工业锅炉计算机控制系统 点击：32943 | 回复：165
发表于：2004-02-28 16:00:00
楼主
一、概述
在工业锅炉燃烧过程中，各项技术指标都要求限定在一定范围内。为了确保燃烧过程的稳定、可靠和经济运行，设计采用先进的变频调速技术与计算机应用技术，锅炉燃烧过程计算机自动控制装置。该装置通过检测水汽压力、温度，炉膛负压等运行物理量，通过计算机及变频器控制鼓、引风机和炉排转速，改变鼓、引风量和给煤量，使炉膛负压、汽包水位及温度控制在预定范围内，保证锅炉燃烧在最佳工况和最节能条件下运行。
本装置最突出的特点是解决了锅炉热负荷和出力之间存在着不能及时匹配的问题，即蒸汽需要量和供汽量之间不能很好地配合，供汽量或小或大，不能满足热需要量的随时变化，供汽质量较差。目前这个问题主要是依靠人工经验进行调节，而人工控制基本上始终是供汽量偏大，存在着热量的较大浪费。采用计算机应用技术、专家智能系统以及热工数学偏微分数模转换计算相结合，成功地解决了最难以解决的供汽量滞后于炉膛温度变化的传统难题。该装置可实时调节供汽量，实现了精确供汽。
二 控制设想
蒸汽锅炉燃烧系统变频调速计算机自动控制装置将变频调速技术、计算机和智能控制技术相结合，完成工业锅炉对给水、给煤、送风、引风等参数的自动控制，使锅炉汽包水位，蒸汽压力，蒸汽流量，风煤配比在专家系统控制下，实现燃烧工况自寻优控制，保持锅炉的最佳运行状态。实现工业锅炉系统安全、可靠、稳定运行和达到节能降耗的目的。
锅炉燃烧系统是一个复杂的多变量耦合系统。输入量有：给煤量、鼓风量和引风量；输出量有：蒸汽压力、炉膛负压。燃料是热量的唯一来源，给煤量的变化直接影响锅炉提供的蒸汽量，也影响汽包压力的变化，是燃烧系统的主控制量。鼓风量的变化产生不同的风煤比和相应的燃烧状况，表现出不同的炉膛温度，并决定炉膛损失的大小，直接决定着锅炉能否经济运行。在送风量改变的同进也改变引风量，使炉膛负压保持稳定，保证锅炉安全运行。这三个控制子回路组成了一个不可分割的整体，统称为锅炉燃烧控制系统，共同保证锅炉运行的机动性、经济性和安全性。
针对锅炉的燃烧过程是个复杂的物理过程，各输入，输出的耦合关系十分复杂；锅炉系统具有大的延时，并且参数是在实时时变化，难以建立精确的数学模型；锅炉的负荷变化范围从零到最大负荷量，并且是不定时变负荷。常规PID是难以实现控制的。解决这些问题的方法是采用比PID更为有效的智能控制技术－模糊控制方法。
该控制系统将人工智能引入控制方案，主汽压控制采用模糊控制的思想，以克服汽压被控对象时变、大延时的特性，以燃料量维持汽包压力恒定的主汽压调节系统；为了保证锅炉的经济燃烧，送风量的控制采用自寻优控制，以送风量维持经济燃烧的送风调节系统；炉膛负压的控制采用PID控制，以引风量维持炉膛负压稳定的炉膛负压调节系统。
主汽压基本模糊控制缺乏对具有较大纯时间滞后对象的控制能力，因此，在模糊控制系统中此入SMITH预估控制，以提高模糊控制器对趴有纯时间滞后对象的控制能力。常用的模糊控制器环节有比例输出和积分输出两种形式，前者阶跃响应快，但为有差控制，后者可接近无差控制，但响应慢，且超调较大。本系统采用二者相结合的比例积分输出结构，具有超调小、暂态时间短的优点。
模糊控制算法具有阶跃响应速度快、精确度较高、对参数变化不敏感以及整定更为容易等特点，充分体现了智能控制方法对于被对象的良好适应性。将SMITH预估引入模糊控制 器，提高了控制系统对具有纯时间滞后对象的控制能力，模糊SMITH控制无论从控制的快速性还是对参数变化的适应性常规SMITH控制优越的多。
影响锅炉燃烧系统的工况参数很多，又存在纯时滞，很难建立起准确的数学模型，因此，采用理论上属于自适应控制范畴，但又不需要建立准确数学模型的自寻优控制。目前锅炉燃烧采用静态搜索法进行分析，由于静态寻优没有考虑锅炉的动态特性，致使搜索时间较长，易产生振荡，因此采用动态寻优算法。
