燃煤锅炉燃烧控制系统研究与工程化应用

1、燃煤锅炉燃烧控制系统的研究与工程化应用指导教师： 冯江涛学生姓名： 冯鑫泽、李 帅、康永财、毛曙兵摘要：本文以实验室SMPT-1000为研究对象，在了解其工艺流程和控制需求的基础上进行了燃烧系统的动态特性分析，建立了数学模型，确定了控制方案，并以实验室西门子过程控制系统PCS7为控制装置，进行了工程实施。运行结果表明，该方案不仅能满足负荷需要，而且保证了锅炉的安全和经济运行。关键词：SMPT1000；燃烧控制； PCS7；工程化应用Research and engineering application of combustion control system for coal fired b

2、oilerSummary:In this paper, we made SMPT-1000 in the the laboratory as the research object.After understanding its process flow and control requirement,we did some research on dynamic characteristics of combustion system, set up mathematical model and settled control scheme.Besides,we put it into ef

3、fect on the base of taking Siemens PCS7 process control system for control device. The running results showed that not only the scheme can meet the needs of load,but also it can ensure the safety and economy of boiler operation.Key words:SMPT - 1000; combustion control; PCS7;engirneeing application1

4、、燃煤锅炉的半实物仿真对象SMPT-1000系统分析1.1 工艺流程分析所选被控对象是流程工业领域常见的强制通风式锅炉，通过锅炉辐射与对流传热，将一定流量的物料A加热到工艺要求的温度。图1-1 锅炉工艺流程图如图1-1所示，待加热物料 A 经由上料泵P1101 泵出，流量为FI1101,流量管线设有调节阀 FV1101和旁路阀HV1101。待加热物料进入换热器E1101 与热物料换热后，进入加热炉F1101 的对流段。进入换热器E1101 的待加热物料A 走管程，一方面对热物料A的温度起到减温的作用，另一方面也能对待加热物料A 起到一定的预热作用。加热炉对流段由多段盘管组成，炉膛产生的高温烟气

5、自上而下通过管间，与管内的物料A 换热，回收烟气中的余热并使物料A 进一步预热。对流段流出的物料A 全部进入F1101 辐射段炉管，接受燃烧器火焰的辐射热量，达到所要求的高温后出加热炉，进入换热器E1101，进行温度的微调并为冷物料预热，最后以工艺所要求的物料温度输送给下一生产单元。燃料经由燃料泵 P1102 泵入加热炉的燃烧器，流量为 FI1103，压力为 PI1101,燃料流量管线设调节阀 FV1104，空气由变频鼓风机 K1101 送入燃烧器，流量为 FI1104。为适应生产负荷的变化，燃烧过程中有最佳比例 K，比例 K 是随不同负荷和燃料的变化而变化。衡量燃烧效率的高低可用烟气中的含氧

6、量 AI1101 来评价。炉膛压力为 PI1102，对流段的出口烟气温度为 TI1105，在烟道内设有挡板 DO1101。为了使炉膛内保证一定的负压，并且有效利用烟气的温度，必须控制挡板在一个合适的开度，并且适应生产的变化。物料 A 出料口流量为 FI1105，温度为 TI1104，并且管道上设有阀FV1105，维持流量稳定和温度稳定是整个控制系统的最终目的。协同整个管道上调节阀的开度的变换，可使流量稳定，通过 TI1104 可作为反馈控制换热器的效果。1.2 控制需求分析1.2.1 满足生产指标的考虑在热物料A流量稳定的前提下，保证热物料A的出口温度维持在工艺要求范围之内。通过控制燃料和空气

7、的比值，来控制锅炉的温度，结合换热器的出口温度控制，从而实现对物料A加热到所要求的温度，从而达到控制要求。所有操作要保证有序进行，工况要保持全程稳定，并要充分考虑生产过程中可能出现的异常工况。 1.2.2 满足节能指标的考虑出于对效能、环境等因素的考虑，要求在控制系统的设计和实施中对燃料用量等能耗等指标予以充分考虑，通过实时的对加热炉加热物料流程的控制，可以有效的减少燃料浪费。1.2.3 满足全自动控制的要求从生产单元冷态起，按照开车步骤实施全自动顺序控制，保证开车稳步进行，保证系统无扰投运。1.2.4 满足系统安全控制的要求强制通风式锅炉在一般不加以安全联锁控制的情况下，可能会发生一些意向不

