CN111396922A - 一种通用层燃锅炉节能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用层燃锅炉节能控制系统，包括主控系统OCS、算法单元P、出水温度设定模块、炉膛压力设定模块、锅炉控制对象、给煤机、鼓风机和引风机，所述出水温度设定模块连接主控系统OCS，炉膛压力设定模块连接算法单元P，算法单元P还连接主控系统OCS，主控系统OCS输出给煤调节信号到给煤机，给煤机还反馈给煤量信号到主控系统OCS，主控系统OCS输出鼓风调节信号到鼓风机，采用本系统让煤炭的燃烧更加充分，产生的氮氧化物，硫化物、粉尘等有害气体降到最低，减轻了锅炉系统后续脱硫除尘设备的工作负荷，降低了环保设备运行成本，节约了燃煤，降低了有害气体排放。

Description

一种通用层燃锅炉节能控制系统

技术领域

本发明涉及节能技术领域，具体是一种通用层燃锅炉节能控制系统。

背景技术

对于一台或者多台锅炉，原有系统一般分为几类：

第一类最为简单原始，称之为仪表盘手动式，采用一套锅炉仪表盘和风门挡 板调节或者变频器调速简单调节控制，控制对象是引风机、鼓风机、炉排、给 煤机，水位调节阀，汽温调节阀。只要少量检测仪表，在仪表盘上通过人工手 动调节，并且工人需要到现场观测燃烧工况。

第二类具有满足手动控制的计算机控制系统，称之为集中手动式，一般为 PLC控制系统，集中式适用于小型锅炉，包括工业控制计算机，外围设备，工 业自动化仪表。完成了信号采集与手动控制，具有齐全的检测仪表，在中控室 操作员可以通过点击鼠标完成锅炉风和煤的调整，但整个工作都是人工手动完 成，工作量也是比较大的，只是取消了仪表盘，改成了计算机手动操作，没有 达到自动化预期，这部分系统占据了绝大多数。

第三类具有实现自动控制的高级计算机控制系统，称之为集散半自动式，一 般是DCS系统，集散式主要用于大型锅炉系统控制，主要包括：中央微机，现 场微机，PLC及现场仪表。完成了信号采集与自动控制，具有齐全的检测仪表， 在中控室操作员可以通过点击鼠标完成锅炉风和煤的自动调整，但整个系统投 入不稳定，存在燃料浪费，锅炉冒黑烟等问题，投入运行时间短或者干脆投不 上自动，没有达到经济运行预期，这部分系统还是做的比较好的，可以投上自 动但运行不经济，只是完成了系统的连锁保护，监测管理功能。

综合以上，为什么层燃锅炉燃烧控制成为了行业难点？一言以蔽之，就是核 心控制算法的问题。受传统集散控制理念影响，对于引风机采用单回路前馈PID 控制算法，鼓风机采用区间PID控制算法，给煤机采用风煤比控制算法，这些 算法对于单一的控制对象实施控制，从原理来讲没有任何问题，试验模拟也得 到不错的结果曲线，但到实际应用过程中缺无法达到预期效果。这是因为：层 燃锅炉控制系统是多输入、多输出、多回路、非线性的相互关联的复杂的控制 系统。简单的PID控制根本经不起实践的检验。

原有系统具体存在以下问题：

1、自控程度低：系统由于采用传统的控制算法，导致无法投入自控，仍然 为人工手动操作或者半自动操作。

2、燃烧效率低：由于层燃锅炉燃料不稳定，传统控制模式再负荷或者煤质 变化时反应不及时，造成能源燃烧不充分，锅炉效率长时间在低水平工况运行， 导致能源的极大浪费。

3、管理成本高：系统无法实现自动燃烧控制，势必增加相应的司炉人员以 填补自动化程度不高的短板，而人的行为存在主观意识的问题，在是否调整， 何时调整，怎么调整，调整结果，等等环节上存在很大的随意性。

近年来，人们加强对现代控制理论的研究与应用，国内外出现了自校正系统、 自适应控制、模糊控制、智能控制等新型控制系统，国内高校、研究院和企业 逐步开展锅炉的数学模型与仿真研究，开展模糊控制算法及智能控制系统的研 究，取得了一些成果并获得很好的应用，锅炉的优化控制技术已研究多年并正 在逐步完善。但真正实现锅炉自动控制的并不多，只用作数据采集、出口温度 的单回路调节，模仿代替仪表PID调节，无法达到最优的节能操作状态。锅炉 节能技术，除了在工艺装备上进行改进外，通过对锅炉燃烧过程的自动优化控 制，实现节能的技术就应运而生了。针对层燃锅炉燃烧控制的弊端，现提出一 种新的控制算法模式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通用层燃锅炉节能控制系统，以解决上述背景 技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种通用层燃锅炉节能控制系统，包括主控系统OCS、算法单元P、出水温 度设定模块、炉膛压力设定模块、锅炉控制对象、给煤机、鼓风机和引风机， 所述出水温度设定模块连接主控系统OCS，炉膛压力设定模块连接算法单元P， 算法单元P还连接主控系统OCS，主控系统OCS输出给煤调节信号到给煤机，给 煤机还反馈给煤量信号到主控系统OCS，主控系统OCS输出鼓风调节信号到鼓风 机，鼓风机还反馈进风量信号到主控系统OCS和算法单元P，算法单元P输出负 压调节信号到引风机，给煤机、鼓风机和引风机均与锅炉控制对象相连接，锅 炉控制对象还输出炉膛压力反馈信号到算法单元P，锅炉控制对象还输出炉膛温 度信号和过量空气系统信号到主控系统OCS。

