屈文斌，趙 政

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng)，712000）

（2.中海興業(yè)（西安）有限公司，陜西西安，710054）

鍋爐是人民生產(chǎn)和生活中重要的供熱設(shè)備，為機(jī)械、化工、電力、造紙、紡織等多個(gè)行業(yè)以及工業(yè)和民用取暖提供了大量的熱能。目前我國(guó)已有中、小鍋爐三十余萬(wàn)臺(tái)，每年耗煤量約三億余噸，是我國(guó)當(dāng)今的耗能大戶，鍋爐在燃煤過(guò)程中將產(chǎn)生大量煙霧，也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞。因此，如何降低能耗，提高熱效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的，是鍋爐控制系統(tǒng)亟待解決的問(wèn)題。

1 鍋爐控制系統(tǒng)的基本要求

1.1 鍋爐控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

鍋爐控制系統(tǒng)是保證鍋爐安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及減輕工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度的主要設(shè)備，一般由鍋爐本體、PLC、一次儀表、電機(jī)、上位機(jī)、自動(dòng)與手動(dòng)切換操作、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及閥等幾部分組成，鍋爐的溫度、流量、壓力、轉(zhuǎn)速、氧量等通過(guò)一次儀表量轉(zhuǎn)換成變頻器可以接受的電壓、電流等信號(hào)送入鍋爐控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)可以自動(dòng)和手動(dòng)操作，手動(dòng)操作時(shí)工作人員手動(dòng)控制變頻器、滑差電機(jī)及閥等多個(gè)設(shè)備，自動(dòng)控制時(shí)只需對(duì)微機(jī)發(fā)出控制信號(hào)就可以對(duì)整個(gè)鍋爐的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測(cè)、報(bào)警、控制以保證鍋爐正常、可靠地運(yùn)行。

1.2 鍋爐燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

為了滿足負(fù)荷設(shè)備要求，保證鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與安全性，在工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則。

1.2.1 保持汽包水位范圍

鍋爐能否正常運(yùn)行其中的一個(gè)主要指標(biāo)——汽包水位，水位的高低影響著產(chǎn)生蒸汽的質(zhì)量和汽水分離的速度，也是能否安全生產(chǎn)的重要參數(shù)。水位過(guò)高有可能引起汽水分離，蒸汽滯液，水位過(guò)低會(huì)阻礙汽水循環(huán)，甚至?xí)鼓承┥纤芾锏乃鲃?dòng)，導(dǎo)致金屬管壁一些地方過(guò)熱甚至爆管，引發(fā)重大事故。因此，選用給水閥對(duì)汽包水位進(jìn)行調(diào)節(jié)，將水位嚴(yán)格控制在合適范圍內(nèi)。

1.2.2 維持蒸汽壓力范圍

衡量負(fù)荷設(shè)備的蒸汽消耗量與蒸汽生產(chǎn)量是否平衡主要是通過(guò)蒸汽壓力，蒸汽壓力的高低不同，對(duì)金屬導(dǎo)管和負(fù)荷設(shè)備會(huì)產(chǎn)生不同的影響。在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，壓力降低，表明鍋爐的蒸發(fā)量小于負(fù)荷的蒸汽消耗量，當(dāng)壓力過(guò)低，就不能提供負(fù)荷設(shè)備符合質(zhì)量的蒸汽；壓力升高，表明鍋爐的蒸發(fā)量大于負(fù)荷蒸汽的消耗量，壓力過(guò)高，使金屬的蠕變加速，致使鍋爐損壞。因此，將蒸汽壓力控制在一定范圍內(nèi)，即保證了安全生產(chǎn)，又保證了燃燒的經(jīng)濟(jì)性。

1.2.3 維持爐膛負(fù)壓范圍

衡量引風(fēng)量與送風(fēng)量的適應(yīng)性主要通過(guò)爐膛負(fù)壓，負(fù)壓過(guò)大，表明爐膛吸入冷風(fēng)量多，引風(fēng)機(jī)的電耗增大且大量熱量被煙氣帶走；負(fù)壓過(guò)小，爐膛容易向外噴火，即危及設(shè)備及操作人員安全，又影響環(huán)境衛(wèi)生。為了避免以上情況的發(fā)生，必須將爐膛負(fù)壓控制在一定范圍內(nèi)。