8、到的事故，例如，物料上料不及时，导致锅炉干烧，从而可能导致爆炉；在开车前不及时检测炉膛内是否有燃料或者是炉膛气体是否在爆炸限一下，也可能发生事故等，所以通过一系列包括声光报警、安全联锁、紧急停车、安全仪表等功能设计及控制，从而较小事故的发生率，保障工况正常平稳运行，进而提高生产效率。1.3对象特性分析为了进行SMPT1000锅炉动态特性的研究，事先将锅炉调控在一个稳定状态，见图1-1所示。其中，物料A 进口流量控制阀FV1101开度 20%、热物料出口流量控制阀FV1105开度 100%、燃料流量控制阀FV1104开度 25%、鼓风机（空气流量）S1101开度 20% 、烟气挡板DO1101开

9、度 100%。图1-1 对象的初始稳定状态1.3.1 物料流量的动态特性分析影响物料流量变化的因素：物料进口调门开度、物料出口调门开度、物料供料压力以及旁路调门开度的大小等。在旁路调门全关、物料调门全开、对物料进口调门开度施加幅值为10%阶跃信号时，物料流量的动态响应曲线如图1-2所示。图1-2 物料流量的动态响应曲线由图1-2可知，物料流量动态响应过程是无延迟、有惯性的。当物料流量的阀门开度从20%开度到30%开度变化时，根据切线法可以得出，物料A的阀门开度变化时流量的动态特性传递函数可以近似表示为： 根据上述结论，当物料A 进口流量控制阀FV1101开度依次变化为：20%30%40%30%

10、，相对应物料流量的动态特性与传递函数基本相符。1.3.2物料温度的动态特性分析影响物料温度变化的因素有燃料流量、物料流量、空气量、烟气挡板开度。在物料流量为15%，送风量S1101为20%，烟道挡板DO1101全开、对燃料量调门开度施加幅值为 5 %的阶跃信号，物料温度的动态响应曲线如图1-3所示。图1-3 燃料量扰动的动态响应曲线由图1-3可知，燃料量扰动下的物料出口温度动态响应过程是有延迟、有惯性的。当燃料流量控制阀FV1104开度变化为：25%30%，保证其他变量不变的情况下，空气流量在一定的范围内，由于燃料量增加，炉膛内的温度就会增加，对物料A提供的热量增加，因此热物料出口温度TI11

11、04上升。此时，其它条件一定的情况下，根据切线法可以求出，燃料量的调门开度变化时出口温度的动态特性可以用下列传递函数近似表示：根据上述结论，当燃料流量控制阀开度在30% 35%40%依次变化时，相应的物料出口温度的动态特性与所建模型基本相符。在物料流量为15%，燃料量调门为25%，烟道挡板DO1101全开、对送风量风机S1101施加幅值为5%的阶跃信号，物料温度的动态响应曲线如图1-4所示。图1-4 送风量扰动的动态响应曲线由图1-4可知，送风量扰动下的出口温度动态响应过程是有惯性的。当鼓风机S1101开度变化为：20%25%，保证其它量不变的情况下，送风量变化时相应物料温度的动态特性可以用下

12、列传递函数近似表示： 根据上述结论，当鼓风机S1101开度在25% 30%35%等变化时，相应的物料出口温度的动态特性与所建模型基本相符。同时，在保证其他变量不变的情况下，空气量的增多，会在排烟时带走炉膛内一部分热量，炉膛内温度降低，对物料A的供热量减小，因此热物料出口温度TI1104下降。但是，如果送风量正好合适时，因为燃料可以充分燃烧，可能会增加炉膛温度，对物料A的供热量增加，因此热物料出口温度TI1104也可能上升。同时，送风量增加，会导致烟气含氧量增加，炉膛真空度下降。从具体数值上看，炉膛真空度还在安全范围之内，而烟气含氧量超出了1%-3%的范围，保证不了燃烧的经济性。在物料流量为15

