多鍋爐母管制運(yùn)行負(fù)荷分配與燃燒控制

曹麗蘋 張麗娟 陳博通

(保定職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)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(yè)中重要的動(dòng)力設(shè)備。它所生產(chǎn)出的蒸汽已經(jīng)越來越多地被應(yīng)用于其他設(shè)備的生產(chǎn)過程中。要使鍋爐更加安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，鍋爐控制的品質(zhì)和效果就顯得非常重要。

鏈條爐是一種應(yīng)用較為廣泛的火床爐，至今已有一百多年的發(fā)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(yè)中使用很普遍，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也比較豐富。但目前國內(nèi)鏈條爐運(yùn)行自動(dòng)化程度普遍不高，基本還處于操作人員手動(dòng)控制的狀況。

本文針對(duì)某熱力廠多臺(tái)鏈條爐母管制運(yùn)行中存在的一些問題進(jìn)行了分析，提出了一種新的控制方案。目前，該方案已在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，效果良好。

1 項(xiàng)目介紹

某熱力廠共有9臺(tái)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(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前，大部分時(shí)間鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)無法投運(yùn)，操作仍舊以人工為主。

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

經(jīng)過分析后發(fā)現(xiàn)，鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)無法投運(yùn)(或者說控制上存在難點(diǎn))主要由鏈條爐自身系統(tǒng)和母管制運(yùn)行方式兩方面原因造成。

1.1 鏈條爐的工藝簡(jiǎn)介

鏈條爐是一個(gè)典型的、機(jī)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(yùn)動(dòng)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(jīng)過爐閘門時(shí)被刮成一定的厚度;進(jìn)入爐膛后在爐排上分段燃燒成渣，產(chǎn)生的熱量被爐膛中的受熱面吸收產(chǎn)生蒸汽，蒸汽在汽包內(nèi)聚集并引出，經(jīng)過熱器、集汽箱到主蒸汽管。燃燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)高低溫過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器，除塵后經(jīng)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(wù)是為了使進(jìn)入鍋爐的煤燃燒所產(chǎn)生的熱量與鍋爐蒸汽負(fù)荷要求相適應(yīng)，從而維持主蒸汽壓力穩(wěn)定，同時(shí)保證燃燒過程安全經(jīng)濟(jì)。

系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)爐排轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)給煤量控制;通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)頻率，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)風(fēng)煤比燃燒;通過調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)頻率，保證爐膛負(fù)壓控制在規(guī)定范圍內(nèi)。當(dāng)負(fù)荷變化大或煤種改變時(shí)，還可通過手動(dòng)調(diào)節(jié)爐閘門的高度來改變煤層厚度進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)運(yùn)行中，汽包水位需維持在一定的范圍內(nèi)。

鏈條爐是一個(gè)非線性、時(shí)變、多變量耦合的復(fù)雜對(duì)象，它在控制過程中存在以下幾個(gè)難點(diǎn)。

①系統(tǒng)存在嚴(yán)重耦合，例如給煤量的變化對(duì)其他幾個(gè)回路都產(chǎn)生影響。

②煤種及煤質(zhì)的變化給系統(tǒng)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(shí)滯。

④供熱、供汽量的不確定性，由于熱用戶在不同時(shí)間段對(duì)負(fù)荷的要求差別較大，所以鍋爐負(fù)荷變動(dòng)大且頻繁。

⑤該類鍋爐容量一般較小，一般廠家對(duì)檢測(cè)元件的配備往往不能很好地滿足控制方案的設(shè)計(jì)，這給自控的設(shè)計(jì)、運(yùn)行帶來很大的困難。例如:二次風(fēng)、爐閘門高度等一般使用手動(dòng)控制;爐膛溫度測(cè)點(diǎn)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(diào)整。因此，燃燒控制的經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)。

1.2 母管制結(jié)構(gòu)的控制難點(diǎn)

目前，電力、石化、冶金、熱電聯(lián)產(chǎn)等企業(yè)的中小容量鍋爐都采用母管制運(yùn)行方式。然而，絕大部分母管制運(yùn)行的鍋爐燃燒控制都是通過人工操作進(jìn)行的，投入自動(dòng)運(yùn)行的系統(tǒng)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(diǎn)。

本項(xiàng)目中的母管制供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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

根據(jù)圖3進(jìn)行分析，假設(shè)初始狀態(tài)，P1=P2=…=P9，F(xiàn)1+F2+…+F9=F，鍋爐總產(chǎn)汽量等于總用汽負(fù)荷(母管壓力處于平衡狀態(tài));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(dú)立的燃燒控制系統(tǒng)，選擇各自汽包壓力信號(hào)(P1、P2、…、P9)對(duì)燃燒系統(tǒng)的燃煤量進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。

