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1、大连理工大学硕士学位论文燃煤蒸汽锅炉控制系统研究与设计姓名：闫锡忠申请学位级别：硕士专业：控制工程指导教师：杨建华20051217大连理工大学专业学位硕士学位论文摘要目前，我国存在很多工业和民用中小型锅炉，其中大部分自动控制水平很低，存在燃烧不彻底、排烟氧含量偏高、排烟热损失大等问题，直接造成了锅炉热效率低下和大量能量的浪费，同时也给环境带来很大的污染，所以实现锅炉的计算机控制具有重要的意义。锅炉控制系统是一个典型的多输入多输出系统，系统存在惯性滞后、非线性、时变、难以建立精确的数学模型等特点，仅仅采用传统的控制理论，如P I D 控制效果不理想。而模糊控制与传统的P I D 控制相比，具有响
2、应快，超调小，鲁棒性强，抗干扰能力强，不需要精确的数学模型等特点，因此它是解决不确定性系统控制的一种有效途径。为此，本文在深入研究模糊控制与常规P I D 控制的基础上，以中小型锅炉为工业背景，针对具体锅炉控制模型，设计了一套完善、实用的锅炉控制系统。其中：1 锅炉给水控制，采用了附加蒸汽流量负向微分信号、给水流量惯性环节的单级三冲量控制系统。2 蒸汽压力控制，采用以炉膛温度为副控参数，以蒸汽压力为主控参数的模糊P I 串级控制系统。3 烟气含氧量控制，采用了以给煤量为前馈信号，送风量为控制量的含氧量燃烧调节控制系统。4 炉膛负压控制，则采用以送风量为前馈信号，引风量为控制量的炉膛负压控制系统
3、。最后对各部分控制系统进行了仿真，仿真结果表明，控制效果良好。在实际应用中，由工业控制计算机和可编程控制器构成的控制系统对锅炉运行进行实时监控，实现了锅炉安全、稳定、高效燃烧。关键词：模糊控制；锅炉控制；燃烧系统大连理工大学专业学位硕士学位论文T h eR e s e a r c ha n dD e s i g no nC o a lF i r e dS t e a mB o i l e rC o n t r o lS y s t e mA b s t r a c tN o w，t h e r ea r eal o to fm e d i u ma n ds m a l ls i z e db
4、 o i l e r sW l f i c ha r eu s e di n d u s t r i a la n dc i v i lf i e l d D u et ot h el O We f f i c i e n c ya n dl o w l e v e la u t o m a t i o n t h i sb o i l e r sh a v em a n ys e r i o u sp r o b l e m s，s u c ha sc o a lb u r n i n gi n c o m p l e t e l y,ah i 曲e ro x y g e nc o n t
5、e n ta n dag r e a t e rh e a tl o s si ns o o t，T h e s ep r o b l e m sr e s u l ti nal o w e rh e a te f f i c i e n c yo ft h eb o i l e ra n dag r e a te n e r g yw a s t e，a n dp o l l u t et h ee n v i r o n m e n t。S oi ti sv e r yi m p o r t a n tt oc o n t r o lt h eb o i l e r si nc o m p
6、 u t e r,B e c a u s eb o i l e rc o n t r o ls y s t e mi saM I M Os y s t e m，a n di th a st h ed e l a y e d i n t e n s i v ei n e r t i a l，s e r i o u sn o n l i n e a ra n du n s t a b l ec h a r a c t e r i s t i c T h ec o n t r o lr e s u l ti sn o tv e r yg o o db yu s i n gc o n v e n t
