淺談煤氣鍋爐控制系統(tǒng)

魯榮華　吳佳興

摘 要：隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，對于能源的需求也越來越大。在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是在鋼鐵企業(yè)，煤氣鍋爐獲得了十分廣泛的應(yīng)用。煤氣鍋爐所需要的燃料是煤氣，而煤氣則是較為充足的資源，且成本不高，對于環(huán)境的影響也較小。因此研究煤氣鍋爐系統(tǒng)的原理和過程具有非常重要的意義。通過過程控制，可以提高勞動生產(chǎn)率、改善勞動條件、優(yōu)化技術(shù)指標(biāo)，還可以節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，同時(shí)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。文章對此進(jìn)行了深入細(xì)致的分析和探討，以期為相關(guān)人士提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：煤氣鍋爐；控制系統(tǒng)；燃料

1 鍋爐的工作原理及過程

鍋爐通過燃料的燃燒而釋放化學(xué)能，是一種具有能量轉(zhuǎn)換功能的設(shè)備。所采用的燃料有多種，如高爐煤氣等。鍋爐內(nèi)的水，通過能量的傳遞進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，而蒸汽所具有的動能則可以通過汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽蛘咿D(zhuǎn)變?yōu)槠喭蟿拥臋C(jī)械能。由此可見，將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為蒸汽的熱能則是鍋爐的主要作用。目前，國家對發(fā)電上網(wǎng)進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，而且結(jié)合鋼鐵企業(yè)的具體情況，鍋爐行業(yè)的大的發(fā)展趨勢是利用鍋爐產(chǎn)生的蒸汽，進(jìn)而拖動汽輪機(jī)，并完成風(fēng)機(jī)或水泵的動能的轉(zhuǎn)化，這也是行業(yè)內(nèi)人士面臨的一個(gè)嚴(yán)峻的課題。

2 鍋爐的控制系統(tǒng)

2.1 蒸汽溫度控制系統(tǒng)

鍋爐是較為復(fù)雜的設(shè)備，且運(yùn)行的工作環(huán)境較差。蒸汽溫度是鍋爐設(shè)備的主要參數(shù)之一，因此應(yīng)嚴(yán)格控制蒸汽的溫度，減少各種干擾因素的影響，獲得在一定范圍內(nèi)溫度相對恒定的蒸汽?？杖急群腿?xì)夤?yīng)量是影響蒸汽溫度的關(guān)鍵因素，因此需要對給風(fēng)量和燃?xì)饬窟M(jìn)行有效的控制，所采用的系統(tǒng)是串級比值控制系統(tǒng)。除此之外，引風(fēng)量、蒸發(fā)量和給水量也會對蒸汽溫度造成一定的影響。同時(shí)，基于控制系統(tǒng)響應(yīng)速度的考慮，采用了前饋比值串級控制系統(tǒng)來控制蒸汽的溫度。蒸汽溫度控制的前饋量由蒸發(fā)量和給水量構(gòu)成，從而形成前饋控制系統(tǒng)。

2.2 蒸汽壓力控制系統(tǒng)

出口蒸汽的品質(zhì)會受到鍋爐壓力的影響，因此鍋爐壓力不能過低。然而鍋爐壓力也不能太高，否則會帶來很大的安全隱患，甚至發(fā)生安全事故，如鍋爐爆炸等。因此鍋爐出口的蒸汽壓力同樣是鍋爐設(shè)備十分重要的參數(shù)，必須進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)節(jié)和控制，使鍋爐的壓力在合理的范圍內(nèi)，才能確保鍋爐運(yùn)行的安全。蒸汽壓力和蒸汽溫度是相互影響的兩個(gè)參數(shù)，對于蒸汽溫度進(jìn)行控制，同時(shí)也會對蒸汽壓力造成影響。壓力控制系統(tǒng)是鍋爐設(shè)備的重要系統(tǒng)，能夠?qū)毫M(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，使壓力在安全的基礎(chǔ)上保持在合理的范圍，從而確保蒸汽的品質(zhì)，獲得所需壓力的蒸汽。當(dāng)鍋爐壓力過高時(shí)，為了讓蒸汽壓力迅速降低，應(yīng)立刻打開安全放散閥，使蒸汽壓力降到壓力極限值之下，再迅速將安全閥關(guān)閉。

2.3 燃料控制系統(tǒng)

煤氣壓力和煤氣流量參與鍋爐控制系統(tǒng)的輸出指令，是燃料控制系統(tǒng)的主要參數(shù)，并調(diào)節(jié)燃料量。利用調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥門擋板，可以實(shí)現(xiàn)對于燃料的調(diào)節(jié)。確保汽包壓力和母管壓力為給定值，而進(jìn)氣閥門的控制既可以采取自動控制也可以采取手動控制，進(jìn)而向送風(fēng)控制回路發(fā)出相應(yīng)指令。高爐煤氣的流率相對來說較為穩(wěn)定，在對燃料量進(jìn)行控制時(shí)，應(yīng)盡量減輕其他兩種煤氣的流量擾動，主要采取調(diào)節(jié)高爐煤氣進(jìn)氣量的方式來加以調(diào)節(jié)。

2.4 汽包水位控制系統(tǒng)