當(dāng)總用汽負(fù)荷增加，將造成蒸汽母管壓力下降，此時(shí)，各臺(tái)鍋爐應(yīng)同時(shí)增加燃煤量，從而提高供熱量，并盡快使母管壓力恢復(fù)平衡。而實(shí)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(duì)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(shí) P1、P2、…、P8由于蓄熱量的增加也會(huì)逐步升高，從而誤導(dǎo)其燃燒控制系統(tǒng)保持燃煤量不變甚至減少，結(jié)果導(dǎo)致燃燒效率最高的鍋爐9在不斷出力，負(fù)荷分配不均勻，母管壓力不易恢復(fù)平衡。

綜上可知，母管制結(jié)構(gòu)中每臺(tái)鍋爐的工況是相互關(guān)聯(lián)的。每臺(tái)鍋爐的蒸汽壓力和流量不僅與用汽對(duì)象有關(guān)，還與其他鍋爐的燃燒效率有關(guān)。若簡(jiǎn)單地采用單個(gè)鍋爐的控制方案，容易出現(xiàn)各個(gè)鍋爐蒸汽負(fù)荷輕重不均的“搶負(fù)荷”現(xiàn)象。

2 解決方案分析

通過以上分析可知，針對(duì)本項(xiàng)目中多臺(tái)鏈條爐母管制運(yùn)行的特點(diǎn)，在進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮到單臺(tái)鍋爐控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，又得考慮多爐負(fù)荷分配的問題。兩者統(tǒng)籌兼顧，才能達(dá)到預(yù)期的效果。

2.1 單爐燃燒系統(tǒng)控制方案

燃燒控制是整個(gè)鍋爐控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，燃燒控制的品質(zhì)和效果直接影響著鍋爐安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。燃燒過程調(diào)節(jié)的基本任務(wù)是:①維持蒸汽壓力穩(wěn)定，保證負(fù)荷與鍋爐出力的協(xié)調(diào);②使燃煤量與空氣量相協(xié)調(diào)(風(fēng)煤比)，保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性;③調(diào)節(jié)引風(fēng)量與鼓風(fēng)量使之相適應(yīng)，維持爐膛負(fù)壓在一定范圍內(nèi);④保證燃燒的安全性，這主要通過調(diào)節(jié)鏈條爐排轉(zhuǎn)速、鼓風(fēng)機(jī)頻率和引風(fēng)機(jī)頻率這三個(gè)變量來實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)鏈條爐控制方面存在的困難，已有許多學(xué)者和控制方面的專家在這方面進(jìn)行了研究［1－2］。步子祥［3］對(duì)工業(yè)燃煤鍋爐實(shí)現(xiàn)燃燒自動(dòng)化進(jìn)行了技術(shù)總結(jié)，對(duì)工業(yè)燃煤鍋爐燃燒過程的特點(diǎn)做了分析，設(shè)計(jì)了突出風(fēng)量作用的燃燒自動(dòng)控制方案。劉久斌［4］對(duì)現(xiàn)行的幾種鏈條爐燃燒控制方案進(jìn)行了分析，并提出一種簡(jiǎn)單易行的新方案。余海斌［5］等結(jié)合鏈條爐的工藝和特性，開發(fā)了鏈條爐的專家控制系統(tǒng)，并成功地應(yīng)用于具體項(xiàng)目。

結(jié)合具體項(xiàng)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(jí)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐排轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，主調(diào)節(jié)器控制蒸汽壓力，副調(diào)節(jié)器控制蒸汽流量。

②通過風(fēng)煤比關(guān)系，按比值控制調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)鼓風(fēng)量的控制。

③爐膛負(fù)壓系統(tǒng)采用單回路PID，鼓風(fēng)頻率運(yùn)算處理后作為引風(fēng)控制的前饋信號(hào)。

單爐燃燒控制系統(tǒng)方案如圖4所示。

圖4 單爐燃燒系統(tǒng)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(diǎn)。

①爐排控制副回路采用流量調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，蒸汽流量發(fā)生變化比蒸汽壓力發(fā)生變化的延時(shí)時(shí)間短。因此，加快了爐排調(diào)節(jié)的速度。

②調(diào)節(jié)燃煤量的同時(shí)，通過風(fēng)煤比關(guān)系調(diào)節(jié)鼓風(fēng)。當(dāng)煤種改變時(shí)，鼓風(fēng)量可通過鼓風(fēng)修正進(jìn)行調(diào)整。

