工业锅炉控制系统的改造与节能降耗的实现

摘 要:介绍工业锅炉控制系统的自动化改造,用智能化、自动化工控技术来保障锅炉的安全稳定高效节能运行。

关键词:工业锅炉;自动化改造;节能环保

1、前言

目前,我国工业蒸汽锅炉运行自动化水平相对较低,仅有一些保证锅炉安全运行的其本功能,例如锅炉水位安全监测功能、介质温度(压力)监测保护功能等,而相对缺乏锅炉燃烧工况的自动化调节,以致锅炉运行效率普遍偏低。采用智能自动工控技术来改造代替落后的锅炉控制系统,使锅炉运行更加人性化,具有较高的运行效率,并提高工业锅炉安全稳定节能环保的健康理念。

2、自动化改造采取的技术措施与效果

2.1自动化改造采取的技术措施

工业锅炉控制系统自动化改造大概可分为两类,一是按照锅炉的负荷要求,利用变频技术实时调整给煤量、给水量、鼓风量和引风量,使锅炉燃烧效率高,具备良好的运行状态。将原来的手工控制或半自动控制改造成全自动控制。这类改造,对于负荷变化幅度较大,而且变化频繁的锅炉节能效果很好,一般可达10%左右;二是基于计算机集散控制系统及相关控制技术支持的供采暖锅炉,主要内容是在保持足够室温的前提下,根据户外温度的变化,实时调节锅炉的输出热量,达到舒适、节能、环保的目的。实现这类自动控制,可使锅炉节约20%左右的燃煤,并且操作非常方便,整个锅炉的运行状况在计算机屏幕上一目了然。对于燃油、燃气锅炉,节能效果是相同的,其经济效益更高。

2.2变频调速在锅炉控制系统上的应用及其优势分析

2.2.1变频调速在锅炉控制系统上的应用

燃烧调节系统一般有三个被调参数,汽压、烟气含氧量和炉膛负压。一般有三个调节量,他们是燃料量,送风量和引风量。燃烧调节系统的调节对象对于燃料量,根据燃料种类的不同可能是炉排电机,也可能是燃料阀。对于送风量和引风量则采用变频器控制风机电机的运行频率。

锅炉燃烧过程自动调节系统的选择虽然与燃烧的种类和供给系统、燃烧方式以及锅炉与负荷的联结方式都有关系,但是燃烧过程自动调节的任务都是一样的。归纳起来,燃烧过程利用变频自动调节系统有三大任务:

(1) 维持汽压恒定。汽压的变化表示锅炉蒸汽量和负荷的耗汽量不相适应,必须相应地改变燃料量,以改变锅炉的蒸汽量,即利用变频调速调节炉排电机转速而达到改变燃料量的目的。

(2)保证燃烧过程的经济性。当燃料量改变时,必须相应地调节送风量,使它与燃料量相配合,保证燃烧过程有较高的经济性,即利用变频调速调节鼓风机电机转速而达到改变送风量的目的。

(3)调节引风量与送风量相配合,利用变频调速调节引风机电机转速而达到改变引风量的目的,以保持炉膛负压在-20～10 Pa的微负压状态,保证锅炉安全燃烧。

2.2.2变频调速的优势分析

风机、水泵类机械的风量、流量控制,过去很少有采用转速控制方式的,多是由鼠笼式异步电机拖动,进行恒速运转,当需要调节风量、流量时,实际采用的办法是调节挡板或节流阀,这种控制虽然简单,但从节省能源的观点来看,是很不经济的,更主要的是动态跟踪性能差,优化的空燃比无法实现。采用变频器对风机、水泵类机械进行转速控制来调节风量、流量的方法,不仅节能,而且保证了优化空燃的实现。变频调速节能是相对于阀门调节而言,采用变频调速器后,将泵和管线的阀门全开,用改变电机电源频率的方法来改变电机转速。在图1中:曲线1为泵在转速为n1时的q-h性能曲线;曲线2为管路阻力特性曲线;曲线3为关小阀门,流量为q2时的管路阻力特性曲线;曲线4为泵在转速为n2时的q-h性能曲线;a,b,c为水泵的工况点。

