CN109751615A - 燃气锅炉控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气锅炉控制系统，包括炉本体、第一PID控制器、烟气含氧量检测模块、燃气流量检测模块、信号转换模块、变频器和风机，锅炉本体设有阀门，信号转换模块与燃气流量检测模块电连接，烟气含氧量检测模块与锅炉本体对应，第一PID控制器与烟气含氧量检测模块电连接，第一PID控制器与变频器电连接，变频器与信号转换模块电连接，风机与变频器连接。烟气含氧量检测模块，实时检测锅炉本体排放烟气的含氧量，第一PID控制器通过烟气含氧量的相应信号控制变频器变频，改变风机的转速；燃气流量检测模块获取锅炉燃气流量信号，信号转换模块将流量信号转为变频器的输入控制信号，实现变频器的变频，改变风机的转速，使得锅炉风量得到调节。

Description

燃气锅炉控制系统

技术领域

本发明属于一种燃气锅炉的重要组成部分，尤其是涉及一种燃气锅炉 控制系统。

背景技术

长期以来，工业锅炉广泛应用于生产制造工业，而煤炭一直是工业锅 炉的燃烧燃料。在运输、储存以及燃烧的过程中，煤炭粉尘导致严重的环 境污染。同时，燃煤锅炉具有热量散失较多，产生大量二氧化碳、二氧化 硫等有害气体，过量空气系数较高，难以实现自动控制和调节等，有效节 能。

为了加大空气污染防治力度，优化能源结构，有效提高清洁能源利用 比率，国家大力推广“煤改气”，使得工业燃气锅炉在供暖、工业生产中的 得以广泛应用，燃气工业锅炉用户也有了爆发式的增长，燃烧器的需求也 随之呈几何级数放大。然而燃气锅炉蒸汽负荷保持稳定的情况非常少见， 几乎每个工业燃气锅炉都会遇上燃烧器的动态调整问题，导致燃气锅炉都 在高空气过量系数下燃烧，能源浪费问题严重，高负荷NO_X排放量大等， 造成了一定的氮氧化物污染。加上供求不平衡导致的超高燃气价格，使得 燃气锅炉用户对燃烧侧节能有强烈需求。而锅燃气炉制造厂也希望在不增 加调试人员数量的前提下，通过给锅炉产品增加燃烧优化控制系统，提高 燃烧器现场调试成功率，并能长期维持锅炉最佳性能，从而提高产品竞争 力。

锅炉本身作为用途广泛的热能转换设备，在许多行业都会用到，例如 纺织，造纸，建材，化工，食品等民用工业领域，其中使用量最大的是纺 织，造纸，建材这三个工业领域。在纺织行业里，主要用到热能的工艺过 程就是印染。印染行业是纺织工业的重要组成部分，既是提升产品质量、 提高产品附加值的关键行业，又是耗水、耗能、排污较大的行业。据不完 全统计，就纺织行业而言，年能耗总量为6867万吨标准煤，年耗水量达95.48 亿吨，新鲜水取用量居全国各行业第二位，废水排放量居全国第六位，其 中印染废水则占全国纺织废水排放量的80％。同时，由于资源、环境压力 加大，以及国家和地方大力宣传节能减排工作，企业的节能降耗和减排压 力越来越大。而在印染企业中，锅炉是重要的能耗和污染物排放设备，而 且印染工艺的蒸汽使用负荷相对于造纸和建材，会更加不稳定；这样燃气 锅炉在负荷频繁的波动过程中，要保持始终最佳的燃烧效率是极其困难的。 因此，燃气锅炉的燃烧优化对印染企业具有更重要的意义。

