孫 蓉， 呂淑平， 李 冰， 蘇 麗

(哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

工業(yè)鍋爐是重要的熱能動力設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和生活的各個方面，因此對其進行有效、合理的控制將極大地提高其經(jīng)濟效益，提高能效，同時達到低碳、環(huán)保的效果。目前國內(nèi)對自然工業(yè)循環(huán)鍋爐大部分采用經(jīng)典PID控制系統(tǒng)或模糊加PID控制系統(tǒng)，不能很好地解決鍋爐強耦合等特點對控制系統(tǒng)的影響[1-2]。本文對鍋爐的各個控制系統(tǒng)進行分別分析設(shè)計，重點在于盡量減小各系統(tǒng)間耦合對控制系統(tǒng)的影響，完成對自然循環(huán)工業(yè)鍋爐整體的控制，達到高效、節(jié)能、低碳、環(huán)保的目的。

1 工業(yè)自然循環(huán)鍋爐系統(tǒng)

1.1 鍋爐對象描述

所選被控對象為工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的自然循環(huán)鍋爐，如圖1所示。

圖1 鍋爐工藝流程圖

經(jīng)處理的軟化水進入除氧器V1101上部的除氧頭，進行熱力除氧，除氧蒸汽由除氧頭底部通入。在除氧器V1101下水箱底部也通入除氧蒸汽，進一步去除軟化水中的氧氣和二氧化碳。除氧后的軟化水經(jīng)由上水泵P1101泵出，分兩路，其中一路進入減溫器E1101與過熱蒸汽換熱后，與另外一路混合，進入省煤器E1102。被煙氣加熱成飽和水的鍋爐上水全部進入汽包V1102，再經(jīng)過對流管束和下降管進入鍋爐水冷壁，吸收爐膛輻射熱在水冷壁里變成汽水混合物，然后返回汽包V1102進行汽水分離。鍋爐上汽包為臥式圓筒形承壓容器，內(nèi)部裝有給水分布槽、汽水分離器等，汽水分離是上汽包的重要作用之一。分離出的飽和蒸汽再次進入爐膛F1101進行汽相升溫，成為過熱蒸汽。出爐膛的過熱蒸汽進入減溫器E1101殼程，進行溫度的微調(diào)并為鍋爐上水預(yù)熱，最后以工藝所要求的過熱蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度輸送給下一生產(chǎn)單元。燃料經(jīng)由燃料泵P1102泵入爐膛F1101的燃燒器；空氣經(jīng)由變頻鼓風(fēng)機K1101送入燃燒器。燃料與空氣在燃燒器混合燃燒，產(chǎn)生熱量使鍋爐水汽化。燃燒產(chǎn)生的煙氣帶有大量余熱，對省煤器E1102中的鍋爐上水進行預(yù)熱[3-5]。

1.2 控制要求

調(diào)整煙道擋板，使煙氣含氧量維持在2%左右。蒸汽溫度保持在(440±5) ℃范圍內(nèi)。均衡進水，保持正常水位，使給水量和蒸汽負荷達到平衡。汽包水位控制在(300±30)mm。過熱蒸汽壓力保持在(3.8±0.05) MPa范圍內(nèi)。給水壓力保持在4.8～5.5 MPa。爐膛壓力小于4.0 kPa。排煙溫度在200℃左右。燃料氣壓力在0.29～0.31 MPa。除氧器壓力在(20±1) kPa，除氧器液位在(400±30)mm。

2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 被控參數(shù)特性分析

鍋爐對象中主要包括溫度、流量和壓力3個參數(shù)，不同類型的參數(shù)具有不同的對象特性，需要采用不同的控制方法。溫度動態(tài)特性的特點：慣性大，容量滯后大，控制起來不靈敏，因此溫度控制系統(tǒng)需要增加微分作用。溫度控制的方法與被控對象的特點、控制精度要求等有關(guān)，其種類很多[6]。流量雖然平穩(wěn)，流體內(nèi)部卻在騷動。特別是流體通過截流裝置時，此種騷動程度比較大，產(chǎn)生的噪聲也較大。噪聲是一種頻率很高、變化無常的流體流動，這是流量控制系統(tǒng)不能加微分的原因[7-9]。壓力對象的常見類型有兩類:① 具有一定容量的氣罐，此種情況下，體積和容量較大，表征動態(tài)特性的時間常數(shù)較大，即慣性較大;② 管道的壓力，由于管道容積較小，所以時間常數(shù)較小，控制比較靈敏。流量對象和壓力對象與溫度對象相比，都是比較快的過程，時間常數(shù)不大，大致都呈現(xiàn)單容特性，在控制中一般不用微分作用[10-12]。

