1、燃气锅炉燃烧控制系统摘要 文章阐述了燃气锅炉中常见的燃烧控制系统的解决方案，锅炉以标准燃烧器为基本设备，结合汽包压力控制、炉膛压力控制的特点和需要，设计燃气锅炉燃烧控制系统。 关键词：燃气锅炉 燃烧控制 汽压控制 炉膛压力控制0 引言为改善大中型城市的环境污染和大气质量,我国对燃料政策进行了调整,各级政府开始鼓励公共企事业单位燃用天然气,从而大大加快了燃气锅炉的发展。在西气东输的影响下,全国气源已形成网络,丰富的燃气资源使我国许多地区的燃煤锅炉更新为燃气锅炉变得更为实际。以燃气锅炉作为家庭和企事业单位的供热在国内的许多区域获得了较好的应用。随着燃气蒸汽锅炉的广泛应用,各种设计方法将日益完善,锅
2、炉的结构和技术设备也不断改进,各种安全保护措施也会日益加强。燃气蒸汽锅炉在我国作为一种新生事物正蓬勃发展,并已显示出极其广阔的应用前景。1 锅炉情况燃气蒸汽锅炉原理: 燃气蒸汽锅炉是用天然气、液化气、城市煤气等气体燃料作燃料，在炉内燃烧放出来的热量，加热锅内的水，并使其汽化成蒸汽的热能转换设备。水在锅（锅筒）中不断被炉里气体燃料燃烧释放出来的能量加热温度升高并产生带压蒸汽。由于水的沸点随压力的升高而升高，锅是密封的，水蒸气在里面的膨胀受到限制而产生压力形成热动力，严格的说锅炉的水蒸气是水在锅筒中定压加热至饱和水再汽化形成的，作为一种能源广泛使用。蒸汽锅炉基本组件及其工作原理蒸汽锅炉是由一系列的
3、设备构成，大体可分为主要部件和辅助设备两个方面。锅炉的主要部件有：（1） 、炉膛：保证锅炉燃料燃尽并使出口烟气温度冷却到对流受热面能够安全工作的数值（2） 、省煤器：利用锅炉尾部烟气的热量加热给水，以降低排烟温度，并起到节约燃料的作用。 （3） 、锅筒：将锅炉各受热面联结在一起并和水冷壁，下降管等组成水循环回路。锅筒储存汽水，可适应负荷变化，内部设有汽水分离装置以保证汽水品质，直流锅炉无锅筒。 （4） 、水冷壁：锅炉的主要辐射受热面，吸收炉膛辐射热，加热工质，保护炉墙等。 （5） 、燃烧设备：将燃料和燃烧所需空气送入炉膛并使燃料着火稳定，燃烧良好；（6） 、空气预热器：加热燃料用的空气，以加强
4、着火和燃烧；吸收烟气余热，降低排烟温度，提高锅炉效率。 （7） 、炉墙：是锅炉的保护外壳，起密封和保温作用。小型锅炉的重型炉墙也可起支承锅炉部件的作用。 （8） 、构架：支承和固定锅炉部件。锅炉的辅助设备主要有：（1） 、引风设备：通过引风机和烟筒将锅炉运行中产生的烟气送往大气。（2） 、除尘设备：除去锅炉烟气中的飞灰。 （3） 、燃料供应设备：存储和运输燃料功能。 （4） 、给水设备：由给水泵将经过水处理设备处理后的给水送入锅炉。 （5） 、除尘除渣设备：从锅炉中除去灰渣并运走。 （6） 、送风设备：通过送风机将空气预热器加热后的空气输往炉膛及磨煤装置应用。 （7） 、自动控制设备：自动检测
5、、程序控制、自动保护和自动调节。1.1 常见锅炉设备主要工艺流程图2 燃烧器2.1 燃烧器结构组成燃烧器是一种将燃料和空气，按所要求的浓度、速度、湍流度和混合方式送入炉膛，并使燃料能在炉膛内稳定着火与燃烧的热能装置。燃料以燃油和燃气为主。一般应用在中小型燃油或燃气锅炉上。燃气燃烧器构造由以下 5 个系统组成：（1） 、送风系统：送风系统的功能在于向燃烧室里送入一定风速和风量的空气，其主要部件有：壳体、风机马达、风机叶轮、风枪火管、风门控制器、风门档板、凸轮调节机构、扩散盘。（2） 、点火系统：点火系统的功能在于点燃空气与燃料的混合物，其主要部件有：点火变压器、点火电极、电火高压电缆。（3） 、
