基于DCS的锅炉优化控制系统设计与开发.doc

基于DCS的锅炉控制系统设计 姓名：邱玉泉 指导老师：刘福荣摘要：由于燃煤锅炉，它的燃烧过程是一个耦合严重、具有严重非线性、时变特性、扰动变化激烈且幅值大的多变量系统，其中送风量、引风量、给煤量、热网负荷、环境温度等参数的变化都将对燃烧系统产生直接的影响，所以锅炉燃烧控制不仅直接影响锅炉供热工况的稳定，而且对节能降耗，保护环境，提高链条锅炉的热效率有着重要的意义。然而，目前的热电厂锅炉的燃烧优化主要依靠调试人员进行多种工况和常用煤种试验，以获取不同工况下的最佳风/煤比，运行人员参照运行，这种方法费时费力，而且由于链条锅炉使用的煤种变化以及运行工况变化频繁，实际工况往往偏离实验工况，同时这种燃烧调整方法不能根据运行条件的变化实时的调整控制方案，使链条锅炉处于最佳运行状况，造成资源浪费。 本文对目前供热系统普遍存在的锅炉燃烧控制系统进行了研究，针对目前锅炉普遍存在的煤质多变，负荷多变，锅炉常偏离最佳燃烧状况造成资源浪费且过滤自控率低等问题，设计开发了一套基于DCS的锅炉控制系统。本系统在原有浙大中控JX-300XP DCS基础上,釆用监控组态软件控制系统,利用OPC技术实现DCS与力控组态软件之间的动态数据交互，在保证了系统精确性的前提实现节能,看似损失了一定的优化量,但是整个控制系统的自控率得到了保证,在供热锅炉控制上做到了恶劣时保稳定,稳定时求最优”。关键词:DCS;监控系统第一章绪论1.1问题的提出工业锅炉【1-2是利用燃料(包括煤、气、油等)的热能将工质加热到一定温度和压力的换能设备。锅炉生产在我国国民经济发展中占据着重要的地位。然而锅炉的燃烧换热过程是一个复杂的工业过程。它主要包括煤的燃烧氧化释放热量和交换热量两大过程,两者都存在多相化学和物理反应过程,这些反应过程的宏观时滞性和非线性是影响锅炉燃烧过程丨控制稳定性的首要问题。研究分析锅炉燃烧过程等生产环节的特性,是实现锅炉燃烧优化控制的关键。工业锅炉的能源主要以煤为主,其它燃料,例如油、气等仅占极小部分。研究锅炉燃烧的实质是研究煤在空气中燃烧的过程。然而锅炉内部的各种过程大多是同时进行,相互影响。由锅炉燃烧的热平衡可知输入热量为有效利用热、排烟损失热、化学不完全燃烧热损失、机械不燃烧损失、锅炉散热以及灰渔物理热损失的总和。在输入热量一定的情况下,通常通过减少化学不完全燃烧热损失来增加有效利用热。而炉内换热过程又存在以下几个方面的特点:(1)换热方式分为辐射和对流两种,主要以前者为主,后者一般不超过5%;(2)辖射特性根据燃料的不同而波动;(3)由于火焰温度分布不同,火焰中辐射成分也不同,带来特性的不稳定;总之,在实际生产中,锅炉的燃烧换热过程存在诸多问题:辖射换热具有非线性,燃烧换热过程具有时滞性,负载以及设备性能具有时变性。而工业锅炉燃烧系统控制的首要任务是使燃料燃烧所产生的热量适应负荷的需求,与此同时还要保证锅炉的经济燃烧和安全运行具体调节任务可概括为三个方面:1.保持出水温度恒定保持出水温度恒定是燃烧过程控制的第一项任务。如果出水温度改变了,就意味着锅炉的产热量与负荷设备的消耗量不一致,因此必须改变燃料的供应量,来改变锅炉的燃烧产热量,从而达到改变锅炉输出恢复出水温度为设定值的目的。此外,保持出水温度在一定范围内,也是保证锅炉和各个负荷设备正常工作的必要条件。2.