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摘 要：在我国如今的热力发电厂中，生产电力的一个主要设备就是锅炉。工业锅炉在运行中会涉及燃烧燃料与热水、输送高压蒸汽等，具有较高的危险性，必须要重视其安全性。我国在自动化控制工业锅炉方面还比较落后，依然有因控制不到位而导致的安全事故，所以要加强对工业锅炉自动控制系统的设计。本文主要对锅炉进行简要介绍，探讨设计工业锅炉自动控制系统的原则，并分析具体的设计方案和控制方案。
关键词：工业锅炉；自动控制系统；设计
中图分类号：TK223.7 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）26-0278-01
前 言
我国有较为丰富的煤炭能源，其主要特征是价格低、产量高等，因此一直以来煤炭都是我国最为重要的一次性能源。而转换煤炭能源的主要设备就是工业锅炉，其应用领域较为广泛，在军事、生活供暖和生产制作等方面对锅炉都有较大的需求量。近几年人们的生活水平慢慢提升，也提高了生活质量，慢慢增加了采暖需求，也慢慢增加了锅炉数量。
1 锅炉的相关概述
我国超过1/3的一年原产煤都是应用到锅炉中，因此可以知道锅炉属于耗能较大的动力设备。研究如何降低工业锅炉产生和排放的污染物、减少耗电量和耗煤量、提升热效率是值得研究的问题。利用能源的效率主要有锅炉现场的运行状况所决定，我国控制锅炉的水平不高，大部分运行方式是间歇性的，存在管理水平偏低、自动化水平弱等问题，工业锅炉在生产状态方面的特点主要是重污染、能效低、能耗高等，比如工业锅炉在运行中会有大量的二氧化硫和二氧化碳等气体，导致温室效应和空气污染[1]。另外，锅炉是压力容器，关系到生产安全和生命安全，危险性比较高。锅炉的控制系统能对锅炉生产运行进行直接控制，所以控制系统的容错能力和可考性会对锅炉运行和生产的安全性造成直接影响。在自动化技术发展迅猛的当前时期，工业锅炉中也要积极设计和应用自动控制系统，以提高锅炉的工作效率和安全性。
2 设计原则
在工业锅炉的自动控制系统时，要遵循以下几个原则：①自动控制系统的运行必须有较高的安全性和稳定性。系统要有可行性，能够正常转换煤炭资源。使用要便捷化，方便是管理人员和司炉工操作。要有措施避免服务器出现故障，造成系统崩溃，提高控制系统可靠性[2]。②工业锅炉要实现自动化控制，并且控制系统要有较高的可靠性。在应用自动化控制系统后，要使司炉工手动操作减少，提升锅炉运行的效率和安全性。③实现远程监管工业锅炉的目标，提升运行和管理锅炉的水平。借助工业锅炉的自动化控制系统，能够随时随地对锅炉运行的情况进行查看，统计锅炉绩效，分析锅炉的能效，方便进行优化调整与远程指导。
3 工业锅炉自动控制系统设计及控制方案
3.1 工业锅炉自动控制系统的设计
在设计工业锅炉的自动化控制系统时，利用西门子PLC采集数据、对算法和输入输出进行控制。现代化的PLC集成内置、丰富指令集和拓展模块，通信能力比较强，能达到控制锅炉燃烧器的要求。通过比较锅炉设置的出水温度和PLC所采集的热水温度，依据PID算法驱动设备，操作风机变频和调节燃气流量的阀门。因空气流量和风门开度有较好的线性匹配和较高的重复率，风门开度和燃气流量能对应匹配，满足工业锅炉所需要达到的负荷状态。
3.2 控制方案
3.2.1 设计燃烧控制系统的配置选型
燃烧控制系统的组成主要有两个部分：①燃烧控制器，能使用的PLC模块是AB或西门子。②执行部分，也就是被控制的元器件，包括出水温度的变送器、风机变频、燃气流量计、调节燃气流量的阀门等。在执行部门中，关键性工作就是选择具有较好稳定性、量程比大、带有温压补偿和较高精度的燃气流量计。如今，选择使用差压型流量计和涡街在安全性和可靠性上能达到使用的效果。
3.2.2 设计连续控制燃烧的程序
