关于工业锅炉节能减排从自动控制角度的探讨

李建雄 聂群富 林崇富 刘建红

【摘要】针对我国工业锅炉使用现状，总结了工业锅炉控制系统存在的问题，并从自动化控制系统的角度阐述自动化锅炉控制系统实现锅炉减排的原理和可行性，以及人工智能模糊控制在锅炉控制中发展前景。

【关键词】工业锅炉；节能减排；自动化控制；模糊控制

中图分类号：TE08文献标识码： A

1.前言

我国工业锅炉量大面广，平均容量小，且以燃煤为主。锅炉容量小于35吨/小时的约占工业锅炉总量的98.9%，其中2~10吨/小时的占75%，锅炉平均容量不到3吨/小时。燃煤工业锅炉占工业锅炉总量的80%以上，燃气锅炉约占15%，电加热锅炉占1%左右，其余的是以沼泽、黑液、生物质等为燃料的锅炉。到目前为止，我国在用工业锅炉超过60万台，年耗燃料约4亿吨标准煤，约占我国煤炭总产量的四分之一。由于工业锅炉排放大量烟尘及SO2 和NOX等污染物，成为我国大气主要煤烟型污染源之一。我国每年工业锅炉的污染物排放约为：烟尘800万吨，SO2 900万吨，CO212.5亿吨。目前，从整体上看，工业锅炉能源消耗和污染物排放均位居全国工业行业第二，仅此于电站锅炉，煤炭消耗量远高于钢铁、石化等高耗能行业。全国重点城市工业锅炉排放造成的污染已经超过了电站锅炉。

目前国内对工业锅炉节能减排主要从以下几个方面着手：1.减少或利用锅炉的排烟热，提高锅炉热效率。如在锅炉尾部烟道设置省煤器受热面，利用烟气的热量加热锅炉给水，提升锅炉给水温度，使炉水与给水温差减小，达到锅炉节能的目的。2.合理管理，注重保温，多利用排水余热，提高锅炉热效率。3.锅炉燃烧时，加入富氧助燃，提高煤燃烧效率，达到锅炉节能目的。4锅炉给水加氧处理，通过锅炉碳钢表面氧化层导热性能大大提高，从而大幅提升锅炉热效率。5.采用更智能精确的自动控制系统，提高系统对锅炉供料和供气等变频控制，达到提高燃煤效率，实现锅炉节能减排。

本文分析论述以燃煤工业锅炉为主，从工业锅炉节能减排的第五种方式自动控制系统入手，探讨智能控制系统如何实现工业锅炉节能减排。至于燃油气工业锅炉，目前存在的主要问题是拍烟温度偏高，针对这一问题，可以通过尾部受热面加以解决，因此不在本文论述之例。

2.目前工业锅炉控制存在的问题

我国的燃煤工业锅炉自控水平低，多为开环控制，不能根据外界用能情况变化自动调节锅炉运行状态。由于锅炉的自动化水平低，使锅炉的燃烧和运行调节变的难以操作和掌握，无法使锅炉运行较快地适应工况的变动。另外，因配置的运行监测仪表不全或落后，又缺少必要的化验手段，所以不能测定蒸汽流量、燃煤量、过量空气系数、CO含量、拍烟气温度等经济运行参数。运行人员往往由于缺少数据，不能对锅炉的运行状况及时作出准确判断，无法在锅炉的燃烧及运行工况变化时，实施相应的运行调节，使锅炉处于最佳工况运行。

工业锅炉辅机配套普遍偏大，造成不必要的资源和能源浪费。由于现在使用的泵与风机多为通用产品，无负荷调节档次，不能随锅炉运行工况的变动进行相应的变速调节，而仅靠挡板、阀门的节流来调节流量或压力，所以即使辅机按锅炉的额定容量进行配置，面对目前锅炉多数处于低负荷运行状态，辅机不能再高效率区域运行，辅机设备处于高消耗，低输出的运行状态，使得锅炉自身的能（电）耗比例增加，造成较大的能源浪费。

