热水锅炉自动控制系统的设计

第 3 3卷第 2期 2 0 1 3年 4月 黑 龙 江 冶 金 H e i l o n g j i a n g Me t a l l u r g y V o 1 3 3 N o 2 A p r i l 2 0 1 3 热水锅炉 自动控 制 系统 的设计 李星野 ( 黑龙江省冶金研究所 ， 哈尔滨1 5 0 0 4 0 ) 摘要： 锅炉控制系统可以分为汽包水位控制系统和燃烧控制系统。燃烧控制系统包括： 蒸汽压力控制系统、 炉膛负压控制系统和经济燃烧控制系统。维持汽包水位、 蒸汽压力和炉膛负压规定的范围内， 实现锅炉的经济 燃烧 ， 是保证锅炉安全运行的必要条件 ， 也是锅炉正常运行的主要指标。本文对汽包水位控制在三冲量 P I D控 制的基础上， 采用了延时控制和限幅控制， 实现汽包水位的稳定运行。为了实现经济燃烧 ， 本文采用了模糊 自 寻优控制方式调整风量的变化， 实现燃煤的经济燃烧。 关键词： 锅炉；汽包水位控制； 燃烧控制； 模糊控制 Th e d e s i g n o f I n d u s t r i a l Co a l b u r n i n g Bo i l e r a u t o ma t i c Co n t r o l S y s t e m Li Xi n g y e ( Me t a l l u r g i c a l I n s t i t u t e o f H e i l o n g j i a n g ，H a r b i n 1 5 0 0 4 0 C h i n a ) Ab s t r a c t ： Bo i l e r c o n t r o l s y s t e m i s c o mp o s e d o f d r u m w a t e r l e v e l c o n t r o l s y s t e m a n d c o mb u s t i o n c o n t r o l s y s t e m Co mb u s t i o n c o n t r o l s y s t e m i s c o mp o s e d o f s t e a m p r e s s ur e c o n t r o l s y s t e m a n d c o mbu s t i o n e e o n o mi c al c o n t r o l s y s t e mMa i n t a i n i n g d r u m wa t e r l e v e l i n t h e s e t r a n g e a n d ma i n t a i n i n g s t e a m p r e s s u r e i n t h e s e t r a n g e a n d ma i n t a i n i n g h e a r t h n e g a t i v e p r e s s u r e i n t h e s e t r a n g e a r e n e c e s s a r y c o n d i t i o n o f e n s u r i n g b o i l e r s s a f e t y run n i n g a n d ma i n i n d e x o f b o i l e r s run n i n g B a s e d o n t h r e e i mp u l s e s c a s c a d e c o n t r o l ，s y s t e m a d o p t s d e l a y i n g c o n t rol a nd l i mi ts c o p e c o n t r o l ，an d r e a l i z e s s t a bi l e mo v e me n t o f wa t e r l e v e 1 Th e s y s t e m r e ali z e s t h e c o als e c o n o mi c al c o mbu s t i o n t h rou g h a d o p t i n g s e l fa d o pt i n g a n d s e l fo p t i mi z i n g F u z z y c o n t rol me t h o d t o mo d i f y t h e r a t i o p a r a me t e r o f w i n d t o c o a 1 Ke y W o r d s： b o i l e r ；w a t e r l e v e l c o n t rol ；c o mb u s t i o n c o n tro l ；f u z z y c o n t r o l 工业锅炉是我 国重要的热能动力设备 ， 我 国 是 当今世界燃煤工业锅炉生产 和使用得最多 的国 家 。工业锅炉是我 国耗 能大户 ， 每年燃用 全国原 煤产量 的三分之一。工业锅炉 又排放大量烟尘 以 及 S O 和 N O 等污染物 ， 成为我国大气 主要煤烟型 污染源之一 。 随着微机技术 的迅猛发展 ， 微机广泛应用 于 工业过程控制 中 ， 有越来越多 的学者 和工程 技术 人员试 图用现代控制理论来建立工业燃煤锅炉 的 控制系统。