基于DCS控制器的生物质锅炉燃烧控制系统的设计

张银志

（马鞍山安粮明太新能源科技有限公司安徽马鞍山234000）

摘要：生物质能是指绿色植物通过自身的叶绿体吸收空气中的二氧化碳的过程中，把光能转变成自身的化学能储存在自己体内的能量。它作为可再生能源的一种，由于其独特的优点成为了当下能源界研究的重点。本文探讨了基于DCS控制器的生物质锅炉燃烧控制系统的设计。

关键词：DCS控制器；生物质锅炉；燃烧控制系统

人类社会不断发展，对能源的需求程度越来越高，生物质能作为新型能源逐渐引起世界关注，开发利用生物质能成为各国研究方向之一。同时，生物质能是太阳能以化学能形式蕴藏在生物质中的一种能量形式，它直接或间接的来源于植物的光合作用，也是以生物质为载体的能量。

一、DCS简介

DCS是分布式控制系统的英文缩写（DistributedControlSystem），又称为集散控制系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。同时，它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活及组态方便。

二、生物质概述

生物质（biomass）是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。广义概念：生物质包括所有的植物、微生物及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。有代表性的生物质如农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物和动物粪便。狭义概念：生物质主要是指农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素（简称木质素）、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等物质。生物质具有可再生性、低污染性、广泛分布性、资源丰富、碳中性等特点。

三、燃烧控制系统的主要任务

1、维持主汽压力稳定。锅炉主汽压力是表征锅炉稳定运行的重要参数，其是否稳定还反映了锅炉燃烧过程中能量的供求关系，即蒸汽量与外界负荷两者的平衡。在机组燃烧系统的控制中，锅炉主蒸汽压力控制与汽轮机负荷控制是相互联系的。主汽压力的变化表示锅炉供给的蒸汽量与负荷需要的蒸汽量不符，这时就必须相应的改变锅炉运行情况，以提供足够的锅炉产汽量。

2、保证最佳空燃比。为了保证锅炉燃烧的经济性，提高锅炉的热效率，要通过同时改变送风量和燃料量。通常，送风量要比满足燃料恰好燃烧所需的理论空气量大一些，用过量空气系数或空燃比来衡量。最佳空燃比就是有足够的送风量以满足燃料充分燃烧，同时又能使排烟的热损失最小。当燃料量改变时，要相应的调节送风量，使空气能保证燃料充分燃烧。

3、维持炉膛负压稳定。锅炉炉膛压力是否稳定反映了燃烧系统中进入炉膛的风量和出炉的烟气流量之前的平衡关系。若送风量大于引风量，则炉膛压力升高，压力过高会造成锅炉火焰外溢，影响设备和运行人员安全；而若送风量小于引风量，会引起炉膛压力过低，引风机负荷增大，造成排烟热损失增加。

4、控制振动炉排。控制炉排振动的频率，以确保燃料燃烧后产生的灰渣在炉排上均匀分布。当炉排振动频率比较大时，炉排上剩余的灰渣比较少，炉排可能受到炉膛内高温的影响；反之，炉排上可能堆积过量的灰烬。

四、控制策略

目前，生物质锅炉燃烧控制系统多采用PID控制策略。整个燃烧控制系统由燃料量控制系统、送风量控制系统、引风量控制三个子系统构成，主要实现对以下几类变量的控制：生物质锅炉的蒸汽参数包括主蒸汽的温度及压力、炉内压力参数及气泡水位值；生物质在炉膛停留的时间、燃料量、送风量、引风量，烟气含氧量等参数的精确控制。此外，控制系统还要实现生产过程的顺序控制、连锁保护和报警功能。

1、燃料量的控制子系统。燃料量的供给状况是影响锅炉蒸汽压力的重要因素，而保持蒸汽的供需平衡是锅炉安全、稳定运行的关键。经过燃烧的一系列过程，燃料热值的变化和燃料流量的变化会带来主蒸汽压力值的改变，在燃烧的每个环节都存在迟滞，经过燃烧的整个过程后控制回路的滞后明显加大。针对这种总滞后大、环节复杂的生产过程，要达到高质量的控制目的，串级控制系统是最佳方案。

