锅炉燃烧DCS课程设计- DCS锅炉燃烧系统组态设计

摘要：目前我国新建的锅炉系统普遍采用DCS系统，以前采用常规控制的锅炉也基本进行了DCS改造。燃烧控制系统是一个多变量输入、多变量输出、大惯性、大滞后且相互影响的一个复杂系统。当锅炉负荷变化时，所有的被调量都会发生变化，而当改变任一变量时，也会影响到其它变量。锅炉燃烧过程控制任务很多，最主要的是使锅炉出口蒸汽压力稳定。当负荷扰动而使蒸汽压力变化时，通过调节燃料量或送风量使之稳定。其次，应保持燃料燃烧良好，即不要因为空气不足而使烟囱冒黑烟，也不要因空气量过多而增加热量损失。所以在增加燃料时，空气量应先加大，在减少燃料时，空气量也要减少。总之燃料量与空气量应保持一定比值，或者烟道气中含氧量应保持一定的数值。再次，应该使排烟量与空气量相配合，以保持炉膛负压不变。如果负压太小，甚至为正，则炉膛内热烟气往外冒出，影响设备与工作人员的安全；如果负压大，会使大量冷空气漏进炉内，从而使热量损失增加，降低燃烧效率。一般炉膛负压应该维持在0～－100Pa左右。 2关键词：DCS；燃烧控制；炉膛负压；蒸汽压力；炉膛含氧量 21．锅炉的工作过程 22.工业锅炉燃烧控制的任务 33．基于DCS锅炉燃烧系统设计 43.1硬件体系结构设计 4 73.1.2操作站/工程师站 73.2软件组态设计 73.2.1炉膛负压控制 3.2.2蒸汽压力控制 3.2.3炉膛含氧量控制 4.DCS锅炉燃烧系统组态图 5．DCS系统的特点和优势 参考文献 DCS锅炉燃烧系统组态设计摘要：目前我国新建的锅炉系统普遍采用DCS系统，以前采用常规控制的锅炉也基本进行了DCS改造。燃烧控制系统是一个多变量输入、多变量输出、大惯性、大滞后且相互影响的一个复杂系统。当锅炉负荷变化时，所有的被调量都会发生变化，而当改变任一变量时，也会影响到其它变量。锅炉燃烧过程控制任务很多，最主要的是使锅炉出口蒸汽压力稳定。当负荷扰动而使蒸汽压力变化时，通过调节燃料量或送风量使之稳定。其次，应保持燃料燃烧良好，即不要因为空气不足而使烟囱冒黑烟，也不要因空气量过多而增加热量损失。所以在增加燃料时，空气量应先加大，在减少燃料时，空气量也要减少。总之燃料量与空气量应保持一定比值，或者烟道气中含氧量应保持一定的数值。再次，应该使排烟量与空气量相配合，以保持炉膛负压不变。如果负压太小，甚至为正，则炉膛内热烟气往外冒出，影响设备与工作人员的安全；如果负压大，会使大量冷空气漏进炉内，从而使热量损失增加，降低燃烧效率。一般炉膛负压应该维持在0～－100Pa左右。关键词：DCS；燃烧控制；炉膛负压；蒸汽压力；炉膛含氧量1．锅炉的工作过程锅炉是一种产生蒸汽的热交换设备。它通过煤、油或天然汽等燃料的燃烧过程释放出化学能，并通过传热过程把能量传递给水，把水变成蒸汽或热水，蒸汽或热水直接供给工业、生活等生产中所需要的热能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能有效的转化为蒸汽的热能。燃煤锅炉的工艺流程（如图1）为：给水经给水泵、给水控制阀、省煤器进入锅炉的汽包，燃料和热空气按一定的比例送入燃烧室内燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds。然后经过热器，形成一定气温的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。