一種閉環變頻控制燃煤鏈條爐方法

周彥君

(神東煤炭集團礦業服務公司，內蒙古 伊金霍洛旗 017209)

0 引言

燃煤鍋爐是一種將煤炭燃燒的化學能轉換為熱能的裝置，是我國煤炭消費的主要形式，同時也是大氣環境污染源之一。神東礦業服務公司管轄范圍的鍋爐基本采用燃煤鏈條鍋爐，主要為神東公司下屬各基層單位提供洗浴熱水和供暖。目前在用的燃煤鍋爐采用電氣接觸器直接控制鍋爐的鼓風機和引風機，此控制方式具有起動電流大、電氣故障率高、無法根據負荷自動調節鍋爐各參數等缺點。這樣的控制方式既導致了爐膛的氧氣含量不可控，煙氣排放的氮氧化物等有害氣體超標，又不能根據負荷自動調整爐排上煤的用量，造成了煤炭資源浪費，增加鍋爐的運行成本[1]。為此，必須要采用一種合理的自動化系統，來協同負荷、爐排煤的用量、鼓風機風量和引風機風量之間的平衡關系，既能保證煙氣中氧氣含量在合理范圍內，也能減少因電氣故障造成鍋爐停止運行。工業自動化控制和變頻調速技術的不斷發展，使其在各個行業中得到了廣泛應用，燃煤鍋爐的自動化變頻控制也在不斷推廣應用[2]。自動化系統對鍋爐的控制算法不盡相同，文中的自動化鍋爐系統主要是確定與負荷正相關的給定值，根據實際負荷與給定值之間的偏差不斷調節爐排的轉速、爐排煤層厚度、鼓風機風量和引風機風量；爐排的轉速、鼓風機風量和引風機風量采用變頻器控制，爐排煤層厚度采用液壓傳動控制煤斗入口閘門的高度。通過以上方式形成一個閉環自動化變頻控制系統，既可以讓煤充分燃燒，又可以保證煙氣氧含量在合理范圍內，進而使氮氧化物不超標，達到最優控制要求[3]。

1 鍋爐的工藝流程

鏈條爐是一種火床爐，燃燒用的煤炭經過給煤進給裝置通過入口處進入爐排，煤在爐排電機的帶動下以一定的速度從進給側輸送到爐排的另外一端，這個過程中讓煤在爐膛內充分燃燒，當煤移動到爐排另外一端即終點時，煤燃燒充分后自動將煤渣排出爐膛，這樣完成了煤炭燃燒的一個周期。在爐排轉動過程中，鼓風機不斷地將外界新鮮空氣帶入爐膛，讓爐排上的煤進行充分燃燒；同時引風機將爐膛內產生的煙氣經過省煤器、空氣預熱器、除塵器和有害氣體過濾裝置排在室外大氣環境中，引風機的風量要保證爐膛內保持一定范圍的負壓[4]。煤燃燒的熱能在鍋爐爐膛內釋放，產生的熱能傳遞給汽包，汽包內產生的蒸汽與水分離，并在汽包內聚集蒸汽，聚集的蒸汽隨著管道經過低溫過熱器、減溫器、高溫過熱器和集汽箱進入主蒸汽管道引出。汽包內的液位過外部供水管路經過過濾器、除氧器等進入汽包進行補給，讓汽包內的液位保持在一定范圍內。

2 控制系統

2.1 負荷物理量的確定

鍋爐燃燒最終負荷輸出表現的物理形式有蒸汽壓力和溫度，在負荷需求的變化差值不大時蒸汽溫度變化率較小，不宜作為給定參數，所以將輸出在主蒸汽管路處的壓力作為負荷給定參數。根據主蒸汽管道處的實際壓力與給定蒸汽壓力的偏差來實時調整系統的爐排轉速、爐排煤層厚度、鼓風機量和引風機量。給定的蒸汽壓力值要根據不同季節、不同時間段和具體的使用負荷情況綜合設定，且設置給定值的調整周期不宜太短，如果設置太短造成系統的響應時間不及時，會導致系統大超調震蕩，造成系統不穩定。

