多鍋爐母管制運行負荷分配與燃燒控制

曹麗蘋 張麗娟 陳博通

(保定職業技術學院機電工程系1，河北 保定 071002;通化鋼鐵股份公司焦化廠2，吉林 通化 134000;北京三博中自科技有限公司3，北京 100190)

0 引言

鍋爐是化工、熱電等行業中重要的動力設備。它所生產出的蒸汽已經越來越多地被應用于其他設備的生產過程中。要使鍋爐更加安全、穩定和經濟地運行，鍋爐控制的品質和效果就顯得非常重要。

鏈條爐是一種應用較為廣泛的火床爐，至今已有一百多年的發展歷史。該爐型目前在我國小型電廠(熱電廠、自備電廠)和化工企業中使用很普遍，運行經驗也比較豐富。但目前國內鏈條爐運行自動化程度普遍不高，基本還處于操作人員手動控制的狀況。

本文針對某熱力廠多臺鏈條爐母管制運行中存在的一些問題進行了分析，提出了一種新的控制方案。目前，該方案已在現場應用，效果良好。

1 項目介紹

某熱力廠共有9臺35 t/h燃煤鏈條爐，采用母管制工作方式，鍋爐采用PLC控制，控制系統結構如圖1所示。目前，大部分時間鍋爐自動控制系統無法投運，操作仍舊以人工為主。

圖1 某熱力廠鍋爐控制系統Fig.1 Boiler control system in certain thermal plant

經過分析后發現，鍋爐自動控制系統無法投運(或者說控制上存在難點)主要由鏈條爐自身系統和母管制運行方式兩方面原因造成。

1.1 鏈條爐的工藝簡介

鏈條爐是一個典型的、機械化程度較高的一種火床爐，因其爐排類似于鏈條式履帶而得名。煤在火床(水平運動的爐排)上燃燒，空氣從爐排下方自下而上引入。煤從煤斗落到爐排上，經過爐閘門時被刮成一定的厚度;進入爐膛后在爐排上分段燃燒成渣，產生的熱量被爐膛中的受熱面吸收產生蒸汽，蒸汽在汽包內聚集并引出，經過熱器、集汽箱到主蒸汽管。燃燒產生的煙氣經高低溫過熱器、省煤器、空氣預熱器，除塵后經煙囪排入大氣。鏈條爐工藝流程如圖2所示。

圖2 鏈條爐工藝流程圖Fig.2 Technological process of the chain grate boilers

鍋爐控制的主要任務是為了使進入鍋爐的煤燃燒所產生的熱量與鍋爐蒸汽負荷要求相適應，從而維持主蒸汽壓力穩定，同時保證燃燒過程安全經濟。

系統通過調節爐排轉速實現給煤量控制;通過調節鼓風機頻率，實現最優風煤比燃燒;通過調節引風機頻率，保證爐膛負壓控制在規定范圍內。當負荷變化大或煤種改變時，還可通過手動調節爐閘門的高度來改變煤層厚度進行調整。系統運行中，汽包水位需維持在一定的范圍內。

鏈條爐是一個非線性、時變、多變量耦合的復雜對象，它在控制過程中存在以下幾個難點。

①系統存在嚴重耦合，例如給煤量的變化對其他幾個回路都產生影響。

②煤種及煤質的變化給系統帶來了不確定性。

③給煤量的變化到主蒸汽壓力的變化回路存在時滯。

④供熱、供汽量的不確定性，由于熱用戶在不同時間段對負荷的要求差別較大，所以鍋爐負荷變動大且頻繁。

⑤該類鍋爐容量一般較小，一般廠家對檢測元件的配備往往不能很好地滿足控制方案的設計，這給自控的設計、運行帶來很大的困難。例如:二次風、爐閘門高度等一般使用手動控制;爐膛溫度測點較少，燃燒的控制往往需要操作人員綜合各種情況，甚至通過觀察火位以及火焰顏色來加以調整。因此，燃燒控制的經驗性較強。

