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淺析工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的研究與節(jié)能應用
前言
當前，相對于其他先進國家而言，我國工業(yè)鍋爐的自動化運作水平還比較低，只有部分確保鍋爐安全運作的基本功能，比如介質(zhì)溫度監(jiān)測保護、鍋爐水位安全監(jiān)測等功能，而在工業(yè)鍋爐燃燒工況的自動化調(diào)節(jié)方面，還不是很先進，進而導致工業(yè)鍋爐運行的效率難以提升。另外，依據(jù)有關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，工業(yè)鍋爐在能源消耗上比較大，在全國工業(yè)行業(yè)能源消耗上居于第二位。因此，加強對工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)，實現(xiàn)工業(yè)鍋爐控制的自動化、智能化以及節(jié)能化，是極為關(guān)鍵的。
1.工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的分析
在我國的有關(guān)條例當中，對鍋爐的具體解釋為：運用電能、煤炭燃料或者是其它能源，對裝滿的液體進行加熱，且達到一定的參數(shù)，并進行對外輸出熱能的一種機械設備。在規(guī)定范圍以內(nèi)的鍋爐一般有三種，分別是有機熱載體鍋爐、額定功率≥0.1MW且出口水壓≥0.1Mpa的承壓熱水鍋爐、處于最高安全水位時存水容積≥30L的承壓蒸汽鍋爐等[1]。一般情況下，工業(yè)鍋爐主要包括八個部分，分別是鍋筒、爐排、爐膛、引風機、省煤器、給水泵、鼓風機以及空氣預熱期等等。
2.工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)必須對各個參數(shù)進行檢測，其中主要包含鍋爐入口處的壓力與水溫、出口處的壓力與水溫、空氣預熱期入口處的負壓、鼓風機的風壓、爐膛的負壓以及排煙溫度等等。在這些參數(shù)當中，有部分參數(shù)必須實時進行觀察，且利用控制系統(tǒng)傳送到控制操作臺中，顯示在工作人員的眼前。
2.1工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的設計
工業(yè)鍋爐是一種極為復雜的控制系統(tǒng)，具有多輸出、多輸入、多回路以及非線性的互相關(guān)聯(lián)性，在被調(diào)節(jié)參數(shù)和調(diào)節(jié)參數(shù)彼此間，存在諸多極為復雜的交叉關(guān)聯(lián)，在對其進行調(diào)節(jié)的過程中有一定的難度。一般情況下，人們會將鍋爐系統(tǒng)控制分成若干個閉環(huán)控制系統(tǒng)，即爐膛負壓控制、汽包液位控制、給煤控制以及送風控制等等。以下筆者將都這些閉環(huán)控制系統(tǒng)加以闡述。
(1)爐膛負壓控制：爐膛負壓說明了引風量和送風量兩者之間的關(guān)系，爐膛負壓控制的主要目的就是為了確保鍋爐在運轉(zhuǎn)時，可以一直維持在微負壓的平穩(wěn)狀態(tài)之下，從而保障鍋爐運轉(zhuǎn)的安全性和可靠性。
(2)汽包液位控制：工業(yè)鍋爐進行給水自動調(diào)節(jié)，其主要的目的是確保給水量與鍋爐的蒸發(fā)量相符，且保證汽包液位始終維持在工藝允許的范疇之內(nèi)。一般情況下，汽包液位控制有三種情況，即單沖量控制(水位是唯一信號調(diào)節(jié)的單回路、單參數(shù)控制系統(tǒng))、雙沖量控制(用蒸汽流量當作補充信號的一種雙參數(shù)控制系統(tǒng))、三沖量控制(將主蒸汽流量與給水流量當作補充信號的三參數(shù)控制系統(tǒng))，對三沖量控制系統(tǒng)進行細化，還能夠分成三沖量串及調(diào)節(jié)、三沖量單級調(diào)節(jié)[2]。
(3)給煤控制：鍋爐給煤燃燒和鍋爐的形式、燃燒的設備以及燃燒的種類等方面有著極為緊密的聯(lián)系。燃燒過程的控制，必須滿足以下三大要求，即①應該確保出口蒸汽壓力的穩(wěn)定性，且可以依據(jù)負荷標準，對燃料量進行自動的增加或減少;②維持良好的燃燒狀況和供氣狀況;③確保鍋爐運行的安全性。確保爐膛中有一定負壓，倘若負壓過低，將導致爐膛中的熱煙氣朝外冒出，進而危及現(xiàn)場工作人員以及其他設備的安全;而負壓過高，將造成冷空氣進入鍋爐中，進而將加大熱量的損耗。
給煤控制的手段一般有三種，分別是爐膛負壓的控制、爐膛內(nèi)含氧量的控制以及主蒸汽壓力的控制。如下圖1所示，經(jīng)由送風量與燃料量的調(diào)節(jié)，達到控制主蒸汽壓力的目標，而經(jīng)由對燃料與空氣輸入的調(diào)節(jié)，使其構(gòu)成一定的比例，進而達到控制爐膛內(nèi)含氧量的目標，經(jīng)由對引風機引風量的調(diào)節(jié)，達到控制爐膛負壓的目的。
