燃煤鍋爐燃燒控制系統(tǒng)研究與工程化應(yīng)用

1、燃煤鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的研究與工程化應(yīng)用指導(dǎo)教師： 馮江濤學(xué)生姓名： 馮鑫澤、李 帥、康永財(cái)、毛曙兵摘要：本文以實(shí)驗(yàn)室SMPT-1000為研究對(duì)象，在了解其工藝流程和控制需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行了燃燒系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析，建立了數(shù)學(xué)模型，確定了控制方案，并以實(shí)驗(yàn)室西門子過(guò)程控制系統(tǒng)PCS7為控制裝置，進(jìn)行了工程實(shí)施。運(yùn)行結(jié)果表明，該方案不僅能滿足負(fù)荷需要，而且保證了鍋爐的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。關(guān)鍵詞：SMPT1000；燃燒控制； PCS7；工程化應(yīng)用Research and engineering application of combustion control system for coal fired b

2、oilerSummary:In this paper, we made SMPT-1000 in the the laboratory as the research object.After understanding its process flow and control requirement,we did some research on dynamic characteristics of combustion system, set up mathematical model and settled control scheme.Besides,we put it into ef

3、fect on the base of taking Siemens PCS7 process control system for control device. The running results showed that not only the scheme can meet the needs of load,but also it can ensure the safety and economy of boiler operation.Key words:SMPT - 1000; combustion control; PCS7;engirneeing application1

4、、燃煤鍋爐的半實(shí)物仿真對(duì)象SMPT-1000系統(tǒng)分析1.1 工藝流程分析所選被控對(duì)象是流程工業(yè)領(lǐng)域常見(jiàn)的強(qiáng)制通風(fēng)式鍋爐，通過(guò)鍋爐輻射與對(duì)流傳熱，將一定流量的物料A加熱到工藝要求的溫度。圖1-1 鍋爐工藝流程圖如圖1-1所示，待加熱物料 A 經(jīng)由上料泵P1101 泵出，流量為FI1101,流量管線設(shè)有調(diào)節(jié)閥 FV1101和旁路閥HV1101。待加熱物料進(jìn)入換熱器E1101 與熱物料換熱后，進(jìn)入加熱爐F1101 的對(duì)流段。進(jìn)入換熱器E1101 的待加熱物料A 走管程，一方面對(duì)熱物料A的溫度起到減溫的作用，另一方面也能對(duì)待加熱物料A 起到一定的預(yù)熱作用。加熱爐對(duì)流段由多段盤管組成，爐膛產(chǎn)生的高溫?zé)煔?/p>

5、自上而下通過(guò)管間，與管內(nèi)的物料A 換熱，回收煙氣中的余熱并使物料A 進(jìn)一步預(yù)熱。對(duì)流段流出的物料A 全部進(jìn)入F1101 輻射段爐管，接受燃燒器火焰的輻射熱量，達(dá)到所要求的高溫后出加熱爐，進(jìn)入換熱器E1101，進(jìn)行溫度的微調(diào)并為冷物料預(yù)熱，最后以工藝所要求的物料溫度輸送給下一生產(chǎn)單元。燃料經(jīng)由燃料泵 P1102 泵入加熱爐的燃燒器，流量為 FI1103，壓力為 PI1101,燃料流量管線設(shè)調(diào)節(jié)閥 FV1104，空氣由變頻鼓風(fēng)機(jī) K1101 送入燃燒器，流量為 FI1104。為適應(yīng)生產(chǎn)負(fù)荷的變化，燃燒過(guò)程中有最佳比例 K，比例 K 是隨不同負(fù)荷和燃料的變化而變化。衡量燃燒效率的高低可用煙氣中的含氧

6、量 AI1101 來(lái)評(píng)價(jià)。爐膛壓力為 PI1102，對(duì)流段的出口煙氣溫度為 TI1105，在煙道內(nèi)設(shè)有擋板 DO1101。為了使?fàn)t膛內(nèi)保證一定的負(fù)壓，并且有效利用煙氣的溫度，必須控制擋板在一個(gè)合適的開(kāi)度，并且適應(yīng)生產(chǎn)的變化。物料 A 出料口流量為 FI1105，溫度為 TI1104，并且管道上設(shè)有閥FV1105，維持流量穩(wěn)定和溫度穩(wěn)定是整個(gè)控制系統(tǒng)的最終目的。協(xié)同整個(gè)管道上調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度的變換，可使流量穩(wěn)定，通過(guò) TI1104 可作為反饋控制換熱器的效果。1.2 控制需求分析1.2.1 滿足生產(chǎn)指標(biāo)的考慮在熱物料A流量穩(wěn)定的前提下，保證熱物料A的出口溫度維持在工藝要求范圍之內(nèi)。通過(guò)控制燃料和空氣

