燃煤鍋爐及其運(yùn)行中的若干自動調(diào)節(jié)問題分析

蘇維崗

陜西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司寶雞卷煙廠，陜西 寶雞 721013

鍋爐是將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)變成其它工質(zhì)熱能，生產(chǎn)規(guī)定參數(shù)和品質(zhì)的工質(zhì)的設(shè)備。工業(yè)燃煤鍋爐是重要的熱能和動力設(shè)備，也是能源耗費(fèi)大戶，現(xiàn)階段我國仍是世界上燃煤鍋爐擁有量和使用量最多的國家，每年燃煤需求量將近全國的1/3，如何提高鍋爐熱效率，提高燃燒的經(jīng)濟(jì)性仍是鍋爐運(yùn)行的重要課題。

鍋爐最基本的組成部分是汽鍋與爐子，吸熱的部分稱為鍋，產(chǎn)生熱量的部分稱為爐。汽鍋是鍋爐的汽水系統(tǒng)，大型鍋爐的汽鍋由省煤器、汽包、下降管、水冷壁、過熱器、再熱器等設(shè)備組成。爐子是鍋爐的燃燒系統(tǒng)，大型鍋爐的爐子由爐膛、燃燒器、煙道、空氣預(yù)熱器等組成。

1 燃煤鍋爐的工作過程

原煤送入磨煤機(jī)磨制成煤粉，外界冷空氣進(jìn)入鍋爐尾部煙道的空氣預(yù)熱器中，被煙氣加熱成為熱空氣進(jìn)入熱風(fēng)管道。一部分熱空氣是輸送煤粉的介質(zhì)，對煤進(jìn)行加熱和干燥，另一部分熱空氣直接經(jīng)燃燒器進(jìn)入爐膛參與煤粉的燃燒。從磨煤機(jī)排出的煤粉和空氣的混合物經(jīng)燃燒器進(jìn)入爐膛內(nèi)燃燒。煤粉在爐膛內(nèi)迅速燃燒放熱，使?fàn)t膛火焰中心的溫度急劇升高。爐膛內(nèi)的水冷壁和頂棚過熱器等是爐膛的輻射受熱面，其內(nèi)部的工質(zhì)在吸收爐膛的輻射熱的同時，降低火焰溫度以及保護(hù)爐墻。高溫?zé)煔饨?jīng)爐膛上部出口離開爐膛進(jìn)入水平煙道，與布置在水平煙道的過熱器進(jìn)行熱量交換，然后進(jìn)入尾部煙道，并與再熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器等受熱面進(jìn)行熱量交換，使煙氣不斷放出熱量而逐漸冷卻下來，低溫?zé)煔庠俳?jīng)過除塵器除去大量的飛灰，最后只有少量的細(xì)微灰粒隨煙氣由引風(fēng)機(jī)送入煙囪排入大氣。由給水泵送向鍋爐的給水，經(jīng)過高壓加熱器加熱后進(jìn)入省煤器，吸收鍋爐尾部煙氣的熱量后進(jìn)入汽包，并通過下降管引入水冷壁下聯(lián)箱再分配給各個水冷壁管。水在水冷壁中吸收高溫輻射熱，使部分水蒸發(fā)變成飽和蒸汽，從而在水冷壁內(nèi)形成了汽水混合物。汽水混合物向上流動并進(jìn)入汽包，通過汽包中的汽水分離裝置進(jìn)行汽水分離，分離出來的水繼續(xù)循環(huán)，即煤料的燃燒過程、煙氣向水的熱傳遞過程以及水的汽化過程形成鍋爐的整個工作過程。

2 燃煤鍋爐運(yùn)行中的自動調(diào)節(jié)問題

2.1 燃燒蒸汽壓力控制

蒸汽壓力是衡量蒸汽狀況的重要參數(shù)。蒸汽壓力必須維持在正常范圍內(nèi)，過高或過低都會影響鍋爐負(fù)荷設(shè)備以及金屬導(dǎo)管。若壓力太低，則不能夠提供設(shè)備要求的蒸汽品質(zhì)，若壓力過高，金屬的蠕變會加速。鍋爐運(yùn)行工況中，蒸汽壓力降低，表示負(fù)荷設(shè)備的蒸汽消耗量大于鍋爐的蒸發(fā)量，否則，表明負(fù)荷設(shè)備的蒸汽消耗量比鍋爐的蒸發(fā)量小。控制蒸汽壓力是維持負(fù)荷設(shè)備正常工作的前提，也是經(jīng)濟(jì)燃燒的保障。熱平衡的失調(diào)引起了鍋爐蒸汽壓力的變化，而燃燒熱和蒸汽熱則是影響熱平衡的主要因素，我們所說的內(nèi)擾和外擾兩種擾動則分別是由燃燒熱和蒸汽熱的波動而引起的，為弱化這兩種擾動對蒸汽壓力的影響，在各個基本的單爐蒸汽壓力控制系統(tǒng)中，輸入到鍋爐的燃燒熱必須能同步蒸汽熱的變化來保持熱量的平衡狀態(tài)，同時要依據(jù)蒸汽壓力和壓力給定值之間的偏差來調(diào)節(jié)燃料量用以控制蒸汽壓力的增減。可設(shè)計帶前饋的串級PID控制模式實現(xiàn)，主環(huán)壓力控制根據(jù)蒸汽壓力與設(shè)定值的偏差來調(diào)節(jié)燃料量以保證壓力的穩(wěn)定，副環(huán)燃料控制器根據(jù)主環(huán)輸出與前饋信號的合成指令去控制進(jìn)入鍋爐的原煤，克服煤料波動，使壓力能夠保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

