基于DCS控制器的生物質鍋爐燃燒控制系統的設計

王治江

（天津市星拓科技發展有限公司，天津300384）

生物質（biomass）是指通過光合作用而形成的各種有機體，與目前常用的煤、石油、天然氣等能源相比，來源廣泛、豐富；宏觀上看，其燃燒過程可以實現CO2的零排放，為一種理想的綠色能源。目前針對我國具體國情，通過直接燃燒的方式利用生物質能源是現行應用最多、最為成熟的。

生物質鍋爐因其綠色環保的特性被廣泛地應用到很多工廠中，但仍需要對燃料量的控制、鼓風機風量的控制、引風機風量的控制等開展深入的討論和研究。對燃料量精確的控制是保證爐膛內的主蒸汽量保持穩定的關鍵。在生物質燃燒過程中爐膛內的含氧量也是決定生物質燃燒質量的重要因素，而鍋爐爐膛內的含氧量主要由鼓風機的送風量決定。所以，使生物質原料充分燃燒的同時又不被過大風量帶走過多的熱量，關鍵在于對鼓風機送風量的控制。最后，為了讓爐膛內的壓力保持在一個安全范圍內，還需要對引風機的引風量進行控制，防止出現因為爐膛內壓力太大而出現噴火、噴灰等現象，或者因壓力過小而造成燃料燃燒不穩定甚至出現滅火的現象。為了解決上述問題，提高生物質鍋爐在燃燒過程中的穩定性，文中基于DCS控制器設計了對生物質鍋爐的燃燒過程進行控制的控制系統。

1 控制系統設計

生物質鍋爐燃燒控制系統的設計，需要對系統的實時流量、液位、溫度及壓力等數據進行監控，以完成對蒸汽流量的統計，從而完成超限保護、報警及控制設備等功能。需要在整個控制過程中對風機、泵、電動閥等開關量，以及主蒸汽、溫度、壓力、氣泡液位、流量等模擬量進行實時監控。該控制系統測點數量統計見表1。

表1 測點數量Tab.1 Number of measured points

設計選用的上位機為ADLINK工控機。該工控機主機頻率為 1.3 GHz，CPU 配置是 Intel（R）Celeron，能夠滿足設計的基本需求。設計基于DCS網絡結構，上位機選用MCGS組態設計軟件。MCGS是具備快速構造和生成上位監控系統的組態軟件，具有對實時數據的顯示、存儲等基本功能，還能方便查找歷史數據，且具備故障報警等功能。該系統采用可靠的DDE技術完成MCGS組態軟件與MatLab之間的通信，充分地利用了MCGS組態軟件界面可視化的很多功能與MatLab便捷的控制方法及穩定的工程計算能力，以完成對生物質鍋爐各項參數的精確控制。部分儀表的選型見表2。

表2 部分儀表的選型Tab.2 Selection of partial instrument

下位機選用的主控制器為Atmega 128，基于Atmega 128構建的μCOS-Ⅱ嵌入式操作系統，具備儲存、報警、打印等功能，主要用于完成實時數據的采集工作，并將采集到的數據上傳給上位機監控系統。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構Fig.1 System structure

根據I/O測點所需儲存容量的經驗公式

計算存儲容量為

M0小于Atmega 128的容量，表明Atmega 128滿足控制要求。

2 控制策略

目前，生物質鍋爐燃燒控制系統多采用PID控制策略。整個燃燒控制系統由燃料量控制系統、送風量控制系統、引風量控制3個子系統構成，主要實現對以下幾類變量的控制：生物質鍋爐的蒸汽參數包括主蒸汽的溫度及壓力、爐內壓力參數以及氣泡水位值；生物質在爐膛停留的時間、燃料量、送風量、引風量，煙氣含氧量等參數的精確控制。此外，控制系統還要實現生產過程的順序控制、連鎖保護和報警功能。

LabVIEW因其強大的圖形語言開發環境被工業開發和試驗調試中廣泛使用，其中自帶的PID控制工具包，命令行調用Simulink模型搭建控制回路，實現PID控制，串級控制，最終完成系統需要達到完成的程序控制。

2.1 燃料量的控制子系統

燃料量的供給狀況是影響鍋爐蒸汽壓力的重要因素，而保持蒸汽的供需平衡是鍋爐安全、穩定運行的關鍵。經過燃燒的一系列過程，燃料熱值的變化和燃料流量的變化會帶來主蒸汽壓力值的改變，在燃燒的每個環節都存在遲滯，經過燃燒的整個過程后控制回路的滯后明顯加大。針對這種總滯后大、環節復雜的生產過程，要達到高質量的控制目的，串級控制系統是最佳方案。