从工业锅炉实际运行情况看，过量空气系数普遍存在严重超出正常范围的现象。表1所示为2013年湖南部分化工企业工业锅炉实测过量空气系数ɑpy 统计平均值。可见如果不对锅炉燃烧系统精确控制，锅炉的燃烧浪费非常大。

表12013年湖南省部分化工企业工业锅炉实测过量空气系数ɑpy 统计平均值

锅炉容量/（t/h） 1 2 4 5~6.5 10 20 35

ɑpy平均值 4.18 4.11 3.70 3.43 3.36 2.49 2.67

因此，提高锅炉的自动化控制水平，通过智能控制锅炉达到排污减排已经成为当前迫在眉睫的课题。

3. PLC可编程控制器在工业锅炉控制系统中的运用

3.1 PLC组成的锅炉给水控制系统

锅炉给水控制的目的是调节进入汽包给水的流量，以维持汽包水位在所需的上下限之间，适应锅炉蒸发量的变化。

水位调节对象没有自平衡能力，存在滞后性，在外扰情况下可出现虚假水位现象。常用的水位控制系统有以下3种：单冲量给水控制系统，即以水位为唯一调节信号的单参数，单回路控制系统；双冲量给水控制系统，即以蒸汽流量作为补充的双参数控制系统；三冲量给水控制系统，以蒸汽流量和给水流量作为补充的三参数控制系统。

单冲量水位控制系统只能根据水位的变化去改变给水调节阀的开度。对于中小型锅炉，由于汽包相对于负荷而言容量较大，水位受到扰动的反应速度较慢，虚假水位现象不严重。因此一般采用单冲量控制方法就能满足生产上的需求，控制算法常采用PI算法实现无差位水位调节。当蒸汽用量大幅增加时，为了克服虚假水位对控制的不良影响，可以引入蒸汽流量作为前馈信号。当蒸汽负荷变化引起水位大幅度波动时，蒸汽流量信号起超前的作用，可使水位还没有出现变化时提前使调节阀动作，减小水位的波动，从而改善控制品质，这样，系统就成为双冲量控制。当给水压力波动时，给水流量将发生变化，双冲量方法只有当水位发生变化后才进行控制，因此就不能迅速克服给水压力变化对水位的影响。为此，可再引入给水流量信号，组成三冲量控制回路，如图1所示:

3.2 PLC组成的锅炉燃烧控制系统

锅炉的燃烧控制系统的功能室控制炉膛的燃料和空气输入量，或控制燃烧率，以适应锅炉负荷的变化。对于锅炉运行和控制系统来说，锅炉出口蒸汽压力变化经常作为燃料能量的输入和蒸汽能量的输出之间不平衡的标志。引起蒸汽压力变化的因素很多，其中主要的扰动量是燃料量的改变（内扰）和蒸汽流量的改变(外扰)。燃烧控制的基本要求是：迅速适应外界负荷需求的变化，及时消除锅炉燃料的自发扰动，维持调节过程中个被调量在允许的范围内，保证锅炉运行的经济性和安全性。

锅炉的燃烧控制系统一般包括：燃料的运送控制；鼓风的氧气平衡控制；引风的负压控制，三个子系统。燃料运送控制系统中，蒸汽压力的实际值相对于其设定值的偏差被输入到蒸汽压力控制器中，经过控制运算后输出调整锅炉燃料运输的变频指令，其中考虑到外界锅炉蒸汽用量的扰动，提前将蒸汽锅炉流量信号变化作用前馈信号加入调节，通过变频器频率改变，达到精确控制锅炉进料的控制，使得锅炉燃料的进入量和锅炉实际所需的负荷最优的配置，达到优化节能的目的。