控制出水温度属于大滞后系统，和燃气流量相比，出水温度的回路变化比较慢[3]。调节出水温度是主回路，而调节燃气流量是辅回路，利用串级调节方式，内环调节流量的回路能对出水温度发生的变化进行快速响应，而外环温度回路则依照炉温变化加以调节。在控制策略上不同于常规化的锅炉燃烧器，增加了用于协调控制的流量计，连接风燃比模块和燃气流量，对送风量进行直接跟踪。也就是在燃烧过程的细化中，增加了几个负荷节点的设置，在运行中燃气流量能精确对应风机变频，也就是时刻匹配空气流量和燃气流程，确保其合理。如今，计量燃气的可靠方式主要是涡轮和涡街等，借助流量调节阀的特性曲线对流量计的状态进行间接性判定，假如流量计精度出现偏差或本身出现故障，会和流量调节阀的特性曲线有较大的偏离，此时就要及时报警。
3.2.3 设计安全系统
在锅炉水位偏高或者是气压偏高的时候，为确保锅炉能安全运行，需要设计两个电磁阀，一个电磁阀安装到锅炉最高极限水位的上方，第二个电磁阀安装到锅炉最低极限水位的下方。假如锅炉内部是高压高温状态，就将第一个电磁阀打开，释放出一定量的蒸汽。在锅炉内压力回到安全状态后，系统自动化控制电磁阀将其关闭。假如锅炉内水位已经在最高极限水位的上方，就将第二电磁阀打开，排放一定量水，在水位恢复到正常范围后，及时关闭第二个电磁阀。锅炉正常工作的时候，两个电磁阀自动设置的状态都是闭合状态。
3.2.4 设计工业锅炉的节能方案
在设计工业锅炉的自动控制系统时，要考虑到节能减排问题。比如在设计控制空气量和燃料量的比值时，为确保充分燃烧燃料：①要提高负荷；②要是增加空气量与燃料量。另外，要对烟气含氧量采取闭环控制，对炉膛采取负压控制，以提高资源利用率，降低资源污染。
4 总 结
在设计工业锅炉的自动化控制系统中，利用PLC一方面更加方便快捷，另一方面能使工业企业成本得到大幅度降低，企业生产能力得到有效提升。在设计中尤其要注意燃烧控制系统、连续控制燃烧的程序、安全系统和节能系统，以确保工业锅炉自动化控制的正常运行。
参考文献
[1]高 泮.工业锅炉自动控制系统设计[J].商品与质量，2016（24）.
[2]勾玉玲.工业锅炉控制及远程监管系统的设计与应用[D].大连海事大学，2014.
[3]张 帅.工业锅炉控制策略研究与控制系统设计[J].工业c，2016（4）：216～217.
收稿日期：2018-8-7
作者簡介：席 斌，工程师，研究方向为热控。
关键词：工业锅炉；自动控制系统；设计
中图分类号：TK223.7 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）26-0278-01
前 言
我国有较为丰富的煤炭能源，其主要特征是价格低、产量高等，因此一直以来煤炭都是我国最为重要的一次性能源。而转换煤炭能源的主要设备就是工业锅炉，其应用领域较为广泛，在军事、生活供暖和生产制作等方面对锅炉都有较大的需求量。近几年人们的生活水平慢慢提升，也提高了生活质量，慢慢增加了采暖需求，也慢慢增加了锅炉数量。
1 锅炉的相关概述
我国超过1/3的一年原产煤都是应用到锅炉中，因此可以知道锅炉属于耗能较大的动力设备。研究如何降低工业锅炉产生和排放的污染物、减少耗电量和耗煤量、提升热效率是值得研究的问题。利用能源的效率主要有锅炉现场的运行状况所决定，我国控制锅炉的水平不高，大部分运行方式是间歇性的，存在管理水平偏低、自动化水平弱等问题，工业锅炉在生产状态方面的特点主要是重污染、能效低、能耗高等，比如工业锅炉在运行中会有大量的二氧化硫和二氧化碳等气体，导致温室效应和空气污染[1]。另外，锅炉是压力容器，关系到生产安全和生命安全，危险性比较高。锅炉的控制系统能对锅炉生产运行进行直接控制，所以控制系统的容错能力和可考性会对锅炉运行和生产的安全性造成直接影响。在自动化技术发展迅猛的当前时期，工业锅炉中也要积极设计和应用自动控制系统，以提高锅炉的工作效率和安全性。
2 设计原则