确保锅炉经济燃烧确保锅炉经济燃烧是锅炉燃烧过程控制的第二项任务。燃烧的经济性指标很难直接测量,常用烟气中的合氧量或者是燃料量与给风量的比值来衡量。如果能够保持燃料量与空气量的正确比值，就能达到最小的热量损失和最大的燃烧效率。反之，如果比值不当，空气不足，会导致燃料的不完全燃烧，当大部分燃料不能完全燃烧时，热量损失直线上升；而如果空气过多，就会使大量的热量损失在烟气之中，使燃烧效率降低。一般说来，保持2%的氧或10%的过剩空气是最适宜的，这样的热量损失最小。 3、维持合适的炉膛负压 炉膛负压的变化，反应了引风量与给风量的不协调的变化。通常要求炉膛负压保持在20-40pPa的范围内，在这个范围内对燃烧工况，以及锅炉的维护及安全运行都最有利。如果炉膛负压过小，炉膛内容易向外喷火，可能危及设备与操作人员的安全，同时带来环境污染等问题；炉膛负压过大，炉膛漏风量变大，增加引风机的电耗和烟气带走的热量损失。因此，需要维持炉膛负压在适当范围之内。 这三项调节任务是相互关联的，它们可以通过调节燃料量，给风量和引风量来完成，而对于燃烧过程而言，自动控制系统的要求是：在负荷稳定时，应使燃料量、给风量和引风量各自保持不变，及时地补偿系统的内部扰动。这些内部扰动包括燃料的质量变化，给风量和引风量的变化等；在有负荷变化的外部干扰作用时，则应使燃料量、给风量和引风量成比例地改变，既要适应负荷要求，又要使三个被调量出水温度、炉膛负压和燃烧经济性指标保持在允许的范围内。综合以上所诉的调节任务以及自动控制系统的要求使得设计优化算法变得复杂化。1.3国内外研究现状锅炉燃烧优化控制的最终目标是控制锅炉内的燃料处于最完全燃烧状态下,这时候锅炉的效率最高，因此寻优目标要选择锅炉效率或能够间接反映锅炉效率的锅炉运行参数,根掘目前国内外的研究情况,以寻优目标为界记来区分不同的寻优方案,锅炉燃烧优化控制方案有以下几种类型:1、以炉膛温度为寻优目标的燃烧优化方案稳定工况运行时锅炉的燃烧效率与炉温一一对应的,而炉温与空气过剩系数存在着单峰曲线关系,在一定程度上可以用温度来间接反映锅炉的燃烧效率,但这种方法在实际中未得到广泛应用,因为炉内温度场是三维的,它足炉腔宽度、深度和高度的函数,在炉膛同一段而上，各点温度相差很大,因而很难反映整个炉膛内燃烧状况的温度,同吋所测温度随炉内燃烧工况的波动而变化,因而炉腔温度不是一个能很稳定地反映炉内燃烧状况的参数。2、以炉膛断面辐射能量作为寻优目标的燃烧优化方案 锅炉的最高燃烧效率总是在炉膛总辐射能量最高的情况下才出现的,而且最高炉膛总辐射能一定对应着最佳风/煤比,这是以炉膛断面辐射能量作为优参数的燃烧优化方案的理论依据。然而这种方法并没有在实际生产中得到广泛的应用,原因可能是优化过程中产生的风量波动量辐射不能很大,引起的炉膛辐射能量变化量难以被测出来。3、以锅炉热效率为寻优目标的燃烧优化方案 锅炉效率与空气过剩系数间存在着单极值非线性关系,因此通过效率相对与风量的梯度值的符号情况可以判断下一步送风量改变的大小和方向。期简要过程如下:给送风量一个波动量,例如增加风量,然后计算锅炉效率,如果锅炉的效率增加,说明增加风量有助于改善燃烧工矿,因此继续增加风量,反之,下-步应减少风量,如此这样的不断探索,最终找到并且稳定运行于极值点附件。这种锅炉燃烧优化控制方案的基础是如何快速准确的测量锅炉效率,而当锅炉负荷变化吋,又要重新寻找新的极值点,并且这种方案有较大的滞后性。