在鼓风的氧气平衡控制中，通过采集锅炉内氧气浓度的传感器，A/D转换后，将炉内实际的氧含量与理想设定氧含量进行对比，将氧含量偏差输入到控制器中，进过控制运算后输出调整锅炉鼓风电机变频指令，其中考虑到燃料运输速度的内部干扰因素，将锅炉燃料频率信号作为前馈系数加入调节，通过变频器频率改变，达到精确控制锅炉鼓风机，使得鼓入空气与实际所需的含氧量处于最佳状态，达到空气系数ɑpy 最小化，从而实现工业锅炉节能减排。

在引风的负压控制中，通过采集锅炉炉内负压值，A/D转换后，将炉内实际的负压值与理想设定的负压值进行对比，将负压偏差输入到控制器中，经过控制运算后输出调节锅炉引风电机变频指令，其中考虑到锅炉鼓风速度的内部干扰，将锅炉鼓风频率信号作为前馈系数加入调节，通过变频器频率的改变，达到精确控制锅炉引风机，使得引出的锅炉气体与炉内负压处于最佳状态，达到锅炉优化节能的效果。

锅炉燃烧的三个子系统，采用串级控制，使得主蒸汽压力控制，鼓风速度控制，炉膛引风负压控制和水位控制有机的结合，构成典型的锅炉基本控制系统，如图2所示。其中炉内氧气含量可采用氧化镐传感器，测得实时锅炉烟气含量的变化，并通过含氧量的控制回路不断修正空气与燃料比例系数。达到燃料充分燃烧、能效最佳利用的良好状态。

4 模糊控制在锅炉控制系统中的运用

虽然PLC控制器中PID算法广泛运用于现在锅炉控制器中，但由于系统偏差的存在，锅炉实际复杂的动态参数，使得PID调节并不能完美地解决节能控制问题。工业锅炉的主要动态特性包括：非线性（系统非线性、饱和非线性）、非最小相位特征、不稳定性、时滞和负荷干扰，以及汽水分离器动态的不稳性，传感器噪声等。工业锅炉的精确数学模型难以建立、而常规基于数学模型的固定参数PID控制器又难以获得良好的控制效果，将智能模糊化控制引入工业锅炉控制系统已经是势在必行。

4.1 由模糊控制上位机与PLC组成的模糊PID锅炉控制系统

模糊控制多采用经过建立数学模型后通过MATLAB仿真后集成的模糊控制器，但由于用于锅炉上的模糊控制器并不广泛，可采用上位机以C语言实现模糊控制，通过上位机与现场PLC通讯，直接采集实时动态参数，进行变量模糊化后，与原系统内模糊变量对比，如果现场采集参数和PLC经PID控制输出的调节量并不能很好的满足控制效果时，上位机从原系统模糊变量中输出更优化的调节量给PLC，PLC根据上位机传达参数控制各执行器，并将现场实时采集动态参数变化趋势反馈上位机，上位机根据参数变化趋势，模糊运算后，继续输出与之对应的调节变量，使的控制参数更为精确；如果现场采集参数和PLC经过PID控制输出的调节量能很好的满足控制效果时，上位机就将记录该状态下PID算法下最佳模糊量，并告知PLC继续保持PID算法控制，而记录的最佳模糊量以便下次再出现该状态时，由上位机中直接输出，这样更加及时和简化控制。其简易控制流程如图3所示。就如同一个锅炉操作人员不断的从实际操作中积累操作经验，当PID算法控制出现不足时，操作人员根据以往记录的操作经验提供模糊经验操控，使系统更能满足复杂的锅炉运行情况，达到锅炉节能减排的目标。

5 结束语

工业锅炉节能减排任重而道远，虽然文章只是从自动控制角度来论述工业锅炉节能减排的可行性与实现前景，但是我相信只要在政府的积极倡导和职能部门强力监管下，通过制造企业、用户单位以及相关单位的共同努力，尤其是有志于工业锅炉节能减排工作的工程技术人员的积极参与，我国工业锅炉节能减排一定能取得显著成绩。

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