一种闭环变频控制燃煤链条炉方法

周彦君

(神东煤炭集团矿业服务公司，内蒙古 伊金霍洛旗 017209)

0 引言

燃煤锅炉是一种将煤炭燃烧的化学能转换为热能的装置，是我国煤炭消费的主要形式，同时也是大气环境污染源之一。神东矿业服务公司管辖范围的锅炉基本采用燃煤链条锅炉，主要为神东公司下属各基层单位提供洗浴热水和供暖。目前在用的燃煤锅炉采用电气接触器直接控制锅炉的鼓风机和引风机，此控制方式具有起动电流大、电气故障率高、无法根据负荷自动调节锅炉各参数等缺点。这样的控制方式既导致了炉膛的氧气含量不可控，烟气排放的氮氧化物等有害气体超标，又不能根据负荷自动调整炉排上煤的用量，造成了煤炭资源浪费，增加锅炉的运行成本[1]。为此，必须要采用一种合理的自动化系统，来协同负荷、炉排煤的用量、鼓风机风量和引风机风量之间的平衡关系，既能保证烟气中氧气含量在合理范围内，也能减少因电气故障造成锅炉停止运行。工业自动化控制和变频调速技术的不断发展，使其在各个行业中得到了广泛应用，燃煤锅炉的自动化变频控制也在不断推广应用[2]。自动化系统对锅炉的控制算法不尽相同，文中的自动化锅炉系统主要是确定与负荷正相关的给定值，根据实际负荷与给定值之间的偏差不断调节炉排的转速、炉排煤层厚度、鼓风机风量和引风机风量；炉排的转速、鼓风机风量和引风机风量采用变频器控制，炉排煤层厚度采用液压传动控制煤斗入口闸门的高度。通过以上方式形成一个闭环自动化变频控制系统，既可以让煤充分燃烧，又可以保证烟气氧含量在合理范围内，进而使氮氧化物不超标，达到最优控制要求[3]。

1 锅炉的工艺流程

链条炉是一种火床炉，燃烧用的煤炭经过给煤进给装置通过入口处进入炉排，煤在炉排电机的带动下以一定的速度从进给侧输送到炉排的另外一端，这个过程中让煤在炉膛内充分燃烧，当煤移动到炉排另外一端即终点时，煤燃烧充分后自动将煤渣排出炉膛，这样完成了煤炭燃烧的一个周期。在炉排转动过程中，鼓风机不断地将外界新鲜空气带入炉膛，让炉排上的煤进行充分燃烧；同时引风机将炉膛内产生的烟气经过省煤器、空气预热器、除尘器和有害气体过滤装置排在室外大气环境中，引风机的风量要保证炉膛内保持一定范围的负压[4]。煤燃烧的热能在锅炉炉膛内释放，产生的热能传递给汽包，汽包内产生的蒸汽与水分离，并在汽包内聚集蒸汽，聚集的蒸汽随着管道经过低温过热器、减温器、高温过热器和集汽箱进入主蒸汽管道引出。汽包内的液位过外部供水管路经过过滤器、除氧器等进入汽包进行补给，让汽包内的液位保持在一定范围内。

2 控制系统

2.1 负荷物理量的确定

锅炉燃烧最终负荷输出表现的物理形式有蒸汽压力和温度，在负荷需求的变化差值不大时蒸汽温度变化率较小，不宜作为给定参数，所以将输出在主蒸汽管路处的压力作为负荷给定参数。根据主蒸汽管道处的实际压力与给定蒸汽压力的偏差来实时调整系统的炉排转速、炉排煤层厚度、鼓风机量和引风机量。给定的蒸汽压力值要根据不同季节、不同时间段和具体的使用负荷情况综合设定，且设置给定值的调整周期不宜太短，如果设置太短造成系统的响应时间不及时，会导致系统大超调震荡，造成系统不稳定。

