燃煤鍋爐自動控制系統(tǒng)設(shè)計研究

周建軍

西安經(jīng)發(fā)新能源有限責(zé)任公司 陜西 西安 710000

引言

鏈條式鍋爐是應(yīng)用最為廣泛、應(yīng)用歷史較長的一種鍋爐。雖然有眾多的科研及工程技術(shù)人員致力于鏈條式鍋爐控制技術(shù)的研究和實踐工作，但是，目前國內(nèi)該行業(yè)的自動化技術(shù)應(yīng)用的普及率較低，自動化程度也較低，其原因是多方面的。鍋爐的燃燒系統(tǒng)是一個多參數(shù)對象、多擾動，各參數(shù)交叉影響的系統(tǒng)。鏈條式鍋爐存在較大的不確定性、復(fù)雜性、不穩(wěn)定性，以及較大的容量滯后和較長的滯后時間。因此，采用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)很難達到控制要求，甚至無法投入自動運行[1]。

1 鍋爐自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鍋爐燃燒系統(tǒng)調(diào)節(jié)的主要任務(wù)是保證水溫的穩(wěn)定，同時保證鍋爐的安全運行。除此之外，關(guān)鍵在于如何保證經(jīng)濟燃燒，這也是熱水鍋爐節(jié)能降耗的關(guān)鍵所在，眾所周知，經(jīng)濟燃燒問題，實質(zhì)上就是進煤量和進風(fēng)量的配比問題，如果能保證適當(dāng)?shù)娘L(fēng)-煤比，就可以實現(xiàn)最高的燃燒效率，實現(xiàn)經(jīng)濟燃燒。如果空氣量不足造成不完全燃燒，產(chǎn)生CO，這種情況除污染環(huán)境外還造成嚴重的熱能損失；反之，當(dāng)空氣量過多時，一方面使爐膛溫度低，另一方面也是最重要的是使煙氣換熱損失增加。由于現(xiàn)階段的檢測手段和檢測設(shè)備尚不能方便地測得精確的進煤量和進風(fēng)量，給整個風(fēng)-煤比的自動控制造成一定的難度，但進煤量與爐排轉(zhuǎn)速、煤層厚度存在著一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，而進風(fēng)量同樣與鼓風(fēng)機的轉(zhuǎn)速存在同樣的關(guān)系，這可以巧妙地避開這一難題。使風(fēng)-煤比在整個運行過程中始終保持在最佳或次最佳狀態(tài)，還存在另一個難題，由于煤質(zhì)的變化同樣會造成風(fēng)-煤比比值的漂移，那么一個定值控制系統(tǒng)是無法適應(yīng)煤質(zhì)變化這一干擾的，所以在這里我們加入了自尋優(yōu)控制方案，初次投運時，可根據(jù)經(jīng)驗和摸索初步設(shè)定調(diào)風(fēng)-煤比的給定值，系統(tǒng)投入自動并穩(wěn)定后，定時啟動自尋優(yōu)功能，根據(jù)爐膛溫度的變化和煙氣含氧量的變化自動微調(diào)風(fēng)-煤比至最佳或次最佳，達到經(jīng)濟燃燒[2]。該鍋爐系統(tǒng)自動控制原理如圖1所示。

圖1 鍋爐自動控制原理結(jié)構(gòu)圖

2 爐膛與水泵壓力控制器設(shè)計

爐膛負壓一般通過控制引風(fēng)量來保持在一定范圍內(nèi)，但對鍋爐負荷變化較大時，采用單回路控制系統(tǒng)就比較難于保持，因為負荷變化后，爐排及鼓風(fēng)調(diào)節(jié)控制燃燒量和鼓風(fēng)量與負荷變化相適應(yīng)，由于鼓風(fēng)量變化時，引風(fēng)量只有在爐膛負壓產(chǎn)生偏差，才由引風(fēng)調(diào)節(jié)控制去調(diào)節(jié)，這樣引風(fēng)量的變化落后于鼓風(fēng)量，必然造成爐膛負壓的較大波動。為此，我們設(shè)計了爐膛負壓前饋-反饋控制系統(tǒng)，用鼓風(fēng)調(diào)節(jié)輸出作為前饋信號，這樣可使引風(fēng)量隨著鼓風(fēng)量的變化提前作相應(yīng)的調(diào)整，使爐膛負壓始終保持在一定負壓上，維持整個燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。爐膛壓力控制回路如圖2所示。

圖2 爐膛壓力控制回路

補水泵和循環(huán)水泵控制是保證正常、穩(wěn)定供熱的重要環(huán)節(jié)，補水泵和循環(huán)水泵控制均采用定值調(diào)節(jié)。根據(jù)定壓點的壓力，通過變頻器調(diào)節(jié)補水泵轉(zhuǎn)速，及時補充水量，防止系統(tǒng)缺水，保證系統(tǒng)安全運行。通過循環(huán)水泵調(diào)節(jié)，保持系統(tǒng)供回水壓力穩(wěn)定，為系統(tǒng)正常供熱提供保障。水泵壓力控制回路如圖3所示。

