工業蒸汽鍋爐自動化控制的探析

摘 要：鍋爐控制系統改造具有很好的市場發展空間和投資收益前景，值得廣泛地推廣。它不僅能夠通過自動化控制技術實現安全生產的目的，還能夠節煤節電并能使排放更環保。

關鍵詞：控制系統；自動化控制；環保

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）06-0314-02

1 引言 

鍋爐微機控制，是近年來開發的一項新技術，它是微型計算機軟件、硬件、自動控制、鍋爐節能等幾項技術緊密結合的產物，我國現有鍋爐每年耗煤量占我國原煤產量的1/3，目前大多數工業鍋爐仍處于能耗高、浪費大、環境污染嚴重的生產狀態。提高熱效率，降低耗煤量，降低耗電量，用微機進行控制是一件具有深遠意義的工作。 

2 鍋爐控制系統的一般結構與工作原理 

鍋爐微機控制系統，一般由以下幾部分組成，即由一次儀表、現場機、上位機、手自動切換操作、執行機構及閥、電機等部分組成，一次儀表將鍋爐的溫度、壓力、流量、氧量、轉速等量轉換成電壓、電流等送入微機。控制系統包括手動和自動操作部分，手動控制時由操作人員手動控制，用操作器控制變頻器、滑差電機及閥等，自動控制時對微機發出控制信號經執行部分進行自動操作。微機對整個鍋爐的運行進行監測、報警、控制以保證鍋爐正常、可靠地運行，除此以外為保證鍋爐運行的安全，在進行微機系統設計時，對鍋爐水位、鍋爐汽包壓力等重要參數應設置常規儀表及報警裝置，以保證水位和汽包壓力有雙重甚至三重報警裝置，以免鍋爐發生重大事故。 

微機控制系統由工控機、顯示器、打印機、手操器、報警裝置等組成，能完成對給水、給煤、鼓風、引風等進行自動控制，使鍋爐的汽包水位、蒸汽壓力保持在規定的數值上，以保證鍋爐的安全運行，平穩操作，達到降低煤耗、提高供送汽質量的目的，同時對運行參數如壓力、溫度等有流程動態模擬圖畫面并配有數字說明，還可對汽包水位、壓力、爐溫等進行越限報警，發出聲光信號，還可定時打印出十幾種運行參數的數據。以形成生產日志和班、日產耗統計報表，有定時打印、隨機打印、自定義時間段打印等幾種方式。 

3 鍋爐控制系統中各控制回路的介紹 

鍋爐控制系統，一般有蒸汽壓力、汽包液位、爐膛負壓、除氧器水位、除氧器壓力等控制系統。鍋爐的燃燒控制實質上是能量平衡系統，它以蒸汽壓力作為能量平衡指標，不斷根據用汽量與壓力的變化調整燃料量與送風量，同時保證燃料的充分燃燒及熱量的充分利用。

3.1 鍋爐給水控制回路 

給水自動調節的任務是使給水流量適應鍋爐的蒸發量，以維持汽包水位在允許的范圍內。給水自動調節的另一個任務是保持給水穩定。在整個控制回路中要全面考慮這兩方面的任務。在控制回路中被調參數是汽包水位，調節機構是給水調解閥，調節量是給水流量。 對汽包水位調節系統產生擾動的因素有蒸發量、爐膛熱負荷（燃料量），給水量。

由于給水調節對象沒有自平衡能力，又存在滯后。因此在一般鍋爐控制系統中汽包液位回路采用閉環三沖量調節系統。所謂三沖量調節系統就是把給水流量，汽包水位，蒸汽流量三個變量通過運算后調節給水閥的調節系統。

鍋爐給水系統中還有一個比較重要的控制回路是給水壓力回路，因為汽包內壓力較高，要給鍋爐補水必須提供更高的壓力，給水壓力回路的作用是提高水壓，使水能夠正常注入汽包。但在蒸汽流量未達到滿負荷時，對給水流量的要求也不高。在老式的鍋爐系統中一般采用給水泵一直以工頻方式運轉，用回流閥降低水壓防止爆管，現在一般采用通過變頻器恒壓供水的方式控制水壓，具體實現方式是：