13、%，燃料量调门为25%，送风量S1101为20%、对烟道挡板DO1101全开、施加幅值为50 %的阶跃信号，物料温度的动态响应曲线如图1-5所示。图1-5 烟气挡板开度扰动的动态响应曲线由图1-5可知，烟气挡板扰动下物料出口温度动态响应过程是有延迟、有惯性。当烟气挡板DO1101开度变化为：100%50%，保证其他变量不变的情况下，烟囱的抽力减小，被排出的烟气量减小，则排烟时带走的炉膛热量减小，炉膛内温度升高，对物料A的供热量增加，因此热物料出口温度TI1104上升。同时，烟气挡板开度关小，造成烟气含氧量下降，炉膛真空度减小。从具体数值上看，烟气挡板开度变化50%，对烟气含氧量和炉膛真空度影响

14、不大。在这种工况下，烟气挡板变化时相应物料出口温度的动态特性可以用下列传递函数近似表示： 根据上述结论，当烟气挡板的开度在30% 60%90%等变化时，相应的物料出口温度变化与传递函数基本相符。在图1-6所示的稳定工况下，对物料负荷施加幅值为5 %的阶跃扰动下，物料温度的动态响应曲线如图1-6所示。图1-6 变负荷的动态响应曲线由图1-6可知，变负荷工况下物料出口温度的动态响应过程是有延迟、有惯性的。当物料A进口流量控制阀FV1101开度变化为：20%25%，保证其他变量不变的情况下，进物料增多，炉膛相对提供给物料A的热量减小，因此热物料出口温度TI1104出现先上升后下降的变化情况。而炉膛真

15、空度和烟气含氧量均减小，但减小的幅度不大。此时，物料A阀门开度变化时出口温度的动态特性可以用下列传递函数近似表示： 根据上述结论，当物料A阀门开度在25% 30%35%等变化时，物料出口温度的动态特性与所建模型基本相符。1.3.3 烟气含氧量的动态特性分析影响烟气含氧量变化的因素有燃料量、烟气挡板开度、送风量。在物料流量为15%，燃料量调门为25%，烟道挡板DO1101为100%、对送风量风机S1101施加幅值为5%的阶跃信号，烟气含氧量的动态响应曲线如图1-7所示。图1-7 送风量扰动的动态响应曲线由动态响应曲线图1-7可知，送风量扰动下的烟气含氧量动态响应过程是有延迟、有惯性的。当鼓风机S

16、1101开度变化为：20%25%，保证其他变量不变的情况下，空气量增多，燃烧剩下的空气量增加，所以排出的烟气中含氧量明显上升。此时，鼓风机阀门开度变化时烟气含氧量的动态特性可以用下列传递函数近似表示：根据上述结论，当鼓风机的阀门开度在25% 30%35%等变化时，烟气含氧量的动态特性与所建模型基本相符。在物料流量为15%，燃料量调门为25%，送风量S1101为20%时，对烟气挡板DO1101施加幅值为50%的阶跃信号，烟气含氧量的动态响应曲线如图1-8所示。图1-8 烟气挡板扰动的动态响应曲线由动态响应曲线图1-8可知，烟气挡板扰动下的烟气含氧量动态响应过程是有延迟、有惯性的。根据前面的分析可

17、知：当烟气挡板开度减小时，烟囱的抽力减弱，随烟气一同被抽入烟囱中的空气量减少，因此烟气中的含氧量AI1101上升。此时，烟气挡板阀门开度在50%到100%变化时烟气含氧量的动态特性可以用下列传递函数近似表示：根据上述结论，当烟气挡板的阀门开度在30% 60%90%等变化时，烟气含氧量的动态特性与所建模型基本相符。由图1-3和图1-8可知，燃料量和送风量的变化都会影响烟气含氧量。当燃料量和送风量之比在某一数值时，烟气含氧量会在要求的1%-3%之间。因此，这里作了多个燃料量与送风量比值下，烟气含氧量的动态响应曲线。图1-9所示为燃料量与送风量比值由0.8变化为0.88时，烟气含氧量的动态响应曲线。

