一種閉環(huán)變頻控制燃煤鏈條爐方法

周彥君

(神東煤炭集團(tuán)礦業(yè)服務(wù)公司，內(nèi)蒙古 伊金霍洛旗 017209)

0 引言

燃煤鍋爐是一種將煤炭燃燒的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能的裝置，是我國煤炭消費(fèi)的主要形式，同時(shí)也是大氣環(huán)境污染源之一。神東礦業(yè)服務(wù)公司管轄范圍的鍋爐基本采用燃煤鏈條鍋爐，主要為神東公司下屬各基層單位提供洗浴熱水和供暖。目前在用的燃煤鍋爐采用電氣接觸器直接控制鍋爐的鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)，此控制方式具有起動(dòng)電流大、電氣故障率高、無法根據(jù)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)鍋爐各參數(shù)等缺點(diǎn)。這樣的控制方式既導(dǎo)致了爐膛的氧氣含量不可控，煙氣排放的氮氧化物等有害氣體超標(biāo)，又不能根據(jù)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)整爐排上煤的用量，造成了煤炭資源浪費(fèi)，增加鍋爐的運(yùn)行成本[1]。為此，必須要采用一種合理的自動(dòng)化系統(tǒng)，來協(xié)同負(fù)荷、爐排煤的用量、鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量和引風(fēng)機(jī)風(fēng)量之間的平衡關(guān)系，既能保證煙氣中氧氣含量在合理范圍內(nèi)，也能減少因電氣故障造成鍋爐停止運(yùn)行。工業(yè)自動(dòng)化控制和變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展，使其在各個(gè)行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，燃煤鍋爐的自動(dòng)化變頻控制也在不斷推廣應(yīng)用[2]。自動(dòng)化系統(tǒng)對鍋爐的控制算法不盡相同，文中的自動(dòng)化鍋爐系統(tǒng)主要是確定與負(fù)荷正相關(guān)的給定值，根據(jù)實(shí)際負(fù)荷與給定值之間的偏差不斷調(diào)節(jié)爐排的轉(zhuǎn)速、爐排煤層厚度、鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量和引風(fēng)機(jī)風(fēng)量；爐排的轉(zhuǎn)速、鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量和引風(fēng)機(jī)風(fēng)量采用變頻器控制，爐排煤層厚度采用液壓傳動(dòng)控制煤斗入口閘門的高度。通過以上方式形成一個(gè)閉環(huán)自動(dòng)化變頻控制系統(tǒng)，既可以讓煤充分燃燒，又可以保證煙氣氧含量在合理范圍內(nèi)，進(jìn)而使氮氧化物不超標(biāo)，達(dá)到最優(yōu)控制要求[3]。

1 鍋爐的工藝流程

鏈條爐是一種火床爐，燃燒用的煤炭經(jīng)過給煤進(jìn)給裝置通過入口處進(jìn)入爐排，煤在爐排電機(jī)的帶動(dòng)下以一定的速度從進(jìn)給側(cè)輸送到爐排的另外一端，這個(gè)過程中讓煤在爐膛內(nèi)充分燃燒，當(dāng)煤移動(dòng)到爐排另外一端即終點(diǎn)時(shí)，煤燃燒充分后自動(dòng)將煤渣排出爐膛，這樣完成了煤炭燃燒的一個(gè)周期。在爐排轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，鼓風(fēng)機(jī)不斷地將外界新鮮空氣帶入爐膛，讓爐排上的煤進(jìn)行充分燃燒；同時(shí)引風(fēng)機(jī)將爐膛內(nèi)產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過省煤器、空氣預(yù)熱器、除塵器和有害氣體過濾裝置排在室外大氣環(huán)境中，引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量要保證爐膛內(nèi)保持一定范圍的負(fù)壓[4]。煤燃燒的熱能在鍋爐爐膛內(nèi)釋放，產(chǎn)生的熱能傳遞給汽包，汽包內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽與水分離，并在汽包內(nèi)聚集蒸汽，聚集的蒸汽隨著管道經(jīng)過低溫過熱器、減溫器、高溫過熱器和集汽箱進(jìn)入主蒸汽管道引出。汽包內(nèi)的液位過外部供水管路經(jīng)過過濾器、除氧器等進(jìn)入汽包進(jìn)行補(bǔ)給，讓汽包內(nèi)的液位保持在一定范圍內(nèi)。

2 控制系統(tǒng)

2.1 負(fù)荷物理量的確定

鍋爐燃燒最終負(fù)荷輸出表現(xiàn)的物理形式有蒸汽壓力和溫度，在負(fù)荷需求的變化差值不大時(shí)蒸汽溫度變化率較小，不宜作為給定參數(shù)，所以將輸出在主蒸汽管路處的壓力作為負(fù)荷給定參數(shù)。根據(jù)主蒸汽管道處的實(shí)際壓力與給定蒸汽壓力的偏差來實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的爐排轉(zhuǎn)速、爐排煤層厚度、鼓風(fēng)機(jī)量和引風(fēng)機(jī)量。給定的蒸汽壓力值要根據(jù)不同季節(jié)、不同時(shí)間段和具體的使用負(fù)荷情況綜合設(shè)定，且設(shè)置給定值的調(diào)整周期不宜太短，如果設(shè)置太短造成系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間不及時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)大超調(diào)震蕩，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

