夏 帥

（太原熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 太原 030013）

1 燃?xì)忮仩t介紹

隨著國(guó)家整治大氣污染的力度不斷加大，鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)鍋爐的運(yùn)用也提出了新的要求。傳統(tǒng)的燃煤鍋爐由于存在較大的污染物排放量且治理難度較大，而被逐步淘汰。取而代之的是天然氣鍋爐，其排放的污染物較少且沒(méi)有粉塵污染，是理想的鍋爐種類(lèi)。

燃?xì)鉄崴仩t是以天然氣為燃料，通過(guò)加熱循環(huán)水輸出熱量的一種鍋爐。主要結(jié)構(gòu)原理為：由爐體、燃燒器、燃?xì)夤艿馈⒐娘L(fēng)機(jī)、風(fēng)門(mén)、煙道、再循環(huán)風(fēng)機(jī)、水循環(huán)管道等組成。鼓風(fēng)機(jī)將空氣經(jīng)過(guò)風(fēng)門(mén)的調(diào)節(jié)輸送至燃燒器，與天然氣混合在燃燒器內(nèi)燃燒，向爐體內(nèi)輻射熱能，爐體內(nèi)的管道循環(huán)水吸收熱能完成熱交換。煙氣由煙道排出爐體，當(dāng)煙氣中的氮氧化物排放超標(biāo)時(shí)啟動(dòng)再循環(huán)風(fēng)機(jī)對(duì)煙氣進(jìn)行再加熱，分解氮氧化物降低污染物濃度后再排放。相較于燃煤鍋爐需要具備煤炭輸送系統(tǒng)、鼓風(fēng)/引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。燃?xì)忮仩t負(fù)荷調(diào)節(jié)更加簡(jiǎn)便、爐膛升溫速度較快、更加環(huán)保、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制、人工成本低[1]。

傳統(tǒng)人工調(diào)節(jié)鍋爐燃?xì)饬髁颗c空氣流量往往不能達(dá)到最優(yōu)燃燒效果，存在浪費(fèi)資源與增加污染物排放的問(wèn)題，還會(huì)提高人員工作強(qiáng)度、增加人工成本。介于天然氣易燃易爆的屬性，鍋爐運(yùn)行人員長(zhǎng)期處于鍋爐房?jī)?nèi)對(duì)個(gè)人安全有一定影響。因此將燃?xì)忮仩t改造成自動(dòng)控制將有利于提高燃燒品質(zhì)、減少污染物排放、降低用工成本、提高人員安全性。

2 燃?xì)忮仩t工藝介紹

燃?xì)忮仩t的運(yùn)行分為以下三個(gè)階段，具體主要介紹如下：

2.1 點(diǎn)火階段

點(diǎn)火階段實(shí)現(xiàn)天然氣的燃燒，使鍋爐處于運(yùn)行狀態(tài)，又依次分為前吹掃→測(cè)漏→點(diǎn)小火→點(diǎn)大火四個(gè)步驟。

2.2 負(fù)荷調(diào)節(jié)階段

通過(guò)控制燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥開(kāi)度、鼓風(fēng)機(jī)變頻器頻率、煙氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度、再循環(huán)風(fēng)機(jī)變頻器頻率、風(fēng)門(mén)開(kāi)度等參數(shù)配合，實(shí)現(xiàn)鍋爐熱功率輸出的最優(yōu)控制。

2.3 停爐階段

當(dāng)鍋爐停止使用時(shí)，首先切斷燃?xì)夤?yīng)燃燒停止，各種閥門(mén)的閥位回到初始狀態(tài)，鼓風(fēng)機(jī)按設(shè)定繼續(xù)保持一定時(shí)間的運(yùn)行對(duì)爐膛進(jìn)行吹掃，為下一次運(yùn)行做好準(zhǔn)備。

3 控制系統(tǒng)介紹

PLC 稱(chēng)為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller），是20 世紀(jì)中期出現(xiàn)并逐漸發(fā)展起來(lái)的一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的自動(dòng)控制設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于裝備制造、化工、煤礦等各種工業(yè)生產(chǎn)。西門(mén)子公司生產(chǎn)的PLC 一直在業(yè)內(nèi)享有盛譽(yù)，在功能、可靠性、兼容性等方面都有不俗表現(xiàn)[2]。

