论燃气锅炉的运行控制

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摘要：我国目前在积极的推进可持续发展和绿色环保的发展战略。如何提高燃气锅炉的使用效率和减少有害气体的排放有着重要的意义。在燃气锅炉的实际使用过程中，系统所需要的总热量时刻在发生着变化，本为就如何提高燃气锅炉效率，对其运行控制展开了研究。 

关键字：燃气锅炉；运行控制；优化  中图分类号：tk223文献标识码：a 文章编号：  1 引言  我国的能源事业的不断发展为经济建设作出了重要的贡献，但是在很长的一段时间内我国的锅炉都是采用煤炭作为主要的燃烧物。煤炭在燃烧过程中会产生大量的有害气体，对环境造成较大的污染。另外目前我国大多数的燃煤锅炉的生产效率和控制自动化水平普遍不高。近几年伴随着科学技术的不断进步，锅炉的燃料也在呈现多种多样的形式。其中燃气锅炉的高效、环保、节能的优势得到了越来越多的重视。燃气锅炉的体积要比燃煤锅炉小得多，而且可以更加容易的进行自动化控制。燃气锅炉在应用方面具有更加广阔的前景。锅炉控制系统的发展也是经历了从简单到复杂和逐渐向自动化控制不断迈进的过程。  2 燃气锅炉燃烧过程机理和能量的转换  为了实现燃烧，必须有可燃物质.有燃烧所需要的足够数量的氧气;工程实际中，氧气一般来自空气。有足够高的温度。换言之，燃烧的基本条件为:可燃物质按一定的比例与氧分子状态混合;参与反应的分子必须具有一定的能量贮备，即具有一定的温度，以克服分子间的内力，即当分子碰撞时能够破坏起始物质的键，而后结合成稳定的新键，最后导致反应产物的生成;需要有一定的时间，以保证反应进行完毕.  从能量守恒角度分析，进入锅炉系统的燃气释放的总能量q应该等于从锅炉系统流出的总能量，包括炉水吸热量q1，循坏水吸热量q2，不完全燃烧损失q3，散热q4，排烟q5。即  q=ql+q2+q3+q4+q5  当回水温度或设定出口温度设定值(根据外界温度而变化)变化时，循环水的吸热量相应变化，需要的总热量值也随之变化。因此，根据所需总热量的变化，适当调整燃气和空气进气量，可以使锅炉更经济有效地运行。  3 燃气锅炉的运行控制要点  3.1 控制最优过量空气系数  标准状态下1 m3气体燃料按燃烧反应计量方程式完全燃烧所需要的空气量（指干空气）称为气体燃料的理论空气量（m3 /m3），用v0表示，可以根据气体燃料的成分计算出来。实际送入锅炉的空气量v（m3 /m3，气体燃料）称为实际空气量，用v表示，其值一般大于理论空气量。比理论空气量多出的这一部分空气称为过量空气。因而实际空气量是理论空气量与过量空气量之和。实际空气量与燃气量的比值称为空/燃比，它在数值上等于实际空气量。实际空气量与理论空气量的比值称为过量空气系数，用α表示，即  过量空气系数α是一个影响锅炉燃烧工况及运行经济性的非常重要的指标。α偏小时，炉内不完全燃烧损失便增大；α偏大时，锅炉的排烟热损失又增多。  3.2 锅炉汽包水位控制  汽包水位是锅炉运行的主要指标，是一个非常重要的被控变量，维持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件，这是因为:水位过高，则会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸汽带水过多，会使过热器管壁结垢导致损坏，同时过热蒸汽温度急剧下降；水位过低，则由于汽包内的水较少，而负荷较大时，水的汽化速度加快，因而汽包内的水量变化速度很快，导致锅炉烧坏，甚至引起爆炸。  锅炉汽包水位的控制系统中，被控变量为汽包水位，操纵变量是给水流量。主要的干扰变量有以下四个来源：1）给水方面的干扰。例如，给水压力、减温器控制阀开度变化等；2）蒸汽用量的干扰。包括管路阻力变化和负荷设备控制阀开度变化等；3）燃料量的干扰。包括燃料热值、燃料压力、含水量等。4）汽包压力变化。通过汽包内部汽水系统在压力升高时的“自凝结”和压力降低时的“自蒸发”影响水位。  根据经典的控制理论得知:单冲量和双冲量控制系统都不能很好的满足汽包水位的控制目标。