7、i o n a lc o n t r o lm e t h o d sf o re x a m p l eP I Dc o n t r 0 1 H o w e v e r，f u z z yc o n t r o lh a sr e s p o n s eq m c H y，s m a l lo v e r s h o o t，r o b u s tc h a r a c t e r i s t i c，i ta d a p t st oc o n t r o l l i n gb o i l e rs y s t e m B ys t u d y i n gf u z z yc o n t
8、r o lt h e o r ya n dP I Dt h e o r y，a c c o r d i n gt ot h ec o n c r e t ec o n t r o lm o d e l，w ed e s i g nac o n c r e t eb o i l e ra u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mw h i c hi sc o m p o s e do ft w op a r t s，b o i l e rd r u mc o n t r o ls y s t e ma n db o i l e rb u r n i n
9、gc o n t r o ls y s t e m 1 B o i l e rd m m sp a r tu s e st h r e ee l e m e n tl e v e lc a s c a d ec o n t r o ls y s t e m 2 S t e a mp r e s s u r ep a r tU S e st h eP I f u z z yc a s c a d ec o n t r o ls y s t e m，i nw h i c hs t e a mp r e s s u r ei sp r i m a r yc o n t r o lp a r a m
10、e t e ra n dh e a r t ht e m p e r a t u r ei ss u b s i d i a r yp a r a m e t e r 3 S m o k ec o n t a i n i n go x y g e np a r tu s e saa d j u s t e do x y g e nc o n t e n tc o n t r o ls y s t e m，s e n d i n gc o a lc o n t e n ti st h ef e e d f o r w a r dc o n t r o l l e ra n ds e n d i
11、n gw i n dc o n t e n ti st h ep r i m a r yc o n t r o l l e r 4 F u r n a c en e g a t i v ep r e s s u r ep a r tU S e Ss e n d i n gw i n dc o n t e n ta c ta sf e e d f o r w a r dv a r i a b l e，a n dU S e Sd r a w i n gw i n dc o n t e n ta c ta sc o n t r o lv a r i a b l e A tl a s t，w em a
12、 k eas i m u l a t i o n，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti ti sv e r yp r a c t i c a l T h eb o i l e ra u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sc o m p o s e do fa ni n d u s t r i a lc o m p u t e ra n ds e v e r a lp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r si nt
13、h ea p p l i c a t i o ni nf a c t o r yw h i c hh a v ear e a l-t i m em o n i t o ra n dc o n t r o lf o rt h eb o i l e ra n de n a b l eb o i l e rr u ns a f e l y，s t e a d i l y，e f f i c i e n t l y K e yw o r d s：F u z z yc o n t r o l；B o i l e rc o n t r o l；b u r n i n gs y s t e m独创性说明作者