而现有的进入锅炉空气量的控制方式有风门挡板开度控制和通过变频 调节空气量的控制两种。这两种控制方式中，由于风门挡板开度和负荷关 系的非线型性，风门挡板开度和实际进入炉膛空气量难以实现精确控制。 现有的锅炉进风量是根据燃气流量信号，通过阀门开度连杆直接调控风门 挡板开度控制实际进入锅炉的风量，由于连杆和风门的开度控制都是机械 操作，这样的控制方式误差大，调节精度不高。此外，即便增加了变频器提高了调节风量的精度，但由于工况的改变，外围空气或热风温度的不同， 锅炉燃烧状况不能达到最佳状态，无法实现经济燃烧。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够解决上述问题中的至少一个的燃气锅 炉控制系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种燃气锅炉控制系统，包括锅炉本 体、第一PID控制器、烟气含氧量检测模块、燃气流量检测模块、信号转 换模块、变频器和风机，锅炉本体设有阀门，燃气流量检测模块设于阀门 处，信号转换模块的输入端与燃气流量检测模块电连接，烟气含氧量检测 模块与锅炉本体对应设置，第一PID控制器与烟气含氧量检测模块的输出 端电连接，第一PID控制器的输出端与变频器电连接，变频器与信号转换 模块的输出端电连接，风机与变频器连接，风机与锅炉本体相对应。

本发明的有益效果是：通过设有烟气含氧量检测模块，可以实时检测 锅炉本体排放烟气的含氧量，再将信号输送至第一PID控制器，第一PID 控制器通过烟气含氧量的相应信号控制变频器进行变频，从而改变风机的 转速；同时，通过燃气流量检测模块直接获取锅炉燃气流量信号，并将燃 气流量信号发送至信号转换模块，通过信号转换模块将流量信号转换为变 频器的输入控制信号，实现变频器的变频，从而改变了风机的转动频率， 即实现了风机的转速调节，使得进入到锅炉本体的风量得到调节。由此， 该燃气锅炉控制系统取缔了现有技术中通过机械式控制风门开度大小调节 锅炉进风量，细化风量的调节范围，从而提高风量的调节精度。

在一些实施方式中，燃气锅炉控制系统还包括温度检测模块和温度设 定模块，所述温度检测模块与锅炉本体对应，第一PID控制器与温度检测 模块的输出端电连接，温度设定模块与第一PID控制器连接，温度设定模 块与温度检测模块连接。由此，由于燃气锅炉的进风来自锅炉本身回收的 热风时，热风温度的波动直接影响烟气含氧量的变化，因此通过设有温度 检测模块，可以对燃气锅炉回收的热风温度进行实时监测；然后检测的实 时温度与温度设定模块预先设定的温度进行比较，便于第一PID控制器控 制变频器进行变频

在一些实施方式中，烟气含氧量检测模块检测的烟气含氧量符合如下 传递函数：

其中，参数T₂和τ₂分别为锅炉烟气通道的惯性系 数和时间滞后常数。由此，可以提高烟气含氧量检测的准确度。

在一些实施方式中，燃气锅炉控制系统还包括压力检测模块和第二PID 控制器，第二PID控制器与阀门电连接，压力检测模块与锅炉本体对应设 置，压力检测模块与第二PID控制器电连接。由此，通过设有压力检测模 块，可以实时检测锅炉本体释放的蒸汽压力，利于锅炉本体的工作情况的 监测。

在一些实施方式中，压力检测模块检测的气体压力符合如下传递函数：

其中，参数T₁和τ₁分别为锅炉的惯性系数和 锅炉系统的时间滞后常数，T₁和τ₁分别大于T₂和τ₂，且相对于τ₁而言， τ₂可以忽略不计。由此，可以提高锅炉气体排放压力检测的准确度。

在一些实施方式中，燃气锅炉控制系统还包括压力设定模块，压力设 定模块与压力检测模块电连接，压力设定模块与第二PID控制器电连接。 由此，通过压力检测模块对锅炉本体释放蒸汽压力的检测，并和压力设定 模块预先设定的压力值进行比对，经过第二PID控制器进行比对后，可以 进一步精确变频器对风机的转速调节，进而提高风量的调节精度。

在一些实施方式中，燃气锅炉控制系统还包括烟气含氧量设定模块， 烟气含氧量设定模块与烟气含氧量检测模块相连接，烟气含氧量设定模块 与第一PID控制器电连接。由此，通过烟气含氧量检测模块检测得到的锅 炉烟气含氧量信号，并与预先设定的较佳的烟气含氧量进行比照，利用第 一PID控制器的自动调节作用，对变频器输入控制信号进行精细微调，精 准调节锅炉输入风量，从而达到将锅炉烟气含氧量调节到给定的较佳数值范围的目的。