双冲量控制系统主要的弱点，一是控制阀的工作特性要做到静态补偿比较困难;二是对于给水系统的干扰不能克服。为此，将给水流量信号引入，构成三冲量控制系统。  3.3 锅炉热负荷的调整  锅炉燃烧过程中，工况会时时发生变化，因此根据所需总热量的变化，适当调整燃气和空气进气量，可以使锅炉更经济有效地运行]。空/燃气比例调节阀安放在燃气侧，所以燃气是被动调节，空气就是主动调节。  在调整燃气量时，要使燃气量快速准确地调整到设定值，必须选择合适的控制算法。控制算法的选择对锅炉有非常大的影响。工业锅炉是一个典型的多输入、多输出、多变量互相耦合的复杂非线性被控对象。对于锅炉燃烧过程，其具有时变性和不确定性，而锅炉换热过程是大延时、纯滞后过程，因此，很难建立既有足够精度又便于系统控制的数学模型。鉴于锅炉燃烧过程的复杂性和控制难点，要实现既提高锅炉的热效率，又满足用户负荷要求，并保证运行安全，其控制算法与决策的参考因素必须是多元的，控制算法应根据多个工艺参量的现行值和历史数据，进行综合分析、推理和计算。  3.4 燃气锅炉燃烧过程中烟气氧含量闭环控制  燃气锅炉燃烧控制中加入了烟道气氧含量的一个控制回路。这是一个以烟道中氧含量为控制目标的燃烧流量与空气流量的变比值控制系统，也称烟气氧含量的闭环控制系统。这一控制系统可以保证锅炉最经济燃烧。在整个生产过程中保证最经济的燃烧，必须使得燃料和空气流量保证最优比值。在保证了燃料和空气的比值关系，但并不能保证燃料的完全燃烧控制。因为，其一，在不同的负荷下，两流量的最优比值不同;其二，燃料的成分(如含水量、甲烷等)有可能会变化;其三，流量测量的不准确。这些因素都会不同程度地影响到燃料的不完全燃烧或空气的过量，造成锅炉的热效应下降，这就是燃烧流量和空气流量定比值的缺点。为了改善这一情况，最简单的方法是有一个指标来闭环修整两流量的比值。目前，最常用的是烟气中的含氧量。  3.5 蒸汽过热系统的控制  蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。蒸汽过热系统自动控制的任务是使过热器出口温度维持在允许范围内，并且保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度。  过热气温是锅炉汽水通道中温度最高的地方。过热器正常运行时的温度一般接近材料所允许的最高温度。如果过热蒸汽温度过高，则过热器容易损坏，也会  使汽轮机内部引起过度热膨胀，严重影响运行安全。若过热蒸汽温度过低，则设备的效率降低，同时使通过汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，引起页片磨损。因此对过热器出口蒸汽温度应加以控制，使它不超出规定范围。  影响过热器出口温度的因素有很多，例如蒸汽流量、燃烧工况、引入过热器的蒸汽热焙(减温水量)、流经过热器的烟气温度和流速等。在各种扰动下，过热器出口温度的各个动态特性都有较大的时滞和惯性，因此选择合适的操纵变量和合理的控制方案对于控制系统满足工艺要求是十分必要。目前广泛选用减温水流量作为操纵变量，过热器出口温度作为被控变量，组成单回路控制系统。但是控制通道的时滞和时间常数都较大，此单回路控制系统往往不能满足要求。因此可以引入减温器出口温度为副被控变量，组成串级控制系统，  结语  燃气锅炉采用的是清洁的能源，对保护大气环境，减少污染物的排放和保护人们的身体健康有着重要的意义。随着我国经济建设进程的不断加快，对燃气锅炉的需求也将会进入快速增长的阶段。燃气锅炉在运行控制上的不断创新和进步也必将其自身的发展。  参考文献：  [1] 刘福仁. 燃气供暖锅炉的经济与安全. 北京市计划劳动管理干部学院学报. 2004，12(2)  [2] 秦家伟，沈国民.热水锅炉供暖的智能控制技术.建筑热能通风空调.2001，（6）  [3] 马文妹，自凤臣.燃油燃气锅炉市场发展预测.电站系统锅炉.2000，16(4)  注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。