7、的比值，來(lái)控制鍋爐的溫度，結(jié)合換熱器的出口溫度控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物料A加熱到所要求的溫度，從而達(dá)到控制要求。所有操作要保證有序進(jìn)行，工況要保持全程穩(wěn)定，并要充分考慮生產(chǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的異常工況。 1.2.2 滿足節(jié)能指標(biāo)的考慮出于對(duì)效能、環(huán)境等因素的考慮，要求在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施中對(duì)燃料用量等能耗等指標(biāo)予以充分考慮，通過(guò)實(shí)時(shí)的對(duì)加熱爐加熱物料流程的控制，可以有效的減少燃料浪費(fèi)。1.2.3 滿足全自動(dòng)控制的要求從生產(chǎn)單元冷態(tài)起，按照開(kāi)車步驟實(shí)施全自動(dòng)順序控制，保證開(kāi)車穩(wěn)步進(jìn)行，保證系統(tǒng)無(wú)擾投運(yùn)。1.2.4 滿足系統(tǒng)安全控制的要求強(qiáng)制通風(fēng)式鍋爐在一般不加以安全聯(lián)鎖控制的情況下，可能會(huì)發(fā)生一些意向不

8、到的事故，例如，物料上料不及時(shí)，導(dǎo)致鍋爐干燒，從而可能導(dǎo)致爆爐；在開(kāi)車前不及時(shí)檢測(cè)爐膛內(nèi)是否有燃料或者是爐膛氣體是否在爆炸限一下，也可能發(fā)生事故等，所以通過(guò)一系列包括聲光報(bào)警、安全聯(lián)鎖、緊急停車、安全儀表等功能設(shè)計(jì)及控制，從而較小事故的發(fā)生率，保障工況正常平穩(wěn)運(yùn)行，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。1.3對(duì)象特性分析為了進(jìn)行SMPT1000鍋爐動(dòng)態(tài)特性的研究，事先將鍋爐調(diào)控在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，見(jiàn)圖1-1所示。其中，物料A 進(jìn)口流量控制閥FV1101開(kāi)度 20%、熱物料出口流量控制閥FV1105開(kāi)度 100%、燃料流量控制閥FV1104開(kāi)度 25%、鼓風(fēng)機(jī)（空氣流量）S1101開(kāi)度 20% 、煙氣擋板DO1101開(kāi)

9、度 100%。圖1-1 對(duì)象的初始穩(wěn)定狀態(tài)1.3.1 物料流量的動(dòng)態(tài)特性分析影響物料流量變化的因素：物料進(jìn)口調(diào)門開(kāi)度、物料出口調(diào)門開(kāi)度、物料供料壓力以及旁路調(diào)門開(kāi)度的大小等。在旁路調(diào)門全關(guān)、物料調(diào)門全開(kāi)、對(duì)物料進(jìn)口調(diào)門開(kāi)度施加幅值為10%階躍信號(hào)時(shí)，物料流量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖1-2所示。圖1-2 物料流量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線由圖1-2可知，物料流量動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程是無(wú)延遲、有慣性的。當(dāng)物料流量的閥門開(kāi)度從20%開(kāi)度到30%開(kāi)度變化時(shí)，根據(jù)切線法可以得出，物料A的閥門開(kāi)度變化時(shí)流量的動(dòng)態(tài)特性傳遞函數(shù)可以近似表示為： 根據(jù)上述結(jié)論，當(dāng)物料A 進(jìn)口流量控制閥FV1101開(kāi)度依次變化為：20%30%40%30%

