电厂锅炉热效率提升的自动控制系统设计与实践

电厂锅炉热效率提升的自动控制系统设计与实践

刘敬智

山东省潍坊市，华电潍坊发电有限公司，261000

摘要：本文针对电厂锅炉热效率提升的需求，设计了一种自动控制系统。通过对锅炉运行过程中的参数进行实时监测和分析，该系统能够实现对燃烧过程的精确控制，从而提高锅炉的热效率。本文详细介绍了该自动控制系统的设计原理、硬件组成和软件实现，并通过实际运行数据验证了其有效性。实验结果表明，该系统能够显著提高电厂锅炉的热效率，降低能源消耗，具有重要的实际应用价值。

关键词：电厂锅炉；热效率；自动控制系统；燃烧控制

一、引言

随着能源需求的不断增长和环境保护要求的日益严格，提高电厂锅炉的热效率成为了电力行业的重要研究课题。锅炉热效率的高低直接影响着电厂的能源利用效率和经济效益，同时也对减少污染物排放具有重要意义。传统的锅炉运行方式主要依靠人工经验进行调节，难以实现对燃烧过程的精确控制，导致锅炉热效率较低。因此，设计一种能够自动监测和控制锅炉运行参数的系统，对于提高锅炉热效率具有重要的现实意义。

二、电厂锅炉热效率的影响因素

（一）燃烧过程

燃烧过程是影响锅炉热效率的关键因素之一。燃料的燃烧不充分会导致热量损失，降低热效率。影响燃烧过程的因素包括燃料的质量、燃烧空气量、燃烧温度等。

（二）传热过程

传热过程是将燃烧产生的热量传递给工质的过程。传热效率的高低直接影响着锅炉的热效率。影响传热过程的因素包括受热面的清洁程度、工质的流速和温度等。

（三）排烟热损失

排烟热损失是锅炉热损失的主要部分之一。排烟温度过高会导致大量的热量随烟气排出，降低热效率。影响排烟热损失的因素包括燃料的种类、燃烧空气量、炉膛温度等。

三、自动控制系统的设计原理

（一）总体设计思路

为了提高电厂锅炉的热效率， 设计了一种基于先进控制算法的自动控制系统。该系统通过实时监测锅炉的运行参数，如燃料量、风量、蒸汽流量、炉膛温度、排烟温度等，并将这些参数输入到控制器中，控制器根据预设的控制算法计算出最佳的控制参数，如燃料量、风量等，然后将控制信号发送给执行机构，如燃烧器、风机等，实现对锅炉燃烧过程的精确控制。

（二）控制算法

在本系统中，采用了模糊控制和 PID 控制相结合的控制算法。模糊控制具有较强的鲁棒性和适应性，能够对复杂的非线性系统进行有效的控制。PID 控制则具有精度高、稳定性好的特点，能够对线性系统进行精确的控制。将两种控制算法相结合，可以充分发挥它们的优点，提高系统的控制性能。

具体来说，首先根据锅炉的运行参数和热效率模型，建立模糊控制规则库。模糊控制规则库中包含了一系列的模糊控制规则，如“如果炉膛温度过高，那么减少燃料量”等。然后，我们将实时监测到的锅炉运行参数进行模糊化处理，将其转化为模糊语言变量，并输入到模糊控制器中。模糊控制器根据模糊控制规则库进行推理和决策，输出模糊控制量。最后，我们将模糊控制量进行解模糊化处理，将其转化为精确的控制量，并将其输入到 PID 控制器中。PID 控制器根据预设的 PID 参数进行计算，输出最终的控制信号，控制执行机构的动作。

四、自动控制系统的硬件组成

（一）传感器

传感器是自动控制系统的重要组成部分，用于实时监测锅炉的运行参数。本系统中采用了多种传感器，如温度传感器、压力传感器、流量传感器等，分别用于监测炉膛温度、蒸汽压力、燃料流量、风量等参数。这些传感器将监测到的参数转换为电信号，并传输给控制器进行处理。

（二）控制器

控制器是自动控制系统的核心部分，用于根据传感器监测到的参数和预设的控制算法，计算出最佳的控制参数，并将控制信号发送给执行机构。本系统中采用了工业级 PLC 作为控制器，具有可靠性高、稳定性好、编程灵活等优点。PLC 通过接收传感器传来的信号，进行数据处理和分析，并根据控制算法计算出控制参数，然后通过输出模块将控制信号发送给执行机构。

（三）执行机构

执行机构是自动控制系统的最终执行部分，用于根据控制器发送的控制信号，调节锅炉的运行参数。本系统中采用了燃烧器、风机、调节阀等作为执行机构。燃烧器用于调节燃料的供应量，风机用于调节风量，调节阀用于调节水流量等。这些执行机构根据控制器发送的控制信号，进行相应的动作，实现对锅炉燃烧过程的精确控制。

五、自动控制系统的软件实现

（一）编程软件

本系统中采用了西门子 S7-300 PLC 作为控制器，使用 STEP 7 编程软件进行编程。STEP 7 是一款功能强大的编程软件，支持多种编程语言，如梯形图、语句表、功能块图等。我们根据系统的控制要求，使用梯形图语言编写了控制程序，实现了对锅炉运行参数的实时监测和控制。

（二）监控软件

为了方便操作人员对系统的运行情况进行监控和管理，我们开发了一套基于组态王的监控软件。组态王是一款功能强大的组态软件，具有良好的人机界面和数据处理能力。通过组态王监控软件，操作人员可以实时查看锅炉的运行参数、历史数据、报警信息等，并可以对系统进行远程控制和操作。

六、系统调试与实验结果

（一）系统调试

在系统安装完成后，我们对系统进行了全面的调试。调试过程中，我们首先对传感器进行了校准，确保传感器的测量精度符合要求。然后，我们对控制器的程序进行了调试，检查了控制算法的正确性和稳定性。最后，我们对执行机构进行了调试，确保执行机构能够准确地执行控制器的控制信号。

（二）实验结果

为了验证自动控制系统的有效性，我们在某电厂的一台锅炉上进行了实验。实验过程中，我们将自动控制系统投入运行，并对锅炉的热效率进行了监测和分析。实验结果表明，在自动控制系统的控制下，锅炉的热效率得到了显著提高，比传统的人工控制方式提高了 5%左右。同时，锅炉的运行稳定性也得到了明显改善，减少了因燃烧不稳定而导致的停机事故。

七、结论

本文设计了一种电厂锅炉热效率提升的自动控制系统，并通过实际运行数据验证了其有效性。该系统采用了模糊控制和 PID 控制相结合的控制算法，能够实现对锅炉燃烧过程的精确控制，提高锅炉的热效率。系统的硬件组成包括传感器、控制器和执行机构，软件实现包括编程软件和监控软件。通过系统调试和实验结果表明，该系统能够显著提高电厂锅炉的热效率，降低能源消耗，具有重要的实际应用价值。在未来的研究中，将进一步优化系统的控制算法，提高系统的控制性能和适应性。同时，还将加强对系统的可靠性和稳定性的研究，提高系统的运行可靠性，为电厂的安全、稳定、高效运行提供有力的支持。

参考文献

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