工业锅炉的自动化控制方案.docx
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工业锅炉的自动化控制方案
工业锅炉的自动化控制方案
一、概述
锅炉微机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。
提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。
二、工业锅炉采用微机控制和原有的仪表控制方式相比具有以下明显优势
1．直观而集中的显示锅炉各运行参数。
能快速计算出机组在正常运行和启停过程中的有用数据，能在显示器上同时显示锅炉运行的水位、压力、炉膛负压、烟气含量、测点温度、燃煤量等数十个运行参量的瞬时值、累计值和给定值，并能按需要在锅炉的结构示意画面的相应位置上显示出参数值。
给人直观形象，减少观察的疲劳和失误；
2．可以按需要随时打印或定时打印，能对运行状况进行准确地记录，便于事故追查和分析，防止事故的瞒报漏报现象；
3．在运行中可以随时方便的修改各种运行参数的控制值，并修改系统的控制参数；
4．减少了显示仪表，还可利用软件来代替许多复杂的仪表单元，（例如加法器、微分器、滤波器、限幅报警器等），从而减少了投资也减少了故障率；
5．提高锅炉的热效率。
从已在运行的锅炉来看，采用计算机控制后热效率可比以前提高5-10%，据用户统计，一台20T的锅炉，全年平均负荷70%，以平均热效率提高5%计，全年节煤800吨，按每吨煤380元计算每年节约304000元；
6．锅炉系统中包含鼓风机，引风机，给水泵，等大功率电动机，由于锅炉本身特性和选型的因素，这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的，原有方式采用阀门和挡板控制流量，浪费非常严重。
通过对风机水泵进行变频控制可以平均节电达到30%-40%；
7．锅炉是一个多输入多数出、非线性动态对象，诸多调解量和被调量间存在着耦合通道。
例如当锅炉的负荷变化时，所有的被调量都会发生变化。
故而理想控制应该采用多变量解偶控制方案。
而建立解偶模型和算法通过计算机实现比较方便；
8．锅炉微机控制系统经扩展后可构成分级控制系统，可与工厂内其他节点构成工业以太网。
这是企业现代化管理不可缺少的；
9．作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。
在采用计算机控制的锅炉控制系统中，有十分周到的安全机制，可以设置多点声光报警，和自动连锁停炉。
杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。
综合以上所述种种优点可以预见采用计算机控制锅炉系统是行业的大势所趋。
下面我们来共同探讨锅炉控制系统的原理和结构。
三、锅炉微机控制系统的组成
锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、PLC、上位机、手自动切换操作、执行机构和阀、电机等部分组成，一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机。
控制系统包括手动和自动操作部分，手动控制时由操作人员手动控制，用操作器控制变频器、滑差电机和阀等，自动控制时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。
微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表和报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，以免锅炉发生重大事故。
四、微机控制系统的组成
微机控制系统由工控机、显示器、打印机、PLC、手操器、报警装置等组成，能完成对给水、给煤、鼓风、引风等进行自动控制，使锅炉的汽包水位、蒸汽压力保持在规定的数值上，以保证锅炉的安全运行，平稳操作，达到降低煤耗、提高供送汽质量的目的，同时对运行参数如压力、温度等有流程动态模拟图画面并配有数字说明，还可对汽包水位、压力、炉温等进行越限报警，发出声光信号，还可定时打印出十几种运行参数的数据。