压力为Pm的过热蒸汽，经负载设备控制供给负荷设备用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排到大具体来说，燃煤锅炉的工作过程概括起来应该包括三个同时进行的过程：燃料的燃烧过程、水的汽化过程、烟气向水的传热过程。图1燃煤锅炉的工作过程2.工业锅炉燃烧控制的任务工业锅炉燃烧系统控制的基本任务，是使燃料燃烧所产生的热量，适应负荷的需要，同时还要保证经济燃烧和锅炉的安全运行。具体调节任务可概括为三个方面：1．维持出水温度不变维持出水温度不变，这是燃烧过程控制的第一项任务。如果出水温度变了，就表示锅炉的生产量与负荷设备的消耗量不相一致，因此，必须改变燃料的供应量，以改变锅炉的燃烧发热量，从而改变锅炉的输出，恢复出水温度为额定值。这项控制任务就称为热负荷控制．此外，保持出水温度在一定范围内，也是保证锅炉和各个负荷设备下常工作的必要条件。2．保持锅炉燃烧的经济性锅炉燃烧过程的经济性是锅炉燃烧过程控制的第二个任务。燃烧的经济性指标难于直接测量，常用烟气中的合氧量，或者燃料量与给风量的比值来表示。如果能够恰当地保持燃料量与空气量的正确比值，就能达到最小的热量损失和最大的燃烧效率．反之，如果比值不当，空气不足，结果导致燃料的不完全燃烧，当大部分燃料不能完全燃烧时，热量损失直线上升；如果空气过多，就会使大量的热量损失在烟气之中，使燃烧效率降低。一般说来，保持2％的氧或10％的过剩空气是最适宜的．这样的热量损失最小。3．维持炉腔负压在一定范围内炉膛负压的变化，反映了引风量与给风量的不相适应。通常要求炉膛负压保持在0～-100Pa的范围内，这时燃烧工况，锅炉房工作条件，炉子的维护及安全运行都最有利．如果炉j撞负压太小，炉膛容易向外喷火，既影响环境卫生，又可能危及设备与操作人员的安全。炉膛负压太大，炉胜漏风量增大，增加引风机的电耗和烟气带走的热量损失。因此，需要维持炉膛负压在一定范围之内。这三项调节任务是相互关联的，它们可以通过调节燃料量、给风量和引风量来完成。对于燃烧过程自动控制系统的要求是：在负荷稳定时，应使燃料量、给风量和引风量各自保持不变，及时地补偿系统的内部扰动。这些内部扰动包括燃料的质量变化，给风量和引风量的变化等。在负荷变化的外扰作用时，则应使燃料量、给风量和引风量成比例地改变，既要适应负荷要求，又要使三个被调量出水温度、炉膛负压和燃烧经济性指标保持在允许的范围3．基于DCS锅炉燃烧系统设计3.1硬件体系结构设计SunyPCC800小型集散控系统简介：随着微型计算机、数字化仪表和在线分析仪表的迅速发展应用和现代工业生产过程越来越复杂的控制要求，产生了基于4C的集散控制系统（DCS）。它采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的基本设计思想，多层分级、合作自治的结构形式，以适应现代化T工业的生产和管理要求。SunyPCC800系统特点：I/O摸块单独配胃A/D或D/A转换器，保证转换精度。在线门校正技术有效地抑制了环境温度带来的“零漂”问题。2．稳定性WDT电路设计保证系统内部各智能节点正常运行。I/O、通讯、控制模板及电源、控制网络均可实现冗余配置。最优化的通讯协议及检错技术使系统的容错能力更强.分布式实时数据库，信息分散，重要信息冗余化。3．可靠性灵巧SmartBus做到“服务始于端子”，维护更方便。全隔离及智能调理技术，将外部干拢拒之门外。信号回读功能保证输出无误。分布式全隔离供电，避免了多根电源线产生的电源干拢。