2.2 控制方案

總體控制思路：鍋爐根據不同的使用負荷需求來自動調節爐排煤層厚度和爐排轉速，即鍋爐的負荷需求與用煤量形成正相關的關系。同時通過系統自動計算出的爐排煤層厚度和爐排的轉速，通過這兩個參數的乘積得出爐膛單位時間內的用煤量，從而根據用煤量來自動調節鼓風機風量和引風機風量[5-6]。

圖1 爐排煤層厚度和爐排轉速調節控制方框

鼓風機風量調節控制：在鏈條爐運行過程中，鼓風機需要給爐膛不斷提供煤炭燃燒的空氣，讓爐排上的煤充分燃燒，鼓風機風量的調節是根據給煤量確定，而給煤量是通過爐排的轉速與爐排煤層厚度的乘積得出單位時間內的給煤量，爐排的長度與爐排轉速比值得出燃燒時間，這樣可以算出給煤量。鼓風機風量與給煤量之間采用比例控制[9]。鼓風機的轉速同樣采用變頻器控制，PLC模擬量輸入模塊采集主蒸汽管道的壓力并與給定蒸汽壓力值進行疊加，PLC經過運算后通過模擬量輸出模塊給變頻器輸出4～20 mA電流信號，變頻器根據輸入電流信號對鼓風機電機轉速進行實時變速調節，如圖2所示。

圖2 鼓風機風量調節控制方框

引風機風量調節控制：引風機的作用是將爐膛內的煙氣通過煙道排出到大氣環境中，引風機風量要與鼓風機風量適應協調控制，通過采集爐膛的負壓信號調節引風機電機轉速，讓爐膛內保持一定的負壓，同時也要通過采集爐膛內的煙氣氧含量來協調調節引風機和鼓風機的電機轉速。同理，鼓風機的轉速采用變頻器控制，PLC模擬量輸入模塊采集主蒸汽管道的壓力并與給定蒸汽壓力值進行疊加，PLC經過運算后通過模擬量輸出模塊給變頻器輸出4～20 mA電流信號，變頻器根據輸入電流信號對引風機電機轉速進行實時變速調節[10]，如圖3所示。

圖3 引風機風量調節控制方框

鼓風機與引風機在采用各自方式的同時，也要參考煙氣氧氣含量值，煙氣氧含量理想值為6%，最大不超過8%，最低不低于4%，通過煙氧傳感器采集氧含量，當煙氣氧含量符合設置要求，按照各自預先設定程序控制，如果煙氣氧含量不滿足預設要求時，對鼓風機和引風機風量協調控制，使之達到兩者的匹配，即當爐膛內煙氣氧含量高于設定最大值時，提高一定的引風機風量，降低一定的鼓風機風量；當爐膛內煙氣氧含量低于設置的最小值時，降低一定的引風機風量，提高一定的鼓風機風量，最終實現煙氣氧含量在合理范圍內。

3 自動化閉環變頻控制的優點

采用自動化系統代替以往普通電氣接觸器控制鏈條爐的方法，可以擺脫人為操作不可控因素，系統按照預先設計好的程序，進行自我調節控制爐排轉速、爐排煤層厚度、鼓風機和引風機的電機轉速，既提高了運行的安全性，又降低了電氣接觸器控制方式的故障率[11]。

變頻控制起動電流小，減少了對電網的沖擊；變頻器自帶過電壓、過電流、電源缺相和欠電壓保護等功能，代替了電氣接觸器保護功能的元器件，簡化控制系統線路，降低故障率。同時，變頻控制系統運行平穩，噪聲小，能實現電機的無極調速，根據負荷來控制各變頻電機轉速，節約電能和維修的生產成本[12-13]。

4 結語

采用上述控制鏈條爐的方法，有望改變現有燃煤鏈條鍋爐的弊端，讓鏈條爐的各參數之間達到匹配要求，即爐排電機轉速、爐排煤層厚度、鼓風機風量和引風機風量協調控制，保證爐膛內的煙氣氧含量在合理范圍內，減少氮氧化物對大氣的污染，用自動化變頻控制方法替換現有的電氣接觸器控制方式，減少了電氣故障率，提高鍋爐運行效率，減少能源浪費，節約運行成本。