最优控制方法有两种基本实现方式，一种是直接在对象上寻优状态，另一种是在建立好的数学模型上进行搜索。工业锅炉燃烧系统变频调速计算机自动控制装置采用前者，它的优点所在是不需要建立精确的数学模型（对锅炉燃烧系统控制而言，建立精确的数学极为困难的）。最优化实现如何使系统快速准确地稳定在最佳工作点附近，它必然涉及到寻优参量的选择及算法优化的问题。
三 结束语
随着可编程控制器超大型的出现和高速计算元件的发展以及智能控制器的应用，锅炉控制系统将实现完全无人职守自动控制。
发表于：2004-09-18 15:29:00
101楼
列电35t/h链条炉的PLC控制
1、概述
首钢矿业公司列电为公司内部自备电站，以三台10t/h锅炉与一台6000kW发电机配套使用，投运近40年。虽经管理、操检人员共同努力，至今运行较为稳定，但维护费用的增高和锅炉热效率的降低使经济效益欠佳，更因设备陈旧老化，控制方式落后，给列电安全运行带来极大隐患。为此，公司决定新建一台35t/h锅炉取代原三台10t/h锅炉，并与原6000kW发电机配套形成一个集供暖、供浴、发电于一体的热电设备。一是通过增强综合利用提高经济效益；二是通过降低维护费用和提高锅炉热效率降低运行成本；三是消除安全隐患。
电站锅炉，由于其长期运行，而且环境恶劣，控制信号又多，
因此对控制系统的可靠性要求较高。国内目前在锅炉控制中主要采用DCS，这是由于多台机组并列运行时仪表信号较多，采用此系统其性能价格比相对较好。但随着电子技术的不断发展，PLC的仪控功能不断增强，用于回路调节和组态画面的功能不断完善，特别是PLC系统的抗干扰能力强，因此采用PLC进行锅炉控制也取得了较好的效果，特别是对于小型单体单元机组其控制的可靠性、组态的灵活性以及性价比更具优势。
2、工艺控制要求
2.1 控制要求
对于电站锅炉而言，主汽压力和主汽温度使蒸汽产品的两个重要指标。主汽压力的变化反映出锅炉的蒸汽产量与汽轮机组负荷要求不相适应，因此应根据负荷要求及时改变燃料供给量，使蒸汽压力恢复为额定值。过热器出口主汽温度是锅炉汽水通道中的最高工质温度，以接近过热器材料所允许的温度上限，过高的主汽温度容易造成过热器损坏，同时也会造成汽轮机过度热膨胀，因此在生产过程中应及时调节减温水量以保持主汽温度恒定。所以，电站锅炉控制的主要任务就是在汽轮机组负荷发生变化时，保持主汽压力和主汽温度等重要参数在规定的范围内，从而保证发电机组安全、稳定、可靠、高效地运行，这是汽机对锅炉这个提供热动力的设备的要求。锅炉要满足汽机的要求，其自身必须首先要安全、稳定、可靠、高效地运行。那么，
锅炉控制的另一个主要任务就是对锅炉本体的控制，也就是常说的汽包水位控制系统和最佳燃烧控制系统。
2.2具体实现如下自动调节功能：
● 主汽压力自动调节
● 主汽温度自动调节
● 汽包水位自动调节
● 给水压力自动调节
● 炉膛负压自动调节
● 烟气含氧量自动调节
3、控制方案
3.1 PLC系统选择
根据控制要求，列电新建35t/h锅炉拟采用西门子S7-300PLC系统予以控制。其上位采用WINCC组态画面，下位采用STEP7编程控制，上、下位之间通过MPI网连接，处理器和远程I/O之间通过ET-200进行数据交换。
理由如下：
1)、相当成熟的西门子PLC应用技术。
2)、西门子PLC在模拟量处理及回路调节方面更具优势。
3)、MPI使WINCC与STEP7的网络连接极为可靠。
4)、ET-200使西门子PLC的硬件组态更加灵活。
3.2 PLC系统配置
3.2.1 确定系统I/O点数
I/O类型 实际点数
模拟量输入 4-20mA
Pt100
TC(S)
