基于鍋爐控制的過程控制方案設計

卜 麗，周 正，孫長江

（中國礦業大學 信息與電氣工程學院，徐州 221116）

1 被控對象工藝流程描述

1.1 被控對象工藝流程

待加熱物料 A 經由上料泵 P1101 泵出，溫度為常溫20℃，流量為F1101，分兩路，其中一路進入換熱器 E1101 與熱物料換熱后，與另外一路混合，進入加熱爐F1101 的對流段。進入換熱器E1101的待加熱物料 A走管程，一方面對最終產品（熱物料A）的溫度起到微調（減溫）的作用，另一方面也能對待加熱物料 A起到一定的預熱作用。加熱爐對流段由多段盤管組成，爐膛產生的高溫煙氣自上而下通過管間，與管內的物料A換熱，回收煙氣中的余熱并使物料A進一步預熱。對流段流出的物料 A全部進入 F1101 輻射段爐管，接受燃燒器火焰的輻射熱量，達到所要求的高溫后出加熱爐，進入換熱器E1101，進行溫度的微調并為冷物料預熱，最后以工藝所要求的物料溫度輸送給下一生產單元。本設計系統中，維持流量穩定和溫度穩定是整個控制系統的最終目的。

圖1 加熱爐工藝流程描述

1.2 控制要求

1.2.1 物料出口溫度要求

保證物料A 進料流量一定的情況下，使加熱后的物料A 達到要求的溫度并且維持在允許范圍里面。

1.2.2 節能減排控制要求

節能要求是在滿足工藝控制要求的前提下，達到最小燃料使用量。其中，一方面要求加熱爐在正常工況時燃料的使用量最少，同時在從冷態開車到加熱爐達到正常工況所需的燃料用量也要達到最少。減排要求是二氧化碳的排放量少，且兼顧由于燃燒不充分產生有毒一氧化碳的排放量。

1.2.3 安全控制要求

針對爐管爆裂（A 物料為可燃物質）、爐膛滅火、進料中斷這三種加熱爐事故進行故障識別并設計相應的安全控制系統。

1.2.4 過程特性simulink仿真

Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。本系統中，我們可以很方便地在simulink中建立過程控制模型。通過對加熱爐系統的simulink仿真測試，基本了解控制對象的特性，為得到良好的控制品質做好了充分的準備。

通過對系統綜合仿真測試，可以得到：

1）加熱爐系統是一個大慣性、大滯后的控制系統，燃料流量控制溫度需要較長的調節時間，因此在控制時需要設計出合理的控制方法，保證控制速度，同時減少超調和調節時間。

2）加熱爐輸出溫度的變化會影響換熱器的冷物料初始溫度，當對換熱器進行控制時，導致冷物料初始溫度發生大幅波動，造成加熱爐控制系統和換熱器控制系統的耦合控制，在實際控制系統設計過程中，要注意解耦控制，或者部分解耦。

3）換熱器的開度控制并不能夠靜態改變輸出溫度，只能夠動態調整溫度的瞬態變化。

2 控制方案設計

2.1 開車方案流程圖

圖2 開車方案流程圖

2.2 燃燒控制系統

本系統中，耦合主要由于部分燃料兩次經過換熱器引起。因此，為簡化模型，減弱或消除耦合的影響，采用部分解耦的方法，實現換熱器閥門開度對加熱爐耦合的解耦。經過matlab仿真可知，系統很快進入穩態，加熱爐與換熱器協同工作，保證出口溫度為給定值。

2.3 進風量控制系統

為使加熱爐適應負荷的變化，必須同時改變燃料量和空氣量，當空氣流量太大時，多余的空氣會帶走很多熱量，造成燃燒能量的浪費；但當空氣太少時，就會造成不完全燃燒，產生大量黑煙及一氧化碳。因此，為了達到最佳的經濟燃燒，燃燒過程中應有最佳空燃比K。

然而定比值控制方案只能克服流量干擾對比值的影響，當系統中存在著除流量干擾以外的其他干擾，比如溫度、壓力、成分等其他干擾時，為了保證產品質量，必須適當修正兩物料的比值，即采用變比值的控制系統。

本系統中，燃燒時需要有一定的過剩空氣量，當過剩空氣量增多時，一方面使爐膛溫度降低，另一方面使煙氣損失增加。因此，對不同的燃料，過剩空氣量都有一個最優值，即最經濟燃燒。因此，選用煙氣含氧量作為變比值控制系統的第三參數，控制空氣與燃料的比值，以此來獲得最高的加熱爐效率，同時防止產生一氧化碳。