3.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于燃燒器與鍋爐本體分屬不同的廠(chǎng)家，鍋爐控制系統(tǒng)分為燃燒控制系統(tǒng)與爐膛檢測(cè)系統(tǒng)兩部分。采用不同的PLC 搭建，通過(guò)觸摸屏與交換機(jī)形成完整的系統(tǒng)。

3.1.1 燃燒控制系統(tǒng)

采用西門(mén)子S7-200 型號(hào)PLC 模塊，搭載三塊AI/AO、DI/DO 擴(kuò)展模塊與觸摸屏組成系統(tǒng)核心。通過(guò)屏蔽導(dǎo)線(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)燃?xì)鈮毫﹂_(kāi)關(guān)、燃?xì)怆姶砰y、燃?xì)庑』痣姶砰y、燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥、鼓風(fēng)機(jī)變頻器、煙氣調(diào)節(jié)閥、再循環(huán)風(fēng)機(jī)變頻器、風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)閥、點(diǎn)火器、小火檢測(cè)器、大火檢測(cè)器、氧含量傳感器、爐膛壓力開(kāi)關(guān)等設(shè)備進(jìn)行連接組成完整控制系統(tǒng)。

3.1.2 爐膛檢測(cè)系統(tǒng)

采用西門(mén)子S7-300 型號(hào)PLC 模塊，搭載電源、通信模塊與五塊AI、AO、DI、DO 擴(kuò)展模塊與觸摸屏組成系統(tǒng)核心。同樣采用屏蔽導(dǎo)線(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)、節(jié)能器流量計(jì)、供/回水溫度變送器、供/回水壓力變送器、爐膛壓力變速器、爐膛溫度變速器、電磁閥、節(jié)能器供/回水溫度變送器、節(jié)能器供/回水壓力變送器等設(shè)備進(jìn)行連接組成完整控制系統(tǒng)。

3.2 鍋爐控制原理

3.2.1 點(diǎn)火階段

1）前吹掃：燃燒系統(tǒng)PLC 收到循環(huán)泵的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)后，輸出電流信號(hào)控制鼓風(fēng)機(jī)變頻器運(yùn)行，壓力開(kāi)關(guān)4 檢測(cè)到風(fēng)壓動(dòng)作。將頻率保持在21 Hz 連續(xù)運(yùn)行30 s。保證爐膛內(nèi)沒(méi)有天然氣、二氧化碳等氣體殘留，空氣質(zhì)量達(dá)到燃燒要求，如圖1 所示。

圖1 燃燒器設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

2）測(cè)漏：前吹掃進(jìn)行完畢后進(jìn)入側(cè)漏程序。為了安全起見(jiàn)，防止燃?xì)怆姶砰y出現(xiàn)泄漏，燃?xì)怆姶砰y為雙體設(shè)計(jì)，在運(yùn)行前還要對(duì)閥門(mén)進(jìn)行側(cè)漏。燃?xì)夤艿郎嫌腥齻€(gè)壓力開(kāi)關(guān)，分別安裝于雙體電磁閥前端、1號(hào)與2 號(hào)電磁閥之間、燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥后端。前端壓力開(kāi)關(guān)1 與中間壓力開(kāi)關(guān)2 為低壓報(bào)警，后端壓力開(kāi)關(guān)3為高壓報(bào)警。當(dāng)燃?xì)鈮毫φ?，壓力開(kāi)關(guān)1 動(dòng)作而壓力開(kāi)關(guān)2 不動(dòng)作，說(shuō)明1 號(hào)電磁閥密封良好。隨后給1 號(hào)電磁閥通電，壓力開(kāi)關(guān)2 動(dòng)作，說(shuō)明1 號(hào)電磁閥工作正常。然后1 號(hào)電磁閥斷電，壓力開(kāi)關(guān)2 保持動(dòng)作狀態(tài)6 s，說(shuō)明2 號(hào)電磁閥密封良好。隨后2 號(hào)電磁閥通電，壓力開(kāi)關(guān)2 呈現(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)，說(shuō)明2 號(hào)電磁閥工作正常。側(cè)漏程序結(jié)束[3]。