1.2.4 保證燃燒過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性

鍋爐的熱效率主要取決于燃空比，必須使燃料量和空氣量達(dá)到最佳配比，才能使鍋爐熱效率最高，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。當(dāng)空氣不足時(shí)，燃料燃燒不充分，浪費(fèi)了大量的能源；當(dāng)空氣過(guò)剩時(shí)，大量的熱量又會(huì)被空氣帶走，降低了燃燒率。只有當(dāng)燃料與空氣量達(dá)到最佳配比，才能保證燃燒過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。

2 燃煤蒸汽鍋爐燃燒過(guò)程系統(tǒng)控制的設(shè)計(jì)

工業(yè)鍋爐按燃料的不同分為燃?xì)?、燃煤和燃油三種。這三種鍋爐盡管燃料不同，燃燒量的調(diào)節(jié)手段有所區(qū)別外，燃燒過(guò)程的控制系統(tǒng)基本相同。對(duì)工業(yè)鍋爐燃燒過(guò)程實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速主要是通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)燃料進(jìn)給量、送風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量和引風(fēng)機(jī)的引風(fēng)量。本文主要介紹燃煤蒸汽鍋爐燃燒過(guò)程系統(tǒng)控制的設(shè)計(jì)。

圖1 為燃煤蒸汽鍋爐燃燒控制過(guò)程系統(tǒng)原理圖，圖中，F(xiàn)IC為流量控制器，F(xiàn)T 為流量傳感器，PIC 為壓力控制器，PT 為壓力傳感器。送風(fēng)回路由FIC1、FT1 和變頻器1 組成。由于煤的燃燒需要一定的空氣，所以要使鍋爐達(dá)到最佳燃燒過(guò)程，就必須使煤量和風(fēng)量保持一定的比例，這主要靠變頻器1 調(diào)節(jié)送風(fēng)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。引風(fēng)機(jī)控制回路由PIC2、PT2 和變頻器2 組成，主要是用來(lái)控制爐膛負(fù)壓的，如果爐膛負(fù)壓過(guò)小，爐膛容易向外噴火，可能危及設(shè)備和操作人員的安全，若果負(fù)壓過(guò)大，爐膛漏風(fēng)量增大，不僅引風(fēng)機(jī)的電耗增加了，煙氣也會(huì)帶走大量的熱量，所以在鍋爐運(yùn)行時(shí)要保持爐膛負(fù)壓在-20～-40Pa 的范圍內(nèi)。給煤量控制回路由PIC、PT、PIC3、PT3、FIC3、FT3 及變頻器3 組成。鍋爐在運(yùn)行時(shí)，鍋爐燃燒的發(fā)熱量直接由蒸汽壓力和蒸汽生產(chǎn)量反映出來(lái)，在保持最佳燃燒的情況下，當(dāng)煤的進(jìn)給量發(fā)生變化，蒸汽的生產(chǎn)量也會(huì)隨之改變。因此，通過(guò)變頻器3 調(diào)節(jié)給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以調(diào)節(jié)給煤量，進(jìn)而達(dá)到控制蒸汽生產(chǎn)量的目的。

圖1 燃煤蒸汽鍋爐燃燒過(guò)程系統(tǒng)原理圖

3 變頻調(diào)速節(jié)能原理及燃燒過(guò)程中工作原理

3.1 節(jié)能原理

根據(jù)流體力學(xué)原理可以得到風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓、電機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如式（1）所示：

從式（1）可以看出當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)風(fēng)量與它成正比下降，風(fēng)壓與它成平方關(guān)系下降，功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系下降，這也表明轉(zhuǎn)速降低一點(diǎn)，功率會(huì)降低很多，節(jié)能效果非常明顯。

3.2 工作原理

考慮到煤在燃燒過(guò)程中需要一定的氧氣量，且要使煤充分燃燒必須使煤和氧氣保持一定的比例，這就要求送風(fēng)量和給煤量保持一定比例。同時(shí)，考慮到降低煙氣帶走的熱量，這就要求爐膛負(fù)壓保持在一定范圍內(nèi)，達(dá)到既不形成較大的漏風(fēng)，又不向外噴火。圖3 為鍋爐燃燒控制系統(tǒng)框圖。