4、以最佳含氧量为控制标准的燃烧优化控制力案 通过测量烟气中的氧含量来大致确定运行过程中风/煤比是否合适,若偏离了氧含量的最佳值,则由含氧量调节系统进一步修正,使之达到最佳值,从而保证锅炉的热效率为最高。由于最佳氧含量是随负荷以及煤种等因素的变化而变化,而且烟道漏风对氧含量影响很大,所以这种调节系统的弊端也显而易见。5、以固定的数学模型16为控制标准的燃烧优化控制方案虽然最佳空气过剩率随着负荷波动,但不同的锅炉其波动关系是不同的,多数锅炉生产厂家没有提供这样的关系曲线。人们可以根据司炉工的经验数据,经过长期的观察,记录积累不同负荷下认为是燃烧工况最好的烟气氧含量数据,然后利用这些数据通过线性回归等数学方法,建立最佳氧含量随负荷变化的数学模型。当锅炉运行过程中负荷变化时,系统根据这一模型自动修正氧含量的设定值,从而达到最佳燃烧的目的。这种方法的优点是模型已经预先离线计算好,寻找最优点的速度快,并且对工况没有干扰;缺点是所釆集的数据量有限,还掺杂人为经验,模型精度不够精确。以上每一种燃烧优化方案都有成功的应用范例,然后以上几种燃烧优化控制方案都存在着不足的地方寻优参数难以准确测量和大滞后问题限制了它们在实际生产中的应用与推广。对于本文所涉及的链条热水锅炉,从控制理论的角度分析,它是一个多变量、非线性、分布参数的和带时延的复杂对象,它有多个被控变量(温度,氧含量和炉腔负压等)和调节变量(煤量,鼓风量和引风量等),相互之间存在着交叉影响,还有煤质、环境温度和水流量等诸多干扰因素。要满足供暖的需要,首先必须要保证锅炉的出水温度和出水流量的稳定,其次是要保证炉膛负压维持在一定的范围内,来保证生产的安全性和燃烧的经济性。1.4本文课题来源和主要研究内容本课题来源于高德欣老师承担的青岛市科技发展计划非线性智能优化控制方法及在化工工程中的应用研究(12-l-4-3-(17)-jch)与青岛某供热企业锅炉优化控制系统改造项目。全文内容具体安排如下:第1章绪论介绍了课题的研究背景、现状及目的,并对全文内容做了概述。第2章首先介绍了链条热水锅炉的工艺流程以及常规的控制方案,主要以常规的IID控制为主,并且总结了目前燃烧系统的任务及控制过程中存在的难点。然后介绍了集散控制系统,以及本文所涉及到的浙大中控JX-300XP DCS的硬件结构以及软件使用。第二章供热锅炉DCS控制系统我国供暖系统中大部分釆用燃煤热水链条锅炉,运行中采用仪表或DCS实现手动/自动控制。近年来,以水作为热媒的集中供热系统在国内发展比较快,它被越来越多的多用于区域或街区的供暖18。热水锅炉相比蒸汽锅炉较具有以下优点:1.热损失少,节约能量、便于调节;2.压力温度较低,安全性较高;3.对水处理的要求低,锅炉结构相对简单,制造方便,钢材耗量少。另外,热水供热与蒸汽供热相比具有蓄热能力强,热网效率高,供热距离远,供热调节性能好,热网的补水量小等优点。2.1锅炉工艺流程简介青岛某热电厂两台链条式热水锅炉19,型号为DHL29-1.57/150/90-AII,锅炉室内双层布置,运行层高4.5m,锅炉呈n骨。烟气由炉膛进入转向室后进入对流管束区,对流管束分成前后两部分,烟气为W形流动,前部管束明显要比后部管束吸热量大,热水上升下降分明,构成了有序的自然循环,中间的隔室可以供检修人员进入砌筑隔墙进行检修。烟气为横向以及纵向混合冲刷,烟气的流速选取较高,这样的布置可以使水循环有所保证。