锅炉控制微机控制与仪表控制
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一、概述
锅炉微机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。
工业锅炉采用微机控制和原有的仪表控制方式相比具有以下明显优势：
1． 直观而集中的显示锅炉各运行参数。能快速计算出机组在正常运行和启停过程中的有用数据，能在显示器上同时显示锅炉运行的水位、压力、炉膛负压、烟气含量、测点温度、燃煤量等数十个运行参量的瞬时值、累计值及给定值，并能按需要在锅炉的结构示意画面的相应位置上显示出参数值。给人直观形象，减少观察的疲劳和失误；
2． 可以按需要随时打印或定时打印，能对运行状况进行准确地记录，便于事故追查和分析，防止事故的瞒报漏报现象；
3． 在运行中可以随时方便的修改各种运行参数的控制值，并修改系统的控制参数；
4． 减少了显示仪表，还可利用软件来代替许多复杂的仪表单元，（例如加法器、微分器、滤波器、限幅报警器等），从而减少了投资也减少了故障率；
5． 提高锅炉的热效率。从已在运行的锅炉来看，采用计算机控制后热效率可比以前提高5-10%，据用户统计，一台20t的锅炉，全年平均负荷70%，以平均热效率提高5%计，全年节煤800吨，按每吨煤380元计算每年节约304000元；燃油锅炉的节约费用更为可观；
6． 锅炉系统中包含鼓风机，引风机，给水泵，等大功率电动机，由于锅炉本身特性和选型的因素，这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的，原有方式采用阀门和挡板控制流量，浪费非常严重。通过对风机水泵进行变频控制可以平均节电达到30%-40%；
7． 锅炉是一个多输入多数出、非线性动态对象，诸多调解量和被调量间存在着耦合通道。例如当锅炉的负荷变化时，所有的被调量都会发生变化。故而理想控制应该采用多变量解偶控制方案。而建立解偶模型和算法通过计算机实现比较方便；
8． 锅炉微机控制系统经扩展后可构成分级控制系统，可与工厂内其他节点构成工业以太网。这是企业现代化管理不可缺少的；
9． 作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。在采用计算机控制的锅炉控制系统中，有十分周到的安全机制，可以设置多点声光报警，和自动连锁停炉。杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。
综合以上所述种种优点可以预见采用计算机控制锅炉系统是行业的大势所趋。
二、锅炉控制系统的一般结构与工作原理
首先除氧水通过给水泵进入给水调节阀，通过给水调节阀进入省煤器，冷水在经过省煤器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成温水进入汽包，在汽包内加热至沸腾产生蒸汽，为了保证有最大的蒸发面因此水位要保持在锅炉上汽包的中线位置，蒸汽通过主蒸汽阀输出。空气经过鼓风机进入空气预热器，在经过空气预热器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成热空气进入炉膛。燃料进入炉膛被前面的火点燃，在燃烧过程中发出热量加热汽包中的水，同时产生热烟气。在引风机的抽吸作用下经过省煤气和空气预热器，把预热传导给进入锅炉的水和空气。通过这种方式使锅炉的热能得到节约。降温后的烟气经过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。
锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、控制系统、上位机、手自动切换操作、执行机构及阀、电机等部分组成，一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机。控制系统包括手动和自动操作部分，手动控制时由操作人员手动控制，用操作器控制变频器、滑差电机及阀等，自动控制时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，以免锅炉发生重大事故。
三、锅炉控制系统的构成及功能
锅炉控制系统的硬件配置，功能较好首推可编程序控制器plc，适合于多台大型锅炉控制，由于plc具有输入输出光电隔离、停电保护、自诊断等功能，所以抗干扰能力强，能置于环境恶劣的工业现场中，故障率低。plc编程简单，易于通信和联网，多台plc进行链接及与计算机进行链接，实现一台计算机和若干台plc构成分布式控制网络，另外使用plc加上位机的控制系统具有很好的扩容性，如需要增加控制点或控制回路只需添加少量输入输出模块即可，为以后的控制系统升级改造和其他功能的添加打下良好基础，也为以后一机多炉控制系统等其他工厂级自动化网络打下良好基础。根据锅炉系统的不同，plc控制系统的选型也有很大不同。大型锅炉控制系统的控制点数较多（1000点以上），控制要求较高，宜选用冗余控制系统。博思科技能提供以下几种冗余系统解决方案：
以上锅炉控制系统中电厂多采用quantum系列冗余系统，性价比较高的是西门子的s7400h和ge的9070系列冗余系统。上位机组态软件可选用西门子的wincc、wonderware的intouch、美国ab的rsview等。
