多锅炉母管制运行负荷分配与燃烧控制

曹丽苹 张丽娟 陈博通

(保定职业技术学院机电工程系1，河北 保定 071002;通化钢铁股份公司焦化厂2，吉林 通化 134000;北京三博中自科技有限公司3，北京 100190)

0 引言

锅炉是化工、热电等行业中重要的动力设备。它所生产出的蒸汽已经越来越多地被应用于其他设备的生产过程中。要使锅炉更加安全、稳定和经济地运行，锅炉控制的品质和效果就显得非常重要。

链条炉是一种应用较为广泛的火床炉，至今已有一百多年的发展历史。该炉型目前在我国小型电厂(热电厂、自备电厂)和化工企业中使用很普遍，运行经验也比较丰富。但目前国内链条炉运行自动化程度普遍不高，基本还处于操作人员手动控制的状况。

本文针对某热力厂多台链条炉母管制运行中存在的一些问题进行了分析，提出了一种新的控制方案。目前，该方案已在现场应用，效果良好。

1 项目介绍

某热力厂共有9台35 t/h燃煤链条炉，采用母管制工作方式，锅炉采用PLC控制，控制系统结构如图1所示。目前，大部分时间锅炉自动控制系统无法投运，操作仍旧以人工为主。

图1 某热力厂锅炉控制系统Fig.1 Boiler control system in certain thermal plant

经过分析后发现，锅炉自动控制系统无法投运(或者说控制上存在难点)主要由链条炉自身系统和母管制运行方式两方面原因造成。

1.1 链条炉的工艺简介

链条炉是一个典型的、机械化程度较高的一种火床炉，因其炉排类似于链条式履带而得名。煤在火床(水平运动的炉排)上燃烧，空气从炉排下方自下而上引入。煤从煤斗落到炉排上，经过炉闸门时被刮成一定的厚度;进入炉膛后在炉排上分段燃烧成渣，产生的热量被炉膛中的受热面吸收产生蒸汽，蒸汽在汽包内聚集并引出，经过热器、集汽箱到主蒸汽管。燃烧产生的烟气经高低温过热器、省煤器、空气预热器，除尘后经烟囱排入大气。链条炉工艺流程如图2所示。

图2 链条炉工艺流程图Fig.2 Technological process of the chain grate boilers

锅炉控制的主要任务是为了使进入锅炉的煤燃烧所产生的热量与锅炉蒸汽负荷要求相适应，从而维持主蒸汽压力稳定，同时保证燃烧过程安全经济。

系统通过调节炉排转速实现给煤量控制;通过调节鼓风机频率，实现最优风煤比燃烧;通过调节引风机频率，保证炉膛负压控制在规定范围内。当负荷变化大或煤种改变时，还可通过手动调节炉闸门的高度来改变煤层厚度进行调整。系统运行中，汽包水位需维持在一定的范围内。

链条炉是一个非线性、时变、多变量耦合的复杂对象，它在控制过程中存在以下几个难点。

①系统存在严重耦合，例如给煤量的变化对其他几个回路都产生影响。

②煤种及煤质的变化给系统带来了不确定性。

③给煤量的变化到主蒸汽压力的变化回路存在时滞。

④供热、供汽量的不确定性，由于热用户在不同时间段对负荷的要求差别较大，所以锅炉负荷变动大且频繁。

⑤该类锅炉容量一般较小，一般厂家对检测元件的配备往往不能很好地满足控制方案的设计，这给自控的设计、运行带来很大的困难。例如:二次风、炉闸门高度等一般使用手动控制;炉膛温度测点较少，燃烧的控制往往需要操作人员综合各种情况，甚至通过观察火位以及火焰颜色来加以调整。因此，燃烧控制的经验性较强。

1.2 母管制结构的控制难点

目前，电力、石化、冶金、热电联产等企业的中小容量锅炉都采用母管制运行方式。然而，绝大部分母管制运行的锅炉燃烧控制都是通过人工操作进行的，投入自动运行的系统非常少。这主要是由于母管制控制的特殊性造成的，或者说控制上存在难点。

