李文濤

摘 要：簡述了15t/燃氣蒸汽鍋爐控制的主要需求，提出了控制系統(tǒng)的技術方案，介紹了控制系統(tǒng)的設計思路、工作原理、控制流程、燃燒控制及安全保護，該系統(tǒng)可使鍋爐安全穩(wěn)定運行。

關鍵詞：燃氣;控制系統(tǒng);沖量;安全控制

前言

鍋爐是在高溫高壓下工作的，安全運行是鍋爐運行的首要要求。鍋爐實現(xiàn)自動化可以提高鍋爐運行的安全性。自動檢測儀表能把鍋爐的運行狀況隨時提供給運行人員和自動調(diào)節(jié)裝置。自動調(diào)節(jié)裝置可以及時對鍋爐運行工況進行調(diào)節(jié)，使鍋爐在最佳工況下運行。程序裝置控制能避免誤操作。自動保護裝置對異常情況能及時報警并采取必要的安全措施。

采用程序控制和計算機控制，使鍋爐的啟停實現(xiàn)了自動化，這樣就大大地縮短了啟停時間，因而減少了各種熱損失及工質損失。鍋爐實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，可使運行人員從繁重的體力勞動和緊張的精神負擔中解脫出來。

一、設計思路

本設計是15t/h燃氣蒸汽鍋爐自動控制系統(tǒng)，鍋爐控制系統(tǒng)的主要控制范圍包括：

①鍋爐本體控制系統(tǒng)：鍋爐供水控制、煙氣系統(tǒng)控制、各種壓力/溫度/流量顯示及計量、雙色水位計監(jiān)視顯示、鍋爐安全保護等;

②鍋爐燃燒器控制系統(tǒng)：燃燒調(diào)節(jié)控制、燃燒器安全保護等;

設計總體思路為：實現(xiàn)對燃氣蒸汽鍋爐的鍋爐本體控制系統(tǒng)、鍋爐供水系統(tǒng)、燃燒控制系統(tǒng)、風門控制系統(tǒng)的自動監(jiān)控和管理功能;同時，鍋爐控制系統(tǒng)還完成鍋爐的自動運行與安全檢測功能。在此基礎上，通過以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)鍋爐微機控制系統(tǒng)與鍋爐PLC控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。鍋爐微機控制系統(tǒng)計算機完成對鍋爐PLC控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊與處理，并負責完成所有鍋爐系統(tǒng)重要運行參數(shù)的歷史記錄、存儲、和生產(chǎn)報表打印。具有可靠性高、便于擴展，技術先進等優(yōu)點。

二、燃燒控制蒸汽壓力

燃燒控制蒸汽壓力原理圖：

燃燒控制蒸汽壓力是以鍋爐出口蒸汽壓力為主調(diào)信號，蒸汽流量為輔調(diào)信號來控制燃燒器燃燒，從而提高鍋爐對于輸出負荷的反應速度和控制的穩(wěn)定性;并在運行過程中引入煙道含氧量信號反饋來實現(xiàn)燃燒器風量的微調(diào)，使燃燒器運行效率一直保持在高水平，也使鍋爐運行的更加環(huán)保。

控制流程：

當蒸汽壓力低于壓力下限時（或壓力還沒到下限，蒸汽流量開始大的變化時），PLC控制燃燒器點火。在燃燒器吹掃過程中，鼓風機變頻器不進行微調(diào)功能，而是在一個設定的值上（40-45Hz）運行。當主火焰檢測反饋正常后，再通過延時啟動鼓風變頻的微調(diào)功能。

燃燒器所需燃氣量和風量是由燃燒機程控器控制燃燒機上的機械調(diào)節(jié)機構主調(diào)。在機械機構對需氣量和需風量配比出現(xiàn)變化或燃氣壓力出現(xiàn)變化時，會引起煙道煙氣含氧量出現(xiàn)變化。這時由于機械機構沒有自調(diào)整功能，而使鍋爐煙氣不能達標，一是影響燃燒效率，二是鍋爐運行不符合國家環(huán)保要求。

這時由于鼓風機變頻器運行頻率不是在最高值（在40-45Hz），使頻率還有上下5-10Hz的變動范圍進行風量微調(diào)。PLC在根據(jù)對蒸汽壓力、蒸汽流量和煙氣含氧量數(shù)據(jù)的分析，并通過優(yōu)化煙氣運行軟件，去改變鼓風機變頻器的運行頻率，使燃燒需燃氣量和需風量的配比重新調(diào)整成最合理比例（動態(tài)平衡）。從而完成整個蒸汽壓力-燃燒控制。

三、汽包水位三沖量控制

三沖量水位控制原理如下圖：

汽包水位的穩(wěn)定影響到鍋爐安全、高效、經(jīng)濟等各個方面，所以必須采取行之有效的方法來控制汽包水位的穩(wěn)定。鍋爐汽包水位控制一般有：單沖量控制、雙沖量控制、和三沖量控制，控制算法復雜程度不同，控制效果也有較大差別，在控制參數(shù)設置都處于最優(yōu)情況下單沖量控制最差，三沖量控制最好。汽包水位三沖量控制又稱給水控制，它反映給水量與供汽量的動態(tài)平衡，屬于典型的串級加前饋控制方式。給水流量作為副調(diào)回路，克服給水流量變化擾動;汽包水位作為主調(diào)回路;蒸汽流量作為前饋量克服虛假水位現(xiàn)象，使水位達到很高的控制精度。本系統(tǒng)應用串級前饋三沖量控制算法，正常情況下控制穩(wěn)態(tài)誤差≤±2mm。