6、监测系统：监测系统的功能在于保证燃烧器安全、稳定的运行，其主要部件有火焰监测器、压力监测器、温度监测器等。（4） 、燃料系统：燃料系统的功能在于保证燃烧器燃烧所需的燃料。燃油燃烧器的燃料系统主要有：油管及接头、油泵、电磁阀、喷嘴、重油预热器。燃气燃烧器主要有过滤器、调压器、电磁阀组、点火电磁阀组然、燃料蝶阀。（5） 、电控系统：电控系统是以上各系统的指挥中心和联络中心，主要控制元件为程控器，针对不同的燃烧器配有不同的程控器，常见的程控器有：LFL 系列、LAL 系列、LOA 系列、LGB 系列，其主要区别为各个程序步骤的时间不同。2.2 燃烧器原理当可燃气体（城市煤气、天然气、液化石油气）由微
7、电脑控制系统按程序控制进入燃烧器的燃烧头内，由一次风与可燃气体混合，点火燃烧，二次风助燃，实现充分燃烧。燃烧状况由火焰自动跟踪系统检测控制燃烧，当燃烧出现故障（燃烧室缺氧、可燃气体欠压、可燃烧气体断流、气量不足等） ，控制系统发出指令，供气系统的电磁阀迅速关闭，切断气电源，燃烧器自动吹扫后停机，指示故障。2.3 燃烧器选择一台卧式三回程火管式燃气蒸汽锅炉，使用天然气为燃料，额定蒸发量 2T/h，额定汽压1.25MPa，额定蒸汽温度 194；额定耗气量 160Nm/h，排烟温度 230，热效率 90%。水蒸气额定流量为: hkgq/1390295.6vm锅炉产生的水蒸气产生的热量为： hkgtc
8、qQm /8.2093176)43(1908.4锅炉所需的总热量为： w.)6./(27/总燃烧器所需的功率为： kQP5.807.4.68.0/总本设计选用威索(weishaupt)燃气燃烧器 WM G10/4-A / ZM (W-FM50)型号。1-空气挡板 2-风叶 3-燃烧器马达 4-回油管 6-喷嘴管 7-马达 12-可控电磁阀供油管13-可控电磁阀回油管 14-点火电极2.4 燃烧器特点(1)热效率高 ：能适应压力波动，自行调节一次配风 （ 即燃气压力大，吸入一次风多；燃气压力小，吸入一次风少 ） ，燃烧充分，热效率高。(2） 安全性高 ：该燃烧器配备小火。锅炉启动时，先点小火，当
9、小火正常稳定燃烧时，自控系统才打开主燃气阀门，燃料才能进入锅炉正常燃烧，不会产生爆燃现象。(3)燃料适应性强：该种燃烧器只需更换少量部件就能适用于天然气、液化石油气、煤气、液化石油混合气以及其它类燃气。3 燃烧与汽压控制系统3.1 燃烧过程特点，工况要求燃气锅炉燃烧过程实质是将燃料中的化学能转变为蒸汽热能的能量转换过程。燃烧过程控制的根本任务是使燃料所提供的热量适应燃气锅炉蒸汽负荷的需要，并保证燃气锅炉安全经济运行。燃烧过程控制的具体任务及其控制策略因燃料种类、燃烧方式以及机炉运行方式不同而有所区别。燃烧控制系统的基本任务可归纳为以下几个方面：(1)维持蒸汽出口压力稳定燃气锅炉蒸汽出口压力作为
