基于DCS控制器的生物質(zhì)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計

王治江

（天津市星拓科技發(fā)展有限公司，天津300384）

生物質(zhì)（biomass）是指通過光合作用而形成的各種有機體，與目前常用的煤、石油、天然氣等能源相比，來源廣泛、豐富；宏觀上看，其燃燒過程可以實現(xiàn)CO2的零排放，為一種理想的綠色能源。目前針對我國具體國情，通過直接燃燒的方式利用生物質(zhì)能源是現(xiàn)行應(yīng)用最多、最為成熟的。

生物質(zhì)鍋爐因其綠色環(huán)保的特性被廣泛地應(yīng)用到很多工廠中，但仍需要對燃料量的控制、鼓風(fēng)機風(fēng)量的控制、引風(fēng)機風(fēng)量的控制等開展深入的討論和研究。對燃料量精確的控制是保證爐膛內(nèi)的主蒸汽量保持穩(wěn)定的關(guān)鍵。在生物質(zhì)燃燒過程中爐膛內(nèi)的含氧量也是決定生物質(zhì)燃燒質(zhì)量的重要因素，而鍋爐爐膛內(nèi)的含氧量主要由鼓風(fēng)機的送風(fēng)量決定。所以，使生物質(zhì)原料充分燃燒的同時又不被過大風(fēng)量帶走過多的熱量，關(guān)鍵在于對鼓風(fēng)機送風(fēng)量的控制。最后，為了讓爐膛內(nèi)的壓力保持在一個安全范圍內(nèi)，還需要對引風(fēng)機的引風(fēng)量進(jìn)行控制，防止出現(xiàn)因為爐膛內(nèi)壓力太大而出現(xiàn)噴火、噴灰等現(xiàn)象，或者因壓力過小而造成燃料燃燒不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)滅火的現(xiàn)象。為了解決上述問題，提高生物質(zhì)鍋爐在燃燒過程中的穩(wěn)定性，文中基于DCS控制器設(shè)計了對生物質(zhì)鍋爐的燃燒過程進(jìn)行控制的控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計

生物質(zhì)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計，需要對系統(tǒng)的實時流量、液位、溫度及壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，以完成對蒸汽流量的統(tǒng)計，從而完成超限保護(hù)、報警及控制設(shè)備等功能。需要在整個控制過程中對風(fēng)機、泵、電動閥等開關(guān)量，以及主蒸汽、溫度、壓力、氣泡液位、流量等模擬量進(jìn)行實時監(jiān)控。該控制系統(tǒng)測點數(shù)量統(tǒng)計見表1。

表1 測點數(shù)量Tab.1 Number of measured points

設(shè)計選用的上位機為ADLINK工控機。該工控機主機頻率為 1.3 GHz，CPU 配置是 Intel（R）Celeron，能夠滿足設(shè)計的基本需求。設(shè)計基于DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，上位機選用MCGS組態(tài)設(shè)計軟件。MCGS是具備快速構(gòu)造和生成上位監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，具有對實時數(shù)據(jù)的顯示、存儲等基本功能，還能方便查找歷史數(shù)據(jù)，且具備故障報警等功能。該系統(tǒng)采用可靠的DDE技術(shù)完成MCGS組態(tài)軟件與MatLab之間的通信，充分地利用了MCGS組態(tài)軟件界面可視化的很多功能與MatLab便捷的控制方法及穩(wěn)定的工程計算能力，以完成對生物質(zhì)鍋爐各項參數(shù)的精確控制。部分儀表的選型見表2。

表2 部分儀表的選型Tab.2 Selection of partial instrument

下位機選用的主控制器為Atmega 128，基于Atmega 128構(gòu)建的μCOS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)，具備儲存、報警、打印等功能，主要用于完成實時數(shù)據(jù)的采集工作，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳給上位機監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