10、，相對(duì)應(yīng)物料流量的動(dòng)態(tài)特性與傳遞函數(shù)基本相符。1.3.2物料溫度的動(dòng)態(tài)特性分析影響物料溫度變化的因素有燃料流量、物料流量、空氣量、煙氣擋板開(kāi)度。在物料流量為15%，送風(fēng)量S1101為20%，煙道擋板DO1101全開(kāi)、對(duì)燃料量調(diào)門開(kāi)度施加幅值為 5 %的階躍信號(hào)，物料溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖1-3所示。圖1-3 燃料量擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線由圖1-3可知，燃料量擾動(dòng)下的物料出口溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程是有延遲、有慣性的。當(dāng)燃料流量控制閥FV1104開(kāi)度變化為：25%30%，保證其他變量不變的情況下，空氣流量在一定的范圍內(nèi)，由于燃料量增加，爐膛內(nèi)的溫度就會(huì)增加，對(duì)物料A提供的熱量增加，因此熱物料出口溫度TI11

11、04上升。此時(shí)，其它條件一定的情況下，根據(jù)切線法可以求出，燃料量的調(diào)門開(kāi)度變化時(shí)出口溫度的動(dòng)態(tài)特性可以用下列傳遞函數(shù)近似表示：根據(jù)上述結(jié)論，當(dāng)燃料流量控制閥開(kāi)度在30% 35%40%依次變化時(shí)，相應(yīng)的物料出口溫度的動(dòng)態(tài)特性與所建模型基本相符。在物料流量為15%，燃料量調(diào)門為25%，煙道擋板DO1101全開(kāi)、對(duì)送風(fēng)量風(fēng)機(jī)S1101施加幅值為5%的階躍信號(hào)，物料溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖1-4所示。圖1-4 送風(fēng)量擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線由圖1-4可知，送風(fēng)量擾動(dòng)下的出口溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程是有慣性的。當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)S1101開(kāi)度變化為：20%25%，保證其它量不變的情況下，送風(fēng)量變化時(shí)相應(yīng)物料溫度的動(dòng)態(tài)特性可以用下

12、列傳遞函數(shù)近似表示： 根據(jù)上述結(jié)論，當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)S1101開(kāi)度在25% 30%35%等變化時(shí)，相應(yīng)的物料出口溫度的動(dòng)態(tài)特性與所建模型基本相符。同時(shí)，在保證其他變量不變的情況下，空氣量的增多，會(huì)在排煙時(shí)帶走爐膛內(nèi)一部分熱量，爐膛內(nèi)溫度降低，對(duì)物料A的供熱量減小，因此熱物料出口溫度TI1104下降。但是，如果送風(fēng)量正好合適時(shí)，因?yàn)槿剂峡梢猿浞秩紵?，可能?huì)增加爐膛溫度，對(duì)物料A的供熱量增加，因此熱物料出口溫度TI1104也可能上升。同時(shí)，送風(fēng)量增加，會(huì)導(dǎo)致煙氣含氧量增加，爐膛真空度下降。從具體數(shù)值上看，爐膛真空度還在安全范圍之內(nèi)，而煙氣含氧量超出了1%-3%的范圍，保證不了燃燒的經(jīng)濟(jì)性。在物料流量為15

13、%，燃料量調(diào)門為25%，送風(fēng)量S1101為20%、對(duì)煙道擋板DO1101全開(kāi)、施加幅值為50 %的階躍信號(hào)，物料溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖1-5所示。圖1-5 煙氣擋板開(kāi)度擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線由圖1-5可知，煙氣擋板擾動(dòng)下物料出口溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程是有延遲、有慣性。當(dāng)煙氣擋板DO1101開(kāi)度變化為：100%50%，保證其他變量不變的情況下，煙囪的抽力減小，被排出的煙氣量減小，則排煙時(shí)帶走的爐膛熱量減小，爐膛內(nèi)溫度升高，對(duì)物料A的供熱量增加，因此熱物料出口溫度TI1104上升。同時(shí)，煙氣擋板開(kāi)度關(guān)小，造成煙氣含氧量下降，爐膛真空度減小。從具體數(shù)值上看，煙氣擋板開(kāi)度變化50%，對(duì)煙氣含氧量和爐膛真空度影響