以形成生产日志和班、日产耗统计报表，有定时打印、随机打印、自定义时间段打印等几种方式。
五、锅炉控制系统的工艺流程和工作原理
1、锅炉控制系统硬件组成图
2、锅炉的工作原理
首先除氧水通过给水泵进入给水调节阀，通过给水调节阀进入省煤器，冷水在经过省煤器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成温水进入汽包，在汽包内加热至沸腾产生蒸汽，为了保证有最大的蒸发面因此水位要保持在锅炉上汽包的中线位置，蒸汽通过主蒸汽阀输出。
空气经过鼓风机进入空气预热器，在经过空气预热器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成热空气进入炉膛。
煤经过煤斗落在炉排上，在炉排的缓慢转动下煤进入炉膛被前面的火点燃，在燃烧过程中发出热量加热汽包中的水，同时产生热烟气。
在引风机的抽吸作用下经过省煤器和空气预热器，把预热传导给进入锅炉的水和空气。
通过这种方式锅炉的热能得到节约。
降温后的烟气经过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。
六、锅炉控制系统各个控制回路介绍
锅炉控制系统，一般有蒸汽压力、汽包液位、炉膛负压、除氧器水位、除氧器压力等控制系统。
锅炉的燃烧控制实质上是能量平衡系统，它以蒸汽压力作为能量平衡指标，不断根据用汽量与压力的变化调整燃料量与送风量，同时保证燃料的充分燃烧和热量的充分利用。
6.1锅炉给水控制回路
给水自动调节的任务是使给水流量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在允许的范围内。
给水自动调节的另一个任务是保持给水稳定。
在整个控制回路中要全面考虑这两方面的任务。
在控制回路中被调参数是汽包水位（H），调节机构是给水调解阀，调节量是给水流量（W）。
对汽包水位调节系统产生扰动的因素有蒸发量D、炉膛热负荷（燃料量M），给水量（W）。
①蒸发量D扰动作用下水位对象的动态特性
当给水流量不变，蒸发量忽然增加△D时，如果只从物质不平衡角度来看，则反映曲线如图2（a）中的H1（t）所示，但由于蒸发量增加时，汽包容积增加，水位将上升，水位的反映曲线如图2（a）中的H2（t）所示。
H1（t）和H2（t）相结合，实际的水位阶跃反应曲线如图2（a）中的H（t）所示。
②炉膛负荷扰动（燃料量M扰动）时水位对象的动态特性
燃料量增加△M时，蒸发量大于给水量，水位下降。
但开始是由于有虚假水位存在，水位线上升，然后再下降。
如图2（b）中所示。
③给水流量（W）扰动时的水位对象的动态特性
当蒸发量不变，而给水量阶跃扰动时。
汽包水位如图2（c）所示。
在开始阶段。
由于刚进入得水水温较低。
使汽水混合物中的汽泡吞量减少。
水位下降，如图2（c）中的H1（t）所示。
而H2（t）反映了物质不平衡引起的水位变化，H1（t）和H2（t）相加得到了总的给水量扰动的阶跃反应曲线H（t）。
由于给水调节对象没有自平衡能力，又存在滞后。
因此在一般锅炉控制系统中汽包液位回路采用闭环三冲量调节系统。
所谓三冲量调节系统就是把给水流量W，汽包水位H，蒸汽流量D三个变量通过运算后调节给水阀的调节系统。
具体调节过程方框图如图3所示。
先通过蒸汽流量变送器和给水流量变送器取得各自的信号乘以相应的比例系数，通过比例系数可以调节蒸汽流量或给水流量对调节系统的影响力度。
通过差压变送器取得水位信号作为主调节信号H。
如果水位设定值为G，那么在平衡条件下应有D*Dk-W*Wk+H-G=0的关系式存在。
其中Dk为蒸汽流量系数Wk为给水流量系数。
如果再设定时，保证在稳态下D*Dk=W*Wk那么就可以得到H=G。
此时调节器的输出就与符合对应，给水阀停在某一位置上。
若有一个或多个信号发生变化，平衡状态被破坏，PI调节模块的输出必将发生变化。
当水位升高了，则调节模块的输出信号就减小，使得给水调节阀关小。
反之，当水位降低时，调节模块的输出值增大，使给水阀开大。
实践证明三冲量给水单极自动调节系统能保持水位稳定，且给水调节阀动作平稳。
锅炉给水系统中还有一个比较重要的控制回路是给水压力回路，因为汽包内压力较高，要给锅炉补水必须提供更高的压力，给水压力回路的作用是提高水压，使水能够正常注入汽包。