18、同时可得出了多个比值下，烟气含氧量的数值，如下表1.2所示，作为烟气含氧量比值控制的依据。图1-9 比值扰动的动态响应曲线表1-2 燃料量与空气量不同比值下的烟气含氧量值燃料量：空气量（此处为控制阀开度比）烟气含氧量AI1101 25：25（1：1)3.75325：22（1：0.88）2.379 25：20（1：0.8）1.38130：20（1：0.67）0.010由动态响应曲线图1-9可知，燃料量与空气量比值扰动下的烟气含氧量动态响应过程是有延迟、有惯性的。理想的含氧量值在1-3之间，燃料量与空气量的比值增加，烟气中的含氧量下降。燃料量与空气量的比值减小，烟气中的含氧量上升。通过计算，得燃料

19、量与空气量的比值应该为1.136。1.3.4 炉膛负压的动态特性分析影响炉膛负压变化的因素有空气量大小、烟气挡板开度。在物料流量为15%，燃料量调门为25%， 烟气挡板开度DO1101为100%、对送风量SI1101施加幅值为5%的阶跃信号，炉膛负压的动态特性曲线如图1-10所示。图1-10 送风扰动的动态响应曲线由图1-10可知，送风量扰动下的炉膛负压动态响应过程是有延迟、有惯性的。当鼓风机S1101开度变化为：20%25%，保证其他变量不变的情况下，空气量增多，燃料相对减少，炉膛内的剩余空气量增多，使得炉膛真空度PI1102下降，即炉膛内压力上升。此时，鼓风机的阀门开度在20% 到25%变

20、化时炉膛负压的动态特性可以用下列传递函数近似表示：根据上述结论，当鼓风机的阀门开度在25% 30%35%等变化时，炉膛负压的动态特性与所建模型基本相符。在物料流量为15%，燃料量调门为25%，送风量SI1101为20%、对烟气挡板开度DO1101施加幅值为50%的阶跃信号，炉膛负压的动态特性曲线如图1-11所示：图1-11 烟气挡板扰动的动态响应曲线由图1-11可知，烟气挡板扰动下的炉膛负压的动态响应过程是有延迟、有惯性的。当烟气挡板DO1101开度变化为：100%50%，保证其他变量不变的情况下，烟囱的抽力减小，被排入烟囱中的烟气量减少，因此炉膛内真空度PI1102下降，即炉膛内压力上升。此

21、时，烟气挡板的阀门开度变化时炉膛负压的动态特性可以用下列传递函数近似表示： 根据上述结论，当烟气挡板的阀门开度在30% 60%90%等变化时，炉膛负压的动态特性与所建模型基本相符。2、控制方案需要从基础控制系统、开车顺序控制系统、安全系统等方面进行控制方案的设计和选择。其中安全系统的设计应包括燃料量限速控制、防止炉膛灭火、炉管爆裂、回火、脱火、进料中断等控制系统。在控制方案的选择上应充分考虑到绿色生产、节能减排降耗等，力求燃料量最少、废料最少、燃烧最充分等。下面仅介绍开车顺序控制系统和基础的温度、物料、烟气含氧量和炉膛负压等控制方案。2.1开车顺序控制系统采用 SFC 编程，实现从生产单元冷态

22、起，按照开车步骤实施全自动顺序控制，保证开车稳步进行且系统无扰投运，可使设计简单、程序条理清楚、易读懂和修改，非原设计者也可以进行调试和修改，而且执行高效，安全可靠。开车流程见图2-1所示。 图2-1 开车方案流程图2.2温度控制系统采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，以锅炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉对流段入口温度为副变量，构成炉出口温度与炉对流段入口温度的串级控制系统有效地提高控制质量，以满足工业生产的要求。串级控制系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引起主、副变量偏离设定值，由主、副调节器通过控制作用克服扰动，使系统恢复到新的稳定状态的过渡过程。锅炉出口温度串级控制系统其结构方

23、框图如图2-2所示：图2-2温度控制系统方案图图2-2中，出口温度控制器、燃料流量控制器和空气流量控制器均采用PID控制。2.3物料 A 进料流量控制系统当燃烧工况一定时，燃料燃烧所释放出的能量是一定的。根据能量守恒原理，当物料 A 的流量增加时，物料 A 的出口温度会降低；反之，当物料 A 出口的流量减少时，物料 A 出口 温度会升高。为了减少物料 A 进料流量波动对物料 A 出口温度的影响，要对物料 A 进料流量进行控制。图2-3物料 A 出口流量控制系统方框图图2-3中，物料A流量控制器采用PID控制。2.4烟气含氧量控制系统烟气含氧量风量闭环控制系统可以看作是一个燃料流量与风量的定比值