蒸汽的質(zhì)量在一定程度上還會受到汽包液位的影響。汽包液位過低會導(dǎo)致鍋爐被燒壞，造成巨大的安全隱患，甚至發(fā)生爆炸，危害人們的生命安全。同樣，汽包液位過高也會對蒸汽質(zhì)量造成影響，或者水滿而溢出，進(jìn)而造成事故。主給水流量和蒸汽流量是影響汽包液位的兩個(gè)關(guān)鍵的變量。在其他條件不變的前提下，液位隨著給水量的增加而升高，隨著蒸發(fā)量的增加而降低。實(shí)際的需要決定了蒸汽流量的大小，而給水則具有維持汽包液位的作用，因此在對汽包液位進(jìn)行控制時(shí)，選擇給水量作為操縱量。此外，基于系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性的考慮，采用前/后饋的控制機(jī)制，在使用串級控制的基礎(chǔ)上，將蒸汽流量作為補(bǔ)償。

由以往的經(jīng)驗(yàn)可知，汽包液位的調(diào)節(jié)，可以通過給水流量來實(shí)現(xiàn)，使得汽包內(nèi)的物料達(dá)到科學(xué)而合理的平衡點(diǎn)，汽包水位在可以控制的范圍內(nèi)進(jìn)行波動。通常來講，對于蒸汽流量和給水流量的變化，鍋爐汽包水位會對此作出積極的響應(yīng)。然而，也有可能出現(xiàn)“虛假水位”的現(xiàn)象，即在主蒸汽量快速增加時(shí)，表現(xiàn)出來的特性卻是逆向響應(yīng)，從而使得蒸汽壓力下降，汽包水位升高，而實(shí)際水量卻減少了。對于該現(xiàn)象進(jìn)行分析可知，其原因在于：汽包外送的蒸汽量隨著用戶需求量的增加而增加，從而導(dǎo)致汽包內(nèi)的蒸汽壓力也隨之迅速下降。壓力下降導(dǎo)致水的沸點(diǎn)降低，汽包內(nèi)的水“開鍋”得更加劇烈，更加頻繁、速度更快。因此形成大量的氣泡，而這些氣泡將水位抬高，從而導(dǎo)致操作人員誤認(rèn)為汽包水位升高。

通過分析汽包水位控制系統(tǒng)的原理可知，汽包水位控制系統(tǒng)，以水位作為主控量，將蒸汽流量和主給水量作為輔助量。該系統(tǒng)的作用是將汽包水位維持在一定的范圍內(nèi)，需要對進(jìn)入汽包的主給水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，其目的則是使主給水流量與鍋爐輸出的蒸汽量相適應(yīng)。為了使汽包水位維持在汽水分界線，平衡汽包內(nèi)的兩相介質(zhì)，可以采用提高主給水流量的方式來實(shí)現(xiàn)，通過這種方式，不僅能夠保證鍋爐運(yùn)行的安全，還可以在一定程度上提高鍋爐的出力。對于汽包水位控制系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的虛假水位現(xiàn)象，這是由于控制系統(tǒng)采用汽包水位作為主控量。因此在實(shí)際應(yīng)用的過程中，結(jié)合具體的情況，可以將被控量選為汽包水位，實(shí)行單沖量水位控制?；蛘卟捎秒p沖量水位控制，被控量選為汽包水位和蒸汽流量，又或者采用三沖量水位控制，即被控量選為汽包水位、主給水量和蒸汽流量。目前，汽包水位三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)獲得了較為廣泛的應(yīng)用，并且具有較好的調(diào)節(jié)效果。

2.5 爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)

如果爐膛負(fù)壓太小，甚至為正，則爐膛內(nèi)煙氣過多，甚至煙氣向外冒，影響設(shè)備和操作人員的安全；反之，爐膛負(fù)壓過大，會使冷空氣漏進(jìn)爐膛內(nèi)，從而使熱量損失增加，降低燃燒效率。所以必須對爐膛的壓力進(jìn)行控制。影響爐膛壓力的主要變量有燃?xì)饬俊⒔o風(fēng)量以及抽風(fēng)量等，而其中燃?xì)饬亢徒o風(fēng)量是由蒸汽溫度、壓力以及蒸發(fā)量等因素決定的，所以要想使?fàn)t膛壓力在一定范圍內(nèi)保持不變就只有改變抽風(fēng)量，亦即通過調(diào)節(jié)抽風(fēng)量以達(dá)到控制爐膛壓力的目的。另外，考慮到系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，同時(shí)，又因?yàn)榻o風(fēng)量和給煤量成一定的比例關(guān)系，為了提高控制品質(zhì)以及簡化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，將給煤量引入前饋通道參與了爐膛壓力的控制。

3 結(jié)束語

鍋爐控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。對于提高操作管理水平，減輕勞動強(qiáng)度，保證鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行，提高運(yùn)行效率，以及防止環(huán)境污染等發(fā)揮著非常重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]周永恒，譚華.工業(yè)鍋爐的自動化控制研究[J].廣西輕工業(yè)，2007，1.

[2]馮衛(wèi).中小型鍋爐的計(jì)算機(jī)控制[J].科技資訊，2007，8.

[3]劉忠，陳麗華.基于工控機(jī)的鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].化工自動化及儀表，2012（4）.

[4]李忠虎，王俊偉，李銀琪.220t/h煤氣鍋爐控制方案的優(yōu)化[J].化工自動化及儀表，2012（3）.

[5]時(shí)磊，邱兵濤.基于DCS的煤氣燃燒鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].洛陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（11）.

[6]周小力.130噸煤氣鍋爐發(fā)電機(jī)組自動控制系統(tǒng)[J].自動化與儀器儀表，2005（5）.