节点故障迅速隔离与自恢复，并支持防掉电保护。大容量FLASH的应用省却了后备电池，即使系统掉电，数据至少十年内不会丢4．开放性网络结构兼顾了开放性、先进性、可靠性及安全性。标准的用户/服务器结构，保证了数据的一致性、安全性和大容量的需求。现场．总线将控制模板、I/O模板及其它智能设备连接起来，实时性更强且允许无中继远程分布。开放、可靠、流行的Windows2000/NT操作系统，全面支持DDE、ODBC、OPc、ActiveX和TCP/IP。5．先进性近二百种控制算法，几乎覆盖所有控制方案，复杂控制算法满足用户先进控制的要求。PC技术的深层次挖掘，操作站／现场控制站采用最新主流配置。万能输入模块减少备品备件类型，最大限度地降低库存成本。低功耗电路设计，降低运行成本，是名符其实的“绿色”控制系统．6．方便性全节点自诊断帮助用户了解系统运行状态。模块化结构使得系统的扩展更加方便、灵活。符合IEC61131一3标准的组态工具和丰富的控制算法，大大缩减工程周期。所有物理模件：均可带电插拔，在线修复。全汉化Windows风格操作界面，提供详细在线指导，操作简便不需专门培训。图2硬件结构图SunyPCC800小型集散控制系统采用尖端的电子技术、仪表控制技术、现代控制理论、吸取迄今为止各种控制系统的长处，是集成综合了多功能回路控制器、顺序控制器、可编程控制器功能的小型集散控制系统。具有先进控制策略、图形操作界面和在线实时组态工具，是一种实现各行各业复杂多样工业自动化构想的新型计算机控制系统。由管理网Mnet、系统网Snet和控制网Cnet三层网络构成，由于I/O模块实现了智能化，因此在I/O调理板内部还有一层到端子的网络——灵巧总线SmartBus。单机基本配置：AI:128，AO:128，DIO:256，PID:64。单机扩展配置：AI:256，AO:256，DIO:512，PID:128；网络分布配置：AI:4DIO:8192。系统还可以成为一体化工作站形式，即控制站、操作站/工程师集成在一起，可就地安装。现场控制站构成现场控制级．进行数据采集和分散控制，其中I/O模块、控制网CNet和控制模板、电源组件均可实现冗余配置。操作站/工程师站通过冗余化系统网SNet与现场控制站相连，完成工业过程的集中监测管理、操作。操作站/工程师还可以经管理网连接到管理站，构成一个集生产、管理、经营于一体的全厂生产综合自动化系统。现场控制站是sunyPCC800系统的核心，主要由机柜、机笼、各类板卡、散热单元以及机柜附件组成，一切过程数据的采集、运算和控制均由安装在现场控制站中的UO模板与控制模板来完成。现场控制站直接与现场设备，是一个大规模的沁处理系统。它吸取了国外多家OCS在现场控制站的技术特点，具有可靠性高、可冗余配置的技术特色.操作站/工程师站为高可靠性工业控制计算机，运行基于Windows2000/NT操作系统的SunyTech6．工业控制应用软件平台，可以提供一个灵活、方便、强大的工程工具，以实现各种控制策略．操作站用于对生产过程的监视、管理，工程师站用于对应用系统进行功能组态、组态数据下载，也能代替操作员站发挥监视、管理的作用。锅炉燃烧控制系统通常分为炉膛负压控制、蒸汽压力控制和炉膛含氧量控制三个子系统。在燃烧控制系统的三个子系统中，通常通过调节燃料量维持蒸汽压力的恒定，调节送风量以保证燃烧的经济性，调节引风量维持炉膛负压的稳定。其中关键的问题是如何保证燃烧的经济性，在燃料量变化的同时如何相应地调节送风量，即如何确定系统的空燃比，因此，燃烧调节系统具有如下特a.