14、郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。储躲蹙堕吼垡!兰作者签名：二。：!二二一日期：!兰!兰大连理工大学专业学位硕士学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
15、本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名!蚕丝垒聊繇堑群年旦月一日大连理工大学专业学位硕士学位论文1 绪论1 1 燃煤蒸汽锅炉控制系统研究与设计意义和应用锅炉是应用广泛的工业民用设备，据统计，全国中、小型燃煤锅炉超过3 0 万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1 3，我国目前运行的多数锅炉由于控制水平不高，其效率普遍低于国家标准，大多数锅炉仍处于能耗高、环境污染严重等的生产状态，每年因为热效率低而多消耗的标准煤达到近2 0 0 0 万吨“1。因此如何提高锅炉热效率问题，一直是专家学者所关注的问题。锅炉
16、耗费大量燃煤的同时，还耗费了大量的电能，目前使用较多的中小型锅炉是通过挡风板对鼓风量和引风量进行调节，这将大量的电能耗费在挡风板上。通过小型燃煤蒸汽锅炉控制系统研究，并对其最优设计，从而使锅炉实现节能、高热效率运行。锅炉控制装置，可以保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用微机控制，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能。同时，锅炉是一个典型的非线性、时变、多变量耦合系统，用常规的控制手段，很难得到理想控制效果，对其控制算法进行研究，具有比较重要的现实意义。本课题是属于燃煤蒸汽锅炉在生产过程中的控制方法研究，并进行小型燃煤蒸汽锅炉控制系统最优设计。1 2 燃煤蒸汽锅
17、炉控制研究内容和方法锅炉是国民经济中重要的动力设备。几十年来，我国的锅炉设计、制造能力已有了很大的提高，由解放前只能设计、制造结构简单的小型工业锅炉，到目前可以设计、制造大型电站锅炉。与此相适应，我国锅炉的运行技术，尤其是大容量电站锅炉的运行技术已达到了很高的水平。进入新时期，我国的锅炉等动力设备的控制水平正在进一步提高。一大批新的控制思想、控制技术、控制设备进入锅炉控制系统。锅炉控制正在向信息网络化、集成化的方向发展。与此同时，作为本文主要研究对象的工业蒸汽锅炉多是层燃炉，每年消耗的一次能源十分巨大，而且运行水平不高。改进其控制系统，提高锅炉的热效率具有十分重大的意义。层燃炉中两项最大的热损
18、失是固体不完全燃烧热损失和排烟热损失。目前，许多单位为达到节能目的，对固体不完全燃烧热损失采取了相应的控制措施。即在锅炉运行当中，对灰渣的含碳量提出了具体要求，例如灰渣含碳量必须小于1 5，如果超过此值则视为能源浪费。在锅炉运行中，运行人员为达到合格的灰渣含碳量，而增加煤在炉内的闰锡忠：燃煤蒸汽锅炉控制系统研究与设计停留时间，但同时又不能合理的调整炉排速度与配风，结果使炉膛内的空气过量系数增加，直接造成排烟损失的增加，锅炉热效率的降低。燃烧系统控制一直是锅炉控制系统中的难点。采用传统的单回路P I D 控制，由于未考虑各回路之间的耦合作用，而且锅炉燃烧系统存在滞后、非线性、时变等情况，控制效果
19、不理想是可想而知的，其必将被先进的控制算法所取代。课题研究的技术路线：阅读大量的相关文献，了解目前工业燃煤锅炉生产过程的各种控制系统和方法。学习各种智能控制的方法，掌握各种方法的原理、步骤、优缺点。通过计算机进行对汽包液位的控制；过热蒸汽的控制；锅炉燃烧系统的控制等热工过程进行建模和仿真。使用模糊控制、自适应控制等方法对该过程进行控制。在此基础上，使用从现场采集到的数据作为模型的输入数据量，用计算机仿真出被控量的整个变化过程。对仿真结果进行分析，找出适合于锅炉系统的较为理想的控制方法。1 3 文献综述随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的锅炉也向着大容量、多参数、高效率的方向发展。目前在
