锅炉控制系统

09423003 自动化093班  吴士保 

摘要：近些年,随着我国经济的蓬勃发展,对于能源的需求也日益增加。但是由于对于能源的使用方法不够先进，有很大一部分能源是被浪费的，并且也导致了环境的破坏。在能源的消耗中，锅炉消耗要占据很大一部分。为使工业锅炉达到节能和环保要求，必须把锅炉的一些指标控制在适当范围。针对一个工业锅炉，设计了一套锅炉的智能控制系统，建立控制模型，实现了整个系统的智能化控制。 

     本文主要针对锅炉的充分利用来进行论述。设计一个闭环系统，利用反馈环节，控制锅炉内的能源充分利用。最终实现对对能源的充分利用，节约能源的目的。

关键字：能源 智能控制 锅炉

课题研究的意义：

随着科学技术的飞速发展,微机控制的概念正逐步为工业控制所使用所使用，已成为21世纪工业发展的一个重要方向。采用微机技术构建控制系统，开发效率高，可维护性强，测试精度、稳定性和可靠性能够得到充分保证，具有很高的性价比，节省投资，便于设备更新和功能的转换与补充。

现代社会是一个自动化程度高度集中的时代，我们的日常生活、生产离不开各种各样形形色色的机器。节能是控制方面的一个很重要的参数，现在生活中处处都讲求以最小的能源获取最大的利益。近年来，控制领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，智能化已是现代控制系统发展的主流方向。

本设计运用反馈闭环通过控制锅炉的加热，尽可能的充分利用能源，做到低能耗高生产的目的。

设计方案：

本设计的锅炉控制系统，由以下几部分组成，即锅炉本体、一次仪表、控制系统、上位机、手自动切换操作、执行机构及阀、电机等部分组成，一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机。控制系统包括手动和自动操作部分，手动控制时由操作人员手动控制，用操作器控制变频器、滑差电机及阀等，自动控制时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，以免锅炉发生重大事故。

首先是锅炉的原理设计图通过需求，设计了一个锅炉控制的原理图，通过微机把进水信息与蒸汽信息提供给调节器。如下图所示

                               锅炉原理图

                               锅炉控制原理图  

主被控变量是锅炉流动水温度，副被控变量是出水流量。

锅炉流动水温度控制器把控制信号给出水流量控制器。在副回路中，出水流量控制器根据给定值给出出水流量控制电动阀控制信号，从而控制出水压力。出水压力传感器采集出水压力值，反馈到出水流量控制器，与给定值进行比较后得出的残差信号再次输出给进水流量控制电动阀，控制出水压力；在主回路中，出水流量影响锅炉流动水温度，锅炉流动水温度传感器采集锅炉流动水温度，反馈到锅炉流动水温度，反馈到锅炉流动水温度控制器，与最初的给定值进行比较后得出的残差信号再次输出给出水流量控制器的发挥路控制出水流量，从而达到控制锅炉流动水水温度的目的。

     以下仿真是基于“组态王”仿真软件的仿真结果：

                     自动控制方式

锅炉燃烧过程：

工业锅炉是一个多输入、多输出、非线性、强耦合的动态对象，锅炉的燃烧过程是一个具有强干扰、非线性、时变、多变量的复杂过程。在锅炉的设计过程中以最大工艺负荷为依据，并给以一定的余量来确定锅炉的容量。在选择锅炉配套风机时，要考虑短期的超负荷能力，并加以适当的余量来确定机型。这样，锅炉房设计中，最后确定的容量远大于实际负荷。在实际运行中，锅炉也大部分时间处于非满负荷状态下运行。

锅炉在高负荷运行时，由于负荷大，炉排给煤量和送风量也很大，炉膛温度高，燃烧强度大。若采用较低的过剩空气系数可以有效的降低排烟温度，提高炉内和对流管束的温度，有利于微小碳粒子的继续燃烧，从而降低排烟损失和机械不完全燃烧损失。而当锅炉运行于低负荷时，由于负荷小，炉排给煤量和送风量相应减少，燃烧强度下降，若采用较高的过剩空气系数，可相对增加送风量，提高碳粒子与氧的碰撞率和氧对碳的渗透压，有利于强化燃烧，提高炉膛温度和对流段的传热系数。