2.2 基本控制方案設(shè)計

本設(shè)計中采用單回路除氧器壓力控制方法，前饋除氧器液位控制方法，三沖量汽包水位控制方法，前饋-串級復(fù)合過熱蒸汽控制方法，單交叉、雙交叉以及變偏置雙交叉燃燒控制方法。本文重點對鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)進行了設(shè)計和仿真，因為在鍋爐燃燒過程中分為煙氣含氧量控制系統(tǒng)、煙氣余溫控制系統(tǒng)、爐膛負壓控制系統(tǒng)三個部分，是各個系統(tǒng)中相對復(fù)雜的部分，是一個典型的多個參數(shù)之間相互耦合的多輸入多輸出控制系統(tǒng)。

2.3 鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng)設(shè)計

鍋爐燃燒控制系統(tǒng)是由燃料量、送風(fēng)量、爐膛負壓3個密切聯(lián)系、相互協(xié)調(diào)的控制子系統(tǒng)組成。燃燒控制系統(tǒng)接受蒸汽壓力調(diào)節(jié)器的信號，調(diào)節(jié)燃料及燃燒過程的其他參數(shù)，使鍋爐的過熱蒸汽壓力穩(wěn)定在設(shè)定值。鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng)簡化總框圖如圖2所示。其中燃料量控制子系統(tǒng)使鍋爐跟蹤外界負荷的變化，將過熱蒸汽壓力穩(wěn)定在設(shè)定值；送風(fēng)量控制子系統(tǒng)保證鍋爐燃燒系統(tǒng)的高效率；爐膛負壓控制于系統(tǒng)保持爐膛負壓值穩(wěn)定。這3個控制子系統(tǒng)組成了不可分割的整體，統(tǒng)稱為鍋爐燃燒控制系統(tǒng)，共同保證鍋爐燃燒系統(tǒng)運行的安全性、經(jīng)濟性以及對外界負荷變化的適應(yīng)性。

圖2 鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng)框圖

2.3.1燃燒控制方法分析設(shè)計

燃燒控制可以使用單交叉燃燒控制、雙交叉限幅燃燒控制以及變偏置雙交叉燃燒控制。分析單交叉燃燒控制，單交叉燃燒控制系統(tǒng)存在如下問題：風(fēng)油/配比不佳，當(dāng)負荷變化大時，常出現(xiàn)風(fēng)/油配比失調(diào)，造成冒黑煙或白煙，使鍋爐燃燒系統(tǒng)經(jīng)濟性降低。如果采用雙交叉限幅燃燒控制方法，仍存在缺點，若偏置過小使系統(tǒng)對負荷響應(yīng)速度變慢；若過大，不能起限幅作用。因此再引進變偏置雙交叉燃燒控制方法。這樣可以對偏置量的確定方法進行改進，偏置量不再是固定值，而是隨著控制需求改變[13-15]。

針對工業(yè)自然循環(huán)鍋爐的特點和雙交叉控制系統(tǒng)中存在的問題，為了使各偏置值隨爐溫調(diào)節(jié)器的輸出與燃料流量的偏差而變化，在雙交叉限制燃燒控制系統(tǒng)中，增加一個函數(shù)發(fā)生器f(ΔF)，反映負荷變化幅度，使偏置值x1、x2、x3和x4隨著變偏置函數(shù)的變化而變化。控制系統(tǒng)的被控量是鍋爐出口的主蒸汽壓力，要求主蒸汽壓力穩(wěn)定在規(guī)定值附近，選用主蒸汽壓力偏差Δe作為變偏置函數(shù)的自變量。改進的變偏置雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)的原理圖見圖3。