20、我国使用的锅炉设备数目极大，而且有继续增加的趋势，在世界面临能源紧缺的今天，实现对锅炉的更为合理、有效的操作，具有非常重要和现实的意义。1 3 1 锅炉设备概述锅炉是工业生产的重要设备，同时又是耗能极大的设备，作为一次能源(煤炭、石油、天然气等)转换为二次能源(蒸汽)的重要动力设备，锅炉在石油、化工、发电等工业生产过程中是必不可少的，它所产生的高压蒸汽可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。锅炉控制的任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。锅炉控制中涉及到的变量主要是压力、温度、流量等一些过程参量，通过对这些参量的控制，达到供应符合要求的蒸汽
21、的目的。1 3 2 燃煤蒸汽锅炉的控制概述蒸汽锅炉的控制大致上可以分为以下三个部分的控制：(1)汽包液位的控制被控变量是汽包液位，操纵变量是给水流量。它主要是保持汽包内部的物料平衡，使给水流量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中液位在工艺允许的范围内。这是保证锅炉及用汽设备安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的重要指标。大连理工大学专业学位硕士学位论文目前应用较成熟的方案是：以蒸汽流量、给水流量为前馈信号，以被控量汽包液位进行反馈控制的前馈一反馈复合控制系统，即通常所说的单级三冲量给水控制系统。(2)过热蒸汽的控制被控变量为过热蒸汽温度，操纵变量为减温器的喷水量。使过热器出口温度保持在允许范围内。目前使
22、用较多的方案是用喷水(混合式)减温的方法控制汽温，即直接把减温水喷入过热的蒸汽中，以达到调节汽温的目的。蒸汽温度的控制可看做是锅炉控制中的一个单变量系统。目前使用较成熟的方案是用导前汽温信号的串级汽温控制系统。(3)锅炉燃烧系统的控制有三个被控变量：蒸汽压力(或负荷)、烟气成分(经济燃烧指标 和炉膛负压。可选用的操纵变量也有三个：燃料量、送风量和引风量。组成的燃烧系统的控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要。使燃料与空气量之间保持一定的比例，即最优风煤比控制，在保证锅炉汽压稳定的前提下，调节炉排转速和鼓风量的配比，以使锅炉燃煤得以充分燃烧，达到最优燃烧。炉膛负压控制要使引风量与送风
23、量相适应，保持炉膛负压在一定范围内，避免锅炉炉膛向外喷火，同时也避免锅炉热量因为炉膛正压而被过多地随烟气排放，保持锅炉燃烧的经济性。锅炉的燃烧控制系统是一个3 3 的耦合对象。经解耦后，锅炉燃烧系统可看作三个相对独立的子系统：燃料控制系统、送风控制系统和引风控制系统。1 3 3 蒸汽锅炉控制策略应用概述(1)补偿控制蒸汽温度过程是典型的多容、大迟延控制对象，为此在其控制中引入S m i t h 预估补偿，构成串级控制系统，以克服其迟延特性。电厂实际应用的结果表明，此系统具有良好的抗干扰能力和适应对象时变的能力。1。然而S m i t h 预估器难以处理系统的负荷扰动，文献 3 3 的研究引入负
24、荷的前馈信号以补偿非线性汽温对象的负荷变化。前馈一反馈控制可以实现控制过程的大范围运行，其主要思想是用开环前馈控制获得大范围可控性，用闭环反馈控制克服围绕期望轨迹的不确定性和偏差。2 0 0 0 年，美国宾夕法尼亚 I 立大学R G a r d u n o R a m i r e z 等人提出两级分层控制方案：上层的模糊推理系统为下层控制回路提供参考值，下层通过前馈控制信号和反馈控制信号，实现负荷大范围变动时，蒸汽锅炉的稳定运行“1。文献 5 提出控制通道采用状态反馈，扰动通道采用状态前馈的所谓状态前馈一反馈控制方案，用于锅炉给水控制的仿真结果表明，其控制品质优于串级三冲量控制方案。(2)模糊
25、控制闰锡忠：燃煤蒸汽锅炉控制系统研究与设计模糊控制应用语言变量，把人们的操作经验总结为若干条件语句，建立模糊关系，进行模糊逻辑推理，从而实现对复杂对象的控制。2 0 世纪9 0 年代以来，把模糊控制用于电站锅炉，无论是仿真研究还是工程实践都取得了长足的进展。其中仿真研究有：美国俄亥俄大学G V S R a j u 等人应用递阶结构设计模糊逻辑控制器，用于给水流量的控制。1。文献 7 将模糊推理应用于常规P I D 控制器的参数校正，从而获得基于模糊规则的P I D 控制器，用于火电厂过热汽温控制。澳大利亚新南威尔士大学c M C h e n g 等人基于T a k a g i S u g e