24、控制系统，在燃烧过程中，为了使得燃料燃烧充分且烟气含氧量在最优值，一般燃料流量与风量成一定比值，保证燃料燃烧充分且不浪费。当燃料流量发生变化时，风量控制器的设定值将发生改变，及时调节空气的流量，使得风量快速跟踪燃料量，保持一定的比值。图2-4烟气含氧量风量闭环控制方块图图2-4中，空气流量控制器和烟气含氧量控制器均采用PID控制。2.5炉膛负压控制系统当锅炉运行，机组负荷发生改变时，进入炉膛的燃料量和风量将相应发生改变，那么燃料在炉膛中燃烧产生的烟气也将随之改变。为了保证炉膛内的正常负压，必须对烟道挡板行相应的调节。因为当炉膛内负压过低，势必使炉膛、烟道的漏风量进一步加大，不仅燃烧损失增加，而

25、且可能造成燃烧不稳、燃烧恶化而使锅炉灭火；如果炉膛内负压过高，炉膛内的火焰和高温烟气就会向外喷泄，影响加热炉的安全运行。所以炉膛负压调节系统就是维持炉膛压力在一定允许范围内，保证锅炉燃料能稳定燃烧。当烟道挡板开度小时，烟囱口温度就会低，对流段的余热回收率就高，但是炉膛负压会增大；当挡板开的大时，炉膛压力会减小，但是炉膛热量会散失的多，尾烟的余热回收率就会低。为此，当炉膛负压在规定值范围内，用烟道挡板出口处的温度去控制挡板的开度；当炉膛负压在规定值之外时，利用压力控制器去控制挡板的开度。这样就可以在保证炉膛负压的同时，还可以体现节能减排的经济性。图 2-5 炉膛负压控制系统方框图图2-5中，压力

26、控制器和烟气温度控制器均采用PID控制。3、工程化应用在确定了控制方案的基础上，我们对系统所需的检测元件和执行机构进行了选择，对DCS系统的硬件进行选型，确定了体系结构。最后以实验室的西门子PCS7为控制装置，以SMPT1000为过程对象，进行了CFC的组态及调试，最终的运行结果表明了控制方案的可行性。3.1 检测元件和执行机构的选择根据系统工艺流程以及工艺要求的特点，结合所选输入输出点对测量元件进行配置选型，具体如表3-1所示。表3-1 设备清单序号检测点说明位号测点类型仪表类型型号厂家1物料A进料流量FT1101AI涡街流量计LUGB江苏宏光2换热器入口物料流量FT1102AI涡街流量计L

27、UGB江苏宏光3燃料流量FT1103AI涡街流量计LUGB江苏宏光4空气量FT1104AI涡街流量计LUGB江苏宏光5热物料A出口流量FT1105AI浮子流量计LZH江苏宏光6炉膛中心火焰温度TI1101AI铠装热电偶WGKR重庆川仪7对流段出口物料温度TT1102AI铠装热电阻WZGPK重庆川仪8辐射段出口物料温度TT1103AI铠装热电阻WZGPK重庆川仪9热物料出口温度TT1104AI铠装热电阻WZGPK重庆川仪10烟气温度TT1105AI铠装热电阻WZGPK重庆川仪11燃料压力PT1101AI差压变送器LH-3851/DP江苏宏光12烟气含氧量AI1101AI氧化锆分析仪YB-88重庆

28、川仪13炉膛压力PT1102AI微差压变送器LH-3852/GP江苏宏光14炉膛燃烧状态指示D1101DO指示灯XB2-B施耐德15物料进料管控制阀FV1101AO电动阀VBD重庆川仪16燃料管控制阀FV1104AO电动阀VBD重庆川仪17物料出料管控制阀FV1105AO电动阀VBD重庆川仪18烟气挡板DO1101AO19物料进料管旁路阀HV1101AO电动阀VBD重庆川仪20上料泵启停开关HS1101DI角行程电动机RHA-M重庆川仪21燃料泵启停开关HS1102DI角行程电动机RHA-M重庆川仪22鼓风机启停开关HS1103DI变频鼓风机M重庆川仪23炉膛点火按钮HS1104DI按钮ZB2

