煤粉工业锅炉熄火保护控制系统研究

白一飞

摘 要

给出了一种高效煤粉锅炉熄火保护控制策略，集中讨论了熄火状态的检测方法。综合考虑锅炉运行时的多重条件，根据参量相关性分子模块建立熄火状态判断算法，按模块优先级顺序执行检测及计算流程。基于西门子PLC搭建了硬件控制系统，提高了熄火状态检测的鲁棒性。

【关键词】自动化生产线 安装 调试

煤粉工业锅炉的出现基本解决了我国链条锅炉效率低下，污染严重等问题，是燃煤工业锅炉技术领域的极大拓展。近年来，煤粉工业锅炉的应用日趋广泛，已成为各种工业企业动力设备中重要组成部分。

煤粉工业锅炉工况复杂，影响燃烧的因素众多。正常条件下，煤粉通过一次风送入炉内，煤粉经过预燃室、炉膛、炉尾充分燃烧。然而由于煤质原因，煤粉的燃烧状态会出现波动，剧烈时会造成锅炉熄火；同时，司炉人员误操作、配风量不合适以及供料器堵料也会造成锅炉突然熄火，很容易发生爆燃甚至爆炸，对锅炉造成损害。因此，对锅炉熄火监测、熄火联锁保护控制策略的研究，具有很强的实际意义。

1 研究现状

在国外，煤粉工业锅炉的控制已实现了全程自动化控制，在控制上采用了现代控制理论的多种方法，锅炉运行平稳。在熄火保护方面，也做到了全程监控，突发熄火以后能够自动切断供料。

在国内，煤粉工业锅炉作为一种运用新型燃烧技术的锅炉，大部分锅炉的熄火控制保护措施都停留初始阶段，并没有针对煤粉工业锅炉锅炉的完善的熄火联锁保护措施。

2 熄火状态相关参数

锅炉运行时，与火焰状态相关的因素众多，为了检测熄火状态，控制系统所需监测的指标分为直接和间接两部分。

2.1 直接指标

本部分为熄火监测的主要指标，包括火检信号、炉膛温度、炉尾负压和烟气氧含量。当火焰熄灭时，火焰强度降低，燃烧中断使得炉膛温度远低于正常运行值；同时，熄火后鼓、引风机正常运行，大量空气不经过燃烧进入炉内，致烟气氧含量上升；煤粉燃烧为气压增大的化学反应，熄火后短时间内炉膛气压迅速降低，负压绝对值增大。

2.2 间接指标

间接指标主要包括蒸汽压力和汽包液位，在熄火后一段时间后才发生变化。熄火后燃烧中断使得锅炉热交换率降低，炉水汽化量减小，进而造成蒸汽压力和汽包液位同时降低。

3 熄火检测与控制流程

锅炉运行状况复杂，供料不稳定、配风不合适都使得燃烧时各参数都会出现波动，若使用单一指标进行熄火状态判断则难以保证鲁棒性，熄火联锁保护控制策略应保能证迅速检测出熄火状态，同时正常运行又不出现误保护动作。在锅炉运行时，不同指标的波动范围和变化率差异较大，因此本文将控制策略分为几个部分，将耦合性高的参数置于独立的子模块内，这些模块按优先级进行判断。

3.1 负压与氧含量监测模块

熄火后燃烧停止，炉尾负压迅速降低，而后烟气氧含量升高，设传感器回传值分别为 P、O，正常燃烧时标准值设为 Ps、Os。参考经典控制理论中的比例-积分-微分控制算法，将变量与标准值间的差值和变化率同时加入控制策略，本文设定模块熄火因数τ1，按式（1）计算：

（1）

其中、、 和 分别为负压比例系数、负压微分系数、氧含量比例系数以及氧含量微分系数。Δ为控制因子，仅在误差值大于零时为1，设该模块阈值为K1，当 时τ >1，该模块输出为真。

3.2 火焰检测与炉膛温度模块

设火焰检测器回传值为F（百分比），炉膛温度传感器回传值为T，火焰检测器通过红外线测量火焰强度，因此受温度的影响较大，分别设正常燃烧时火检和炉温最低允许值为 Fs、Ts，考虑主要影响参数：温度的误差值与变化率、火检误差值，同样设置该模块的比例微分相关因数、熄火因数τ2、比例阈值K2，计算如式（2）：

（2）

3.3 蒸汽压力与汽包液位模块

该部分参数作为间接指标，变化速度相对较慢，作为前两个模块的补充，仅采用误差的比例控制方式，如（3），其中M、MS 、H、 HS 分别为传感器回传蒸汽压力、正常运行时蒸汽压力、传感器回传汽包液位、正常运行时液位， 、为相应比例因子，τ3、K3为该模块熄火因数和比例阈值。

（3）

4 控制系统流程

整个控制系统流程框图如图1所示。按优先级依次检测各模块状态，计算各部分熄火因子，在前一部分因子τ >1的情况下继续执行后一模块，否则继续循环；当所有模块均满足熄火因子大于1的条件时确定熄火状态，而后切断供料器和一次风机，并复位各模块相关数值。

5 总结

锅炉熄火联锁保护对于安全生产及延长锅炉寿命具有重要作用，本文阐述了一种煤粉工业锅炉的熄火保护控制策略，综合锅炉熄火相关的众多指标，根据参数相关性分几个子模块分别建立了熄火因子计算方法，按照优先级依序执行各模块以实现熄火状态监测，并基于PLC设计了控制策略。本文的方法能够提高采用单参数监测方法的鲁棒性，保证及时检测熄火状态并实施连锁操作的同时，减少正常运行时的误动作。

参考文献

[1]陈学俊，陈听宽.锅炉原理[M].北京机械工业出版社，1994（06）：114-120.

[2]谢松云，张建，董大群.工业计算机控制系统的应用现状和发展方向[J].测控技术，1999，18（8）：13-16.

[3]贾胜海，刘明东.DCS在锅炉控制系统的应用[J].应用能源技术，2003，2：45-46.

[4]龚仲华.S7-200/300/400PLC应用技术—通用篇[J].人民邮电出版社，2007（06）.

[5]基于S7-300的工业锅炉PID控制[j].制造业自动化. 2011，33（9）：24-26.

[6]基于PID算法的S7-200 PLC锅炉水温控制系统[J]. 2010，37（006）：33-35.

作者单位

1.煤炭科学研究总院 节能工程技术研究分院 北京100013

2.煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室 北京100013

3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室 北京100013endprint