26、n o 模糊动态模型设计多层递阶控制器，通过对不同负荷运行条件下设计的局部线性控制规律进行平滑组合，来构造非线性控制系统实现全局控制，实现对蒸汽压力和汽包水位进行调节。1。模糊控制用于电站锅炉的工程实践有：内蒙古通辽电厂在2 0 0M W 机组直吹式锅炉主蒸汽压力控制中采用模糊控制，较好的解决了主蒸汽压力的纯迟延和大惯性等难题0 1。湖南耒阳电厂2 0 0M W 机组的燃烧控制采用模糊控制，解决了强化调节作用与暂态稳定性之间的矛盾“。山西神头一电厂4 号机组6 7 0t h 锅炉，采用控制规则带调整因子的智能模糊控制器，调节再热汽温。内蒙古元宝山电厂采用把低层控制和高层监督结合起来的所谓经典一
27、模糊混合控制方法，调节蒸汽温度和汽包水位，此方案已经成功运行多年“。(3)自适应控制自适应控制能跟踪系统的运行状态并更新控制器参数，可以处理动态特性变化的过程控制问题。对于机组运行在电网负荷大范围变动的情况下，自适应控制就为多输入多输出的非线性发电机组系统提供了有效的控制策略。1 9 9 2 9 9 3 年日本两座3 7 5 M w 汽包锅炉采用自适应控制来解决煤的性质、炉膛污染状况、管束老化等因素对锅炉蒸汽温度动态特性的影响问题。运行数据显示，自适应控制的性能比常规P I D 控制有明显改善“。1 9 9 6 年，美国弗吉尼亚工学院H F V a n L a n d i n g h a m
28、等人设计了自适应模糊控制器，控制锅炉汽包水位的仿真显示，性能优于P I D 控制“”。文献 1 5 在燃烧控制中，通过在线不断的自学习，进而实现在线自寻优风煤比的目的。文献 1 6 直接将反映模型特性的工况参数与控制系统的控制器参数联系起来，建立模糊粗调机制，并根据实际系统输出偏差及其变化进一步微调控制参数，实现对过热汽温的控制。此方案不需要在线辨识对象的模型，大大减少了计算量，易于满足实时性要求。文献 1 7 根据目标参数和操作参数的变化，基于操作人员对实际过程的分析，建立P I D 控制参数模糊调整策略，从而获得自适应递阶模糊P I D 控制。仿真结果表明此方案对过热汽温控制十分有效，较好
29、的克服了对象特性变化的影响，控制系统响应速度快，超调小，鲁棒性强。大连理工大学专业学位硕士学位论文(4)神经网络控制神经网络具有很强的非线性函数逼近和非线性映射能力，以及对信息处理具有自组织、自学习等特点。所以它为处理锅炉控制中的非线性建模和非线性控制提供了强有力的工具。希腊国立工业大学A K F a m e l i a r i s 等人提出一种基于人工神经网络的汽包锅炉控制方案，通过误差反向传播算法离线训练神经网络，对锅炉动态特性求逆，建立神经逆动态控制器，对汽包锅炉蒸汽压力控制的仿真表明，此控制器的响应快于经典的P I控制“。文献 1 9 将神经元的学习特性与串级控制相结合，构成对过热汽温
30、的智能控制结构，实现参数的自整定。2 0 0 0 年，德国I l m e n a u 工业大学的V S t e p h a n 等人通过把复杂系统分解为几个智能体，采用再励学习的多智能体系统来控制锅炉燃烧过程。在德国汉堡某电厂试验显示，此系统能明显减少燃烧过程中总的空气消耗量，降低N O x 排放。“。2 0 0 1 年，文献 2 1 设计单神经元自适应P S D 控制器，用于再热蒸汽温度控制。现场运行表明，调峰机组在大范围变负荷的工况下保持了良好的控制性能和运行效果。2 0 0 2 年，文献 2 2 基于神经网络a 阶逆系统方法，提出一种锅炉主汽压非线性控制系统的设计方法。利用神经网络强大的
31、自组织和自学习能力，发掘机组运行数据中所包含的对象动态特性信息，抵消和补偿对象的非线性，克服对象不确定性的影响，实现了系统大范围解耦线性化。(5)预测控制热工过程往往具有较大的惯性、滞后，以及非线性和时变性，难以建立精确的数学模型。而预测控制对模型精度要求较低，鲁棒性较好。因此，预测控制在热工控制中有广阔的应用前景。1 9 9 0 年，英国贝尔法斯特女王大学B H H o g g 等人应用广义预测理论实现了2 0 0M w 汽包锅炉过热蒸汽压力的自调整控制。”；次年，他们应用自调整多回路广义预测控制方案调节2 0 0 M w 汽包锅炉的过热蒸汽压力和温度、再热蒸汽温度o“。以上研究的仿真结果显
32、示，在大范围运行条件下明显提高了控制性能。1 9 9 1 年，美国斯通一韦伯斯特工程公司J A R o v n a k 等人应用动态矩阵控制器对超临界锅炉进行多变量控制的仿真表明，在明显的负荷变化下，实现了对蒸汽压力和温度的控制。”。1 9 9 8 年，英国贝尔法斯特女王大学G P r a s a d 等人通过神经网络离线辨识对象的全局动态模型，并基于此模型设计大范围非线性多变量预测控制器，用于控制负荷周期变化和其它恶劣运行条件下的主蒸汽温度和压力、再热蒸汽温度乜6 1。同年，他们把整个运行区域分成一定数目的分区后，辨识得到动态局部线性模型，由这些模型构成局部模型网络，再用高斯分布的插值参数进
