【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖 燃燒系統(tǒng)流程圖 送風(fēng)機(jī) 磨煤機(jī) 熱空氣 空氣預(yù)熱器 煤斗 煤 輸煤皮帶 排粉風(fēng)機(jī) 煤粉 鍋爐 爐渣 沖灰水 除塵器 引風(fēng)機(jī) 灰渣泵 細(xì)灰 熱空氣 冷空氣 煙氣 經(jīng)煙囪排向大氣 至灰場(chǎng) 自輸煤系統(tǒng) 過(guò)熱蒸汽 除氧器 補(bǔ)給水 生水 低壓加熱器 高壓加熱器 排氣 凝結(jié)水 凝結(jié)水泵 汽輪機(jī) 發(fā)電機(jī) 過(guò)熱器 鍋爐 省煤器 鍋爐給水 給水泵 水處理 設(shè)備 循環(huán)水泵 冷卻水 凝汽器 (軟化 ) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 6 設(shè)計(jì)鍋爐控制系統(tǒng)必須考慮鍋爐的經(jīng)濟(jì)性和安全性 。 （ 1） 鍋爐的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) 1． 受熱面的蒸發(fā)率：每平方米受熱面一小時(shí)生產(chǎn)的蒸汽量，單位 Kg/m2 h。 鍋爐的效率：用于產(chǎn)生加熱水和蒸汽所用的熱量 Q1 與每小時(shí)送入爐膛燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量 Qr之比，用符號(hào) %表示。 %1001 ?? rgl ? （ ） 2． 鍋爐的凈效率：除了鍋爐 機(jī)組運(yùn)行消耗的能量之后的鍋爐效率 %1 0 02 9 2 7 01 ???? ? ? pBbQzyrj? （ ） 3． 汽煤比：一噸煤燃燒所能產(chǎn)生的蒸汽量，由于不同鍋爐對(duì)蒸汽的質(zhì)量要求不一樣，所以不同鍋爐的汽煤比不具有可比性。 （ 2） 鍋爐的安全性指標(biāo) 鍋爐連續(xù)運(yùn)行的小時(shí)數(shù)：鍋爐兩次被迫停止運(yùn)行的時(shí)間間隔。 鍋爐可用率：統(tǒng)計(jì)期間內(nèi)，鍋爐運(yùn)行的總小時(shí)數(shù)和鍋爐的總備用小時(shí)數(shù)之和 與統(tǒng)計(jì)期間內(nèi)總小時(shí)數(shù)之比 [2]。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 7 第三章 火電廠鍋爐控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 控制方案的選擇 火電廠鍋爐 的控制系統(tǒng)有三種方案 （ 1） 基于單片機(jī)的控制系統(tǒng) （ 2） 基于 Labview 的控制系統(tǒng) （ 3） 基于 PLC 和組態(tài)王的控制系統(tǒng) 單片機(jī)偏電子，適用于無(wú)線控制領(lǐng)域和中小型控制領(lǐng)域，以其重量輕、功能強(qiáng)、功耗小和安全性高等特點(diǎn)，在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用，但是由于其可靠性和自身保護(hù)性較 PLC 差，而且抗干擾能力及穩(wěn)定性都不及 PLC,所以單片機(jī)一般只適合應(yīng)用在控制要求不高的場(chǎng)合。 虛擬儀器與單片機(jī)相比，不僅省掉了單片機(jī)通信電路和轉(zhuǎn)換電路，控制精度較高、開(kāi)發(fā)周期短，而且采用 Labview 編程簡(jiǎn)單、調(diào)試方便，采用虛擬儀器控制 方法效率高、性能好，但是由于其編程語(yǔ)言是圖形化的，所以修改起來(lái)十分麻煩。 與單片機(jī)和虛擬儀器相比， PLC 不僅可靠性和自動(dòng)化程度高，抗干擾能力強(qiáng)，而且程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，除了能夠完成簡(jiǎn)單的邏輯控制，還可以通過(guò)功能模塊和功能指令完成復(fù)雜的模擬量控制，對(duì)操作人員的要求較低，應(yīng)用在控制要求較高的大中型設(shè)備中。 綜合考慮火電廠鍋爐控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用基于 PLC 的火電廠鍋爐控制方案。 基于 PLC 的鍋爐控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 本控制系統(tǒng)的上位機(jī)是一臺(tái)工控計(jì)算機(jī)，下位機(jī)是西門(mén)子 S7200 可編程控制器，上位機(jī)通 過(guò)傳感器獲得鍋爐各個(gè)參數(shù)的當(dāng)前值，通過(guò)組態(tài)王監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐當(dāng)前情況的監(jiān)控、報(bào)警等功能，下位機(jī) PLC 通過(guò)控制變頻器或者閥門(mén)開(kāi)度完成對(duì)控制變量煤粉流量、給水流量、給風(fēng)量、引風(fēng)量的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒過(guò)程、爐膛壓力、汽包水位和過(guò)熱器溫度的控制。