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淺析工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的研究與節(jié)能應(yīng)用
前言
當(dāng)前，相對(duì)于其他先進(jìn)國(guó)家而言，我國(guó)工業(yè)鍋爐的自動(dòng)化運(yùn)作水平還比較低，只有部分確保鍋爐安全運(yùn)作的基本功能，比如介質(zhì)溫度監(jiān)測(cè)保護(hù)、鍋爐水位安全監(jiān)測(cè)等功能，而在工業(yè)鍋爐燃燒工況的自動(dòng)化調(diào)節(jié)方面，還不是很先進(jìn)，進(jìn)而導(dǎo)致工業(yè)鍋爐運(yùn)行的效率難以提升。另外，依據(jù)有關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，工業(yè)鍋爐在能源消耗上比較大，在全國(guó)工業(yè)行業(yè)能源消耗上居于第二位。因此，加強(qiáng)對(duì)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐控制的自動(dòng)化、智能化以及節(jié)能化，是極為關(guān)鍵的。
1.工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的分析
在我國(guó)的有關(guān)條例當(dāng)中，對(duì)鍋爐的具體解釋為：運(yùn)用電能、煤炭燃料或者是其它能源，對(duì)裝滿的液體進(jìn)行加熱，且達(dá)到一定的參數(shù)，并進(jìn)行對(duì)外輸出熱能的一種機(jī)械設(shè)備。在規(guī)定范圍以內(nèi)的鍋爐一般有三種，分別是有機(jī)熱載體鍋爐、額定功率≥0.1MW且出口水壓≥0.1Mpa的承壓熱水鍋爐、處于最高安全水位時(shí)存水容積≥30L的承壓蒸汽鍋爐等[1]。一般情況下，工業(yè)鍋爐主要包括八個(gè)部分，分別是鍋筒、爐排、爐膛、引風(fēng)機(jī)、省煤器、給水泵、鼓風(fēng)機(jī)以及空氣預(yù)熱期等等。
2.工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)必須對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，其中主要包含鍋爐入口處的壓力與水溫、出口處的壓力與水溫、空氣預(yù)熱期入口處的負(fù)壓、鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓、爐膛的負(fù)壓以及排煙溫度等等。在這些參數(shù)當(dāng)中，有部分參數(shù)必須實(shí)時(shí)進(jìn)行觀察，且利用控制系統(tǒng)傳送到控制操作臺(tái)中，顯示在工作人員的眼前。
2.1工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
工業(yè)鍋爐是一種極為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，具有多輸出、多輸入、多回路以及非線性的互相關(guān)聯(lián)性，在被調(diào)節(jié)參數(shù)和調(diào)節(jié)參數(shù)彼此間，存在諸多極為復(fù)雜的交叉關(guān)聯(lián)，在對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)的過(guò)程中有一定的難度。一般情況下，人們會(huì)將鍋爐系統(tǒng)控制分成若干個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，即爐膛負(fù)壓控制、汽包液位控制、給煤控制以及送風(fēng)控制等等。以下筆者將都這些閉環(huán)控制系統(tǒng)加以闡述。
(1)爐膛負(fù)壓控制：爐膛負(fù)壓說(shuō)明了引風(fēng)量和送風(fēng)量?jī)烧咧g的關(guān)系，爐膛負(fù)壓控制的主要目的就是為了確保鍋爐在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以一直維持在微負(fù)壓的平穩(wěn)狀態(tài)之下，從而保障鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性和可靠性。
(2)汽包液位控制：工業(yè)鍋爐進(jìn)行給水自動(dòng)調(diào)節(jié)，其主要的目的是確保給水量與鍋爐的蒸發(fā)量相符，且保證汽包液位始終維持在工藝允許的范疇之內(nèi)。一般情況下，汽包液位控制有三種情況，即單沖量控制(水位是唯一信號(hào)調(diào)節(jié)的單回路、單參數(shù)控制系統(tǒng))、雙沖量控制(用蒸汽流量當(dāng)作補(bǔ)充信號(hào)的一種雙參數(shù)控制系統(tǒng))、三沖量控制(將主蒸汽流量與給水流量當(dāng)作補(bǔ)充信號(hào)的三參數(shù)控制系統(tǒng))，對(duì)三沖量控制系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)化，還能夠分成三沖量串及調(diào)節(jié)、三沖量單級(jí)調(diào)節(jié)[2]。
(3)給煤控制：鍋爐給煤燃燒和鍋爐的形式、燃燒的設(shè)備以及燃燒的種類等方面有著極為緊密的聯(lián)系。燃燒過(guò)程的控制，必須滿足以下三大要求，即①應(yīng)該確保出口蒸汽壓力的穩(wěn)定性，且可以依據(jù)負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)燃料量進(jìn)行自動(dòng)的增加或減少;②維持良好的燃燒狀況和供氣狀況;③確保鍋爐運(yùn)行的安全性。確保爐膛中有一定負(fù)壓，倘若負(fù)壓過(guò)低，將導(dǎo)致?tīng)t膛中的熱煙氣朝外冒出，進(jìn)而危及現(xiàn)場(chǎng)工作人員以及其他設(shè)備的安全;而負(fù)壓過(guò)高，將造成冷空氣進(jìn)入鍋爐中，進(jìn)而將加大熱量的損耗。
給煤控制的手段一般有三種，分別是爐膛負(fù)壓的控制、爐膛內(nèi)含氧量的控制以及主蒸汽壓力的控制。如下圖1所示，經(jīng)由送風(fēng)量與燃料量的調(diào)節(jié)，達(dá)到控制主蒸汽壓力的目標(biāo)，而經(jīng)由對(duì)燃料與空氣輸入的調(diào)節(jié)，使其構(gòu)成一定的比例，進(jìn)而達(dá)到控制爐膛內(nèi)含氧量的目標(biāo)，經(jīng)由對(duì)引風(fēng)機(jī)引風(fēng)量的調(diào)節(jié)，達(dá)到控制爐膛負(fù)壓的目的。
