AI仪表在锅炉控制系统中的应用

一、引言

循环硫化床作为一种清洁燃烧技术在国内被广泛认可，循环流化床的燃烧是介于层燃和室燃之间的一种燃烧技术，是采用流态化的燃烧，其具有燃烧适应性广、燃烧效率高、燃烧强度大，温度分布均匀、由于采用低温分级燃烧，脱硫、氮氧化合物排量低、负荷调节范围大、污染物排放低、灰渣综合利用性能好等特点，属于环保型锅炉，是国家大力推广的新型锅炉。其燃烧工艺如下：燃料由炉前给煤系统送入炉膛。送风系统由一次风（鼓风）和二次风组成，一次风由炉床下部送入炉膛，主要保证料层流化：二次风沿燃烧室分级多点送入，主要增加炉膛的含氧量起到助燃作用。燃烧后的物料变成一些较小的颗粒随烟气一起进入分离器，经过固气分离其中大部分颗粒由分离器下部的返料器重新送入炉膛，使炉膛内有足够高的灰度，保证流化；烟气经过除尘器由引风机抽出。锅炉控制系统主要有汽包水位自动控制、主汽压力自动控制、炉膛压力自动控制、给煤自动控制，锅炉联锁控制等。其中汽包水位和主汽压力、炉膛压力主要是控制风机和水泵，而传统的控制方式是采用档板或阀门来调节风量和流量，虽然方法简单，但实际上是通过人为增加阻力的办法达到调节的目的，这种节流调节方法浪费大量电能。而采用变频调速的特点是效率高，没有因调速带来的附加转差损耗，调速的范围大，精度高、无级调速。容易实现协调控制和闭环控制，由于可以利用原鼠笼式电动机，所以特别适合于对旧设备的技术改造，它既保持了原电动机结构简单、可靠耐用、维护方便的优点，又能达到节电的显著效果，是锅炉风机水泵节能的较理想的方法。

二、系统介绍

控制系统采用PLC、触摸屏、 AI调节器、 变频器等先进的控制设备,对蒸汽锅炉施行有效的联动控制,系统具有联锁/手动切换功能，PLC 对锅炉进行可靠的联锁控制、 报警提示，确保锅炉的安全运行，由于采用变频器对电机进行起停控制，将节约大量电能，实现锅炉的经济燃烧。下面以10吨流化床控制系统为例：

2．主要监视参数：

  汽包水位：汽包水位是锅炉控制系统中zui重要的参数之一。 采用单室平衡容器加差压变送器的方法，可得到与汽包水位成正比的4—20mA的电流信号，测量仪表将该电流信号转换为水位信号，直接在仪表上显示汽包水位的高低。 该水位信号同时作为自动调节的汽包水位测量信号，参与系统的自动调节。

主汽压力：用压力变送器将主汽压力转换为4—20mA的电流信号，通过调节仪表将主汽压力显示出来。

炉膛压力：炉膛压力采用微压变送器将炉膛压力转换为4—20mA的电流信号，通过显示仪表将炉膛压力显示出来。同时显示仪表对炉膛压力进行判断，当炉膛压力越*报警、停炉。

温度系统测量：温度监视点包括炉膛温度、给水温度、排烟温度、空预器后温度、冷风温度、除尘器后温度、返料温度等，测温元件所测信号送至温度显示仪表显示，并对温度进行异常判断，异常时将异常信号送至PLC报警。

流量测量：蒸汽流量测量采用涡街流量计，将蒸汽流量转换为频率信号，送至流量记录仪显示出来。

  还有一次风压、二次风压、引风电机/鼓风电机转速等。这些参数可以接到数显仪表上显示也可以接到PLC模拟量输入模块并可在触摸屏上显示。

3．主要控制回路

汽包水位自动控制：汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。所以其值过高过低都可能造成重大事故。它的被调量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节, 使汽包内部的物料达到动态平衡，变化在允许范围之内。AI调节器根据差压变送器测得的水位信号，经运算后直接控制变频器的频率，水位高时转速降低，水位低时转速升高，确保汽包水位恒定在设定水位。用切换开关选择#1、#2水泵运行或备用。

炉膛负压自动控制： 炉膛负压的大小受引风量、鼓风量的影响。炉膛负压太小，炉膛向外喷火和外泄漏高炉煤气，危及设备与运行人员的安全。负压太大，炉膛漏风量增加，排烟损失增加，引风机电耗增加。

蒸汽压力自动控制：对蒸汽压力稳定有要求的场合需要对它进行控制，通过控制鼓风的转速来保持蒸汽压力的稳定。如果要求不高的情况下在联锁控制时可以让鼓风跟随引风的大小进行调整。

