鍋爐是利用燃料或其他能源的熱能，把水加熱成為熱水或蒸汽的機械設備。鍋爐包括鍋和爐兩大部分，鍋的原義是指在火上加熱的盛水容器，爐是指燃燒燃料的場所。 鍋爐中產生的熱水或蒸汽可直接為生產和生活提供所需要的熱能，也可通過蒸汽動力裝置轉換為機械能，或再通過發電機將機械能轉換為電能。提供熱水的鍋爐稱為熱水鍋爐，主要用于生活，工業生產中也有少量應用。產生蒸汽的鍋爐稱為蒸汽鍋爐，又叫蒸汽發生器，常簡稱為鍋爐，是蒸汽動力裝置的重要組成部分，多用于火電站、船舶、機車和工礦企業。鍋爐承受高溫高壓，安全問題十分重要。即使是小型鍋爐，一旦發生爆炸，后果也十分嚴重。因此，對鍋爐的材料選用、設計計算、制造和檢驗等都制訂有嚴格的法規。

鍋爐的發展鍋爐的發展分鍋和爐兩個方面。 18世紀上半葉，英國煤礦使用的蒸汽機，包括瓦特的初期蒸汽機在內，所用的蒸汽壓力等于大氣壓力。18世紀后半葉改用高于大氣壓力的蒸汽。19世紀，常用的蒸汽壓力提高到0.8兆帕左右。與此相適應，較早的蒸汽鍋爐是一個盛水的大直徑圓筒形立式鍋殼，后來改用臥式鍋殼，在鍋殼下方磚砌爐體中燒火。 隨著鍋爐越做越大，為了增加受熱面積，在鍋殼中加裝火筒，在火筒前端燒火，煙氣從火筒后面出來，通過磚砌的煙道排向煙囪并對鍋殼的外部加熱，稱為火筒鍋爐。開始只裝一只火筒，稱為單火筒鍋爐或康尼許鍋爐，后來加到兩個火筒，稱為雙火筒鍋爐或蘭開夏鍋爐。 1830年左右，在掌握了優質鋼管的生產和脹管技術之后出現了火管鍋爐。一些火管裝在鍋殼中，構成鍋爐的主要受熱面，火(煙氣)在管內流過。在鍋殼的存水線以下裝上盡量多的火管，稱為臥式外燃回火管鍋爐。它的金屬耗量較低，但需要很大的砌體。 19世紀中葉，出現了水管鍋爐。鍋爐受熱面是鍋殼外的水管，取代了鍋殼本身和鍋殼內的火筒、火管。鍋爐的受熱面積和蒸汽壓力的增加不再受到鍋殼直徑的限制，有利于提高鍋爐蒸發量和蒸汽壓力。這種鍋爐中的圓筒形鍋殼遂改名為鍋筒，或稱為汽包。初期的水管鍋爐只用直水管，直水管鍋爐的壓力和容量都受到限制。