在工业锅炉的自动控制系统时，要遵循以下几个原则：①自动控制系统的运行必须有较高的安全性和稳定性。系统要有可行性，能够正常转换煤炭资源。使用要便捷化，方便是管理人员和司炉工操作。要有措施避免服务器出现故障，造成系统崩溃，提高控制系统可靠性[2]。②工业锅炉要实现自动化控制，并且控制系统要有较高的可靠性。在应用自动化控制系统后，要使司炉工手动操作减少，提升锅炉运行的效率和安全性。③实现远程监管工业锅炉的目标，提升运行和管理锅炉的水平。借助工业锅炉的自动化控制系统，能够随时随地对锅炉运行的情况进行查看，统计锅炉绩效，分析锅炉的能效，方便进行优化调整与远程指导。
3 工业锅炉自动控制系统设计及控制方案
3.1 工业锅炉自动控制系统的设计
在设计工业锅炉的自动化控制系统时，利用西门子PLC采集数据、对算法和输入输出进行控制。现代化的PLC集成内置、丰富指令集和拓展模块，通信能力比较强，能达到控制锅炉燃烧器的要求。通过比较锅炉设置的出水温度和PLC所采集的热水温度，依据PID算法驱动设备，操作风机变频和调节燃气流量的阀门。因空气流量和风门开度有较好的线性匹配和较高的重复率，风门开度和燃气流量能对应匹配，满足工业锅炉所需要达到的负荷状态。
3.2 控制方案
3.2.1 设计燃烧控制系统的配置选型
燃烧控制系统的组成主要有两个部分：①燃烧控制器，能使用的PLC模块是AB或西门子。②执行部分，也就是被控制的元器件，包括出水温度的变送器、风机变频、燃气流量计、调节燃气流量的阀门等。在执行部门中，关键性工作就是选择具有较好稳定性、量程比大、带有温压补偿和较高精度的燃气流量计。如今，选择使用差压型流量计和涡街在安全性和可靠性上能达到使用的效果。
3.2.2 设计连续控制燃烧的程序
控制出水温度属于大滞后系统，和燃气流量相比，出水温度的回路变化比较慢[3]。调节出水温度是主回路，而调节燃气流量是辅回路，利用串级调节方式，内环调节流量的回路能对出水温度发生的变化进行快速响应，而外环温度回路则依照炉温变化加以调节。在控制策略上不同于常规化的锅炉燃烧器，增加了用于协调控制的流量计，连接风燃比模块和燃气流量，对送风量进行直接跟踪。也就是在燃烧过程的细化中，增加了几个负荷节点的设置，在运行中燃气流量能精确对应风机变频，也就是时刻匹配空气流量和燃气流程，确保其合理。如今，计量燃气的可靠方式主要是涡轮和涡街等，借助流量调节阀的特性曲线对流量计的状态进行间接性判定，假如流量计精度出现偏差或本身出现故障，会和流量调节阀的特性曲线有较大的偏离，此时就要及时报警。
3.2.3 设计安全系统
在锅炉水位偏高或者是气压偏高的时候，为确保锅炉能安全运行，需要设计两个电磁阀，一个电磁阀安装到锅炉最高极限水位的上方，第二个电磁阀安装到锅炉最低极限水位的下方。假如锅炉内部是高压高温状态，就将第一个电磁阀打开，释放出一定量的蒸汽。在锅炉内压力回到安全状态后，系统自动化控制电磁阀将其关闭。假如锅炉内水位已经在最高极限水位的上方，就将第二电磁阀打开，排放一定量水，在水位恢复到正常范围后，及时关闭第二个电磁阀。锅炉正常工作的时候，两个电磁阀自动设置的状态都是闭合状态。
3.2.4 设计工业锅炉的节能方案
在设计工业锅炉的自动控制系统时，要考虑到节能减排问题。比如在设计控制空气量和燃料量的比值时，为确保充分燃烧燃料：①要提高负荷；②要是增加空气量与燃料量。另外，要对烟气含氧量采取闭环控制，对炉膛采取负压控制，以提高资源利用率，降低资源污染。
4 总 结
在设计工业锅炉的自动化控制系统中，利用PLC一方面更加方便快捷，另一方面能使工业企业成本得到大幅度降低，企业生产能力得到有效提升。在设计中尤其要注意燃烧控制系统、连续控制燃烧的程序、安全系统和节能系统，以确保工业锅炉自动化控制的正常运行。
参考文献
[1]高 泮.工业锅炉自动控制系统设计[J].商品与质量，2016（24）.
[2]勾玉玲.工业锅炉控制及远程监管系统的设计与应用[D].大连海事大学，2014.
[3]张 帅.工业锅炉控制策略研究与控制系统设计[J].工业c，2016（4）：216～217.
收稿日期：2018-8-7
作者簡介：席 斌，工程师，研究方向为热控。