(4)送風控制：風煤調(diào)節(jié)，是利用負荷規(guī)則調(diào)節(jié)器達到控制目的的，即在減負荷的過程中，先減煤然后再減少風量，在增加負荷的過程中，先增加風量然后再增加煤。送風控制系統(tǒng)應當和給煤控制系統(tǒng)相結(jié)合，協(xié)調(diào)統(tǒng)一，以便使風煤比例控制在一定的范疇內(nèi)，進而使鍋爐的燃燒始終保持在最理想的狀態(tài)下。
(5)過熱蒸汽出口溫度控制：對蒸汽過熱系統(tǒng)加以調(diào)節(jié)，其主要的目的是為了確保過熱蒸汽出口溫度始終控制在正常的范圍之內(nèi)，且對過熱器進行保護，以確保過熱器的管壁溫度不會超過正常的允許范圍[3]。通過上述各個控制系統(tǒng)的設計，來達到鍋爐控制系統(tǒng)總體的控制目標，而各個子系統(tǒng)的控制器均是采取PID調(diào)節(jié)器來進行調(diào)節(jié)的。
2.2鍋爐自動保護系統(tǒng)
在工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)當中，保護系統(tǒng)是一個極為關(guān)鍵且不可忽視的部分與環(huán)節(jié)。鍋爐設備的結(jié)構(gòu)、技術(shù)特點、容量以及運行方式等，決定鍋爐保護的主要內(nèi)容，一般情況下，在鍋爐保護系統(tǒng)中會設置汽包水位的保護、連鎖保護、氣壓的保護、鍋爐滅火的保護以及緊急停爐等等。
2.3MCGS組態(tài)軟件
工作人員應當充分聯(lián)系C++Builder面向?qū)ο缶幊痰奶卣髋c鍋爐控制系統(tǒng)的設計要求，在鍋爐控制軟件當中采取MCGS組態(tài)軟件。該軟件將多種技術(shù)合為一體，例如數(shù)據(jù)庫、圖形技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)等等。MCGS組態(tài)軟件是一個建立在Windows平臺之上的，用在迅速建造與形成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件，主要的工作是收集和檢測現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)，并處理和控制前端數(shù)據(jù)。該軟件具有操作簡便、功能齊全、可視性好等優(yōu)點。將該軟件和其它有關(guān)的硬件設備有機融合，能夠有效的對應用在現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)處理的設備進行開發(fā)。只要進行簡單的模塊組態(tài)，用戶就能夠建立所需的運用系統(tǒng)。
3.鍋爐控制系統(tǒng)運用的系統(tǒng)測試和節(jié)能分析
某公司于2010年6月25日至28日對三臺20T工業(yè)鍋爐實行了控制系統(tǒng)技術(shù)改造，具體的鍋爐型號是SZL20-2.5-AⅡ。在對控制系統(tǒng)進行改革之后，于7月1日到5日對控制系統(tǒng)實行調(diào)試，6日正式試運行。在試運行的過程中，鍋爐運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，出口壓力變化幅度控制在(2.14±0.02)Mpa。在鍋爐試運行階段，鍋爐操作人員反應在對鍋爐進行改造之后，操作鍋爐更加的簡單化，勞動強度也隨之降低。
對工業(yè)鍋爐采用自動化技術(shù)之后，鍋爐運行的效率得到了明顯的提升，且節(jié)約了5%～8%的煤燃料。倘若以5%的節(jié)煤，對節(jié)能效益進行計算，依據(jù)公司滿負荷運作預估鍋爐耗煤量大約在5.7萬噸，那每年節(jié)約煤的數(shù)量為：5.7×5%=0.285萬噸。倘若每噸煤的價格為850元，那么每年節(jié)約的成本就是242.25萬元。由此可見，對工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)進行自動化、智能化改造，不但能夠有效提高鍋爐運行的效率，降低鍋爐操作人員的勞動強度，且可以減少沒燃料消耗的數(shù)量，達到節(jié)約能源的目標。
4.結(jié)束語
綜上，工業(yè)鍋爐是一種極為復雜且典型的熱工系統(tǒng)，對鍋爐控制系統(tǒng)進行有效的開發(fā)與研究，進而實現(xiàn)系統(tǒng)功能的完善，且提升鍋爐的性能，符合當前社會工業(yè)鍋爐生產(chǎn)發(fā)展的需求，擁有極為寬廣的發(fā)展前景與極高的研發(fā)價值。對工業(yè)鍋爐的控制系統(tǒng)進行研究，不但能夠在一定程度上提升鍋爐系統(tǒng)的自動化水平，實現(xiàn)節(jié)能減排，同時還能夠提升鍋爐使用的安全性與可靠性，具有極為重大且現(xiàn)實的意義。
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