3）點(diǎn)小火：側(cè)漏程序檢測(cè)正常后，小火電磁閥通電同時(shí)點(diǎn)火器通電，小火燃燒器開(kāi)始燃燒，小火檢測(cè)器通過(guò)觀測(cè)孔檢測(cè)到火焰并保持15 s，已確保爐膛內(nèi)燃燒穩(wěn)定。小火程序結(jié)束點(diǎn)火器斷電。

4）點(diǎn)大火：小火程序正常后雙體電磁閥通電，主燃燒器由小火燃燒器點(diǎn)燃，大火檢測(cè)器檢測(cè)到火焰后小火電磁閥斷電點(diǎn)火程序結(jié)束，如圖2 所示。

圖2 點(diǎn)火流程圖

3.2.2 負(fù)荷調(diào)節(jié)階段

點(diǎn)火成功后開(kāi)始進(jìn)入負(fù)荷調(diào)節(jié)階段，鍋爐根據(jù)所需出水溫度調(diào)節(jié)燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥的開(kāi)度控制燃?xì)馊紵?。燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥開(kāi)度有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式。

1）手動(dòng)模式：直接通過(guò)鍋爐運(yùn)行人員人工輸入調(diào)節(jié)閥開(kāi)度進(jìn)行控制。手動(dòng)模式對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)有較高要求，否則輸出的熱水溫度會(huì)有振蕩，既浪費(fèi)能源又達(dá)不到穩(wěn)定運(yùn)行的要求。所以通常采用自動(dòng)運(yùn)行模式。

2）自動(dòng)模式：通過(guò)PID 調(diào)節(jié)算法根據(jù)設(shè)定出水溫度控制燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥的開(kāi)度間接控制實(shí)際出水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。PID 調(diào)節(jié)算法及比例（P）、積分（I）、微分（D），是一種單輸入單輸出以計(jì)算設(shè)定值與實(shí)際值之差來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的算法。由于其不依賴(lài)受控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，所以適用于各種工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，對(duì)于鍋爐這種數(shù)學(xué)模型不完全確定的設(shè)施是較理想的控制算法。PID控制流程如圖3所示。

圖3 PID 控制流程圖

圖3 中，R 為設(shè)定值；Y 為實(shí)際值；e(k)為第K 次采樣時(shí)刻設(shè)定值與實(shí)際值的偏差；U 為算法輸出值。

其計(jì)算公式為[4]：

式中：U（t）為控制器輸出；e（t）為系統(tǒng)誤差（設(shè)定值與被控值之差）；Kp為控制器比例放大系數(shù)；Ti為控制器積分時(shí)間；Td為控制器微分時(shí)間。

將公式離散化后，U（k）為第K 次采樣時(shí)刻控制器輸出值，計(jì)算如下：

式中：Ki為積分系數(shù)；T 為采樣周期；Kd為微分系數(shù)。

比例環(huán)節(jié)作用：控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，系數(shù)越大系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，越小則反之。

積分環(huán)節(jié)作用：用于消除靜態(tài)誤差。單純的比例調(diào)節(jié)無(wú)法消除靜態(tài)誤差，只能在目標(biāo)值之間來(lái)回震蕩。這就需要使用積分相的不斷積累誤差進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，達(dá)到實(shí)際值與目標(biāo)值一致的目的。

微分環(huán)節(jié)作用：設(shè)定調(diào)節(jié)提前量。當(dāng)遇到滯后比較大的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，需要對(duì)調(diào)節(jié)進(jìn)行提前修正，防止出現(xiàn)過(guò)度調(diào)節(jié)引起震蕩。

采樣周期：PID 控制采用周期性控制方式，及每隔一個(gè)時(shí)間周期進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集與調(diào)節(jié)。