1.2 母管制結構的控制難點

目前，電力、石化、冶金、熱電聯產等企業的中小容量鍋爐都采用母管制運行方式。然而，絕大部分母管制運行的鍋爐燃燒控制都是通過人工操作進行的，投入自動運行的系統非常少。這主要是由于母管制控制的特殊性造成的，或者說控制上存在難點。

本項目中的母管制供熱系統結構如圖3所示。

圖3 母管制供熱系統Fig.3 Heating system of the header system

根據圖3進行分析，假設初始狀態，P1=P2=…=P9，F1+F2+…+F9=F，鍋爐總產汽量等于總用汽負荷(母管壓力處于平衡狀態);各鍋爐燃燒效率不同，其中鍋爐9的效率最高，各鍋爐之間采用獨立的燃燒控制系統，選擇各自汽包壓力信號(P1、P2、…、P9)對燃燒系統的燃煤量進行控制調節。

當總用汽負荷增加，將造成蒸汽母管壓力下降，此時，各臺鍋爐應同時增加燃煤量，從而提高供熱量，并盡快使母管壓力恢復平衡。而實際上，由于鍋爐9燃燒效率最高，使得蒸汽流量F9先增加，P9先升高，引起母管壓力Pm升高。對于燃燒效率低一些的鍋爐1～鍋爐8，由于蒸汽母管壓力的升高，使得 P1－Pm、P2－Pm、…、P8－Pm減小，從而造成 F1、F2、…、F8減小。此時 P1、P2、…、P8由于蓄熱量的增加也會逐步升高，從而誤導其燃燒控制系統保持燃煤量不變甚至減少，結果導致燃燒效率最高的鍋爐9在不斷出力，負荷分配不均勻，母管壓力不易恢復平衡。

綜上可知，母管制結構中每臺鍋爐的工況是相互關聯的。每臺鍋爐的蒸汽壓力和流量不僅與用汽對象有關，還與其他鍋爐的燃燒效率有關。若簡單地采用單個鍋爐的控制方案，容易出現各個鍋爐蒸汽負荷輕重不均的“搶負荷”現象。

2 解決方案分析

通過以上分析可知，針對本項目中多臺鏈條爐母管制運行的特點，在進行自動控制系統設計時，既要考慮到單臺鍋爐控制系統的特點，又得考慮多爐負荷分配的問題。兩者統籌兼顧，才能達到預期的效果。

2.1 單爐燃燒系統控制方案

燃燒控制是整個鍋爐控制系統的關鍵，燃燒控制的品質和效果直接影響著鍋爐安全、穩定和經濟的運行。燃燒過程調節的基本任務是:①維持蒸汽壓力穩定，保證負荷與鍋爐出力的協調;②使燃煤量與空氣量相協調(風煤比)，保證燃燒的經濟性;③調節引風量與鼓風量使之相適應，維持爐膛負壓在一定范圍內;④保證燃燒的安全性，這主要通過調節鏈條爐排轉速、鼓風機頻率和引風機頻率這三個變量來實現。

針對鏈條爐控制方面存在的困難，已有許多學者和控制方面的專家在這方面進行了研究［1－2］。步子祥［3］對工業燃煤鍋爐實現燃燒自動化進行了技術總結，對工業燃煤鍋爐燃燒過程的特點做了分析，設計了突出風量作用的燃燒自動控制方案。劉久斌［4］對現行的幾種鏈條爐燃燒控制方案進行了分析，并提出一種簡單易行的新方案。余海斌［5］等結合鏈條爐的工藝和特性，開發了鏈條爐的專家控制系統，并成功地應用于具體項目。