圖中：PT1、PT2為主蒸汽壓力、空氣流量變送器；I/V為電流電壓轉(zhuǎn)換器；V/I為電壓電流轉(zhuǎn)換器；SV為主蒸汽壓力給定器；PIC1、PIC2為蒸汽壓力、空氣壓力調(diào)節(jié)器；LAG為一階慣性環(huán)節(jié)；Ml為燃油流量調(diào)節(jié)閥；M2為空氣壓力調(diào)節(jié)閥；HS1、HS2為高值選擇器；LS1、LS2為低值選擇器；f1(x)為變偏置函數(shù)；f2(x)、f3(x)為油/風(fēng)、風(fēng)/油轉(zhuǎn)換函數(shù)；f4(x)、f5(x)為空氣壓力正偏置、負偏置函數(shù)；f6(x)、f7(x)為燃油量正偏置、負偏置函數(shù)。

圖3 變偏置雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)框圖

函數(shù)f1(x)～f7(x)、高值選擇器HS1、HS2 低值選擇器LS1、LS2環(huán)節(jié)構(gòu)成了變偏置雙交叉限幅控制系統(tǒng)。當(dāng)鍋爐升負荷時，給定信號A發(fā)生正跳變?nèi)鐖D4所示。

(1) 空氣流量調(diào)節(jié)回路。此時，AK時，LS2選通K，A被中斷，同時K>D，HS1又選通K，再經(jīng)f1(x)轉(zhuǎn)換后作為空氣流量給定E，使空氣流量隨著K值的增加而增加，即空氣流量隨著燃油流量的增加而增加，交叉限制開始；當(dāng)K增加到K>A時，LS2選通A，K被中斷，同時A>D，HS1又選通A，再經(jīng)f1(x)轉(zhuǎn)換后作為空氣流量給定E，交叉限制結(jié)束，此時系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 燃油流量的變化。此時A>H，H為燃油空氣流量的負偏置，HS2選通A，當(dāng)A正跳變到A>B時，B為燃油空氣流量的正負偏置，LS1選通B，A被中斷，F(xiàn)=B，B作為燃油流量調(diào)節(jié)閥開度的控制信號，使燃油流量隨著B值的增加而增加，即燃油流量隨著空氣流量的增加而增加，交叉限制開始；當(dāng)信號B增加到B>A時，同時A>H，HS2選通A，LS1也選通A，A作為燃油流量調(diào)節(jié)閥控制信號，交叉限制結(jié)束，此時系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，升負荷的過渡過程結(jié)束。此動態(tài)過程中，燃油流量和空氣流量互相影響交替增加。

圖4 信號過度過程曲線

當(dāng)鍋爐降負荷時，信號A發(fā)生負跳變，如圖4所示。

(1) 燃油流量的變化。此時A>H，HS2選通A，當(dāng)A負跳變到A

(2) 空氣流量調(diào)節(jié)回路。此時A

式中：K1、K2、K3、K4為變偏置放大系數(shù)，分別用來調(diào)整4個偏置的大小；f4(x)為燃油流量測量值加上變偏置值K1·f1(x)；f5(x)為燃油流量測量值減去變偏置值K2·f1(x)；f6(x)為根據(jù)空氣壓力測量值計算出的所需燃油量加上變偏置值K3·f1(x)；f7(x)為根據(jù)空氣壓力測量值計算的所需燃油量減去變偏置值K4·f1(x)。

2.3.2煙氣含氧量控制系統(tǒng)

為了使鍋爐適應(yīng)負荷的變化，必須同時改變送風(fēng)量和燃料量，維持過熱蒸汽壓力穩(wěn)定。送風(fēng)控制系統(tǒng)的目的就是保證風(fēng)量-燃料的最佳配比，使鍋爐在高熱效率狀態(tài)運行。現(xiàn)在常用過量空氣系數(shù)α衡量風(fēng)量-燃料配比，最佳α值與鍋爐負荷有關(guān)。如何控制α，保證燃燒過程的經(jīng)濟性是比較困難的。而煙氣中的O2含量與α之間有比較固定的關(guān)系，通過測量和控制鍋爐煙氣中的O2含量，就可以實現(xiàn)α的測量和控制，也就實現(xiàn)了風(fēng)量-燃料配比的控制。因此在空氣-燃料比雙交叉限幅比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將送風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計成帶有氧氣量調(diào)節(jié)的串級比值控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)簡化框圖如圖5所示。

