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淺析工業鍋爐控制系統的研究與節能應用
前言
當前，相對于其他先進國家而言，我國工業鍋爐的自動化運作水平還比較低，只有部分確保鍋爐安全運作的基本功能，比如介質溫度監測保護、鍋爐水位安全監測等功能，而在工業鍋爐燃燒工況的自動化調節方面，還不是很先進，進而導致工業鍋爐運行的效率難以提升。另外，依據有關調查發現，工業鍋爐在能源消耗上比較大，在全國工業行業能源消耗上居于第二位。因此，加強對工業鍋爐控制系統的研究與開發，實現工業鍋爐控制的自動化、智能化以及節能化，是極為關鍵的。
1.工業鍋爐控制系統的分析
在我國的有關條例當中，對鍋爐的具體解釋為：運用電能、煤炭燃料或者是其它能源，對裝滿的液體進行加熱，且達到一定的參數，并進行對外輸出熱能的一種機械設備。在規定范圍以內的鍋爐一般有三種，分別是有機熱載體鍋爐、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存水容積≥30L的承壓蒸汽鍋爐等[1]。一般情況下，工業鍋爐主要包括八個部分，分別是鍋筒、爐排、爐膛、引風機、省煤器、給水泵、鼓風機以及空氣預熱期等等。
2.工業鍋爐控制系統的設計與實現
工業鍋爐控制系統必須對各個參數進行檢測，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、空氣預熱期入口處的負壓、鼓風機的風壓、爐膛的負壓以及排煙溫度等等。在這些參數當中，有部分參數必須實時進行觀察，且利用控制系統傳送到控制操作臺中，顯示在工作人員的眼前。
2.1工業鍋爐控制系統的設計
工業鍋爐是一種極為復雜的控制系統，具有多輸出、多輸入、多回路以及非線性的互相關聯性，在被調節參數和調節參數彼此間，存在諸多極為復雜的交叉關聯，在對其進行調節的過程中有一定的難度。一般情況下，人們會將鍋爐系統控制分成若干個閉環控制系統，即爐膛負壓控制、汽包液位控制、給煤控制以及送風控制等等。以下筆者將都這些閉環控制系統加以闡述。
(1)爐膛負壓控制：爐膛負壓說明了引風量和送風量兩者之間的關系，爐膛負壓控制的主要目的就是為了確保鍋爐在運轉時，可以一直維持在微負壓的平穩狀態之下，從而保障鍋爐運轉的安全性和可靠性。
(2)汽包液位控制：工業鍋爐進行給水自動調節，其主要的目的是確保給水量與鍋爐的蒸發量相符，且保證汽包液位始終維持在工藝允許的范疇之內。一般情況下，汽包液位控制有三種情況，即單沖量控制(水位是唯一信號調節的單回路、單參數控制系統)、雙沖量控制(用蒸汽流量當作補充信號的一種雙參數控制系統)、三沖量控制(將主蒸汽流量與給水流量當作補充信號的三參數控制系統)，對三沖量控制系統進行細化，還能夠分成三沖量串及調節、三沖量單級調節[2]。
(3)給煤控制：鍋爐給煤燃燒和鍋爐的形式、燃燒的設備以及燃燒的種類等方面有著極為緊密的聯系。燃燒過程的控制，必須滿足以下三大要求，即①應該確保出口蒸汽壓力的穩定性，且可以依據負荷標準，對燃料量進行自動的增加或減少;②維持良好的燃燒狀況和供氣狀況;③確保鍋爐運行的安全性。確保爐膛中有一定負壓，倘若負壓過低，將導致爐膛中的熱煙氣朝外冒出，進而危及現場工作人員以及其他設備的安全;而負壓過高，將造成冷空氣進入鍋爐中，進而將加大熱量的損耗。