作为本发明的进一步技术方案：所述算法单元P内部具有智能变比例变积 分给煤配风算法、多维度自学习优化送风算法和锅炉负荷协调统一控制分配算 法。

作为本发明的进一步技术方案：所述锅炉控制对象内部设有温度检测单元。

作为本发明的进一步技术方案：所述锅炉控制对象内部设有压力检测单元。

作为本发明的进一步技术方案：所述锅炉控制对象内部设有过量空气系数 计算单元。

作为本发明的进一步技术方案：所述出水温度设定模块上设有室外温度检 测单元。

作为本发明的进一步技术方案：所述出水温度设定模块、炉膛压力设定模 块均通过触摸屏幕或矩阵键盘实现。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、自控程度高：系统由于采用先 进的控制算法，自控投入率在99％以上，达到全自动和准无人化操作。2、燃烧 效率高：由于系统具有对燃料改变的自适应性，采用智能变比例变积分给煤-配 风算法；多维度自学习优化送风算法；锅炉负荷协调统一控制分配算法。燃烧 效率较传统方法提供2-5个百分点，大大提高了锅炉燃烧效率，节约了燃煤。3、 管理成本降低：系统实现自动燃烧控制，不必增加相应的司炉人员以填补自动 化程度不高的短板，在是否调整，何时调整，怎么调整，调整结果，等等环节 上采用人工智能进线，减少了误操作和能源浪费。4、环保经济性：采用该系统 让煤炭的燃烧更加充分，产生的氮氧化物，硫化物、粉尘等有害气体降到最低， 减轻了锅炉系统后续脱硫除尘设备的工作负荷，降低了环保设备运行成本，节 约了燃煤，降低了有害气体排放，保卫了蓝天白云，社会效益大大提高。

附图说明

图1为本发明的电气原理图。

图2为本发明的算法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，一种通用层燃锅炉节能控制系统，本设计经过10多年对层燃 链条锅炉的燃烧工况研究，层燃锅炉的燃烧热效率与煤质、煤层厚度、给煤速 度、送风量、引风量、配风模式、燃料燃烧周期等很多因素有关，在不同的工 况负荷下，锅炉的燃烧效率最佳点是不同的，煤质好的情况，煤层可以薄一些， 炉排转速快些，风量小些，燃烧更加充分，风机电机的功率小些，到达省电效 果；当煤质较差，煤层可以厚一些，炉排转速慢些，风量大些，燃烧更加充分； 锅炉燃烧的最佳工况不是唯一的，最佳燃烧效率点随工况而变化，随负荷而变 化，随不同的锅炉而变化。锅炉最佳效率点是动态的，无法用单一函数描述， 故采用综合类比整定出最佳效率值。基本算法为：智能变比例变积分给煤-配风 算法；多维度自学习优化送风算法；锅炉负荷协调统一控制分配算法。

1、智能变比例变积分给煤-配风算法

1)、变积分TI(N)＝TI+ABS(SP-PV)*KI

2)、变比例PX＝PT+ABS(SP-PV)*KPPT(N)＝0.01*PX*(PVMU-PVMD)/(MU-MD)

MU:量程上限

MD:量程下限

PVMU:过程输入值PV的量程上限；

PVMD:过程输入值PV的量程下限；

PX:过程中间值

2、多维度自学习优化送风算法

STEP(N)＝K*0.618*STEP+QT

STEP:优化步长

K:方向

QT:扰动值

3、锅炉负荷协调统一控制分配算法

M:＝((FQ-FQSP)*K1+(TLT-TLTSP)*K2+(FM-FMSP)*K3)；

锅炉负荷模型。

系统如图1所示，包括主控系统OCS、算法单元P、出水温度设定模块、炉 膛压力设定模块、锅炉控制对象、给煤机、鼓风机和引风机，所述出水温度设 定模块连接主控系统OCS，炉膛压力设定模块连接算法单元P，算法单元P还连 接主控系统OCS，主控系统OCS输出给煤调节信号到给煤机，给煤机还反馈给煤 量信号到主控系统OCS，主控系统OCS输出鼓风调节信号到鼓风机，鼓风机还反 馈进风量信号到主控系统OCS和算法单元P，算法单元P输出负压调节信号到引 风机，给煤机、鼓风机和引风机均与锅炉控制对象相连接，锅炉控制对象还输 出炉膛压力反馈信号到算法单元P，锅炉控制对象还输出炉膛温度信号和过量空气系统信号到主控系统OCS。

