CN106016347B - 工业煤粉锅炉多通道燃烧过程比例控制系统的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业煤粉锅炉多通道燃烧过程比例控制系统的实现方法，其特征在于：该比例控制系统主要包括主控制器、副控制器和多个单通道控制器，主控器的输出与副控制器的输入相连，副控制器的输出与多个单通道控制器的输入相连，每个单通道控制器都具有外部输出模块与对应的外部设备相连，所述方法包括以下步骤：步骤一、确定每个单通道控制器的分段拟合直线起点和终点对应的工程数据当量值；步骤二、求得各分段区域内的拟合直线；步骤三：将工程数据当量值转换成各单通道控制器可驱动外部设备的电流值步骤四：通过步骤三获取的电流值驱动外部相关执行器。本发明既保证燃烧的充分性，又保证将燃烧过程的过量空气系数控制在合理的区间，降低排烟热损失，提高锅炉的热效率。

Description

工业煤粉锅炉多通道燃烧过程比例控制系统的实现方法

技术领域

本发明涉及一种工业煤粉锅炉多通道燃烧过程比例控制系统的实现方法，用于控制燃烧过程中的燃料量、助燃空气量、旋流风量和冷却风量等。

背景技术

煤粉工业锅炉规模庞大、工艺过程复杂、设备协调性控制要求高、为了保证高效煤粉锅炉及供热系统的安全性、可靠性和经济性，煤粉锅炉及其供热系统的自动化水平就显得非常重要。

但是，目前国内煤粉锅炉配套的自动化控制系统在煤粉工业锅炉的应用领域普遍存在控制功能不完备，自动化程度相对较低的问题。

对于燃烧控制而言由于一些知名的国际品公司生产的专用燃烧管理器具有技术封闭，通道数量较少的特点，给煤粉燃烧的工艺过程控制带来了一定的制约。

随着煤粉工业锅炉技术的发展和市场需要的变化，已经有越来越多的燃烧器厂家，开始以电动或气动流量调节阀取代了传统的机械凸轮联动机构驱动空气和燃料蝶阀的方式来控制工业煤粉锅炉燃烧过程中的空燃比例，以保证最佳的燃烬率，目前为了达到这一控制功能，基本都是采用由SIEMENS、HONEYWELL等公司生产的专用燃烧管理器来实现，技术成本相对较高，通道使用受到很大限制。

为了适应市场需求，开发一种性能价格比相对较高的稳定可靠的，适用于高效煤粉工业锅炉和燃油燃气工业锅炉的燃烧控制系统的多通道比例控制器是有着非常重要的现实的战略意义和经济价值的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种工业煤粉锅炉多通道燃烧过程比例控制系统的实现方法，在保证燃烧性能的前提下提高了控制系统的经济性和灵活性。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种工业煤粉锅炉多通道燃烧过程比例控制系统的实现方法，该比例控制系统主要包括主控制器、副控制器和多个单通道控制器，主控器的输出与副控制器的输入相连，副控制器的输出与多个单通道控制器的输入相连，每个单通道控制器都具有外部输出模块与对应的外部设备相连，所述方法包括以下步骤：

步骤一、确定每个单通道控制器的分段拟合直线起点和终点对应的工程数据当量值

将每个单通道控制器对应阀门的负荷百分比进行分段，同时对于每个分段的负荷点进行赋值，确定每个负荷点对应的工程数据当量值，相邻两个负荷点之间形成分段区域；

步骤二、求得各分段区域内的拟合直线

采用分段线性拟合运算技术对空气和燃料的阀位开度和流量特性进行拟合，拟合计算公式如下

(Y-Yi1)/(Xa-Xi1)= (Yi2-Yi1)/(Xi2-Xi1)

式中i=1,2,3…10表示拟合直线的段号，Yi1、Yi2均表示步骤一中工程数据当量值，Yi1为拟合直线的起始点当量值，Yi2表示拟合直线的终点当量值，Xi1、Xi2为拟合直线上Yi1、Yi2对应的负荷百分比，Xa—表示当前主控制器的实际输出值，Y表示Xa对应的工程数据当量值；

步骤三：将工程数据当量值转换成各单通道控制器可驱动外部设备的电流值

根据公式A=S*Y/Ymax计算出工程数据当量值对应的工程值，其中S表示单通道控制器的外部输出模块满量程输出对应的工程值，Y表示当前要转换的工程数据当量值，Ymax表示外部输出模块满量程输出时的工程数据当量值；