锅炉系统的热平衡表达式为

式中，—锅炉系统输入的总热量；—有效利用的热量(用于加热水及生产蒸汽)；—排烟热损失；—气体不完全燃烧热损失；—固体不完全燃烧热损失；—锅炉散热损失；—灰渣物理热损失。

实际应用中, 热损失主要由组成。锅炉的热效率为：

锅炉热损失与过量空气系数之间的关系如下图所示。随着过剩空气系数的增大, 进入炉膛的空气量增大, 煤粉和可燃性气体充分燃烧, 减少了和, 但是随着送风量的增大而增大, 而占热损失的比例最大。所以, 伴随着过剩空气系数的增大,和减小,增大,是锅炉热损失的主要部分。由上图看出三者之和形成一下凹曲线, 且具有极小值点, 在点的锅炉热损失最小, 热效率最高。点对应的为最佳过量空气系数, 即最佳风煤比。锅炉的热损失同时受煤质、炉体漏风等多种因素影响, 在这些因素发生变化时, 热损失曲线的极值点也将发生漂移变化, 故在实际应用中, 必须不断寻找最佳风煤比工作点。

控制原理：

鉴于工业锅炉运行过程特点，本系统以微机与各参数控制相结合的思想进行控制，以保证在满足负荷需求条件下燃烧效率最高。

控制器根据采集系统传送的参数——锅炉出口温度、流量、送风量、引风量、给水流量、给水温度、送煤量等进行优化控制计算，结合运行历史规则给出优化的运行参数分别传递到各子系统。

控制系统：

锅炉燃烧控制系统包括：负荷控制系统、炉膛负压控制系统。由于各种参数之间有多项耦合，通过微机计算对各参数间的相互耦合进行解耦求解。

为了使锅炉适应负荷的变化, 必须同时改变送风量和燃料量。由于送煤量的测量比较困难，再考虑滞后性，本系统采用送风量作为调节主参数。当负荷发生变化时，首先进行送风量的优化控制。送风控制系统的任务是保证进入炉膛的燃料充分燃烧, 使锅炉达到最高的燃烧效率。对于锅炉运行最佳效率必然对应着最佳风煤比。当给煤量一定时，也即对应着最佳送风量。因此，对锅炉燃烧系统的自寻优控制的实质是寻找最佳的送风量。其控制流程如右图所示。

送风量控制：

首先根据经验设定一个较好的值, 在锅炉运行工况达到平稳后, 通过改变风煤比搜索的最优值。考虑到燃烧系统的滞后特性，一般在改变后需延迟一定时间(可现场调整) 再测算, 直至求得最佳值。此时, 控制系统自动停止寻优, 默认当前值为最佳风煤比, 并再启动自寻优定时器, 为下次寻优做好准备。一般寻优间隔不宜太短,可根据实际工况自行设定, 在下次自寻优时间到达后, 控制仪表会首先判断系统是否进入稳定状态, 待进入稳定状态后再开始新一轮寻优。

炉膛负压控制：

在炉膛内存在一定的负压可以避免炉膛过多的热量随尾气排放，也可以防止锅炉炉膛因正压而向外喷火。负压控制是通过调节锅炉的引风量实现的。炉膛负压是由鼓风量和引风量之间特定关系形成, 鼓风量的变化是炉膛负压产生扰动的主要因素。本控制系统通过变频调速系统调节引风量来控制炉膛负压，同时炉内压力变化是个快速环节, 因此在设计负压控制器时, 采用前馈PID控制器。这样, 一旦鼓风量发生变化, 控制器可以迅速地调整引风机的转速, 从而将炉膛负压控制在要求的范围内。通过现场调试发现, 采用鼓风前馈控制可以使该控制系统的快速性大大提高。

结论：通过采用微机控制之后锅炉系统整体大大的节约了能源，在满足情况的前提下；采用微机控制，大大节约了能源成本，也减轻了人的劳动量。下图为给定温度情况下，基于matlab的仿真效果图

可得在预定的情况下，微机控制的锅炉几乎在预定的环境下工作，大大减小了不稳定。同时也减小了能源消耗，大大降低了能源的浪费。

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[8]王兰米 仪琳 冯海燕.《养护室温湿度测量控制系统的研制》

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