二十世紀初期，汽輪機開始發展，它要求配以容量和蒸汽參數較高的鍋爐。直水管鍋爐已不能滿足要求。隨著制造工藝和水處理技術的發展，出現了彎水管式鍋爐。開始是采用多鍋筒式。隨著水冷壁、過熱器和省煤器的應用，以及鍋筒內部汽、水分離元件的改進，鍋筒數目逐漸減少，既節約了金屬，又有利于提高鍋爐的壓力、溫度、容量和效率。以前的火筒鍋爐、火管鍋爐和水管鍋爐都屬于自然循環鍋爐，水汽在上升、下降管路中因受熱情況不同，造成密度差而產生自然流動。在發展自然循環鍋爐的同時，從30年代開始應用直流鍋爐，40年代開始應用輔助循環鍋爐。 輔助循環鍋爐又稱強制循環鍋爐，它是在自然循環鍋爐的基礎上發展起來的。在下降管系統內加裝循環泵，以加強蒸發受熱面的水循環。直流鍋爐中沒有鍋筒，給水由給水泵送入省煤器，經水冷壁和過熱器等蒸發受熱面，變成過熱蒸汽送往汽輪機，各部分流動阻力全由給水泵來克服。第二次世界大戰以后，這兩種型式的鍋爐得到較快發展，因為當時發電機組要求高溫高壓和大容量。發展這兩種鍋爐的目的是縮小或不用鍋筒，可以采用小直徑管子作受熱面，可以比較自由地布置受熱面。隨著自動控制和水處理技術的進步，它們漸趨成熟。在超臨界壓力時，直流鍋爐是唯一可以采用的一種鍋爐，70年代****的單臺容量是27兆帕壓力配1300兆瓦發電機組。后來又發展了由輔助循環鍋爐和直流鍋爐復合而成的復合循環鍋爐。在鍋爐的發展過程中，燃料種類對爐膛和燃燒設備有很大的影響。因此，不但要求發展各種爐型來適應不同燃料的燃燒特點，而且還要提高燃燒效率以節約能源。此外，爐膛和燃燒設備的技術改進還要求盡量減少鍋爐排煙中的污染物(硫氧化物和氮氧化物) 早年的鍋殼鍋爐采用固定爐排，多燃用優質煤和木柴，加煤和除渣均用手工操作。直水管鍋爐出現后開始采用機械化爐排，其中鏈條爐排得到了廣泛的應用。爐排下送風從不分段的“統倉風”發展成分段送風。 早期爐膛低矮，燃燒效率低。后來人們認識到爐膛容積和結構在燃燒中的作用，將爐膛造高，并采用爐拱和二次風，從而提高了燃燒效率。發電機組功率超過6兆瓦時，以上這些層燃爐的爐排尺寸太大，結構復雜，不易布置，所以20年代開始使用室燃爐，室燃爐燃燒煤粉和油。煤由磨煤機磨成煤粉后用燃燒器噴入爐膛燃燒，發電機組的容量遂不再受燃燒設備的限制。自第二次世界大戰初起，電站鍋爐幾乎全部采用室燃爐。早年制造的煤粉爐采用了U形火焰。燃燒器噴出的煤粉氣流在爐膛中先下降，再轉彎上升。后來又出現了前墻布置的旋流式燃燒器，火焰在爐膛中形成L形火炬。隨著鍋爐容量增大，旋流式燃燒器的數目也開始增加，可以布置在兩側墻，也可以布置在前后墻。1930年左右出現了布置在爐膛四角且大多成切圓燃燒方式的直流燃燒器。 第二次世界大戰后，石油價廉，許多國家開始廣泛采用燃油鍋爐。燃油鍋爐的自動化程度容易提高。