除此之外，汽包水位設有獨立的水位安全保護系統(tǒng)，采用多點水位浮球來實現(xiàn)二級水位的保護，使系統(tǒng)更加的安全。

四、燃燒順序控制與安全保護

1、鍋爐順序控制

順序控制的目的就是控制燃氣蒸汽鍋爐按照安全規(guī)范啟動設備、停止設備。在遇到異常情況發(fā)生時，及時報警，當達到連鎖保護值時，啟動相應的連鎖保護停止設備運行，未在連鎖保護范圍內(nèi)的異常情況時，操作人員視其情節(jié)嚴重，可作相應的處理，以保證鍋爐安全生產(chǎn)。

燃燒器運行程序分為準備程序、點火程序、運行程序、連鎖保護程序和停爐程序五個部分。

（1）準備程序：燃燒器運行前，首先必須進行爐膛吹掃。爐膛吹掃時開啟鼓風設備進行吹掃。

（2）系統(tǒng)吹掃完畢后，燃燒器進入點火程序，點火子程序為前吹掃——打火——點輔火——點主火——火焰控制。

（3）當系統(tǒng)點火成功后，燃燒器進入火焰調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的控制目標是保證蒸汽壓力滿足負荷的要求;系統(tǒng)的控制對象是燃燒器的進風量和進氣量。系統(tǒng)采集蒸汽壓力信號，同時設定期望值，通過PID算法，使得系統(tǒng)實時連續(xù)調(diào)節(jié)燃燒器的進風量和進氣量。

（4）停爐程序：當系統(tǒng)停爐時，關閉切斷燃氣供給，進行后吹掃，最后進行燃燒器復位。

2、鍋爐安全保護

根據(jù)國家專業(yè)標準《工業(yè)鍋爐儀表、控制裝置技術條件》的規(guī)定，15t/h燃氣蒸汽鍋爐的本體安全保護功能如下：

（1）燃氣壓力異常保護：燃氣壓力高、低都將產(chǎn)生報警信號，并停止點火過程;

（2）風壓異常保護：風壓壓力高、低都將產(chǎn)生報警信號，并停止點火過程;

（3）泄漏保護：發(fā)現(xiàn)燃氣泄漏，則產(chǎn)生報警信號，停止點火過程，同時啟動安全切斷泄放系統(tǒng);

（4）熄火保護：當火焰檢測發(fā)現(xiàn)熄火時，產(chǎn)生報警信號，停止點火過程;

（5）鍋爐蒸汽壓力高時，產(chǎn)生報警信號，如果壓力繼續(xù)升高達到極高點，則緊急停止燃燒，并進入吹掃狀態(tài)，吹掃后復位;

（6）當鍋爐水位低時，產(chǎn)生報警信號，如果水位繼續(xù)降低達到極低點，則緊急停止燃燒，并進入吹掃狀態(tài)，吹掃后復位;

（7）當鍋爐故障或緊急停車信號發(fā)出，則緊急停止燃燒，產(chǎn)生報警信號，并進入吹掃狀態(tài)，吹掃后復位;

（8）煙氣超溫：當煙氣溫度超過設定值時，停爐并有聲光報警;

（9）斷電保護：當外部電源突然停電，鍋爐停止運行，來電時必須重新啟動，鍋爐才能運行;

（10）鼓風機保護：當風機電機缺相及過載時，熱繼電器會動作，切斷風機電源，停爐并聲光報警。

五、燃燒器的選型要求

本設計為15t/h燃氣蒸汽鍋爐控制，燃燒器選型必須滿足鍋爐及控制有關要求：

（1）鍋爐額定熱功率為10.5MW，燃燒器最大功率應在鍋爐額定熱功率基礎上留10%的功率余量，燃燒器最大功率應不低于11.6MW;鍋爐應在30%負荷時穩(wěn)定運行，燃燒器穩(wěn)定燃燒的最低功率不應大于3.1MW，綜合考慮燃燒器功率應為3.0—12MW。

（2）燃燒器應能滿足控制對自動燃燒系統(tǒng)的要求，燃燒器必須是全自動調(diào)節(jié)氣體燃燒器。

六、結論

15t/h燃氣蒸汽鍋爐電氣自動控制系統(tǒng)在技術上已經(jīng)基本成熟。采用蒸汽壓力為主信號控制燃燒器燃燒，保證燃燒系統(tǒng)穩(wěn)定運行。給水系統(tǒng)采用三沖量水位控制系統(tǒng)。各種安全聯(lián)鎖保護使整個系統(tǒng)在安全穩(wěn)定的狀態(tài)下運行。采用PLC控制系統(tǒng)，達到了一個較高的控制水平。

參考文獻

[1] 張子棟，王懷彬，李炳熙.鍋爐自動調(diào)節(jié)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1994年.

[2] 秦裕琨.燃油燃氣鍋爐使用技術[M].北京：中國電力出版社，2001年.

[3] 常健生.檢測與轉換技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004年.

[4] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004年.