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1、 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 題 目：基于MCGS的熱電廠鍋爐控制系統(tǒng)組態(tài) ---燃燒控制系統(tǒng) 學(xué)生姓名：繆衛(wèi)東 學(xué) 號(hào)：200440503122 專 業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器 班 級(jí)：測(cè)控04-1班 指導(dǎo)教師：左鴻飛 基于MCGS的熱電廠鍋爐控制系統(tǒng)組態(tài)——燃燒控制系統(tǒng) 摘 要 燃料燃燒技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，尤其在能源工程中起著十分重要的作用。人類社會(huì)對(duì)于能源的消耗，一直在穩(wěn)定的增長(zhǎng)，現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，更明顯的刺激了能源的消耗。在我國(guó)，能源利用很不合理，能源的利用效率低，浪費(fèi)大，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的單

2、位產(chǎn)值能耗指標(biāo)很高。造成這種情況的原因是多方面的，燃燒設(shè)備的低效率是其中一個(gè)重要的因素。因此發(fā)展新型燃燒技術(shù)，提高用能設(shè)備的運(yùn)行效率具有十分重要的意義。 循環(huán)流化床鍋爐（CFBB）是近年來發(fā)展起來的新一代高效、低污染的清潔燃煤技術(shù)。循環(huán)流化床鍋爐在汽溫控制和水位控制方面和煤粉鍋爐基本相同，而其燃燒系統(tǒng)與煤粉爐差別較大，循環(huán)流化床鍋爐在風(fēng)量控制方面既要保證燃料與控制的比例又要保證床溫在一定的范圍內(nèi)，因此床溫控制系統(tǒng)和床壓控制系統(tǒng)是循環(huán)流化床鍋爐所特有的。 本設(shè)計(jì)以循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)燃燒過程采用交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)，應(yīng)用集散控制系統(tǒng)（DCS）對(duì)燃燒控制進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，對(duì)提

3、高循環(huán)流化床鍋爐自動(dòng)化水平做了有益的嘗試。同時(shí)利用MCGS組態(tài)軟件對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。 關(guān)鍵詞：燃燒控制系統(tǒng)；循環(huán)流化床；MCGS；DCS Control in Thermoelectricity Power-plant Boiler Based on MCGS —— Combustion Control System Abstract The technique of combustion plays a great important role in the development of national economy especially in energy engine

4、ering. The consumption of the energy is instability increasing of society and with the development of modern industry, the requirement of the energy become more and more obvious. In our country, the means which the energy utilized is unreasonable to some extent together with low efficiency, high was

5、te, and the energy consume for unit production of the national economy is very high. Researches indicate that the reason results in these is various, among which low function efficiency of the burning equipment is the most important factor. Therefore it is essential to develop the new burning techni

6、que and increase function efficiency of the equipment. CFBB is a new clean coal combustion technology that is of high efficiency and low pollution in the world. Compared with the pulverized-coal boilers, they are the same in the steam temperature control and the steam drum level control. But there

7、 are obvious differences in the combustion control system, and in the air flow control of the CFBB it’s to be sure that the bed temperature is in certain bound as well as the proportion of coal to control. Therefore, the bed temperature control system and bed pressure control system are peculiar to

8、CFBB. This design takes the CFBB combustion control system as research object，uses the cross and range limiting control scheme system for the combustion process, and uses the distributed control system (DCS) for the research and design of combustion control, The work provides a good trial on enhanc

9、ing automation level of the CFBB. The following works are focused. And using MCGS software for automatic control system to monitor and control. Key words: Combustion control system; Circulating Fluidized Bed Boiler; MCGS; Distributed Control System 第一章 設(shè)計(jì)思想 本文在基于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝的認(rèn)識(shí)的前提下，提出設(shè)計(jì)設(shè)想，采用DCS（Dis

10、tributed Control System）系統(tǒng)構(gòu)建集散控制系統(tǒng)，建立鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)施全面監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)可將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存入管理數(shù)據(jù)庫(kù)，以便操作人員快速準(zhǔn)確地了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)也便于管理人員能及時(shí)分析運(yùn)行情況，做出生產(chǎn)管理決策，通過對(duì)一些主要的過程變量實(shí)施自動(dòng)控制，使整個(gè)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、有效地運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，對(duì)節(jié)能影響很大的鍋爐燃燒系統(tǒng)建立穩(wěn)態(tài)參數(shù)優(yōu)化模型，并求得鍋爐燃燒穩(wěn)態(tài)優(yōu)化模型參數(shù)。在這個(gè)優(yōu)化結(jié)果的指導(dǎo)下，進(jìn)行鍋爐燃燒優(yōu)化控制。 第二章 循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu) 循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)如圖1所示： 圖1 循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 第三章 雙交叉限幅燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)

