工 業 自 然 循 環 鍋 爐 控 制 系 統 設 計

孫 蓉， 呂淑平， 李 冰， 蘇 麗

(哈爾濱工程大學 自動化學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

工業鍋爐是重要的熱能動力設備，廣泛應用于工業和生活的各個方面，因此對其進行有效、合理的控制將極大地提高其經濟效益，提高能效，同時達到低碳、環保的效果。目前國內對自然工業循環鍋爐大部分采用經典PID控制系統或模糊加PID控制系統，不能很好地解決鍋爐強耦合等特點對控制系統的影響[1-2]。本文對鍋爐的各個控制系統進行分別分析設計，重點在于盡量減小各系統間耦合對控制系統的影響，完成對自然循環工業鍋爐整體的控制，達到高效、節能、低碳、環保的目的。

1 工業自然循環鍋爐系統

1.1 鍋爐對象描述

所選被控對象為工業領域廣泛應用的自然循環鍋爐，如圖1所示。

圖1 鍋爐工藝流程圖

經處理的軟化水進入除氧器V1101上部的除氧頭，進行熱力除氧，除氧蒸汽由除氧頭底部通入。在除氧器V1101下水箱底部也通入除氧蒸汽，進一步去除軟化水中的氧氣和二氧化碳。除氧后的軟化水經由上水泵P1101泵出，分兩路，其中一路進入減溫器E1101與過熱蒸汽換熱后，與另外一路混合，進入省煤器E1102。被煙氣加熱成飽和水的鍋爐上水全部進入汽包V1102，再經過對流管束和下降管進入鍋爐水冷壁，吸收爐膛輻射熱在水冷壁里變成汽水混合物，然后返回汽包V1102進行汽水分離。鍋爐上汽包為臥式圓筒形承壓容器，內部裝有給水分布槽、汽水分離器等，汽水分離是上汽包的重要作用之一。分離出的飽和蒸汽再次進入爐膛F1101進行汽相升溫，成為過熱蒸汽。出爐膛的過熱蒸汽進入減溫器E1101殼程，進行溫度的微調并為鍋爐上水預熱，最后以工藝所要求的過熱蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度輸送給下一生產單元。燃料經由燃料泵P1102泵入爐膛F1101的燃燒器；空氣經由變頻鼓風機K1101送入燃燒器。燃料與空氣在燃燒器混合燃燒，產生熱量使鍋爐水汽化。燃燒產生的煙氣帶有大量余熱，對省煤器E1102中的鍋爐上水進行預熱[3-5]。

1.2 控制要求

調整煙道擋板，使煙氣含氧量維持在2%左右。蒸汽溫度保持在(440±5) ℃范圍內。均衡進水，保持正常水位，使給水量和蒸汽負荷達到平衡。汽包水位控制在(300±30)mm。過熱蒸汽壓力保持在(3.8±0.05) MPa范圍內。給水壓力保持在4.8～5.5 MPa。爐膛壓力小于4.0 kPa。排煙溫度在200℃左右。燃料氣壓力在0.29～0.31 MPa。除氧器壓力在(20±1) kPa，除氧器液位在(400±30)mm。

2 控制系統方案設計

2.1 被控參數特性分析

鍋爐對象中主要包括溫度、流量和壓力3個參數，不同類型的參數具有不同的對象特性，需要采用不同的控制方法。溫度動態特性的特點：慣性大，容量滯后大，控制起來不靈敏，因此溫度控制系統需要增加微分作用。溫度控制的方法與被控對象的特點、控制精度要求等有關，其種類很多[6]。流量雖然平穩，流體內部卻在騷動。特別是流體通過截流裝置時，此種騷動程度比較大，產生的噪聲也較大。噪聲是一種頻率很高、變化無常的流體流動，這是流量控制系統不能加微分的原因[7-9]。壓力對象的常見類型有兩類:① 具有一定容量的氣罐，此種情況下，體積和容量較大，表征動態特性的時間常數較大，即慣性較大;② 管道的壓力，由于管道容積較小，所以時間常數較小，控制比較靈敏。流量對象和壓力對象與溫度對象相比，都是比較快的過程，時間常數不大，大致都呈現單容特性，在控制中一般不用微分作用[10-12]。

2.2 基本控制方案設計

本設計中采用單回路除氧器壓力控制方法，前饋除氧器液位控制方法，三沖量汽包水位控制方法，前饋-串級復合過熱蒸汽控制方法，單交叉、雙交叉以及變偏置雙交叉燃燒控制方法。本文重點對鍋爐的燃燒控制系統進行了設計和仿真，因為在鍋爐燃燒過程中分為煙氣含氧量控制系統、煙氣余溫控制系統、爐膛負壓控制系統三個部分，是各個系統中相對復雜的部分，是一個典型的多個參數之間相互耦合的多輸入多輸出控制系統。