圖5 煙氣含氧量控制系統(tǒng)框圖

2.3.3煙氣余溫控制系統(tǒng)

為了達到低碳節(jié)能的目的，要控制好煙氣的溫度。煙氣剩余溫度越高意味著能耗越大，因此要適當(dāng)減小燃料的供給量。控制系統(tǒng)簡化框圖如圖 6所示。

圖6 煙氣余溫系統(tǒng)框圖

2.3.4爐膛負壓控制系統(tǒng)

爐膛負壓控制系統(tǒng)，被控變量為爐膛負壓，操縱變量為排煙量。設(shè)計中采用前饋-反饋控制系統(tǒng)。用煙氣排放量作為控制變量形成單回路反饋；送風(fēng)量會對爐膛負壓產(chǎn)生較大的干擾，因此在單回路上加入送風(fēng)量的前饋通道，及時抑制系統(tǒng)波動?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖7所示。

圖7 爐膛負壓前饋-反饋控制系統(tǒng)

3 鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng)設(shè)仿真

本控制系統(tǒng)中分為煙氣含氧量控制系統(tǒng)、煙氣余溫控制系統(tǒng)、爐膛負壓控制系統(tǒng)。本設(shè)計中燃料和送風(fēng)量分別利用兩個單回路控制系統(tǒng)，兩者構(gòu)成一個雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上增加選擇控制環(huán)節(jié)，實現(xiàn)燃燒過程交叉限幅協(xié)調(diào)控制方案。又為了使煙氣含氧量控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定，在空燃比交叉限幅控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行改進，采用空燃比雙交叉限幅控制系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上再引進變偏置雙交叉燃燒控制方法。鍋爐管道儀表仿真圖見圖8。

圖8 工業(yè)鍋爐管道儀表仿真圖

3.1 煙氣含氧量控制系統(tǒng)仿真

從圖9可以看出,通過本系統(tǒng)測試煙氣中的含氧量就可以實現(xiàn)風(fēng)量-燃料配比的控制，所以在空氣-燃料比雙交叉限幅比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將送風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計成帶有氧氣量調(diào)節(jié)的串級比值控制系統(tǒng)。如圖所示，當(dāng)給系統(tǒng)一個階躍信號的時，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間約為10 s，符合設(shè)計要求。

圖9 煙氣含氧量控制系統(tǒng)仿真圖像

3.2 余溫控制系統(tǒng)仿真

因為煙氣余溫越高，意味著能耗越大，就要適當(dāng)?shù)販p小燃料的供給量。此環(huán)節(jié)是用煙氣余溫調(diào)節(jié)器，燃料調(diào)節(jié)器等構(gòu)成閉環(huán)回路對燃料的供給量進行控制。當(dāng)給系統(tǒng)一個階躍信號時,得到如圖10所示曲線，調(diào)節(jié)時間約40 s，符合設(shè)計要求。

圖10 煙氣余溫控制系統(tǒng)仿真圖像

3.3 負壓控制系統(tǒng)仿真

本設(shè)計環(huán)節(jié)采用前饋-反饋控制系統(tǒng)。用煙氣排放量作為控制變量形成單回路反饋；送風(fēng)量會對爐膛負壓產(chǎn)生較大的干擾，因此在單回路上加入送風(fēng)量的前饋通道。如圖11所示，當(dāng)輸入階躍信號時，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間約為45 s，符合設(shè)計要求。

圖11 爐膛負壓控制系統(tǒng)仿真圖像

4 結(jié) 語

本文對工業(yè)自然循環(huán)鍋爐的工藝特性進行了分析，明確了鍋爐各個環(huán)節(jié)的工作原理與相互關(guān)系，對鍋爐的除氧器、汽包、過熱蒸汽、爐膛等各個被控對象的特性進行了詳細的討論。在此基礎(chǔ)之上，綜合運用串級、前饋等多種復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計方法和模糊自適應(yīng)PID等控制規(guī)律，設(shè)計了一個完整的鍋爐基礎(chǔ)控制系統(tǒng)。針對“低碳”的要求，方案中設(shè)計了交叉限幅燃燒控制的方法，并針對其存在的缺陷進行了改進，設(shè)計出了變偏置雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)用最少的燃料產(chǎn)生最大的熱量，達到低碳的目的。

經(jīng)過對系統(tǒng)的分析設(shè)計了控制器，并對控制系統(tǒng)進行了仿真，指標滿足要求，通過變偏置雙交叉限幅燃

燒控制系法，提高了系統(tǒng)的能源利用效率，能夠滿足生產(chǎn)、安全、優(yōu)化的指標，達到令人滿意的效果。

[1] 李文博.鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計及其在PCS7上的實現(xiàn)[D].北京：北京化工大學(xué),2010.