11、 3.1單交叉燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng) 在工業(yè)上對(duì)鍋爐的燃燒系統(tǒng)曾采用簡(jiǎn)單的單交叉限幅燃燒控制方案，該方案是以汽壓調(diào)節(jié)的輸出信號(hào)A作為主信號(hào)對(duì)燃料流量和空氣流量控制系統(tǒng)的給定值進(jìn)行設(shè)定。具體控制方框如圖3.2所示。在該控制方式下，燃料流量設(shè)定信號(hào)總是選擇主信號(hào)A和現(xiàn)空氣流量信號(hào)經(jīng)換算和設(shè)定發(fā)煙區(qū)域間隔后而求得的發(fā)煙臨界值，即燃料流量容許信號(hào)B的較小值?？諝饬髁吭O(shè)定信號(hào)則是主控信號(hào)A和現(xiàn)燃料流量信號(hào)經(jīng)發(fā)煙區(qū)域間隔的設(shè)定后而求得的發(fā)煙臨界空氣流量容許信號(hào)C的較大值再乘以換算系數(shù)β和空氣過剩率之后的信號(hào)。顯然，燃料流量設(shè)定值不僅受A的影響，亦受B的影響。同理，送風(fēng)量設(shè)定值不僅受A的影響而且受C的影響。

12、 圖2單交叉燃燒控制系統(tǒng) 觀察圖2可知：在最初的正常狀態(tài)下有A＜B的關(guān)系，所以燃料設(shè)定信號(hào)選擇了A，但在負(fù)荷急增使A急劇上升后，由于空氣流量控制系統(tǒng)的滯后，使得過渡狀態(tài)下出現(xiàn)B＜A而有＝B，此后若重新進(jìn)入正常狀態(tài)，主信號(hào)A將再次出現(xiàn)小于B的狀態(tài)而使＝A。在負(fù)荷急劇減少時(shí)，A將迅速下降，此時(shí)由于空氣流量控制系統(tǒng)的滯后而使B呈現(xiàn)大于A的狀態(tài)所以此與正常狀態(tài)下一樣有＝A。 從另一方面來看，由于空氣流量控制系統(tǒng)在負(fù)荷正常和負(fù)荷急劇上升的過渡狀態(tài)下有A＞C，所以空氣流量設(shè)定信號(hào)將選擇高值信號(hào)，于是有＝A。當(dāng)負(fù)荷急劇減小時(shí)，將由于燃料控制系統(tǒng)的滯后，而在過渡過程中出現(xiàn)

13、A＜C，于是選擇高值信號(hào)而有＝C，再度進(jìn)入正常狀態(tài)時(shí)又將出現(xiàn)A＞C，而有＝A。 綜上所述可以看到，實(shí)際的空氣過剩率在正常狀態(tài)下與設(shè)定值相等，但在負(fù)荷急增的過渡狀態(tài)下，將下降到（設(shè)定時(shí)＝）而在負(fù)荷急降時(shí)，空氣過剩率的上升量?jī)H取決于燃料系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)的響應(yīng)速度之差。 系數(shù)設(shè)定一般?。剑諝膺^剩率的設(shè)定應(yīng)使與燃燒發(fā)煙限制值相吻合，具體數(shù)值可在現(xiàn)場(chǎng)整定，變換系數(shù)可根據(jù)所選的變送器量程上限求得，有 式中：為燃料流量測(cè)量范圍上限，；為空氣流量測(cè)量范圍上限，；a為燃料的單位理論空

14、氣量，。 單交叉方案投運(yùn)后，控制效果良好，爐壓穩(wěn)定，能耗下降，已基本滿足工藝要求，總結(jié)該系統(tǒng)的特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)： （1）負(fù)荷急增時(shí)會(huì)有空氣先行增加的控制，而負(fù)荷急減會(huì)有燃料先行減少的控制，從而防止了黑煙發(fā)生，節(jié)能效果好； （2）可有效的防止供氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障所造成的燃料過剩。 但該方案存在的問題是在負(fù)荷急劇下降時(shí)，空氣過剩處于一種完全不能控制的自由狀態(tài)，由此致使： （1）過渡狀態(tài)下會(huì)存在過剩空氣所造成的熱損失； （2）燃料流量調(diào)節(jié)閥關(guān)閉情況下，將出現(xiàn)瞬時(shí)空氣大量過剩而使?fàn)t溫下降。 為解決上述問題，我們又將原方案進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)施了雙交叉限幅燃燒控制方案，事實(shí)證明效果更好。 3.2

