气动基本回路

    Technology summary 1 前言：节约能源是企业提高经济效益的一个途径 能源是国家基础工业，是当今国民经济发展的重要物质基础，是提高和改善人民生活的必要条件。
  合理的开发和利用能源，是衡量一个国家的经济发展和科学技术水平的重要标志。特别是日趋逼近的未来世界性能源危机，已引起各国政府的高度重视。  因此节约能源，是我们刻不容缓的头等大事之一，对我们企业而言节能降耗是转变经济增长方式，提高经济效益的途径之一。
   锅炉在能源工业中具有重要的地位，电力、机械、冶金、化工、纺织、造纸、食品等行业，以及工业和民用采暖都需要锅炉供给大量的蒸汽。目前，中、大型煤粉锅炉的设计、控制、运行技术相对比较成熟，运行效率比较好。
    而中小型锅炉的控制、运行现状不尽人意，主要是运行效率低下，是能源消耗的大户。 据资料统计，我国中小型锅炉数量已达50多万台，它们每年耗煤量已占全国原煤产量的三分之一。
  由于其运行效率低（一般比锅炉产品的鉴定效率低5～10%），平均运行效率只有60～80%，所以能源浪费很严重。  因此提高中小型锅炉的运行效率，对于节能降耗，提高经济效益是大有潜力可挖的。
   2 提高中小型锅炉效率的措施与途径 目前提高锅炉的运行效率的措施或途径大致可从如下几方面考虑： ① 改善送、引风机的效率、特性、利用变频调速技术代替节流调节； ② 改善锅炉用泵选型，发展立式水泵，提高水泵性能和效率； ③ 合理运用一、二、三次风的配比与分布技术； ④ 采用新型保温隔热层材料及设计，减少散热损失； ⑤ 改善密封，减少空气泄漏； ⑥ 应用循环流化床技术； ⑦ 调整燃料结构，采用洗煤或型煤； ⑧ 应用先进控制技术，提高控制水平。
     而对于一台生产在用的锅炉来说，通过应用先进控制技术，提高控制水平的办法是较快且较实用地方法之一。 3 中小型煤粉锅炉的控制现状 目前大多数的中小型锅炉的控制水平比较落后，自动化程度低，其主要突出的问题是：锅炉的运行很难做到平衡操作，不利于设备的安全生产；司炉工人劳动强度大，工作环境与操作条件差；更关键的是在于锅炉运行的热效率低，耗煤量大，浪费能源严重；由于稳定性差，燃烧不好，又造成环境污染严重。
     随着技术的发展，特别是计算机引入自动化控制领域，使锅炉计算机控制技术有了极大提高，锅炉的自动控制水平不断提高，计算机控制比起传统的模拟控制具有精度高、应用范围广、自动操作简单，性能优越，也越来越可靠的特点，但是由于没有从根本解决如何使计算机控制方案，适应于锅炉这一复杂对象的特点，尽管有许多锅炉上了计算机监控系统，也只不过停留在一些简单的显示与水位调节水平上，而真正实现锅炉的燃烧控制（或热负荷控制）的却很少。
    青碱公司130t/h就属于其中的一例，尽管原设计中有燃烧控制，但是由于技术手段有限，负荷控制一直未投用，只能通过操作工凭经验操作，遥控给粉量和送风、引风量来实现负荷量调节。
  由于操作工与操作工之间的操作水平与操作习惯有较大差异，所以，整个130t/h锅炉的运行稳定受到影响，锅炉的热效率波动相差甚大，长期运行不利于锅炉的安全，对能源是一个极大的浪费，不利于企业的综合效益的提高。
     4 130t/h锅炉新上系统简介 青碱公司130t/h锅炉新上计算机监控系统，是在原有常规仪表系统不作任何改变的前提下，新增设了一些新测点和计算机系统，并且利用原来的遥控机构，增设了自动调节系统，这些新上调节系统主要是用于锅炉的燃烧控制。
  而原有的显示及主要的水位调节系统保持不变，原系统与新上计算机监控系统互为备用。   新上计算机系统在原系统稳定的情况下，切入自动比较方便，锅炉原有的生产参数，几乎全部被引入计算机监控系统；一旦投入自动，操作人员只需根据外界的负荷变化需要量来改变负荷给定值即可。
  如果系统负荷变化大或相关设备不完好，则退出也比较方便，操作系统可完全或部分退出计算机自控系统，由原有的常规仪表来实现锅炉操作。   4．1 原有系统 青碱公司130t/h锅炉型号为B&BW—130/3。
  82—M，属自然循环固态排渣煤粉炉，其设计效率为91。7%。 原有的主要调节回路和联锁系统是： （a） 水位三冲量调节回路，由KMM调节器完成； （b）主汽温度调节由DDZ—III调节仪表完成； （c）灭火保护联锁系统； （d）送风、引风与给粉联锁系统； （e）送风机风门遥控； （f）引风机风门遥控； （g）三次风门遥控； （h）给粉机转速遥控。
