鍋爐控制系統(tǒng)

1、工業(yè)鍋爐自動化控制系統(tǒng)一、系統(tǒng)概述我國是以煤作為主要能源的國家，鍋爐是耗能的主要設(shè)備，約占全國總能耗量的二分之 一左右，按照國際先進水平衡量我國能源的利用率很低。因此，節(jié)能的潛力很大。一般來說 生產(chǎn)過程中的節(jié)能有三大途徑：（1）改造設(shè)備節(jié)能；（2）改進工藝節(jié)能；（3）提高應(yīng)用管理和自控技術(shù)節(jié)能。為了使鍋爐工作穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟，需要提高對鍋爐的監(jiān)控品質(zhì)，提高平均熱效率，節(jié) 省能源和減少污染，減輕操作人員的工作負擔，提高鍋爐的科學(xué)管理水平?？梢垣@得可觀的 經(jīng)濟效益。應(yīng)用管理和自控技術(shù)節(jié)能可做到少投入多產(chǎn)出，見效快，效果好。一般采用自動 化技術(shù)后，可以提高鍋爐熱效率3-5%，節(jié)煤5-8%，自動化技術(shù)

2、的投資在2年左右時間既可收 回。用戶既可以收到節(jié)約能源節(jié)省資金的效果，由于減少了大量原煤的燃燒，還凈化了空氣， 美化了環(huán)境，節(jié)省了資源，在貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的今天，具有特殊的意義，因此而產(chǎn)生的 社會效益，將是十分重大而深遠的。鍋爐控制通常是采用人工結(jié)合常規(guī)儀表監(jiān)控，一般較難達到滿意的結(jié)果，原因是鍋爐的 燃燒系統(tǒng)是一個多變量輸入的復(fù)雜系統(tǒng)，影響燃燒的因素十分復(fù)雜，較正確的數(shù)學(xué)模型不易 建立，以經(jīng)典的PID為基礎(chǔ)的常規(guī)儀表控制已很難達到最佳狀態(tài)，如果靠人工手燒則要受人 為因素（經(jīng)驗、責任心、白夜班）的影響，而計算機提供了諸如數(shù)字濾波，積分分離PID， 選擇性PID，參數(shù)自整定等各種充分發(fā)揮計算機這

3、一智能化、多功能的優(yōu)勢，是常規(guī)儀表和 人力難以實現(xiàn)或無法實現(xiàn)的，是提高工業(yè)鍋爐自控水平和節(jié)能的重要措施。本系統(tǒng)是針對鏈排式燃煤鍋爐而設(shè)計開發(fā)，可以實現(xiàn)對一到五臺鍋爐及總供熱系統(tǒng)進行 自動控制和自動檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)鍋爐系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟運行，完成各項管理功能和報警保護 功能，達到節(jié)約能源、減少環(huán)境污染、降低勞動強度的目的。鍋爐噸位可從4150T/h。整套系統(tǒng)設(shè)計合理，設(shè)備選型先進，控制功能完善，通用性強，具有手動/自動無擾切換 功能?？刂圃O(shè)備可靠性高，拆裝簡便，維護方便，抗干擾能力強。本系統(tǒng)具備遠程通訊功能， 可以和上位計算機和下位換熱站進行通訊。二、自控系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)控制功能描述*鍋爐自動控制：鼓風(fēng)

4、、引風(fēng)、爐排實現(xiàn)自動控制和儀表盤手動操作。*超壓超溫（水鍋爐為高低液位）報警及停爐自動聯(lián)鎖*循環(huán)水泵軟啟動軟停止及故障報警聯(lián)鎖停爐*變頻自動補水及手動操作*各電器控制設(shè)備的運行指示和故障停車*鍋爐其它熱工參數(shù)檢測（詳見表：系統(tǒng)測控點要求）* 換熱站熱工參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制功能描述鍋爐運行要達到以下要求：根據(jù)負荷要求，使鍋爐出水溫度（熱水鍋爐）或出汽壓力也 隨之變化；由于負荷變化而相應(yīng)調(diào)整進煤量和進風(fēng)量，而實現(xiàn)鍋爐的經(jīng)濟燃燒。根據(jù)以上要求，可以將鍋爐控制系統(tǒng)分為為汽包水位控制系統(tǒng)、燃燒過程控控制系統(tǒng)、 過熱蒸汽控制系統(tǒng)、除氧器控制系統(tǒng)、負壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、負荷調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)來分別實現(xiàn)對 鍋爐給水量、鍋爐