但在蒸汽流量未达到满负荷时，对给水流量的要求也不高。
在老式的锅炉系统中一般采用给水泵一直以工频方式运转，用回流阀降低水压防止爆管，现在一般采用通过变频器恒压供水的方式控制水压，具体实现方式是：
系统下达指令由变频器自动启动第一台泵运行，系统检测给水管的水压，当变频器频率上升到工频时，如水压未达到设定的压力值，系统自动将第一台电机切换至工频直供电，并由变频器拖动第二台水泵运行，如变频器运行到工频状态时供水母管压力仍未达到设定压力值系统自动将第二台水泵切换至工频直供电，再由变频器拖动第三台运行，依次类推，直至压力达到设定值。
若锅炉需要的给水量减少，变频控制系统可自动降低变频器的运行频率，如变频器的频率到零仍不能满足要求，则变频器自动切换至前一台水泵进行变频运行，依次类推。
变频恒压供水控制系统的实质是：
始终利用一台变频器自动调整水泵的转速，切换时间以管网的实际压力和设定压力的差值决定，同时保证管网的压力动态恒定。
值得注意的是为了防止变频器报警停机或其他故障造成水泵不转会引起锅炉缺水，所以应该加反馈装置确保变频器正常工作。
除此之外锅炉的供水系统中还包括除氧器压力控制和除氧器水位控制，除氧器压力控制主要是为了保证除氧器口有足够的蒸汽压力用于将软化水除氧，这是一个单闭环控制回路，输入参数是除氧器压力输出参数控制除氧器进汽阀。
除氧器水位控制主要是为了保证除氧器内有足够的水提供给锅炉，这是一个单闭环控制回路输入参数，是除氧器水位输出参数控制除氧器进水阀。
6.2锅炉燃烧调节系统
燃烧过程自动调节系统的选择虽然与燃烧的种类和供给系统、燃烧方式以和锅炉与负荷的联结方式都有关系，但是燃烧过程自动调节的任务都是一样的。
归纳起来，燃烧过程自动调节系统有三大任务：
①维持汽压恒定。
汽压的变化表示锅炉蒸汽量和负荷的耗汽量不相适应，必须相应地改变燃料量，以改变锅炉的蒸汽量。
②保证燃烧过程的经济性。
当燃料量改变时，必须相应地调节送风量，使它与燃料量相配合，保证燃烧过程有较高的经济性。
③调节引风量与送风量相配合，以保证炉膛压力不变。
燃烧调节系统一般有三个被调参数，汽压p、烟气含氧量a和炉膛负压pt。
一般有3个调节量，他们是燃料量M，送风量F和引风量Y。
燃烧调节系统的调节对象对于燃料量，根据燃料种类的不同可能是炉排电机，也可能是燃料阀。
对于送风量和引风量一般是挡板执行机构或变频器。
燃烧调节系统是一个多参数变量调节系统。
这种调节系统通常把它简化成互相联系，密切配合但又相对独立的3个单变量系统来实现。
为便于分析，下面我们按3个系统来分别分析。
这三个系统分别是以燃料量维持锅炉压力恒定的蒸汽压力调节系统，以送风量维持锅炉经济燃烧的送风调节系统，以引风量维持炉膛负压稳定的炉膛负压调节系统。
6.2.1蒸汽压力调节对象的特性
引起蒸汽压力变化的主要原因是燃料量和用汽负荷发生变化。
其动态特性如下。
①燃料量扰动下的汽压变化特性
在用汽负荷不变的情况下，如锅炉燃料量（B）发生△B的阶跃扰动，此时汽压的飞升曲线如图4（a）所示。
此时对象没有自平衡能力，具有较大的迟滞和惯性。
但如果锅炉出口的用汽阀门开度不变，那么由于汽压因燃料量扰动而发生变化时，蒸汽流量也将发生变化。
由于汽压变化时，蒸汽流量增大自发地限制了汽压的变化，因此对象有平衡能力。
此时汽压的飞升曲线如图4（b）所示。
②用汽负荷扰动下的汽压变化特性
负荷阶跃扰动下，汽压变化的动态特性也有下列两种情况：
当用汽阀门阶跃扰动时，对象表现出具有自平衡能力，没有延迟，但有较大的惯性，并有一个与阀门变化成比例的启始飞跃，飞升曲线如图4（c）所示；当用汽量阶跃扰动时，其飞升曲线如图4（d）所示，此时对象没有自平衡能力，如果不和时增加进入锅炉的燃料量，那么，汽压将一直下降。
6.2.2送风自动调节对象的特性
送风调节系统的工作好坏，直接影响炉膛的空气过剩系数的变化也就是排出烟气的含氧量。
引起空气过剩系数变化的主要扰动是燃料量和送风量配比。
风量扰动下对象的动态特性具有较大的自平衡能力，几乎没有延迟和惯性，近似为一比例环节。
而燃料量扰动时，需经过输送和燃烧过程而略有延迟。
由于送风系统几乎没有延迟和惯性。
所以在燃料充足的情况下送风量的大小将比较直接的反应在锅炉的蒸汽压力上。