15、雙交叉限幅燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng) 雙交叉限幅燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)（如圖3所示）。雙交叉燃燒控制是以維持合適的空氣、燃燒比值為手段，達(dá)到燃燒時(shí)始終維持低過剩空氣系數(shù)，從而保證了較高的燃燒效率，同時(shí)減少了排煙對(duì)環(huán)境的污染。 雙交叉燃燒控制實(shí)際上是以爐壓調(diào)節(jié)為主回路，以燃燒流量和空氣流量調(diào)節(jié)并列為副回路的串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，加上高、低信號(hào)選擇器、高低信號(hào)限制器組成的帶有邏輯功能的比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。它的主要作用是當(dāng)熱負(fù)荷變化，導(dǎo)致爐子負(fù)荷發(fā)生變化，以維持爐壓在給定值上，而且使燃燒工況始終處于低過?？諝庀禂?shù)的經(jīng)濟(jì)合理狀況。由圖可知，由空氣流量測(cè)量值F2 和負(fù)偏置( -k2) 確定燃料流量的下限值B; 由空氣流量測(cè)量值F

16、2 和正偏置(k1) 確定燃料流量的上限值C; 由燃料流量的測(cè)量值F1 和正偏置k4 確定了空氣流量( 折合到燃料流量當(dāng)量) 的上限值B′;由燃料流量的測(cè)量值F1 和負(fù)偏置( -k3) 確定了空氣流量(折合到燃料流量當(dāng)量) 的下限值C′。下面分三種情況進(jìn)行討論： 圖3雙交叉限幅燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng) 當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)，爐壓穩(wěn)定在給定值上,爐壓調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)經(jīng)過高低限模塊HLM、LLM后，又分別通過燃料調(diào)節(jié)系統(tǒng)的高、低選模塊HSE1、LSE1和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的HSE2、LSE2，相應(yīng)地加到燃料流量調(diào)節(jié)器FC1和空氣流量調(diào)節(jié)器F

17、C2作為它們的給定值，使燃料流量和空氣流量自動(dòng)調(diào)節(jié)到正常數(shù)值上，從而保證爐壓維持在給定值上。在穩(wěn)定工況下，所有高選、低選和高限、低限模塊，對(duì)主控制信號(hào)不起限制作用。 當(dāng)爐負(fù)荷A急劇下降時(shí),A信號(hào)與B在高值選擇器HS1比較后,取大信號(hào)B, 然后B 與信號(hào)C 在低值選擇器LS1 比較選擇其中的小信號(hào)B 作為燃料流量設(shè)定值,即燃料量取下限值; 與此同時(shí),A 與信號(hào)B′在低值選擇器LS2 比較選擇其中的小信號(hào)A, 然后A 與C′在高值選擇器HS2 比較選擇其中大信號(hào)C′,作為空氣流量設(shè)定值,做到燃料量領(lǐng)先減小,空氣流量也減小而又不會(huì)冒黑煙。由于空氣流量設(shè)定值在動(dòng)態(tài)過程中按信號(hào)C′變化,但信號(hào)C′大于

18、A ,因而限制了負(fù)荷急劇下降時(shí)剩余空氣系數(shù)的上限值。 當(dāng)爐負(fù)荷急劇上升時(shí), A 信號(hào)增大, 與信號(hào)B′通過低選擇器LS2 比較選擇較小的信號(hào)B′,B′與C′在高選擇器HS2 比較后,選擇大的信號(hào)B′,即空氣流量取按燃料流量確定的上限值,使空氣流量領(lǐng)先增加,但不超過上限值;與此同時(shí), A 與信號(hào)B 在高選擇器HS1 比較,選擇較大的信號(hào)A, 然后A 與C 通過低選器LS1 比較選擇小者C( 按空氣流量確定的燃料流量的上限值) 作為燃煤流量的給定值。但注意到一般選擇k1< k4 , 防止了燃料供應(yīng)過多冒黑煙的現(xiàn)象。 實(shí)踐結(jié)果表明,k1 ～ k4 的取值與系統(tǒng)的負(fù)荷響應(yīng)性能和節(jié)能效果有關(guān)。從節(jié)能

