浅议工业蒸汽锅炉热工燃烧自动控制
论文关键词：蒸汽锅炉：热工燃烧；自动控制
论文摘要：工业锅炉生产是一个复杂的控制调节过程，是多输入多输出、多回路、非线性的相互关联的对象，目前控制理论尚难以妥善解决对其的控制问题，其数学模型仍是半经验性的，本文就热工燃烧自动控制进行一些论述。
1热工调节
锅炉热工系统由给水系统、蒸汽系统、烟气系统、风系统等部分组成。工业锅炉热工燃烧控制系统实质是针对这几个系统的运行过程进行自动控制，其主要控制回路：锅炉汽包水位自动控制和锅炉燃烧自动调节系统两部分。
1.1 锅炉汽包水位自动调节
锅炉汽包水是正常运行主要指标之一，汽包水位是一个十分重要的调节参数。由于汽包水位在锅炉运行中占居首要地位，所以锅炉自动化都是从给水自动调节开始的。
大于4t/h的锅炉，必须装设给水自动调节装置。给水自动调节的任务，是使给水量跟踪锅炉蒸发量并维持汽包中的水位在工艺允许的范围内。锅炉汽包水位的自动调节，是根据汽包水位的动态特性来设计的。引起水位变化的因素很多，但主要是给水量和蒸发量的阶跃变化，调节器就是依据水位信号、蒸汽流量和给水流量的偏差信号进行调节的。为保证锅炉运行安全，给水自动调节系统应选用可靠性较高的仪表和自动调节系统。
20t/h以上的蒸汽锅炉，一般采用三冲量锅炉汽包给水自动调节系统。三冲量锅炉汽包给水自动调节系统是以汽包水位为主调节信号，蒸汽流量为调节器的前馈信号，给水流量为调节器的反馈信号组成阿调节系统。由于采用蒸汽流量信号对给水流量进行前馈调节，克服外扰影响，用给水流量信号作为反馈信号，克服内扰影响，使给水调节质量波动幅度得到大大提高。
装有三冲量给水自动调节装置的锅炉在运行时，由于引进了蒸汽流量和给水流量的调节信号，调节系统动作及时，抗干扰能力强，当蒸汽负荷突然发生变化，蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正确方向动作，即如蒸汽流量增加，给水调节阀开大。抵销了由于虚假水位引起的反向动作，减少了给水流量的波动幅度，如果给水流量减少，则调节器立即根据给水流量减少的信号开大给水阀门，使给水流量维持不变。
1.2 锅炉燃烧的自动调节
容量较大的锅炉，根据节能和自动化水平的需要以及维护水平和投资允许时，可设置锅炉燃烧自动调节系统。
锅炉燃烧系统自动调节的基本任务，是使燃料燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要，同时还要保证经济燃烧和锅炉的安全运行。调节的内容有三个，即维持蒸汽母管压力不变；保持锅炉燃烧的经济性；维持炉膛负压在一定范围内。这三项调节任务是相互关联的，它们可以通过调节燃料量、送风量和引风量来完成。对于燃烧过程自动调节在负荷稳定时，应使燃烧量、送风量和引风量各自保持不变，及时地补偿系统内的内部扰动，这些内部的扰动包括燃料的质量变化，以及由于电网频率变化引起燃料量、送风量、引风量的变化等。在负荷变化的外扰作用时，则应使燃料量、送风量和引风量成比例的改变，既要适应负荷要求，又要使三个被调量：蒸汽压力、炉壁负压和燃烧经济性指标保持在允许的范围内。
2 微型计算机在锅炉热工燃烧自动控制上的应用
2.1 锅炉微机自动调节
2.1.1 汽包水位的自动调节
工业锅炉汽包水位使正常运行的重要环节，水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液现象，水位过低又会影响锅炉的汽水自然循环，如不及时调节就会使汽包水全部气化，可能导致锅炉烧坏和发生爆炸事故。锅炉汽包水位不仅受给水量（进量）和蒸发量（出量）之间平衡关系的影响，同时还受到汽水循环管路，汽水容积变化影响，还有燃料量的变化，汽包压力的变化，给水、蒸汽量的扰动等诸多因素对水位均会产生影响。在手动状态下除采用DDZ－Ⅲ型仪表进行三冲量水位自动调节外，还在微机自控系统中采用三冲量汽包水位微机自动调节方式。三冲量微机调节系统的设计思想就是分析了影响水位调节对象动态特征的基础上，根据汽包水位这一调节对象有一定的延迟和惯性特点，即在蒸汽流量、给水量发生阶段变化时，调节对象不可能立即跟着做相反方向的变化，尤其在蒸汽流量发生阶段变化时，汽水容积跟着做相反方向的变化，造成“虚假水位”现象。
另一方面分析了采用DDZ－Ⅲ型仪表所组成的调节系统对出现的“虚假水位”所采取的措施达不到满意的效果，而采用微机利用其运算功能特长，以PID调节规律为其控制方法基础，再加上对“虚假水位”的判断程序，选择适当的延时环节，进行压力补偿、压差补偿运算，就能解决好水位调节这一关键任务。