2.2 燃燒經(jīng)濟(jì)性控制

空氣和燃料維持適當(dāng)?shù)谋壤兄谔岣咤仩t的效率和經(jīng)濟(jì)性，實現(xiàn)鍋爐燃燒最佳工況。否則，將會增加熱量損失，污染環(huán)境、降低經(jīng)濟(jì)型。傳統(tǒng)的采用氧量計的燃燒控制系統(tǒng)的鍋爐設(shè)備是一個復(fù)雜的被控對象。風(fēng)煤比是空氣與煤粉比例的衡量值，是燃燒效率的重要影響因素。傳統(tǒng)PID控制模式因其特性直觀，控制迅速，將風(fēng)煤比簡化視為負(fù)荷的單一函數(shù)并近視擬合為比值關(guān)系，在工業(yè)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中廣泛使用，但因在不同的負(fù)荷下，合適的過剩空氣率變化較大，單純的比值控制特性無法保證鍋爐在任何工況下都能達(dá)到最佳的燃燒狀態(tài)。另外，對于由不同的煤種和煤粉特性、爐排轉(zhuǎn)速、煤層厚度不均勻等原因引起的燃料方面的擾動，其最佳過剩空氣率也會有較大變化，單純的PID控制對于經(jīng)濟(jì)燃燒的實現(xiàn)無能為力。采用固定風(fēng)煤比加變氧量校正的方案，可通過風(fēng)煤比曲線粗調(diào)給風(fēng)量，然后由煙氣中含氧量加以校正，由于不同負(fù)荷下的過剩空氣系數(shù)有所不同，采用變氧量校正方案有效克服傳統(tǒng)控制的不足和弊端，但這種方案也不盡完善，目前越來越多的鍋爐采用的是以爐膛溫度為被控量的燃燒控制系統(tǒng)。

2.3 爐膛燃燒負(fù)壓控制

正常運(yùn)行的鍋爐，爐膛負(fù)壓需保持在規(guī)定范圍內(nèi)。爐膛的負(fù)壓必須實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，以促其正常和穩(wěn)定。因為負(fù)壓過大會產(chǎn)生嚴(yán)重漏風(fēng)現(xiàn)象，增加總風(fēng)量，同時會增加煙氣熱量的損失和引風(fēng)機(jī)的電能損耗，背離經(jīng)濟(jì)燃燒的原則；負(fù)壓如果偏正，會產(chǎn)生爐膛的向外噴火現(xiàn)象，不利于環(huán)境，影響安全生產(chǎn)。

2.4 汽包水位的控制

水位控制常見的問題是“虛假水位”現(xiàn)象，即當(dāng)鍋爐的蒸汽負(fù)荷突然加大時，給水量小于蒸發(fā)量，從汽包貯水量的角度來講，汽包的水位應(yīng)該是下降的，恰恰相反的是，蒸汽負(fù)荷增加時，蒸發(fā)量比鍋爐給水量大，水位未降反升。虛假水位主要是由于蒸汽流量增加使得汽包內(nèi)的汽壓下降，爐水的沸點降低，這使?fàn)t管和汽包內(nèi)的汽水混合物中的汽容積增加，形成體積膨脹，產(chǎn)生了汽包的水位上升。在鍋爐的自動控制中，為了克服這種現(xiàn)象，可以設(shè)計三沖量控制系統(tǒng)，以汽包水位為主調(diào)節(jié)信號，蒸汽流量為前饋信號，給水流量為副調(diào)節(jié)信號的前饋加串級PID控制的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

[1]吳明永.工業(yè)鍋爐控制策略研究與控制系統(tǒng)設(shè)計[D].中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫，2009(11).

[2]葛銘杰. 降低煙廠燃?xì)忮仩t燃燒熱損失的方法和效果[D].中國煙草學(xué)會2009年年會論文集，2009.

[3]周永恒，譚華.工業(yè)鍋爐的自動化控制研究[J]廣西輕工業(yè)，2007(1) .