29、-B施耐德设备选择说明：（1） LUGB涡街流量计，压力损失小，测量范围大，精度高，几乎不受流体密度、压力、温度等参数的影响，测量介质温度范围-20250。符合本次实验要求。（2）铠装热电偶温度范围-40-1200，输出信号为标准4-20MA信号。本设计中用于炉膛内温度测量。一般炉膛温度范围900-1100，不超过1200。（3）装热电阻温度范围-200-600，输出信号为标准4-20MA信号。本设计中用来测量其他温度的测量。如主蒸汽出口温度最高控制在300左右，一般为200左右。换热器进入对流段物料温度在60左右。进入辐射段温度为120左右。出辐射段物料温度为220左右。物料初始温度为20。

30、（4）LH-3851/1851GP型压力变送器，最小测量负压1Kpa,适用对象液体，气体和蒸汽。输出标准信号。本设计中用于测量炉膛负压。一般炉膛负压范围-20-60Pa。（5）LH-3851/1851DP型压力变送器，测量范围0-6Kpa,适用对象液体，气体和蒸汽。本设计中用于其他压力的测量。（6）烟气正常含氧量为3%-8%。本次设计中选用的分析仪为氧化锆分析仪，本系统中烟气含氧量为5%左右。（7）热物料A出口流量控制在15kg/s，由于出口温度的限制因此测量元件选用金属管浮子流量计，该流量计具有耐高温、高压的特性，同时可以用于测量腐蚀、不透明介质，输出信号为模拟量4-20MA标准信号。（8）

31、RHA-M角行程智能电动执行机构误差小，是智能一体机。同时输出模拟信号4-20MA标准信号，可与PROFIBUS、HART等通讯。（9）M系列智能变频电动执行机构分辩率高、 无磨损、寿命长、数字信号直接传输微处理器，传感器精度高，抗干扰能力强，不受环境温度的影响，可配置PROFIBUS等现场总线。3.2 DCS选型及体系结构控制系统采用西门子SIMATIC PCS 7 过程控制系统，所需的硬件配置见表3-2所示，所确定的体系结构见图3-1所示。表3-2 PCS7硬件配置表序号设备名称数量说明1PLC400H2冗余PLC4002ET 2OOM IM 153-21集中式外围设备3SM 323 DI

32、8/DO8 DC24V 0.5A18 路数字输入/8 路数字输出4SM 331 AI8*16BIT28 路模拟量输入（420mA ）5SM 332 AO8*12BIT38 路模拟量输出（420mA ）6SM 322 AO2*12BIT12 路模拟量输出（420mA ）7PROFIBUS DP线及接插头2PLC400与ET200M的连接8PC机1OS/ES单站系统说明：（1）SM323 类型 8 通道24VDC 的数字量输入、8 通道24VDC 的数字量输出模块，用于采集设备的状态信号以及电机、开关阀的开启关闭。 （2）采用 SM331 类型 8 通道*16 位的模拟量输入模块，用于采集设备温度

33、信号、流量信号、压力信号、液位信号等。 （3）采用 SM332 类型 8 通道*16 位的模拟量输出模块，输出模拟信号用于控制阀门状态。图3-1控制系统体系结构3.3工程实施对项目的工程实施包括DCS系统组态、CFC和SFC、WINCC监控画面的组态。下面仅结合锅炉的控制给出对应的CFC组态图与SFC功能图。（1） 物料A出口流量CFC组态见图3-2所示。图3-2 物料A出口流量CFC组态图（2） 物料出口温度控制CFC组态见图3-3所示。图3-3 物料A出口温度CFC组态图（3） 炉膛负压控制CFC组态见图3-4所示。图3-4 炉膛负压CFC组态图（4）烟气含氧量控制的CFC组态见图3-5所示。图3-5 烟气含氧量CFC组态图（4） 开车顺序使用PCS7 V7.0提供的顺序功能图（SFC）实现，SFC可用于顺序控制、逻辑等功能的实现，这些功能在SFC编辑器中以图形块的形式表示。如图3-6所示。图3-6 开车顺序SFC功能图3.4 参数整定及控制效果3.4.1参数的整定 系统参数整定的方法有很多，包括