2.１.２锅炉燃烧系统的自动调节
锅炉燃烧系统主要有汽包压力、蒸汽流量、鼓风量、给煤量、炉膛负压、烟气含氧量六个参量组成，调节的目的就是使燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要，需同时：（1）保证母管蒸汽压力维持不变；（2）保持锅炉燃烧的经济型；（3）维持炉膛负压在一定的范围内。
为完成上述任务，锅炉的微型计算机调节系统采用了综合自动调节方案，即：（1）根据出口压力调节鼓风机变频控制器频率，从而改变鼓风量，并且汽包压力及蒸汽流量换算的热量信号进行精调，为保证出口蒸汽计算准确，引进了温度和压力补偿；（2）根据最佳风煤比调节炉排转速，也就是调节燃烧煤的供应量和进风量的比值，改变锅炉燃烧的发热量进而改变了锅炉的蒸发量，并引进了残氧（剩余空气含氧量）信号加以修正，使锅炉母管压力保持在一定值内，还根据炉膛负压调节引风机变频控制器频率，从而改变引风量，用微分信号进行超前调节，也就是说在负荷稳定时（蒸汽流量不变情况下）应使燃料量、送风量、引风量各保持不变；在负荷变动时（外干扰时）使燃料量、送风量、引风量成比例改变。根据以上要求，就可以确定燃烧系统微机控制方案，画出系统框图，充分利用微机计算程序，尽可能的代替仪表单元（如函数发生器、加减器、微分器、限幅器、滤波器等等）快速对各参数进行计算。
上面谈了微机水位、燃烧两个调节系统的原理，经过微机运算处理，其输出信号经过D／A转换装置分别送到给水阀，鼓、引风机变频控制器，炉排和煤机等执行机构，用计算机直接步进调节阀位、风量及转速，这样系统就能够选择最佳参数进行最佳调节。
2.２锅炉微机检测系统
1）可对汽包水位、给水流量、给水压力、省煤器进口水温车器出口水温、省煤器进口烟温、两侧省煤器出口烟温、两侧空气预热器出口风温、、两侧空气预热器出口烟温、除尘器出口烟温、除尘器出口烟压、鼓引风风量、省煤器进口烟压、省煤器出口烟压、空气预热器出口风压、蒸汽流量、空气预热器出口烟压、蒸汽压力、蒸汽温度、炉膛温度、炉膛负压、给煤量、含氧量等现场信号巡检采样，汽包水位并具有彩色闭路监视装置；2）给水阀位、各种风机频率、炉排转速等模拟量跟踪信号巡检采样；3）各种阀位、鼓引风机、炉排电机、分煤器启/停状态及各个闭合调节回路的手动/自动等开关量信号巡检采样显示；4）鼓、引风机变频信号采样。
2.３ 锅炉热工燃烧自动控制系统方案
锅炉自动控制系统采用plc为主要控制元件，对锅炉生产过程实现快速、准确的控制，从而达到节省人力、物力，提高锅炉热效率和节省能源的目的，而计算机作为监测显示部分不参与到控制中去锅炉自动控制系统在SPLC－9000系统硬件结构上采用多层网络结构，共分三层。
测控层；采用高性能的PLC可编程序控制器组成，PLC上安装有CPU模块、I∕O模块、通讯模块，并可以灵活扩展。PLC内可以通过梯形图语言进行程序编制，实现一台PLC对多台锅炉的自动控制。通过远程扩展方案，SPLC－9000系统还可以满足距离较远的多个控制室的集中控制。
操作层；采用IPC工控机作为现场工作站，现场工作主站和现场工作从站分别安装在不痛的控制室内，提供画面显示和数据管理功能。考虑到PLC可靠性高，造价也高，而普通接口板可靠性较低、造价也低，为了提高监控系统的性能价格比，SPLC－9000系统同时提供可编程序控制器信号接入方式和接口板卡信号接入方式。系统的输出控制工作有PLC独立完成，工作站只负责提供给用户修改参数的界面，并将用户设定的控制参数下传到PLC以调整控制效果。
管理层；采用普通计算机作为管理机，管理人员在远离控制室的调度室里可以通过管理机看到现场工作站上显示的画面，调用工作站存储的报表数据，完成数据统计的工作。可以实时准确的掌握锅炉的运行状态，做出合理的调度。
重要数据的采集、处理及控制全部由PLC完成，由于PLC是专为工业现场设计的，是真正的工业计算机，所以其可靠性大大高于普通接口板和模块。PLC的模块化结构和方便的扩展特性使系统配置灵活。上位机仅起到监视和管理的作用，如果接口板损坏或者工作站损坏，都不会影响到系统的自动控制。现场监控从站和现场监控主站运行的软件是相同的，只是在数据配置上有区别，不论那个站都可以查考到全部锅炉的数据。
3.４ 效果分析
由于锅炉系统的热惯性大，负荷变化剧烈，操作人员只凭感观参数控制锅炉运行，随意性很大，难以保证锅炉运行的最佳状态，而锅炉热工燃烧自动控制系统投运后，提高了锅炉运行热效率，煤层燃烧充分，排放污染物达标，能源利用率提高，减少人工手动方法控制锅炉运行造成的能源浪费，节省人力、物力，降低运行成本，提高了锅炉运行的可靠性。