由于靠燃料量的变化来适应负荷变化的需要，具有较大的延迟和惯性，因此燃烧量改变后需要一定的输送、燃烧和热量传递时间，才能反应到蒸汽量或汽压的变化上。b.炉排上有一定的燃料储存，瞬间改变送风量加快燃烧，能较快地适应负荷变化的需要。即当需要增加负荷时，先增加风量，可使储存在炉排上的燃料迅速燃烧，很快提高锅炉的蒸发量，以后再靠增加燃料量来保证负荷的要求。c.由于燃料品种经常变化，给合理送风带来一定困难。为此可采用烟气含氧量作为送风调节的信号,新型的测氧元件－氧化锆测氧器的氧量信号反应迅速、可靠。由于出口温度和氧含量调节通道的滞后时间与时间常数相比都比较大，尤其是出口温度广义对象传递函数已接近1:1，如果再采用常规的PID控制算法，由于PID调节属于“事后调节”，它本身不具备克服纯滞后的能力，用于大纯滞后对象，无论在稳定性和响应速度上都难以达到较好的指标。针对燃煤锅炉燃烧系统的纯滞后问题，国内外展开了广泛的研究并提出了许多新的控制策略如广义预估控制、模糊控制等，引入燃煤锅炉的控制中，这些先进的控制算法有的在实际应用中取得较好的控制效果。但是，考虑到本锅炉控制系统中，下位机运算速度和内存容量的限制．有些控制算法虽然比较好，但运算量大、占机时多；有些算法需要对象有精确的数学模型，我们实测得到的模型是在某一工作点附近测得的，山于对象的非线性，模型不可能很准确。所以，这些先进的控制算法对本系统的小型下位机未必适用。在测试分析该燃煤热水锅炉燃烧对象特性的基础上，结合国内外有关锅炉控制方案和本锅炉的实际，经过现场试验，最终确定的控制方案如图3所示。出口温度的控制采用算法简单、易于掌握、对大滞后有较强克服能力的“等等看”控制算法；氧含量控制回路采用前馈一反馈控制，控制算法采用变形的PID算法―积分分离式算法：负压回路，由于滞后相对比较小，采用一般PID算法加引风前馈的控制策略。图3燃烧过程控制系统框图出口温度的“等等看”控制算法：“等等看”控制算法就是仿人工操作而设计的一种非连续的自动控制方式．其主要思想是：偏差e的校正是不连续的，只有偏差大到必须改变控制量时，才使控制量发生相应的变化：在施加控制之后，等一段时间看看控制效果，以决定是否进一步施加控制．“等等看”控制算法有如下优点：1）我们研究的对象是供暖用燃煤低压热水锅炉，出口温度有土l℃左右的偏差是允许的；而且，主要的千扰如入口温度的变化是缓慢进行的，没有大的频繁的干扰，所以“等等看”控制算法是适用的。2）算法简单，在计算机内较短的程序就可以实现，减少了计算机的负担。需整定的参数少，易于被现场工作人员掌握。3）对于纯滞后大的对象，对控制中由纯滞后引起的系统振荡有很好的克服作用4）避免了煤量的频繁调节．如果入口温度没有大的变化，长时间内无须改变煤量，从而保证炉排上煤层厚度均匀。所以，“等等看”控制算法对层燃炉是非常适用的。根据燃烧系统的特点，设计出燃烧自动控制系统的结构框图。由图可知，本系统由汽包蒸汽压力控制炉排的给进速度，即燃料量的多少。针对锅炉系统负荷变化较大的特性，本系统在汽包压力控制回路中引入蒸汽流量作为前馈信号。由于从蒸汽压力的动态特性可知，蒸汽负荷的改变最终必将造成燃料量的变化，将蒸汽流量作为前馈信号能够使燃料量尽快跟上负荷的变化。从热量的意义上来说，蒸汽流量表示了目前用汽带走的热量，汽包压力的大小表示了蒸发部分储热量的亏欠或盈余，两者决定了作为热量来源的燃料量的大小。为保证燃料的充分燃烧，送风量的大小应该与燃料量作协调变化。