14、不大。在這種工況下，煙氣擋板變化時(shí)相應(yīng)物料出口溫度的動(dòng)態(tài)特性可以用下列傳遞函數(shù)近似表示： 根據(jù)上述結(jié)論，當(dāng)煙氣擋板的開(kāi)度在30% 60%90%等變化時(shí)，相應(yīng)的物料出口溫度變化與傳遞函數(shù)基本相符。在圖1-6所示的穩(wěn)定工況下，對(duì)物料負(fù)荷施加幅值為5 %的階躍擾動(dòng)下，物料溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖1-6所示。圖1-6 變負(fù)荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線由圖1-6可知，變負(fù)荷工況下物料出口溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程是有延遲、有慣性的。當(dāng)物料A進(jìn)口流量控制閥FV1101開(kāi)度變化為：20%25%，保證其他變量不變的情況下，進(jìn)物料增多，爐膛相對(duì)提供給物料A的熱量減小，因此熱物料出口溫度TI1104出現(xiàn)先上升后下降的變化情況。而爐膛真

15、空度和煙氣含氧量均減小，但減小的幅度不大。此時(shí)，物料A閥門開(kāi)度變化時(shí)出口溫度的動(dòng)態(tài)特性可以用下列傳遞函數(shù)近似表示： 根據(jù)上述結(jié)論，當(dāng)物料A閥門開(kāi)度在25% 30%35%等變化時(shí)，物料出口溫度的動(dòng)態(tài)特性與所建模型基本相符。1.3.3 煙氣含氧量的動(dòng)態(tài)特性分析影響煙氣含氧量變化的因素有燃料量、煙氣擋板開(kāi)度、送風(fēng)量。在物料流量為15%，燃料量調(diào)門為25%，煙道擋板DO1101為100%、對(duì)送風(fēng)量風(fēng)機(jī)S1101施加幅值為5%的階躍信號(hào)，煙氣含氧量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖1-7所示。圖1-7 送風(fēng)量擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線由動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線圖1-7可知，送風(fēng)量擾動(dòng)下的煙氣含氧量動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程是有延遲、有慣性的。當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)S

16、1101開(kāi)度變化為：20%25%，保證其他變量不變的情況下，空氣量增多，燃燒剩下的空氣量增加，所以排出的煙氣中含氧量明顯上升。此時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)閥門開(kāi)度變化時(shí)煙氣含氧量的動(dòng)態(tài)特性可以用下列傳遞函數(shù)近似表示：根據(jù)上述結(jié)論，當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)的閥門開(kāi)度在25% 30%35%等變化時(shí)，煙氣含氧量的動(dòng)態(tài)特性與所建模型基本相符。在物料流量為15%，燃料量調(diào)門為25%，送風(fēng)量S1101為20%時(shí)，對(duì)煙氣擋板DO1101施加幅值為50%的階躍信號(hào)，煙氣含氧量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖1-8所示。圖1-8 煙氣擋板擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線由動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線圖1-8可知，煙氣擋板擾動(dòng)下的煙氣含氧量動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程是有延遲、有慣性的。根據(jù)前面的分析可

17、知：當(dāng)煙氣擋板開(kāi)度減小時(shí)，煙囪的抽力減弱，隨煙氣一同被抽入煙囪中的空氣量減少，因此煙氣中的含氧量AI1101上升。此時(shí)，煙氣擋板閥門開(kāi)度在50%到100%變化時(shí)煙氣含氧量的動(dòng)態(tài)特性可以用下列傳遞函數(shù)近似表示：根據(jù)上述結(jié)論，當(dāng)煙氣擋板的閥門開(kāi)度在30% 60%90%等變化時(shí)，煙氣含氧量的動(dòng)態(tài)特性與所建模型基本相符。由圖1-3和圖1-8可知，燃料量和送風(fēng)量的變化都會(huì)影響煙氣含氧量。當(dāng)燃料量和送風(fēng)量之比在某一數(shù)值時(shí)，煙氣含氧量會(huì)在要求的1%-3%之間。因此，這里作了多個(gè)燃料量與送風(fēng)量比值下，煙氣含氧量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。圖1-9所示為燃料量與送風(fēng)量比值由0.8變化為0.88時(shí)，煙氣含氧量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。

18、同時(shí)可得出了多個(gè)比值下，煙氣含氧量的數(shù)值，如下表1.2所示，作為煙氣含氧量比值控制的依據(jù)。圖1-9 比值擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線表1-2 燃料量與空氣量不同比值下的煙氣含氧量值燃料量：空氣量（此處為控制閥開(kāi)度比）煙氣含氧量AI1101 25：25（1：1)3.75325：22（1：0.88）2.379 25：20（1：0.8）1.38130：20（1：0.67）0.010由動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線圖1-9可知，燃料量與空氣量比值擾動(dòng)下的煙氣含氧量動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程是有延遲、有慣性的。理想的含氧量值在1-3之間，燃料量與空氣量的比值增加，煙氣中的含氧量下降。燃料量與空氣量的比值減小，煙氣中的含氧量上升。通過(guò)計(jì)算，得燃料