系統下達指令由變頻器自動啟動第一臺泵運行，系統檢測給水管的水壓，當變頻器頻率上升到工頻時，如水壓未達到設定的壓力值，系統自動將第一臺電機切換至工頻直供電，并由變頻器拖動第二臺水泵運行，如變頻器運行到工頻狀態時供水母管壓力仍未達到設定壓力值系統自動將第二臺水泵切換至工頻直供電，再由變頻器拖動第三臺運行，依次類推，直至壓力達到設定值。若鍋爐需要的給水量減少，變頻控制系統可自動降低變頻器的運行頻率，如變頻器的頻率到零仍不能滿足要求，則變頻器自動切換至前一臺水泵進行變頻運行，依次類推。變頻恒壓供水控制系統的實質是：始終利用一臺變頻器自動調整水泵的轉速，切換時間以管網的實際壓力和設定壓力的差值決定，同時保證管網的壓力動態恒定。值得注意的是為了防止變頻器報警停機或其他故障造成水泵不轉會引起鍋爐缺水，所以應該加反饋裝置確保變頻器正常工作。 

除此之外鍋爐的供水系統中還包括除氧器壓力控制和除氧器水位控制，除氧器壓力控制主要是為了保證除氧器口有足夠的蒸汽壓力用于將軟化水除氧，這是一個單閉環控制回路，輸入參數是除氧器壓力輸出參數控制除氧器進汽閥。除氧器水位控制主要是為了保證除氧器內有足夠的水提供給鍋爐，這是一個單閉環控制回路輸入參數，是除氧器水位輸出參數控制除氧器進水閥。 

3.2 鍋爐燃燒調節系統 

燃燒過程自動調節系統的選擇雖然與燃燒的種類和供給系統、燃燒方式以及鍋爐與負荷的聯結方式都有關系，但是燃燒過程自動調節的任務都是一樣的。歸納起來，燃燒過程自動調節系統有三大任務： 

① 維持汽壓恒定。汽壓的變化表示鍋爐蒸汽量和負荷的耗汽量不相適應，必須相應地改變燃料量，以改變鍋爐的蒸汽量。 

② 保證燃燒過程的經濟性。當燃料量改變時，必須相應地調節送風量，使它與燃料量相配合，保證燃燒過程有較高的經濟性。 

③ 調節引風量與送風量相配合，以保證爐膛壓力不變。 

燃燒調節系統一般有三個被調參數，汽壓、煙氣含氧量和爐膛負壓。一般有3個調節量，他們是燃料量，送風量和引風量。燃燒調節系統的調節對象對于燃料量，根據燃料種類的不同可能是爐排電機，也可能是燃料閥。對于送風量和引風量一般是擋板執行機構或變頻器。 

系統各回路中都設置了手自動兩種操作方式，為了實現無擾動切換，系統引入了各控制對象的反饋值，在手動操作時PLC輸出會自動跟蹤控制對象的反饋，當切換到自動狀態時可以進行無擾動切換，使系統平穩的過渡到自動狀態。 

4 鍋爐控制系統組成結構 

上面我們針對鍋爐控制系統的各控制回路原理的做了簡要分析，依據以上分析，我們知道構建一個可靠的、智能隨動的智能控制系統是保證鍋爐安全生產的基礎。鍋爐控制系統是典型的多變量、純滯后、強耦合的控制系統，如果不能在控制策略和軟件實現上很好地解決多變量解偶關系和滯后響應問題，那么，實施智能鍋爐控制系統改造后同樣也將無法實現預期的目標。 

在控制系統設計上我們采用集中控制分散驅動的集散控制思想，把控制系統分為三層： 

（1）信息管理層：完成系統關鍵技術數據的設定、實時數據和運行狀態的監視與控制、歷史數據的查看、數據報表的記錄與打印、報警與故障的提示處理等功能；主要由上位工控機、組態開發軟件、應用程序、通訊模塊等組成； 

（2）控制層：主要完成各種控制動作命令、實時數據的采樣與處理、連鎖動作的關聯表達、控制算法的實現、異常現象的自動處理等功能；主要由可編程邏輯控制器的開關量模塊、模擬量模塊、智能PID調節儀、變頻器、可編程邏輯控制器應用程序等組成； 

（3）設備層：主要接受來自的控制器控制命令，執行相應的動作或提供相應的檢測數據。主要由斷路器、交流接觸器、壓力變送器、溫度變送器、流量變送器、電動開關閥、模擬信號隔離分配器等組成。 

5 結束語 

綜上所述，鍋爐控制系統改造具有很好的市場發展空間和投資收益前景，值得廣泛地推廣。它不僅能夠通過自動化控制技術實現安全生產的目的，還能夠節煤節電并能使排放更環保，總之鍋爐的計算機自動化控制是鍋爐行業發展的大勢所趨，也是一項利國利民的發展方向。