如最优控制 ， 自校正控制 ， 自适应控制 等。但由于燃用块粉煤的链条炉影响燃烧的因素 特别多 ， 导致工况波动变化 的因素也非常复杂 ， 燃 烧系统中空燃 比不能像燃油 、 燃气系统那样容 易 控制 ， 同时也 由于 自适应 控制 、 自校正控制 、 最优 控制等需要 在线辨识模型 ， 运算量大。能够在实 际的锅炉燃烧系统 中得到应用 ， 并取得 明显控 制 效果的还很少 ， 因此现场普遍使 用的仍 是常见的 P I D控制。 1 锅 炉的组成及 工作过程 、 锅炉最基本的组成是汽锅与炉子两大部 分。 汽锅 ： 是 由上下锅筒和沸水管组成 ， 水在管 内受管 外烟气加热 ， 在管 内自然循环流动并逐渐汽化， 产 生的饱和蒸汽聚集在上锅筒里。炉子： 是使燃料 充分燃烧并放出热能的设备， 燃煤由煤斗落在转 动的链条上， 进入炉内燃烧。得到的高温气经过 收 稿 日期 ： 2 0 1 21 0 0 7 作者简介： 李星野 ， 毕业于沈阳航空航天大学 ， 计算机专业， 高级工程师。 1 9 黑龙江冶金 第 3 3卷 受热面 ， 将热量传递给水以后 ， 由烟囱排至大气。 燃料在炉 中进行燃烧 ， 将其化学能转 化为热 能 ； 高温的燃烧产物一烟气 通过受热面将 能量传 递给汽锅内温度较低 的水 ， 水被加热 ， 进而沸腾汽 化 ， 生成蒸汽。所 以锅炉 的工作过程概括起来应 包括三个同时进行 的过程燃料 的燃烧过程 、 烟气 向水的传热过程和水的汽化过程。 2 锅炉工作过程分析及控制策略 锅炉是工业生产 的重要动力设备 ， 工业锅 炉 的生产任务是根据 负荷设备 的要求 ， 生产具有一 定参数( 压力和温度) 的蒸汽和热水。为了满足负 荷设备的要求 ， 保证锅炉本身运行的安全性 和经 济性 ， 工业锅炉主要有下列 自动调节任务。 2 1 汽包水位控制 保持汽包水位在规定 的范 围内： 锅 炉汽包水 位的高度， 关 系着汽水分离 的速度和生产蒸汽 的 质量 ， 也是确保安全生产的重要 参数。要使锅炉 的蒸发量随时适应设备的需要量 ， 汽包水位的变 化必然很快 。在现代锅炉操作 中 ， 即使是缺水事 故， 也是非常危险的， 严重时会使个别上水管形成 自由水面 ， 产生流动停滞 ， 致使金属管局部过热而 爆管。无论满水或缺水都会造成事故 ， 因此 ， 必须 对汽包水位进行 自动调节 ， 将水位严格控制在规 定的范围内。 2 2锅炉燃烧控制 锅炉燃烧控制主要指蒸汽压力控制。蒸汽压 力是衡量蒸 汽供求关 系是否平衡 的重要指标 ， 是 蒸汽的重要参数 ， 蒸汽压力过低或过高， 对于金属 导管和负荷设备都是不利的。锅炉蒸汽压力的变 化是 由于热平衡失 调引起 的， 而影响热平衡 的因 素主要是燃烧热和蒸汽热， 燃烧热的波动引起 的 热平衡失调称为“ 内扰 ” ， 而蒸汽热波动引起的热 平衡失调为“ 外扰” 。为了克服 内外扰对蒸汽压力 的影响 ， 在各个基本 的单炉蒸汽压力控制系统中， 输人到锅炉的燃烧热必须跟随蒸汽热 的变化而变 化。以尽量保持热量平衡同时根据蒸汽压力与给 定值的偏差适当增减燃料量 以增加或减少蒸汽压 力。锅炉压力 控制系统 采用带前馈 的串级 P I D 控制模式。主环压力控制根据蒸汽压力与设定值 的偏差来调节燃料量以保证压力的稳定。副环燃 料控制器根据主环输出与前馈信号( 即外扰) 的合 成指令去控制进入锅炉 的燃料量 ， 克服燃料量波 动， 从而使压力保持在稳定范围之内。 2 0 2 3模糊 自寻优控制器 迷糊 自寻优控制器在每个采样周期测量炉温 偏差 t ， 根据t 和上一周期寻优步长决定本次寻 优步长。t 和 Av 分别是炉温偏差和步长的模糊 语言变量 。K t 为t 的量化因子 ， K v为比例因子 ， 把 t 转换为步长的实际值。 3 系统软件设计及调试 在锅炉现场 ， 由于手动仪表显示 的汽包水位 值、 给水变频器值 、 给水输 出值与组态画面中显示 的值都有一定误差 ， 同时由于系统运行的滞后性， 以及对给水变频器的操作要求( 避免变频器频繁的 剧烈的变化) ， 在实际设计中采用以下控制方式。 ( 1 ) 当汽包水位在 0 5 0 m m时， 使用增量式 P I D算法编辑汽包水位的三种冲量控制算法 ， 串级 P I D算法。同时控制给水变频器的变化幅度， 使每 个控制周期对给水量的调节幅度限定在一定范 围 之内， 在程序 中， 设置 给水变频 器的调节 幅度在 1 H z 之内。程序运行周期设置为 3 s e e 。 ( 2 ) 当汽包水位高于 5 0 m m时 ， 为了提高控制 速度， 根据司炉工经验， 使给水流量小于蒸汽流 量 ， 控制使给水流量低于蒸汽流量 4 t h左右。运 行周期设为 1 $ e 0 。 ( 3 ) 当汽包水位低于 0时 ， 根据司炉工经验 ， 使给水流量高于蒸汽流量 6 t h 左右。运行周期设 为 1 s e c 。 ( 4 ) 编 写 自定义 函数： v o i d y a n s h i ( 1 o n g k l ， l o n g k 2 ， b o o l a ) ， 实现延时功能 ， 函数中 k 1实现计 数， k 2是延时的时间， a 是判 断是否延时时间到。 在程序中依据 k 2的不 同设定使不 同的程序段实 现运行周期 的不同。 ( 5 ) 在起炉时 ， 使用手动控制 ， 等锅 炉运行稳 定时， 再设定汽包水位值 ， 一般设在 2 0 3