工業(yè)蒸汽鍋爐自動(dòng)化控制的探析

摘 要：鍋爐控制系統(tǒng)改造具有很好的市場(chǎng)發(fā)展空間和投資收益前景，值得廣泛地推廣。它不僅能夠通過(guò)自動(dòng)化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的目的，還能夠節(jié)煤節(jié)電并能使排放更環(huán)保。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；自動(dòng)化控制；環(huán)保

中圖分類號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3198（2008）06-0314-02

1 引言 

鍋爐微機(jī)控制，是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，它是微型計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動(dòng)控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，我國(guó)現(xiàn)有鍋爐每年耗煤量占我國(guó)原煤產(chǎn)量的1/3，目前大多數(shù)工業(yè)鍋爐仍處于能耗高、浪費(fèi)大、環(huán)境污染嚴(yán)重的生產(chǎn)狀態(tài)。提高熱效率，降低耗煤量，降低耗電量，用微機(jī)進(jìn)行控制是一件具有深遠(yuǎn)意義的工作。 

2 鍋爐控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)與工作原理 

鍋爐微機(jī)控制系統(tǒng)，一般由以下幾部分組成，即由一次儀表、現(xiàn)場(chǎng)機(jī)、上位機(jī)、手自動(dòng)切換操作、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及閥、電機(jī)等部分組成，一次儀表將鍋爐的溫度、壓力、流量、氧量、轉(zhuǎn)速等量轉(zhuǎn)換成電壓、電流等送入微機(jī)。控制系統(tǒng)包括手動(dòng)和自動(dòng)操作部分，手動(dòng)控制時(shí)由操作人員手動(dòng)控制，用操作器控制變頻器、滑差電機(jī)及閥等，自動(dòng)控制時(shí)對(duì)微機(jī)發(fā)出控制信號(hào)經(jīng)執(zhí)行部分進(jìn)行自動(dòng)操作。微機(jī)對(duì)整個(gè)鍋爐的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測(cè)、報(bào)警、控制以保證鍋爐正常、可靠地運(yùn)行，除此以外為保證鍋爐運(yùn)行的安全，在進(jìn)行微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)鍋爐水位、鍋爐汽包壓力等重要參數(shù)應(yīng)設(shè)置常規(guī)儀表及報(bào)警裝置，以保證水位和汽包壓力有雙重甚至三重報(bào)警裝置，以免鍋爐發(fā)生重大事故。 

微機(jī)控制系統(tǒng)由工控機(jī)、顯示器、打印機(jī)、手操器、報(bào)警裝置等組成，能完成對(duì)給水、給煤、鼓風(fēng)、引風(fēng)等進(jìn)行自動(dòng)控制，使鍋爐的汽包水位、蒸汽壓力保持在規(guī)定的數(shù)值上，以保證鍋爐的安全運(yùn)行，平穩(wěn)操作，達(dá)到降低煤耗、提高供送汽質(zhì)量的目的，同時(shí)對(duì)運(yùn)行參數(shù)如壓力、溫度等有流程動(dòng)態(tài)模擬圖畫面并配有數(shù)字說(shuō)明，還可對(duì)汽包水位、壓力、爐溫等進(jìn)行越限報(bào)警，發(fā)出聲光信號(hào)，還可定時(shí)打印出十幾種運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)。以形成生產(chǎn)日志和班、日產(chǎn)耗統(tǒng)計(jì)報(bào)表，有定時(shí)打印、隨機(jī)打印、自定義時(shí)間段打印等幾種方式。 

3 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(fù)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(shí)質(zhì)上是能量平衡系統(tǒng)，它以蒸汽壓力作為能量平衡指標(biāo)，不斷根據(jù)用汽量與壓力的變化調(diào)整燃料量與送風(fēng)量，同時(shí)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(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水流量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，以維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。給水自動(dòng)調(diào)節(jié)的另一個(gè)任務(wù)是保持給水穩(wěn)定。在整個(gè)控制回路中要全面考慮這兩方面的任務(wù)。在控制回路中被調(diào)參數(shù)是汽包水位，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是給水調(diào)解閥，調(diào)節(jié)量是給水流量。 對(duì)汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)的因素有蒸發(fā)量、爐膛熱負(fù)荷（燃料量），給水量。

由于給水調(diào)節(jié)對(duì)象沒(méi)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(diào)節(jié)系統(tǒng)。所謂三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)就是把給水流量，汽包水位，蒸汽流量三個(gè)變量通過(guò)運(yùn)算后調(diào)節(jié)給水閥的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

鍋爐給水系統(tǒng)中還有一個(gè)比較重要的控制回路是給水壓力回路，因?yàn)槠鼉?nèi)壓力較高，要給鍋爐補(bǔ)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(dá)到滿負(fù)荷時(shí)，對(duì)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(yùn)轉(zhuǎn)，用回流閥降低水壓防止爆管，現(xiàn)在一般采用通過(guò)變頻器恒壓供水的方式控制水壓，具體實(shí)現(xiàn)方式是：