33、行插值，来表征全局的系统非线性，并基于广义预测控制算法设计受约束多变量大范围预测控制器。对在整个运行范围内负荷大速率变动时主蒸汽温度和压力、再热蒸闰锡忠：燃煤蒸汽锅炉控制系统研究与设计汽温度控制的仿真结果表明，该预测控制器的性能优于基于近似单一全局线性模型的大范围预测控制器。”。1 9 9 9 年文献 2 8 提出仿人智能的预测控制，通过模仿人的控制思维方式来选择相应控制强度。对过热汽温控制系统的仿真结果表明，其控制品质优于常规控制。2 0 0 0 年，文献 2 9 将递阶广义预测控制用于调节主蒸汽压力，在河南某电厂的实际应用收到了主蒸汽压力稳定、控制量变化柔和的效果。2 0 0 2 年，文献
34、 3 0 针对由负荷周期运行导致的非线性特征，提出多变量非线性E X P-A R X 模型，来描述火力发电机组在整个运行范围内的非线性特性。把基于此模型的受约束多变量广义预测控制策略，用于控制锅炉的过热蒸汽压力和温度、再热蒸汽温度。仿真结果表明，其性能优于常规增益调节P I D 控制和通常的基于全局线性A R X 模型的广义预测控制。1 3，4 锅炉控制系统控制器硬件的概述锅炉计算机自动控制系统就是利用现代电子计算机技术，采用基于微处理器的微机设备取代人工控制，对锅炉的运行进行监视和控制。计算机控制系统对传统控制方式不是进行简单的替代，而是在替代的基础上充分发挥计算机的自身优势，充分利用计算机
35、的强大运算能力，对锅炉的控制实施先进算法，这是传统控制手段无法达到的。计算机控制技术发展迅速，总的来说，目前锅炉计算机自动控制系统的硬件配置可以分为以下几种类型：(1)智能仪表控制系统这是最旱出现的一种锅炉自动控制系统，由于其出现时间早、价格便宜、编程简单、容易掌握等优点而应用较广。但是智能仪表有着输入、输出通道数较少，可靠性差，控制系统功能单调等缺点。目前，正逐渐为其它更先进的控制设备所代替。(2)工控机控制系统以采用P C 总线结构、S T D 总线结构或其它总线结构的工业控制计算机为控制单元。其中以1 6 位S T D 总线工业控制机为主机构成的系统由于性能价格比较好，目前在我国的运用比
36、较普及。S T D 总线工控机内部一般采用总线式模块结构，组态灵活，维修方便。工控机控制方式如图1 1 所示f 3 l】。这种以工控机为基础的锅炉控制系统可以充分利用计算机强大的计算功能和图形功能，在灵活地实现各种控制算法的同时，生成友好的用户交互界面，例如，对一些重要的运行检测参数如压力、温度等可以在计算机屏幕上生成流程动态模拟图、光柱模拟图等，并可对汽包水位、压力、炉温等进行越限报警，还可定时或按照需要打印出十几种运行参数的数据，以生成生产日志或班、日产耗统计报表并可进行打印输出。但是，这种控制系统也有其缺点，其中最为严重的缺点是在运行条件恶劣的锅炉运行现场，工大连理工大学专业学位硕士学位
37、论文控机的信号采集抗干扰能力还是比较差的，并且工控机自身一旦发生故障将直接影响系统的正常运行。炉膛温度烟气温度蒸汽温度热风温度蒸汽流量给水流量汽包液位炉膛负压蒸汽压力给水压力l需吧!内I一开关+量J铂电阻o板t差压变送器b-数据工叫。协咂采_ _ 控f流量变送器卜集机誊板I差压变送器卜转+换显示器器-压力变送器卜叫打印机I图1 _ l 锅炉工控机控制系统结构图F i g 1 1S t r u c t u r eo fb o i l e rc o n t r o ls y s t e mw i t hI P C(3)锅炉D C S 系统(集散控制系统)D C S 控制系统自8 0 年代以来在工业
38、控制场合得到了广泛的运用。D C S 具有可靠性高、硬件模块和系统提供的功能模块丰富、系统组态方便等优点，特别适合于石化、燃烧、发酵等过程控制场合。锅炉控制系统就是一个典型的过程控制系统，但是，虽然D C S 对过程控制具有高性能，但是D C S 系统造价高，很显然，这种高造价的D C S 控制系统，不适合于用于占我国锅炉控制系统自动化改造任务大多数的小型锅炉计算机自动化控制改造。(4)锅炉P L c 上位机控制系统P L C 控制系统在近年来的锅炉控制系统中取得了长足的发展，P L C 是基于微处理器的一种工业控制设备，它融计算机技术、控制技术和通信技术于一体，集顺序控制、过程控制和数据处理
