（工程热物理专业论文）流化床污泥焚烧炉床温控制研究及热工监控系统研制.pdf

摘要 本论文依托上海桃浦污水处理厂污泥焚烧系统热工监控系统改造工程，根据 流化床焚烧炉的实际情况，借鉴国内外的先进技术和经验，对流化床焚烧炉的计 算机监控系统应用进行了深入的研究。本文的研究工作正是围绕着流化床焚烧炉 计算机监控系统的研制而展开的，重点是监控系统软、硬件的设计和自动控制功 能的实现。 焚烧炉监控系统采用可编程控制器( p l c ) 作下位机、工业控制计算机( p c ) 作上位机与热工参数测量传感器、变送器、操作控制器等组成集散型控制系统 ( d c s ) ，自动监测污泥焚烧炉的各运行参数，并对焚烧炉实行自动控制与调节。 针对混合燃料流化床焚烧炉的特殊性，对不同的控制对象采用不同的控制方 法。污泥焚烧流化床系统是一个多变量强耦合的系统，在总结现场操作经验的基 础上，运用模糊控制策略，对流化床床层温度进行控制，避免了对控制对象精确 数学模型的依赖。对炉膛负压、烟气含氧量、辅助油枪喷油量等控制回路采用带 死区的三段式智能p i d 控制策略。 p l c 和上位机p c 软件开发是监控系统的研制工作的重点。上位机软件采用 通用工业组太软件k i n g v i e w 开发，下位机软件采用c o n c e p t 软件开发。上位机 软件实现了系统安全管理、数据管理、流程界面显示、控制调整等功能，人机界 面友好、操作简单快捷、组太功能强大。p l c 程序由c o n c e p t 软件开发。对采集 的数据通过限值、滤波等一系列前置处理，保证采集的数据真实有效。处理后的 数据参与控制运算，实现流化床床层温度、炉膛负压、烟气含氧量等控制回路的 自动调节功能。 污泥焚烧监控系统实际运行结果表明：在采用给煤量调节床温的情况下，能 稳定控制床层温度在8 5 0 + i o 。c ，炉膛负压稳定控制在4 0 + i o p a ，实现了系统的 安全稳定运行。 关键词：流化床；p l c ；热工监控系统：智能p i d 控制；模糊控制 a b s t r a c t 1 1 1 醅p a p e ri sb a s e do nt h ed e v e l o p i n gm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo f s l u d g ei n c i n e r a t o ri nt a o p uw a s t ew a t e rt r e a t m e n tp l a n t s h a n g h a i a n di t f o c u s e so nt h er e s e a r c ho ft h ei o n i t o d n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo ff l u i d i z e d b e di n c i n e r a t o r , t h ek e yp o i n t so ft h i sp a p e ri n c l u d et h ed e s i g no fs o f t w a r ea n d h a r d w a r eo ft h es y s t e m ，a n dt h er e a l i z a t i o no fa u t o m a d cc o n t r o tf u n c t i o n t h em o n i t o d n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e ma d o p t sat o t a id i s t r i b u t e dc o n t r o i s y s t e m ( d c s ) c o n s t i t u t e db yap r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) a c o m p u t e r ( p c ) a n dt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n gs i g n a ls e n s o r s ，s e n d e r ， c o n t r o l l e r , e t c p l ci su s e dt oc o l l e c td a t aa n dp e r f o r ma u t o m a t i cc o n t r o l p a r i mw h i l ep ci sa d o p t e dt om o n i t o rt h eo p e r a t i o np r o c e s s a n a l y z ed a t ab y c o m m u n i c a t i n gw i t hp l ca n da u t o m a t i cc o n t r o lm o s t l y t h i ss y s t e me n a b l e s t h ec o n t r o ls y s t e mt ob eo p e r a t i n gs a f e 啊r e l i a b l ya n de c o n o m i c a l ma n dt h e n b n n g sm a n yc o n v e n i e n c e st ot h eo p e r a t o r t h i sp a p e rc o n t e n t ss o f t w a r ed e v e l o p m e n to fp l ca n dp c t h es o f t w a r e f o rp cd e v e l o p e db y k i n g v i e w , p r o v e st ob e e f f e c t i v ea n d f n e n d l yt oo p e r a t o r s 豫 a l s op r o v e st ob er u ni ns a f ea n ds t e a d y t h e 文娥悯汜f o rp cr e a l i z e dm a n y f u n c i ；ss u c ha sp r o c e s sd i s p l a y , l i s t - d i s p l a yo fo p e r a t i o np a r a m e t e r s a l a r m i n g ，h i s t o r yq u e r y i n g 。a u t o m a t i cc r e a t i o no fw o r k s h e e t 。