基于MCGS的600MW循环流化床锅炉燃烧过程自动控制系统方案

1、大学本科生课程考查论文2013/2014学年 第一学期600MW循环流化床锅炉燃烧过程自动控制系统课程名称： 微机控制综合应用 任课教师：学 院： 电气工程学院 专 业： 自动化 学 号： 2010 姓 名：成 绩：调研1、问题的提出： 随着电力工业的发展，高参数大容量的火力发电机组在电网中所占的比例越来越大，电网因用电结构变化，负荷峰谷逐差逐步加大，因此要求大型机组具有带变动负荷运行的能力，以便迅速满足负荷变化的需要与参加电网调频。另外，机组容量不断地增加，锅炉的蓄热量相对减少，采用机炉分别控制方式已不适应外界负荷的要求和保持机炉之间的平衡，因此通常采用锅炉汽轮发电机组的单元制运行方式。 2

2、、解决问题总体方案： 我们采用循环流化床锅炉燃烧控制。 1)燃烧控制系统主要由锅炉的燃烧室（炉膛）、送风装置、送煤装置、灰渣排放装置、引凤装置等组成。主要功能是完成燃料的燃烧过程，将燃料所含能量以热能形式释放出来，用于加热锅炉里的水。主要流程有烟气流程、通风流程、排灰出渣流程、给煤控制流程等。 燃烧过程控制的根本任务是使燃料所提供的热量适应锅炉蒸汽负荷的要求，保证锅炉安全运行。燃烧过程的具体任务与其控制策略因燃料种类、制粉系统、燃烧设备与锅炉的运行方式的不同而有所不同。具体而言，燃烧控制的基本任务可归纳为以下几点：（1） 维持蒸汽压力稳定，（2）保证燃烧过程的经济性，（3）维持炉膛压力稳定。

3、锅炉燃烧过程的上述三项控制任务是不可分开的，它的三个被控参数蒸汽压力、过剩空气系数或最佳含氧量、炉膛压力与三个调节量燃料量、送风量、引风量间存在着关联。因此燃烧控制系统各子系统应协调运作，共同完成其控制任务。2）燃烧过程的有关参数与其影响：（1）给煤。给煤量影响送进床料的热量。（2）循环流化床风速和风量。 风速影响床料流动性、气泡直径与床燃烧率等，进而影响液化质量和燃烧效率。（3）床料高度。其高度的变化影响床温。 （4）过剩空气系数。在一定围，提高过剩空气系数可改善燃烧效率，但其很高时，将导致床温下降，CO浓度升高，总的燃烧效率下降。 （5）炉膛负压。正常运行时，一般控制流口处为常压，炉膛出口

4、为-2030Pa。负压太大，一方面影响正常溢流，另一方面易引起溢流口处向外喷火，影响安全运行。 （6）床温。床温是保证循环流化床正常运行的必要条件。 （7）负荷。负荷调节是一个动态过程，在此变化过程中，要求锅炉蒸汽参数稳定，循环流化床状态良好，床温保持在允许的围。 （8）循环倍率的变化。循环床燃烧技术延长了细粒的停留时间，提高了燃烧效率，但同时却增加了风机电耗。应保持锅炉运行在一个能量最有倍率下。 （9）其他因素。例如，某些设计因素，非正常工况等。3）控制策略： （1）燃烧控制系统 燃烧控制系统是有三个相对独立的子系统即燃料控制系统、送风控制系统、引凤控制系统组成。 1.1燃料控制采用前馈+反

5、馈的燃料控制系统 1.2送风控制系统采用前馈+反馈的送风控制系统 1.3引风控制系统采用前馈+反馈的引风控制系统4) 炉膛的安全监控： 执行点火程序，并对供风系统、引风系统、炉膛压力、汽包水位等进行监视，对出现的危险情况进行报警、执行相应的联锁程序，记录事故前后的相关数据。锅炉起停和正常运行时，一旦检测到危与系统安全的条件时，立即进行动作，切断主燃料，指出首次跳闸原因，并给出声光报警信号，进行有关的联锁和顺控动作，以保证锅炉的安全。当出现以下情况时，燃烧系统停止。    a.燃烧用供风故障；   b.引风机故障或烟气通道阻塞

6、；     c.炉膛压力过高或过低；    d.汽包水位低于下限；     e.过热器出口温度高于上限； f.按下紧急按钮（MFT）。5) 所用到的仪表：表 1. 1检测点仪表名称规格型号安装地点压力炉膛负压差压变送器量程：-120-50PaSBCC-13-1312/032炉体后侧引风机压力压力变送器量程：-4000-0SBYC-13112/032除尘间送风机压力压力变送器量程：0-4000SBYC-13112/032除尘间调速引风机调速交流变频