圖2 燃煤蒸汽鍋爐燃燒過(guò)程系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖3 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)工作原理：當(dāng)負(fù)載蒸汽量變化時(shí)，變化的汽包壓力信號(hào) 輸入主調(diào)節(jié)器，蒸汽流量 和主調(diào)節(jié)器的輸出及蒸汽管壓力的變化信號(hào)輸入給煤量調(diào)節(jié)器，快速調(diào)節(jié)給煤量，以適應(yīng)負(fù)載的變化。同時(shí)，給煤量調(diào)節(jié)器將負(fù)載變化的信號(hào)輸入給送風(fēng)量調(diào)節(jié)器，使送風(fēng)量隨給煤量變化而變化，以保持最佳的煤風(fēng)比例。由于送風(fēng)量調(diào)節(jié)器與引風(fēng)負(fù)壓調(diào)節(jié)器之間有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償信號(hào)，因此，當(dāng)送風(fēng)量調(diào)節(jié)器動(dòng)作時(shí)，引風(fēng)負(fù)壓調(diào)節(jié)器也同時(shí)動(dòng)作，這樣就保證了燃燒控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)動(dòng)作，確保了合適的煤風(fēng)比例和爐膛負(fù)壓。送風(fēng)量調(diào)節(jié)器接收到風(fēng)量反饋信號(hào)，快速反映送風(fēng)量的變化，提高調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，引風(fēng)負(fù)壓調(diào)節(jié)器接收爐膛負(fù)壓反饋信號(hào)，快速做出調(diào)解，以起到靜態(tài)時(shí)對(duì)爐膛負(fù)壓的校正作用。

4 變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)鍋爐的設(shè)計(jì)及功能特點(diǎn)

4.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)鍋爐的設(shè)計(jì)

從鍋爐使用的安全性、節(jié)能、操作維護(hù)方便等幾個(gè)方面考慮，變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)，就是將以前系統(tǒng)用的閥門開(kāi)度控制信號(hào)轉(zhuǎn)接到變頻器上。這樣，由于變頻器輸出的是頻率，即速度信號(hào)，從式（1）可以看出，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與速度成正比，而速度反映時(shí)間要比閥門快，且速度控制精度和可靠性都高于閥門控制，同時(shí)從式（1）還可知速度與功率成立方關(guān)系，當(dāng)速度下降，功率將成立方下降，大大節(jié)約了能量。

4.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)鍋爐的功能特點(diǎn)

4.2.1 采用變頻器控制電機(jī)，在啟動(dòng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生瞬間大電流，避免了電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

4.2.2 采用變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，替代傳統(tǒng)的擋板調(diào)節(jié)，避免擋板在調(diào)節(jié)過(guò)程中失靈或調(diào)節(jié)不當(dāng)，不僅降低設(shè)備的故障率，而且節(jié)約能源。

4.2.3 采用變頻器控制，電機(jī)將工作在額定轉(zhuǎn)速之下，減少了噪聲對(duì)環(huán)境的影響。

總之，采用變頻調(diào)速控制后，操作和控制更加方便，甚至可改變?cè)械墓に囈?guī)范，從而提高整個(gè)設(shè)備的功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）節(jié)能?？紤]到對(duì)于風(fēng)機(jī)電機(jī)功率的設(shè)計(jì)一般留有裕量，傳統(tǒng)的采用風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量，調(diào)節(jié)精度差，浪費(fèi)了大量的能源，將變頻器技術(shù)應(yīng)用在鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速的75%運(yùn)行時(shí)，理論上消耗的功率為額定功率的42.2%，除去機(jī)械損耗及電機(jī)鐵損、銅損的影響，節(jié)能效果可達(dá)到50%。

（2）設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量提高。由于變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)大的電動(dòng)機(jī)軟起、軟停，起動(dòng)及轉(zhuǎn)速下降平滑，使機(jī)械磨損減小，降低了電動(dòng)機(jī)的故障率，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，減少了停機(jī)、停爐事故的頻繁發(fā)生，提高了設(shè)備利用率。

[1]唐啟濱.淺析工業(yè)蒸汽鍋爐的自動(dòng)化控制[J].科技信息，23

[2]王翠竹.燃煤蒸汽鍋爐智能控制技術(shù)的研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)理工大學(xué)2010，9—10

[3]肖朋生，張文，王建輝.變頻器及其控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008，143-144

[4]謝發(fā)忠，馬修水，聶宗瑤.變頻器在鍋爐燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].安徽大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，V30（4）：37-38