結合具體項目情況，本文提出的單爐燃燒控制方案如下。

①采用蒸汽壓力和流量串級控制，實現對爐排轉速的調節，主調節器控制蒸汽壓力，副調節器控制蒸汽流量。

②通過風煤比關系，按比值控制調節鼓風機頻率，實現對鼓風量的控制。

③爐膛負壓系統采用單回路PID，鼓風頻率運算處理后作為引風控制的前饋信號。

單爐燃燒控制系統方案如圖4所示。

圖4 單爐燃燒系統控制方案Fig.4 Combustion control scheme of single boiler

單爐燃燒控制方案具有以下特點。

①爐排控制副回路采用流量調節，當負荷變化時，蒸汽流量發生變化比蒸汽壓力發生變化的延時時間短。因此，加快了爐排調節的速度。

②調節燃煤量的同時，通過風煤比關系調節鼓風。當煤種改變時，鼓風量可通過鼓風修正進行調整。

③鼓風頻率經運算處理后作為前饋信號。

④該控制系統結構便于多爐負荷分配方案結構的搭建。

2.2 多爐負荷分配控制方案

負荷分配的目的是在保證蒸汽母管壓力穩定的前提下，根據每臺鍋爐的燃燒效率，合理調度和分配每臺鍋爐的負荷，使整個鍋爐房的煤耗量最低［6－10］。

隨著系統負荷的變化，鍋爐負荷也應隨之發生變化，以適應系統負荷變化的需求。它分為按比例調節、按機組效率調節和按燃料消耗微增率相等調配這三種調節方式。

最簡單的負荷分配僅僅是按最優目的來啟動或關閉鍋爐。當負荷增加時，將效率最高的鍋爐啟動;而當負荷下降時，則將最低效率的鍋爐關閉。

對于比較復雜的系統，通過在多臺正在運行的鍋爐之間進行負荷分配，使其最優化。在這種情況下，必須采用計算機來實時計算每臺鍋爐的效率。如果負荷增加，計算得到的增加量根據鍋爐效率成比例地送到每臺鍋爐的設定值，效率最高的鍋爐承擔負荷增加量最多;如果負荷減少，計算得到的減少量同樣根據鍋爐效率成比例地送到每臺鍋爐的設定值，效率最低的鍋爐承擔負荷減少量最多。

通過以上分析，本文設計的多爐負荷分配控制方案結構如圖5所示。

圖5 多爐負荷分配控制方案結構圖Fig.5 Control scheme for multi-boiler load distribution

在單爐控制方案的基礎上，設計了該控制方案。該系統主要由主調節器、副調節器和負荷分配單元三部分組成。主調節器采用蒸汽母管壓力調節，以保證母管蒸汽壓力的穩定;副調節器通過每臺鍋爐的蒸汽流量來調節各臺鍋爐的燃燒系統;負荷分配單元根據每臺鍋爐的運行狀況進行合理的負荷分配。

各爐負荷分配控制方案具有如下特點。

①副回路采用每臺鍋爐的蒸汽流量調節，便于衡量每臺鍋爐的出力情況與負荷分配。

②當鍋爐運行狀態或燃燒效率發生變化后，操作人員可以根據各鍋爐新的運行狀況，通過調節負荷分配系數(K5、K6、…、K9)，對每臺鍋爐的負荷進行重新分配。

③根據負荷情況，操作人員可自由選擇各鍋爐的運行狀態是母管制運行還是單獨運行。

④熱用戶總用汽量與鍋爐總產汽量差值經運算處理后作為副回路控制的前饋信號。當負荷變化時，前饋信號加快了系統調節的速度。

3 結束語

目前，該方案已經在北辰熱力廠多爐自動控制系統中成功投運。自控系統投運后，主蒸汽母管壓力比較穩定，較人工手動控制波動明顯減小。

經過實際運行的檢驗，證明本控制方案較好地解決了多臺鏈條爐母管制運行負荷分配和燃燒控制的問題。使用本控制方案，各鍋爐的負荷情況可自由選擇。本控制方案具有良好的推廣價值。

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