在这几个控制回路中都采用AI人工智能工业调节器进行调节，AI仪表具有模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的先进控制算法。在误差大时，运用模糊法进行调节，以消除PID饱和积分现象；当误差减小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果*化。其具有无超调、高精度、参数确定简单，对复杂对象也能获得较好控制效果等特点，其整体调节效果比一般的PID算法更明显。仪表的型号为AI-719EI4X3L2L2，仪表的主要设置参数有：

CHYS：回差（死区、滞环），用于避免因测量输入值波动而产生报警频繁动作。

Ctrl：控制方式，采用AI人工智能调节/PID调节，Ctrl＝APID。

P：比例系数，定义APID调节比例带，单位与测量值相同。

I：积分时间，主要决定调节算法中的积分作用，I越小，系统积分作用越强。

    D：微分时间，主要是改善系统的滞后，D越大，超前调节作用越强。

Ctl：输出周期，反映仪表运算调节的快慢。

InP：输入反馈信号类型，设置为15，信号为4-20mA。

Opt：输出方式，Opt=4-20，输出为4-20mA。

Act：系统正反功能选择，可以选择系统的调节方向。汽包水位和主汽压力采用反作用调节方式，炉膛负压采用正作用调节方式。

4、控制回路仪表的调试

   AI仪表是这个系统的核心控制设备，它的控制效果直接影响整个系统的正常运行。在调试的时候锅炉是带压状态，因为带压情况下水泵、风机的负荷要比平时大的多，调试的结果也更理想。在没有经验控制参数的时候，为了达到的控制效果，仪表要进行PID自整定，但一般的调节仪表在自整定时的调节状态是位式控制，输出量要么zui大要么zui小，在锅炉系统中调节输出大幅变化是不允许的。AI-719调节器具有手动自整定模式可以很好的解决这个问题，完整操作是：把仪表切换到手动输出状态，通过仪表的△ ▽键调整输出量，使测量值尽量和设定值保持一致，然后在这个状态下启动自整定，这样仪表的输出值将限制在当前手动输出值的±10%范围内，从而避免出现输出值的大幅变化。在多数情况下，自整定一次就可以使获得满意的控制效果。如果控制有偏差时，可以通过微调P、I、D参数来修正。

5、锅炉联锁

锅炉联锁对确保锅炉的安全运行起着重要的作用。在本例中，考虑以下联锁条件：

其他联锁条件还有：（1）鼓风机运行时，出现停引风机，发出报警，同时停鼓风机，（2）鼓风机运行时，且极低水位时，发出报警，同时停鼓风机，停给煤。（3）二次风机变频故障时，发出报警，停给煤，停鼓风和引风机。

三、运行和操作

1、引风机控制

启动条件：引风机启动时应满足以下条件

未按“引风机停止”按钮，未按“紧急停炉”按钮，引风机变频器*信号发出，引风机处于停运状态。此时，按下“引风机启动”按钮，引风机将启动运行，“引风机运行指示灯”亮。调节仪表控制引风机转速

停止条件：当以下任一条件满足时，引风机停止运行

“紧急停炉”按钮按下，引风机变频故障，“引风机停止”按钮按下。

转速调节：

Ⅰ、手动调节：当“炉膛负压”智能调节仪表AI-719显示为输出状态时，按菜单键，“MAN”指示灯亮，此时按△ ▽键可调节仪表的输出电流，通过变频器即可改变引风机转速。

Ⅱ、自动调节：仪表自动调节输出电流，通过变频器改变引风机转速，自动控制炉膛负压。自动调节时，当仪表显示为测量值、设定值状态时，按△▽键可调节仪表的设定压力，从而改变炉膛负压的大小。

2、鼓风机控制

启动条件：鼓风机启动时应满足以下条件

未按“鼓风机停止”按钮，未按“紧急停炉”按钮，鼓风机变频器*信号发出，鼓风机处于停运状态。无“蒸汽压力高”信号，引风机运行，给水泵运行。此时，按下“鼓风机启动”按钮，鼓风机将启动运行，“鼓风机运行指示灯”亮。调节仪表控制鼓风机转速

停止条件：当以下任一条件满足时，鼓风机停止运行

“紧急停炉”按钮按下，鼓风机变频器故障，引风机停止运行，给水泵停止，蒸汽压力高报警，炉膛负压高报警，汽包水位低报警，“鼓风机停止”按钮按下。

转速调节：

Ⅰ、手动调节：当AI-719显示为输出状态时，按菜单键，“MAN”指示灯亮，此时按△▽键可调节仪表的输出电流，通过变频器即可改变鼓风机转速。

Ⅱ、自动调节：仪表自动调节输出电流，通过变频器改变鼓风机转速，自动控制蒸汽压力。自动调节时，在仪表显示为测量值、设定值状态时，按△▽键可调节仪表的设定压力，从而改变蒸汽压力的大小。