19、量與空氣量的比值應(yīng)該為1.136。1.3.4 爐膛負(fù)壓的動(dòng)態(tài)特性分析影響爐膛負(fù)壓變化的因素有空氣量大小、煙氣擋板開(kāi)度。在物料流量為15%，燃料量調(diào)門為25%， 煙氣擋板開(kāi)度DO1101為100%、對(duì)送風(fēng)量SI1101施加幅值為5%的階躍信號(hào)，爐膛負(fù)壓的動(dòng)態(tài)特性曲線如圖1-10所示。圖1-10 送風(fēng)擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線由圖1-10可知，送風(fēng)量擾動(dòng)下的爐膛負(fù)壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程是有延遲、有慣性的。當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)S1101開(kāi)度變化為：20%25%，保證其他變量不變的情況下，空氣量增多，燃料相對(duì)減少，爐膛內(nèi)的剩余空氣量增多，使得爐膛真空度PI1102下降，即爐膛內(nèi)壓力上升。此時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)的閥門開(kāi)度在20% 到25%變

20、化時(shí)爐膛負(fù)壓的動(dòng)態(tài)特性可以用下列傳遞函數(shù)近似表示：根據(jù)上述結(jié)論，當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)的閥門開(kāi)度在25% 30%35%等變化時(shí)，爐膛負(fù)壓的動(dòng)態(tài)特性與所建模型基本相符。在物料流量為15%，燃料量調(diào)門為25%，送風(fēng)量SI1101為20%、對(duì)煙氣擋板開(kāi)度DO1101施加幅值為50%的階躍信號(hào)，爐膛負(fù)壓的動(dòng)態(tài)特性曲線如圖1-11所示：圖1-11 煙氣擋板擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線由圖1-11可知，煙氣擋板擾動(dòng)下的爐膛負(fù)壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程是有延遲、有慣性的。當(dāng)煙氣擋板DO1101開(kāi)度變化為：100%50%，保證其他變量不變的情況下，煙囪的抽力減小，被排入煙囪中的煙氣量減少，因此爐膛內(nèi)真空度PI1102下降，即爐膛內(nèi)壓力上升。此

21、時(shí)，煙氣擋板的閥門開(kāi)度變化時(shí)爐膛負(fù)壓的動(dòng)態(tài)特性可以用下列傳遞函數(shù)近似表示： 根據(jù)上述結(jié)論，當(dāng)煙氣擋板的閥門開(kāi)度在30% 60%90%等變化時(shí)，爐膛負(fù)壓的動(dòng)態(tài)特性與所建模型基本相符。2、控制方案需要從基礎(chǔ)控制系統(tǒng)、開(kāi)車順序控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等方面進(jìn)行控制方案的設(shè)計(jì)和選擇。其中安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)包括燃料量限速控制、防止?fàn)t膛滅火、爐管爆裂、回火、脫火、進(jìn)料中斷等控制系統(tǒng)。在控制方案的選擇上應(yīng)充分考慮到綠色生產(chǎn)、節(jié)能減排降耗等，力求燃料量最少、廢料最少、燃燒最充分等。下面僅介紹開(kāi)車順序控制系統(tǒng)和基礎(chǔ)的溫度、物料、煙氣含氧量和爐膛負(fù)壓等控制方案。2.1開(kāi)車順序控制系統(tǒng)采用 SFC 編程，實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)單元冷態(tài)

22、起，按照開(kāi)車步驟實(shí)施全自動(dòng)順序控制，保證開(kāi)車穩(wěn)步進(jìn)行且系統(tǒng)無(wú)擾投運(yùn)，可使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、程序條理清楚、易讀懂和修改，非原設(shè)計(jì)者也可以進(jìn)行調(diào)試和修改，而且執(zhí)行高效，安全可靠。開(kāi)車流程見(jiàn)圖2-1所示。 圖2-1 開(kāi)車方案流程圖2.2溫度控制系統(tǒng)采用串級(jí)控制系統(tǒng)，運(yùn)用副回路的快速作用，以鍋爐出口溫度為主變量，選擇滯后較小的爐對(duì)流段入口溫度為副變量，構(gòu)成爐出口溫度與爐對(duì)流段入口溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)有效地提高控制質(zhì)量，以滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程，就是指在擾動(dòng)作用下，引起主、副變量偏離設(shè)定值，由主、副調(diào)節(jié)器通過(guò)控制作用克服擾動(dòng)，使系統(tǒng)恢復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程。鍋爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)方