2.2 控制方案

总体控制思路：锅炉根据不同的使用负荷需求来自动调节炉排煤层厚度和炉排转速，即锅炉的负荷需求与用煤量形成正相关的关系。同时通过系统自动计算出的炉排煤层厚度和炉排的转速，通过这两个参数的乘积得出炉膛单位时间内的用煤量，从而根据用煤量来自动调节鼓风机风量和引风机风量[5-6]。

图1 炉排煤层厚度和炉排转速调节控制方框

鼓风机风量调节控制：在链条炉运行过程中，鼓风机需要给炉膛不断提供煤炭燃烧的空气，让炉排上的煤充分燃烧，鼓风机风量的调节是根据给煤量确定，而给煤量是通过炉排的转速与炉排煤层厚度的乘积得出单位时间内的给煤量，炉排的长度与炉排转速比值得出燃烧时间，这样可以算出给煤量。鼓风机风量与给煤量之间采用比例控制[9]。鼓风机的转速同样采用变频器控制，PLC模拟量输入模块采集主蒸汽管道的压力并与给定蒸汽压力值进行叠加，PLC经过运算后通过模拟量输出模块给变频器输出4～20 mA电流信号，变频器根据输入电流信号对鼓风机电机转速进行实时变速调节，如图2所示。

图2 鼓风机风量调节控制方框

引风机风量调节控制：引风机的作用是将炉膛内的烟气通过烟道排出到大气环境中，引风机风量要与鼓风机风量适应协调控制，通过采集炉膛的负压信号调节引风机电机转速，让炉膛内保持一定的负压，同时也要通过采集炉膛内的烟气氧含量来协调调节引风机和鼓风机的电机转速。同理，鼓风机的转速采用变频器控制，PLC模拟量输入模块采集主蒸汽管道的压力并与给定蒸汽压力值进行叠加，PLC经过运算后通过模拟量输出模块给变频器输出4～20 mA电流信号，变频器根据输入电流信号对引风机电机转速进行实时变速调节[10]，如图3所示。

图3 引风机风量调节控制方框

鼓风机与引风机在采用各自方式的同时，也要参考烟气氧气含量值，烟气氧含量理想值为6%，最大不超过8%，最低不低于4%，通过烟氧传感器采集氧含量，当烟气氧含量符合设置要求，按照各自预先设定程序控制，如果烟气氧含量不满足预设要求时，对鼓风机和引风机风量协调控制，使之达到两者的匹配，即当炉膛内烟气氧含量高于设定最大值时，提高一定的引风机风量，降低一定的鼓风机风量；当炉膛内烟气氧含量低于设置的最小值时，降低一定的引风机风量，提高一定的鼓风机风量，最终实现烟气氧含量在合理范围内。

3 自动化闭环变频控制的优点

采用自动化系统代替以往普通电气接触器控制链条炉的方法，可以摆脱人为操作不可控因素，系统按照预先设计好的程序，进行自我调节控制炉排转速、炉排煤层厚度、鼓风机和引风机的电机转速，既提高了运行的安全性，又降低了电气接触器控制方式的故障率[11]。

变频控制起动电流小，减少了对电网的冲击；变频器自带过电压、过电流、电源缺相和欠电压保护等功能，代替了电气接触器保护功能的元器件，简化控制系统线路，降低故障率。同时，变频控制系统运行平稳，噪声小，能实现电机的无极调速，根据负荷来控制各变频电机转速，节约电能和维修的生产成本[12-13]。

4 结语

采用上述控制链条炉的方法，有望改变现有燃煤链条锅炉的弊端，让链条炉的各参数之间达到匹配要求，即炉排电机转速、炉排煤层厚度、鼓风机风量和引风机风量协调控制，保证炉膛内的烟气氧含量在合理范围内，减少氮氧化物对大气的污染，用自动化变频控制方法替换现有的电气接触器控制方式，减少了电气故障率，提高锅炉运行效率，减少能源浪费，节约运行成本。