5、引風(fēng)量、鍋爐進煤量、鍋爐送風(fēng)量的自動控制。鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)汽包水位是影響鍋爐安全運行的重要參數(shù)，水位過高，會破壞汽水分離裝置的正常工作， 嚴重時會導(dǎo)致蒸汽帶水增多，增加在管壁上的結(jié)垢和影響蒸汽質(zhì)量。水位過低，則會破壞水 循環(huán)，引起水冷壁管的破裂，嚴重時會造成干鍋，損壞汽包。所以其值過高過低都可能造成 重大事故。它的被調(diào)量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量則是給水流量，通過對給水流量的調(diào)節(jié)，使汽 包內(nèi)部的物料達到動態(tài)平衡，變化在允許范圍之內(nèi)，由于鍋爐汽包水位對蒸氣流量和給水流 量變化的響應(yīng)呈積極特性。但是在負荷（蒸氣流量）急劇增加時，表現(xiàn)卻為逆響應(yīng)特性，即 所謂的虛假水位，造成這一原因是由于負荷增加時，導(dǎo)

6、致汽包壓力下降，使汽包內(nèi)水的沸 點溫度下降，水的沸騰突然加劇，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系統(tǒng)，實質(zhì) 上是維持鍋爐進出水量平衡的系統(tǒng)。它是以水位作為水量平衡與否的控制指標，通過調(diào)整進 水量的多少來達到進出平衡，將汽包水位維持在汽水分離界面最大的汽包中位線附近，以提 高鍋爐的蒸發(fā)效率，保證生產(chǎn)安全。由于鍋爐水位系統(tǒng)是一個設(shè)有自平衡能力的被控對象， 運行中存在虛假水位現(xiàn)象，實際應(yīng)用中可根據(jù)情況采用水位單沖量、水位蒸汽量雙重量和水 位、蒸汽量、給水量三沖量的控制系統(tǒng)?？刂颇繕酥担海ㄆ痪鶆蛄繛椋?20，水位控制在中間值，偏差W10）1、在操作界面上利用文本實現(xiàn)對水泵啟停的控制。2、在

7、儀表盤上使用原有的變頻設(shè)備系統(tǒng)對水泵進行手動/自動調(diào)節(jié)控制。系統(tǒng)給水自動調(diào)節(jié)分為三種模式：單水位控制模式：只通過檢測汽包水位來控制給水量。雙沖量水位控制模式：監(jiān)測汽包水位、蒸汽流量，將蒸汽流量作為前饋信號，與汽包 水位組成前饋-反饋控制方式。三沖量水位控制模式：監(jiān)測汽包水位、蒸汽流量、給水流量，將汽包水位作為主控編 練個，給水流量作為輔助被控變量的串級控制系統(tǒng)與蒸汽流量作為前饋信號組成前饋-串級反 饋控制方式。三沖量水位控制實現(xiàn)方式：1）在異常情況下，如液位偏離正常值較大時，采用規(guī)則控制，可以快速恢復(fù)水位，保 證鍋爐的安全穩(wěn)定運行。2）當水位控制和主蒸汽溫度控制發(fā)生矛盾時，可根據(jù)矛盾的主要方面

8、進行兩者的協(xié)調(diào) 控制。3）它包含給水流量控制回路和汽包水位控制回路兩個控制回路，實質(zhì)上是蒸汽流量前 饋與水位一流量串級系統(tǒng)組成的復(fù)合控制系統(tǒng)。當蒸汽流量變化時，鍋爐汽包水位控制系統(tǒng) 中的給水流量控制回路可迅速改變進水量以完成粗調(diào)，然后再由汽包水位調(diào)節(jié)器完成水位的 細調(diào)。鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng)鍋爐燃燒過程有三個任務(wù)：給煤控制，給風(fēng)控制，爐膛負壓控制。保持煤氣與空氣比例 使空氣過剩系數(shù)在1.08左右、燃燒過程的經(jīng)濟性、維持爐膛負壓，所以鍋爐燃燒過程的自動 調(diào)節(jié)是一個復(fù)雜的問題。對于35t鍋爐來說燃燒放散高爐煤氣，要求是最大限度地利用放散 的高爐煤氣，故可按鍋爐的最大出力運行，對蒸汽壓力不做嚴格要求；