23、框圖如圖2-2所示：圖2-2溫度控制系統(tǒng)方案圖圖2-2中，出口溫度控制器、燃料流量控制器和空氣流量控制器均采用PID控制。2.3物料 A 進(jìn)料流量控制系統(tǒng)當(dāng)燃燒工況一定時(shí)，燃料燃燒所釋放出的能量是一定的。根據(jù)能量守恒原理，當(dāng)物料 A 的流量增加時(shí)，物料 A 的出口溫度會(huì)降低；反之，當(dāng)物料 A 出口的流量減少時(shí)，物料 A 出口 溫度會(huì)升高。為了減少物料 A 進(jìn)料流量波動(dòng)對(duì)物料 A 出口溫度的影響，要對(duì)物料 A 進(jìn)料流量進(jìn)行控制。圖2-3物料 A 出口流量控制系統(tǒng)方框圖圖2-3中，物料A流量控制器采用PID控制。2.4煙氣含氧量控制系統(tǒng)煙氣含氧量風(fēng)量閉環(huán)控制系統(tǒng)可以看作是一個(gè)燃料流量與風(fēng)量的定比值

24、控制系統(tǒng)，在燃燒過(guò)程中，為了使得燃料燃燒充分且煙氣含氧量在最優(yōu)值，一般燃料流量與風(fēng)量成一定比值，保證燃料燃燒充分且不浪費(fèi)。當(dāng)燃料流量發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)量控制器的設(shè)定值將發(fā)生改變，及時(shí)調(diào)節(jié)空氣的流量，使得風(fēng)量快速跟蹤燃料量，保持一定的比值。圖2-4煙氣含氧量風(fēng)量閉環(huán)控制方塊圖圖2-4中，空氣流量控制器和煙氣含氧量控制器均采用PID控制。2.5爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)當(dāng)鍋爐運(yùn)行，機(jī)組負(fù)荷發(fā)生改變時(shí)，進(jìn)入爐膛的燃料量和風(fēng)量將相應(yīng)發(fā)生改變，那么燃料在爐膛中燃燒產(chǎn)生的煙氣也將隨之改變。為了保證爐膛內(nèi)的正常負(fù)壓，必須對(duì)煙道擋板行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。因?yàn)楫?dāng)爐膛內(nèi)負(fù)壓過(guò)低，勢(shì)必使?fàn)t膛、煙道的漏風(fēng)量進(jìn)一步加大，不僅燃燒損失增加，而

25、且可能造成燃燒不穩(wěn)、燃燒惡化而使鍋爐滅火；如果爐膛內(nèi)負(fù)壓過(guò)高，爐膛內(nèi)的火焰和高溫?zé)煔饩蜁?huì)向外噴泄，影響加熱爐的安全運(yùn)行。所以爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)就是維持爐膛壓力在一定允許范圍內(nèi)，保證鍋爐燃料能穩(wěn)定燃燒。當(dāng)煙道擋板開(kāi)度小時(shí)，煙囪口溫度就會(huì)低，對(duì)流段的余熱回收率就高，但是爐膛負(fù)壓會(huì)增大；當(dāng)擋板開(kāi)的大時(shí)，爐膛壓力會(huì)減小，但是爐膛熱量會(huì)散失的多，尾煙的余熱回收率就會(huì)低。為此，當(dāng)爐膛負(fù)壓在規(guī)定值范圍內(nèi)，用煙道擋板出口處的溫度去控制擋板的開(kāi)度；當(dāng)爐膛負(fù)壓在規(guī)定值之外時(shí)，利用壓力控制器去控制擋板的開(kāi)度。這樣就可以在保證爐膛負(fù)壓的同時(shí)，還可以體現(xiàn)節(jié)能減排的經(jīng)濟(jì)性。圖 2-5 爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)方框圖圖2-5中，壓力