     4．2 新设的调节系统与增设的新测点 这次新系统主要有原常规仪表调节系统与新加的燃烧控制系统构成现在的计算机监控新系统。 ① 新上的燃烧控制系统主要包括： （a） 负荷模糊控制（给煤量控制）回路； （b）送风量模糊控制回路； （c）一次风压、二次风压模糊控制回路； （d）炉堂负压常规控制回路。
     ② 为完成以上新的控制回路，在原有的测点的基础上，又增加了如下新测点： （a） 八个一次风粉管测风粉混合温度测点； （b）测量风流量用六支探针流量计：两个一次风流量；两个一、二次风流量；两个三次风流量； （c）炉堂四侧的炉堂出口烟气温度； （d）三个炉堂负压测点； （e）三个主蒸汽母管温度测点； （f）三个主蒸汽探针流量计； （g）七个主汽压力测点：三个主蒸汽母管压力和四个主蒸汽联箱压力。
     （h）送风机出口压力测点二个。 （i）一次风压力测点二个。 （j）锅炉原有的其它参数通过中间变换单元， 通过PCL—813B采样板引 入新的计算机系统，进行充分利用。
   4．3 新上燃烧控制系统的控制方案简介 目前，中小型煤粉炉控制系统效果不佳，主要体现在送风与给煤控制上。  送风控制系统应与给粉控制相协调，维持燃烧处在最佳状态，但是，控制用相关的参数是难以直接测量的，一般的做法是用烟气含氧量来代表。
   目前中小型锅炉的烟气含氧量普遍采用的控制方案见图1。 氧量设定+ + - + + 送风量 - 给粉量 烟气含氧量 图1：传统的中小型锅炉烟气含氧量控制方案 这一方案的缺点是：烟气含氧量的最佳范围随煤种的变化、负荷的变化而变化，而中小型煤粉炉在运行中，这两个因素恰恰是多变的，所以，用图1中的控制方案，将烟气含氧量固定在某一范围内，很难保证始终使锅炉燃烧处于最佳状态。
     针对青碱公司130t/h锅炉的实际情况，结合简单易行的燃烧控制策略，本次技改对青碱公司130t/h锅炉作出了如下图2的系统控制方案： 集汽联箱蒸汽压力 给粉量 给粉机 转速 实测送风量 O2 送风量 送风门 四个二 开度 次风压 引风机 一次风 开度 箱风压 炉膛负压 烟气含氧量 图2：130t/h锅炉新系统控制方案（注：虚线表示实测信号） 该方案的优点：利用计算机系统，从锅炉热效率的反平衡计算和炉膛能量平衡出发，通过改变送风量或其布局改变后，得到锅炉热效率的变化趋势，这里热效率是否提高的判据是：通过实测得到的炉膛出口烟气温度的变化，必须大于某个值。
     该方案分为四个控制回路：负荷模糊控制回路、一次风箱压力模糊控制回路、送风压力模糊控制回路和炉膛负压常规控制回路。 ⑴ 负荷模糊控制回路；见图3 集汽联箱压力给定＋ － － 实测集汽联箱压力 图3：负荷模糊控制回路框图 该回路由集汽联箱出口压力模糊控制器和负荷规则调节器组成，用以维持负荷达到给定值，从而达到调节负荷量的目的。
     集汽联箱压力模糊控制器的输入，是集汽联箱压力给定值和实测值的偏差，模糊控制根据该偏差及其变化率依据模糊控制规则，计算出给粉机转速变化量，该变化量对八台给粉机是相同的。
  风煤调节是通过负荷规则调节器实现“加负荷时，先加风后加煤；减负荷时，先减煤后减风”的控制规则。  给粉机转速变化量送给风机控制器作为前馈。 以上控制规则均在上位机实现。
  PLC只起数据传递的作用，当上位机故障时，PLC启动自身的简单PID算法。1#～4#PLC分别用于控制八台给粉机的转速。 当集汽联箱压力给定值高于实测集汽联箱压力时，即锅炉需要增加负荷，模糊控制器指令负荷规则调节器首先通知送风控制回路增加送风量，然后增加给空机转速。
     当集汽联箱压力给定值低于实测集汽联箱压力时，即锅炉需要减少负荷，模糊控制器指令负荷规则调节器首先通知减少给粉机转速，然后通知送风控制回路减少送风量。 ⑵ 一、二次风压力控制回路，见图4 一次风箱 + 二次风 - + 压力给定 - 压给定 + + 实测一次 实测二 磨煤机 风箱压力 次风压 状态前馈 图4：一、二次风压力模糊控制回路框图 一次风箱压力控制回路主要有两个作用，一是保证一次风箱压力维持在一定范围内；二是保证燃烧区四个角二次风量均匀。
     该控制回路是一个模糊串级控制器，其外环根据实测一次风箱压力与一次风箱压力给定值的偏差计算出二次风压给定值，内环根据实测二次风压力与二次风压力给定值的偏差控制二次风门开度，维持一次风箱压力稳定。
