浅析燃气锅炉热力系统综合自动控制技术的应用

摘要 ：通过对锅炉自动化改造，运行计算机自动控制系统全面实现对锅炉以及辅机系统的自动监控和管理功能，同时实现锅炉的自动运行与安全检测功能，可实现锅炉运行安全可靠、锅炉气耗成本下降、锅炉废气排放减少、司炉工劳动强度降低效益。

关键词 ：锅炉；控制系统；数据采集与监控；模拟量回路控制；汽包水位安全保护

中图分类号：TK229文献标识码： A

供热是保障北方城市居民正常生活的基本条件，也是城市功能正常运转的基本保证。科学合理规划供热建设和发展，对于提高供热保障能力、满足人民生活需求、改善大气环境、构建和谐社会具有重要意义。

北方某锅炉房改造工程，由燃煤锅炉改为燃气锅炉，安装3台58MW燃气热水锅炉、1台40t/h燃气蒸汽锅炉、2台75t/h燃气蒸汽锅炉，对锅炉进行改造，实现锅炉自动控制，以减低蒸汽制造成本。锅炉（Boiler）是利用燃料燃烧释放的热能（或其他热能）对水或其他介质进行加热，以获得规定参数（温度、压力）和品质的蒸汽、热水或其他工质的设备。锅炉包括“锅”和“炉”两个部分，为了保证锅炉正常运行，配置了必要的附件、仪表、自控装置和辅助设备。锅炉是一种密闭的容器，具有爆炸危险；锅炉本体在高温、承压的条件下运行，比一般机械设备的工作条件更为恶劣；锅炉是能源转换重要设备，转换效率的高低直接影响着生产热源成本。因此，对原手动操作控制锅炉进行自动化改造具有很好安全效益和节能效益。

1 燃气锅炉自动控制系统概述

控制系统可采用新航智公司的EDPF-NT控制系统作为单台燃气蒸汽锅炉系统和公用系统的控制核心，全面实现对蒸汽锅炉以及辅机系统的自动监控和管理功能。在此基础上，通过网络实现锅炉控制系统与人机界面-触摸屏之间的数据通讯，并通过以太网络/TCP/IP协议实现锅炉控制系统之间以及与用户自备上位监控系统的数据交互。上位监控管理计算机完成对所有锅炉控制系统的数据通讯与处理，并负责完成所有锅炉系统重要运行参数的历史记录、存储、和生产报表打印以及各锅炉运行负荷的统一调配，充分体现了控制分散，信息管理集中的现代工业设备控制思想的发展理念。具有投资合理，可靠性高、便于扩展，技术先进等优点。

锅炉控制系统的结构设计如下： 控制系统分三层网络结构,分别为：操作管理层、过程控制层、现场检测及控制层。操作管理层网络设置两路独立以太网络,两个网络互为冗余。过程控制层采用两台过程控制器,互为冗余。现场检测及控制层采集信号,传送至过程控制器,进行信号处理分析。

现场检测及控制层：本层主要实现数据采集、指令执行、现场关联保护等功能。由工业专用的计算机、监视器、键盘及鼠标等组成,主要完成对所采集的信号进行各种图形及表格的显示。报警值的修改及重设,调节阀的远程手动操作,流量的积算,系统数据的存储及各项报表的制作等工作。

过程控制层：本层主要实现系统的顺序控制、节能控制的算法实现等功能。设置两台互为冗余的过程控制器,采用双网卡链接。由现场控制器、电源和各种I/O卡件组成。主要完成各种信号的综合处理（物理转换和报警检查等）、回路的计算和处理、逻辑回路的处理、先进控制算法的执行等。

操作管理层： 本层主要实现系统的操作及监控、数据的存储及分析等功能。设置4台操作站,作为用户操作访问接口终端；设置2台历史数据库服务器,用于存储控制系统的过程参数、设备信息、事件、故障、报警等历史数据。4台操作站均可通过权限认证,获得操作权限或工程师权限；其中2台用于监控燃气热水锅炉、1台用于监控燃气蒸汽锅炉、1台用于监控外网及工艺及设备。每台操作站均采用双网卡连接。

控制系统操作分为3个模式：DCS自动控制；DCS软手动控制；强电硬手操控制；在正常工作状态下，采用DCS自动控制模式；在调试状态下，采用DCS手动控制模式；在DCS系统瘫痪状态下，采用强电手操控制模式，以保证整个控制系统的安全性和可靠性。

2）DCS的人机界面选择触摸屏方式；强电手操控制采用显示仪表做为人机界面。

3）锅炉控制系统配置以太网接口，以太网接口实现锅炉控制系统与用户监控系统层的数据对接。

2 燃气蒸汽锅炉的本体控制功能

根据燃气锅炉的控制点位，将锅炉的控制系统分为三个部分：数据采集与监控部分；模拟量控制回路部分；燃烧顺序控制与安全保护部分。

1）数据采集与监控，一般数据采集是由变送器或传感器将非电量参数转变为电量参数，这些参数通过导线直接送到DCS检测模块，进行A/D转换后由DCS的CPU预算处理，或由上位计算机运算处理，形成供显示和控制用的数据。