那么怎样才能保证股风量和燃料量的搭配适宜，这里我们引入了风煤比这个概念。
风煤比就是在当前风量下所能燃烧的煤的最大值。
在控制作用中风煤比主要是根据当前风量来限制炉排的转速，防止由于风量不够导致煤不能充分燃烧。
该参数对节煤和环保都有很大意义。
因为如果不能充分燃烧将会导致煤渣的含炭量增高，这样比较浪费煤，同时还会造成烟气含炭量增高影响排放。
6.2.3炉膛负压自动调节对象的特性
炉膛负压自动调节对象的动态特性较好，但扰动通道的飞升时间很短，飞升速度很快。
根据以上对燃烧系统调节对象的分析，下面我们针对燃烧自动控制系统三个任务对控制采用的方案进行分析。
燃烧过程控制系统一般采用的控制流程图如图5（a）所示，先通过蒸汽压力变送器经滤波后取得信号，与设定蒸汽压力进行比较，判断出鼓风PI调节器调节的方向和大小，通过鼓风PI调节单元计算出鼓风变频器的输出大小。
同时把该信号输出给风煤比计算单元，相应的算出在当时的风量下炉排的最大输出值。
再把蒸汽压力的差值信号送给炉排PI调节器，通过炉排PI调节单元计算出炉排变频器的输出大小。
经过风煤比限位，输出给炉排变频器。
在实际调试过程中我们往往把鼓风PI调节中的比例系数设的比炉排PI单元的大，这样可以很好的保证鼓风系统对蒸汽压力的敏感度要高于炉排。
实践证明通过该方法控制下锅炉的蒸汽压力稳定性好，在蒸汽负荷变化时相应程度高。
灰渣含碳量低。
炉膛负压的大小对于节能影响很大。
负压大，被烟气带走的热量大，热损失增加，煤耗量增大，理想运行状态应在微负压状态。
它能明显增加悬浮煤颗粒在炉膛内的滞留时间，增加沉降，减少飞灰，使煤充分燃烧提高热效率。
但由于负荷变化，需要改变给煤量和送风量，随之也要改变引风量，以保证炉膛负压的稳定，但由于系统有一定的滞后时间，为避免鼓风变化而引起炉膛负压的波动，系统中引入鼓风信号作为前馈信号对引风机进行超前调节。
炉膛负压控制系统一般采用的控制流程图如图5（b）所示，调节原理比较简单属于单闭环调节系统，它的输入量是炉膛负压输出量是引风变频器，同时引入鼓风量作为前馈信号。
另外系统各回路中都设置了手自动两种操作方式，为了实现无扰动切换，系统引入了各控制对象的反馈值，在手动操作时PLC输出会自动跟踪控制对象的反馈，当切换到自动状态时可以进行无扰动切换，使系统平稳的过渡到自动状态。
七、风机泵类负荷变频调速节能原理
风机是将电动机的轴功率转变为流体的设备。
过去很少采用转速控制的方法，多是由鼠笼式异步电机拖动进行恒速运转，当需要改变流量时，调节节流阀和挡板，这种方法虽然控制简单，但节能较差，不经济，动态跟踪性能也很差。
变频调速节能是相对于阀门调节而言，采用变频调速器后，将阀门全开，通过改变电机电源频率的方法来改变电机转速。
由流体力学可知，流量Q与转速n的一次方成正比，风压H与转速n的平方成正比，功率P与转速n的立方成正比，即：
Q=Qe×（n/ne）, H=He×（n/ne）2, P=Pe×（n/ne）3
式中，Qe为风机的额定流量，He为风机的额定压力，Pe为风机的额定功率，ne为风机的额定转速。
由上面的公式可知，调节风机流量时，可通过转速进行调节，此时风机轴输出功率与转速的立方成正比。
根据风机系统特性曲线（如图1）加以分析。
假定风机最佳效率工作点是A点，当需减少风机的供风量时，采用传统的风门调节方式，增加系统阻力来满足要求，使风机工作点由A点转移到B点。
这种方法不但不能节能，反而会加快风机的效率损耗，同时低效运行会引起较高的空气和结构振动，产生噪声和有损设备。
采用变频调速技术后，通过变频调速，降低异步电机的转速，使系统重新达到平衡，工作点由A点转移到C点。
从C点可看出，电机转速虽然降低了，但对风机效率影响不大。
根据上述原理，当风机流量在较大范围内发生变化时，采用变频调速对风机转速加以控制，将会取得非常显著的节能效果。
风机流量、转速、轴功率和电源频率关系如表1所示。
八、锅炉送风引风给水泵变频控制系统
1、 送风调节系统送风调节的根本任务在于保证锅炉燃烧的经济性，要使锅炉燃烧热效率最高，使锅炉运行在最佳工作状态下，即送风量与给煤量的比例最佳。
送风调节由送风机变频调节来完成，采用以燃烧经济性能指标为被调量的单回路结构。