根據(jù)I/O測點所需儲存容量的經(jīng)驗公式

計算存儲容量為

M0小于Atmega 128的容量，表明Atmega 128滿足控制要求。

2 控制策略

目前，生物質(zhì)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)多采用PID控制策略。整個燃燒控制系統(tǒng)由燃料量控制系統(tǒng)、送風(fēng)量控制系統(tǒng)、引風(fēng)量控制3個子系統(tǒng)構(gòu)成，主要實現(xiàn)對以下幾類變量的控制：生物質(zhì)鍋爐的蒸汽參數(shù)包括主蒸汽的溫度及壓力、爐內(nèi)壓力參數(shù)以及氣泡水位值；生物質(zhì)在爐膛停留的時間、燃料量、送風(fēng)量、引風(fēng)量，煙氣含氧量等參數(shù)的精確控制。此外，控制系統(tǒng)還要實現(xiàn)生產(chǎn)過程的順序控制、連鎖保護(hù)和報警功能。

LabVIEW因其強大的圖形語言開發(fā)環(huán)境被工業(yè)開發(fā)和試驗調(diào)試中廣泛使用，其中自帶的PID控制工具包，命令行調(diào)用Simulink模型搭建控制回路，實現(xiàn)PID控制，串級控制，最終完成系統(tǒng)需要達(dá)到完成的程序控制。

2.1 燃料量的控制子系統(tǒng)

燃料量的供給狀況是影響鍋爐蒸汽壓力的重要因素，而保持蒸汽的供需平衡是鍋爐安全、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。經(jīng)過燃燒的一系列過程，燃料熱值的變化和燃料流量的變化會帶來主蒸汽壓力值的改變，在燃燒的每個環(huán)節(jié)都存在遲滯，經(jīng)過燃燒的整個過程后控制回路的滯后明顯加大。針對這種總滯后大、環(huán)節(jié)復(fù)雜的生產(chǎn)過程，要達(dá)到高質(zhì)量的控制目的，串級控制系統(tǒng)是最佳方案。

根據(jù)鍋爐的燃燒特點和串聯(lián)控制的工作原理，燃料控制的方案采用主蒸汽壓力串聯(lián)控制，其中將主被控變量設(shè)定為爐膛內(nèi)的主蒸汽壓力，副被控變量設(shè)定為鍋爐爐膛溫度。該部分控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程分為以下2種情況：

第1種情況當(dāng)燃料的喂料器送到爐膛內(nèi)的燃料流量發(fā)生變化的時候，短時間內(nèi)主蒸汽壓力不會改變，此時主控制器的輸出不變，然而副控制器因為燃料的變化，爐膛內(nèi)的溫度發(fā)生變化，此時副控制器需要調(diào)整燃料喂料器的供給情況，來保持爐膛內(nèi)溫度值的穩(wěn)定情況。當(dāng)燃料的熱值發(fā)生變化，主蒸汽壓力短時間內(nèi)保持穩(wěn)定時，也會出現(xiàn)爐膛內(nèi)溫度變化的現(xiàn)象，主控制器根據(jù)反饋值調(diào)節(jié)輸出，燃料的喂料器受到主控制器和副控制器的同時作用，可以提高控制的效果。

第2種情況生物質(zhì)鍋爐的主蒸汽壓力變化的同時，爐膛的溫度也在發(fā)生變化，此外鍋爐中還存在其他多種擾動。主控制器通過主環(huán)調(diào)節(jié)爐膛溫度控制器的設(shè)定值，調(diào)整燃料的供應(yīng)量，使主蒸汽壓力的參數(shù)值保持穩(wěn)定狀態(tài)；爐膛溫度控制器除了接受主控制的信號，還要隨著爐膛溫度的實際值（通過測量得到）而隨之變化，使得主蒸汽壓力值保持在系統(tǒng)的設(shè)定值。為了讓整個系統(tǒng)運行的更加安全可靠，需要在系統(tǒng)中加入報警及聯(lián)鎖保護(hù)功能。

