论文部分内容阅读
摘 要：简述了15t/燃气蒸汽锅炉控制的主要需求，提出了控制系统的技术方案，介绍了控制系统的设计思路、工作原理、控制流程、燃烧控制及安全保护，该系统可使锅炉安全稳定运行。
关键词：燃气;控制系统;沖量;安全控制
前言
锅炉是在高温高压下工作的，安全运行是锅炉运行的首要要求。锅炉实现自动化可以提高锅炉运行的安全性。自动检测仪表能把锅炉的运行状况随时提供给运行人员和自动调节装置。自动调节装置可以及时对锅炉运行工况进行调节，使锅炉在最佳工况下运行。程序装置控制能避免误操作。自动保护装置对异常情况能及时报警并采取必要的安全措施。
采用程序控制和计算机控制，使锅炉的启停实现了自动化，这样就大大地缩短了启停时间，因而减少了各种热损失及工质损失。锅炉实现生产过程自动化，可使运行人员从繁重的体力劳动和紧张的精神负担中解脱出来。
一、设计思路
本设计是15t/h燃气蒸汽锅炉自动控制系统，锅炉控制系统的主要控制范围包括：
①锅炉本体控制系统：锅炉供水控制、烟气系统控制、各种压力/温度/流量显示及计量、双色水位计监视显示、锅炉安全保护等;
②锅炉燃烧器控制系统：燃烧调节控制、燃烧器安全保护等;
设计总体思路为：实现对燃气蒸汽锅炉的锅炉本体控制系统、锅炉供水系统、燃烧控制系统、风门控制系统的自动监控和管理功能;同时，锅炉控制系统还完成锅炉的自动运行与安全检测功能。在此基础上，通过以太网TCP/IP协议实现锅炉微机控制系统与锅炉PLC控制系统的数据交换。锅炉微机控制系统计算机完成对锅炉PLC控制系统的数据通讯与处理，并负责完成所有锅炉系统重要运行参数的历史记录、存储、和生产报表打印。具有可靠性高、便于扩展，技术先进等优点。
二、燃烧控制蒸汽压力
燃烧控制蒸汽压力原理图：
燃烧控制蒸汽压力是以锅炉出口蒸汽压力为主调信号，蒸汽流量为辅调信号来控制燃烧器燃烧，从而提高锅炉对于输出负荷的反应速度和控制的稳定性;并在运行过程中引入烟道含氧量信号反馈来实现燃烧器风量的微调，使燃烧器运行效率一直保持在高水平，也使锅炉运行的更加环保。
控制流程：
当蒸汽压力低于压力下限时（或压力还没到下限，蒸汽流量开始大的变化时），PLC控制燃烧器点火。在燃烧器吹扫过程中，鼓风机变频器不进行微调功能，而是在一个设定的值上（40-45Hz）运行。当主火焰检测反馈正常后，再通过延时启动鼓风变频的微调功能。
燃烧器所需燃气量和风量是由燃烧机程控器控制燃烧机上的机械调节机构主调。在机械机构对需气量和需风量配比出现变化或燃气压力出现变化时，会引起烟道烟气含氧量出现变化。这时由于机械机构没有自调整功能，而使锅炉烟气不能达标，一是影响燃烧效率，二是锅炉运行不符合国家环保要求。
这时由于鼓风机变频器运行频率不是在最高值（在40-45Hz），使频率还有上下5-10Hz的变动范围进行风量微调。PLC在根据对蒸汽压力、蒸汽流量和烟气含氧量数据的分析，并通过优化烟气运行软件，去改变鼓风机变频器的运行频率，使燃烧需燃气量和需风量的配比重新调整成最合理比例（动态平衡）。从而完成整个蒸汽压力-燃烧控制。
三、汽包水位三冲量控制
三冲量水位控制原理如下图：
汽包水位的稳定影响到锅炉安全、高效、经济等各个方面，所以必须采取行之有效的方法来控制汽包水位的稳定。锅炉汽包水位控制一般有：单冲量控制、双冲量控制、和三冲量控制，控制算法复杂程度不同，控制效果也有较大差别，在控制参数设置都处于最优情况下单冲量控制最差，三冲量控制最好。汽包水位三冲量控制又称给水控制，它反映给水量与供汽量的动态平衡，属于典型的串级加前馈控制方式。给水流量作为副调回路，克服给水流量变化扰动;汽包水位作为主调回路;蒸汽流量作为前馈量克服虚假水位现象，使水位达到很高的控制精度。本系统应用串级前馈三冲量控制算法，正常情况下控制稳态误差≤±2mm。
