工业锅炉控制系统的设计与实现

工业锅炉控制系统的设计与实现

作者：史宝林

来源：《城市建设理论研究》2013年第33期

摘要：近年来，随着中国经济的快速发展，对能源的需求日益增加。能源是生产和生活赖以生存的重要物质基础，没有足够的能源供应，就没有生产力和科学技术的发展。中国是当今世界锅炉生产和使用最多的国家，如何更好的设计工业锅炉控制系统已是当前面临的关键问题。本文介绍了工业锅炉控制系统中的给水, 给风、给煤、燃烧等系统的设计以及监控中心的监控与管理的实现。

关键词：锅炉控制系统；PID 调节器；组态

中图分类号： TK229 文献标识码： A

引言

锅炉是特种压力容器设备, 它是化工、发电、供热、炼油和制糖等工业及民用部门必不可少的重要的动力设备。随着计算机控制技术的飞速发展和广泛应用, 锅炉的控制系统和方式越来越引起人们的重视, 而且对控制系统的要求越来越高, 任何一种优质的锅炉如果没有对应的控制装置, 则无法完全体现锅炉的优点, 控制系统的水平已经成为衡量锅炉好坏的一个至关重要的指标。在实际运行中, 控制的方式及控制运行的程度是保证锅炉高效运行的必要保证, 如果没有先进的控制, 锅炉的高效率就无从谈起。锅炉自动控制系统要求可以对工业锅炉进行自动控制与监视, 完成对工业锅炉的给水、给风、给煤、燃烧等系统的管理与控制, 通过人机接口部分可以采集系统中所有重要参数, 进行存储和记录, 并与高效控制器通讯, 锅炉的操作者可以通过系统实现对锅炉运行的监视、管理、操作。

一、工业锅炉控制系统的现状

我国现有工业锅炉 30多万台,年产约8万t/h左右,其中90 %以上是燃煤锅炉,每年消耗原煤占全国原煤产量的三分之一左右。这些锅炉的管理和运行水平较低,多是人工操作,锅炉事故屡有发生,运行效率比设计效率普遍降低5%一 10 %。国外一些发达国家,工业锅炉控制已完全徽机化了,单位能耗比我国低 50 % 左右。他们并与管理计算机联网,更能合理利用能源。我国有些用户在锅炉改造时,上了工业计算机控制系统,但生产厂生产的锅炉配置工业计算机系统的还很少。从1985年全国第一次徽电子技术改造机械设备会议上确定了工业炉窑改造为三大突破口之一以后,经过5年的努力,利用微电子技术改造的工业锅炉约5 000~600。台,并取得了良好的经济社会效益,节约了能源 (按节煤5% ~ 10 %计算,全国每年可节煤达2000多万吨) 和原材料,提高了产品产量和质量,还减少了大气污染,减轻了劳动强度,改善了劳动条件。

二、控制系统设计与实现

锅炉控制系统需检测参数，包括锅炉入口水温、压力，出口水温、压力，鼓风机风压、炉膛负压、空气预热器入口负压、除尘器入出口负压、引风机负压、炉膛温度、排烟温度。其中大多数需要随时观察的参数要通过控制系统传到控制室操作台上显示。锅炉控制系统的工艺流程如下图所示：

1、锅炉控制系统设计

锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性的相互关联的复杂的控制系统，调节参数与被调节参数之间，存在着许多交叉的影响，调节难度非常大。我们将系统控制分散成给煤控制，送风控制，汽包液位控制，炉膛负压控制等一系列闭环控制。

1.1给煤控制

锅炉燃烧系统自动调节的基本任务, 是使燃料燃烧所产生的热量, 适应蒸汽负荷的需要,同时还要保持经济燃烧和锅炉的安全运行。

1.2送风控制

风煤调节是通过负荷规则调节器实现“加负荷时, 先加风后加煤; 减负荷时, 先减煤后减风”的控制规则。送风控制系统应与给煤控制相协调, 控制在一定的风煤比, 维持燃烧处在最佳状态。

1.3炉膛负压控制回路

炉膛负压反映了送风量与之间的平衡关系, 目标就是要保证锅炉在运行过程中, 始终保持在微负压的稳定状态, 以保证其安全有效运行。

1.4汽包液位控制

锅炉给水自动调节的任务, 是使给水量跟踪锅炉的蒸发量并是汽包液位保持在工艺允许的范围内。液位控制是有以下三种:

a.单冲量控制, 即以水位为唯一调节信号的单参数、单回路控制系统;

b.双冲量控制, 即以蒸汽流量作为补充信号的双参数控制系统;

c.三冲量控制, 即以给水流量、主蒸汽流量作为补充信号的三参数控制系统。其中三冲量调节系统还可分为三冲量单级调节和三冲量串及调节。

1.5过热蒸汽出口温度控制

蒸汽过热系统的调节任务是保证过热蒸汽出口蒸汽温度在允许的范围内, 保护过热器,使过热器管壁温度不超过允许的温度范围。通过以上各控制子系统的设计实现锅炉控制系统的整体控制目标, 各子系统的控制器都是用 PID 调节器来实现。

2、锅炉的自动保护系统

锅炉的保护系统是锅炉控制系统的重要组成部分。其保护内容取决于锅炉设备本身的结构、容量、技术特性和运行方式，设有气压保护、汽包水位保护、锅炉灭火保护、连锁保护和紧急停炉保护等。

三、监控中心的监视、管理

1、组态

全面掌握整个系统的运行工况，监控系统将实时监测并采集锅炉有关的工艺参数、电气参数以及设备的运行状态等。系统具有丰富的图形库，通过组态可将锅炉的设备图形连同相关的运行参数显示在画面上；除此之外，还能将参数以列表或分组等形式显示出来。监控系统根据监测到的锅炉运行数据，按照设定好的控制策略,发出控制指令，调节锅炉系统的设备的运行,从而保证锅炉高效、可靠运行。

2、诊断故障与报警管理

监控中心可以显示、管理、传送锅炉运行的各种报警信号，从而使锅炉的安全防爆、安全运行的等级大大的提高。同时，对报警的档案管理可使业主对于锅炉运行的各种问题、毛病、弱点等了如指掌。为保证锅炉系统安全、可靠地运行，监控系统将根据所监测的参数进行故障诊断，一旦发生故障，监控系统将及时在操作员屏幕上显示报警点。报警相关的显示功能使用户定义的显示画面与每个点联系起来，这样，当报警发生时，操作员可立即访问该报警点的详细信息和按照所推荐采取的应急措施进行处理。本监控的报警管理软件有多种报警优先级。所有报警和回路状态都记录在报警、事件日报中，以便于日后检索。此外，所有低、高、紧急报警都自动进入报警汇报显示中，如需要，还可对报警信息进行优先级过滤，这样操作员就可首先处理优先级高的报警，而次要的报警以后处理。各个测点的量测值偏离正常值到一定的程度都应视为异常，系统将发出报警。

3、历史记录运行参数

监控系统的实时数据库将维护锅炉运行参数的历史记录，另外监控系统还设有专门的报警事件日志，用以记录报警／事件信息和操作员的变化等。历史记录的数据根据操作人员的要求，系统可以显示为瞬时值，也可以为某一段时间内的平均值。历史记录的数据可有多种显示方式，例如曲线、特定图形、报表等显示方式；此外历史记录的数据还可以由以网络为基础的多种应用软件所应用。历史数据可归档保存或在光盘或磁盘中保存，归档后的历史均可以由监控系统的软件很方便地调入。