燃煤鍋爐自動控制改造節能經濟性分析研究

史俊彪

（太原市熱力集團有限責任公司， 山西 太原 030000）

1 基于PLC 鍋爐自動控制系統硬件設計

1.1 硬件

本次系統改造采用PLC 控制芯片型號為ATMEGA128、顯示器、控制臺、TLV5618D/A 轉換器。ATMEGA128 單片機是RISC 結構，具有較高的運輸處理速度，并且該單片機具有兩個獨立定時器和計數器[2]，能夠滿足鍋爐的多樣化控制需求；顯示器控制模塊為OCMJ2X8C，能夠顯示數字符號、字母以及中文字形，具有三種接口模式（8 位/4 位微處理器接口、串行接口），與PLC 控制芯片接口相匹配；TLV5618D/A轉換器是八路10 位轉接器，能夠滿足本次系統設計需求。其余硬件沿用以前控制系統硬件，其中包括熱力傳感器、壓力傳感器等[1]。

1.2 模擬量輸入電路設計

在燃燒系統的控制當中，一共有四個測點，分別為鍋爐蒸汽生產量、爐膛溫度、煙氣含氧量以及爐膛負壓，其中鍋爐蒸汽生產量主要利用渦街流量計（檢測范圍為4~17 800 m3/h，電信號為0~5 V）進行監測；爐膛溫度采用S 型熱電偶（檢測范圍為0~1 200 ℃，電信號0~5 V）進行監測；煙氣含氧量主要利用氧化鋯傳感器（檢測范圍為0~25%，電信號為0~5 V）監測；爐膛負壓采用1151 壓力傳感器監測（檢測范圍為-0.3~0.3 kPa%，電信號為0~5 V）。在各傳感器采集信息后直接將電信號傳輸到ATMEGA128芯片當中，由各傳感器內部的D/A 轉換器轉換為數字信號。

1.3 模擬量輸出電路設計

鍋爐控制主要包含有三個部分，分別為給煤系統、引風系統和鼓風系統。在實現信號傳輸過程中，主要在ATMEGA128 輸出端口外接入兩個TLV5618D/A轉換器，進而實現電信號的模擬輸出。TLV5618D/A 轉換器為單一I/O 周期，外部時鐘對其進行控制。在實際控制過程中，TLV5618 D/A 讀入命令字符是在16個時鐘周期內下降沿開始，在讀入16 位數據后進入轉換周期，直至再次出現時鐘下降沿。

2 基于PLC 鍋爐自動控制系統軟件設計

主控制程序是自動化控制系統的關鍵，本次研究的系統軟件設計環境為AVR 單片機專用環境WINAVR。整體控制方向是在程序控制時鐘周期內，ATMEGA128 單片機將采集到的各類信號進行轉換分析，與預設值相比較根據差值大小查找提前設置的模糊控制表計算出執行機構調節量，之后輸出數字信號經由TLV5618D/A 轉換器轉換為電信號，傳遞給給煤系統、引風系統和鼓風系統。控制邏輯程序如下：

1）在開啟系統后，系統首先進行自檢，如果正常則進行系統初始化，反之發出聲光報警，顯示器中顯示路徑故障；

2）在系統初始化完成后，鍋爐點火啟動，之后由傳感器采集鍋爐爐膛壓力、出水溫度、煙氣含氧量等相關信息；

3）將采集到的電信號傳輸至ATMEGA128 單片機中，經由內部D/A 轉換器轉換為數字信號，與預設模糊PID 算法范圍比較，如果超出范圍，則取限定范圍的上限值或下限值，否則取用原值；

4）將經過模糊算法所得到數值進行計算，獲取到具體設備調控量，而后經過TLV5618D/A 轉換器轉換為電信號傳輸給執行機構；

5）執行機構完成后，系統在一個時鐘周期后再次重復上述步驟。

3 燃煤鍋爐自動控制改造節能經濟性

本次所設計的系統主要應用在某工業企業2 號燃煤鍋爐中，該鍋爐主要用于生產蒸汽，額定蒸汽生產量為2.5 t/h，共有四種運行工況（1 t/h，1.5 t/h，2 t/h、2.5 t/h），蒸汽溫度為226 ℃。本次改造于2022 年6 月7 日—6 月16 日進行，本節對改造前后鍋爐節能效果以及經濟性進行分析研究，研究所燃燒的煤熱值、力度、灰分等均一致，為同一批次入場的燃煤。