除此之外，汽包水位设有独立的水位安全保护系统，采用多点水位浮球来实现二级水位的保护，使系统更加的安全。
四、燃烧顺序控制与安全保护
1、锅炉顺序控制
顺序控制的目的就是控制燃气蒸汽锅炉按照安全规范启动设备、停止设备。在遇到异常情况发生时，及时报警，当达到连锁保护值时，启动相应的连锁保护停止设备运行，未在连锁保护范围内的异常情况时，操作人员视其情节严重，可作相应的处理，以保证锅炉安全生产。
燃烧器运行程序分为准备程序、点火程序、运行程序、连锁保护程序和停炉程序五个部分。
（1）准备程序：燃烧器运行前，首先必须进行炉膛吹扫。炉膛吹扫时开启鼓风设备进行吹扫。
（2）系统吹扫完毕后，燃烧器进入点火程序，点火子程序为前吹扫——打火——点辅火——点主火——火焰控制。
（3）当系统点火成功后，燃烧器进入火焰调节。系统的控制目标是保证蒸汽压力满足负荷的要求;系统的控制对象是燃烧器的进风量和进气量。系统采集蒸汽压力信号，同时设定期望值，通过PID算法，使得系统实时连续调节燃烧器的进风量和进气量。
（4）停炉程序：当系统停炉时，关闭切断燃气供给，进行后吹扫，最后进行燃烧器复位。
2、锅炉安全保护
根据国家专业标准《工业锅炉仪表、控制装置技术条件》的规定，15t/h燃气蒸汽锅炉的本体安全保护功能如下：
（1）燃气压力异常保护：燃气压力高、低都将产生报警信号，并停止点火过程;
（2）风压异常保护：风压压力高、低都将产生报警信号，并停止点火过程;
（3）泄漏保护：发现燃气泄漏，则产生报警信号，停止点火过程，同时启动安全切断泄放系统;
（4）熄火保护：当火焰检测发现熄火时，产生报警信号，停止点火过程;
（5）锅炉蒸汽压力高时，产生报警信号，如果压力继续升高达到极高点，则紧急停止燃烧，并进入吹扫状态，吹扫后复位;
（6）当锅炉水位低时，产生报警信号，如果水位继续降低达到极低点，则紧急停止燃烧，并进入吹扫状态，吹扫后复位;
（7）当锅炉故障或紧急停车信号发出，则紧急停止燃烧，产生报警信号，并进入吹扫状态，吹扫后复位;
（8）烟气超温：当烟气温度超过设定值时，停炉并有声光报警;
（9）断电保护：当外部电源突然停电，锅炉停止运行，来电时必须重新启动，锅炉才能运行;
（10）鼓风机保护：当风机电机缺相及过载时，热继电器会动作，切断风机电源，停炉并声光报警。
五、燃烧器的选型要求
本设计为15t/h燃气蒸汽锅炉控制，燃烧器选型必须满足锅炉及控制有关要求：
（1）锅炉额定热功率为10.5MW，燃烧器最大功率应在锅炉额定热功率基础上留10%的功率余量，燃烧器最大功率应不低于11.6MW;锅炉应在30%负荷时稳定运行，燃烧器稳定燃烧的最低功率不应大于3.1MW，综合考虑燃烧器功率应为3.0—12MW。
（2）燃烧器应能满足控制对自动燃烧系统的要求，燃烧器必须是全自动调节气体燃烧器。
六、结论
15t/h燃气蒸汽锅炉电气自动控制系统在技术上已经基本成熟。采用蒸汽压力为主信号控制燃烧器燃烧，保证燃烧系统稳定运行。给水系统采用三冲量水位控制系统。各种安全联锁保护使整个系统在安全稳定的状态下运行。采用PLC控制系统，达到了一个较高的控制水平。
参考文献
[1] 张子栋，王怀彬，李炳熙.锅炉自动调节[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1994年.
[2] 秦裕琨.燃油燃气锅炉使用技术[M].北京：中国电力出版社，2001年.
