浅析工业锅炉控制系统的研究与节能应用
前言
当前，相对于其他先进国家而言，我国工业锅炉的自动化运作水平还比较低，只有部分确保锅炉安全运作的基本功能，比如介质温度监测保护、锅炉水位安全监测等功能，而在工业锅炉燃烧工况的自动化调节方面，还不是很先进，进而导致工业锅炉运行的效率难以提升。另外，依据有关调查发现，工业锅炉在能源消耗上比较大，在全国工业行业能源消耗上居于第二位。因此，加强对工业锅炉控制系统的研究与开发，实现工业锅炉控制的自动化、智能化以及节能化，是极为关键的。
1.工业锅炉控制系统的分析
在我国的有关条例当中，对锅炉的具体解释为：运用电能、煤炭燃料或者是其它能源，对装满的液体进行加热，且达到一定的参数，并进行对外输出热能的一种机械设备。在规定范围以内的锅炉一般有三种，分别是有机热载体锅炉、额定功率≥0.1MW且出口水压≥0.1Mpa的承压热水锅炉、处于最高安全水位时存水容积≥30L的承压蒸汽锅炉等[1]。一般情况下，工业锅炉主要包括八个部分，分别是锅筒、炉排、炉膛、引风机、省煤器、给水泵、鼓风机以及空气预热期等等。
2.工业锅炉控制系统的设计与实现
工业锅炉控制系统必须对各个参数进行检测，其中主要包含锅炉入口处的压力与水温、出口处的压力与水温、空气预热期入口处的负压、鼓风机的风压、炉膛的负压以及排烟温度等等。在这些参数当中，有部分参数必须实时进行观察，且利用控制系统传送到控制操作台中，显示在工作人员的眼前。
2.1工业锅炉控制系统的设计
工业锅炉是一种极为复杂的控制系统，具有多输出、多输入、多回路以及非线性的互相关联性，在被调节参数和调节参数彼此间，存在诸多极为复杂的交叉关联，在对其进行调节的过程中有一定的难度。一般情况下，人们会将锅炉系统控制分成若干个闭环控制系统，即炉膛负压控制、汽包液位控制、给煤控制以及送风控制等等。以下笔者将都这些闭环控制系统加以阐述。
(1)炉膛负压控制：炉膛负压说明了引风量和送风量两者之间的关系，炉膛负压控制的主要目的就是为了确保锅炉在运转时，可以一直维持在微负压的平稳状态之下，从而保障锅炉运转的安全性和可靠性。
(2)汽包液位控制：工业锅炉进行给水自动调节，其主要的目的是确保给水量与锅炉的蒸发量相符，且保证汽包液位始终维持在工艺允许的范畴之内。一般情况下，汽包液位控制有三种情况，即单冲量控制(水位是唯一信号调节的单回路、单参数控制系统)、双冲量控制(用蒸汽流量当作补充信号的一种双参数控制系统)、三冲量控制(将主蒸汽流量与给水流量当作补充信号的三参数控制系统)，对三冲量控制系统进行细化，还能够分成三冲量串及调节、三冲量单级调节[2]。
(3)给煤控制：锅炉给煤燃烧和锅炉的形式、燃烧的设备以及燃烧的种类等方面有着极为紧密的联系。燃烧过程的控制，必须满足以下三大要求，即①应该确保出口蒸汽压力的稳定性，且可以依据负荷标准，对燃料量进行自动的增加或减少;②维持良好的燃烧状况和供气状况;③确保锅炉运行的安全性。确保炉膛中有一定负压，倘若负压过低，将导致炉膛中的热烟气朝外冒出，进而危及现场工作人员以及其他设备的安全;而负压过高，将造成冷空气进入锅炉中，进而将加大热量的损耗。
给煤控制的手段一般有三种，分别是炉膛负压的控制、炉膛内含氧量的控制以及主蒸汽压力的控制。如下图1所示，经由送风量与燃料量的调节，达到控制主蒸汽压力的目标，而经由对燃料与空气输入的调节，使其构成一定的比例，进而达到控制炉膛内含氧量的目标，经由对引风机引风量的调节，达到控制炉膛负压的目的。