70年代石油提價后，許多國家又重新轉向利用煤炭資源。這時電站鍋爐的容量也越來越大，要求燃燒設備不僅能燃燒完全，著火穩定，運行可靠，低負荷性能好，還必須減少排煙中的污染物質。在燃煤(特別是燃褐煤)的電站鍋爐中采用分級燃燒或低溫燃燒技術，即延遲煤粉與空氣的混合或在空氣中摻煙氣以減慢燃燒，或把燃燒器分散開來抑制爐溫，不但可抑制氮氧化物生成，還能減少結渣。沸騰燃燒方式屬于一種低溫燃燒，除可燃用灰分十分高的固體燃料外，還可在沸騰床中摻入石灰石用以脫硫。鍋爐的工作 鍋爐參數是表示鍋爐性能的主要指標，包括鍋爐容量、蒸汽壓力、蒸汽溫度、給水溫度等。 鍋爐容量可用額定蒸發量或****連續蒸發量來表示。額定蒸發量是在規定的出口壓力、溫度和效率下，單位時間內連續生產的蒸汽量。****連續蒸發量是在規定的出口壓力、溫度下，單位時間內能****連續生產的蒸汽量。蒸汽參數包括鍋爐的蒸汽壓力和溫度，通常是指過熱器、再熱器出口處的過熱蒸汽壓力和溫度如沒有過熱器和再熱器，即指鍋爐出口處的飽和蒸汽壓力和溫度。給水溫度是指省煤器的進水溫度，無省煤器時即指鍋筒進水溫度。鍋爐可按照不同的方法進行分類。鍋爐按用途可分為工業鍋爐、電站鍋爐、船用鍋爐和機車鍋爐等；按鍋爐出口壓力可分為低壓、中壓、高壓、超高壓、亞臨界壓力、超臨界壓力等鍋爐；鍋爐按水和煙氣的流動路徑可分為火筒鍋爐、火管鍋爐和水管鍋爐，其中火筒鍋爐和火管鍋爐又合稱為鍋殼鍋爐；按循環方式可分為自然循環鍋爐、輔助循環鍋爐(即強制循環鍋爐)、直流鍋爐和復合循環鍋爐；按燃燒方式，鍋爐分為室燃爐、層燃爐和沸騰爐等。在水汽系統方面，給水在加熱器中加熱到一定溫度后，經給水管道進入省煤器，進一步加熱以后送入鍋筒，與鍋水混合后沿下降管下行至水冷壁進口集箱。水在水冷壁管內吸收爐膛輻射熱形成汽水混合物經上升管到達鍋筒中，由汽水分離裝置使水、汽分離。分離出來的飽和蒸汽由鍋筒上部流往過熱器，繼續吸熱成為450℃的過熱蒸汽，然后送往汽輪機。 在燃燒和煙風系統方面，送風機將空氣送入空氣預熱器加熱到一定溫度。在磨煤機中被磨成一定細度的煤粉，由來自空氣預熱器的一部分熱空氣攜帶經燃燒器噴入爐膛。燃燒器噴出的煤粉與空氣混合物在爐膛中與其余的熱空氣混合燃燒，放出大量熱量。燃燒后的熱煙氣順序流經爐膛、凝渣管束、過熱器、省煤器和空氣預熱器后，再經過除塵裝置，除去其中的飛灰，最后由引風機送往煙囪排向大氣。

鍋爐的結構 鍋爐整體的結構包括鍋爐本體和輔助設備兩大部分。鍋爐中的爐膛、鍋筒、燃燒器、水冷壁過熱器、省煤器、空氣預熱器、構架和爐墻等主要部件構成生產蒸汽的核心部分，稱為鍋爐本體。鍋爐本體中兩個主要的部件是爐膛和鍋筒。爐膛又稱燃燒室，是供燃料燃燒的空間。將固體燃料放在爐排上，進行火床燃燒的爐膛稱為層燃爐，又稱火床爐；將液體、氣體或磨成粉狀的固體燃料，噴入火室燃燒的爐膛稱為室燃爐，又稱火室爐；空氣將煤粒托起使其呈沸騰狀態燃燒，并適于燃燒劣質燃料的爐膛稱為沸騰爐，又稱流化床爐；利用空氣流使煤粒高速旋轉，并強烈火燒的圓筒形爐膛稱為旋風爐。爐膛的橫截面一般為正方形或矩形。燃料在爐膛內燃燒形成火焰和高溫煙氣，所以爐膛四周的爐墻由耐高溫材料和保溫材料構成。在爐墻的內表面上常敷設水冷壁管，它既保護爐墻不致燒壞，又吸收火焰和高溫煙氣的大量輻射熱。爐膛設計需要充分考慮使用燃料的特性。每臺鍋爐應盡量燃用原設計的燃料。燃用特性差別較大的燃料時鍋爐運行的經濟性和可靠性都可能降低。 鍋筒是自然循環和多次強制循環鍋爐中，接受省煤器來的給水、聯接循環回路，并向過熱器輸送飽和蒸汽的圓筒形容器。鍋筒簡體由優質厚鋼板制成，是鍋爐中重的部件之一。鍋筒的主要功能是儲水，進行汽水分離，在運行中排除鍋水中的鹽水和泥渣，避免含有高濃度鹽分和雜質的鍋水隨蒸汽進入過熱器和汽輪機中。 鍋筒內部裝置包括汽水分離和蒸汽清洗裝置、給水分配管、排污和加藥設備等。其中汽水分離裝置的作用是將從水冷壁來的飽和蒸汽與水分離開來，并盡量減少蒸汽中攜帶的細小水滴。中、低壓鍋爐常用擋板和縫隙擋板作為粗分離元件；中壓以上的鍋爐除廣泛采用多種型式的旋風分離器進行粗分離外，還用百頁窗、鋼絲網或均汽板等進行進一步分離。鍋筒上還裝有水位表、安全閥等監測和保護設施。為了考核性能和改進設計，鍋爐常要經過熱平衡試驗。直接從有效利用能量來計算鍋爐熱效率的方法叫正平衡，從各種熱損失來反算效率的方法叫反平衡。考慮鍋爐房的實際效益時，不僅要看鍋爐熱效率，還要計及鍋爐輔機所消耗的能量。單位質量或單位容積的燃料完全燃燒時，按化學反應計算出的空氣需求量稱為理論空氣量。為了使燃料在爐膛內有更多的機會與氧氣接觸而燃燒，實際送入爐內的空氣量總要大于理論空氣量。雖然多送入空氣可以減少不完全燃燒熱損失，但排煙熱損失會增大，還會加劇硫氧化物腐蝕和氮氧化物生成。因此應設法改進燃燒技術，爭取以盡量小的過量空氣系數使爐膛內燃燒完全。鍋爐煙氣中所含粉塵(包括飛灰和炭黑)、硫和氮的氧化物都是污染大氣的物質，未經凈化時其排放指標可達到環境保護規定指標的幾倍到數十倍。控制這些物質排放的措施有燃燒前處理、改進燃燒技術、除塵、脫硫和脫硝等。借助高煙囪只能降低煙囪附近地區大氣中污染物的濃度。煙氣除塵所使用的作用力有重力、離心力、慣性力附著力以及聲波、靜電等。對粗顆粒一般采用重力沉降和慣性力的分離，在較高容量下常采用離心力分離除塵靜電除塵器和布袋過濾器具有較高的除塵效率。濕式和文氏—水膜除塵器中水滴水膜能粘附飛灰，除塵效率很高還能吸收氣態污染物。

