 為反作用，測(cè)量變送為正作用，所以分流閥流量控制器選為正作用。再看輔助控制變量回路，控制閥V1104 為氣開(kāi)，正特性，控制對(duì)象 V1104 為正作用，分流閥流量控制器為正作用，所以燃料流量控制器選為反作用。

2.6 安全控制系統(tǒng)

2.6.1 防止回火的控制系統(tǒng)

圖3 防止回火的聯(lián)鎖控制系統(tǒng)

當(dāng)燃料壓力過(guò)低，爐膛內(nèi)壓力大于燃料壓力時(shí)，會(huì)發(fā)生回火事故。為此設(shè)置如圖3所示的防止回火的聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。在燃燒嘴背壓過(guò)低時(shí)，壓力開(kāi)關(guān) PSA 帶動(dòng)聯(lián)鎖裝置，把燃料控制閥的上游閥切斷，以免回火現(xiàn)象發(fā)生。

2.6.2 防止脫火的選擇性控制系統(tǒng)

當(dāng)燃料壓力過(guò)高時(shí)，由于燃料流速過(guò)快，易發(fā)生脫火事故。從而，對(duì)于正常及異常情況下的工況，應(yīng)選用不同的控制系統(tǒng)。為此，設(shè)置燃料壓力和物料溫度的選擇性控制系統(tǒng)。正常時(shí)，燃料控制閥根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的大小調(diào)節(jié)；當(dāng)燃料壓力過(guò)高，燃料壓力控制器取代物料溫度控制器，防止出現(xiàn)脫火事故。

2.6.3 爐膛滅火的應(yīng)急控制方案

爐膛一旦滅火，爐膛內(nèi)部溫度會(huì)快速下降，通過(guò)對(duì)爐膛的溫度檢測(cè)，很容易就可以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。 一旦檢測(cè)到爐膛滅火，首先切斷燃料的輸入，減弱引風(fēng)量，同時(shí)中斷物料 A對(duì)下一級(jí)工藝的供給。

2.6.4 進(jìn)料中斷的應(yīng)急控制方案

FT1101檢測(cè)到管線內(nèi)流量突然減少時(shí)，即可判斷進(jìn)料中斷，此時(shí)必須采取緊急停車的方案。方案步驟如下：

1）所有控制器停止輸出，切換到手動(dòng)控制 ；

2）關(guān)閉閥門V1104，停止燃料的輸入；

3）保持空氣的鼓入；

4）待重新恢復(fù)到正常后再開(kāi)車運(yùn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

在分析了鍋爐控制系統(tǒng)中被控對(duì)象的工藝流程及控制要求的基礎(chǔ)上，本文提出了一套實(shí)際可行的鍋爐控制方案。方案中以單回路控制系統(tǒng)、變比值控制系統(tǒng)以及選擇控制方案為基本方案，同時(shí)設(shè)計(jì)了針對(duì)各種安全問(wèn)題的應(yīng)急控制方案，這樣既可以保證系統(tǒng)按要求穩(wěn)定運(yùn)行，也能保證在發(fā)生事故時(shí)減少損失。

[1]孫洪程,等.過(guò)程控制工程[M].北京:高等教育出版社.

[2]孫優(yōu)賢,等.工業(yè)過(guò)程控制技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.

[3]潘永湘,等.過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.