[3] 常健生.检测与转换技术[M].北京：机械工业出版社，2004年.
[4] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2004年.
关键词：燃气;控制系统;沖量;安全控制
前言
锅炉是在高温高压下工作的，安全运行是锅炉运行的首要要求。锅炉实现自动化可以提高锅炉运行的安全性。自动检测仪表能把锅炉的运行状况随时提供给运行人员和自动调节装置。自动调节装置可以及时对锅炉运行工况进行调节，使锅炉在最佳工况下运行。程序装置控制能避免误操作。自动保护装置对异常情况能及时报警并采取必要的安全措施。
采用程序控制和计算机控制，使锅炉的启停实现了自动化，这样就大大地缩短了启停时间，因而减少了各种热损失及工质损失。锅炉实现生产过程自动化，可使运行人员从繁重的体力劳动和紧张的精神负担中解脱出来。
一、设计思路
本设计是15t/h燃气蒸汽锅炉自动控制系统，锅炉控制系统的主要控制范围包括：
①锅炉本体控制系统：锅炉供水控制、烟气系统控制、各种压力/温度/流量显示及计量、双色水位计监视显示、锅炉安全保护等;
②锅炉燃烧器控制系统：燃烧调节控制、燃烧器安全保护等;
设计总体思路为：实现对燃气蒸汽锅炉的锅炉本体控制系统、锅炉供水系统、燃烧控制系统、风门控制系统的自动监控和管理功能;同时，锅炉控制系统还完成锅炉的自动运行与安全检测功能。在此基础上，通过以太网TCP/IP协议实现锅炉微机控制系统与锅炉PLC控制系统的数据交换。锅炉微机控制系统计算机完成对锅炉PLC控制系统的数据通讯与处理，并负责完成所有锅炉系统重要运行参数的历史记录、存储、和生产报表打印。具有可靠性高、便于扩展，技术先进等优点。
二、燃烧控制蒸汽压力
燃烧控制蒸汽压力原理图：
燃烧控制蒸汽压力是以锅炉出口蒸汽压力为主调信号，蒸汽流量为辅调信号来控制燃烧器燃烧，从而提高锅炉对于输出负荷的反应速度和控制的稳定性;并在运行过程中引入烟道含氧量信号反馈来实现燃烧器风量的微调，使燃烧器运行效率一直保持在高水平，也使锅炉运行的更加环保。
控制流程：
当蒸汽压力低于压力下限时（或压力还没到下限，蒸汽流量开始大的变化时），PLC控制燃烧器点火。在燃烧器吹扫过程中，鼓风机变频器不进行微调功能，而是在一个设定的值上（40-45Hz）运行。当主火焰检测反馈正常后，再通过延时启动鼓风变频的微调功能。
燃烧器所需燃气量和风量是由燃烧机程控器控制燃烧机上的机械调节机构主调。在机械机构对需气量和需风量配比出现变化或燃气压力出现变化时，会引起烟道烟气含氧量出现变化。这时由于机械机构没有自调整功能，而使锅炉烟气不能达标，一是影响燃烧效率，二是锅炉运行不符合国家环保要求。
这时由于鼓风机变频器运行频率不是在最高值（在40-45Hz），使频率还有上下5-10Hz的变动范围进行风量微调。PLC在根据对蒸汽压力、蒸汽流量和烟气含氧量数据的分析，并通过优化烟气运行软件，去改变鼓风机变频器的运行频率，使燃烧需燃气量和需风量的配比重新调整成最合理比例（动态平衡）。从而完成整个蒸汽压力-燃烧控制。
三、汽包水位三冲量控制
三冲量水位控制原理如下图：
汽包水位的稳定影响到锅炉安全、高效、经济等各个方面，所以必须采取行之有效的方法来控制汽包水位的稳定。锅炉汽包水位控制一般有：单冲量控制、双冲量控制、和三冲量控制，控制算法复杂程度不同，控制效果也有较大差别，在控制参数设置都处于最优情况下单冲量控制最差，三冲量控制最好。汽包水位三冲量控制又称给水控制，它反映给水量与供汽量的动态平衡，属于典型的串级加前馈控制方式。给水流量作为副调回路，克服给水流量变化扰动;汽包水位作为主调回路;蒸汽流量作为前馈量克服虚假水位现象，使水位达到很高的控制精度。本系统应用串级前馈三冲量控制算法，正常情况下控制稳态误差≤±2mm。