泵消耗的轴功率为:p=γqh/η (1)

式中:γ为流体容重;η为泵的效率。变频调速器是一种高效调速装置,它与滑差调速、液力偶合器调速不同,没有滑差损耗,本身的固有损失仅为1%～2%,因此变频器的输入功率在任何速度下都近似等于泵的轴功率。对泵、风机等流体机械,流量或风量是与转速成正比的,而轴功率是与转速的立方成正比的,因此:p=(n/ne)3pe=(q/qe)3pe (2)

式中:ne,qe,pe分别为泵的额定转速、额定流量和额定轴功率。

采用变频调速时,变频器消耗功率为:p=(q/qe)3pe(3)

如果采用阀门调节,电动机消耗功率近似为:

p =(0.4+0.6q/qe)pe (4)

从式(3)和式(4)可见,当流量q变为额定流量的50%时,采用变频调速时消耗功率为0.125pe。采用阀门调节流量时,电动机消耗功率0.7pe,节电率为82.1%,节电效果是很可观的。

电动机运行节约的电能可以通过(5)计算,pe为电动机在额定转速ne时的额定功率,p为电动机在转速n时的轴输出功率,若用δp表示节能,则:δp=pe-p=[1-(n/ne)3]pe (5)

设电动机在额定转速ne=1500r/min时的额定功率为pe,由式(5),则电动机在转速n=1000r/min时 δp=pe-p=[1-(n/ne)3]pe=[1-(1000/1500)3]pe =0.33pe,可见节能效果是相当显著的。

2.3计算机集散控制系统及相关控制技术在锅炉控制系统上的应用

锅炉微机控制,是近年来开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。计算机集散控制系统(DCS)由上位系统和下位系统组成(见图2:集散控制系统基本结构图)。上位系统采用工业控制计算机,用组态软件完成现场数据的实时显示、存储、报警处理、打印及控制参数设定。下位系统由PLC构成,与现场设备相连,即一次仪表、手自动切换操作、执行机构及阀、电机等部分,一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机。控制系统包括手动和自动操作部分,手动控制时由操作人员手动控制,用操作器控制变频器、滑差电机及阀等,自动控制时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。

在控制系统设计上采用集中控制分散驱动,控制系统可分为三层:

(1)信息管理层:完成系统关键技术数据的设定、实时数据和运行状态的监视与控制、历史数据的查看、数据报表的记录与打印、报警与故障的提示处理等功能;主要由上位工控机、组态开发软件、应用程序、通讯模块等组成;(2)控制层:主要完成各种控制动作命令、实时数据的采样与处理、连锁动作的关联表达、控制算法的实现、异常现象的自动处理等功能;主要由可编程逻辑控制器的开关量模块、模拟量模块、智能PID调节仪、变频器、可编程逻辑控制器应用程序等组成;(3)设备层:主要接受来自的控制器控制命令,执行相应的动作或提供相应的检测数据。主要由断路器、交流接触器、压力变送器、温度变送器、流量变送器、电动开关阀、模拟信号隔离分配器等组成。

采用DCS系统及相关控制流程以后,首先使操作工操作方便,使用鼠标点击即可,整个锅炉的运行状况在计算机屏幕上一目了然。在实际应用中,采用DCS及相关控制技术的主要优点有:提高能源利用率,保证系统能够高效安全运行;从控制性能看,调节比较及时,超调不大,上下波动小,运行稳定。系统可采用环境气候补偿技术,通过采集的室外温度,可随时按机内设定的供暖参数,实现系统供水温度的自动控制。改变了过去靠人工操作和经验判断的被动局面。

3、结束语

综上所述,锅炉控制系统改造具有很好的市场发展空间和投资收益前景,值得广泛推广。自动化程度的完善就等于生产力的提高,它不仅能够通过自动化控制技术实现安全生产的目的,还能够节约燃料及用电并能使排放更环保,总之锅炉的自动化改造是锅炉行业发展的大势所趋,也是一项利国利民的发展方向。■

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