锅炉燃烧阶段控制系统方案设计与仿真

赵宇辉， 金耀花， 刘 军， 朱霄霄， 陈 娜

（青岛恒星科技学院， 山东 青岛 266000）

引言

随着锅炉在工业生产中的需求增多，导致了不可再生能源的过度消耗。目前最有效的解决方法是改善锅炉控制系统的运作水平和提高产能效率，使锅炉成为低能耗高输出的设备。本文主要针对的是锅炉自动化燃烧控制系统的设计，从系统总体设计方案及MATLAB 仿真进行了研究[1]。

1 锅炉的工作原理

简单来说，锅炉的工作原理就是能量转换的过程，将化学能转换成以水为载体的热能，再把得到的热能通过管道输送到工厂。蒸汽锅炉，主要是用于加热水获得热能。总体而言，锅炉的燃烧控制过程主要有两个子系统共同构成，一个是主蒸汽压力控制子系统和一个炉膛负压子系统[2]。

2 锅炉燃烧主蒸汽压力控制方案

2.1 主蒸汽压力控制系统控制方案的确定

蒸汽锅炉燃烧的主要目的是为生产制造稳定的压力，控制锅炉的主要方法是调节蒸汽压力，保持一定的蒸汽压力是正常生产的基本前提。如果锅炉中的燃料量已发生了较大的变化，那么锅炉中对于相应燃料的供气量也就必须随之得到改变，所以为了能够保证锅炉中燃烧的经济性，就必须让锅炉中的空气供给量与燃料供给量之间达到最佳比值[3]。为了能够实现在这种系统中的燃料量与送风量均为全部可控，双闭环比例控制系统就可以完美实现这一功能，如图1 所示。

为了使锅炉能充分完全地进行燃烧，当对蒸汽量的要求有所增加时，应先适当加大锅炉中的空气量，后再适当加大锅炉中的燃料量；在对蒸汽流量的要求有所降低时，应先适当地减少锅炉中的燃料量，后再适当地减少锅炉中的空气量。完成该逻辑提降量是依靠系统中设置的两个选择器，高选器HS 和低选器LS。所以需要采用带有逻辑提降量的比例控制系统，如图2 所示。

如图2 所示，当系统进行提量时，高选器动作，并作用于空气量I2使其增加，而此时I2＜IP，低选器开始动作，控制燃料量增加，直至IP=I1=I2，系统又恢复到稳定状态。反之，当系统进行降量时，低选器动作，并作用于燃料量I1使其减少，而此时I1＞IP，高选器开始动作，控制空气量减少，直至IP=I1=I2，系统又恢复到稳定状态。这样就实现了在蒸汽负荷提量时，能够先提空气量，后提燃料量；负荷减量时能先减燃料量，后减空气量的逻辑要。

2.2 炉膛负压系统控制方案

炉膛的负压大小是反映炉膛燃烧条件是否稳定的关键主要参数，也是操作过程中必须操纵和检测的关键主要参数之一。一旦炉膛中的燃烧标准发生变化，炉膛中的负压也会发生变化。

保证炉膛负压稳定的关键措施是调节引风量和送风量，使它们达到一种平衡。例如当一个炉膛的负压没有太大的波动时，只需要手动调整引风量即可对其炉膛的负压做出相应的调整；但是当空气中的蒸汽压力变化波动较大时，燃料使用量和送风量的波动也就会很大。此时，经常使用的一种控制技术为动态前馈- 反映式控制，如图3 所示。前馈控制的一个基本概念就是直接测取进入控制系统工作过程中的干扰信号，在对炉膛负压的控制系统中，当锅炉中蒸汽的压力变化波动比较大时，燃料消耗与送风量之间的变化就会比较大，因此通过对引风量的测量就可得出干扰信号，而且采用快速自动化的前馈控制技术能够很好地减少干扰信号对系统的影响。

3 锅炉燃烧控制系统仿真

搭建了锅炉燃烧控制系统的Simulink 仿真框图，并在特定的环节，添加了干扰信号，以模仿真实控制环境。

经过运行后，示波器显示出的波形从上到下依次为：①燃料流量变化波形；②空气流量变化波形；③加入的蒸汽阶跃干扰信号；④加入干扰后的炉膛负压变化波形；⑤锅炉负压设定值；⑥加入干扰后的蒸汽压力变化波形，如图4 所示。

从仿真曲线可以看出，当锅炉的蒸汽压力受到干扰时，空气量与燃料量波形都随之改变，随着蒸汽压力逐渐恢复平稳，燃料量与空气量也都趋于平稳并达到一个新的平衡，以达到燃料的充分燃烧；当炉膛负压受到干扰时，从仿真曲线可以看出，炉膛负压很快就恢复到设定值。

4 结论

本文完成了锅炉燃烧阶段的蒸汽压力控制，根据控制内容设定了基于PLC 的系统总体控制方案。在MATLAB/Simulink 中搭建仿真模型，对其进行了相应的仿真，并经由PID 参数的整定，得出仿真结果，在给定的负压设定下，在1 s 时加入的蒸汽阶跃干扰信号后，炉膛负压出现了升高后，又在5 s 时候达到了设定值，具有很好地抗干扰性能。