算法单元P内部具有智能变比例变积分给煤配风算法、多维度自学习优化 送风算法和锅炉负荷协调统一控制分配算法。锅炉控制对象内部设有温度检测 单元。锅炉控制对象内部设有压力检测单元。锅炉控制对象内部设有过量空气 系数计算单元。

层燃热水锅炉的控制是一个复杂的过程，数学模型与实际状况偏离较大。 在控制水平的评价上，不仅要考虑目标参数控制精度，更重要的是对控制系统 的综合目标进行研判，着重考虑经济性、安全性、可靠性、环保性。

实施例1：2016年10月，在某热力公司两台80吨热水层燃链条锅炉控制 系统中加入该算法软件包，控制锅炉引风机、鼓风机、炉排、分层给煤的自动 运行，该炉控制系统原来采用西门子S7-300PLC控制系统，在不改变原系统操 作模式的基础上，增加一套运行该算法的PAC系统，与原系统通讯方式采用OPC 通信。

该系统于2016年11月底投入使用，运行控制工况稳定，取2016年12月1 日和12月15日的两天24小时数据，分别是手动和自动运行数据。可以看出锅 炉投入自动运行时出水温度控制误差在1.5℃范围之内，而手动运行时出水温 度控制误差在6℃范围之内；手动状态下氧含量为2.5％，自动状态下氧 量为8.5％，比手动状态下降低了4.0％；手动状态下锅炉给煤机运行频率 为27.48Hz，自动状态下锅炉给煤机运行频率为25.86Hz，比手动状态时降低 了1.62Hz。

在煤层厚度不变的情况下，锅炉煤耗可以通过给煤机的频率进行判定，给 煤机频率越快则耗煤量越大，频率慢则耗煤量小，锅炉煤耗与频率呈正比关 系。在锅炉负荷相同时，直接比较给煤机频率f(自动)即可进行节煤对比判定。 节能率W的计算公式如下：

节煤率：W＝(F-f)/F×100％，

由以上公式得W(节能节煤率)＝(27.48—25.86)/27.48×100％ ＝5.89％，节能效果显著。

实施例2：在实施例1的基础上，本设计的出水温度设定模块上设有室外温 度检测单元。出水温度设定模块、炉膛压力设定模块均通过触摸屏幕或矩阵键 盘实现。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节， 而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现 本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非 限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落 在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权 利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施 方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见， 本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经 适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种通用层燃锅炉节能控制系统，包括主控系统OCS、算法单元P、出水温度设定模块、炉膛压力设定模块、锅炉控制对象、给煤机、鼓风机和引风机，其特征在于，所述出水温度设定模块连接主控系统OCS，炉膛压力设定模块连接算法单元P，算法单元P还连接主控系统OCS，主控系统OCS输出给煤调节信号到给煤机，给煤机还反馈给煤量信号到主控系统OCS，主控系统OCS输出鼓风调节信号到鼓风机，鼓风机还反馈进风量信号到主控系统OCS和算法单元P，算法单元P输出负压调节信号到引风机，给煤机、鼓风机和引风机均与锅炉控制对象相连接，锅炉控制对象还输出炉膛压力反馈信号到算法单元P，锅炉控制对象还输出炉膛温度信号和过量空气系统信号到主控系统OCS。

2.根据权利要求1所述的一种通用层燃锅炉节能控制系统，其特征在于，所述算法单元P内部具有智能变比例变积分给煤配风算法、多维度自学习优化送风算法和锅炉负荷协调统一控制分配算法。

3.根据权利要求1所述的一种通用层燃锅炉节能控制系统，其特征在于，所述锅炉控制对象内部设有温度检测单元。

4.根据权利要求1所述的一种通用层燃锅炉节能控制系统，其特征在于，所述锅炉控制对象内部设有压力检测单元。

5.根据权利要求1所述的一种通用层燃锅炉节能控制系统，其特征在于，所述锅炉控制对象内部设有过量空气系数计算单元。

6.根据权利要求1所述的一种通用层燃锅炉节能控制系统，其特征在于，所述出水温度设定模块上设有室外温度检测单元。

7.根据权利要求1所述的一种通用层燃锅炉节能控制系统，其特征在于，所述出水温度设定模块、炉膛压力设定模块均通过触摸屏幕或矩阵键盘实现。

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