圖3 水泵壓力控制回路

3 鍋爐燃燒熱量值核算

上面的鍋爐燃燒是在環(huán)境溫度沒有變化的理想狀態(tài)下的調(diào)節(jié)，它所克服的干擾僅是風(fēng)量的變化、煤質(zhì)的變化，風(fēng)的溫度的變化及鍋爐負荷小的變化。但是，我們的熱水鍋爐是用來冬季供熱的，因此在整個冬季室外環(huán)境溫度是差別是很大的。有的年份初冷期與深冷期的室外環(huán)境溫度差可達到20℃。甚至一天24小時的溫差也可達到10℃左右。這樣就提出了鍋爐必須按不同的環(huán)境溫度提供不同的熱量，同時在一天24小時根據(jù)不同的時間段提供相應(yīng)的熱量[4]。鍋爐供水熱量公式為：

Q=K×F×(T供-T回)

公式中，Q表示熱量，F(xiàn)表示出水流量，表示K：系數(shù)

當(dāng)鍋爐回水溫度變化被控制在很小時，我們?nèi)绻淖冨仩t供水溫度，即使鍋爐出口水溫度隨著室外環(huán)境溫度的不同作相應(yīng)調(diào)整變化，就可使熱量達到所需熱量。但人為的隨意改動鍋爐出口水溫度的設(shè)定值，不僅缺乏依據(jù)和實時性，而且也會給系統(tǒng)帶入較大的人為干擾，也不利于節(jié)能降耗。

根據(jù)實際情況，結(jié)合本地歷年冬季室外環(huán)境溫度數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，我們可以制定出鍋爐出口水溫度隨室外溫度變化的曲線，使DCS自控系統(tǒng)根據(jù)室外溫度的變化自動調(diào)整鍋爐出口水溫度的給定值，即做到了實時調(diào)整，又避免了人為修改給定值給系統(tǒng)帶來的較大擾動，同時節(jié)約能源。另外，考慮到在冬季初冷期和深冷期，白天和晚上所需的熱量（負荷）不同，因此，我們考慮，可使DCS自控系統(tǒng)自動跟蹤室外溫度變化24小時以改變鍋爐出口水溫度的給定值，致使鍋爐提供出的熱量與所需熱量保持一致[5]。

4 鍋爐報警及聯(lián)鎖功能

鍋爐安全運行報警參數(shù)主要包括：鍋爐出水壓力上下限報警；鍋爐出水溫度上下限報警；爐膛溫度上限報警；系統(tǒng)回水壓力上下限報警；系統(tǒng)供水壓力上下限報警；系統(tǒng)供水溫度上下限報警；爐膛負壓上下限報警；補水水箱水位上下限報警；鍋爐供水流量下限報警；

鍋爐控制聯(lián)鎖功能：供水溫度過高報警、超高聯(lián)鎖停爐；供水壓力過低報警、超低聯(lián)鎖停爐；鍋爐出水流量過低報警、超低聯(lián)鎖；回水壓力過低報警。

為保證熱水鍋爐系統(tǒng)安全，在鍋爐啟動時必須首先啟動熱水循環(huán)泵，后按順序啟動引風(fēng)、鼓風(fēng)，除渣、爐排給煤。停止時亦應(yīng)首先停止爐排給煤、除渣、鼓風(fēng)、引風(fēng)等鍋爐輔機，最后停止熱水循環(huán)泵。如熱水循環(huán)泵因故停機或不能啟動時，整個熱水鍋爐系統(tǒng)將聯(lián)鎖停機或不能啟動。鍋爐輔機的工作順序：鍋爐投入“聯(lián)鎖”狀態(tài)時，輔機的工作順序：啟動：循環(huán)水泵、引風(fēng)、鼓風(fēng)、除渣、爐排等；停止：爐排、除渣、鼓風(fēng)、引風(fēng)、循環(huán)水泵等[6]。

5 結(jié)束語

目前鍋爐自動控制系統(tǒng)和熱水鍋爐的控制難點包括：鏈條式熱水鍋爐從給煤量的變化到其燃燒產(chǎn)生的熱量，并使鍋爐出口水溫度發(fā)生變化需要較長的時間，即鍋爐出口水溫度純滯后時間長、容量滯后大，用簡單的PID控制很難獲得理想的效果。煤質(zhì)的變化，造成風(fēng)-煤比的改變，采用一般的定值控制系統(tǒng)無法使系統(tǒng)始終運行在最佳或次最佳的燃燒狀態(tài)。燃燒過程機理復(fù)雜，影響燃燒工況的因素較多，對象變化較大，很難準確地建立單一的控制模型。文中提出的控制方案大幅度提升了系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高了燃料燃燒效率，保證溫度控制穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。