系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)原理圖如圖 所示。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 8 上 位 機(jī)P L C爐 排 變 頻 器 引 風(fēng) 變 頻 器 給 水 變 頻 器 鼓 風(fēng) 變 頻 器爐 排 電 機(jī) 鼓 風(fēng) 電 機(jī)水 泵 電 機(jī)引 鳳 電 機(jī)A / D轉(zhuǎn) 換爐 膛 壓 力過(guò) 熱 器 溫 度汽 包 水 位爐 膛 溫 度 圖 鍋爐控制系統(tǒng)原理圖 鍋爐控制過(guò)程 鍋爐控制過(guò)程主要包括爐膛溫度控制、汽包水位控制、爐膛壓力控制、過(guò)熱器溫度控制。 鍋爐控制系統(tǒng)控制流程圖如圖 所示。 圖 鍋爐控制系統(tǒng)流程圖 汽包水位控制系統(tǒng)：維持汽包物料平衡，使給水量與蒸發(fā)量相適應(yīng)，使汽包水位在控制要求范圍內(nèi)。 燃燒控制系統(tǒng)：包括爐膛溫度控制系統(tǒng)和爐壓控制系統(tǒng)，空氣流量和煤粉流量按一內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 9 定比例混合燃燒，保證爐膛溫度和蒸汽負(fù)荷要求，同時(shí)使引風(fēng)量和送風(fēng)量相適應(yīng)，維持爐壓在控制要求范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)燃燒經(jīng)濟(jì)性和安全性。 過(guò)熱器溫度控制系統(tǒng)：使過(guò)熱器出口蒸汽溫度在允許范圍內(nèi)，滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求[3]。 爐膛溫度控制系統(tǒng) 由于爐溫控制過(guò)程具有大慣性、多擾動(dòng)和非線性的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用爐溫和煤粉串級(jí)控制的 方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。 為了更好地控制燃燒過(guò)程參數(shù)，提高燃燒效率，必須設(shè)計(jì)合理有效的控制系統(tǒng)對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行精確的控制，燃燒過(guò)程采用空氣和煤粉的雙閉環(huán) 比值控制系統(tǒng)。爐溫控制系統(tǒng) 框圖 如圖 所示。 爐 膛 溫 度調(diào) 節(jié) 器煤 粉 流 量調(diào) 節(jié) 器煤 粉 流 量調(diào) 節(jié) 閥煤 粉 管 道 爐 膛 空 氣 流 量變 送 器K空 氣 流 量調(diào) 節(jié) 器煤 氣 流 量變 送 器爐 膛 溫 度變 送 器空 氣 管 道空 氣 流 量調(diào) 節(jié) 閥設(shè) 定 溫 度 T實(shí) 際測(cè) 量溫 度值 圖 爐溫控制系統(tǒng)框圖 該系統(tǒng)以爐膛溫度控制和煤粉流量控制構(gòu)成串級(jí)回路，其中的溫度控制為主環(huán)，煤粉流量控制為副環(huán)，爐膛實(shí)際測(cè)得的溫度作為反饋信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行較得出偏差，溫度調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差信號(hào)對(duì)煤粉流量進(jìn)行控制，這樣外環(huán)溫控回路根據(jù)爐溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，內(nèi)環(huán)可以 快速相應(yīng)溫度變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的精確控制。 汽包液位控制系統(tǒng) 汽包液位是鍋爐正常運(yùn)行的重要控制參數(shù)之一，也是生產(chǎn)過(guò)程的重要工藝指標(biāo)，汽包水位過(guò)高會(huì)導(dǎo)致汽包上部空間減小，影響其中的汽、水分離，蒸汽會(huì)出現(xiàn)帶液現(xiàn)象，這種情況不僅降低了蒸汽質(zhì)量和產(chǎn)量，還會(huì)導(dǎo)致蒸汽結(jié)垢或者損壞汽輪機(jī)葉片。而汽包內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 10 液位過(guò)低輕則影響汽、水平衡，重則會(huì)出現(xiàn)干鍋現(xiàn)象，有可能導(dǎo)致鍋爐爆炸。由于蒸汽負(fù)荷和給水壓力變化大、不穩(wěn)定，導(dǎo)致給水流量發(fā)生較大變化，從而影響汽包水位。蒸汽用量突然加大時(shí)，蒸汽壓力會(huì)瞬間下降，水沸騰加劇，汽包水的表面和底 部汽泡量會(huì)迅速增加，由于汽包的體積比水的體積大很多倍，會(huì)出現(xiàn)汽包水位升高的假象?？墒沁@種假象仍會(huì)被簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)當(dāng)成真正的水位去處理，錯(cuò)誤地減小給水流量。