26、控制器和煙氣溫度控制器均采用PID控制。3、工程化應(yīng)用在確定了控制方案的基礎(chǔ)上，我們對(duì)系統(tǒng)所需的檢測(cè)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了選擇，對(duì)DCS系統(tǒng)的硬件進(jìn)行選型，確定了體系結(jié)構(gòu)。最后以實(shí)驗(yàn)室的西門子PCS7為控制裝置，以SMPT1000為過(guò)程對(duì)象，進(jìn)行了CFC的組態(tài)及調(diào)試，最終的運(yùn)行結(jié)果表明了控制方案的可行性。3.1 檢測(cè)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇根據(jù)系統(tǒng)工藝流程以及工藝要求的特點(diǎn)，結(jié)合所選輸入輸出點(diǎn)對(duì)測(cè)量元件進(jìn)行配置選型，具體如表3-1所示。表3-1 設(shè)備清單序號(hào)檢測(cè)點(diǎn)說(shuō)明位號(hào)測(cè)點(diǎn)類型儀表類型型號(hào)廠家1物料A進(jìn)料流量FT1101AI渦街流量計(jì)LUGB江蘇宏光2換熱器入口物料流量FT1102AI渦街流量計(jì)L

27、UGB江蘇宏光3燃料流量FT1103AI渦街流量計(jì)LUGB江蘇宏光4空氣量FT1104AI渦街流量計(jì)LUGB江蘇宏光5熱物料A出口流量FT1105AI浮子流量計(jì)LZH江蘇宏光6爐膛中心火焰溫度TI1101AI鎧裝熱電偶WGKR重慶川儀7對(duì)流段出口物料溫度TT1102AI鎧裝熱電阻WZGPK重慶川儀8輻射段出口物料溫度TT1103AI鎧裝熱電阻WZGPK重慶川儀9熱物料出口溫度TT1104AI鎧裝熱電阻WZGPK重慶川儀10煙氣溫度TT1105AI鎧裝熱電阻WZGPK重慶川儀11燃料壓力PT1101AI差壓變送器LH-3851/DP江蘇宏光12煙氣含氧量AI1101AI氧化鋯分析儀YB-88重慶

28、川儀13爐膛壓力PT1102AI微差壓變送器LH-3852/GP江蘇宏光14爐膛燃燒狀態(tài)指示D1101DO指示燈XB2-B施耐德15物料進(jìn)料管控制閥FV1101AO電動(dòng)閥VBD重慶川儀16燃料管控制閥FV1104AO電動(dòng)閥VBD重慶川儀17物料出料管控制閥FV1105AO電動(dòng)閥VBD重慶川儀18煙氣擋板DO1101AO19物料進(jìn)料管旁路閥HV1101AO電動(dòng)閥VBD重慶川儀20上料泵啟停開(kāi)關(guān)HS1101DI角行程電動(dòng)機(jī)RHA-M重慶川儀21燃料泵啟停開(kāi)關(guān)HS1102DI角行程電動(dòng)機(jī)RHA-M重慶川儀22鼓風(fēng)機(jī)啟停開(kāi)關(guān)HS1103DI變頻鼓風(fēng)機(jī)M重慶川儀23爐膛點(diǎn)火按鈕HS1104DI按鈕ZB2

29、-B施耐德設(shè)備選擇說(shuō)明：（1） LUGB渦街流量計(jì)，壓力損失小，測(cè)量范圍大，精度高，幾乎不受流體密度、壓力、溫度等參數(shù)的影響，測(cè)量介質(zhì)溫度范圍-20250。符合本次實(shí)驗(yàn)要求。（2）鎧裝熱電偶溫度范圍-40-1200，輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)4-20MA信號(hào)。本設(shè)計(jì)中用于爐膛內(nèi)溫度測(cè)量。一般爐膛溫度范圍900-1100，不超過(guò)1200。（3）裝熱電阻溫度范圍-200-600，輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)4-20MA信號(hào)。本設(shè)計(jì)中用來(lái)測(cè)量其他溫度的測(cè)量。如主蒸汽出口溫度最高控制在300左右，一般為200左右。換熱器進(jìn)入對(duì)流段物料溫度在60左右。進(jìn)入輻射段溫度為120左右。出輻射段物料溫度為220左右。物料初始溫度為20。