7、器功率：75KWACS-501-060-3低压配电室配电器双回路供电：24V/DC DFPX-2100控制柜后架装送风机调速交流变频器功率：75KWACS-501-060-3低压配电室配电器双回路供电：24V/DCDFPX-2100控制柜后架装给煤机转速转速检测器给煤量流量检测器具体过程如下：一、分析流程：二、变量的设置：三、组态的建立：MCGS 组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。􀁺主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调

8、度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称与存盘时间等。􀁺设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。􀁺用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。􀁺实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口定义不同类型和名称的变量，作为数据采集

9、、处理、输出控制、动画连接与设备驱动的对象。􀁺运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序（ifthen脚本程序），选用各种功能构件，如：数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。组建新工程的一般过程；工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流程和监控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集与输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件部用来传递数据与动画显示的。工程立项搭建框架：MCGS 称为建立新工程。主要容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗

10、口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定存盘数据库文件的名称以与存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在MCGS 组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立。设计菜单基本体系：为了对系统运行的状态与工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控窗口编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命令进行功能组态。在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的容进行增加或删除，不断完善工程的菜单。制作动画显示画面：动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分类似于“画画”，用户通过MCGS 组态软

11、件中提供的基本图形元素与动画构件库，在用户窗口“组合”成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。编写控制流程程序：在运行策略窗口，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种功能模块（称为策略块），由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS 还为用户提供了编程用的功能构件（称之为“脚本程序”功能构件），使用简单的编程语言，编写工程控制程序。完善菜单按钮功能：包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。编写程序调试工程：利用调试程序产生的

12、模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。连接设备驱动程序：选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口进行。工程完工综合测试：最后测试工程各部分的工作情况，完成整个工程的组态工作，实施工程交接。注意：以上步骤只是按照组态工程的一般思路列出的。在实际组态中，有些过程是交织在一起进行的，用户可根据工程的实际需要和自己的习惯，调整步骤的先后顺序，而并没有严格的限制与规定。这里，我们列出以上的步骤是为了帮助用户了解MCGS 组态软件使用的一般过程，以便于用户快速学习和掌握MCGS 工控组态软件。具体组态画面如下：1用户窗口如下：2、登陆

13、界面如下：3、主界面和报警界面如下：4、燃料控制界面如下：5、送风系统界面如下：6、引风系统界面如下：7、实时数据与曲线界面如下：8、运行策略界面：四、运行策略：1、循环流化床锅炉DCS系统组成：ð 数据采集系统(DAS) ð 模拟量调节系统(MCS) ð 顺序控制系统(SCS) ð 炉膛安全监控系统(FSSS)2、模拟量控制系统（MCS）组成：ð 主汽压调节ð 床温调节ð 给煤量调节ð 总风量调节ð 石灰石量调节ð 一次风量调节ð 二次风量调节ð 二次风压调节ð

14、高压风压力调节3、循环流化床（CFB）床温控制：CFB床温控制目标：850-920过高：容易结焦过低：影响燃烧效果甚至导致熄火影响床温的因素：煤种变化或燃用煤矸石和好煤时混合不均匀波动给煤量控制不均匀波动煤粒直径控制不严或排渣不与时降低料床（密相区）高度，特别是间歇放渣波动负荷增加时加大给煤量加风不够导致燃烧不良降低负荷变化风煤配比不当床温控制的SAMA图：4、燃料控制方案：燃料与空气采取比值控制方式和氧量校正方案，并用烟气含氧量进行微调，风/煤交叉联锁逻辑保证锅炉在任何负荷时都处于安全燃烧的“富氧”工况。即控制任何燃烧工况下的锅炉奉均大于燃料量。在静态时，风量指令为锅炉指令和锅炉燃料总量的高

15、选信号；而燃料指令为锅炉指令与总风量的低选信号。在负荷变化时，则通过先加风，后加燃料；先减燃料，后减风来实现动态补偿。过剩空气系数校正回路也保证了锅炉在任何负荷时，都处于安全燃烧的“富氧”工况。在低负荷试，为了保证稳定燃烧，过剩空气系数较大。在高负荷时，为了获得较高的燃烧经济性，必须维持较低的过剩空气系数。过剩空气系数校正回路有如下功能：运行人员可改变回路中的补偿系数，调节氧量设定值。通过氧量校正信号的高低限值，可改变总的过剩空气量。可根据开启风门的数量和状态调整氧量修正信号。运行可根据氧量指示退出氧量校正回路，受冻调整过剩空气设定值。炉膛负压控制采取引风调节和送风调节组成前馈反馈控制。燃料控