为此，在本系统中，汽包压力调节器的输出信号作为前馈信号被引至送风副调节器。送风调节采用串级控制方式，其主调节信号为烟气中的氧含量，副调节器信号是送风量，调节器的输出通过控制变频器达到调节电机转速的目的，如果锅炉的漏风量小，氧分析仪的测量信号准确，这样的燃烧控制系统可以明显改善锅炉的热效率，取得很好的经济效益。锅炉引风控制回路的工作原理比较简单，其控制目标是保证炉膛压力为0-100Pa的微负压。为了使引风机能快速跟随送风量的变化，在本系统中将送风调节器的输出信号引入引风调节器，作为前馈信号。由于燃烧状态的不稳定，炉膛负压大范围、无规律地波动，波动范围约是O~-100Pa.有时还瞬时出现微正压，如果我们拿测量的信号直接用于控制，会造成阀门频繁动作，有时可能是误动作。而炉膛负压是一个重要的生产变量，必须对它进行控制．模仿操作工的操作方法，我们对负压的测量值加了一个长时间的滑动滤波，滤波后的值反映了炉膛负压变化的总体趋势，参与控制，取得很好的效果。另外，在调节器算法中规定一个死区，只要负压不超过这个值，使调节器输出不变来防止阀位的误动作。从投运效果来看，在鼓风量或煤量变化后，能通过调节引风阀，将负压的均值控制在给定值的士SPa以内。鼓风量的变化是本调节回路最大的干扰，而鼓风量没有准确计量，所以将鼓风阀门开度近似为风量大小，作为前馈信号引入。锅炉正常运行时，炉膛压力必须保持在规定的范围之内。在负压操作中，如果负压偏正，则锅炉炉膛局部地区容易喷火，不利于安全生产以及环境卫生；但是如果负压过大，漏风严重，会导致总风量增加，烟气热损失增大，这样会不利于经济燃烧。在如图3所示的锅炉控制系统的燃烧过程自动控制系统中，炉膛负压控制系统自成一个单回路控制系统。当进风量随锅炉负荷改变而改变时，由于炉膛负压的变化，负压控制系统将通过调节引风机入口档板，改变引风量使之与送风量相平衡，从而将炉膛负压控制在额定值上。图4炉膛负压控制回路框图炉膛负压的主要扰动量是鼓风量的改变，调整量为引风量。取鼓风量作为负压控制回路的前馈可以使炉膛负压快速消除鼓风变化扰动，保持稳定。负压控制回路框图如图4所示。锅炉的主要任务是生产蒸汽。锅炉产生的蒸汽用于发电或各种需要蒸汽的生产过程，生产工艺要求锅炉不仅要输出足够的蒸汽量，还要保持输出蒸汽压力的稳定。锅炉是通过调整炉排转速即燃料的供给量来保证在输出足够蒸汽量的同时保证锅炉的输出蒸汽汽压恒定。由于从给煤量的改变到蒸汽压力的变化要经过较长时间，因此锅炉汽压控制回路有比较大的纯滞后，同时锅炉汽压控制回路还受到煤种、煤质甚至气候条件等诸多因素的影响，而且与水位、鼓风量等都有耦合，因此是较难控制的回路。锅炉汽压回路的被控量是蒸汽压力，主要扰动量是蒸汽负荷的改变，其主要调节量是给煤量，同时送风量的大小对燃烧也有较大影响，因此也对汽压回路造成扰动。送风量应与给煤量成一定的比例，以维持煤的充分燃烧。我们采用智能PID算法对汽压控制回路进行控制，同时引进蒸汽流量作为前馈以快蒸汽蒸汽速消除负荷扰动，形成如图5所示的蒸汽压力控制回路框图。图5蒸汽压力控制回路框图过热蒸汽温度控制系统过热蒸汽的温度是锅炉生产过程的重要参数，一般由锅炉和汽轮机生产的工艺确定。一方面，蒸汽温度过高会烧坏过热器水管，也会对负荷设备的安全运行带来不良影响，因为锅炉金属强度的安全系数设计比较小，超温严重会使汽机或其它负荷设备膨胀过大，使汽机的轴向推力增大而发生事故；但是，另一方面，过热蒸汽的温度过低将直接影响负荷设备的正常运行。就汽机而言，蒸汽温度过低会严重影响它的效率，一般来说，汽轮机的进汽温度每降低5度，效率约降低1%。