   由5#～8#PLC分别完成对甲、丁、丙、乙角二次风压的控制。  当一次风箱压力给定值高于实测一次风箱压力时，控制减少二次风压力给定值；当一次风压力给定值低于实测一次风箱压力时，控制器增加二次风压力给定值；当二次风压力给定值高于实测二次风压力时，控制器增加二次风门开度；当二次风压力给定值低于实测二次风压力时，控制器减少二次风门开度。
     通过测量三次风压力，可以判断磨煤机的启停状态。当某台磨煤机启动时，迅速减少对应二次风门开度，当某台磨煤机停止时，迅速增加对应二次风门开度。 ⑶ 送风模糊控制回路：见图5 给粉机转速变 优化氧 送风压 量给定 + + 力给定 - - 实测氧量 实测送风压力 图5：送风模糊控制回路框图 该控制回路基本与图1的方案相同，有所区别的是在于氧量的给定值不是固定不变的，而是由不断的在线寻优后得出的。
     送风控制回路采用的前馈串级控制，其外环由中央控制机完成采用PI控制器，根据氧量和给粉转速前馈计算出送风量给定值；内环由9#PLC完成，采用简单模糊控制，根据实测送风压与送风压力给定值的偏差控制送风门开度，维持烟气含氧量在优化的给定值范围内。
   当接到负荷规则调节器的增加送风量信号后，控制器根据给粉机转速的增加量，按比例增加送风压力；当接到负荷规则调节器的减少送风量的信号后，控制器根据给粉机转速的减少量，按比例减少送风压力。   当氧量给定值高于实测氧量时，控制器增加送风压力给定；当氧量给定值低于实测氧量时，控制器减少送风压力给定。
  当送风压力给定值高于实测送风压力时，模糊控制器增加送风门开度；当送风压力给定值低于实测送风压力时，模糊控制器减少送风门开度。 ⑷ 氧量优化算法过程：流程见图6 图6：氧量优化算法示意框图 优化开始时，首先要判断当前状态是否稳定，判断项目包括：蒸汽联箱压力、一次风箱压力、送风压力是否稳定，以及是否在正常范围之内（不能接近超限），如果不满足，则优化就不能继续进行；若条件满足，则将燃烧控制系统锁定输出（炉膛负压控制回路除外）。
    接着将送风门开大，等待2分钟，并且在等待过程中要不断判断是否发生大的外扰（例如外界需要的蒸汽量发生很大的变化），若有大的外扰，则马上将控制系统解锁，本次优化终止，若没有大的外扰，则可以进行热效率判据算法，判断效率是否得到提高，若提高了，则记下当前的烟气含氧量。
  然后按试探寻优算法改变步长的大小和方向。  如此循环下去，直至结束。 ⑸ 炉膛负压控制回路见图7： 送风门开度变化量 炉膛负 压给定 + + - + 实测炉膛负压 磨煤机状态前馈 图7：炉膛负压控制回路框图 负压控制回路就是要保证锅炉在运行过程中，始终保持在微负压状态，以保证其安全有效运行。
   该回路是由一个简单的PI控制器，在10#PLC中完成，维持炉膛负压在规定的范围内。  PLC根据实测负压与负压给定值的偏差控制引风门的开度。当负压给定值高于实测负压时，控制器增加引风门的开度；当负压给定值低于实测负压时，控制器减少引风门的开度。
  当磨煤机启动时，迅速增加引风门开度。
     4．4 该系统的硬件组成： ① 新增加的主要硬件见表1 表1 新增加的主要硬件表 设备名称 设备型号 产地厂家 数量 工控机 ICA2000 CPU Intel公司 1 显示器（CRT） E1100 21" 日本 NEC 1 触 屏 Micro Touch 1 PLC 1612A 美国 IPM公司 10 A/D板 PCL—813B 台湾ADVANT ECH 3 D/A板 PCL—727 台湾 ADVANT ECH 2 继电器板 PCL—725 台湾 ADVANT ECH 1 通讯器 PCL—747 台湾 Moxa 1 打印机 LQ—1600kIII EPSON 1 数字显仪 XSD/A-30ADT20-11 北 京上海宝科 825 UPS 500W/1000W 山特公司 2 配电器 SPD-1101M 西安怡光 8 变送器 CECC，CECY 上海光华 21 隔离器 SDL 西安怡光 8 温度变送器 SBWR/Z 西安怡光 6 电量变送器 FPV-VI-FIP203 海盐普博电机公司 8 探 针 清华大学 9 仪表保护箱 860×600×500 8 多路风压表 YZD-8、4、2 江苏锡山振华 8 通道式仪表盘 KAT-33、31 上海成套 2 。