16、制SAMA图：5、 CFB总风量控制：总风量控制系统的主要作用是使锅炉总风量和负荷指令以与与负荷相匹配的燃料量相平衡。通过一次风、二次风和氧量的实际测量，结合锅炉设计对风量与配比的要求来产生控制一次风量、二次风量的信号。风量设定取负荷指令与燃料量两者之中的大者，以保证升负荷时先增风，后增燃料；降负荷时先减燃料以防止燃料富余。 （1）控制策略：总风量调节系统通过改变一二次风量的指令来保证锅炉所需配风锅炉主控系统得到的总风量指令与燃料量测定值进行交叉限制后作为总风量调节系统的给定值，以保证负荷增加时先加风后加燃料，负荷减少时先减燃料后减风的要求，从而保证一定量的过剩空气系数和床温总风量调节系统的给

17、定值在PID中与总风量测量值进行计算处理后，送往一二次风调节系统。（2）总风量控制SAMA图：6、 CFB一次风控制：一次风的作用：1.流化状态的建立，2.流化质量的好坏，3.床料在密相区的流态燃烧，4.床温的高低，5.床压的高低。一次风的控制影响因素：燃料量和床温等因素。控制对象：一次风门挡板 。通过控制一次风门挡板来控制一次风量。根据总风量信号和床温的修正，减去点火增压风量，产生一次风量给定，其与测量值之差经过PID运算后，控制相应调节挡板的动作。一次风量必须保证炉膛物料能够沸腾循环，同时如果床温超限则适当加大一次风量给定。控制回路：总一次风量控制与入喷嘴一次风量控制两个回路 。一次风控制

18、的SAMA图：7、 CFB二次风控制：（1）二次风的作用确保从密相区溢出的可燃物在稀相区（悬浮段）得到进一步的富氧燃烧，使燃料在炉膛充分燃烧，降低炉膛上下温差（2）二次风控制目标确保烟气含氧量在3-5%围，加强稀相区气固两相流的扰动，强化燃烧增强炉温度场，增加发热量提高燃烧效率（3）二次风的控制策略用稀相区温差来作为调整输入信号，单独设置一个回路来调整二次风区部分二次风喷嘴，以达到二次风均匀分配的目的（4）二次风控制SAMA图：8、 CFB炉膛压力控制：（1) 控制策略：对炉膛压力作大幅度的阻尼才能很好的控制炉膛负压并使执行机构不至于频繁的动作。为避免炉膛压力信号波动频繁引起引风机入口挡板位置

19、频繁动作，调节器设置死区来改善调节性能。引风机跳闸强制引风机入口挡板位置全开。（2)压力控制SAMA图：9、床压排渣控制回路：L阀是控制循环流化床锅炉膛下部向冷渣器排渣的重要设备，在L阀上布置若干个空气喷嘴，正常运行时通入干冷空气来流化、运送灰渣。灰渣在L阀中的传输可以是连续的，也可以是断续的。L阀在运行过程其空气量是可以控制的，通过改变空气流量来调节灰渣的排出量。锅炉排渣量的大小视床压而定，流化风受安装在总管上的一个电动流化风调节阀控制。电动调节阀接受床压调节器的输出信号，根据床压情况进行开度调节。10、CFB点火控制：点火逻辑”点火条件具备,开引风机(开度30%-35%), 半分钟后开启一

20、次风机 (开度30%-35%),保持炉膛吹扫57分钟，调整一次风主风门，一次风的一部分从旁路（点火风路）通过，以满足点火用氧的需要。自动点火系统（按点火启动开关进点火枪开吹扫阀开吹扫阀5分钟后开点火器，同时开油阀持续10秒钟时间，如火焰检测器检测不到火焰立即关闭油阀打开吹扫阀延续5分钟时间关吹扫阀重新进入自动点火系统。如果火焰检测器检测到火焰点火器发火结束自动退点火枪至锅炉炉膛温度达到850度以上，炉膛燃烧工况稳定，点火结束，关油阀进点火枪开吹扫阀同时开点火器延时5分钟关吹扫阀发火结束，自动退点火枪）五、运行结果1、总体简略图2、原理图3、运行结果图：4、.调试过程：用四个模块（5017,50