根據鍋爐的燃燒特點和串聯控制的工作原理，燃料控制的方案采用主蒸汽壓力串聯控制，其中將主被控變量設定為爐膛內的主蒸汽壓力，副被控變量設定為鍋爐爐膛溫度。該部分控制系統的調節過程分為以下2種情況：

第1種情況當燃料的喂料器送到爐膛內的燃料流量發生變化的時候，短時間內主蒸汽壓力不會改變，此時主控制器的輸出不變，然而副控制器因為燃料的變化，爐膛內的溫度發生變化，此時副控制器需要調整燃料喂料器的供給情況，來保持爐膛內溫度值的穩定情況。當燃料的熱值發生變化，主蒸汽壓力短時間內保持穩定時，也會出現爐膛內溫度變化的現象，主控制器根據反饋值調節輸出，燃料的喂料器受到主控制器和副控制器的同時作用，可以提高控制的效果。

第2種情況生物質鍋爐的主蒸汽壓力變化的同時，爐膛的溫度也在發生變化，此外鍋爐中還存在其他多種擾動。主控制器通過主環調節爐膛溫度控制器的設定值，調整燃料的供應量，使主蒸汽壓力的參數值保持穩定狀態；爐膛溫度控制器除了接受主控制的信號，還要隨著爐膛溫度的實際值（通過測量得到）而隨之變化，使得主蒸汽壓力值保持在系統的設定值。為了讓整個系統運行的更加安全可靠，需要在系統中加入報警及聯鎖保護功能。

2.2 煙氣含氧量控制子系統

鼓風機的送風量決定了燃料在燃燒過程中是否燃燒充分。因生物質燃料中含有大量的N，C元素，如果鼓風機送風量不足，燃料燃燒不充分，會造成資源浪費；如果鼓風機的送風量過大，空氣會帶走大量的熱量，不但造成資源的浪費還會因為生成氮氧化合物帶來環境污染，這就違背了生物質鍋爐研制時經濟、環保的初衷。通過控制鼓風機的送風量控制爐膛內的含氧量，讓鍋爐內的燃料達到最佳空燃比是此環節控制的最終目的。

本環節的控制系統仍然采用串級控制，將主控變量設定為鼓風機的送風量，副控變量是煙氣中的含氧量。煙氣含氧量調整回路和鼓風機送風總量調整回路構成的串級控制系統（帶氧量矯正的串級串級控制系統）。當風量的實際值偏離設定值時，實際的含氧值經過比較器和設定的含氧量經過比較修正，達到最佳含氧量的設定值，再根據具體的偏差量調整含氧量，校正總風量，最后確定總風量的設定值，通過調節送風機的轉速和調節閥來控制總風量。煙氣含氧量控制子系統的串級調節如圖2所示。

圖2 送風量串級調節系統Fig.2 Cascade control system for air supply

2.3 引風量的控制子系統

爐膛內的壓力值是影響爐膛安全運行的重要因素，通過調節引風機的引風量，將爐膛內的壓力維持在安全范圍內是該控制子系統要實現的控制目標。爐膛內的壓力值直接受引風機引風量大小的影響，并且具有響應快、慣性小的特點，因此將兩者做比例特性處理。對引風量的控制可以通過單回路閉環控制系統來實現，該子系統的串級調節如圖3所示。

圖3 引風量串級調節系統Fig.3 Cascade regulation system for lead air

3 系統的應用

所采用的燃燒控制方案在某糖廠的生物質鍋爐中，響應時間達到60 s，蒸汽壓力最大超調量為0.4%。在燃燒過程中，空氣流量、燃料量、主蒸汽壓力等相關的主要參數曲線如圖4所示。

4 結語

根據糖廠生物質鍋爐的控制特點和性能要求，設計了基于DCS網絡結構的鍋爐燃燒控制系統，采用基于串級控制技術控制主蒸汽壓力以及煙氣含氧量，基于反饋控制技術控制爐膛壓力的控制方案。實踐證明，該系統可以實現對生物質鍋爐燃燒過程的自動控制，使得鍋爐在燃燒過程中的重要參數達到相應的指標要求，有效地改善了系統燃燒效果不理想、魯棒性能差等問題，能夠讓系統實現安全運行、穩定運行，具有一定的環保意義和很好的應用價值。

圖4 燃燒過程的主要參數曲線Fig.4 Main parameter curves of combustion process

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