2.2 控制方案

總體控制思路：鍋爐根據(jù)不同的使用負(fù)荷需求來自動(dòng)調(diào)節(jié)爐排煤層厚度和爐排轉(zhuǎn)速，即鍋爐的負(fù)荷需求與用煤量形成正相關(guān)的關(guān)系。同時(shí)通過系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出的爐排煤層厚度和爐排的轉(zhuǎn)速，通過這兩個(gè)參數(shù)的乘積得出爐膛單位時(shí)間內(nèi)的用煤量，從而根據(jù)用煤量來自動(dòng)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量和引風(fēng)機(jī)風(fēng)量[5-6]。

圖1 爐排煤層厚度和爐排轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制方框

鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)控制：在鏈條爐運(yùn)行過程中，鼓風(fēng)機(jī)需要給爐膛不斷提供煤炭燃燒的空氣，讓爐排上的煤充分燃燒，鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)是根據(jù)給煤量確定，而給煤量是通過爐排的轉(zhuǎn)速與爐排煤層厚度的乘積得出單位時(shí)間內(nèi)的給煤量，爐排的長度與爐排轉(zhuǎn)速比值得出燃燒時(shí)間，這樣可以算出給煤量。鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量與給煤量之間采用比例控制[9]。鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速同樣采用變頻器控制，PLC模擬量輸入模塊采集主蒸汽管道的壓力并與給定蒸汽壓力值進(jìn)行疊加，PLC經(jīng)過運(yùn)算后通過模擬量輸出模塊給變頻器輸出4～20 mA電流信號，變頻器根據(jù)輸入電流信號對鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)變速調(diào)節(jié)，如圖2所示。

圖2 鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)控制方框

引風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)控制：引風(fēng)機(jī)的作用是將爐膛內(nèi)的煙氣通過煙道排出到大氣環(huán)境中，引風(fēng)機(jī)風(fēng)量要與鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量適應(yīng)協(xié)調(diào)控制，通過采集爐膛的負(fù)壓信號調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，讓爐膛內(nèi)保持一定的負(fù)壓，同時(shí)也要通過采集爐膛內(nèi)的煙氣氧含量來協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速。同理，鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速采用變頻器控制，PLC模擬量輸入模塊采集主蒸汽管道的壓力并與給定蒸汽壓力值進(jìn)行疊加，PLC經(jīng)過運(yùn)算后通過模擬量輸出模塊給變頻器輸出4～20 mA電流信號，變頻器根據(jù)輸入電流信號對引風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)變速調(diào)節(jié)[10]，如圖3所示。

圖3 引風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)控制方框

鼓風(fēng)機(jī)與引風(fēng)機(jī)在采用各自方式的同時(shí)，也要參考煙氣氧氣含量值，煙氣氧含量理想值為6%，最大不超過8%，最低不低于4%，通過煙氧傳感器采集氧含量，當(dāng)煙氣氧含量符合設(shè)置要求，按照各自預(yù)先設(shè)定程序控制，如果煙氣氧含量不滿足預(yù)設(shè)要求時(shí)，對鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)風(fēng)量協(xié)調(diào)控制，使之達(dá)到兩者的匹配，即當(dāng)爐膛內(nèi)煙氣氧含量高于設(shè)定最大值時(shí)，提高一定的引風(fēng)機(jī)風(fēng)量，降低一定的鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量；當(dāng)爐膛內(nèi)煙氣氧含量低于設(shè)置的最小值時(shí)，降低一定的引風(fēng)機(jī)風(fēng)量，提高一定的鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量，最終實(shí)現(xiàn)煙氣氧含量在合理范圍內(nèi)。

3 自動(dòng)化閉環(huán)變頻控制的優(yōu)點(diǎn)

采用自動(dòng)化系統(tǒng)代替以往普通電氣接觸器控制鏈條爐的方法，可以擺脫人為操作不可控因素，系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序，進(jìn)行自我調(diào)節(jié)控制爐排轉(zhuǎn)速、爐排煤層厚度、鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，既提高了運(yùn)行的安全性，又降低了電氣接觸器控制方式的故障率[11]。

變頻控制起動(dòng)電流小，減少了對電網(wǎng)的沖擊；變頻器自帶過電壓、過電流、電源缺相和欠電壓保護(hù)等功能，代替了電氣接觸器保護(hù)功能的元器件，簡化控制系統(tǒng)線路，降低故障率。同時(shí)，變頻控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲小，能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無極調(diào)速，根據(jù)負(fù)荷來控制各變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速，節(jié)約電能和維修的生產(chǎn)成本[12-13]。

4 結(jié)語

采用上述控制鏈條爐的方法，有望改變現(xiàn)有燃煤鏈條鍋爐的弊端，讓鏈條爐的各參數(shù)之間達(dá)到匹配要求，即爐排電機(jī)轉(zhuǎn)速、爐排煤層厚度、鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量和引風(fēng)機(jī)風(fēng)量協(xié)調(diào)控制，保證爐膛內(nèi)的煙氣氧含量在合理范圍內(nèi)，減少氮氧化物對大氣的污染，用自動(dòng)化變頻控制方法替換現(xiàn)有的電氣接觸器控制方式，減少了電氣故障率，提高鍋爐運(yùn)行效率，減少能源浪費(fèi)，節(jié)約運(yùn)行成本。