2.4 爐膛壓力控制方案

在實際系統中，除了要求控制系統在生產處于正常運行狀態情況下能夠客服外界的干擾，維持生產的穩定運行，同時當生產操作達到安全極限時，控制系統也有相應的保護措施，促使生產操作離開安全極限，返回到正常的狀況，或者是生產暫時停止下來，以防止事故的發生或者進一步擴大。

本設計系統中，爐膛壓力直接決定了生產的安全運行，因此要求當壓力達到極限值時，系統采取相應的措施。系統中，當爐膛壓力控制在一個安全范圍內時，利用TT1105的溫度測量變送控制器去控制擋板的開度。而當爐膛壓力在這個范圍之外，用壓力控制器去控制擋板的開度。這樣既保證了加熱爐的安全性，同時又實現了節能減排。

2.5 分流閥閥位控制系統

在改變V1103的同時改變V1102的開度，從而保持整個線路上物料A流量的穩定。采用把V1103選用氣開閥，而V1102選用氣關閥，并且這個閥用同一個控制信號的控制方法。

控制閥氣開氣關的選擇，首先要從安全角度出發，即當氣源供應中斷，貨控制器出故障而無輸出，或者控制閥膜片破裂、漏氣等而使控制閥無法正常工作，以致閥芯回復到無能源的初始狀態時，應能確保生產工藝設備的安全，不致發生事故。另外，需要保證當控制閥出于無能源狀態而回復到初始位置時，不應該降低產品的質量。

本控制系統中，控制閥 V1103 出于安全性的考慮，當系統出故障時，關閉分流閥，使通路關閉，所以選用氣開形式；燃料進料控制閥 V1104出于安全性考慮，當控制信號中斷時，保證進料通路關閉，因而也選擇氣開形式。對于長期工作在小開度、或者負荷變化比較大的工況時，閥門宜選用對數特性的閥門，因此工作在小開度的V1103、負荷變化較大的V1104，均采用對數特性的閥門。

從主控變量的回路可以看出，控制閥 V1103 為氣開正特性，控制對象W1103 為反作用，測量變送為正作用，所以分流閥流量控制器選為正作用。再看輔助控制變量回路，控制閥V1104 為氣開，正特性，控制對象 V1104 為正作用，分流閥流量控制器為正作用，所以燃料流量控制器選為反作用。

2.6 安全控制系統

2.6.1 防止回火的控制系統

圖3 防止回火的聯鎖控制系統

當燃料壓力過低，爐膛內壓力大于燃料壓力時，會發生回火事故。為此設置如圖3所示的防止回火的聯鎖控制系統。在燃燒嘴背壓過低時，壓力開關 PSA 帶動聯鎖裝置，把燃料控制閥的上游閥切斷，以免回火現象發生。

2.6.2 防止脫火的選擇性控制系統

當燃料壓力過高時，由于燃料流速過快，易發生脫火事故。從而，對于正常及異常情況下的工況，應選用不同的控制系統。為此，設置燃料壓力和物料溫度的選擇性控制系統。正常時，燃料控制閥根據生產負荷的大小調節；當燃料壓力過高，燃料壓力控制器取代物料溫度控制器，防止出現脫火事故。

2.6.3 爐膛滅火的應急控制方案

爐膛一旦滅火，爐膛內部溫度會快速下降，通過對爐膛的溫度檢測，很容易就可以發現問題。 一旦檢測到爐膛滅火，首先切斷燃料的輸入，減弱引風量，同時中斷物料 A對下一級工藝的供給。

2.6.4 進料中斷的應急控制方案

FT1101檢測到管線內流量突然減少時，即可判斷進料中斷，此時必須采取緊急停車的方案。方案步驟如下：

1）所有控制器停止輸出，切換到手動控制 ；

2）關閉閥門V1104，停止燃料的輸入；

3）保持空氣的鼓入；

4）待重新恢復到正常后再開車運行。

3 結束語

在分析了鍋爐控制系統中被控對象的工藝流程及控制要求的基礎上，本文提出了一套實際可行的鍋爐控制方案。方案中以單回路控制系統、變比值控制系統以及選擇控制方案為基本方案，同時設計了針對各種安全問題的應急控制方案，這樣既可以保證系統按要求穩定運行，也能保證在發生事故時減少損失。

[1]孫洪程,等.過程控制工程[M].北京:高等教育出版社.

[2]孫優賢,等.工業過程控制技術[M].北京:化學工業出版社.

[3]潘永湘,等.過程控制與自動化儀表[M].北京:機械工業出版社.