(4)送风控制：风煤调节，是利用负荷规则调节器达到控制目的的，即在减负荷的过程中，先减煤然后再减少风量，在增加负荷的过程中，先增加风量然后再增加煤。送风控制系统应当和给煤控制系统相结合，协调统一，以便使风煤比例控制在一定的范畴内，进而使锅炉的燃烧始终保持在最理想的状态下。
(5)过热蒸汽出口温度控制：对蒸汽过热系统加以调节，其主要的目的是为了确保过热蒸汽出口温度始终控制在正常的范围之内，且对过热器进行保护，以确保过热器的管壁温度不会超过正常的允许范围[3]。通过上述各个控制系统的'设计，来达到锅炉控制系统总体的控制目标，而各个子系统的控制器均是采取PID调节器来进行调节的。
2.2锅炉自动保护系统
在工业锅炉控制系统当中，保护系统是一个极为关键且不可忽视的部分与环节。锅炉设备的结构、技术特点、容量以及运行方式等，决定锅炉保护的主要内容，一般情况下，在锅炉保护系统中会设置汽包水位的保护、连锁保护、气压的保护、锅炉灭火的保护以及紧急停炉等等。
2.3MCGS组态软件
工作人员应当充分联系C++Builder面向对象编程的特征与锅炉控制系统的设计要求，在锅炉控制软件当中采取MCGS组态软件。该软件将多种技术合为一体，例如数据库、图形技术、控制技术以及通讯技术等等。MCGS组态软件是一个建立在Windows平台之上的，用在迅速建造与形成上位机监控系统的系统软件，主要的工作是收集和检测现场的各种数据，并处理和控制前端数据。该软件具有操作简便、功能齐全、可视性好等优点。将该软件和其它有关的硬件设备有机融合，能够有效的对应用在现场采集、数据处理的设备进行开发。只要进行简单的模块组态，用户就能够建立所需的运用系统。
3.锅炉控制系统运用的系统测试和节能分析
某公司于2010年6月25日至28日对三台20T工业锅炉实行了控制系统技术改造，具体的锅炉型号是SZL20-2.5-AⅡ。在对控制系统进行改革之后，于7月1日到5日对控制系统实行调试，6日正式试运行。在试运行的过程中，锅炉运转稳定，出口压力变化幅度控制在(2.14±0.02)Mpa。在锅炉试运行阶段，锅炉操作人员反应在对锅炉进行改造之后，操作锅炉更加的简单化，劳动强度也随之降低。
对工业锅炉采用自动化技术之后，锅炉运行的效率得到了明显的提升，且节约了5%～8%的煤燃料。倘若以5%的节煤，对节能效益进行计算，依据公司满负荷运作预估锅炉耗煤量大约在5.7万吨，那每年节约煤的数量为：5.7×5%=0.285万吨。倘若每吨煤的价格为850元，那么每年节约的成本就是242.25万元。由此可见，对工业锅炉控制系统进行自动化、智能化改造，不但能够有效提高锅炉运行的效率，降低锅炉操作人员的劳动强度，且可以减少没燃料消耗的数量，达到节约能源的目标。
4.结束语
综上，工业锅炉是一种极为复杂且典型的热工系统，对锅炉控制系统进行有效的开发与研究，进而实现系统功能的完善，且提升锅炉的性能，符合当前社会工业锅炉生产发展的需求，拥有极为宽广的发展前景与极高的研发价值。对工业锅炉的控制系统进行研究，不但能够在一定程度上提升锅炉系统的自动化水平，实现节能减排，同时还能够提升锅炉使用的安全性与可靠性，具有极为重大且现实的意义。
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