在一些实施方式中，第一PID控制器和第二PID控制器的控制规律为：

式中K_p为比例常数，T_I为积 分时间常数，T_d为微分时间常数。由此，便于第一PID控制器和第二PID 控制器对变频器的调节。

附图说明

图1是本发明的燃气锅炉控制系统的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

参照图1。燃气锅炉控制系统，包括锅炉本体1、第一PID控制器 (ProportionIntegration Differentiation，即比例-积分-微分控制器)2、烟气 含氧量检测模块9、燃气流量检测模块3、信号转换模块4、变频器5和风 机6，锅炉本体1设有阀门11，燃气流量检测模块3设于阀门11处，信号 转换模块4的输入端与燃气流量检测模块3通过导线电连接，烟气含氧量 检测模块9与锅炉本体1对应设置，第一PID控制器2与烟气含氧量检测 模块9的输出端通过导线电连接，第一PID控制器2的输出端与变频器5 通过导线电连接，变频器5与信号转换模块4的输出端通过导线电连接， 风机6与变频器5连接，风机6与锅炉本体1相对应，即风机6向锅炉本 体1输送风量。在实际使用过程中，阀门11通过电机控制开启大小，第一 PID控制器2与该电机通过导线连接，使得第一PID控制器可以方便控制 阀门11打开大小，便于输入风量的控制。

该燃气锅炉控制系统在使用时，燃气流量检测模块3可以实时检测进 入到阀门11的燃气流量，并将燃气流量信号传递至信号转换模块4；燃气 流量信号经过信号转换模块4中的函数变换后作为变频器5的输入控制信 号；最后通过变频器5控制风机6的转速，实现风机6输送风量的调节。

同时，通过设有烟气含氧量检测模块9，可以实时检测锅炉本体1排放 烟气的含氧量，再将信号输送至第一PID控制器2，第一PID控制器2通 过烟气含氧量的相应信号控制变频器5进行变频，从而改变风机6的转速， 提高锅炉本体1进风量的控制精度。

燃气锅炉控制系统还包括温度检测模块30和温度设定模块40，温度检 测模块30与锅炉本体对应，第一PID控制器2与温度检测模块30的输出 端电连接，温度设定模块40与第一PID控制器2连接，温度设定模块40 与温度检测模块30连接。

本发明的燃气锅炉控制系统主要针对燃气锅炉的送风取自通过预热器 回收的热风，由于热风温度的波动直接影响烟气含氧量的变化，且热风的 温度变化比较大，具有不确定性，为了避免烟气含氧量参数的急剧波动。 因此，需要通过采集送风温度信号，在送风回路对送风量进行前馈控制， 充分保燃烧过程中烟气含氧量数值的平稳，以实现燃气锅炉的经济燃烧。

当温度检测模块30检测的温度高于温度设定模块40预先设定的温度 时，因此送风温度较高，风的流速较大，第一PID控制器2控制变频器5 的变频，使得风机6转速相应变小。反之，风机6的转速增大。从而实现 了锅炉的经济燃烧。具体为：温度设定模块40预先设定的温度t₀可以通 过常温传感器获得，t为热风温度，且大于或等于t₀，f(t)为热风温度体积 变换函数。由于气体流量和温度成正比关系，变频器的频率和流量(转速) 成比例关系，因此，f(t)可以设置为常数。现场可以根据热风温度和常温的 温差与常温的百分比确定f(t)的范围，并进行必要的调整。具有烟气温度信 号前馈控制回路包括温度设定、热风温度测量以及比例系数设定。在该控 制回路中，测量进入锅炉的热风温度，并和常规运行环境下的温度设定值 进行比较，当热风温度高于设定温度时，通过比例系数变换叠加到变频器的输入，增加变频器的输出频率，加大锅炉的送风量。

