【正文】 國家十二項(xiàng)重大建設(shè)工程項(xiàng)目之一的 300MW、 600MW 火電站項(xiàng)目開始啟動(dòng)，要求其控制系統(tǒng)由具有監(jiān)控計(jì)算功能的計(jì)算機(jī)和能根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)峰的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)組成，它的綜合技術(shù)水平應(yīng)相當(dāng)于當(dāng)時(shí)美國同類型電廠的實(shí)際裝備水平。其技術(shù)性能指標(biāo)和復(fù)雜程度大大超越了國內(nèi)當(dāng)時(shí)的水平。在 當(dāng)時(shí)的國務(wù)院重大辦的領(lǐng)導(dǎo)下，在中央領(lǐng)導(dǎo)同志的直接關(guān)懷下，參加單位本著學(xué)習(xí)、引進(jìn)、消化、吸收，最終實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的原則開始了各方面工作。 隨著我國從當(dāng)時(shí)的美國燃燒工程（ CE）公司引進(jìn)亞臨界控制循環(huán)鍋爐制造技術(shù)，我們也從美國的幾家公司引進(jìn)了這種鍋爐的自動(dòng)控制設(shè)備，其中既包括控制策略（軟件），也包括硬件。引進(jìn)技術(shù)的第一套 300MW、 600MW 鍋爐控制系統(tǒng)分別配套在山東石橫發(fā)電廠和安徽淮南平圩發(fā)電廠的１＃機(jī)組上。其中與鍋爐緊密相關(guān)的控制系統(tǒng)有機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（ CCS），爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（ FSSS），吹灰程控，爐膛火焰 TV 和汽包水位 TV 等。在硬件方面， CCS 選用的是美國FOXBORO 公司的 SPEC200 組件式儀表， FSSS 選用的是美國 CE 公司的雙列直 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 插式 CMOS 集成電路構(gòu)成的邏輯組件，吹灰控選用了美國 CV公司的以 INTEL8085單板機(jī)為中心的控制系統(tǒng)，爐膛火焰和汽包水位 TV 都是美國 DIAMOND 公司的產(chǎn)品。這些設(shè)備在當(dāng)時(shí)還是比較先進(jìn)的，系統(tǒng)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)理念至今仍在指導(dǎo)我們的實(shí)踐。 近二十年來，電子技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，分散型控制系統(tǒng)（ DCS）以它強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和良好的性能價(jià)格比正在逐漸壟斷大型過程控制系統(tǒng)的市場(chǎng) 。 DCS具有高可靠性、快速性、實(shí)時(shí)性和大容量的存儲(chǔ)能力等特點(diǎn)，它的控制功能分散、顯示操作集中、它有高速通信系統(tǒng)、軟件可以生成，具有冗余度和自診斷功能。在國外，美國、日本以及歐洲一些國家的幾十個(gè)儀表或計(jì)算機(jī)公司在生產(chǎn) DCS，并已成功地應(yīng)用在包括電力行業(yè)在內(nèi)的工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。在國內(nèi)，一些儀表公司和研究單位早已開始引進(jìn)或代銷 DCS，并逐步形成合資經(jīng)營、合資生產(chǎn)，以便向國內(nèi)供貨。從近年來建設(shè)的一些大型火電廠項(xiàng)目來看， DCS 大有集 CCS、FSSS、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)（ DAS）、輔機(jī)程序控制系統(tǒng)（ SCS）和汽輪機(jī)數(shù) 字電液控制系統(tǒng)（ DEH）五大控制系統(tǒng)于一身的趨勢(shì)。 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性 目前單 PLC 的廣泛應(yīng)用及其產(chǎn)生的效益令人矚目，它以其 高性價(jià)比 且應(yīng)用領(lǐng)域廣等諸多優(yōu)點(diǎn)成為控制系統(tǒng)中采用最多的 控制器， 該系統(tǒng) 正是 采用 PLC 進(jìn)行控制，另外，該系統(tǒng)在中所用到的 變送 器都是 鍋爐控制 系統(tǒng)中常用的 器件 ，便宜且可靠性能好。因此，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 成本低， 可靠性高等特點(diǎn)。 本套系統(tǒng)相對(duì)比其他控制系統(tǒng)來說，本系統(tǒng)的性價(jià)比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出市面上其它的控制系統(tǒng)。 