鍋爐燃燒階段控制系統(tǒng)方案設(shè)計與仿真

趙宇輝， 金耀花， 劉 軍， 朱霄霄， 陳 娜

（青島恒星科技學(xué)院， 山東 青島 266000）

引言

隨著鍋爐在工業(yè)生產(chǎn)中的需求增多，導(dǎo)致了不可再生能源的過度消耗。目前最有效的解決方法是改善鍋爐控制系統(tǒng)的運作水平和提高產(chǎn)能效率，使鍋爐成為低能耗高輸出的設(shè)備。本文主要針對的是鍋爐自動化燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計，從系統(tǒng)總體設(shè)計方案及MATLAB 仿真進(jìn)行了研究[1]。

1 鍋爐的工作原理

簡單來說，鍋爐的工作原理就是能量轉(zhuǎn)換的過程，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成以水為載體的熱能，再把得到的熱能通過管道輸送到工廠。蒸汽鍋爐，主要是用于加熱水獲得熱能。總體而言，鍋爐的燃燒控制過程主要有兩個子系統(tǒng)共同構(gòu)成，一個是主蒸汽壓力控制子系統(tǒng)和一個爐膛負(fù)壓子系統(tǒng)[2]。

2 鍋爐燃燒主蒸汽壓力控制方案

2.1 主蒸汽壓力控制系統(tǒng)控制方案的確定

蒸汽鍋爐燃燒的主要目的是為生產(chǎn)制造穩(wěn)定的壓力，控制鍋爐的主要方法是調(diào)節(jié)蒸汽壓力，保持一定的蒸汽壓力是正常生產(chǎn)的基本前提。如果鍋爐中的燃料量已發(fā)生了較大的變化，那么鍋爐中對于相應(yīng)燃料的供氣量也就必須隨之得到改變，所以為了能夠保證鍋爐中燃燒的經(jīng)濟(jì)性，就必須讓鍋爐中的空氣供給量與燃料供給量之間達(dá)到最佳比值[3]。為了能夠?qū)崿F(xiàn)在這種系統(tǒng)中的燃料量與送風(fēng)量均為全部可控，雙閉環(huán)比例控制系統(tǒng)就可以完美實現(xiàn)這一功能，如圖1 所示。

為了使鍋爐能充分完全地進(jìn)行燃燒，當(dāng)對蒸汽量的要求有所增加時，應(yīng)先適當(dāng)加大鍋爐中的空氣量，后再適當(dāng)加大鍋爐中的燃料量；在對蒸汽流量的要求有所降低時，應(yīng)先適當(dāng)?shù)販p少鍋爐中的燃料量，后再適當(dāng)?shù)販p少鍋爐中的空氣量。完成該邏輯提降量是依靠系統(tǒng)中設(shè)置的兩個選擇器，高選器HS 和低選器LS。所以需要采用帶有邏輯提降量的比例控制系統(tǒng)，如圖2 所示。

如圖2 所示，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行提量時，高選器動作，并作用于空氣量I2使其增加，而此時I2＜IP，低選器開始動作，控制燃料量增加，直至IP=I1=I2，系統(tǒng)又恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。反之，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行降量時，低選器動作，并作用于燃料量I1使其減少，而此時I1＞IP，高選器開始動作，控制空氣量減少，直至IP=I1=I2，系統(tǒng)又恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。這樣就實現(xiàn)了在蒸汽負(fù)荷提量時，能夠先提空氣量，后提燃料量；負(fù)荷減量時能先減燃料量，后減空氣量的邏輯要。

2.2 爐膛負(fù)壓系統(tǒng)控制方案

爐膛的負(fù)壓大小是反映爐膛燃燒條件是否穩(wěn)定的關(guān)鍵主要參數(shù)，也是操作過程中必須操縱和檢測的關(guān)鍵主要參數(shù)之一。一旦爐膛中的燃燒標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生變化，爐膛中的負(fù)壓也會發(fā)生變化。

保證爐膛負(fù)壓穩(wěn)定的關(guān)鍵措施是調(diào)節(jié)引風(fēng)量和送風(fēng)量，使它們達(dá)到一種平衡。例如當(dāng)一個爐膛的負(fù)壓沒有太大的波動時，只需要手動調(diào)整引風(fēng)量即可對其爐膛的負(fù)壓做出相應(yīng)的調(diào)整；但是當(dāng)空氣中的蒸汽壓力變化波動較大時，燃料使用量和送風(fēng)量的波動也就會很大。此時，經(jīng)常使用的一種控制技術(shù)為動態(tài)前饋- 反映式控制，如圖3 所示。前饋控制的一個基本概念就是直接測取進(jìn)入控制系統(tǒng)工作過程中的干擾信號，在對爐膛負(fù)壓的控制系統(tǒng)中，當(dāng)鍋爐中蒸汽的壓力變化波動比較大時，燃料消耗與送風(fēng)量之間的變化就會比較大，因此通過對引風(fēng)量的測量就可得出干擾信號，而且采用快速自動化的前饋控制技術(shù)能夠很好地減少干擾信號對系統(tǒng)的影響。

3 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)仿真

搭建了鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的Simulink 仿真框圖，并在特定的環(huán)節(jié)，添加了干擾信號，以模仿真實控制環(huán)境。

經(jīng)過運行后，示波器顯示出的波形從上到下依次為：①燃料流量變化波形；②空氣流量變化波形；③加入的蒸汽階躍干擾信號；④加入干擾后的爐膛負(fù)壓變化波形；⑤鍋爐負(fù)壓設(shè)定值；⑥加入干擾后的蒸汽壓力變化波形，如圖4 所示。

從仿真曲線可以看出，當(dāng)鍋爐的蒸汽壓力受到干擾時，空氣量與燃料量波形都隨之改變，隨著蒸汽壓力逐漸恢復(fù)平穩(wěn)，燃料量與空氣量也都趨于平穩(wěn)并達(dá)到一個新的平衡，以達(dá)到燃料的充分燃燒；當(dāng)爐膛負(fù)壓受到干擾時，從仿真曲線可以看出，爐膛負(fù)壓很快就恢復(fù)到設(shè)定值。

4 結(jié)論

本文完成了鍋爐燃燒階段的蒸汽壓力控制，根據(jù)控制內(nèi)容設(shè)定了基于PLC 的系統(tǒng)總體控制方案。在MATLAB/Simulink 中搭建仿真模型，對其進(jìn)行了相應(yīng)的仿真，并經(jīng)由PID 參數(shù)的整定，得出仿真結(jié)果，在給定的負(fù)壓設(shè)定下，在1 s 時加入的蒸汽階躍干擾信號后，爐膛負(fù)壓出現(xiàn)了升高后，又在5 s 時候達(dá)到了設(shè)定值，具有很好地抗干擾性能。