39、于一身，可靠性高、功能强大、控制灵活、操作维护简单。锅炉P L C 上位机控制方式如图2 2 所示。随着P L C 技术的日趋成熟，P L C 的可靠性进一步提高，从而可以保证控制系统的稳定性，这极大地降低了控制系统的后期维护成本。因此，P L C 在安全性能要求较高的工业现场得到极其广泛的应用。P L C 原来比较多地用于顺序控制，而现在P L C 则是越来闰锡忠：燃煤蒸汽锅炉控制系统研究与设计越多地集成如P I D 功能块等一些过程控制功能。因此，将P L C 技术运用于锅炉控制的条件已经成熟，P L C 用于锅炉控制控制系统将极大地提高锅炉系统的安全可靠性，将为用户取得可观的经济效益。对
40、锅炉系统采用P L C 控制方式时，我们一般采用P L c 上位机方式，即可靠性要求高的实时控制程序在P L C 上运行，而对图形功能要求高的人机交互功能在上位计算机上运行。P L c 上位机控制方式既具备了传统计算机控制系统的低成本和易操作性，又具有D C S 系统的高度可靠性。因此在锅炉P L C 上位机控制系统在锅炉控制中拥有广阔的应用前景。炉膛温度烟气温度蒸汽温度热风温度蒸汽流量给水流量汽包液位炉膛负压蒸汽压力给水压力上位机卜_ 叫打印机j L 热电偶变送器 _j|_口j编变程频差压变送器 _苦序苦器输控输等辅-机入-告0块备流量变送器卜_模器l 块处理器差压变送器 _苴兀j压力变送器
41、卜_可编程控制器图1 2 锅炉P L C 控制系统结构图F i g 1 2S t r u c t u r eo fb o i l e rc o n t r o ls y s t e mw i t hP L C1 3 5 锅炉辅机的节能化运行燃煤锅炉运行时其辅机(给水泵、鼓风机和引风机等)耗费着大量的电能，而耗费的电能的绝大部分是被鼓风机，引风机和水泵消耗的。传统的锅炉控制方式中，锅炉的燃烧控制系统是通过挡风板对鼓风量和引风量进行控制，这种控制方法中，鼓风机和引风大连理工大学专业学位硕士学位论文机一直处于恒定最大转速运行，通过调整引风挡风板和鼓风挡风板开度来调整鼓风量和引风量，从而实现对锅炉的燃
42、烧控制，显而易见，这种控制方式将大量的能源浪费在挡风板上，造成能源的极大浪费，并且，长期额定工作对电机的损耗较大。随着变频控制技术的发展，越来越多的变频器运用在水泵和风机的调速控制场合。在锅炉控制系统中，我们可以利用变频器对水泵进行调速，从而对水流量进行调节，同时还可节约电能。而通过变频器调节鼓风机和引风机转速，同样可以实现风量的调节，与挡风板控制方式相比较，这种控制方式可以显著地节约电能。实践证明，驱动风机、泵等的大中型笼式感应电机，如采用变频调速技术，平均可节能4 0 左右。“。变频器对电机进行节能调速的同时还具备电机保护功能，可以针对电机过流、缺相、过热等故障进行报警和保护，这就大大延长
43、了电机的使用寿命，减少了电机的维护费用。变频器还具备软启动功能，这将减少电机启动时对电网的冲击，提高了企业的用电质量。可以预见，随着变频调速技术的进一步发展，变频器调速技术系统将越来越多地被运用于锅炉控制系统给水水泵电机、炉排电机、鼓风电机、引风电机的节能控制，从而为国家和用户取得可观的经济效益和社会效益。1 4 小结本章介绍了燃煤蒸汽锅炉控制系统研究与设计意义即国内外概况，包括控制方法和控制策略及软硬件使用情况。闰锡忠：燃煤蒸汽锅炉控制系统研究与设计2 工业燃煤锅炉简介及模糊控制方案研究工业锅炉是工业生产的重要设备。它们往往直接影响生产的正常进行和产品的产量、质量和成本。工业锅炉又是耗能极大
44、的设备，在整个工业生产的能源消耗中占相当比重，其中燃煤锅炉是一种广泛使用锅炉，大量地应用于国民经济各个领域。由于技术落后、设备陈旧、操作水平低，目前我国工业燃煤锅炉普遍存在着热效率低、能耗高的问题，工业燃煤锅炉采用计算机控制是一项重要的节能措施，实践证明，燃煤锅炉采用计算机控制可以节能5 i 0，还具有减少环境污染，提高产品质量，提高自动化水平及改善劳动条件，提高安全性能等优点。因此，全面了解燃煤锅炉生产的工艺流程，对锅炉设备作比较深入的分析，对炉膛负压、烟气成分、给水流量、汽包水位、蒸汽温度等热工参数进行自动监测显示，然后找到切实可行的燃煤锅炉自动控制方案，达到提高蒸汽品质和节能降耗的目的是
