煤粉工業鍋爐熄火保護控制系統研究

白一飛

摘 要

給出了一種高效煤粉鍋爐熄火保護控制策略，集中討論了熄火狀態的檢測方法。綜合考慮鍋爐運行時的多重條件，根據參量相關性分子模塊建立熄火狀態判斷算法，按模塊優先級順序執行檢測及計算流程?；谖鏖T子PLC搭建了硬件控制系統，提高了熄火狀態檢測的魯棒性。

【關鍵詞】自動化生產線 安裝 調試

煤粉工業鍋爐的出現基本解決了我國鏈條鍋爐效率低下，污染嚴重等問題，是燃煤工業鍋爐技術領域的極大拓展。近年來，煤粉工業鍋爐的應用日趨廣泛，已成為各種工業企業動力設備中重要組成部分。

煤粉工業鍋爐工況復雜，影響燃燒的因素眾多。正常條件下，煤粉通過一次風送入爐內，煤粉經過預燃室、爐膛、爐尾充分燃燒。然而由于煤質原因，煤粉的燃燒狀態會出現波動，劇烈時會造成鍋爐熄火；同時，司爐人員誤操作、配風量不合適以及供料器堵料也會造成鍋爐突然熄火，很容易發生爆燃甚至爆炸，對鍋爐造成損害。因此，對鍋爐熄火監測、熄火聯鎖保護控制策略的研究，具有很強的實際意義。

1 研究現狀

在國外，煤粉工業鍋爐的控制已實現了全程自動化控制，在控制上采用了現代控制理論的多種方法，鍋爐運行平穩。在熄火保護方面，也做到了全程監控，突發熄火以后能夠自動切斷供料。

在國內，煤粉工業鍋爐作為一種運用新型燃燒技術的鍋爐，大部分鍋爐的熄火控制保護措施都停留初始階段，并沒有針對煤粉工業鍋爐鍋爐的完善的熄火聯鎖保護措施。

2 熄火狀態相關參數

鍋爐運行時，與火焰狀態相關的因素眾多，為了檢測熄火狀態，控制系統所需監測的指標分為直接和間接兩部分。

2.1 直接指標

本部分為熄火監測的主要指標，包括火檢信號、爐膛溫度、爐尾負壓和煙氣氧含量。當火焰熄滅時，火焰強度降低，燃燒中斷使得爐膛溫度遠低于正常運行值；同時，熄火后鼓、引風機正常運行，大量空氣不經過燃燒進入爐內，致煙氣氧含量上升；煤粉燃燒為氣壓增大的化學反應，熄火后短時間內爐膛氣壓迅速降低，負壓絕對值增大。

2.2 間接指標

間接指標主要包括蒸汽壓力和汽包液位，在熄火后一段時間后才發生變化。熄火后燃燒中斷使得鍋爐熱交換率降低，爐水汽化量減小，進而造成蒸汽壓力和汽包液位同時降低。

3 熄火檢測與控制流程

鍋爐運行狀況復雜，供料不穩定、配風不合適都使得燃燒時各參數都會出現波動，若使用單一指標進行熄火狀態判斷則難以保證魯棒性，熄火聯鎖保護控制策略應保能證迅速檢測出熄火狀態，同時正常運行又不出現誤保護動作。在鍋爐運行時，不同指標的波動范圍和變化率差異較大，因此本文將控制策略分為幾個部分，將耦合性高的參數置于獨立的子模塊內，這些模塊按優先級進行判斷。

3.1 負壓與氧含量監測模塊

熄火后燃燒停止，爐尾負壓迅速降低，而后煙氣氧含量升高，設傳感器回傳值分別為 P、O，正常燃燒時標準值設為 Ps、Os。參考經典控制理論中的比例-積分-微分控制算法，將變量與標準值間的差值和變化率同時加入控制策略，本文設定模塊熄火因數τ1，按式（1）計算：

（1）

其中、、 和 分別為負壓比例系數、負壓微分系數、氧含量比例系數以及氧含量微分系數。Δ為控制因子，僅在誤差值大于零時為1，設該模塊閾值為K1，當 時τ >1，該模塊輸出為真。

3.2 火焰檢測與爐膛溫度模塊

設火焰檢測器回傳值為F（百分比），爐膛溫度傳感器回傳值為T，火焰檢測器通過紅外線測量火焰強度，因此受溫度的影響較大，分別設正常燃燒時火檢和爐溫最低允許值為 Fs、Ts，考慮主要影響參數：溫度的誤差值與變化率、火檢誤差值，同樣設置該模塊的比例微分相關因數、熄火因數τ2、比例閾值K2，計算如式（2）：

（2）

3.3 蒸汽壓力與汽包液位模塊

該部分參數作為間接指標，變化速度相對較慢，作為前兩個模塊的補充，僅采用誤差的比例控制方式，如（3），其中M、MS 、H、 HS 分別為傳感器回傳蒸汽壓力、正常運行時蒸汽壓力、傳感器回傳汽包液位、正常運行時液位， 、為相應比例因子，τ3、K3為該模塊熄火因數和比例閾值。

（3）

4 控制系統流程

整個控制系統流程框圖如圖1所示。按優先級依次檢測各模塊狀態，計算各部分熄火因子，在前一部分因子τ >1的情況下繼續執行后一模塊，否則繼續循環；當所有模塊均滿足熄火因子大于1的條件時確定熄火狀態，而后切斷供料器和一次風機，并復位各模塊相關數值。

5 總結

鍋爐熄火聯鎖保護對于安全生產及延長鍋爐壽命具有重要作用，本文闡述了一種煤粉工業鍋爐的熄火保護控制策略，綜合鍋爐熄火相關的眾多指標，根據參數相關性分幾個子模塊分別建立了熄火因子計算方法，按照優先級依序執行各模塊以實現熄火狀態監測，并基于PLC設計了控制策略。本文的方法能夠提高采用單參數監測方法的魯棒性，保證及時檢測熄火狀態并實施連鎖操作的同時，減少正常運行時的誤動作。

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作者單位

1.煤炭科學研究總院 節能工程技術研究分院 北京100013

2.煤炭資源開采與環境保護國家重點實驗室 北京100013

3.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室 北京100013endprint