3、给煤机控制

启动条件：给煤机启动时应满足以下条件

未按“给煤机停止”按钮，未按“紧急停炉”按钮，给煤机变频器*信号发出，给煤机处于停运状态。鼓风机运行，此时，按下“给煤机启动”按钮，给煤机将启动运行。“给煤机运行指示灯”亮，调节转速设定器可改变给煤机转速

停止条件：当以下任一条件满足时，给煤机停止运行

“紧急停炉”按钮按下，给煤机变频器故障，鼓风机停止运行， “给煤机停止”按钮按下。

转速调节：

给煤机启动运行后，转动给煤机转速调节器，可调节给煤机转速。顺时针调节转速增大，逆时针调节转速降低。同时，若鼓风机转速低于设定转速时，给煤机转速为 0，鼓风机转速大于设定转速时，给煤机转速升为设定转速。

4、给水泵控制

#1给水泵启动条件：#1 给水泵启动时应满足以下条件

未按“给水泵停止”按钮，未按“紧急停炉”按钮，给水泵变频器*信号发出，给水泵处于停运状态，#1/#2水泵切换开关切至#1。此时，按下“给水泵启动”按钮，给水泵将启动运行。调节仪表控制#1给水泵转速

停止条件：当以下任一条件满足时，#1给水泵停止运行

“紧急停炉”按钮按下，给水泵变频器故障，#1/#2水泵切换开关切至#2， “给水泵停止”按钮按下。

转速调节：

Ⅰ、手动调节：当“汽包水位”调节仪表显示为输出状态时，按菜单键，“MAN”指示灯亮，此时按△▽键可调节仪表的输出电流，通过变频器即可改变给水泵转速。

Ⅱ、自动调节：仪表自动调节输出电流，通过变频器改变给水泵转速，自动控制汽包水位。自动调节时，在仪表显示为测量值、设定值状态时，按△▽键可调节仪表的设定液位，从而改变汽包水位的大小。

#2给水泵启动条件：#2给水泵启动时应满足以下条件

未按“给水泵停止”按钮，未按“紧急停炉”按钮，给水泵变频器*信号发出，给水泵处于停运状态，另未将泵切换开关切至#1水泵。此时，按下“给水泵启动”按钮，给水泵将启动运行。调节仪表控制#2给水泵转速

停止条件：当以下任一条件满足时，#2给水泵停止运行

“紧急停炉”按钮按下，给水泵变频器故障，水泵切换开关切至#1，“给水泵停止”按钮按下。

转速调节：与#1水泵调节方式一样。

当所有设备启动完成后，且*发生，就可以切换到联锁控制状态。

5、联锁报警控制

系统应具有可靠的报警装置，当出现以下情况时，蜂鸣器将发出声讯报警，同时，相应报警指示灯闪烁：

炉膛负压高、蒸汽压力高、汽包水位高、汽包水位低、炉膛温度高、排烟温度高、空预器后温度高、给水温度低、引风机变频器故障、鼓风机变频器故障、给煤机变频器故障、给水泵变频器故障等。

出现以上异常后，PLC将根据联锁条件决定停下相应的设备。按下“消音”按钮后，蜂鸣器停发声讯，报警指示灯常亮，直到报警信号消除为止。

四、结语

   系统采用智能仪表进行自动调节，PLC联锁保护，控制精度和稳定性大大提高，是一个比较理想的控制方案，且锅炉变频改造后有以下优点：

　　　　1、变频起动对电网任何冲击小。由于有变频调节，对于风机可以实现变频软起动，风机在低频下启动，启动电流很小，启动时间延长，避免了原来在较大惯性负荷情况下，数倍的额定起动电流对电网和机械设备的冲击，有效延长了电机寿命。而且变频还可以随时起动或停止；

　　　　2、按需调节风量，避免浪费。由于变频器通过变频调节风机的转速来控制风机的送风量而不再需要由风门来调节，其调节范围可以从0%—*；因而可以根据生产工艺要求随意调节风量，减少了不必要的浪费；

　　　　3、变频节能运行，节约了大量能源。采用变频使用后，不再使风机一直处于满负荷工作状态，另外风机阀门处于全开状态，其节能效率显著；

　　　　4、降低风机工作强度，延长使用寿命。采用变频使用后，风机的大部分工作时间都在较低的速度下运行，因而大大降低了风机工作的机械强度和电气冲击，将会大大延长风机的使用寿命，降低维修强度；

　　　　5、使用变频后，由于启动和停止时间都可以设定，减少了对烟道、风道和风门挡板的冲击腐蚀，相应的延长了很多零件的使用寿命，有效的提高了相应设备的检修周期，节约了大量维护费用。

　　    6、可使电动机与风机直接相连接，减少传动环节的费用；

　　　　7、电机和风机运转速度下降，润滑条件改善，传动装置的故障下降；

　　　　8、系统压力降低，对管道的压力和密封等条件缓解，延长使用寿命等。