(4)送風(fēng)控制：風(fēng)煤調(diào)節(jié)，是利用負(fù)荷規(guī)則調(diào)節(jié)器達(dá)到控制目的的，即在減負(fù)荷的過(guò)程中，先減煤然后再減少風(fēng)量，在增加負(fù)荷的過(guò)程中，先增加風(fēng)量然后再增加煤。送風(fēng)控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)和給煤控制系統(tǒng)相結(jié)合，協(xié)調(diào)統(tǒng)一，以便使風(fēng)煤比例控制在一定的范疇內(nèi)，進(jìn)而使鍋爐的燃燒始終保持在最理想的狀態(tài)下。
(5)過(guò)熱蒸汽出口溫度控制：對(duì)蒸汽過(guò)熱系統(tǒng)加以調(diào)節(jié)，其主要的目的是為了確保過(guò)熱蒸汽出口溫度始終控制在正常的范圍之內(nèi)，且對(duì)過(guò)熱器進(jìn)行保護(hù)，以確保過(guò)熱器的管壁溫度不會(huì)超過(guò)正常的允許范圍[3]。通過(guò)上述各個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，來(lái)達(dá)到鍋爐控制系統(tǒng)總體的控制目標(biāo)，而各個(gè)子系統(tǒng)的控制器均是采取PID調(diào)節(jié)器來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。
2.2鍋爐自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)
在工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)當(dāng)中，保護(hù)系統(tǒng)是一個(gè)極為關(guān)鍵且不可忽視的部分與環(huán)節(jié)。鍋爐設(shè)備的結(jié)構(gòu)、技術(shù)特點(diǎn)、容量以及運(yùn)行方式等，決定鍋爐保護(hù)的主要內(nèi)容，一般情況下，在鍋爐保護(hù)系統(tǒng)中會(huì)設(shè)置汽包水位的保護(hù)、連鎖保護(hù)、氣壓的保護(hù)、鍋爐滅火的保護(hù)以及緊急停爐等等。
2.3MCGS組態(tài)軟件
工作人員應(yīng)當(dāng)充分聯(lián)系C++Builder面向?qū)ο缶幊痰奶卣髋c鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，在鍋爐控制軟件當(dāng)中采取MCGS組態(tài)軟件。該軟件將多種技術(shù)合為一體，例如數(shù)據(jù)庫(kù)、圖形技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)等等。MCGS組態(tài)軟件是一個(gè)建立在Windows平臺(tái)之上的，用在迅速建造與形成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件，主要的工作是收集和檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)，并處理和控制前端數(shù)據(jù)。該軟件具有操作簡(jiǎn)便、功能齊全、可視性好等優(yōu)點(diǎn)。將該軟件和其它有關(guān)的硬件設(shè)備有機(jī)融合，能夠有效的對(duì)應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)采集、數(shù)據(jù)處理的設(shè)備進(jìn)行開(kāi)發(fā)。只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的模塊組態(tài)，用戶就能夠建立所需的運(yùn)用系統(tǒng)。
3.鍋爐控制系統(tǒng)運(yùn)用的系統(tǒng)測(cè)試和節(jié)能分析
某公司于2010年6月25日至28日對(duì)三臺(tái)20T工業(yè)鍋爐實(shí)行了控制系統(tǒng)技術(shù)改造，具體的鍋爐型號(hào)是SZL20-2.5-AⅡ。在對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行改革之后，于7月1日到5日對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)行調(diào)試，6日正式試運(yùn)行。在試運(yùn)行的過(guò)程中，鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，出口壓力變化幅度控制在(2.14±0.02)Mpa。在鍋爐試運(yùn)行階段，鍋爐操作人員反應(yīng)在對(duì)鍋爐進(jìn)行改造之后，操作鍋爐更加的簡(jiǎn)單化，勞動(dòng)強(qiáng)度也隨之降低。
對(duì)工業(yè)鍋爐采用自動(dòng)化技術(shù)之后，鍋爐運(yùn)行的效率得到了明顯的提升，且節(jié)約了5%～8%的煤燃料。倘若以5%的節(jié)煤，對(duì)節(jié)能效益進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)公司滿負(fù)荷運(yùn)作預(yù)估鍋爐耗煤量大約在5.7萬(wàn)噸，那每年節(jié)約煤的數(shù)量為：5.7×5%=0.285萬(wàn)噸。倘若每噸煤的價(jià)格為850元，那么每年節(jié)約的成本就是242.25萬(wàn)元。由此可見(jiàn)，對(duì)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化、智能化改造，不但能夠有效提高鍋爐運(yùn)行的效率，降低鍋爐操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，且可以減少?zèng)]燃料消耗的數(shù)量，達(dá)到節(jié)約能源的目標(biāo)。
4.結(jié)束語(yǔ)
綜上，工業(yè)鍋爐是一種極為復(fù)雜且典型的熱工系統(tǒng)，對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行有效的開(kāi)發(fā)與研究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的完善，且提升鍋爐的性能，符合當(dāng)前社會(huì)工業(yè)鍋爐生產(chǎn)發(fā)展的需求，擁有極為寬廣的發(fā)展前景與極高的研發(fā)價(jià)值。對(duì)工業(yè)鍋爐的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，不但能夠在一定程度上提升鍋爐系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，同時(shí)還能夠提升鍋爐使用的安全性與可靠性，具有極為重大且現(xiàn)實(shí)的意義。
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