19、的觀點(diǎn)著想,k1 和k2 的值愈小愈好,但這樣一來會(huì)惡化系統(tǒng)負(fù)荷響應(yīng)的性能。此外,由于燃料、空氣流量測(cè)量系統(tǒng)中測(cè)量值的隨機(jī)波動(dòng)是不可避免的,為了防止由此而引起的高低值選擇器不必要的頻繁切換給系統(tǒng)帶來的擾動(dòng), 因此系統(tǒng)必須設(shè)置相應(yīng)的死區(qū), 即需有相應(yīng)的k3 和k4 值。所以k1 ～ k4 的值要根據(jù)實(shí)際情況和控制要求在調(diào)試中確定。一般取k1= k3 ,k2= k4 。設(shè)爐子在額定工作狀態(tài)下, 空氣過剩系數(shù)為設(shè)定值。若＝1.05 , 取k1=0.03 ,k3=0.05 , 則1.02≤≤1.10,即在最佳燃燒區(qū),這就是說,雙交叉限幅控制能夠既在靜態(tài)又在動(dòng)態(tài)過程中始終保持空燃比在最佳范圍內(nèi),無論負(fù)荷

20、如何變化,剩余空氣系數(shù)總能控制在確定的范圍內(nèi),在最佳的低氧燃燒區(qū)。 3.3煙氣含氧量的閉環(huán)控制系統(tǒng) 在雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)中，加入了煙道氣氧含量的一個(gè)控制回路。這是一個(gè)以煙道中氧含量為控制目標(biāo)的燃燒流量與空氣流量的變比值控制系統(tǒng)，也稱煙氣氧含量的閉環(huán)控制系統(tǒng)。這一控制系統(tǒng)可以保證鍋爐最經(jīng)濟(jì)燃燒。 在整個(gè)生產(chǎn)過程中保證最經(jīng)濟(jì)的燃燒，必須使得燃料和空氣流量保證最優(yōu)比值。上述方案中保證了燃料和空氣的比值關(guān)系，但并不能保證燃料的完全燃燒控制。因?yàn)椋湟?，在不同的?fù)荷下，兩流量的最優(yōu)比值不同；其二，燃料的成分（如含水量、灰分等）有可能會(huì)變化；其三，流量測(cè)量的不準(zhǔn)確。這些因素都會(huì)不同程度地影響到燃

21、料的不完全燃燒或空氣的過量，造成鍋爐的熱效應(yīng)下降，這就是燃燒流量和空氣流量定比值的缺點(diǎn)。為了改善這一情況 ，最簡(jiǎn)單的方法是有一個(gè)指標(biāo)來閉環(huán)修整兩流量的比值。目前，最常用的是煙氣中的含氧量。 （1）鍋爐的熱效率 鍋爐的熱效率主要反映在煙氣成份和煙氣溫度這兩個(gè)方面。煙氣中各種成份，如、、和未燃燒烴的含量，基本可以反映燃料燃燒的情況。最簡(jiǎn)單的方法是用煙氣中含氧量來表示。 根據(jù)燃燒反應(yīng)方程式，可以計(jì)算出是燃料完全燃燒時(shí)所需的氧量，從而得知所需空氣量，稱為理論空氣量。而實(shí)際上完全燃燒所需要的空氣量，要超過理論計(jì)算的量，超過理論空氣量的這部分稱為過?？諝饬?。由于煙氣的熱損失占鍋爐的大部分，當(dāng)過?？諝?/p>

22、量增多時(shí)，一方面使?fàn)t膛溫度降低，另一方面使煙氣損失增加。因此，過?？諝饬繉?duì)不同的燃料都有一個(gè)最優(yōu)值，以滿足最經(jīng)濟(jì)燃燒的要求，如圖4所示。對(duì)于燃料最優(yōu)過?？諝饬考s為8％～15％。 圖4過?？諝饬颗c能量損失的關(guān)系 過剩空氣量常用過?？諝庀禂?shù)表示，定義為實(shí)際空氣量和理論空氣量之比 因此, 是衡量經(jīng)濟(jì)燃燒的一種指標(biāo)。過剩空氣系數(shù)很難直接測(cè)量，但與煙氣中氧含量有關(guān)，可近似表示為

23、 圖5顯示了過?？諝庀禂?shù)與煙氣含氧量、鍋爐效率的關(guān)系。當(dāng)在1～1.6范圍內(nèi)，與接近直線關(guān)系，這樣可根據(jù)圖3.5得到當(dāng)在1.08～1.15（最佳過剩空氣量約為8％～15％）時(shí)，煙氣含氧量的最優(yōu)值為1.6％～3％。從圖3.5也可以看到，過剩空氣量約為8％～15％時(shí)，鍋爐有最高效率。 圖5過?？諝饬颗c含氧量，CO及鍋爐效率的關(guān)系 （2）煙氣含氧量的閉環(huán)控制系統(tǒng) 圖6煙氣含氧量的閉環(huán)控制系統(tǒng) 圖6所示為鍋爐燃燒過程的煙氣含氧量的閉環(huán)控制方案