9、燃燒的經(jīng)濟性也不做 較高的要求。這樣鍋爐燃燒過程的自動調(diào)節(jié)簡化為爐膛負壓為主參數(shù)的定煤氣流量調(diào)節(jié)。爐膛負壓Pf的大小受引風(fēng)量、鼓風(fēng)量與煤氣量（壓力）三者的影響。爐膛負壓太小，爐 膛向外噴火和外泄漏高爐煤氣，危及設(shè)備與運行人員的安全。負壓太大，爐膛漏風(fēng)量增加， 排煙損失增加，引風(fēng)機電耗增加。根據(jù)多年的人工手動調(diào)節(jié)摸索，35t鍋爐的Pf=100Pa來進 行設(shè)計。調(diào)節(jié)方法是初始狀態(tài)先由人工調(diào)節(jié)空氣與煤氣比例，達到理想的燃燒狀態(tài)，在引風(fēng) 機全開時達到爐膛負壓100Pa，投入自動后，只調(diào)節(jié)煤氣蝶閥，使壓力波動下的高爐煤氣流 量趨于初始狀態(tài)的煤氣流量，來保持燃燒中高爐煤氣與空氣比例達到最佳狀態(tài)。保因此，鍋

10、 爐燃燒過程自動控制系統(tǒng)按照控制任務(wù)的不同可分為三個子控制系統(tǒng)，即蒸汽壓力控制系統(tǒng)、 煙氣氧量控制系統(tǒng)和爐膛負壓控制系統(tǒng)。過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)過熱蒸汽的溫度是鍋爐生產(chǎn)過程的重要參數(shù)，一般由鍋爐和汽輪機生產(chǎn)的工藝確定。從 安全生產(chǎn)和經(jīng)濟技術(shù)指標上看，必須控制過熱蒸汽溫度在允許范圍之內(nèi)。在35T鍋爐計算機 控制系統(tǒng)中，過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計。調(diào)節(jié)手段是改變減溫水流量。從結(jié)構(gòu)上看，這是 一個簡單的單回路控制系統(tǒng)，但是實際系統(tǒng)存在以下問題：鍋爐的進水系統(tǒng)中實際有三臺調(diào) 節(jié)閥，即鍋爐總給水閥(V1)、減溫水閥(V2)和汽包給水支閥(V3)。因為這3個閥都控制給水 量，將會通過圖中進水交點處壓力P的變化

11、而產(chǎn)生關(guān)聯(lián)作用。除氧器控制系統(tǒng)除氧器控制系統(tǒng)包括除氧器壓力和液位兩個控制子系統(tǒng)。在35T鍋爐計算機控制系統(tǒng)中， 除氧器壓力控制系統(tǒng)和除氧器液位控制系統(tǒng)都設(shè)計為單回路PI控制方式。在滿足鍋爐生產(chǎn)的 實際要求的前提下，單回路PI控制方式具有結(jié)構(gòu)簡單、容易整定和實現(xiàn)等優(yōu)點。對于除氧器壓力系統(tǒng)而言，當除氧器壓力發(fā)生變化時，壓力控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)除氧器的進汽 閥，改變除氧器的進汽量，從而將除氧器的壓力控制在目標值上；同樣，對于除氧器液位系 統(tǒng)，當除氧器液位發(fā)生變化時，液位控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)除氧器的進水閥，改變除氧器的進水量， 從而將除氧器的液位控制在目標值上。負壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)爐膛負壓的大小對于節(jié)能影響很大。負壓大，

12、被煙氣帶走的熱量大，熱損失增加，煤耗 量增大，理想運行狀態(tài)應(yīng)在微負壓狀態(tài)。它能明顯增加懸浮煤顆粒在爐膛內(nèi)的滯留時間，增 加沉降，減少飛灰，使煤充分燃燒提高熱效率。但由于負荷變化，需要改變給煤量和送風(fēng)量， 隨之也要改變引風(fēng)量，以保證爐膛負壓的穩(wěn)定，但由于系統(tǒng)有一定的滯后時間，為避免鼓風(fēng) 變化而引起爐膛負壓的波動，系統(tǒng)中引入鼓風(fēng)信號作為前饋信號對引風(fēng)機進行超前調(diào)節(jié)。調(diào) 節(jié)精度可以控制在設(shè)定值土 10Pa?？刂苹芈吩韴D：負荷調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)由于負荷需求變化而改變鍋爐的出水溫度(蒸汽鍋爐為蒸汽壓力)，首先要通過調(diào)節(jié)鏈排 速度來改變?nèi)剂狭?，并改變送風(fēng)量，再由煙道中安裝的氧量檢測儀測定煙氣含氧量，調(diào)整送 風(fēng)