[2] 劉國華. 基于PLC和FCS集中供熱鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報,2011,26(2):118-122.

LIU Guo-hua. Central Heating Boiler Control System Design Based on PLC and FCS [J], Journal of Electric Power Science and Technoloty, 2011,26(2):118-122.

[3] 朱全利.鍋爐設(shè)備系統(tǒng)及運行[M].北京：中國電力出版社，2010：56-74.

[4] 嵇 婷.自然循環(huán)鍋爐汽水系統(tǒng)模擬與參數(shù)估計[D].杭州：浙江大學(xué),2013.

[5] 靳 雷,李宏偉. 基于PLC和現(xiàn)場總線的鍋爐控制系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器,2010(7):51-53.

JIN Lei, LI Hong-wei. Boiler Control System Based on PLC and Field Bus [J]. Instrument Technique and Sensor, 2010(7):51-53.

[6] 吳海鳳,袁益超, 劉聿拯. 鍋爐動態(tài)特性研究方法綜述[J].能源研究與信息,2009,25(4):198-202.

WU Hai-feng, YUAN Yi-chao, LIU Yu-zheng. S Summary Methods of Dynamic Characteristics of the Boiler [J]. Energy Research and Information, 2009,25(4):198-202.

[7] 郭廣躍, 袁設(shè)淇, 袁嘉婧,等.自然循環(huán)鍋爐汽水系統(tǒng)動態(tài)模型的建立[J].控制工程,2010,17(5):39-41.

GUO Guang-yue, YUAN Jing-qi, YUAN Jia-jing,etal. Modeling for the Steam-Water System of the Natural Circulation Boilers in the Power Plant [J]. Control Engineering of China, 2010,17(5):39-41.

[8] 陳智軒, 盧子廣, 胡立坤,等.自然循環(huán)鍋爐主蒸汽壓力雙值動態(tài)矩陣控制器[J].自動化與儀表, 2013(9):33-36.

CHEN Zhi-xuan, LU Zi-guang, HU Li-kun,etal. Two Value Dynamic Matrix Controller of Natural Circulation Boiler Main Stream Pressure [J]. Automation & Instrumentation, 2013(9):33-36.

[9] 孫 蓉. 西門子S7-300/400PLC實踐與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社, 2013.

[10] Labibi B, Marquez H J, Chen T. Decentralized robust PI controller design for an industrial boiler[J]. Journal of Process Control, 2009,19(2):216-230.

[11] 李 冰，鄭秀麗，孫蓉等.可編程控制器原理及應(yīng)用實例[M].北京: 中國電力出版社,2011.

[12] 殷素芳, 王廣軍. 直流鍋爐蒸汽發(fā)生器的模塊化建模與仿真[J]. 計算機仿真, 2009, 26(4): 271-274.

YIN Su-fang, WANG Guang-jun. Modular Modeling and Simulation of Once-through Boiler Steam Generator [J]. Computer Simulation, 2009, 26(4): 271-274.

[13] 嚴愛軍, 張亞庭.過程控制系統(tǒng)[M]. 北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社,2010.

[14] 張明光, 吳明永, 靳 雷,等. 基于PLC的鍋爐SCADA系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J]. 計算機測量與控制, 2009,17(4):682-684,694.

ZHANG Ming-guang, WU Ming-yong, JIN Lei,etal. Design and application of boiler SCADA system based on PLC [J].Computer Measurement & Control, 2009,17(4):682-684,694.

[15] Moradi H, Bakhtiari-Nejad F, Saffar-Avval M. Robust control of an industrial boiler system; a comparison between two approaches: Sliding mode control &H∞technique[J]. Energy Conversion and Management, 2009,50(6):1401-1400.