10、表征燃气锅炉运行状态的重要参数，不仅直接关系到燃气锅炉设备的安全运行，而且它是否稳定还反映了燃烧过程中的能量供求关系。在单元机组中，燃气锅炉主汽压控制与汽轮机负荷控制是相关联的，燃气锅炉燃烧控制系统的任务是及时调整燃气锅炉燃料量，使燃气锅炉的能量输出与汽轮机为适应对外界负荷的需求的能量输入相适应，其标志是主汽压的稳定。(2)保证燃烧过程的经济性保证燃烧过程的经济性是提高燃气锅炉效率的重要方面，一般可通过维持进入炉膛的燃料量与送风量之间的最佳比值来实现，即在有足够风量使燃料得以充分燃烧的同时，尽可能减少排烟造成的热损失。(3)保证燃气锅炉安全运行在安全保护系统上应该考虑燃烧嘴背压过高而脱火，不但
11、会污染环境更严重的是燃烧室内积存大量燃料气与空气的混合物，会有爆炸危险；燃烧嘴背压过低又可能回火，会危及燃料气罐发生燃烧和爆炸。因此，必须设法加以防止。3.2 燃气锅炉汽包压力与炉膛火力的控制系统原理图3.3 燃烧火力给定信号形态及其与燃烧器的关联作用方式P 为机组负荷热量信号为 D+dPbdt。控制系统包括：滑压运行主汽压力设定值计算模块（由热力系统实验获得数据，再拟合成可用 DCS 折线功能块实现的曲线） 、负荷送风量模糊计算模块、主蒸汽压力控制系统和送、引风控制系统等。主蒸汽压力控制系统采用常规串级 PID 控制结构。当外界对锅炉蒸汽负荷的要求变化时，必须相应的改变锅炉燃烧的燃料量。燃料
12、量控制是锅炉控制中最基本也是最主要的一个系统。因为给煤量的多少既影响主汽压力，也影响送、引风量的控制，还影响到汽包中蒸汽蒸发量及汽温等参数，所以燃料量控制对锅炉运行有重大影响。燃烧过程的经济与否可以通过剩余空气系数是否合适来衡量，过剩空气系数通常用烟气的含氧量来间接表示。实现经济燃烧最基本的方法是使风量与燃料量成一定的比例。送风量控制子系统的任务就是使锅炉的送风量与燃料量相协调，可以达到锅炉的最高热效率，保证机组的经济性，但由于锅炉的热效率不能直接测量，故通常通过一些间接的方法来达到目的。3.4、说明调节过程和控制原理在锅炉燃烧过程中，用常规仪表进行控制，存在滞后、间歇调节、烟气中氧含量超过给
13、定值、低负荷和烟气温度过低等问题。采用 PLC 对锅炉进行控制时，由于它的运算速度快、精度高、准确可靠，可适应复杂的、难于处理的控制系统。因而，可以解决以上由常规仪表控制难以解决的问题。所选择的 PLC 系统要求具有较强的兼容性，可用最小的投资使系统建成及运转；其次，当设计的自动化系统要有所改变时，不需要重新编程，对输入、输出系统不需要再重新接线，不须重新培训人员，就可使PLC 系统升级；最后，系统性能较高。4 炉膛压力控制设计4.1 炉膛压力变化因素（1）外界负荷的变化：主要反映的是锅炉蒸发量与外界蒸气负荷之间的矛盾。锅炉在运行 时，蒸发受热面内产生的蒸气不断进入锅筒的蒸气空间；另一方面蒸气
14、叉不断离开锅筒，送向外界用户。当蒸发受热面流入锅筒的蒸气量多于外界需求时，锅炉的气压就会上升；反之，锅炉的气压就会下降。(2)燃烧工况的变化：蒸汽锅炉蒸发量的大小取决于燃烧工况；保持气压的相对稳定取决于司炉工的责任性和对燃烧的操作调整。当燃料质量变化时，将直接影响燃烧工况，司炉工应对给煤量和送风量作相应的调节。(3)锅内工作情况的变化：锅内水位的变化和水质的恶化，亦会影响气压的波动：过程特点：各参数保持动态恒定工况要求：压力与温度在小范围内波动4.2 炉膛压力的控制系统原理图4.2 系统框图4.3 调节过程和控制原理锅炉控制首要任务是保证设备稳定运行，对于大多数锅炉保证其安全运行的最基本条件是