根据锅炉的燃烧特点和串联控制的工作原理，燃料控制的方案采用主蒸汽压力串联控制，其中将主被控变量设定为炉膛内的主蒸汽压力，副被控变量设定为锅炉炉膛温度。该部分控制系统的调节过程分为以下二种情况：

1）当燃料的喂料器送到炉膛内的燃料流量发生变化时，短时间内主蒸汽压力不会改变，此时主控制器的输出不变，然而副控制器因燃料的变化，炉膛内的温度发生变化，此时副控制器需要调整燃料喂料器的供给情况，以此来保持炉膛内温度值的稳定情况。当燃料的热值发生变化，主蒸汽压力短时间内保持稳定时，也会出现炉膛内温度变化的现象，主控制器根据反馈值调节输出，燃料的喂料器受到主控制器和副控制器的同时作用，可提高控制的效果。

2）生物质锅炉的主蒸汽压力变化的同时，炉膛的温度也在发生变化，此外锅炉中还存在其他多种扰动。主控制器通过主环调节炉膛温度控制器的设定值，调整燃料的供应量，使主蒸汽压力的参数值保持稳定状态：炉膛温度控制器除了接受主控制的信号，还要随着炉膛温度的实际值而随之变化，从而使主蒸汽压力值保持在系统的设定值。为了让整个系统运行的更加安全可靠，需在系统中加入报警及联锁保护功能。

2、烟气含氧量控制子系统。鼓风机的送风量决定了燃料在燃烧过程中是否燃烧充分，因生物质燃料中含有大量的N、C元素，若鼓风机送风量不足，燃料燃烧不充分，会造成资源浪费；若鼓风机的送风量过大，空气会带走大量的热量，不但造成资源的浪费，还会因生成氮氧化合物带来环境污染，从而违背了生物质锅炉研制时经济、环保的初衷。通过控制鼓风机的送风量来控制炉膛内的含氧量，让锅炉内的燃料达到最佳空燃比是此环节控制的最终目的。

本环节的控制系统仍采用串级控制，将主控变量设定为鼓风机的送风量，副控变量是烟气中的含氧量。烟气含氧量调整回路和鼓风机送风总量调整回路，构成了串级控制系统。当风量的实际值偏离设定值时，实际的含氧值经过比较器和设定的含氧量经过比较修正，达到最佳含氧量的设定值，再根据具体的偏差量调整含氧量，校正总风量，最后确定总风量的设定值，通过调节送风机的转速和调节阀来控制总风量。

3、引风量的控制子系统。炉膛内的压力值是影响炉膛安全运行的重要因素，通过调节引风机的引风量，将炉膛内的压力维持在安全范围内是该控制子系统要实现的控制目标。炉膛内的压力值直接受引风机引风量大小的影响，并具有响应快、惯性小的特点，因此将两者做比例特性处理。另外，对引风量的控制可通过单回路闭环控制系统来实现。

五、系统的应用

所采用的燃烧控制方案在某糖厂的生物质锅炉中，响应时间达到60s，蒸汽压力最大超调量为0.4％。在燃烧过程中，空气流量、燃料量、主蒸汽压力等相关的主要参数曲线如图1所示。

图1燃烧过程的主要参数曲线

六、结语

综上所述，生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，与目前常用的煤、石油、天然气等能源相比，来源广泛、丰富；宏观上看，其燃烧过程可实现CO2的零排放，为一种理想的绿色能源。目前针对我国具体国情，通过直接燃烧的方式利用生物质能源是现行应用最多、最为成熟的。

参考文献：

[1]秦建南.糖厂生物质锅炉燃烧自动控制研究方案[J].轻工科技，2017（07）.

[2]倪向红.生物质燃料锅炉控制策略研究[D].合肥工业大学，2014，3-4.

[3]王治江.基于DCS控制器的生物质锅炉燃烧控制系统的设计[J].自动化与仪表，2018（05）.