烟气混合冲刷,使得对流管区不积灰,能够一直保持良好的传热状态,尾部布置了空气预热器。以下是锅炉的相关设计参数:表2-1锅炉基本参数按照链条热水锅炉的丨:艺流祝,整个丨:产过祝:丨:1招:锅炉A丨动|丨彳丨的检与准备、祸炉的丨|动、锅炉的运行以及锅炉的停炉,而锅炉的运行阶段足粮个工艺流程以及参与控制的主要阶段,也始本论文研究的觅点。在锅炉的运行阶段,燃烧过程的控制:?生要山给煤發、鼓风量和引风ift纟丨1成,这二个控制费相兄匹配、密切相关,由炉排屯机转速、鼓风机屯机转速和引风机屯机转速来调丨。调炉排电机转速足为了改变燃烧强疫,保持热水温度:调节鼓风机转速足为了保持合造的风/煤比;调节引风机转速时为了保持炉膛负压此外,炉排电机、鼓风机、引风机之间应设置;f丨停连锁,沖确保锅炉在引风机已经运转起来的悄况卜才能jn动鼓风机,汽则可能会il:!成炉脱产生导致火炮、炉灰唢出符火孔。聞2-1足热水锅炉的艺流程阁:2.2锅炉的常规控制策略链条热水锅炉的燃烧系统直接关系到节能,因而是链条热水锅炉控制系统的关键。同时,存效的控制热水锅炉的燃烧对锅炉的经济、安全、稳定运行具有非常重耍的补会意义。链条热水银炉燃烧丨$制系统的基本任务楚使不同煤质的燃煤燃烧所提供的热量适应锅炉负荷的需要。热水锅炉燃烧系统常规控制策略系统框丨冬丨如图2-2所示,燃烧控制系统的任务主要有三点:（1） 保证用户所需供热量 链条热水锅炉供暖系统的热负荷是不稳定，供暖热负荷主要随着室外温度的变化而变化。因此，为了保证热水锅炉的供热量，满足供暖用户的使用要求，并使得热能的制造和输送能够经济合理，链条热水锅炉供暖系统需要根据室外温度的变化改变出水温度的设定值。供暖系统中燃烧子系统的首要任务就是要以出水温度结合室外温度为信号，调节煤量。（2） 保证锅炉燃烧的经济性 对于在出水温度已给定的情况下，燃烧子系统的另一项任务便是调节给煤量与鼓风量的比例，是燃煤在炉膛内达到最佳的燃烧状态。供暖系统的常规控制方案实在运行时根据以往的经验设定固定的风/煤比，使得燃煤量与鼓风量成一定的比例关系。（3） 确保炉膛负压在一定的范围之内 炉膛负压的频繁变化，直接反应了鼓风量与引风量的不相适应。如果炉膛负压过小，炉膛容易泄露锅炉煤气以及向外喷火，危及设备和工作人员的生命安全；如果炉膛负压过大，炉膛内的漏风量加大，增加烟气带走的热量损失和引风机的耗电量。供暖系统的常规控制方案是根据经验设定炉膛负压值，然后根据鼓风量以及所测得的烟气含氧量的变化运用PTD算法（或是其他的一些算法：如模糊算法等）来确定引风量，控制炉膛负压使其保持在一定的范围内。2.3燃烧控制系统的难点锅炉的燃烧控制系统是一个多扰动、多参数对象、各参数交叉影响的复杂控制系统。链条热水锅炉存在较大的不稳定性、不确定性、复杂性,以及较长的时间滞后和较大的容量滞后。因此,采用常规的PID调节很难达到控制要求,甚至无法投入自动运行。分析现有许多锅炉自动控制系统和热水锅炉的运行情况,目前的锅炉燃烧控制系统存在以下控制难点:1、链条热水锅炉从给煤量的变化到其燃烧产生的热量,并使锅炉出口的水温发生变化需要较长的时间,即锅炉出口水温的容量滞后大、纯滞后时间长,用简单的PID控制很难获得理想的效果。2、煤质的变化,造成风/煤比的改变,采用一般的定值控制系统无法使锅炉燃烧系统始终运行在最佳状态。3、锅炉的燃烧过程机理相对复