为了使送风量迅速跟上给煤量的变化，送风机变频调节中引入给煤量的变化量作为前馈信号，通过前馈补偿系数来确保送风量快速跟上给煤量的变化。
炉负荷扰动停止时，同样从给煤变频调节引入给煤量的变化量作为前馈信号送至送风变频控制器，实验证明这时前馈补偿系数近似为常值。
燃烧的经济性指标是烟气中最佳含氧量O2％，最佳含氧量O2％同样也是负荷的函数，函数关系通过锅炉热效率试验确定。
送风机控制原理:
采集炉膛温度或烟气含氧量信号，通过变送器反馈至变频器，通过变频器内置的PID参数调整，调节鼓风机转速。
执行元件为鼓风机，控制参数为炉膛温度。
控制回路是根据实际的炉膛温度数值进行调节的，其目的是保持合适的炉膛温度。
当炉膛温度发生变化时，装置通过变送器将测出的炉膛温度信号转换成电信号，经过PID控制算法计算后输出给变频器。
变频器再通过输出不同的电压和频率来控制鼓风机的转速，从而改变鼓风机的风量。
鼓风机变频闭环控制原理框图如图所示，采用温度变送器、变频器、鼓风机组成的温度闭环回路自动控制鼓风机的转速。
2、 引风调节系统引风调节系统的任务是保证炉膛负压维持在一定的范围内，炉膛负压过大会降低炉膛温度，耗费燃煤，严重时会造成炉膛灭火等事件;负压过小则危和人员和设备的安全。
由于引风调节对象的动态响应快，易于测量，所以引风调节系统主要以炉膛负压作为一个被调量。
实际控制中，保持引风量与送风量的比例关系，引入送风量的大小的标志—送风机转速的变化作为前馈信号。
这样当锅炉负荷发生变化时，给煤量改变导致送风量相应变化，引风环节随着前两个环节的改变而先行改变引风量，既抑制了强干扰的影响，又保证炉膛负压维持在一定的范围内变化。
采集炉膛负压信号，通过变送器反馈至变频器，通过变频器内置的PID参数调整，调节引风机转速。
锅炉引风机闭环控制原理框图如图所示，采用微差变送器、变频器、引风机组成的压力闭环回路自动控制引风机的转速,使炉膛保持稳定的微负压。
3、给水泵调节系统
给水泵变频改造闭环控制原理框图如图所示，采用压力变送器、变频器、给水泵组成的压力闭环回路自动控制给水泵的转速，使汽包水位保持稳定值。
九、锅炉控制系统组成结构
上面我们针对锅炉控制系统的各控制回路系统和变频控制系统做了简要分析，依据以上分析，我们知道构建一个可靠的、智能随动的智能控制系统是保证锅炉安全生产的基础。
锅炉控制系统是典型的多变量、纯滞后、强耦合的控制系统，如果不能在控制策略和软件实现上很好地解决多变量解偶关系和滞后响应问题，那么，实施智能锅炉控制系统改造后同样也将无法实现预期的目标。
在控制系统设计上我们采用集中控制分散驱动（P—T方案）的集散控制思想，把控制系统分为三层：
a）信息管理层：
完成系统关键技术数据的设定、实时数据和运行状态的监视与控制、历史数据的查看、数据报表的记录与打印、报警与故障的提示处理等功能；主要由上位工控机（IPC）、组态开发软件、应用程序、通讯模块等组成；
b）控制层：
主要完成各种控制动作命令、实时数据的采样与处理、连锁动作的关联表达、控制算法的实现、异常现象的自动处理等功能；主要由可编程逻辑控制器（PLC）的开关量模块、模拟量模块、智能PID调节仪、变频器、PLC应用程序等组成；
c）设备层：
主要接受来自PLC的控制命令，执行相应的动作或提供相应的检测数据。
主要由断路器、交流接触器、压力变送器、温度变送器、流量变送器、电动开关阀、模拟信号隔离分配器等组成。
十一、结束语
综上所述，锅炉控制系统改造具有很好的市场发展空间和投资收益前景，值得广泛地推广。
它不仅能够通过自动化控制技术实现安全生产的目的，还能够节煤节电并能使排放更环保，总之锅炉的计算机自动化控制是锅炉行业发展的大势所趋，也是一项利国利民的发展方向。
十二、设备名细和报价
序号
设备名称
厂家
型号
数量
单价
总价
备注
一、锅炉控制室
1
控制柜
2
PLC
3
显示器
4
主机
5
组态软件
6
通讯线
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
A
二、
B
三、其他设备
C
编程费用
D
安装调试费用
E
运费
F
税费
F=（A+B+C+D+E+F）×6%
总计
人民币大写：
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