输出通道对应的输出电流I=4+A/S*16；

步骤四：通过步骤三获取的电流值驱动外部相关执行器

通过外部接线将步骤三的控制电流信号输出给各单通道控制器对应阀门的阀门定位器，驱动阀门打开，开度值=(I-4)/16*100%，实现控制过程，其中阀门定位器为4mA 关闭，20 mA全开。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明主要用于实现燃烧过程中煤粉供给、助燃空气供给、再循环风量供给等的定量控制，控制通道可以扩展，可适用于控制要求更为复杂的燃烧系统。既保证燃烧的充分性，又保证将燃烧过程的过量空气系数控制在合理的区间，降低排烟热损失，提高锅炉的热效率。

附图说明

图1为本发明的比例控制系统的结构图。

图2为本发明的比例控制系统的原理图。

图3为本发明实施例中空气量控制通道的拟合曲线图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1，2所示，本实施例中的控制系统是一个串级控制的具有多通道输出功能的复合比例控制系统，主要包括主控制器、副控制器和多个单通道控制器，主控器的输出与副控制器的输入相连，副控制器的输出与多个单通道控制器的输入相连，每个单通道控制器都具有外部输出模块与对应的外部设备相连。

2.1 控制原理为串级比例控制方式

工业锅炉蒸汽或热水的生产过程涉及到燃料供给、空气配比，热网需求平衡等多方面的因素，是一个大惯性，多扰动的复杂控制系统。

为了克服扰动，保证锅炉燃烧控制的精度，提高控制系统的响应速度，本控制器采用串级控制系统结构，为了降低控制器的成本，根据燃煤粉工业锅炉的工艺特性，选择了热网需求平衡（出水温度或蒸汽压力）的波动作为外部扰动，选择了煤粉热值变化和煤粉气力输送气粉比的均匀性作为燃烧系统的内部扰动。

（1）外部扰动经由主控制器反馈控制回路，通过调节燃烧强度的方式实现。

（2）内部扰动煤粉热值波动和气粉比的扰动由以下方式消除：

主控制器输出值作为副控制器的设定值，副控制器通过反馈控制回路对内部扰动进行消除，通过控制空气挡板门开度、给料螺旋转速、卸料阀转速等方式消除内部扰动。

2.2控制器输出方式为多通道输出

（1）燃烧工艺首先要满足对燃烧过程中的过量空气系数进行合理控制，本控制器在保证燃烧充分的前提下，通过对二次风机变频控制的方式对燃烧空气量进行精细化微调。

（2）炉膛安全保护工艺要求对锅炉炉膛压力进行调控；为了保证燃烧过程中炉膛压力处于安全允许范围值内，并维持一定的炉膛烟气饱和度，通过引风机变频控制方式对炉膛的压力进行精细化的调节。

（3）燃烧工艺采用烟气再循环技术降低排放烟气中的NOx，既要保证抽取足够的烟气量以降低火焰中心区温度，又要保证烟气量的掺入的烟气数量不会使火焰温度过低，影响燃烧的稳定性。这就需要根据负荷变动的情况合理调节再循环风机的频率，保证烟气的抽取量能够满足工艺性能要求。

实现多通道比例控制的重点在于：

（1）燃烧工艺过程煤粉量，空气量的比例控制，

（2）燃烧工艺NOx抑制过程中烟气循环量与燃料量及空气量的比例控制。

（3）燃烧工艺过程炉膛烟气量排放与燃料量及空气量的比例关系。

2.3根据以上工艺分析，实现多通道比例控制的难点在于：

既要保证负荷平衡阶段的比例关系，保证燃烧充分稳定、炉膛压力稳定、还要保证NOx的生成抑制作用显著。还要保证负荷变动期间，燃烧负荷处于变动状态时，实现稳定燃烧。

本控制器采用了PID调节技术、流量与阀位开度曲线拟合技术、多通道分配技术、阀门开度跟随控制技术等技术手段，满足了工艺要求。

如图3所示，基于上述控制系统的控制方法如下：

步骤一、确定每个单通道控制器的分段拟合直线起点和终点对应的工程数据当量值

以空气量控制通道十点在拟合过程中为例说明：

在直角坐标系中，横坐标X表示空气阀门的负荷百分比，纵坐标Y表示空气阀门当量值，空气阀门的负荷百分比在0—100%之间，将负荷百分比等分为10个点，依次为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%，每个点的间距为10%，根据实际经验来确定每个负荷点对应的工程数据当量值Y，比如，0%时空气阀位当量值=0；10%空气阀位当量值=220，相邻两个负荷点之间形成分段区域。

步骤二、求得各分段区域内的拟合直线

根据锅炉运行负荷预设目标值（蒸汽压力或水温）和实际检测值的差值的变动情况，采用PID运算计算出实际需要的负荷百分比（0-100%）。 在这个范围内，采用分段线性拟合运算技术对空气和燃料（油、气、粉）的阀位开度和流量特性进行拟合。

拟合计算公式

根据(Y-Yi1)/(Xa-X i1)= (Yi2-Yi1)/(Xi2-X i1)