本项目中的母管制供热系统结构如图3所示。

图3 母管制供热系统Fig.3 Heating system of the header system

根据图3进行分析，假设初始状态，P1=P2=…=P9，F1+F2+…+F9=F，锅炉总产汽量等于总用汽负荷(母管压力处于平衡状态);各锅炉燃烧效率不同，其中锅炉9的效率最高，各锅炉之间采用独立的燃烧控制系统，选择各自汽包压力信号(P1、P2、…、P9)对燃烧系统的燃煤量进行控制调节。

当总用汽负荷增加，将造成蒸汽母管压力下降，此时，各台锅炉应同时增加燃煤量，从而提高供热量，并尽快使母管压力恢复平衡。而实际上，由于锅炉9燃烧效率最高，使得蒸汽流量F9先增加，P9先升高，引起母管压力Pm升高。对于燃烧效率低一些的锅炉1～锅炉8，由于蒸汽母管压力的升高，使得 P1－Pm、P2－Pm、…、P8－Pm减小，从而造成 F1、F2、…、F8减小。此时 P1、P2、…、P8由于蓄热量的增加也会逐步升高，从而误导其燃烧控制系统保持燃煤量不变甚至减少，结果导致燃烧效率最高的锅炉9在不断出力，负荷分配不均匀，母管压力不易恢复平衡。

综上可知，母管制结构中每台锅炉的工况是相互关联的。每台锅炉的蒸汽压力和流量不仅与用汽对象有关，还与其他锅炉的燃烧效率有关。若简单地采用单个锅炉的控制方案，容易出现各个锅炉蒸汽负荷轻重不均的“抢负荷”现象。

2 解决方案分析

通过以上分析可知，针对本项目中多台链条炉母管制运行的特点，在进行自动控制系统设计时，既要考虑到单台锅炉控制系统的特点，又得考虑多炉负荷分配的问题。两者统筹兼顾，才能达到预期的效果。

2.1 单炉燃烧系统控制方案

燃烧控制是整个锅炉控制系统的关键，燃烧控制的品质和效果直接影响着锅炉安全、稳定和经济的运行。燃烧过程调节的基本任务是:①维持蒸汽压力稳定，保证负荷与锅炉出力的协调;②使燃煤量与空气量相协调(风煤比)，保证燃烧的经济性;③调节引风量与鼓风量使之相适应，维持炉膛负压在一定范围内;④保证燃烧的安全性，这主要通过调节链条炉排转速、鼓风机频率和引风机频率这三个变量来实现。

针对链条炉控制方面存在的困难，已有许多学者和控制方面的专家在这方面进行了研究［1－2］。步子祥［3］对工业燃煤锅炉实现燃烧自动化进行了技术总结，对工业燃煤锅炉燃烧过程的特点做了分析，设计了突出风量作用的燃烧自动控制方案。刘久斌［4］对现行的几种链条炉燃烧控制方案进行了分析，并提出一种简单易行的新方案。余海斌［5］等结合链条炉的工艺和特性，开发了链条炉的专家控制系统，并成功地应用于具体项目。