2.3 鍋爐燃燒過程控制系統設計

鍋爐燃燒控制系統是由燃料量、送風量、爐膛負壓3個密切聯系、相互協調的控制子系統組成。燃燒控制系統接受蒸汽壓力調節器的信號，調節燃料及燃燒過程的其他參數，使鍋爐的過熱蒸汽壓力穩定在設定值。鍋爐燃燒過程控制系統簡化總框圖如圖2所示。其中燃料量控制子系統使鍋爐跟蹤外界負荷的變化，將過熱蒸汽壓力穩定在設定值；送風量控制子系統保證鍋爐燃燒系統的高效率；爐膛負壓控制于系統保持爐膛負壓值穩定。這3個控制子系統組成了不可分割的整體，統稱為鍋爐燃燒控制系統，共同保證鍋爐燃燒系統運行的安全性、經濟性以及對外界負荷變化的適應性。

圖2 鍋爐燃燒過程控制系統框圖

2.3.1燃燒控制方法分析設計

燃燒控制可以使用單交叉燃燒控制、雙交叉限幅燃燒控制以及變偏置雙交叉燃燒控制。分析單交叉燃燒控制，單交叉燃燒控制系統存在如下問題：風油/配比不佳，當負荷變化大時，常出現風/油配比失調，造成冒黑煙或白煙，使鍋爐燃燒系統經濟性降低。如果采用雙交叉限幅燃燒控制方法，仍存在缺點，若偏置過小使系統對負荷響應速度變慢；若過大，不能起限幅作用。因此再引進變偏置雙交叉燃燒控制方法。這樣可以對偏置量的確定方法進行改進，偏置量不再是固定值，而是隨著控制需求改變[13-15]。

針對工業自然循環鍋爐的特點和雙交叉控制系統中存在的問題，為了使各偏置值隨爐溫調節器的輸出與燃料流量的偏差而變化，在雙交叉限制燃燒控制系統中，增加一個函數發生器f(ΔF)，反映負荷變化幅度，使偏置值x1、x2、x3和x4隨著變偏置函數的變化而變化。控制系統的被控量是鍋爐出口的主蒸汽壓力，要求主蒸汽壓力穩定在規定值附近，選用主蒸汽壓力偏差Δe作為變偏置函數的自變量。改進的變偏置雙交叉限幅燃燒控制系統的原理圖見圖3。

圖中：PT1、PT2為主蒸汽壓力、空氣流量變送器；I/V為電流電壓轉換器；V/I為電壓電流轉換器；SV為主蒸汽壓力給定器；PIC1、PIC2為蒸汽壓力、空氣壓力調節器；LAG為一階慣性環節；Ml為燃油流量調節閥；M2為空氣壓力調節閥；HS1、HS2為高值選擇器；LS1、LS2為低值選擇器；f1(x)為變偏置函數；f2(x)、f3(x)為油/風、風/油轉換函數；f4(x)、f5(x)為空氣壓力正偏置、負偏置函數；f6(x)、f7(x)為燃油量正偏置、負偏置函數。

圖3 變偏置雙交叉限幅燃燒控制系統框圖

函數f1(x)～f7(x)、高值選擇器HS1、HS2 低值選擇器LS1、LS2環節構成了變偏置雙交叉限幅控制系統。當鍋爐升負荷時，給定信號A發生正跳變如圖4所示。

(1) 空氣流量調節回路。此時，AK時，LS2選通K，A被中斷，同時K>D，HS1又選通K，再經f1(x)轉換后作為空氣流量給定E，使空氣流量隨著K值的增加而增加，即空氣流量隨著燃油流量的增加而增加，交叉限制開始；當K增加到K>A時，LS2選通A，K被中斷，同時A>D，HS1又選通A，再經f1(x)轉換后作為空氣流量給定E，交叉限制結束，此時系統恢復到穩定狀態。

(2) 燃油流量的變化。此時A>H，H為燃油空氣流量的負偏置，HS2選通A，當A正跳變到A>B時，B為燃油空氣流量的正負偏置，LS1選通B，A被中斷，F=B，B作為燃油流量調節閥開度的控制信號，使燃油流量隨著B值的增加而增加，即燃油流量隨著空氣流量的增加而增加，交叉限制開始；當信號B增加到B>A時，同時A>H，HS2選通A，LS1也選通A，A作為燃油流量調節閥控制信號，交叉限制結束，此時系統恢復穩定狀態，升負荷的過渡過程結束。此動態過程中，燃油流量和空氣流量互相影響交替增加。

圖4 信號過度過程曲線

當鍋爐降負荷時，信號A發生負跳變，如圖4所示。

(1) 燃油流量的變化。此時A>H，HS2選通A，當A負跳變到A

(2) 空氣流量調節回路。此時A

式中：K1、K2、K3、K4為變偏置放大系數，分別用來調整4個偏置的大小；f4(x)為燃油流量測量值加上變偏置值K1·f1(x)；f5(x)為燃油流量測量值減去變偏置值K2·f1(x)；f6(x)為根據空氣壓力測量值計算出的所需燃油量加上變偏置值K3·f1(x)；f7(x)為根據空氣壓力測量值計算的所需燃油量減去變偏置值K4·f1(x)。