反之，當(dāng)蒸汽用量突然減少時(shí)，會(huì)出現(xiàn)水位下降的假象，而液位控制器分辨不清真、假現(xiàn)象，錯(cuò)位地進(jìn)行開(kāi)大給水閥門(mén)，影響鍋爐正常的運(yùn)行。如果我們能夠把主干擾蒸汽流量和給水流量這兩種干擾因素同時(shí)引入到控制系統(tǒng)，那么鍋爐汽包液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)就能夠克服這種假水位的現(xiàn)象，由于有三個(gè)信號(hào)作用于控制系統(tǒng)，所以稱(chēng)為三沖量控制系統(tǒng) [4]。該系統(tǒng)的控制框圖如圖 所示。 汽 包水 位 變 送器給 水 調(diào) 節(jié)閥蒸 汽 流 量蒸 汽 流 量變 送 器水 位副 調(diào) 節(jié) 器P I D 2主 調(diào) 節(jié) 器P I D 1水 位 設(shè) 定 值給 水 流 量變 送 器+—給水流量+—+圖 汽包水位控制系統(tǒng)框圖 從原理框圖可知，汽包液位是主沖量，給水流量和蒸汽流量是兩個(gè)輔助沖量，實(shí)際上就是一個(gè)前饋加反饋的三沖量串級(jí)控制系統(tǒng)。當(dāng)出現(xiàn)虛假水位時(shí)， 蒸汽用量增加時(shí)，主調(diào)節(jié)器（正作用、 選用 氣閉閥）的輸出信號(hào)減小，而蒸汽流量信號(hào)不經(jīng)過(guò)主調(diào)節(jié)器，直接傳遞給副調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器的輸出減小，給水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度增大，從而消除虛假水位。當(dāng)蒸汽流量不變給水流量發(fā)生較大的波動(dòng)時(shí)，給水流量作 為反饋值通過(guò)副調(diào)節(jié)器控制給水調(diào)節(jié)閥，直至恢復(fù)到需要的數(shù)值為止 [5]。 主調(diào)節(jié)器根據(jù)設(shè) 定值和反饋信號(hào)的偏差產(chǎn)生動(dòng)作，而副回路抗干擾能力很強(qiáng)，可以及時(shí)克服來(lái)自水流量方面的干擾，從而提高液位控制精度，通常情況下蒸汽信號(hào)和水流量信號(hào)作用相反，當(dāng)出現(xiàn)假水位情況，蒸汽信號(hào)會(huì)起到補(bǔ)償作用，從而保證液位穩(wěn)定在內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 11 允許的變化范圍內(nèi)。本系統(tǒng)中控制器要使液位穩(wěn)定在設(shè)定值上，當(dāng)出現(xiàn)干擾時(shí)不允許有余差，故采用比例積分控制規(guī)律。因此不論是蒸汽還是給水信號(hào)變化時(shí)，都會(huì)破壞調(diào)節(jié)器的平衡，引起調(diào)節(jié)器的作用，減小干擾，提高液位的控制精度，為鍋爐系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了可靠地保障 [6]。 過(guò)熱器溫度控制系統(tǒng) 鍋爐過(guò)熱器出口的 蒸汽溫度是火電廠熱工控制中主要控制參數(shù)之一，直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，一般來(lái)說(shuō)對(duì)過(guò)熱器出口蒸汽影響的因素主要有蒸汽流量的變化、爐膛燃燒情況、鍋爐給水溫度以及流經(jīng)過(guò)熱器表面的煙氣溫度等等。對(duì)過(guò)熱器的要求有質(zhì)與量?jī)蓚€(gè)方面：質(zhì)包括壓力和溫度參數(shù)及潔凈度，量指流量。 過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高，會(huì)燒壞過(guò)熱器水管，影響負(fù)荷設(shè)備如汽輪的正常工作和安全，氣溫過(guò)低會(huì)影響負(fù)荷設(shè)備的使用，例如蒸汽溫度每降低 5℃，熱機(jī)效率就會(huì)下降 1%，因此無(wú)論是從安全還是技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上看，必須保證過(guò)熱器溫度在規(guī)定的范圍之內(nèi)，危機(jī)控制系統(tǒng)一般將氣 溫控制在偏離額定值的 5%之內(nèi) [7]。 過(guò)熱器出口蒸汽溫度控制主要有兩種方法 1：通過(guò)改變煙道溫度控制過(guò)熱器出口蒸汽溫度 2：通過(guò)改變減溫水流量控制過(guò)熱器出口蒸汽溫度。由于第一種方法經(jīng)濟(jì)性不如后者，我們采用第二種方法?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖 所示。 