结合具体项目情况，本文提出的单炉燃烧控制方案如下。

①采用蒸汽压力和流量串级控制，实现对炉排转速的调节，主调节器控制蒸汽压力，副调节器控制蒸汽流量。

②通过风煤比关系，按比值控制调节鼓风机频率，实现对鼓风量的控制。

③炉膛负压系统采用单回路PID，鼓风频率运算处理后作为引风控制的前馈信号。

单炉燃烧控制系统方案如图4所示。

图4 单炉燃烧系统控制方案Fig.4 Combustion control scheme of single boiler

单炉燃烧控制方案具有以下特点。

①炉排控制副回路采用流量调节，当负荷变化时，蒸汽流量发生变化比蒸汽压力发生变化的延时时间短。因此，加快了炉排调节的速度。

②调节燃煤量的同时，通过风煤比关系调节鼓风。当煤种改变时，鼓风量可通过鼓风修正进行调整。

③鼓风频率经运算处理后作为前馈信号。

④该控制系统结构便于多炉负荷分配方案结构的搭建。

2.2 多炉负荷分配控制方案

负荷分配的目的是在保证蒸汽母管压力稳定的前提下，根据每台锅炉的燃烧效率，合理调度和分配每台锅炉的负荷，使整个锅炉房的煤耗量最低［6－10］。

随着系统负荷的变化，锅炉负荷也应随之发生变化，以适应系统负荷变化的需求。它分为按比例调节、按机组效率调节和按燃料消耗微增率相等调配这三种调节方式。

最简单的负荷分配仅仅是按最优目的来启动或关闭锅炉。当负荷增加时，将效率最高的锅炉启动;而当负荷下降时，则将最低效率的锅炉关闭。

对于比较复杂的系统，通过在多台正在运行的锅炉之间进行负荷分配，使其最优化。在这种情况下，必须采用计算机来实时计算每台锅炉的效率。如果负荷增加，计算得到的增加量根据锅炉效率成比例地送到每台锅炉的设定值，效率最高的锅炉承担负荷增加量最多;如果负荷减少，计算得到的减少量同样根据锅炉效率成比例地送到每台锅炉的设定值，效率最低的锅炉承担负荷减少量最多。

通过以上分析，本文设计的多炉负荷分配控制方案结构如图5所示。

图5 多炉负荷分配控制方案结构图Fig.5 Control scheme for multi-boiler load distribution

在单炉控制方案的基础上，设计了该控制方案。该系统主要由主调节器、副调节器和负荷分配单元三部分组成。主调节器采用蒸汽母管压力调节，以保证母管蒸汽压力的稳定;副调节器通过每台锅炉的蒸汽流量来调节各台锅炉的燃烧系统;负荷分配单元根据每台锅炉的运行状况进行合理的负荷分配。

各炉负荷分配控制方案具有如下特点。

①副回路采用每台锅炉的蒸汽流量调节，便于衡量每台锅炉的出力情况与负荷分配。

②当锅炉运行状态或燃烧效率发生变化后，操作人员可以根据各锅炉新的运行状况，通过调节负荷分配系数(K5、K6、…、K9)，对每台锅炉的负荷进行重新分配。

③根据负荷情况，操作人员可自由选择各锅炉的运行状态是母管制运行还是单独运行。

④热用户总用汽量与锅炉总产汽量差值经运算处理后作为副回路控制的前馈信号。当负荷变化时，前馈信号加快了系统调节的速度。

3 结束语

目前，该方案已经在北辰热力厂多炉自动控制系统中成功投运。自控系统投运后，主蒸汽母管压力比较稳定，较人工手动控制波动明显减小。

经过实际运行的检验，证明本控制方案较好地解决了多台链条炉母管制运行负荷分配和燃烧控制的问题。使用本控制方案，各锅炉的负荷情况可自由选择。本控制方案具有良好的推广价值。

［1］俞海斌，褚健.锅炉燃烧控制的先进控制软件及其工业应用［J］.机电工程，1999(5):26 －29.

［2］王丰.35 t/h电站锅炉的Fuzzy控制［J］.冶金自动化，2002(1):61－63.

［3］步子祥.工业锅炉燃烧控制和节能［J］.能源技术，1996(3):8－12.

［4］刘久斌.链条炉燃烧控制系统方案分析［J］.热能动力工程，1996(3):171－176.

［5］俞海斌，褚健，江加猛.链条炉燃烧专家控制系统［J］.机电工程，2000(2):94 －97.

［6］朱洪军，周佐.母管制锅炉压力协调优化控制系统的实现［J］.自动化与仪表，2009(10):34－38.

［7］黄新元.电站锅炉运行与燃烧调整［M］.2版.北京:中国电力出版社，2007.

［8］徐国辉，赵玉友.对我公司热电厂锅炉负荷调节分配方法浅析［J］.黑龙江科技信息，2009(6):7.

［9］胡林献，柴庆宣，李延松.母管制锅炉蒸汽压力快速控制方案［J］.电站系统工程，2007，23(5):64 －69.

［10］王志.母管制系统蒸汽压力的调节［J］.吉林电力技术，1999(6):49－52.