除此之外，汽包水位设有独立的水位安全保护系统，采用多点水位浮球来实现二级水位的保护，使系统更加的安全。
四、燃烧顺序控制与安全保护
1、锅炉顺序控制
顺序控制的目的就是控制燃气蒸汽锅炉按照安全规范启动设备、停止设备。在遇到异常情况发生时，及时报警，当达到连锁保护值时，启动相应的连锁保护停止设备运行，未在连锁保护范围内的异常情况时，操作人员视其情节严重，可作相应的处理，以保证锅炉安全生产。
燃烧器运行程序分为准备程序、点火程序、运行程序、连锁保护程序和停炉程序五个部分。
（1）准备程序：燃烧器运行前，首先必须进行炉膛吹扫。炉膛吹扫时开启鼓风设备进行吹扫。
（2）系统吹扫完毕后，燃烧器进入点火程序，点火子程序为前吹扫——打火——点辅火——点主火——火焰控制。
（3）当系统点火成功后，燃烧器进入火焰调节。系统的控制目标是保证蒸汽压力满足负荷的要求;系统的控制对象是燃烧器的进风量和进气量。系统采集蒸汽压力信号，同时设定期望值，通过PID算法，使得系统实时连续调节燃烧器的进风量和进气量。
（4）停炉程序：当系统停炉时，关闭切断燃气供给，进行后吹扫，最后进行燃烧器复位。
2、锅炉安全保护
根据国家专业标准《工业锅炉仪表、控制装置技术条件》的规定，15t/h燃气蒸汽锅炉的本体安全保护功能如下：
（1）燃气压力异常保护：燃气压力高、低都将产生报警信号，并停止点火过程;
（2）风压异常保护：风压压力高、低都将产生报警信号，并停止点火过程;
（3）泄漏保护：发现燃气泄漏，则产生报警信号，停止点火过程，同时启动安全切断泄放系统;
（4）熄火保护：当火焰检测发现熄火时，产生报警信号，停止点火过程;
（5）锅炉蒸汽压力高时，产生报警信号，如果压力继续升高达到极高点，则紧急停止燃烧，并进入吹扫状态，吹扫后复位;
（6）当锅炉水位低时，产生报警信号，如果水位继续降低达到极低点，则紧急停止燃烧，并进入吹扫状态，吹扫后复位;
（7）当锅炉故障或紧急停车信号发出，则紧急停止燃烧，产生报警信号，并进入吹扫状态，吹扫后复位;
（8）烟气超温：当烟气温度超过设定值时，停炉并有声光报警;
（9）断电保护：当外部电源突然停电，锅炉停止运行，来电时必须重新启动，锅炉才能运行;
（10）鼓风机保护：当风机电机缺相及过载时，热继电器会动作，切断风机电源，停炉并声光报警。
五、燃烧器的选型要求
本设计为15t/h燃气蒸汽锅炉控制，燃烧器选型必须满足锅炉及控制有关要求：
（1）锅炉额定热功率为10.5MW，燃烧器最大功率应在锅炉额定热功率基础上留10%的功率余量，燃烧器最大功率应不低于11.6MW;锅炉应在30%负荷时稳定运行，燃烧器稳定燃烧的最低功率不应大于3.1MW，综合考虑燃烧器功率应为3.0—12MW。
（2）燃烧器应能满足控制对自动燃烧系统的要求，燃烧器必须是全自动调节气体燃烧器。
六、结论
15t/h燃气蒸汽锅炉电气自动控制系统在技术上已经基本成熟。采用蒸汽压力为主信号控制燃烧器燃烧，保证燃烧系统稳定运行。给水系统采用三冲量水位控制系统。各种安全联锁保护使整个系统在安全稳定的状态下运行。采用PLC控制系统，达到了一个较高的控制水平。
参考文献
[1] 张子栋，王怀彬，李炳熙.锅炉自动调节[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1994年.
[2] 秦裕琨.燃油燃气锅炉使用技术[M].北京：中国电力出版社，2001年.
[3] 常健生.检测与转换技术[M].北京：机械工业出版社，2004年.
[4] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2004年.