过程控制在锅炉燃烧系统中的应用

1 前言 锅炉是冶铁、发电等工业过程中必不可少的重要的动力设备[2]。它所产生的高压蒸汽既可作为风机系统中汽轮机的动力源，又可以作为加热等过程的热源。为了更好的提高锅炉燃烧的效率，利用过程控制是锅炉燃烧系统中不可缺少的关键因素。 2 锅炉燃烧系统的过程控制要求 锅炉系统燃烧与燃料种类、燃烧设备以及锅炉的形式等有密切关系。燃烧过程的控制基本要求有三个： （1）必须保证出口的蒸汽压力稳定，并能按负荷要求自动增减燃料量。 （2）燃烧状况良好，供气适宜。 （3）锅炉要安全运行。保持炉膛具有一定的负压，如果负压太小，或为正值，造成炉膛内热烟气往外冒，影响设备和工作人员的安全；负压太大，导致大量冷空气漏进炉内，从而增加热量损失。 3 锅炉燃烧系统的控制手段 根据上述控制要求，锅炉燃烧系统需要相应的控制手段 3.1 主蒸汽压力的控制 主要通过调节输入的燃料量和送风量的多少来实现。当“负荷流量”增加时，压力会下降，为了保证流量的供应，必须提高压力使其返回到额定值，因此调节手段主要是增加燃料输入量和送风量；当“负荷流量”下降时，压力会上升，为了保证流量供应，须降低压力使其返回额定值，这时的调节手段主要是减少燃料输入量和送风量；当“负荷流量”恒定时，保持压力为额定值不变。 3.2 炉膛内含氧量的控制 主要通过调节空气（即送风量）和燃料的输入成一定的比例来实现。一般情况下，燃料增加时，燃料耗氧量要增加，为了保证含氧量不致于过低，调节手段是必须相应地增加一定比例的空气量（送风量）；燃料减少时，燃料耗氧量会减少，为了保证含氧量不致于过高，这时的调节手段应该是成比例地减少一定的空气量（送风量）。 3.3 炉膛负压的控制 主要通过调节引风机的引风量来实现。当燃料和送风需要增加时，炉膛负压势必会向正压的方向减小，为了保证负压，调节手段应该是先增加引风量；当燃料和送风需要减少时，炉膛负压势必会向负的方向增大，这时的调节手段应该是先减少引风量。 4 锅炉燃烧系统的控制方案 4.1 高炉煤气与空气的比值控制系统 高炉煤气的流量随蒸汽的负荷而变化，作为主流量与空气流量组成比值控制系统，使高炉煤气与热风保持一定的比例，获得良好的燃烧[1]。为了使高炉煤气完全燃烧，在提高负荷时，要求先增空气量，后增加高炉煤气量；而在降低负荷时，要求先降高气量，后降热风量。以下是具有两个选择器组成的具有逻辑提量功能的燃烧过程控制系统示意图。 图1 高炉煤气燃烧过程控制方案 4.2 烟气氧含量闭环控制 高炉煤气与热风的比值控制系统存在不足之处，一是不能保证两者的最优比，这是因为流量测量的误差以及高炉煤气的质量变化所造成的，另外锅炉负荷不同，两者最优比也有所不同。为此，要有一个检验高炉煤气与热风适量配合的指标，作为送风量的校正信号。通常用烟气中的氧含量作为送风量的校正信号。在锅炉的实际运行中，蒸汽负荷经常变动，要使不同负荷运行时锅炉总是处于最佳燃烧过程，则需要对上面的闭环控制系统加以完善。蒸汽流量与烟气中最优氧含量之间是一种曲线关系如图2的折线，当负荷下降时，烟气中氧含量要增加，就应该增加过剩空气量。根据图1，可以在系统中加一折线函数发生器，对空气过剩量进行修正，构成下列如图3控制方案。在这个方案中，当负荷发生变化时，蒸汽负荷信号经函数发生器修正氧量成分控制器的给定值，然后由氧量控制器校正过剩空气量，使锅炉在不同负荷下始终处于最佳过剩空气量下运行。达到了最优过程控制的目的。 图2 负荷与氧含量之间关系 图3 完善的烟气中氧含量的闭环控制方案 5 锅炉燃烧系统的智能控制应用实例 在山东莱芜钢铁公司的银前锅炉燃烧系统中，采用了一种多输入多输出的专家预测控制系统方案。这种控制方案，把蒸汽压力、炉膛氧含量、炉膛负压作为被控变量，把煤气支管调节阀开度、送、引风机频率作为控制变量，考虑被控变量的历史变化趋势，采用向后预测、多步局部优化的方式，使三个被控变量逐步趋近于目标值。下面是控制系统的主画面： 6 结语 由于直接采用多变量控制，所以就避免的复杂的解耦运算；由于预测算法考虑了被控量的历史变化趋势，并在每个控制周期进行局部优化，所以系统能够有效的抗击外部干扰，并且能够较好地消除滞后带来的影响。经过实际投运，算法的优越性得到了验证，系统运行稳定，控制效果良好。 参考文献： [1]翁维勤 周庆海 过程控制系统及工程 化学工业出版社 1996年 [2] 孙优贤 锅炉设备的自动调节 化学工业出版社 1982年 作者简介:焦守林,1972年生,工程师,主要研究方向是计算机、仪表、自动化控制。 楚志发，1983年生，工程师助理，主要研究方向是仪表、工业过程控制。