模拟量输出 4-20mA
数字量输入 24V,DC
数字量输出 24V,DC
称重模块
3.2.2 系统配置
根据I/O点数并考虑到系统对模拟量的处理速度以及调节回路的响应时间等问题确定控制系统的配置：处理器为S7-300PLC系列 CPU318，1个8槽主机架，带3个8槽远程I/O机架，上位机和处理器之间的通讯采用MPI网，主机架和远程I/O机架通过ET200通信。
3.3 控制功能
3.3.1 仪控功能
主要实现数据的采集、显示，并对一些重要参数进行PID调节，调节回路有三种工作方式：自动、半自动、和手动。
自动由PLC自动调节阀门开度；半自动由操作人员直接在画面上键入阀门开度；手动操作由操作人员用手操器操作阀门开度，工艺画面上跟踪显示。
三种工作方式的优先顺序为手动最高，半自动次之，自动最低。
3.3.2 电控功能
电控功能有两种工作方式：单机和联动。
单机 单独启停个设备，各设备之间无任何联锁关系，用于单体试车或检修。
联动 根据工艺要求自动顺序起动及顺序停止各设备。本方案只有一套联锁：引风机、鼓风机、炉排、及给煤机。联锁启动中，上游的设备未起动，下游设备不能起动。停止设备时则反之。
3.3.3 调节功能
a 主汽压力调节
主汽压力的变化反映出锅炉的蒸汽产量与汽轮机组负荷要求不相适应，因此，主汽压力调节的目是地根据负荷要求及时改变燃料供给量，使蒸汽压力恢复为额定值。改变燃料供给量实际就是调节炉排转速或给煤机转速，同时以烟气中氧含量为参量及时调整鼓风量，以便充分燃烧，提高炉子热效率。
由于该炉为链条炉，当需要改变燃料供给时，从炉排将燃煤送入炉膛燃烧到主汽压力发生，其间需经过一段时间的延迟，所以，气压调节对象具有明显的延迟特性。另外，煤质的变化也是影响自动调节的重要因素，因此，基于简化模型的PID调节，很难适应实际生产的复杂要求。那么，我们必须基于专家知识或现场操作人员成熟经验，研究一套模糊控制算法满足现场需求。（待定）
b 主汽温度调节
过热器出口主汽温度是锅炉汽水通道中的最高工质温度，以接近过热器材料所允许的温度上限，过高的主汽温度容易造成过热器损坏，同时也会造成汽轮机过度热膨胀，因此在生产过程中应及时调节减温器的减温水量以保持主汽温度恒定。
该减温器是锅炉设备配套的表面式减温器，温度调节用的减温水由锅炉给水系统提供，本方案拟采用串级PID调节回路。根据主汽温度和减温器后蒸汽温度，控制减温水流量即减温水阀门开度来达到调节主汽温度的目的。入口蒸汽及减温水一侧的扰动，首先反映为减温器后的温度变化，这个回路就可以及时调整，使扰动对主汽温度的影响大大减小，提高调节品质。
SP2
SP1
PV1 PV2
主汽温度调节原理图
c 汽包水位调节
汽包水位是锅炉安全运行最重要的标志，调节的目的是维持汽包水位在允许范围内，它以汽包水位为被控量，以调节水流量作为控制手段。本方案采用单级三冲量水位调节系统。所谓三冲量，是指主蒸汽流量、汽包水位、和给水流量这三个信号。其作用是要克服“虚假水位”。由于汽包水位、蒸汽流量受温、压影响较大，测量时必须进行温压补偿。
+
SP
- -
汽包水位调节原理图
d 炉膛负压调节
炉膛负压是一个重要参数，负压过大，则漏风严重，风量增加，烟气热量损失增大，同时，引风机电耗增加，不利于经济燃烧；副压偏正，炉膛向外喷火，不利于安全生产。
本方案采用单回路闭环调节，根据炉膛负压来调节引风机转速，使负压维持在-20~-10Pa。由于炉膛负压波动剧烈，引用检测值时，需进行平滑处理。
SP
PV
炉膛负压自动调节原理图
e 烟气含氧量调节
烟气含氧量既是燃烧经济行指标，又能反映燃烧状态的变化。故控制烟气含氧量非常必要。本方案采用单回路闭环调节，根据烟气含氧量，调整鼓风机转速，改变送风量，将烟气含氧量维持在8%~10%.