因此从安全生产和经济技术指标上看，必须控制过热蒸汽温度在允许范围之内。在锅炉控制系统中，过热蒸汽温度控制系统设计为如图6所示控制方式。蒸汽温度蒸汽温度过热器TC减温水图6过热蒸汽温度控制系统框图在图6所示的锅炉过热器出口过热蒸汽温度控制系统中，调节手段是改变减温水流量。通过热电阻检测过热蒸汽温度，经过温度变送器来调节冷水机减温水调节阀的开度，通过调节减温水的流量来控制过热蒸汽的温度。鼓风量的控制从实测的特性可知，鼓风量控制回路对象纯滞后和时间常数之比接近1/2，所以采用常规PID也容易产生超调和振荡．这里采用了积分分离的PID算法，即在偏差大的时候取消积分作用。控制算式可写为：1）偏差时，实现pD控制；2）偏差时，实现PID控制。采用积分分离PID算法后，显著降低了被控变量的超调，缩短了过程达到新的稳态的时间。另外，煤量的变化是本控制回路最大的于扰，如果煤量变化后等到烟气中的氧含量有变化后再去调节风量，显然是来不及的。如果煤量变化大，还会冒黑烟严重污染环境。所以，把煤量信号作为前馈引入到风量调节回路中，当煤量发生变化时，及时改变风量进行粗调，然后再由PID进行细调来消除余差。另外，用煤量作为鼓风量控制的前馈时．可实现在煤量增加时及时增加风量，但是在煤量减少时立即减风却不合适。因为煤进入炉膛后并不象燃油或气那样立即完全燃烧，如果立即减少风量，会导致助燃风量不足。所以必须加一个判断，看煤量是增加还是减少，增加时，立即增加鼓风量：煤量减少时，可等待一段时间，等煤量改变前抛入的煤（尤其是粉状煤）燃烧一段时间后再减小风炉膛含氧量控制系统包括除氧器压力和液位两个控制子系统。在锅炉控制系统中，除氧器压力控制系统和除氧器液位控制系统都设计为单回路控制方式。在满足锅炉生产的实际要求的前提下，单回路控制方式具有结构简单、容易整定和实现等优点。对于除氧器压力系统而言，当除氧器压力发生变化时，压力控制系统调节除氧器的进汽阀，改变除氧器的进汽量，从而将除氧器的压力控制在目标值上。对于除氧器液位系统，当除氧器液位发生变化时，液位控制系统调节除氧器的进水阀，改变除氧器的进水量，从而将除氧器的液位控制在目标值上。4.DCS锅炉燃烧系统组态图图7DCS燃烧系统组态图5．DCS系统的特点和优势DCS系统的推出并逐步发展成为过程控制领域的主角是由于以下一些原因：1．现代化的生产工艺系统日趋大型化，复杂化，需要检测和控制的参数大量增加，使得传统的仪表控制系统显得难以胜任，势必得另辟蹊径。2．传统的仪表控制系统通常使用多个生产厂家提供的产品，使得工艺生产所需的备品备件品种繁多，为此而化费大量人力物力，并且工艺生产在相当程度上依赖这些仪表生产厂商。这一状况也希望有所改变。3．数字电路技术的迅猛发展，尤其是大规模集成电路技术的应用，集成度以及成品率大幅度提高，使得在过程控制中大量使用微处理器在成本上成为可能。4．自动化控制理论的发展，特别是连续系统离散化理论，采样理论，这些理论大大地推进了过程控制从传统的仪表控制系统向DCS系统变革的进程.5，通讯理论和技术的发展，在对局域网（LAN）的大量研究过程中，通讯理论和技术得到了极大的发展和完善，这方面对DCS系统发展的影响是举足轻重6．计算机应用技术的发展，尤其是微软公司的WINDOWS一95这样的操作系统软件的推出，为计算机在过程控制系统中的应用莫定T基础，计算机和操作人员之间有了良好的界面，使不具备计算机专门知识的操作人员乐于接受。7．计算机集中控制系统存