15、维持合适的炉膛负压，相对安全而言，引风控制比燃料控制更重要。而且炉膛负压对经济燃烧影响较大，他影响着燃烧状况和排热量损失。所以实际锅炉控制系统中，把负压控制（引风控制）回路定义为第一控制回路，给燃料控制回路反而是第四控制回路，以表示负压控制安全级别最高。例如煤粉锅炉若引风机故障导致无引风时，继续往炉内输入燃料，可能导致炉膛爆炸这样的恶性事故，所以在锅炉连锁报系统设计中，引风控制回路的级别最高，即引风故障导致低级别的给煤控制产生联锁保护，而给煤故障并不会触发引风控制联锁保护。同时炉膛负压的测量易受到锅炉正常维护操作的干扰，也容易受到负压取样管堵塞而给出错误信号。5 仪表装置选型5.1、仪表、控制
16、装置的选型任何一套控制系统要想充分发挥它的功能作用，正确、合适的仪表选型是至关重要的。然而仪表的选型也时复杂的工作。对于不同的控制对象，仪表选型会有很大不同，甚至相同控制对象的不同工况条件，仪表选型也会千差万别。仪表选型的根本原则是根据控制的实际对象、实际工况、实际功能来选择合适的仪表类型。燃气燃烧器选配威索(-weishaupt-)燃气燃烧器 WM G10/4-A / ZM 型号；火力调节器选配SIEMENS RWF40 型号；压力变送器选择 JKS318 智能型压力变送器，该变送器采用高性能的感压芯片，配合先进的电路处理和温度补偿技术，将压力变化转化为 420mA 的线性电流。5.2 控制
17、设备材料表序号名称 技术规格 产品型号 数量 制造商1 燃烧器 低压供气，燃烧头 G5/3a, 162 x 50 功率 (10kW)WM-G10/3-A ZM 1 威索2 火力调节器 电位温度计0.05% SIEMENS RWF40 1 德国冬斯3 压力变送器 0.075%校验量程智能差压变送器2000kpa3051DP8L22M1B1D1J 15.3 重要安装事项说明1、在安装工作开始前要断开主开关和保护开关。忽视此点可能导致受到电击，造成伤亡事故。2、由于燃气泄漏可能形成可爆炸的燃气-空气混合。在遇到明火时可能造成爆炸。3、燃烧器功率必须符合加热装置的功率范围。铭牌上的功率数据是燃烧器可能
18、达到的最低和最高功率。4、一些燃烧器部件（如火焰筒、燃烧器法兰等）在设备运行时发热。触摸前要注意先让其冷却。5、多个控制器并排安装间隙最小纵向30.5mm,水平10.5mm。6、安装燃气阀组时：在开始工作前关闭相应的关断装置并确保其后不会被无意打开；注意安装位置在一直线上及密封面的清洁；检查法兰密封圈的位置是否正确；固定螺栓均匀及对称地上紧；阀组无应力安装，安装中的错误不能通过强拧螺栓来解决；阀组安装无震动，阀组在设备运行时不能颤动；在安装时就应使用相应的固件加以支撑；注意阀组可承受的最大压力，可向燃气供应方问管道中的燃气压力，供气压力不得超过阀组所能承受的最大压力。参考文献：1燃气燃烧与应用第四版 同济大学等编2燃油燃气锅炉房设计手册燃油燃气锅炉房编写组3燃油燃气锅炉实用技术秦裕琨主编4 潘永湘 过程控制与自动化仪表 北京： 机械工业出版社 20075 丁崇功 工业锅炉设备 北京： 机械工业出版社 2005 6 俞金寿，孙自强 过程自动化及仪表 北京： 化学工业出版社 2007 7 刘德昌 锅炉改造技术 北京： 中国电力出版社 20004 变频器 AC3PH 0 380V 0 600Hz 25A HID300T4-11-G 1 合康