二十世紀50年代以來，人們努力發展灰渣綜合利用，化害為利。如用灰渣制造水泥、磚和混凝土骨料等建筑材料。70年代起又從粉煤灰中提取空心微珠，作為耐火保溫等材料。 鍋爐未來的發展將進一步提高鍋爐和電站熱效率；降低鍋爐和電站的單位功率的設備造價；提高鍋爐機組的運行靈活性和自動化水平；發展更多鍋爐品種以適應不同的燃料；提高鍋爐機組及其輔助設備的運行可靠性；減少對環境的污染。系統下達指令由變頻器自動啟動第一臺泵運行，系統檢測給水管的水壓，當變頻器頻率上升到工頻時，如水壓未達到設定的壓力值，系統自動將第一臺電機切換至工頻直供電，并由變頻器拖動第二臺水泵運行，如變頻器運行到工頻狀態時供水母管壓力仍未達到設定壓力值系統自動將第二臺水泵切換至工頻直供電，再由變頻器拖動第三臺運行，依次類推，直至壓力達到設定值。若鍋爐需要的給水量減少，變頻控制系統可自動降低變頻器的運行頻率，如變頻器的頻率到零仍不能滿足要求，則變頻器自動切換至前一臺水泵進行變頻運行，依次類推。變頻恒壓供水控制系統的實質是：始終利用一臺變頻器自動調整水泵的轉速，切換時間以管網的實際壓力和設定壓力的差值決定，同時保證管網的壓力動態恒定。值得注意的是為了防止變頻器報警停機或其他故障造成水泵不轉會引起鍋爐缺水，所以應該加反饋裝置確保變頻器正常工作。除此之外鍋爐的供水系統中還包括除氧器壓力控制和除氧器水位控制，除氧器壓力控制主要是為了保證除氧器口有足夠的蒸汽壓力用于將軟化水除氧，這是一個單閉環控制回路，輸入參數是除氧器壓力輸出參數控制除氧器進汽閥。除氧器水位控制主要是為了保證除氧器內有足夠的水提供給鍋爐，這是一個單閉環控制回路輸入參數，是除氧器水位輸出參數控制除氧器進水閥。