得Y=(Yi2-Yi1)/(Xi2-Xi1)*(Xa-Xi1)+Yi1…(i=1,2,3…10)………………….....(1)

式中i—表示拟合直线的段号，Yi1、Yi2均表示步骤一中工程数据当量值，Yi1为拟合直线的起始点当量值，Yi2表示拟合直线的终点当量值，Xi1、Xi2为拟合直线上Yi1、Yi2对应的负荷百分比，如 i=1 ,则表示第一段拟合直线，则Yi1=0，Yi2=220，Xi1=0%，Xi2=1-%，Xa—表示当前主控制器的实际输出值，Y表示Xa对应的工程数据当量值，

当Xa∈[0,10%）时， 调用直线段1的方程拟合， 求Xa对应空气阀位当量值。

当Xa∈[10,20%）时，调用直线段2的方程拟合，求Xa对应空气阀位当量值。

当Xa∈[20,30%）时，调用直线段3的方程拟合，求Xa对应空气阀位当量值。

当Xa∈[30,40%）时，调用直线段4的方程拟合，求Xa对应空气阀位当量值。

当Xa∈[40,50%）时，调用直线段5的方程拟合，求Xa对应空气阀位当量值。

当Xa∈[50,60%）时，调用直线段6的方程拟合，求Xa对应空气阀位当量值。

当Xa∈[60,70%）时，调用直线段7的方程拟合，求Xa对应空气阀位当量值。

当Xa∈[70,80%）时，调用直线段8的方程拟合，求Xa对应空气阀位当量值。

当Xa∈[80,90%）时，调用直线段9的方程拟合，求Xa对应空气阀位当量值。

当Xa∈[90,100%）时，调用直线段10的方程拟合，求Xa对应空气阀位当量值。

步骤三：将工程数据当量值转换成各单通道控制器可驱动外部设备的电流值

根据公式A=S*Y/Ymax计算出工程数据当量值对应的工程值，其中S表示单通道控制器的外部输出模块满量程输出对应的工程值，Y表示当前要转换的工程数据当量值，Ymax表示外部输出模块满量程输出时的工程数据当量值；

假设空气量控制通道的满量程输出时工程数据当量值为Y=999时，对应的工程值为27648，则当空气阀位当量值=110时，对应的工程值=27648*110/999=3044。

此时，输出通道对应的输出电流I=4+A/S*16，即I=4+3044/27648*16=5.76(mA)

步骤四：通过步骤三获取的电流值驱动外部相关执行器

通过外部接线将5.76mA的控制电流信号输出给空气调节门的阀门定位器，驱动阀门打开，开度值=(5.76-4)/16*100%=11%，实现控制过程。

说明：以上描述的阀门定位器为4mA 关闭，20 mA全开。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种工业煤粉锅炉多通道燃烧过程比例控制系统的实现方法，其特征在于：该比例控制系统主要包括主控制器、副控制器和多个单通道控制器，主控制器的输出与副控制器的输入相连，副控制器的输出与多个单通道控制器的输入相连，每个单通道控制器都具有外部输出模块与对应的外部设备相连，所述方法包括以下步骤：

步骤一、确定每个单通道控制器的分段拟合直线起点和终点对应的工程数据当量值

将每个单通道控制器对应阀门的负荷百分比进行分段，同时对于每个分段的负荷点进行赋值，确定每个负荷点对应的工程数据当量值，相邻两个负荷点之间形成分段区域；

步骤二、求得各分段区域内的拟合直线

采用分段线性拟合运算技术对空气和燃料的阀位开度和流量特性进行拟合，拟合计算公式如下

(Y-Yi1)/(Xa-Xi1)= (Yi2-Yi1)/(Xi2-Xi1)

式中i=1,2,3…10表示拟合直线的段号，Yi1、Yi2均表示步骤一中工程数据当量值，Yi1为拟合直线的起始点当量值，Yi2表示拟合直线的终点当量值，Xi1、Xi2为拟合直线上Yi1、Yi2对应的负荷百分比，Xa—表示当前主控制器的实际输出值，Y表示Xa对应的工程数据当量值；

步骤三：将工程数据当量值转换成各单通道控制器可驱动外部设备的电流值

根据公式A=S*Y/Ymax计算出工程数据当量值对应的工程值，其中S表示单通道控制器的外部输出模块满量程输出对应的工程值，Y表示当前要转换的工程数据当量值，Ymax表示外部输出模块满量程输出时的工程数据当量值；

输出通道对应的输出电流I=4+A/S*16；

步骤四：通过步骤三获取的电流值驱动外部相关执行器

通过外部接线将步骤三的控制电流信号输出给各单通道控制器对应阀门的阀门定位器，驱动阀门打开，开度值=(I-4)/16*100%，实现控制过程，其中阀门定位器为4mA 关闭，20mA全开。