爐 膛 壓 力P I D 調(diào) 節(jié) 器引 風(fēng) 變 頻器爐 膛 負(fù) 壓對(duì) 象鼓 風(fēng) 量 前饋爐 膛 負(fù) 壓變 送 器鼓 風(fēng) 干 擾對(duì) 象爐 膛 負(fù) 壓設(shè) 定 值爐 膛 負(fù) 壓出 口+++++ 圖 過(guò)熱器出口蒸汽溫度控制系統(tǒng)框圖 過(guò)熱器出口蒸汽溫度為主被控參數(shù)，減溫器出口的水流量為副被控參數(shù)，溫度檢測(cè)變送器測(cè)得的過(guò)熱器出口蒸汽溫度與設(shè)定值的偏差作為主調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，主調(diào)節(jié)器內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 12 的輸出再與流量變送器的 偏差作為副調(diào)節(jié)器的輸入，然后控制減溫水的閥門(mén)開(kāi)度，通過(guò)改變減溫水流量來(lái)現(xiàn)對(duì)熱器出口蒸汽溫度的控制。 從控制角度來(lái)講減溫設(shè)備安裝在過(guò)熱器后面比較合理，但是從設(shè)備安全角度減溫器應(yīng)該安裝在過(guò)熱器的前面，從上述矛盾出發(fā)，我們將減溫器安裝在過(guò)熱器上部，更為合理有效地對(duì)過(guò)熱器出口蒸汽溫度進(jìn)行控制。 爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng) 為了確保燃燒過(guò)程的順利、安全、經(jīng)濟(jì)、高效地進(jìn)行，必須對(duì)爐膛壓力進(jìn)行合理的控制，因?yàn)槿绻麪t膛壓力過(guò)高，不僅會(huì)產(chǎn)生向外噴火的現(xiàn)象，還會(huì)損壞鍋爐設(shè)備，可是如果爐膛壓力過(guò)低，就會(huì)吸入冷空氣，影響爐膛的溫度 ，造成燃料的浪費(fèi)，因此爐膛壓力需要維持在一定范圍內(nèi)。對(duì)爐壓的控制采用 前饋 反饋 控制如圖 所示。 其中 鼓風(fēng)量作為前饋信號(hào)，使引風(fēng)量隨鼓風(fēng)量變化，保持爐壓在工藝允許的范圍內(nèi) [8]。 爐 膛 壓 力P I D 調(diào) 節(jié) 器引 風(fēng) 變 頻器爐 膛 負(fù) 壓對(duì) 象鼓 風(fēng) 量 前饋爐 膛 負(fù) 壓變 送 器鼓 風(fēng) 干 擾對(duì) 象爐 膛 負(fù) 壓設(shè) 定 值+++++ 圖 爐壓前饋控制系統(tǒng)框圖 前饋控制是減少被控變量動(dòng)態(tài)偏差的最有效方法之一，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，單獨(dú)使用前饋是很難滿(mǎn)足要求的，由于前饋控制是一種開(kāi)環(huán)控制，無(wú)法校驗(yàn)補(bǔ)償結(jié)果 ，一般前饋控制用來(lái)補(bǔ)償主要干擾的影響。 前饋反饋控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： 1． 對(duì)被調(diào)參數(shù)影響顯著的主要干擾由 前饋進(jìn)行補(bǔ)償，而其余次要干擾可依靠反饋 來(lái)克服，從而保證被調(diào)參數(shù)最終等于給定值。 2． 由于反饋回路的存在，降低了對(duì)前饋控制模型的要求，為工程上實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單 的通用模型創(chuàng)造了條件。 3． 負(fù)荷或工況變化時(shí)，模型特性也要發(fā)生變化，可由反饋控制加以補(bǔ)償，因此具 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 13 有一定的自適應(yīng)能力 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 14 第四章 硬件選型 傳感器選型 1． 溫度測(cè)量元件 對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行可靠、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)檢測(cè)，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)自動(dòng)控制的必要條件，因此選擇合適的檢測(cè)元件顯得十分重要，也是完成檢 測(cè)工作的重要前提。檢測(cè)儀表主要有傳感器和變送器兩部分組成，傳感器將溫度、壓力、流量、物位、成分的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)傳送給變送器，變送器將電信號(hào)再轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)并輸出。 溫度是生產(chǎn)過(guò)程中較為常見(jiàn)的參數(shù)之一，保持溫度在一定范圍內(nèi)也是進(jìn)行安全、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)的重要任務(wù)之一，溫度檢測(cè)元件按照與被測(cè)介質(zhì)的接觸方式可以分為接觸式和非接觸式。接觸式檢測(cè)儀表形式包括膨脹式、壓力式、熱電阻和熱電偶，非接觸式主要是輻射式。接觸式檢測(cè)儀表具有簡(jiǎn)單、可靠、測(cè)溫精度高等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是測(cè)溫存在延時(shí)。而非接觸式檢測(cè)儀表具有較高的測(cè)溫上