燃煤锅炉及其运行中的若干自动调节问题分析

苏维岗

陕西中烟工业有限责任公司宝鸡卷烟厂，陕西 宝鸡 721013

锅炉是将燃料化学能转变成其它工质热能，生产规定参数和品质的工质的设备。工业燃煤锅炉是重要的热能和动力设备，也是能源耗费大户，现阶段我国仍是世界上燃煤锅炉拥有量和使用量最多的国家，每年燃煤需求量将近全国的1/3，如何提高锅炉热效率，提高燃烧的经济性仍是锅炉运行的重要课题。

锅炉最基本的组成部分是汽锅与炉子，吸热的部分称为锅，产生热量的部分称为炉。汽锅是锅炉的汽水系统，大型锅炉的汽锅由省煤器、汽包、下降管、水冷壁、过热器、再热器等设备组成。炉子是锅炉的燃烧系统，大型锅炉的炉子由炉膛、燃烧器、烟道、空气预热器等组成。

1 燃煤锅炉的工作过程

原煤送入磨煤机磨制成煤粉，外界冷空气进入锅炉尾部烟道的空气预热器中，被烟气加热成为热空气进入热风管道。一部分热空气是输送煤粉的介质，对煤进行加热和干燥，另一部分热空气直接经燃烧器进入炉膛参与煤粉的燃烧。从磨煤机排出的煤粉和空气的混合物经燃烧器进入炉膛内燃烧。煤粉在炉膛内迅速燃烧放热，使炉膛火焰中心的温度急剧升高。炉膛内的水冷壁和顶棚过热器等是炉膛的辐射受热面，其内部的工质在吸收炉膛的辐射热的同时，降低火焰温度以及保护炉墙。高温烟气经炉膛上部出口离开炉膛进入水平烟道，与布置在水平烟道的过热器进行热量交换，然后进入尾部烟道，并与再热器、省煤器和空气预热器等受热面进行热量交换，使烟气不断放出热量而逐渐冷却下来，低温烟气再经过除尘器除去大量的飞灰，最后只有少量的细微灰粒随烟气由引风机送入烟囱排入大气。由给水泵送向锅炉的给水，经过高压加热器加热后进入省煤器，吸收锅炉尾部烟气的热量后进入汽包，并通过下降管引入水冷壁下联箱再分配给各个水冷壁管。水在水冷壁中吸收高温辐射热，使部分水蒸发变成饱和蒸汽，从而在水冷壁内形成了汽水混合物。汽水混合物向上流动并进入汽包，通过汽包中的汽水分离装置进行汽水分离，分离出来的水继续循环，即煤料的燃烧过程、烟气向水的热传递过程以及水的汽化过程形成锅炉的整个工作过程。

2 燃煤锅炉运行中的自动调节问题

2.1 燃烧蒸汽压力控制

蒸汽压力是衡量蒸汽状况的重要参数。蒸汽压力必须维持在正常范围内，过高或过低都会影响锅炉负荷设备以及金属导管。若压力太低，则不能够提供设备要求的蒸汽品质，若压力过高，金属的蠕变会加速。锅炉运行工况中，蒸汽压力降低，表示负荷设备的蒸汽消耗量大于锅炉的蒸发量，否则，表明负荷设备的蒸汽消耗量比锅炉的蒸发量小。控制蒸汽压力是维持负荷设备正常工作的前提，也是经济燃烧的保障。热平衡的失调引起了锅炉蒸汽压力的变化，而燃烧热和蒸汽热则是影响热平衡的主要因素，我们所说的内扰和外扰两种扰动则分别是由燃烧热和蒸汽热的波动而引起的，为弱化这两种扰动对蒸汽压力的影响，在各个基本的单炉蒸汽压力控制系统中，输入到锅炉的燃烧热必须能同步蒸汽热的变化来保持热量的平衡状态，同时要依据蒸汽压力和压力给定值之间的偏差来调节燃料量用以控制蒸汽压力的增减。可设计带前馈的串级PID控制模式实现，主环压力控制根据蒸汽压力与设定值的偏差来调节燃料量以保证压力的稳定，副环燃料控制器根据主环输出与前馈信号的合成指令去控制进入锅炉的原煤，克服煤料波动，使压力能够保持在稳定的范围内。

2.2 燃烧经济性控制

空气和燃料维持适当的比例有助于提高锅炉的效率和经济性，实现锅炉燃烧最佳工况。否则，将会增加热量损失，污染环境、降低经济型。传统的采用氧量计的燃烧控制系统的锅炉设备是一个复杂的被控对象。风煤比是空气与煤粉比例的衡量值，是燃烧效率的重要影响因素。传统PID控制模式因其特性直观，控制迅速，将风煤比简化视为负荷的单一函数并近视拟合为比值关系，在工业锅炉燃烧控制系统中广泛使用，但因在不同的负荷下，合适的过剩空气率变化较大，单纯的比值控制特性无法保证锅炉在任何工况下都能达到最佳的燃烧状态。另外，对于由不同的煤种和煤粉特性、炉排转速、煤层厚度不均匀等原因引起的燃料方面的扰动，其最佳过剩空气率也会有较大变化，单纯的PID控制对于经济燃烧的实现无能为力。采用固定风煤比加变氧量校正的方案，可通过风煤比曲线粗调给风量，然后由烟气中含氧量加以校正，由于不同负荷下的过剩空气系数有所不同，采用变氧量校正方案有效克服传统控制的不足和弊端，但这种方案也不尽完善，目前越来越多的锅炉采用的是以炉膛温度为被控量的燃烧控制系统。

2.3 炉膛燃烧负压控制

正常运行的锅炉，炉膛负压需保持在规定范围内。炉膛的负压必须实现自动调节，以促其正常和稳定。因为负压过大会产生严重漏风现象，增加总风量，同时会增加烟气热量的损失和引风机的电能损耗，背离经济燃烧的原则；负压如果偏正，会产生炉膛的向外喷火现象，不利于环境，影响安全生产。

2.4 汽包水位的控制

水位控制常见的问题是“虚假水位”现象，即当锅炉的蒸汽负荷突然加大时，给水量小于蒸发量，从汽包贮水量的角度来讲，汽包的水位应该是下降的，恰恰相反的是，蒸汽负荷增加时，蒸发量比锅炉给水量大，水位未降反升。虚假水位主要是由于蒸汽流量增加使得汽包内的汽压下降，炉水的沸点降低，这使炉管和汽包内的汽水混合物中的汽容积增加，形成体积膨胀，产生了汽包的水位上升。在锅炉的自动控制中，为了克服这种现象，可以设计三冲量控制系统，以汽包水位为主调节信号，蒸汽流量为前馈信号，给水流量为副调节信号的前馈加串级PID控制的调节系统。

[1]吴明永.工业锅炉控制策略研究与控制系统设计[D].中国优秀硕士学位论文全文数据库，2009(11).

[2]葛铭杰. 降低烟厂燃气锅炉燃烧热损失的方法和效果[D].中国烟草学会2009年年会论文集，2009.

[3]周永恒，谭华.工业锅炉的自动化控制研究[J]广西轻工业，2007(1) .