烟气含氧量检测模块9检测的烟气含氧量符合如下传递函数：

其中，参数T₂和τ₂分别为锅炉烟气通道的惯性系 数和时间滞后常数。

燃气锅炉控制系统还包括压力检测模块7和第二PID控制器10，第二 PID控制器10与阀门11电连接，压力检测模块7与锅炉本体1对应设置， 压力检测模块7与第二PID控制器2电连接。

压力检测模块7检测的气体压力符合如下传递函数：

其中，参数T₁和τ₁分别为锅炉的惯性系数和 锅炉系统的时间滞后常数，T₁和τ₁分别大于T₂和τ₂，且相对于τ₁而言， τ₂可以忽略不计。

燃气锅炉控制系统还包括压力设定模块8，压力设定模块8与压力检测 模块7电连接，压力设定模块8与第二PID控制器10电连接。

在使用时，压力检测模块7可以检测锅炉本体1释放的蒸汽压力；压 力设定模块8可以预先设定较为理想的蒸汽压力值；压力检测模块7测得 的实际蒸汽压力值和压力设定模块8的理想蒸汽压力值均输送至第二PID 控制器10处，第二PID控制器10对两者的数值进行比对，然后对阀门11 的开口大小进行调节，提高了风量的调节精度，使得锅炉本体1的进风量 满足使用要求，达到节能效果。具体调节为：当实际蒸汽压力值小于预先 设定的蒸汽压力值时，阀门11开口相应增大；反之，阀门11开口相应减 小。

燃气锅炉控制系统还包括烟气含氧量设定模块20，烟气含氧量设定模 块20与烟气含氧量检测模块9相连接，烟气含氧量设定模块20与第一PID 控制器2电连接。

本发明的燃气锅炉控制系统在使用时，通过烟气含氧量设定模块20预 先设定燃气锅炉的最佳烟气含氧量值；烟气含氧量检测模块9可以测得锅 炉本体1的实时烟气含氧量。烟气含氧量设定模块20设定的最佳烟气含氧 量值与烟气含氧量检测模块9测得的实时烟气含氧量输送至第一PID控制 器2处，第一PID控制器2对两个数值进行比对，然后第一PID控制器2 对变频器5输入控制信号进行精细微调，精准调节锅炉本体1输入风量， 从而达到将锅炉烟气含氧量调节到最佳给定的数值范围的目的。具体调节 为：当实际测得的烟气含氧量数值小于预先设定的最佳含氧量值时，风机 的转速增大。

第一PID控制器2和第二PID控制器10的控制规律为：

式中K_p为比例常数，T_I为积 分时间常数，T_d为微分时间常数。一般而言，可以参考以下数据进行现场 调试：K_p＝1到4，T_I＝10到1，T_d先取0。首先设置K_p＝1，T_I尽可能大，可 以大于10。保持T_I和T_d不变，逐步增加K_p，使其反应迅速，具有较好 的稳定性。由于生产过程对压力的稳态误差难以精确度量，所以在调试时， 逐步减小T_I，直到开始影响稳定性的时候方可停止。

将本发明的燃气锅炉控制系统运用到实际中去，并取得了较为明显的 节能效果，对燃烧进行优化，详见如下两个具体案例：

案例一

广东江门蓬江区荷塘镇德燿印染厂，有一台10吨的燃气蒸汽锅炉，锅 炉采用意大利意高牌高温空气燃烧器，负荷控制采用大小火两档机械式控 制，助燃空气通过临炉一台导热油炉的尾气加热。

因为燃气蒸汽锅炉的负荷调节从30％和80％两档波动，导热油炉也是 从20％-90％两档负荷波动，最终使得进入燃烧器的高温助燃空气从40～190 度之间变化。如此巨大的助燃空气温度变化，使得燃烧器的调整及其困难， 如果保证最低氧量1.5％，则最高氧量要达到6％。