本系統(tǒng)利用變頻器實(shí)現(xiàn)鼓、引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速，避免看火工調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板以滿足風(fēng)量要求，節(jié)約了電能， 降低看火工的勞動(dòng)強(qiáng)度；利用 PLC 實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制變頻器的頻率給定，避免遠(yuǎn)距離使用電位器易受干擾的缺點(diǎn)，同時(shí)數(shù)字顯示變頻器的輸出頻率。變頻器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，避免接觸器直接通斷電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流，有效地減少接觸器觸頭燒損等故障，同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻器故障時(shí)的頻 /工自動(dòng)切換，大大在地提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，取得較好的效果 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案論證 循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)與原理 循環(huán)流化床的原理 圖 粒子經(jīng)與氣體或液體接觸而轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃屏黧w狀態(tài)的過程，稱為流 化過程。流化過程用于燃料燃燒，即為流化燃燒，其爐子稱為流化床鍋爐。 循環(huán)流化床鍋爐是在鼓泡流化床鍋爐技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新爐型，它與鼓泡床鍋爐的最大區(qū)別在于爐內(nèi)流化風(fēng)速較高（一般為 4～ 8m/s），在爐膛出口加裝了氣固物料分離器。被煙氣攜帶排出爐膛的細(xì)小固體顆粒，經(jīng)分離器分離后，再送回爐內(nèi)循環(huán)燃燒。循環(huán)流化床鍋爐可分為兩個(gè)部分：第一部分由爐膛（快速流化床）、氣固物料分離器、固體物料再循環(huán)設(shè)備和外置熱交換器（有些循環(huán)流化床鍋爐沒有該設(shè)備）等組成，上述部件形成了一個(gè)固體物料循環(huán)回路。第二部分為對(duì)流煙道，布置有 過熱器、再熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器等，與其它常規(guī)鍋爐相近。 循環(huán)流化床鍋爐燃燒所需的一次風(fēng)和二次風(fēng)分別從爐膛的底部和側(cè)墻送入，燃 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 料的燃燒主要在爐膛中完成，爐膛四周布置有水冷壁用于吸收燃燒所產(chǎn)生的部分熱量。由氣流帶出爐膛的固體物料在氣固分離裝置中被收集并通過返料裝置送回爐膛。 燃燒系統(tǒng)的流程：原煤破碎，篩選后送煤斗，經(jīng)計(jì)量式給煤機(jī)進(jìn)入燃料室底，爐底來的一次 風(fēng)混合成 ，固流化燃燒。二次風(fēng)從燃燒室中下部補(bǔ)入，以提供進(jìn)一步燃盡所需的空氣。 石灰石粉經(jīng)加料裝置加入燃燒室主燃燒區(qū)，在料床溫度為 850℃ ~950℃的較佳脫硫溫度下與硫反應(yīng)，生成比較穩(wěn)定的硫化鈣，除去煤中的硫，大大減少煙氣中SO2 的排放量。 燃燒室出口裝有 4 組高溫分離器，用于分離煙氣與未燃盡的粗顆粒。分離出的顆粒經(jīng)錐閥，根據(jù)控制床溫，再熱氣溫主參數(shù)的情況，調(diào)節(jié)直接返回鍋爐的循環(huán)料量和經(jīng)過加熱器返回鍋爐料量的比例。調(diào)節(jié)裝有中溫過熱器的回料錐形閥， 用于調(diào)節(jié)鍋爐料床溫度。 尾部煙道布置有末級(jí)過熱器，低溫再熱器，省煤器和空氣預(yù)熱器，吸收煙氣余熱。煙氣經(jīng)除塵器，由吸風(fēng)機(jī)送入煙囪后，排入大氣。 燃燒產(chǎn)生的灰渣，通過冷渣器冷卻后排出。同時(shí)通過調(diào)節(jié)灰渣的排放量，來控制鍋爐 料床的高度，滿足運(yùn)行的安全，經(jīng)濟(jì)性要求。 .2 循環(huán)流化床鍋爐的基本技術(shù)特點(diǎn) (1)低溫的動(dòng)力控制燃燒 循環(huán)流化床燃燒是一種在爐內(nèi)使高速運(yùn)動(dòng)的煙氣與其所攜帶的湍流擾動(dòng)極強(qiáng)的固體顆粒密切接觸，并具有大量顆粒返混的流態(tài)化燃燒反應(yīng)過程；同時(shí)，在爐外將絕大部分高溫的固體顆粒捕集，并將它們送回爐內(nèi)再次參與燃燒過程 ,反復(fù)循環(huán)地組織燃燒。顯然，燃料在爐膛內(nèi)燃燒的時(shí)間延長(zhǎng)了。在這種燃燒方式下，爐內(nèi)溫度水平因受脫硫最佳溫度限制，一般 850℃左右。這樣的溫度遠(yuǎn)低于普通煤粉爐中的溫度水平，并低于一般煤的灰熔點(diǎn)，這就免去了灰熔化帶 來的種種煩惱。這種“低溫燃燒”方式好處甚多，爐內(nèi)結(jié)渣及堿金屬析出均比煤粉爐中要改善很多，對(duì)灰特性的敏感性減低，也無須很大空間去使高溫灰冷卻下來，氮氧化物生成量低，可于爐內(nèi)組織廉價(jià)而高效的脫硫工藝。從燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度看，循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的燃燒反應(yīng)控制在動(dòng)力燃燒區(qū) (或過渡區(qū) )內(nèi)。由于循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)相對(duì)來說溫度不高，并有大量固體顆粒的強(qiáng)烈混合，這種情況下的燃燒速率主要取決于化學(xué)反應(yīng)速率，也就是決定于溫度水平，而物理因素不再是控制燃燒速率的主導(dǎo)因素。循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)燃料的燃盡度很高，通常，性能良好的循環(huán)流化床鍋 爐燃燒效率可達(dá) 95～ 99％以上。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 (2)高速度、高濃度、高通量的固體物料流態(tài)化循環(huán)過程 從圖 中可看出，循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的固體物料（包括燃料、殘?zhí)俊⒒?、脫硫劑和惰性床料等）?jīng)歷了由爐膛、分離器和返料裝置所組成的外循環(huán)。同時(shí)在爐膛內(nèi)部因壁面效應(yīng)還存在著內(nèi)循環(huán)，因此循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的物料參與了外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種循環(huán)運(yùn)動(dòng)。整個(gè)燃燒過程以及脫硫過程都是在這兩種形式的循環(huán)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)過程中逐步完成的。 圖 固體物 料流態(tài)化循環(huán)過 (3)高強(qiáng)度的熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞過程 在循環(huán)流化床鍋爐中，大量的固體物料在強(qiáng)烈湍流下通過爐膛，通過人為操作可改變物料循環(huán)量，并可改變爐內(nèi)物料的分布規(guī)律，以適應(yīng)不同的燃燒工況。在這種組織方式下，爐內(nèi)的熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞過程是十分強(qiáng)烈的，這就使整個(gè)爐膛高度的溫度分布均勻。 .3 循環(huán)流化床鍋爐的優(yōu)點(diǎn) (1)燃料適應(yīng)性廣 這是循環(huán)流化床鍋爐的主要優(yōu)點(diǎn)之一。在循環(huán)流化床鍋爐中按重量計(jì)，燃料僅占床料的 1～ 3％，其余是不可燃的固體顆粒，如脫硫劑、灰渣等。因此，加到床中的新鮮煤顆粒被相當(dāng)于一個(gè) “大蓄熱池”的灼熱灰渣顆粒所包圍。由于床內(nèi)混合劇烈，這些灼熱的灰渣顆粒實(shí)際上起到了無窮的“理想拱”的作用，把煤料加熱到著火溫度而開始燃燒。在這個(gè)加熱過程中，所吸收的熱量只占床層總熱容量的千分之幾，因而對(duì)床層溫度影響很小，而煤顆粒的燃燒，又釋放出熱量，從而能使床層保持一定的溫度水平，這也是流化床一般著火沒有困難，并且煤種適應(yīng)性很廣的原因所在。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 (2)燃燒效率高 循環(huán)流化床鍋爐的燃燒效率要比鼓泡流化床鍋爐高，通常在 95～ 99％范圍內(nèi)，可與煤粉鍋爐相媲美。循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率高是因?yàn)橛邢率鎏攸c(diǎn)：氣固混合良好； 燃燒速率高，其次是飛灰的再循環(huán)燃燒。 (3)高效脫硫 由于飛灰的循環(huán)燃燒過程，床料中未發(fā)生脫硫反應(yīng)而被吹出燃燒室的石灰石、石灰能送回至床內(nèi)再利用；另外，已發(fā)生脫硫反應(yīng)部分，生成了硫酸鈣的大粒子，在循環(huán)燃燒過程中發(fā)生碰撞破裂，使新的氧化鈣粒子表面又暴露于硫化反應(yīng)的氣氛中。這樣循環(huán)流化床燃燒與鼓泡流化床燃燒相比脫硫性能大大改善。當(dāng)鈣硫比為 ～ 時(shí)，脫硫率可達(dá) 85～ 90％。而鼓泡流化床鍋爐，脫硫效率要達(dá)到 85～90％ ，鈣硫比要達(dá)到 3～ 4，鈣的消耗量大一倍。與煤粉燃燒鍋爐相比，不需采用尾部脫硫脫硝裝 置，投資和運(yùn)行費(fèi)用都大為降低。 (4)氮氧化物（ NOX）排放低 氮氧化物排放低是循環(huán)流化床鍋爐另一個(gè)非常吸引人的特點(diǎn)。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，循環(huán)流化床鍋爐的 NOX 排放范圍為 50～ 150ppm 或 40～ 120mg/MJ。循環(huán)流化床鍋爐 NOX 排放低是由于以下兩個(gè)原因：一是低溫燃燒，此時(shí)空氣中的氮一般不會(huì)生成 NOX ；二是分段燃燒，抑制燃料中的氮轉(zhuǎn)化為 NOX ，并使部分已生成的 NOX 得到還原。 (5)燃燒強(qiáng)度高，爐膛截面積小 爐膛單位截面積的熱負(fù)荷高是循環(huán)流化床鍋爐的另一主要優(yōu)點(diǎn)。其截面熱負(fù)荷約為 ～ ，接近或高于煤粉爐。同樣熱負(fù)荷下鼓泡流化床鍋爐需要的爐膛截面積要比循環(huán)流化床鍋爐大 2～ 3 倍。 (6)負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大，負(fù)荷調(diào)節(jié)快 當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，只需調(diào)節(jié)給煤量、空氣量和物料循環(huán)量，不 必像鼓泡流化床鍋爐那樣采用分床壓火技術(shù)。也不象煤粉鍋爐那樣，低負(fù)荷時(shí)要用油助燃，維持穩(wěn)定燃燒。一般而言，循環(huán)流化床鍋爐的負(fù)荷調(diào)節(jié)比可達(dá)（ 3～ 4）： 1。負(fù)荷調(diào)節(jié)速率也很快，一般可達(dá)每分鐘 4％。 (7)易于實(shí)現(xiàn)灰渣綜合利用 循環(huán)流化床燃燒過程屬于低溫燃燒，同時(shí)爐內(nèi)優(yōu)良的燃盡條件使得鍋爐的灰渣含炭量低（含炭量小于 1％ ），屬于低溫?zé)?，易于?shí)現(xiàn)灰渣的綜合利用，如作為水泥摻和料或做建筑材料。同時(shí)低溫?zé)敢灿欣诨以邢∮薪饘俚奶崛　? (8)床內(nèi)不布置埋管受熱面 循環(huán)流化床鍋爐的床內(nèi)不布置埋管受熱面，因而不存在鼓泡流化床鍋爐的埋管受熱面易磨損的問題。此外，由于床內(nèi)沒有埋管受熱面，啟動(dòng)、停爐、結(jié)焦處理 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 時(shí)間短，可以長(zhǎng)時(shí)間壓火等。 (9)燃料預(yù)處理系統(tǒng)簡(jiǎn)單 循環(huán)流化床鍋爐的給煤粒度一般小于 13mm，因此與煤粉鍋爐相比，燃料的制備破碎系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。 (10)給煤點(diǎn)少 循環(huán)流化床鍋爐的爐膛截面積小，同時(shí)良好的混合和燃燒區(qū)域 的擴(kuò)展使所需的給煤點(diǎn)數(shù)大大減少。既有利于燃燒，也簡(jiǎn)化了給煤系統(tǒng)。 系統(tǒng)整體方案的確定 鍋爐燃燒控制系統(tǒng) 是一個(gè)復(fù)雜的控制過程，在實(shí)際生產(chǎn)中既可以采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，也可以采用 PLC 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 。 方案一：采用單片機(jī)進(jìn)行控制。 日前，單片機(jī)主要有 8 位、 16 位、 32 位單片機(jī)。單片機(jī)是以工業(yè)測(cè)控對(duì)象、環(huán)境、接口特點(diǎn)出發(fā)向著增強(qiáng)控制功能，提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性方向發(fā)展。它的特點(diǎn)如下：種類多型號(hào)全、低功耗、提供 C51 程序開發(fā)環(huán)境等。近年來，單片機(jī)的使用壽命在延長(zhǎng)，運(yùn)行速度也在加快，噪聲在降低，可靠性技術(shù)在加強(qiáng) 。如采用單片機(jī)進(jìn)行控制，可采用 AT89S51 作為 CPU，還需要進(jìn)行外圍電路的設(shè)計(jì)，但外圍電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)；采用單片機(jī)的最大弊端是難以保證其可靠性，給整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來隱患。 方案 二 ：采用 PLC 進(jìn)行控制。 PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體， 易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的 A/D 轉(zhuǎn)換及 D/A 轉(zhuǎn)換。 PLC廠家都生產(chǎn)配套的 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 PLC有以下功能特點(diǎn)：可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)； 配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造； 5 體積小，重量輕，能耗低等。 通過比較，此系統(tǒng)采用 PLC 進(jìn)行控制。 PLC 的種類繁多，但其組成結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。用 PLC 實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)是按一定算法進(jìn)行輸入 /輸出變換，并將這個(gè)變換給以物理實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于