2.3.2煙氣含氧量控制系統

為了使鍋爐適應負荷的變化，必須同時改變送風量和燃料量，維持過熱蒸汽壓力穩定。送風控制系統的目的就是保證風量-燃料的最佳配比，使鍋爐在高熱效率狀態運行。現在常用過量空氣系數α衡量風量-燃料配比，最佳α值與鍋爐負荷有關。如何控制α，保證燃燒過程的經濟性是比較困難的。而煙氣中的O2含量與α之間有比較固定的關系，通過測量和控制鍋爐煙氣中的O2含量，就可以實現α的測量和控制，也就實現了風量-燃料配比的控制。因此在空氣-燃料比雙交叉限幅比值控制系統的基礎上，將送風控制系統設計成帶有氧氣量調節的串級比值控制系統。控制系統簡化框圖如圖5所示。

圖5 煙氣含氧量控制系統框圖

2.3.3煙氣余溫控制系統

為了達到低碳節能的目的，要控制好煙氣的溫度。煙氣剩余溫度越高意味著能耗越大，因此要適當減小燃料的供給量。控制系統簡化框圖如圖 6所示。

圖6 煙氣余溫系統框圖

2.3.4爐膛負壓控制系統

爐膛負壓控制系統，被控變量為爐膛負壓，操縱變量為排煙量。設計中采用前饋-反饋控制系統。用煙氣排放量作為控制變量形成單回路反饋；送風量會對爐膛負壓產生較大的干擾，因此在單回路上加入送風量的前饋通道，及時抑制系統波動。控制系統框圖如圖7所示。

圖7 爐膛負壓前饋-反饋控制系統

3 鍋爐燃燒過程控制系統設仿真

本控制系統中分為煙氣含氧量控制系統、煙氣余溫控制系統、爐膛負壓控制系統。本設計中燃料和送風量分別利用兩個單回路控制系統，兩者構成一個雙閉環比值控制系統。在此基礎上增加選擇控制環節，實現燃燒過程交叉限幅協調控制方案。又為了使煙氣含氧量控制系統更加穩定，在空燃比交叉限幅控制系統基礎上進行改進，采用空燃比雙交叉限幅控制系統，在此基礎上再引進變偏置雙交叉燃燒控制方法。鍋爐管道儀表仿真圖見圖8。

圖8 工業鍋爐管道儀表仿真圖

3.1 煙氣含氧量控制系統仿真

從圖9可以看出,通過本系統測試煙氣中的含氧量就可以實現風量-燃料配比的控制，所以在空氣-燃料比雙交叉限幅比值控制系統的基礎上，將送風控制系統設計成帶有氧氣量調節的串級比值控制系統。如圖所示，當給系統一個階躍信號的時，系統的調節時間約為10 s，符合設計要求。

圖9 煙氣含氧量控制系統仿真圖像

3.2 余溫控制系統仿真

因為煙氣余溫越高，意味著能耗越大，就要適當地減小燃料的供給量。此環節是用煙氣余溫調節器，燃料調節器等構成閉環回路對燃料的供給量進行控制。當給系統一個階躍信號時,得到如圖10所示曲線，調節時間約40 s，符合設計要求。

圖10 煙氣余溫控制系統仿真圖像

3.3 負壓控制系統仿真

本設計環節采用前饋-反饋控制系統。用煙氣排放量作為控制變量形成單回路反饋；送風量會對爐膛負壓產生較大的干擾，因此在單回路上加入送風量的前饋通道。如圖11所示，當輸入階躍信號時，系統的調節時間約為45 s，符合設計要求。

圖11 爐膛負壓控制系統仿真圖像

4 結 語

本文對工業自然循環鍋爐的工藝特性進行了分析，明確了鍋爐各個環節的工作原理與相互關系，對鍋爐的除氧器、汽包、過熱蒸汽、爐膛等各個被控對象的特性進行了詳細的討論。在此基礎之上，綜合運用串級、前饋等多種復雜控制系統設計方法和模糊自適應PID等控制規律，設計了一個完整的鍋爐基礎控制系統。針對“低碳”的要求，方案中設計了交叉限幅燃燒控制的方法，并針對其存在的缺陷進行了改進，設計出了變偏置雙交叉限幅燃燒控制系統，以實現用最少的燃料產生最大的熱量，達到低碳的目的。

經過對系統的分析設計了控制器，并對控制系統進行了仿真，指標滿足要求，通過變偏置雙交叉限幅燃

燒控制系法，提高了系統的能源利用效率，能夠滿足生產、安全、優化的指標，達到令人滿意的效果。

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