21、24,5051,5060）作为AI，AO，DI，DO，然后与工控机进行通过485或232接口的导线相连。分别对5017,5024,5051,5060模块进行调试通讯，当通讯状态显示为0时，说明通讯成功。5、调试结果：六、运行中的PID程序：'* asng1DataValue(0) = PV '* asng1DataValue(1) = SV '* asng1DataValue(2) = OP '* asng1DataValue(3) = P '* asng1DataValue(4) = I '* asng1DataValue(5) = D'

22、; sng1ParP = 250 '* 比例系数P' sng1ParI = 50 '* 积分系数I' sng1ParD = 5 '* 微分系数D' sng1PvMin = 0 '* PV 值下限' sng1PvMax = 300 '* PV 值上限' sng1SvMin = 0 '* SV 值下限' sng1SvMax = 300 '* SV 值上限' sng1OpMin = 0 '* OP 值下限' sng1OpMax = 100 '* OP 值上限'

23、; sng1ChangeMin = 1 '* 死区围' sng1ChangeMax = 10 '* 调节围' sng1OutPutMax = 80 '* 超调时输出' sng1CtlDirection = 1 '* 调节方向' sng1ControlT = 100 '* PID的调控周期，和设备的采集周期一样' Dim sng1PVRange '* PV值的量程' Dim sng1Outdx '* PID计算出的输出增加值'' '* 确保控制周期不为0 If sng1

24、ControlT = 0 Then sng1ControlT = 1' '* 计算PV值的量程，并确保其不为0 sng1PVRange = sng1PvMax - sng1PvMin If sng1PVRange <= 0 Then sng1PVRange = 1' '* 把超调值由百分比转换成实际物理量' sng1ChangeMax = sng1PVRange * sng1ChangeMax / 100' '* PV值和SV值必须在设定的限值围之 If sng1Pv < sng1PvMin Then sng1Pv = sng

25、1PvMin If sng1Pv > sng1PvMax Then sng1Pv = sng1PvMax If sng1Sv < sng1SvMin Then sng1Sv = sng1SvMin If sng1Sv > sng1SvMax Then sng1Sv = sng1SvMax' * 计算SV和PV值的差值，第一次计算时，取m_sng1SvPvdx1、m_sng1SvPvdx2值和m_sng1SvPvdx一样' m_sng1SvPvdx '* 本次调控时SV和PV值的差值' m_sng1SvPvdx1 '* 上次调控时SV和P

26、V值的差值' m_sng1SvPvdx2 '* 调控过程中SV和PV值的差值的累计和 m_sng1SvPvdx = sng1Sv - sng1Pv m_sng1SvPvdx2 = m_sng1SvPvdx2+m_sng1SvPvdx m_sng1SvPvdx1 = m_sng1SvPvdx'设定m_sng1SvPvdx1的初值为111111；标记是否第一次进行PID计算，防止m_sng1SvPvdx和1m_sng1SvPvdx2的值为0 If m_sng1SvPvdx1 = 111111 Then m_sng1SvPvdx1 = m_sng1SvPvdx m_sng1S

27、vPvdx2 = m_sng1SvPvdx EndIf'* 进行PID运算，sng1ParI=0 和 sng1ParI<>0的算法不一样'sng1ControlT :调节周期,和设备的采集周期一样（单位为：秒） If sng1ParI <> 0 Then sng1Outdx = sng1ParP * (m_sng1SvPvdx - m_sng1SvPvdx1 + m_sng1SvPvdx * sng1ControlT / sng1ParI + (m_sng1SvPvdx - 2 * m_sng1SvPvdx1 + m_sng1SvPvdx2) * sng

28、1ParD / sng1ControlT) Else sng1Outdx = sng1ParP * (m_sng1SvPvdx - m_sng1SvPvdx1 + (m_sng1SvPvdx - 2 * m_sng1SvPvdx1 + m_sng1SvPvdx2) * sng1ParD / sng1ControlT) EndIf '* 处在死区围，输出值保持不变 If !Abs(m_sng1SvPvdx) < !Abs(sng1ChangeMin) Then sng1Outdx = 0 '* 当PID控制的调节方向方向不一样时，输出值的处理方法不一致 If sng1Ctl

29、Direction = 1 Then sng1OP = sng1OP + sng1Outdx '* 正向控制时的超调处理 If !Abs(m_sng1SvPvdx) >= sng1ChangeMax And sng1ChangeMax > 0 Then If m_sng1SvPvdx > 0 Then sng1OP = sng1OutPutMax EndIf Else sng1OP = sng1OP - sng1Outdx '* 反向控制时的超调处理 If !Abs(m_sng1SvPvdx) >= sng1ChangeMax And sng1ChangeMax &g