給煤控制的手段一般有三種，分別是爐膛負壓的控制、爐膛內含氧量的控制以及主蒸汽壓力的控制。如下圖1所示，經由送風量與燃料量的調節，達到控制主蒸汽壓力的目標，而經由對燃料與空氣輸入的調節，使其構成一定的比例，進而達到控制爐膛內含氧量的目標，經由對引風機引風量的調節，達到控制爐膛負壓的目的。
(4)送風控制：風煤調節，是利用負荷規則調節器達到控制目的的，即在減負荷的過程中，先減煤然后再減少風量，在增加負荷的過程中，先增加風量然后再增加煤。送風控制系統應當和給煤控制系統相結合，協調統一，以便使風煤比例控制在一定的范疇內，進而使鍋爐的燃燒始終保持在最理想的狀態下。
(5)過熱蒸汽出口溫度控制：對蒸汽過熱系統加以調節，其主要的目的是為了確保過熱蒸汽出口溫度始終控制在正常的范圍之內，且對過熱器進行保護，以確保過熱器的管壁溫度不會超過正常的允許范圍[3]。通過上述各個控制系統的設計，來達到鍋爐控制系統總體的控制目標，而各個子系統的控制器均是采取PID調節器來進行調節的。
2.2鍋爐自動保護系統
在工業鍋爐控制系統當中，保護系統是一個極為關鍵且不可忽視的部分與環節。鍋爐設備的結構、技術特點、容量以及運行方式等，決定鍋爐保護的主要內容，一般情況下，在鍋爐保護系統中會設置汽包水位的保護、連鎖保護、氣壓的保護、鍋爐滅火的保護以及緊急停爐等等。
2.3MCGS組態軟件
工作人員應當充分聯系C++Builder面向對象編程的特征與鍋爐控制系統的設計要求，在鍋爐控制軟件當中采取MCGS組態軟件。該軟件將多種技術合為一體，例如數據庫、圖形技術、控制技術以及通訊技術等等。MCGS組態軟件是一個建立在Windows平臺之上的，用在迅速建造與形成上位機監控系統的系統軟件，主要的工作是收集和檢測現場的各種數據，并處理和控制前端數據。該軟件具有操作簡便、功能齊全、可視性好等優點。將該軟件和其它有關的硬件設備有機融合，能夠有效的對應用在現場采集、數據處理的設備進行開發。只要進行簡單的模塊組態，用戶就能夠建立所需的運用系統。
3.鍋爐控制系統運用的系統測試和節能分析
某公司于2010年6月25日至28日對三臺20T工業鍋爐實行了控制系統技術改造，具體的鍋爐型號是SZL20-2.5-AⅡ。在對控制系統進行改革之后，于7月1日到5日對控制系統實行調試，6日正式試運行。在試運行的過程中，鍋爐運轉穩定，出口壓力變化幅度控制在(2.14±0.02)Mpa。在鍋爐試運行階段，鍋爐操作人員反應在對鍋爐進行改造之后，操作鍋爐更加的簡單化，勞動強度也隨之降低。
對工業鍋爐采用自動化技術之后，鍋爐運行的效率得到了明顯的提升，且節約了5%～8%的煤燃料。倘若以5%的節煤，對節能效益進行計算，依據公司滿負荷運作預估鍋爐耗煤量大約在5.7萬噸，那每年節約煤的數量為：5.7×5%=0.285萬噸。倘若每噸煤的價格為850元，那么每年節約的成本就是242.25萬元。由此可見，對工業鍋爐控制系統進行自動化、智能化改造，不但能夠有效提高鍋爐運行的效率，降低鍋爐操作人員的勞動強度，且可以減少沒燃料消耗的數量，達到節約能源的目標。
4.結束語
綜上，工業鍋爐是一種極為復雜且典型的熱工系統，對鍋爐控制系統進行有效的開發與研究，進而實現系統功能的完善，且提升鍋爐的性能，符合當前社會工業鍋爐生產發展的需求，擁有極為寬廣的發展前景與極高的研發價值。對工業鍋爐的控制系統進行研究，不但能夠在一定程度上提升鍋爐系統的自動化水平，實現節能減排，同時還能夠提升鍋爐使用的安全性與可靠性，具有極為重大且現實的意義。
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