2）模拟量回路控制。模拟量控制主要应用的技术有：燃烧器控制（主汽压力控制）、汽包水位变频控制、排烟温度控制等。其中汽包水位变频控制采用独立的PID控制器实现，提供与锅炉本体控制系统的数据对接；燃烧器控制（主汽压力控制）的底层控制由比例调节器完成控制，蒸汽压力、压力锅炉本体控制系统优化计算，比例调节器与锅炉本体控制系统实现数据对接。

2.1 蒸汽压力-燃烧控制

蒸汽压力通过调节燃气调节阀门开度、配风等参数实现控制要求，所以在构建蒸汽压力度-燃烧控制方案时，将压力检测值和设定值经过比较，其偏差作为控制器的输入信号，控制器进行P、I、D运算后，输出控制信号去调节燃气的开度和鼓风机转速（改变送风量）。为了温度的稳定，系统引入蒸汽流量作为前馈信号，更为及时操纵燃气调节阀和鼓风机。压力低就加大调节阀门开度，高则减少调节阀门开度。稳定运行时，总风量调节采用以主汽压力PID输出值做比例控制，如有必要引入风温、风压补偿等。控制软件采用标准脉冲输出，控制燃烧器的电机正转或者反转，以达到负荷要求。控制输出的频率为秒级，可以达到1%B-MCR/sec，因此，完全满足锅炉负荷变化率的要求。此外，燃烧控制算法带有人工指导功能，用户可以指设定从点火到满负荷的时间，因此，在不同的压力状态下，一旦用户输入了启动大于满负荷的时间要求，燃烧控制软件将根据实际的蒸汽压力进行负荷的控制，在差距较大的情况下，采用全开式燃烧，在接近满负荷状态，智能化软件根据动态的PID参数对燃烧风门进行调节，保证满负荷状态的平稳到达，减少超调，以到达最佳的控制效果，完全满足不同温度状态下从起动到满负荷的时间要求。

气压负荷控制系统将压力传感器所检测到的蒸汽压力，经A/D模块转换送到DCS中，并在显示屏上显示当前的实际蒸汽压力。希望的蒸汽压力可在显示屏上直接设定， DCS将获得的希望蒸汽压力与实际蒸汽压力进行比较，获得相应的压力误差，在DCS内部进行PID运算，获取负荷控制量，通过DCS输出控制负荷的加大或减小，以保证蒸汽压力恒定。引入蒸汽流量作前馈是为了增加燃烧控制的反应速度，全负荷变化大时保证汽包压力的稳定。

2.2 汽包水位PID变频控制

汽包水位的稳定影响到锅炉安全、高效、经济等各个方面，所以必须采取行之有效的方法来控制汽包水位的稳定。汽包水位PID变频控制又称给水控制，它反映给水量与供汽量的动态平衡，属于典型的串级加前馈控制方式。给水流量作为副调回路，克服给水流量变化扰动；汽包水位作为主调回路。给水控制采用变频控制给水泵方式取代原有的调节阀，锅炉原水优先采用锅炉蒸汽回用冷凝水，其次为热回收加热软水，以达到节能降耗的目的。

3.1 锅炉顺序控制

顺序控制的目的就是控制蒸汽锅炉按照安全规范启动设备、停止设备。在遇到异常情况发生时，及时报警，当达到连锁保护值时，启动相应的连锁保护停止设备运行，未在连锁保护范围内的异常情况时，操作人员视其情节严重，可作相应的处理，以保证锅炉安全生产。燃烧器运行程序分为准备程序、点火程序、运行程序、联锁保护程序和停炉程序五个部分。

3.2 锅炉安全保护控制

锅炉启动过程中自动检测各反馈信号是否达到安全运行要求，若未达到启动条件则显示报警，启动保护主要如下：低水位报警、蒸汽超压报警、熄火故障报警、燃气压力故障报警、限位故障报警、天然气检漏失败报警、鼓风机过载故障报警。当出现报警时未检修复位前，锅炉不能正常启动，确保了锅炉安全运行。

燃气锅炉自动化改造后，产生了较好的经济效益、安全效益和环境效益。第一，减少了人为因素对锅炉效率的影响，提高锅炉燃烧效率，使改造后的锅炉节电率大于25%，单位蒸汽消耗天然气下降2%-10%之间。第二，锅炉燃烧明显增加3%-5%。第三，锅炉废气排放减少5%以上。第四，大大减轻司炉工的工作量，减低工作劳动强度。

参考文献 ：

[1].朱江，某集中供热工程自控系统设计分析，《工程建设与设计》，2008.7

[2] 陈培刚.蒸汽锅炉自动节能控制系统技术应用[J].山东煤炭科技，2011，（03）：247-248

[3] GB50041-2008锅炉房设计规范，2008-02