系統(tǒng)下達(dá)指令由變頻器自動(dòng)啟動(dòng)第一臺(tái)泵運(yùn)行，系統(tǒng)檢測(cè)給水管的水壓，當(dāng)變頻器頻率上升到工頻時(shí)，如水壓未達(dá)到設(shè)定的壓力值，系統(tǒng)自動(dòng)將第一臺(tái)電機(jī)切換至工頻直供電，并由變頻器拖動(dòng)第二臺(tái)水泵運(yùn)行，如變頻器運(yùn)行到工頻狀態(tài)時(shí)供水母管壓力仍未達(dá)到設(shè)定壓力值系統(tǒng)自動(dòng)將第二臺(tái)水泵切換至工頻直供電，再由變頻器拖動(dòng)第三臺(tái)運(yùn)行，依次類推，直至壓力達(dá)到設(shè)定值。若鍋爐需要的給水量減少，變頻控制系統(tǒng)可自動(dòng)降低變頻器的運(yùn)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(dòng)切換至前一臺(tái)水泵進(jìn)行變頻運(yùn)行，依次類推。變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是：始終利用一臺(tái)變頻器自動(dòng)調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，切換時(shí)間以管網(wǎng)的實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的差值決定，同時(shí)保證管網(wǎng)的壓力動(dòng)態(tài)恒定。值得注意的是為了防止變頻器報(bào)警停機(jī)或其他故障造成水泵不轉(zhuǎn)會(huì)引起鍋爐缺水，所以應(yīng)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將軟化水除氧，這是一個(gè)單閉環(huán)控制回路，輸入?yún)?shù)是除氧器壓力輸出參數(shù)控制除氧器進(jìn)汽閥。除氧器水位控制主要是為了保證除氧器內(nèi)有足夠的水提供給鍋爐，這是一個(gè)單閉環(huán)控制回路輸入?yún)?shù)，是除氧器水位輸出參數(shù)控制除氧器進(jìn)水閥。 

3.2 鍋爐燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng) 

燃燒過(guò)程自動(dòng)調(diào)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(fù)荷的聯(lián)結(jié)方式都有關(guān)系，但是燃燒過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)都是一樣的。歸納起來(lái)，燃燒過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)有三大任務(wù)： 

① 維持汽壓恒定。汽壓的變化表示鍋爐蒸汽量和負(fù)荷的耗汽量不相適應(yīng)，必須相應(yīng)地改變?nèi)剂狭浚愿淖冨仩t的蒸汽量。 

② 保證燃燒過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)燃料量改變時(shí)，必須相應(yīng)地調(diào)節(jié)送風(fēng)量，使它與燃料量相配合，保證燃燒過(guò)程有較高的經(jīng)濟(jì)性。 

③ 調(diào)節(jié)引風(fēng)量與送風(fēng)量相配合，以保證爐膛壓力不變。 

燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般有三個(gè)被調(diào)參數(shù)，汽壓、煙氣含氧量和爐膛負(fù)壓。一般有3個(gè)調(diào)節(jié)量，他們是燃料量，送風(fēng)量和引風(fēng)量。燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對(duì)象對(duì)于燃料量，根據(jù)燃料種類的不同可能是爐排電機(jī)，也可能是燃料閥。對(duì)于送風(fēng)量和引風(fēng)量一般是擋板執(zhí)行機(jī)構(gòu)或變頻器。 

系統(tǒng)各回路中都設(shè)置了手自動(dòng)兩種操作方式，為了實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換，系統(tǒng)引入了各控制對(duì)象的反饋值，在手動(dòng)操作時(shí)PLC輸出會(huì)自動(dòng)跟蹤控制對(duì)象的反饋，當(dāng)切換到自動(dòng)狀態(tài)時(shí)可以進(jìn)行無(wú)擾動(dòng)切換，使系統(tǒng)平穩(wěn)的過(guò)渡到自動(dòng)狀態(tài)。 

4 鍋爐控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu) 

上面我們針對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)的各控制回路原理的做了簡(jiǎn)要分析，依據(jù)以上分析，我們知道構(gòu)建一個(gè)可靠的、智能隨動(dòng)的智能控制系統(tǒng)是保證鍋爐安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。鍋爐控制系統(tǒng)是典型的多變量、純滯后、強(qiáng)耦合的控制系統(tǒng)，如果不能在控制策略和軟件實(shí)現(xiàn)上很好地解決多變量解偶關(guān)系和滯后響應(yīng)問(wèn)題，那么，實(shí)施智能鍋爐控制系統(tǒng)改造后同樣也將無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。 

在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上我們采用集中控制分散驅(qū)動(dòng)的集散控制思想，把控制系統(tǒng)分為三層： 

（1）信息管理層：完成系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)的設(shè)定、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視與控制、歷史數(shù)據(jù)的查看、數(shù)據(jù)報(bào)表的記錄與打印、報(bào)警與故障的提示處理等功能；主要由上位工控機(jī)、組態(tài)開(kāi)發(fā)軟件、應(yīng)用程序、通訊模塊等組成； 

（2）控制層：主要完成各種控制動(dòng)作命令、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采樣與處理、連鎖動(dòng)作的關(guān)聯(lián)表達(dá)、控制算法的實(shí)現(xiàn)、異常現(xiàn)象的自動(dòng)處理等功能；主要由可編程邏輯控制器的開(kāi)關(guān)量模塊、模擬量模塊、智能PID調(diào)節(jié)儀、變頻器、可編程邏輯控制器應(yīng)用程序等組成； 

（3）設(shè)備層：主要接受來(lái)自的控制器控制命令，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作或提供相應(yīng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。主要由斷路器、交流接觸器、壓力變送器、溫度變送器、流量變送器、電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥、模擬信號(hào)隔離分配器等組成。 

5 結(jié)束語(yǔ) 

綜上所述，鍋爐控制系統(tǒng)改造具有很好的市場(chǎng)發(fā)展空間和投資收益前景，值得廣泛地推廣。它不僅能夠通過(guò)自動(dòng)化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的目的，還能夠節(jié)煤節(jié)電并能使排放更環(huán)保，總之鍋爐的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制是鍋爐行業(yè)發(fā)展的大勢(shì)所趨，也是一項(xiàng)利國(guó)利民的發(fā)展方向。