24、。在這個(gè)方案中，含氧量煙氣作為被控變量。當(dāng)煙氣中含氧量變化時(shí)，表明燃燒過程中的過剩空氣量發(fā)生變化，通過含氧量控制器來控制空氣量與燃料量的比值，力求使控制在最優(yōu)設(shè)定值，從而使對(duì)應(yīng)的過?？諝庀禂?shù)穩(wěn)定在最優(yōu)值，保證鍋爐燃燒最經(jīng)濟(jì)，熱效率最高?？梢姡瑹煔夂趿块]環(huán)控制系統(tǒng)是將原來的定比值改變?yōu)樽儽戎?，比值由含氧量控制器輸出。?shí)施時(shí)應(yīng)注意，為快速反映煙氣含氧量，對(duì)煙氣含氧量的檢測(cè)變送系統(tǒng)應(yīng)選擇正確。目前，常選用氧化鋯氧量?jī)x表檢測(cè)煙氣中的含氧量。 3.4爐膛負(fù)壓及安全控制系統(tǒng) （1）爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng) 為了防止?fàn)t膛內(nèi)火焰或煙氣外噴，爐膛中要保持一定的微負(fù)壓。爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)中被控變量是爐膛壓力（控制在

25、負(fù)壓），操縱變量是引風(fēng)量。當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化不大時(shí)，可采用單回路控制系統(tǒng)。當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化較大時(shí)，應(yīng)引入擾動(dòng)量的前饋信號(hào)，組成前饋－反饋控制系統(tǒng)。例如，當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化較大時(shí)，蒸汽壓力的變動(dòng)也較大，這時(shí)，可引入蒸汽壓力的前饋信號(hào)，組成如圖7（a）所示的前饋－反饋控制系統(tǒng)。若擾動(dòng)來自送風(fēng)機(jī)時(shí)，送風(fēng)量隨之變化，引風(fēng)量只有在爐膛負(fù)壓產(chǎn)生偏差時(shí)，才由引風(fēng)調(diào)節(jié)器去調(diào)節(jié)，這樣引風(fēng)量的變化落后于送風(fēng)量，必然造成爐膛負(fù)壓的較大波動(dòng)。為此可引入送風(fēng)量的前饋信號(hào)，構(gòu)成如圖7（b）所示的前饋－反饋控制系統(tǒng)。這樣可使引風(fēng)調(diào)節(jié)器隨送風(fēng)量協(xié)調(diào)動(dòng)作，使?fàn)t膛負(fù)壓保持恒定。 圖7爐膛負(fù)壓前

26、饋－反饋控制系統(tǒng) （2）防止回火的連鎖控制系統(tǒng) 當(dāng)燃料壓力過低，爐膛內(nèi)壓力大于燃料壓力時(shí)，會(huì)發(fā)生回火事故。為此設(shè)置如圖8所示連鎖控制系統(tǒng)。采用壓力開關(guān)PSA，當(dāng)壓力低于下限設(shè)定值時(shí)，切斷燃料控制閥的上游切斷閥，防止回火。 圖8 防止回火的連鎖控制系統(tǒng) 3）防止脫火的選擇控制系統(tǒng) 當(dāng)燃料壓力過高時(shí)，由于燃料流速過快，易發(fā)生脫火事故。為此，設(shè)置燃料壓力和蒸汽壓力的選擇性控制系統(tǒng)，如圖9所示。正常時(shí)，燃料控制閥根據(jù)蒸汽負(fù)荷的大小調(diào)節(jié)。一旦燃料壓力過高，燃料壓力控制器P1C的輸出減小，被低選器選中，由燃料壓力控制器P1C取代蒸汽壓力控制器，防止脫火事故發(fā)生。

27、 圖9防止脫火的選擇控制系統(tǒng) 圖10給出了防止回火和脫火的系統(tǒng)組合，并設(shè)置回火報(bào)警系統(tǒng)。 圖10防止回火和脫火的系統(tǒng)組合 第四章MCGS監(jiān)控系統(tǒng)圖 MCGS組態(tài)工作平臺(tái)如下（圖11）鍋爐燃燒控制系統(tǒng)圖如下（圖12，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)（圖13）： 圖11工作平臺(tái) 圖12 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)組態(tài)圖 圖13實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù) 參考文獻(xiàn) 1.張衛(wèi)慶.電廠燃燒控制系統(tǒng)若干問題的研究[D],東南大學(xué)，2006 2.還博文.鍋爐燃燒理論與應(yīng)用[M],上海交通大學(xué)出版社，1999.9，

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