在實(shí)際鍋爐運(yùn)行中，需要提前對(duì)PID 系數(shù)進(jìn)行整定，過(guò)大過(guò)小的系數(shù)都會(huì)影響鍋爐的運(yùn)行質(zhì)量與可靠性。比例系數(shù)響應(yīng)速度過(guò)快容易造成系統(tǒng)超調(diào)、振蕩，不能穩(wěn)定。響應(yīng)速度過(guò)慢會(huì)使系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)慢，長(zhǎng)時(shí)間不能進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。積分系數(shù)、微分系數(shù)同理，其大小與系統(tǒng)響應(yīng)成正比關(guān)系。采樣周期設(shè)定過(guò)小會(huì)導(dǎo)致CPU 運(yùn)算負(fù)荷過(guò)重，過(guò)大會(huì)失去對(duì)系統(tǒng)的控制。

燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥開(kāi)度、風(fēng)門(mén)開(kāi)度、煙氣調(diào)節(jié)閥、鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系由實(shí)驗(yàn)得出。當(dāng)鍋爐作運(yùn)行準(zhǔn)備時(shí)，技術(shù)人員在鍋爐煙道測(cè)安裝空氣分析儀，以燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥開(kāi)度15%為起點(diǎn)，以3%為一個(gè)區(qū)間對(duì)風(fēng)門(mén)開(kāi)度、鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)試，直到鍋爐排煙達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)將二者設(shè)定值輸入程序數(shù)據(jù)列表。依次遞增最大至燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥開(kāi)度66%，鍋爐輸出功率最大值為止。鍋爐運(yùn)行時(shí)，風(fēng)門(mén)開(kāi)度、鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)列表中與燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥開(kāi)度的對(duì)應(yīng)值自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3.2.3 停爐階段

鍋爐結(jié)束運(yùn)行時(shí)，首先關(guān)閉雙體電磁閥，燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥、風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)至點(diǎn)火開(kāi)度，鼓風(fēng)機(jī)以21 Hz 吹掃轉(zhuǎn)速運(yùn)行30 s 將爐膛內(nèi)廢氣排出鍋爐，為下一次啟爐做好準(zhǔn)備。

4 運(yùn)行保護(hù)

鍋爐在運(yùn)行時(shí)具有一定危險(xiǎn)性，為了防止出現(xiàn)安全事故就需要采取一些措施保證鍋爐安全運(yùn)行。保護(hù)分為燃燒系統(tǒng)保護(hù)、水循環(huán)系統(tǒng)保護(hù)、泄漏保護(hù)。

4.1 燃燒系統(tǒng)保護(hù)

天然氣管道上安裝有壓力高/低三個(gè)壓力開(kāi)關(guān)保證鍋爐在運(yùn)行時(shí)天然氣壓力在合理范圍內(nèi)。側(cè)漏程序保證雙體電磁閥的工作正常。小火程序保障爐膛內(nèi)環(huán)境適合大火燃燒。當(dāng)出現(xiàn)異常動(dòng)作時(shí)鍋爐停止運(yùn)行并報(bào)警。爐膛的遠(yuǎn)傳溫度、遠(yuǎn)傳壓力表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)爐膛工況變化，當(dāng)超出設(shè)定范圍后系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，通過(guò)人工進(jìn)行判斷維修。

4.2 水循環(huán)系統(tǒng)保護(hù)

主要是防止鍋爐內(nèi)水管壓力過(guò)高導(dǎo)致管道崩裂，在鍋爐頂部安裝有遠(yuǎn)傳壓力表與壓力開(kāi)關(guān)，當(dāng)壓力表讀數(shù)或壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)說(shuō)明管道壓力過(guò)高，立刻報(bào)警并停爐。

4.3 泄漏保護(hù)

在天然氣管道旁與鍋爐房屋頂都設(shè)置有天然氣檢測(cè)儀，當(dāng)檢測(cè)到天然氣濃度達(dá)到上限后立刻停爐并切斷燃?xì)夤?yīng)開(kāi)啟風(fēng)扇通風(fēng)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)PLC 系統(tǒng)對(duì)燃?xì)忮仩t進(jìn)行自動(dòng)化控制后，保證鍋爐在最優(yōu)狀態(tài)下運(yùn)行的同時(shí)，還提高了人員以及鍋爐的安全性，節(jié)省了人工成本。該自動(dòng)化燃?xì)忮仩t從建成使用至今達(dá)到了預(yù)期效果。