3.2 鍋爐燃燒調節系統 燃燒過程自動調節系統的選擇雖然與燃燒的種類和供給系統、燃燒方式以及鍋爐與負荷的聯結方式都有關系，但是燃燒過程自動調節的任務都是一樣的。歸納起來，燃燒過程自動調節系統有三大任務：

① 維持汽壓恒定。汽壓的變化表示鍋爐蒸汽量和負荷的耗汽量不相適應，必須相應地改變燃料量，以改變鍋爐的蒸汽量。

② 保證燃燒過程的經濟性。當燃料量改變時，必須相應地調節送風量，使它與燃料量相配合，保證燃燒過程有較高的經濟性。

③ 調節引風量與送風量相配合，以保證爐膛壓力不變。 燃燒調節系統一般有三個被調參數，汽壓p、煙氣含氧量a和爐膛負壓pt。一般有3個調節量，他們是燃料量M，送風量F和引風量Y。燃燒調節系統的調節對象對于燃料量，根據燃料種類的不同可能是爐排電機，也可能是燃料閥。對于送風量和引風量一般是擋板執行機構或變頻器。燃燒調節系統是一個多參數變量調節系統。這種調節系統通常把它簡化成互相聯系，密切配合但又相對獨立的3個單變量系統來實現。為便于分析，下面我們按3個系統來分別分析。這三個系統分別是以燃料量維持鍋爐壓力恒定的蒸汽壓力調節系統，以送風量維持鍋爐經濟燃燒的送風調節系統，以引風量維持爐膛負壓穩定的爐膛負壓調節系統。

3.2.1 蒸汽壓力調節對象的特性 引起蒸汽壓力變化的主要原因是燃料量和用汽負荷發生變化。其動態特性如下。 ① 燃料量擾動下的汽壓變化特性 在用汽負荷不變的情況下，如鍋爐燃料量(B)發生△B的階躍擾動，此時汽壓的飛升曲線如圖4(a)所示。此時對象沒有自平衡能力，具有較大的遲滯和慣性。但如果鍋爐出口的用汽閥門開度不變，那么由于汽壓因燃料量擾動而發生變化時，蒸汽流量也將發生變化。由于汽壓變化時，蒸汽流量增大自發地限制了汽壓的變化，因此對象有平衡能力。此時汽壓的飛升曲線如圖4(b)所示。 ② 用汽負荷擾動下的汽壓變化特性 負荷階躍擾動下，汽壓變化的動態特性也有下列兩種情況：當用汽閥門階躍擾動時，對象表現出具有自平衡能力，沒有延遲，但有較大的慣性，并有一個與閥門變化成比例的啟始飛躍，飛升曲線如圖4?所示；當用汽量階躍擾動時，其飛升曲線如圖4(d)所示，此時對象沒有自平衡能力，如果不及時增加進入鍋爐的燃料量，那么，汽壓將一直下降。 3.2.2 送風自動調節對象的特性 送風調節系統的工作好壞，直接影響爐膛的空氣過剩系數的變化也就是排出煙氣的含氧量。引起空氣過剩系數變化的主要擾動是燃料量和送風量配比。風量擾動下對象的動態特性具有較大的自平衡能力，幾乎沒有延遲和慣性，近似為一比例環節。而燃料量擾動時，需經過輸送和燃燒過程而略有延遲。由于送風系統幾乎沒有延遲和慣性。所以在燃料充足的情況下送風量的大小將比較直接的反應在鍋爐的蒸汽壓力上。那么怎樣才能保證股風量和燃料量的搭配適宜，這里我們引入了風煤比這個概念。風煤比就是在當前風量下所能燃燒的煤的****值。在控制作用中風煤比主要是根據當前風量來限制爐排的轉速，防止由于風量不夠導致煤不能充分燃燒。該參數對節煤和環保都有很大意義。因為如果不能充分燃燒將會導致煤渣的含炭量增高，這樣比較浪費煤，同時還會造成煙氣含炭量增高影響排放。