SP
PV
烟气含氧量调节原理图
f 给水压力调节
一般给水泵的给水量是一定的，而进入到锅炉汽包内的水量由阀门控制，随着锅炉负荷的变化进水量是变化的。这就造成了给水阀所受的水压变化较大，这对水阀是十分有害的，同时对汽包液位的调节产生扰动，影响调节品质。解决的办法是在给水泵的出口与入口之间加一个分流管，把多余水从泵出口引至泵的输入端。本方案将采用随动单闭环调节回路，控制分流管排水阀的开度大小，以保证给水泵出口水压力跟随锅炉汽包压力，使给水压力与汽包压力维持一定值的压力差。
SP
+ PV
给水压力调节原理图
3.3.4 监控功能
在WIN2000平台上，以组态软件WINCC为工具设计制作上位及监控软件，画面上可以显示各设备的状态，采集的数据，实时曲线、历史曲线、报警摘要等。对给水、耗煤、产器等量随时累计并生成报表，供查询打印。可使操作人员根据工艺需要启停设备，开关阀门。保证在系统运行的任何时刻都可在手动和自动之间进行无扰切换，根据需要可以很容易地对设定等整定参数进行修改。
3.3.5 危限处理功能
当汽包水位、汽包压力等非常重要的参数超出正常范围时，不仅会出现声光报警，若长时间报警后未能介入人工干预，则自动切换至危限处理模式，以保证锅炉的安全。（危限处理模式，应由锅炉专业详尽给出，即发生危限情况，应该如何，禁忌如何。）
4、结束语
本文给出了列电35t/h锅炉采用西门子PLC控制的框架，从工艺角度提出了锅炉控制的基本思路，定性地分析了调节回路的基本原理。要对调节回路建立精确数学模型、实用数学解析式或模糊控制算法以及某些测量值的补偿算法，还需进一步学习和研究。
很抱歉，一些原理图没贴上，如果需要告诉我你的邮箱，我会给你发。
发表于：2004-11-04 13:43:00
113楼
CFBB（循环流化床锅炉）燃烧自动控制难点不在控制系统，可以选择好的嘛，而是在锅炉工艺设计。
君不见，全套从国外进口的410吨的机组燃烧自动投上没问题，机组联调没问题；而国内的呢，锅炉选杭州，汽机选武汉，发电机选青岛，DCS选和利时，变送器选H/W，执行器选伯纳德，温度选天长等等，招标选择没有错，但是有人将各个东西整合了吗？有，设计院，设计院能把燃烧自动，炉机联调投上去吗？不能。
而国外出售一整套电厂的设备是各方面充分考虑到了的，所以在他提出的条件范围内，就能够全自动投运，总承包商一般是CFBB厂家，因为汽机、发电机等方面相对成熟，而CFBB要达到标书要求困难些。CFBB这方面确实很复杂，如何控制，以至自动控制应该由锅炉制造厂家提出，给出控制模型，这才是真正能解决CFBB自动投运的关键。
这样也减少些所谓专家的狗屁论文，和利时，新华的工程师你们真正投上了几个CFBB燃烧自动且操作工敢放心使用的，可以说，没有一个，不是你们的系统功能不行，而是对CFBB锅炉工艺结构深入不够，或者锅炉及工艺本身就不能达成燃烧自动。但是国内这些前沿的自动控制公司有与锅炉厂家联合进入深入研究，进一步形成不同负荷的CFBB设计、制造、自动控制标准呢？
不过CFBB自动控制可喜的进步还是有的，2000年前国内制造还没有超过75吨的，燃烧自动想都不想，现在有410吨了，而且大多短时间可以投上了，虽然离真正的最佳锅炉运行控制相差很远。
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