3.1 燃煤鍋爐自動控制節能效果分析

3.1.1 爐渣、飛灰可燃物含量檢測分析

改造前后，分別對燃燒后的爐渣以及飛灰進行檢測，每種工況下00：00—00：30、8：00—8：30、16：00—16：30 時段取樣，連續三日取樣作為一組數據計算平均值，每種工況取兩組數據，共計8 組數據，分別為#I-1、#I-2、#II-1、#II-2、#III-1、#III-2、#IV-1、#IV-2。經過計算分析可得結果如圖1、圖2 所示。

圖1 改造前后不同工況下爐渣可燃物比例情況

圖2 改造前后不同工況下飛灰可燃物比例情況

由圖1、圖2 可知，在改造之前，四種工況下2 號鍋爐所產生的爐渣內部可燃物質量占比均在12.1%以上，四種工況鍋爐爐渣可燃物質量占比平均為12.9%；改造完成后，爐渣內部可燃物質量占比有了極大的下降，平均為1.78%，下降11.12%。從飛灰角度來看，改造前四種工況下鍋爐飛灰內部可燃物質量占比在12.7%以上，經過改造后飛灰內部的可燃物平均質量占比下降了11.78%，這也表明在自動控制系統改良后，燃煤燃燒更加充分，改造效果良好。

3.1.2 空預器出口處煙氣氧氣含量

空預器出口煙氣氧氣含量主要由氧化鋯傳感器監測，經過調取自動化系統存儲數據分析發現，不同工況下每日空預器出口煙氣氧氣質量占比均值結果如圖3 所示：

圖3 改造前后不同工況下每日空預器出口煙氣氧氣含量均值情況

由圖3 可知，在改造之前，空預器出口處煙氣φ（O2）最低為#I-2（1.5 t/h 蒸汽量工況下的第二批次）工況下，為10.73%，改造前整體平均值為11.09%。經過改造后，空預器出口處煙氣φ（O2）降低至6.42%，降低量為4.67%，具有明顯的效果。空預器出口煙氣氧氣含量與鼓風機頻率和引風機頻率有著直接的關系，鼓風機頻率越大，鍋爐內部含氧量越高，燃煤燃燒越充分，但同時引風機頻率也需要相應增大，此時尾氣中的含氧量也會增大，此種情況下風機的能耗比相對較高。而經過自動控制系統改造，系統能夠根據鍋爐爐膛內部壓力值、蒸汽流量以及尾氣含氧量對鼓風機和引風機進行相應調整，在確保燃煤充分燃燒的條件下盡可能降低風機頻率，提高能源利用效率。

3.2 經濟性分析

某工業企業2 號燃煤鍋爐在生產過程中主要在2.5 t/h 的條件下運行，本次經濟性分析在常規狀態下進行。改造前，該鍋爐在2.5 t/h 工況下燃煤消耗量為276 kg/h，改造完成后在同樣工況下該鍋爐燃煤消耗量為259 kg/h，消耗量降低6.2%。該鍋爐為不間斷使用，只有在年度保養時停機維護，停機維護時間為15 d，以一年365 d 計算，某工業企業2 號燃煤鍋爐每年實際使用時間為350 d×24 h/d=8 400 h，因此燃煤節約量為（276~259）kg/h×8 400 h=142 800 kg。該企業在2022 年全年平均燃料煤價為1 103.26 元/t，以此為基準，在改造完成后該企業每年煤價能夠降低157 545.528 元，具有良好的經濟效益。

從電能角度來看，2 號燃煤鍋爐電能消耗主要集中在鼓風機和引風機方面，經過改造前后對比分析，可知該燃煤鍋爐風機能耗情況如表1 所示。

表1 2 號燃煤鍋爐改造前后電能消耗情況

由表1 可知，改造完成后鼓風機、引風機能耗均有大幅度降低，特別是引風機節能率達到了24.82%。該工業企業所在區域工業電價為0.75 元/h，以一年工作8 400 h 計算，每年電費能夠降低102 564元。

由此可見，在改造完成后，某工業企業2 號燃煤鍋爐全年正常使用狀態下能夠降低26 萬余元。

4 結論

1）以某工業企業2 號燃煤鍋爐為例，確立以PLC為核心的鍋爐自動控制系統，并對模擬量輸入電路、模擬量輸出電路進行設計。

2）對自動控制系統軟件程序進行設計，確定基于模糊PID 算法控制的軟件程序邏輯。

3）對2 號燃煤鍋爐的改造效能和經濟性進行分析，研究發現，改造完成后燃煤燃燒更加充分，風機運行效率也有極大提升；綜合耗電、燃煤消耗，改造完成后

2 號燃煤鍋爐正常使用情況下，全年能夠節約26 萬元。