45、燃煤锅炉生产控制的必然发展方向。2 1 锅炉的构造锅炉可分为蒸汽锅炉与热水锅炉两种。蒸汽锅炉依其蒸发量的大小又分为三类：蒸发量在1 0 t h 以下的锅炉称为小型蒸汽锅炉；蒸发量大于1 0 油、小于7 5 讹的锅炉属于中型蒸汽锅炉：蒸发量大于7 5 仙的锅炉属于大型蒸汽锅炉。根据使用燃料不同，锅炉又可分为燃油锅炉、燃煤锅炉和燃气锅炉等。它们的区别只是燃烧装置和燃料供给的方式不同，其它结构都大致相同。本论文研究的是中、小型燃煤蒸汽锅炉。2 1 1 锅炉主机主要组成(1)汽锅：由上下锅筒和三簇沸水管组成。水在管内受外高温烟气加热，因而管簇内长生自然的循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽集聚在锅筒里
46、面。为了得到干度比较大的饱和蒸汽，在上锅筒中还应装设汽水分离设备，下锅筒系作为连接沸水管之用，同时储存水和水垢。(2)炉膛：是使燃料充分燃烧并放出热能的设备。燃煤由煤斗落在转动的链条炉排上，进入炉内燃烧。所需的空气出炉膛下面的风箱送入，燃尽的灰渣被炉排带到除灰口。落入灰斗中，得到的高温烟气依次经过各个受热面，将热量传递给水以后，出烟囱排至大气。(3)过热器：是将锅炉所产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。大连理工大学专业学位硕士学位论文(4)省煤器：是利用烟气余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度和提高锅炉给水温度的换热器。省煤器由蛇形管组成，在小型锅炉中，常采用有肋片的铸铁管式省煤器或不装
47、省煤器。(5)空气预热器：是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空气的换热器。通常大、中型锅炉均设有空气预热器，小型锅炉一般不采用空气预热器。2 1 2 锅炉辅机主要组成为保证正常工作，锅炉还必须安装一些辅助设备。(1)引风设备：包括引风机、烟囱、烟道等部分，利用它将锅炉中的烟气连续排出。有些小型锅炉不采用引风机，而只利用烟囱的自然抽力来排除烟气。(2)送风设备：由送风机和风道所组成，用它来供应燃料燃烧所需的空气。(3)给水设备：由给水泵和给水管路所组成。给水泵用来克服管路与省煤器的阻力和锅筒的压力，把水送入锅筒。(4)水处理设备：其作用为清除水中杂质和降低给水硬度，以防止在锅
48、炉受热面上结水垢或腐蚀，从而提高锅炉的经济性和安全性。(5)燃料供给设备：由运煤设备、煤仓和煤斗等组成，保证锅炉所需燃料的供应。(6)除灰、除尘设备：除灰设备是收集锅炉灰渣，并运往贮灰场地的设备。除尘设备是除去烟气中的灰尘，以减少对周围环境污染的设备。2 2 锅炉的工作过程锅炉最基本的构成是汽包和炉膛两大部分。燃料在炉膛里进行燃烧，将其化学能转化为热能。燃烧产物一高温烟气，通过汽锅受热面，将热量传递给汽锅内温度较低的水，水被加热进而沸腾汽化，产生蒸汽。所以，锅炉的工作过程概括起来应包括三个同时进行着的过程：燃料的燃烧过程、烟气向水的传热过程和水的汽化过程。2 2 1 燃料的燃烧过程燃料煤加到煤
49、斗中并落在炉排上，变频器控制电机，电机通过减速机、链条带动炉排转动，将煤输入炉内。燃料一边燃烧一边向后移动，燃烧所需要的空气由引风机送入炉排中间风箱后，通过炉排到达燃料燃烧层。使风量和燃料量成比例，以便进行充分燃烧，形成高温烟气。燃料燃烧剩下的灰渣，在炉排末端翻过降渣板后排入灰斗。这一整个过程称为燃烧过程。燃烧过程进行得完善与否，是锅炉正常工作的根本条件。要使燃料量、空气量和负荷蒸汽量有一一对应的关系，这就要根据所需要的负荷蒸汽量来控制燃料量和送风量，同时还要通过引风设备控制炉膛负压。闰锡忠：燃煤蒸汽锅炉控制系统研究与设计2 2 2 烟气的传热过程由于燃料的燃烧放热，炉膛内温度很高。在炉膛四周
50、墙面上都布置水冷壁管。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热和对流换热，将热量传递给管内工质一水。进而烟气受引风机、烟囱的引力而向炉膛上方流动。烟气出烟窗(炉膛出口)并掠过防渣管后，冲刷蒸汽过热器一一组垂直放置的蛇形管受热面，使汽锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加热而过热。烟气流经过热器后，又经过接在上、下锅筒间的对流管束。在管束间设置了折烟墙，使烟气呈“S”形曲折地横向冲刷管束，再次以对流换热方式将热量传递给管束内的工质。沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道，与省煤器和空气预热器内的工质进行热交换后，以较低的烟温排出锅炉。省煤器实际上就是给水预热器，和空气预热器一样，都设置在锅炉尾部烟道中，以降低排