30、（4）LH-3851/1851GP型壓力變送器，最小測(cè)量負(fù)壓1Kpa,適用對(duì)象液體，氣體和蒸汽。輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。本設(shè)計(jì)中用于測(cè)量爐膛負(fù)壓。一般爐膛負(fù)壓范圍-20-60Pa。（5）LH-3851/1851DP型壓力變送器，測(cè)量范圍0-6Kpa,適用對(duì)象液體，氣體和蒸汽。本設(shè)計(jì)中用于其他壓力的測(cè)量。（6）煙氣正常含氧量為3%-8%。本次設(shè)計(jì)中選用的分析儀為氧化鋯分析儀，本系統(tǒng)中煙氣含氧量為5%左右。（7）熱物料A出口流量控制在15kg/s，由于出口溫度的限制因此測(cè)量元件選用金屬管浮子流量計(jì)，該流量計(jì)具有耐高溫、高壓的特性，同時(shí)可以用于測(cè)量腐蝕、不透明介質(zhì)，輸出信號(hào)為模擬量4-20MA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。（8）

31、RHA-M角行程智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤差小，是智能一體機(jī)。同時(shí)輸出模擬信號(hào)4-20MA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，可與PROFIBUS、HART等通訊。（9）M系列智能變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)分辯率高、 無(wú)磨損、壽命長(zhǎng)、數(shù)字信號(hào)直接傳輸微處理器，傳感器精度高，抗干擾能力強(qiáng)，不受環(huán)境溫度的影響，可配置PROFIBUS等現(xiàn)場(chǎng)總線。3.2 DCS選型及體系結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)采用西門子SIMATIC PCS 7 過(guò)程控制系統(tǒng)，所需的硬件配置見(jiàn)表3-2所示，所確定的體系結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3-1所示。表3-2 PCS7硬件配置表序號(hào)設(shè)備名稱數(shù)量說(shuō)明1PLC400H2冗余PLC4002ET 2OOM IM 153-21集中式外圍設(shè)備3SM 323 DI

32、8/DO8 DC24V 0.5A18 路數(shù)字輸入/8 路數(shù)字輸出4SM 331 AI8*16BIT28 路模擬量輸入（420mA ）5SM 332 AO8*12BIT38 路模擬量輸出（420mA ）6SM 322 AO2*12BIT12 路模擬量輸出（420mA ）7PROFIBUS DP線及接插頭2PLC400與ET200M的連接8PC機(jī)1OS/ES單站系統(tǒng)說(shuō)明：（1）SM323 類型 8 通道24VDC 的數(shù)字量輸入、8 通道24VDC 的數(shù)字量輸出模塊，用于采集設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)以及電機(jī)、開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟關(guān)閉。 （2）采用 SM331 類型 8 通道*16 位的模擬量輸入模塊，用于采集設(shè)備溫度

33、信號(hào)、流量信號(hào)、壓力信號(hào)、液位信號(hào)等。 （3）采用 SM332 類型 8 通道*16 位的模擬量輸出模塊，輸出模擬信號(hào)用于控制閥門狀態(tài)。圖3-1控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)3.3工程實(shí)施對(duì)項(xiàng)目的工程實(shí)施包括DCS系統(tǒng)組態(tài)、CFC和SFC、WINCC監(jiān)控畫面的組態(tài)。下面僅結(jié)合鍋爐的控制給出對(duì)應(yīng)的CFC組態(tài)圖與SFC功能圖。（1） 物料A出口流量CFC組態(tài)見(jiàn)圖3-2所示。圖3-2 物料A出口流量CFC組態(tài)圖（2） 物料出口溫度控制CFC組態(tài)見(jiàn)圖3-3所示。圖3-3 物料A出口溫度CFC組態(tài)圖（3） 爐膛負(fù)壓控制CFC組態(tài)見(jiàn)圖3-4所示。圖3-4 爐膛負(fù)壓CFC組態(tài)圖（4）煙氣含氧量控制的CFC組態(tài)見(jiàn)圖3-5所示。圖3-5 煙氣含氧量CFC組態(tài)圖（4） 開(kāi)車順序使用PCS7 V7.0提供的順序功能圖（SFC）實(shí)現(xiàn)，SFC可用于順序控制、邏輯等功能的實(shí)現(xiàn)，這些功能在SFC編輯器中以圖形塊的形式表示。如圖3-6所示。圖3-6 開(kāi)車順序SFC功能圖3.4 參數(shù)整定及控制效果3.4.1參數(shù)的整定 系統(tǒng)參數(shù)整定的方法有很多，包括