3.2.3 爐膛負壓自動調節對象的特性 爐膛負壓自動調節對象的動態特性較好，但擾動通道的飛升時間很短，飛升速度很快。 根據以上對燃燒系統調節對象的分析，下面我們針對燃燒自動控制系統三個任務對控制采用的方案進行分析。燃燒過程控制系統一般采用的控制流程圖如圖5（a）所示，先通過蒸汽壓力變送器經濾波后取得信號，與設定蒸汽壓力進行比較，判斷出鼓風PI調節器調節的方向和大小，通過鼓風PI調節單元計算出鼓風變頻器的輸出大小。同時把該信號輸出給風煤比計算單元，相應的算出在當時的風量下爐排的****輸出值。再把蒸汽壓力的差值信號送給爐排PI調節器，通過爐排PI調節單元計算出爐排變頻器的輸出大小。經過風煤比限位，輸出給爐排變頻器。在實際調試過程中我們往往把鼓風PI調節中的比例系數設的比爐排PI單元的大，這樣可以很好的保證鼓風系統對蒸汽壓力的敏感度要高于爐排。實踐證明通過該方法控制下鍋爐的蒸汽壓力穩定性好，在蒸汽負荷變化時相應程度高。灰渣含碳量低。爐膛負壓的大小對于節能影響很大。負壓大，被煙氣帶走的熱量大，熱損失增加，煤耗量增大，理想運行狀態應在微負壓狀態。它能明顯增加懸浮煤顆粒在爐膛內的滯留時間，增加沉降，減少飛灰，使煤充分燃燒提高熱效率。但由于負荷變化，需要改變給煤量和送風量，隨之也要改變引風量，以保證爐膛負壓的穩定，但由于系統有一定的滯后時間，為避免鼓風變化而引起爐膛負壓的波動，系統中引入鼓風信號作為前饋信號對引風機進行超前調節。爐膛負壓控制系統一般采用的控制流程圖如圖5（b）所示，調節原理比較簡單屬于單閉環調節系統，它的輸入量是爐膛負壓輸出量是引風變頻器，同時引入鼓風量作為前饋信號。另外系統各回路中都設置了手自動兩種操作方式，為了實現無擾動切換，系統引入了各控制對象的反饋值，在手動操作時PLC輸出會自動跟蹤控制對象的反饋，當切換到自動狀態時可以進行無擾動切換，使系統平穩的過渡到自動狀態。四、鍋爐控制系統組成結構 上面我們針對鍋爐控制系統的各控制回路原理的做了簡要分析，依據以上分析，我們知道構建一個可靠的、智能隨動的智能控制系統是保證鍋爐安全生產的基礎。鍋爐控制系統是典型的多變量、純滯后、強耦合的控制系統，如果不能在控制策略和軟件實現上很好地解決多變量解偶關系和滯后響應問題，那么，實施智能鍋爐控制系統改造后同樣也將無法實現預期的目標。在控制系統設計上我們采用集中控制分散驅動（P—T方案）的集散控制思想，把控制系統分為三層： a） 信息管理層：完成系統關鍵技術數據的設定、實時數據和運行狀態的監視與控制、歷史數據的查看、數據報表的記錄與打印、報警與故障的提示處理等功能；主要由上位工控機（IPC）、組態開發軟件、應用程序、通訊模塊等組成； b） 控制層：主要完成各種控制動作命令、實時數據的采樣與處理、連鎖動作的關聯表達、控制算法的實現、異常現象的自動處理等功能；主要由可編程邏輯控制器（PLC）的開關量模塊、模擬量模塊、智能PID調節儀、變頻器、PLC應用程序等組成； c） 設備層：主要接受來自PLC的控制命令，執行相應的動作或提供相應的檢測數據。主要由斷路器、交流接觸器、壓力變送器、溫度變送器、流量變送器、電動開關閥、模擬信號隔離分配器等組成。五、結束語 綜上所述，鍋爐控制系統改造具有很好的市場發展空間和投資收益前景，值得廣泛地推廣。它不僅能夠通過自動化控制技術實現安全生產的目的，還能夠節煤節電并能使排放更環保，總之鍋爐的計算機自動化控制是鍋爐行業發展的大勢所趨，也是一項利國利民的發展方向。