③鼓風(fēng)頻率經(jīng)運(yùn)算處理后作為前饋信號(hào)。

④該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)便于多爐負(fù)荷分配方案結(jié)構(gòu)的搭建。

2.2 多爐負(fù)荷分配控制方案

負(fù)荷分配的目的是在保證蒸汽母管壓力穩(wěn)定的前提下，根據(jù)每臺(tái)鍋爐的燃燒效率，合理調(diào)度和分配每臺(tái)鍋爐的負(fù)荷，使整個(gè)鍋爐房的煤耗量最低［6－10］。

隨著系統(tǒng)負(fù)荷的變化，鍋爐負(fù)荷也應(yīng)隨之發(fā)生變化，以適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷變化的需求。它分為按比例調(diào)節(jié)、按機(jī)組效率調(diào)節(jié)和按燃料消耗微增率相等調(diào)配這三種調(diào)節(jié)方式。

最簡(jiǎn)單的負(fù)荷分配僅僅是按最優(yōu)目的來啟動(dòng)或關(guān)閉鍋爐。當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，將效率最高的鍋爐啟動(dòng);而當(dāng)負(fù)荷下降時(shí)，則將最低效率的鍋爐關(guān)閉。

對(duì)于比較復(fù)雜的系統(tǒng)，通過在多臺(tái)正在運(yùn)行的鍋爐之間進(jìn)行負(fù)荷分配，使其最優(yōu)化。在這種情況下，必須采用計(jì)算機(jī)來實(shí)時(shí)計(jì)算每臺(tái)鍋爐的效率。如果負(fù)荷增加，計(jì)算得到的增加量根據(jù)鍋爐效率成比例地送到每臺(tái)鍋爐的設(shè)定值，效率最高的鍋爐承擔(dān)負(fù)荷增加量最多;如果負(fù)荷減少，計(jì)算得到的減少量同樣根據(jù)鍋爐效率成比例地送到每臺(tái)鍋爐的設(shè)定值，效率最低的鍋爐承擔(dān)負(fù)荷減少量最多。

通過以上分析，本文設(shè)計(jì)的多爐負(fù)荷分配控制方案結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 多爐負(fù)荷分配控制方案結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Control scheme for multi-boiler load distribution

在單爐控制方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了該控制方案。該系統(tǒng)主要由主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器和負(fù)荷分配單元三部分組成。主調(diào)節(jié)器采用蒸汽母管壓力調(diào)節(jié)，以保證母管蒸汽壓力的穩(wěn)定;副調(diào)節(jié)器通過每臺(tái)鍋爐的蒸汽流量來調(diào)節(jié)各臺(tái)鍋爐的燃燒系統(tǒng);負(fù)荷分配單元根據(jù)每臺(tái)鍋爐的運(yùn)行狀況進(jìn)行合理的負(fù)荷分配。

各爐負(fù)荷分配控制方案具有如下特點(diǎn)。

①副回路采用每臺(tái)鍋爐的蒸汽流量調(diào)節(jié)，便于衡量每臺(tái)鍋爐的出力情況與負(fù)荷分配。

②當(dāng)鍋爐運(yùn)行狀態(tài)或燃燒效率發(fā)生變化后，操作人員可以根據(jù)各鍋爐新的運(yùn)行狀況，通過調(diào)節(jié)負(fù)荷分配系數(shù)(K5、K6、…、K9)，對(duì)每臺(tái)鍋爐的負(fù)荷進(jìn)行重新分配。

③根據(jù)負(fù)荷情況，操作人員可自由選擇各鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)是母管制運(yùn)行還是單獨(dú)運(yùn)行。

④熱用戶總用汽量與鍋爐總產(chǎn)汽量差值經(jīng)運(yùn)算處理后作為副回路控制的前饋信號(hào)。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，前饋信號(hào)加快了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的速度。

3 結(jié)束語

目前，該方案已經(jīng)在北辰熱力廠多爐自動(dòng)控制系統(tǒng)中成功投運(yùn)。自控系統(tǒng)投運(yùn)后，主蒸汽母管壓力比較穩(wěn)定，較人工手動(dòng)控制波動(dòng)明顯減小。

經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行的檢驗(yàn)，證明本控制方案較好地解決了多臺(tái)鏈條爐母管制運(yùn)行負(fù)荷分配和燃燒控制的問題。使用本控制方案，各鍋爐的負(fù)荷情況可自由選擇。本控制方案具有良好的推廣價(jià)值。

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