中型锅炉控制系统的控制点数一般为200-1000点，多为几台锅炉的集中控制，控制系统多为单机系统。博思科技提供以下几种中型系统解决方案：
以上锅炉控制系统中多采用西门子s7300系列系统。每台锅炉为一套分布式i/o子系统，公共部分为一套分布式i/o子系统，通过现场总线连接分布式i/o，构建为fcs（现场总线控制系统），可大量节约电缆，降低成本。上位机组态软件可选用国产的组态王、世纪星等。
小型锅炉控制系统的控制点数一般为100点左右，多为单台锅炉的集中控制，并与手操器及显示仪表共同构成控制系统。博思科技提供以下几种小型系统解决方案：
以上锅炉控制系统中多采用触摸屏作为显示终端。每台锅炉为独立的系统。触摸屏可选用进口或国产的7寸以上屏。
四 几个主要的控制回路
4.1 给水控制
在正常运行时，给水调节阀由蒸汽流量、汽包水位和给水流量的三冲量控制，汽包水位信号经汽包压力补偿后作为主调的输入，蒸汽流量信号经温度、压力修正后与给水流量信号一起作为副调的反馈输入。启动时只有汽包水位的单冲量控制。单冲量控制和三冲量控制能相互无扰动切换。
汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸汽带水过多，使过热蒸汽温度降低；水位过低，负荷增大时，水的汽化速度加快，汽包内水量迅速减少，如不及时调整，会使汽包内的水全部汽化，危及锅炉安全。当负荷非常不稳定时，给水流量的扰动，使汽包水位有较大延迟，蒸汽流量变化，会出现虚假水位，使得三冲量难以运行，因此先以单冲量投入运行，使工况稳定后再投入三冲量，也要求单冲量和三冲量两种控制方式能方便地进行无扰切换。
三冲量控制方案系统框图
4.2过热蒸汽汽温控制
锅炉正常运行时不仅要求主汽压力稳定，而且要求主汽温度稳定。主汽温度是反映机组运行情况的一个重要参数。如果主汽温度偏高，过热器及汽机将在更加恶劣的环境下运行，材料的使用寿命将会缩短。相反，如果主汽温度偏低，则汽机达不到预定的运行效率。因此，机组正常运行时要求主汽温度稳定。循环流化床锅炉主汽温度调节系统采用由主汽温度、喷水减温器出口温度及主汽流量等参数组成的串级控制系统。主汽温度测量值作为主调的反馈输入值，与主汽温度设定值进行pid运算后送入副调，在副调中与减温器出口汽温进行控制运 算，其结果经限幅后由手操器输出至执行机构，调节喷水减温的控制阀。由于主汽流量变化时，喷水量应相应地发生变化，故在主汽温度控制方案中把主汽流量信号以前馈形式引入控制系统中。
4.3 燃烧控制燃烧控制
维持汽压稳定，保证燃烧过程的经济性和炉膛负压的稳定，控制系统可分为三个回路：燃料量、送风和引风。燃料流量包括焦炉煤气与高炉煤气。
燃料与空气采取比值控制方式和氧量校正方案，并用烟气含氧量进行微调，风/煤交叉联锁逻辑保证锅炉在任何负荷时都处于安全燃烧的“富氧”工况。即控制任何燃烧工况下的锅炉奉均大于燃料量。在静态时，风量指令为锅炉指令和锅炉燃料总量的高选信号；而燃料指令为锅炉指令与总风量的低选信号。在负荷变化时，则通过先加风，后加燃料；先减燃料，后减风来实现动态补偿。
过剩空气系数校正回路也保证了锅炉在任何负荷时，都处于安全燃烧的“富氧”工况。在低负荷试，为了保证稳定燃烧，过剩空气系数较大。在高负荷时，为了获得较高的燃烧经济性，必须维持较低的过剩空气系数。
过剩空气系数校正回路有如下功能：
运行人员可改变回路中的补偿系数，调节氧量设定值。
通过氧量校正信号的高低限值，可改变总的过剩空气量。
可根据开启风门的数量和状态调整氧量修正信号。
运行可根据氧量指示退出氧量校正回路，受冻调整过剩空气设定值。
炉膛负压控制采取引风调节和送风调节组成前馈——反馈控制。
4.4顺序控制
对锅炉的辅机及阀门等设备进行集中控制，实现辅机设备、阀门及其它辅助系统的顺序启停，从而提高机组运行的可靠性，降低运行人员的劳动强度。
根据现场运行情况，对锅炉设备及其它辅助设备设计程序启动、停止和手动，以满足有关设备的起、停联锁逻辑。
顺序控制部分的联锁的保护指令具有最高优先级，手动控制指令的优先级次之，自动控制指令的优先级最低。对同一设备的开关指令之间设计成相互闭锁，不允许同时发出。为防止运行人员的误操作，重要的手操指令设有确认按钮。
4..5炉膛安全监控
执行点火程序，并对供风系统、引风系统、炉膛压力、汽包水位等进行监视，对出现的危险情况进行报警、执行相应的联锁程序，记录事故前后的相关数据。
锅炉起停和正常运行时，一旦检测到危及系统安全的条件时，立即进行动作，切断主燃料，指出首次跳闸原因，并给出声光报警信号，进行有关的联锁和顺控动作，以保证锅炉的安全。当出现以下情况时，燃烧系统停止。
a.燃烧用供风故障；
b.引风机故障或烟气通道阻塞；
c.炉膛压力过高或过低；
d.汽包水位低于下限；
e.过热器出口温度高于上限；
f.按下紧急按钮（mft）。
五 现对几种控制方式比较
采用dcs（分布式控制）系统，能很好的完成控制功能。但dcs（分布式控制）系统多用于化工、石油、电厂等大型系统中。大型锅炉系统可采用。采用计算机+plc（可编程控制器），能很好的完成控制功能。且能发挥两者的优点和特点。计算机界面直观友好，数据存储处理功能强大。plc（可编程控制器）抗干扰能力强，算法丰富，易于扩展。另外，根据现场实际情况，可搭建为fcs（现场总线控制）系统。 采用仪表，无法完成控制功能，劳动强度大。采用计算机+板卡，能完成控制功能。但板卡抗干扰能力差，编程复杂，且完全依赖计算机。计算机一旦死机，后果严重。
下表是对几种系统的比较