投入基于温度前馈的具有含氧量动态控制系统后，所有氧量都稳定在 1.5％-2.5％的范围，吨蒸汽燃气消耗平均下降2立方左右，吨蒸汽燃气耗电 下降0.5度。

案例二

广东江门蓬江区杜阮镇裕昌织造厂，有一台6吨的燃气蒸汽锅炉，锅 炉采用意大利尤尼瓦斯牌高温空气燃烧器，负荷控制采用大小火两档机械 式控制。

因为厂里的回收水比例很高，接近90％，锅炉入水温度已经接近90度， 单靠入水已经不可能将排烟温度降至120以下。为了进一步降低排烟温度， 锅炉采用尾部空气预热器将排烟温度降低，用于加热助燃空气。

燃烧器如果做常规普通调整，氧量波动在2％～5％范围；投入基于温度 前馈的具有含氧量动态控制系统后，所有氧量都稳定在1.3％～1.7％的范围， 吨蒸汽燃气消耗平均下降1.5立方左右，吨蒸汽燃气耗电下降0.5度.

以上案例的稳定运行时间都超过6000小时，结果表明基于温度前馈的 具有含氧量动态控制系统方案的有效性，能够动态适应各种运行环境的变 化，而且能够保证将空燃比调节到预期的范围。下一步工作就要研究更有 效稳定的控制方法，进一步适应更大范围的相关参数波动，达到更小范围 的氧量变化，同时研究多燃烧器的协同控制优化问题。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变 形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.燃气锅炉控制系统，其特征在于，包括锅炉本体(1)、第一PID控制器(2)、烟气含氧量检测模块(9)、燃气流量检测模块(3)、信号转换模块(4)、变频器(5)和风机(6)，所述锅炉本体(1)设有阀门(11)，所述燃气流量检测模块(3)设于阀门(11)处，所述信号转换模块(4)的输入端与燃气流量检测模块(3)电连接，所述烟气含氧量检测模块(9)与锅炉本体(1)对应设置，所述第一PID控制器(2)与烟气含氧量检测模块(9)的输出端电连接，所述第一PID控制器(2)的输出端与变频器(5)电连接，所述变频器(5)与信号转换模块(4)的输出端电连接，所述风机(6)与变频器(5)连接，所述风机(6)与锅炉本体(1)相对应。

2.根据权利要求1所述的燃气锅炉控制系统，其特征在于，还包括温度检测模块(30)和温度设定模块(40)，所述所述温度检测模块(30)与锅炉本体对应，所述第一PID控制器(2)与温度检测模块(30)的输出端电连接，所述温度设定模块(40)与第一PID控制器(2)连接，所述温度设定模块(40)与温度检测模块(30)连接。

3.根据权利要求1所述的燃气锅炉控制系统，其特征在于，所述烟气含氧量检测模块(9)检测的烟气含氧量符合如下传递函数：其中，参数T₂和τ₂分别为锅炉烟气通道的惯性系数和时间滞后常数。

4.根据权利要求3所述的燃气锅炉控制系统，其特征在于，还包括压力检测模块(7)和第二PID控制器(10)，所述第二PID控制器(10)与阀门(11)电连接，所述压力检测模块(7)与锅炉本体(1)对应设置，所述压力检测模块(7)与第二PID控制器(10)电连接。

5.根据权利要求4所述的燃气锅炉控制系统，其特征在于，所述压力检测模块(7)检测的气体压力符合如下传递函数：

其中，参数T₁和τ₁分别为锅炉的惯性系数和锅炉系统的时间滞后常数，T₁和τ₁分别大于T₂和τ₂，且相对于τ₁而言，τ₂可以忽略不计。

6.根据权利要求5所述的燃气锅炉控制系统，其特征在于，还包括压力设定模块(8)，所述压力设定模块(8)与压力检测模块(7)电连接，所述压力设定模块(8)与第二PID控制器(2)电连接。

7.根据权利要求6所述的燃气锅炉控制系统，其特征在于，还包括烟气含氧量设定模块(20)，所述烟气含氧量设定模块(20)与烟气含氧量检测模块(9)相连接，所述烟气含氧量设定模块(20)与第一PID控制器(2)电连接。

8.根据权利要求5～7任一项所述的燃气锅炉控制系统，其特征在于，所述第一PID控制器(2)和第二PID控制器(10)的控制规律为：

式中K_p为比例常数，T_I为积分时间常数，T_d为微分时间常数。