13、量，以實現(xiàn)較好的風(fēng)煤配比調(diào)節(jié)。由于煙氣含氧量不是一個定值，在鍋爐滿負荷運行時含 氧量較低，在低負荷運行時含氧量較高，所以在系統(tǒng)中設(shè)置了煙氣含氧量設(shè)定值的自動修正， 以保證風(fēng)煤配比達到較好狀態(tài)，實現(xiàn)鍋爐的經(jīng)濟燃燒。系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度：蒸汽鍋爐壓力調(diào)節(jié)為 5% ；熱水鍋爐溫度調(diào)節(jié)為1C?？刂苹芈吩韴D：三、系統(tǒng)配置本系統(tǒng)采用德國西門子的S7-300系列可編程控制器來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動控制。在控制 系統(tǒng)中工控機作為上位機，S7-300可編程序控制器PLC作為下位機的微機自控系統(tǒng)。憑借可 編程序控制器PLC高抗干擾能力、高可靠性以及工業(yè)控制機高可靠性，強大的通訊管理能力 實現(xiàn)了對鍋爐的自動化控制水平。共配置

14、了 1套S7-300現(xiàn)場控制單元及1臺工業(yè)控制計算機， 來控制整個鍋爐及附屬換熱設(shè)備。S7-300現(xiàn)場控制單元分別控制各臺鍋爐及輔助系統(tǒng)，控 制器和工控機進行通訊，由工控機對鍋爐運行狀態(tài)進行監(jiān)控、管理和運行狀態(tài)的優(yōu)化，以實 現(xiàn)對鍋爐的自動控制。系統(tǒng)配備后備操作器，以備控制系統(tǒng)時出現(xiàn)故障時手動調(diào)節(jié)進行操作。S7-300系列可編程控制器通用性強，可使用附加模塊對PLC進行擴展，可以很方便地適 應(yīng)今后系統(tǒng)擴充和改變的需求。由自動化儀表對現(xiàn)場工藝參數(shù)進行檢測，通過模擬量輸入模 塊檢測現(xiàn)場低度表的4-20mA或0-5V標準信號傳送到PLC，PLC通過MPI通訊接口和計算機 進行數(shù)據(jù)交換。通過計算機對整個

15、鍋爐運行狀態(tài)進行監(jiān)控并計算，計算后通過模擬量輸出模 塊輸出信號驅(qū)動調(diào)節(jié)閥或變頻器實現(xiàn)對鍋爐運行參數(shù)進行自動控制。PLC通過開關(guān)量輸入與輸出模塊，可以對鍋爐電器設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)控，并在鍋爐事故狀 態(tài)時進行停機自動聯(lián)鎖控制。利用西門子上位機組態(tài)軟件WINCC，可非常形象地組態(tài)出與生產(chǎn)流程完全相同的過程畫面， 并把PLC采集到的如鍋爐水位、壓力、溫度、流量、電機狀態(tài)等信號在畫面上顯示出來，并 實現(xiàn)報警、報表輸出等功能。實時曲線功能可以直觀地顯示出工作時間內(nèi)的各種工藝參數(shù)， 可快速判斷工藝是否穩(wěn)定，生產(chǎn)是否正常。通過組態(tài)WINCC服務(wù)器/客戶機，可以實現(xiàn)不同的 操作權(quán)限，每個操作員只能在工控機上操作與自己的工作，不能夠隨便修改程序和操作與自 己工作無關(guān)功能，確保生產(chǎn)的正常進行。也可以通過組態(tài)服務(wù)器/瀏覽器，車間領(lǐng)導(dǎo)和公司領(lǐng) 導(dǎo)坐在辦公室或家里就可以通過internet輕松瀏覽實時生產(chǎn)狀況和查詢報警及報表，及時對 生產(chǎn)做出指導(dǎo)。此外，對于大型鍋爐車間呀發(fā)電廠鍋爐，因設(shè)備較分散，如果把幾百上千根信