煤礦供熱鍋爐自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張 峰

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司云崗礦， 山西 大同 037017）

引言

我國具有大量開采的煤礦作業(yè)，在煤礦的運(yùn)行系統(tǒng)中，供熱鍋爐作為主要的供熱系統(tǒng)熱源，對礦井的采暖通風(fēng)、洗浴及井筒防凍用熱等具有重要的作用。鍋爐作為動(dòng)力能源的一種生產(chǎn)設(shè)備，其安全穩(wěn)定的運(yùn)行對煤礦的安全及有效生產(chǎn)具有重要的影響[1]。煤礦鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要正確合理的操作、良好的運(yùn)行環(huán)境、科學(xué)的管理及行之有效的控制方式。對煤礦的鍋爐系統(tǒng)采用先進(jìn)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)[2]，可以實(shí)現(xiàn)對鍋爐運(yùn)行過程的監(jiān)控，提高鍋爐的安全性，并提高鍋爐的運(yùn)行效率，保證煤礦的安全生產(chǎn)。

1 鍋爐自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

供熱鍋爐的控制過程復(fù)雜，對水進(jìn)行加熱形成蒸汽實(shí)現(xiàn)供熱，滿足負(fù)荷的需要及鍋爐的安全運(yùn)行。在工作過程中，需對鍋爐各環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控并嚴(yán)格控制。鍋爐供熱系統(tǒng)的監(jiān)控控制系統(tǒng)如圖1 所示[3]，控制變量主要包括鍋爐的給水量、燃料量、送風(fēng)量及引風(fēng)量，依據(jù)鍋爐的燃燒及運(yùn)行狀況，被控參數(shù)主要包括汽包的水位及壓力、蒸汽的溫度及壓力、爐膛的壓力[4]。鍋爐的控制系統(tǒng)是多輸入、多輸出的控制，相互之間的影響較大，在煤礦的供熱鍋爐中，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務(wù)包括維持汽包的水位在設(shè)定的范圍[5]，保持蒸汽的溫度穩(wěn)定，保證鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性，保持氣壓的穩(wěn)定，同時(shí)保證鍋爐膛壓的穩(wěn)定。

圖1 供熱鍋爐控制系統(tǒng)示意圖

供熱鍋爐的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)采用PLC 控制，系統(tǒng)硬件主要包括工控機(jī)、PLC、監(jiān)控儀表等，監(jiān)控系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖2 所示[6]。監(jiān)控系統(tǒng)的整體功能包括對汽包水及蒸汽等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，通過采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)備的操作，實(shí)現(xiàn)邏輯控制，操作人員可以對鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)或手動(dòng)控制[7]，同時(shí)可通過上位機(jī)進(jìn)行鍋爐整個(gè)工藝過程的監(jiān)控，對相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)定及數(shù)據(jù)的查詢存儲。當(dāng)鍋爐系統(tǒng)存在異常時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)可自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，并通過界面顯示響應(yīng)的報(bào)警信息，并對此時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲記錄。

圖2 鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)示意圖

2 鍋爐自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 水位監(jiān)控模塊

鍋爐的水位控制回路可實(shí)現(xiàn)鍋爐水流量及蒸發(fā)量的平衡，保持水位的穩(wěn)定并使鍋爐的蒸汽水位在設(shè)定的范圍內(nèi)。在供熱系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)荷突然增加時(shí)，由于蒸發(fā)量的增加導(dǎo)致鍋爐內(nèi)的水壓降低，容易產(chǎn)生大量的氣泡，使得鍋爐內(nèi)的水位出現(xiàn)虛假升高的現(xiàn)象[8]；同樣的，當(dāng)負(fù)荷量突然減小時(shí)，也會(huì)存在虛假水位的現(xiàn)象，對鍋爐的水位控制造成影響。

在自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中，采用三沖量水位控制系統(tǒng)進(jìn)行鍋爐水位的控制，控制系統(tǒng)如圖3 所示。采用鍋爐的水位作為主控信號，蒸汽流量作為前置反饋信號，給水流量作為反饋信號，系統(tǒng)采用PID 調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行控制，形成閉環(huán)的控制系統(tǒng)，對給水的調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)監(jiān)控[9]。

圖3 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)三沖量水位控制系統(tǒng)示意圖

2.2 爐膛監(jiān)控模塊

鍋爐的爐膛控制是多變量、多參數(shù)的復(fù)雜控制系統(tǒng)，在自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中，對爐排的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制從而實(shí)現(xiàn)給煤量的控制，通過變頻器進(jìn)行爐排的變頻控制，實(shí)現(xiàn)爐排轉(zhuǎn)速的改變，從而依據(jù)負(fù)荷的變化實(shí)現(xiàn)給煤量的改變。爐膛的鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，采用變頻器調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的頻率，控制系統(tǒng)的送風(fēng)量，保證爐膛內(nèi)部的燃燒效率，使得系統(tǒng)的送風(fēng)量依據(jù)外界負(fù)荷及給煤量的變化而進(jìn)行改變，實(shí)現(xiàn)最佳的風(fēng)煤比。引風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)爐膛內(nèi)部的引風(fēng)量，保證爐膛的溫度及負(fù)壓在給定的安全范圍內(nèi)。

在鍋爐運(yùn)行的過程中，煤炭在爐膛內(nèi)部燃燒，需保持爐膛的負(fù)壓運(yùn)行，從而保證鍋爐的安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)。對爐膛負(fù)壓的調(diào)節(jié)主要依靠引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。爐膛內(nèi)部的負(fù)壓通過引風(fēng)量及鼓風(fēng)量的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，爐膛的壓力控制如圖4 所示。其采用PID 調(diào)節(jié)的方式實(shí)現(xiàn)對爐膛壓力的快速控制，從而保證監(jiān)控系統(tǒng)對爐膛壓力的快速調(diào)節(jié)。

圖4 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)爐膛壓力控制系統(tǒng)示意圖

3 結(jié)語

鍋爐將一次能源轉(zhuǎn)變成二次能源進(jìn)行利用，在我國廣大的煤礦開采中具有廣泛的應(yīng)用，是必不可少的重要設(shè)備。由于在煤礦中的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，條件較為惡劣，需要對煤礦的供熱鍋爐進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控。自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對鍋爐運(yùn)行過程的監(jiān)控，并可提高鍋爐的運(yùn)行效率。采用PLC 控制的方式對鍋爐的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析了煤礦供熱鍋爐系統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的要求，進(jìn)行了總體方案的設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了各不同功能模塊的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對煤礦鍋爐供熱系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)控。在實(shí)際的運(yùn)行過程中，依據(jù)所設(shè)計(jì)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件的搭建，通過工業(yè)以太網(wǎng)的形式進(jìn)行組件間的通信。自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用，可以實(shí)現(xiàn)鍋爐安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，對煤炭的開采及能源的使用具有重要的意義。