2.2 煙氣含氧量控制子系統(tǒng)

鼓風(fēng)機的送風(fēng)量決定了燃料在燃燒過程中是否燃燒充分。因生物質(zhì)燃料中含有大量的N，C元素，如果鼓風(fēng)機送風(fēng)量不足，燃料燃燒不充分，會造成資源浪費；如果鼓風(fēng)機的送風(fēng)量過大，空氣會帶走大量的熱量，不但造成資源的浪費還會因為生成氮氧化合物帶來環(huán)境污染，這就違背了生物質(zhì)鍋爐研制時經(jīng)濟、環(huán)保的初衷。通過控制鼓風(fēng)機的送風(fēng)量控制爐膛內(nèi)的含氧量，讓鍋爐內(nèi)的燃料達(dá)到最佳空燃比是此環(huán)節(jié)控制的最終目的。

本環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)仍然采用串級控制，將主控變量設(shè)定為鼓風(fēng)機的送風(fēng)量，副控變量是煙氣中的含氧量。煙氣含氧量調(diào)整回路和鼓風(fēng)機送風(fēng)總量調(diào)整回路構(gòu)成的串級控制系統(tǒng)（帶氧量矯正的串級串級控制系統(tǒng)）。當(dāng)風(fēng)量的實際值偏離設(shè)定值時，實際的含氧值經(jīng)過比較器和設(shè)定的含氧量經(jīng)過比較修正，達(dá)到最佳含氧量的設(shè)定值，再根據(jù)具體的偏差量調(diào)整含氧量，校正總風(fēng)量，最后確定總風(fēng)量的設(shè)定值，通過調(diào)節(jié)送風(fēng)機的轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)閥來控制總風(fēng)量。煙氣含氧量控制子系統(tǒng)的串級調(diào)節(jié)如圖2所示。

圖2 送風(fēng)量串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)Fig.2 Cascade control system for air supply

2.3 引風(fēng)量的控制子系統(tǒng)

爐膛內(nèi)的壓力值是影響爐膛安全運行的重要因素，通過調(diào)節(jié)引風(fēng)機的引風(fēng)量，將爐膛內(nèi)的壓力維持在安全范圍內(nèi)是該控制子系統(tǒng)要實現(xiàn)的控制目標(biāo)。爐膛內(nèi)的壓力值直接受引風(fēng)機引風(fēng)量大小的影響，并且具有響應(yīng)快、慣性小的特點，因此將兩者做比例特性處理。對引風(fēng)量的控制可以通過單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，該子系統(tǒng)的串級調(diào)節(jié)如圖3所示。

圖3 引風(fēng)量串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)Fig.3 Cascade regulation system for lead air

3 系統(tǒng)的應(yīng)用

所采用的燃燒控制方案在某糖廠的生物質(zhì)鍋爐中，響應(yīng)時間達(dá)到60 s，蒸汽壓力最大超調(diào)量為0.4%。在燃燒過程中，空氣流量、燃料量、主蒸汽壓力等相關(guān)的主要參數(shù)曲線如圖4所示。

4 結(jié)語

根據(jù)糖廠生物質(zhì)鍋爐的控制特點和性能要求，設(shè)計了基于DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)，采用基于串級控制技術(shù)控制主蒸汽壓力以及煙氣含氧量，基于反饋控制技術(shù)控制爐膛壓力的控制方案。實踐證明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對生物質(zhì)鍋爐燃燒過程的自動控制，使得鍋爐在燃燒過程中的重要參數(shù)達(dá)到相應(yīng)的指標(biāo)要求，有效地改善了系統(tǒng)燃燒效果不理想、魯棒性能差等問題，能夠讓系統(tǒng)實現(xiàn)安全運行、穩(wěn)定運行，具有一定的環(huán)保意義和很好的應(yīng)用價值。

圖4 燃燒過程的主要參數(shù)曲線Fig.4 Main parameter curves of combustion process

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