a n dt r e n dm o n i t o r , e t c t h e , s o f t w a r ef o rp l cp r o g r a m m e db yc o n c e p t , w h i c hc a ns u c c e s s f u l l y d e t e c t ss i g n a l sa n dc o n t r o l st h ei o o p 8 t h ed e s i g no fa na u t o m a t i cc o m r o il o o p sf o rt h en u i d - z 酣b e di n c i n e r a t o rj s a l s oi n c l u d e di nt h i sp a p e r t h es y s t e mu s e si n t e l l i g e n tp i dc o n t r o l l e rt od e s i g n a u t o m a t i cc o n t r o il o o p s i n c l u d i n gp r e s s u r eo fi n c i n e r a t o r ，p e r c e n t r a g eo f o x y g e ni ng a s f u z z yc o n t r o i i sa l s ou s e di na u t o m a t i cc o n t r o ll o o po f t e m p e r a t u r eo fb e d t h er e s u ro fp r a c t i c a lo p e r s t i o ni n d i c a t et h a tt h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g s y s t e mo fs l u d g ei n c i n e r a t o rr e a c h e dt h ea i mo fd e s i g n i tr u n n i n gs a f e t ya n d s t e a d y k e yw o r d s ：c i r c u l a t i o nf l u i d i z e db e d ； p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ；, t h e r m a le n g i n e e r i n gm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m ； i n t e l l i g e n tp i dc o n t r o l ； f u z z yc o n t r o l 学号力迎! 巫 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谫f 的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：壶呜乏 签字日期： 力。占年岁月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权逝江盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：参呜乏 导师签名： 韶狗 签字日期：力口6 年罗月彳日 签字日期： 莎6 年亏月? f 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 电厂热工控制现状及展望 随着现代工业的发展，人类对电能的需求量也越来越大发电机组逐步由过 去的中小容量发展为大容量、高参数的单元机组目前，我国以2 0 0 m w 和3 0 0 m w 机组为骨干，并以较快的速度发展了6 0 0 m w 以上的机组。大型单元机组对自动 控制系统提出了更高的要求。 目前，电厂控制系统的主流是集散控制系统( d c s ) ，我国的单元机组大部分 采用，一些老旧的单元机组也在进行d c s 系统改造。在d c s 系统基础上，将专 用的微处理器置入传统的测量控制仪表，把多个测量控制仪表连接成网络系统， 实现数据传输与信息交换，形成了新型的网络集成式全分布控制系一一现场总线 控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 现场总线系统相对于d c s 控制系统有 许多显著的优点，是电厂控制系统的今后发展方向，在小范围内已经得到实际应 用。 1 1 1 热电厂单元机组控制系统简介 对单元机组而言，控制的任务是根据锅炉和汽机的不同特性，使锅炉和汽机 相互协调，在满足电网负荷要求的同时，保持机组主要运行参数稳定对控制系 统的要求是多方面而且苛刻的 一个稳定运行的监控系统，要求能够实现全程监测及自动控制：要求具有安 全可靠的保护系统，通常采用冗余配置；要求通信系统具有快速响应能力，稳定 连续运行能力。通常也采用冗余配置；对测量信号的精度有严格要求，要求采用 先进的人机接口装置，使运行人员可以在中央控制室实现单元机组的启动、停止、 正常调整和事故处理。 火电厂控制系统在设计的时候，主要着重于控制( c o n t r 0 1 ) 、报警( a l a r m ) 、 监视( m o n i t o r ) 、保护( p r o t e c t ) 等四大功能【1 1 1 2 为了配合这四个功能，一般单 元机组配有这样的控制系统： ( 1 ) 数据采集和处理系统( d a s ：d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m ) 数 据采集和处理将计算和管理过程以及控制过程中的数据加以采集，并进行必 要的运算处理并转换为数字信号。数据采集和处理系统是整个机组控制系统 的信心中信，提供可靠、迅速、客观的工艺记录，为设各的安全、经济运行 提供有力的依据 ( 2 ) 协调控制系统( c c s ) 。包括负荷主控站和机、炉主控制器。是机、炉各 子系统的指挥机构，接受负荷指令信号，通过负荷指令处理装置和机、炉协 调控制装置，指挥汽机数字电液调节系统，锅炉控制系统以及其他各子系统 浙江大学硕士学位论文 目录 协调动作，以满足电网对负荷的要求并保证机组的稳定运行。 ( 3 ) 锅炉控制系统包括锅炉燃烧、气温、给水等模拟量调节系统( m c s ： m o d u l a t i o nc o n u o ls y s t e m ) ；辅机顺序控制系统( s c s ：s e q u e n t i a lc o n t r o l s y s t e m ) ：锅炉炉膛安全监控系统( f s s s ：f u r n a c es a f e t y g u a r ds u p e r v i s o r y s y s t e m ) ： ( 4 ) 汽机数字电液调节系统( d e l l ：d i g i t a le l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ) 用敏感元件，计算机数字控制装置和液压伺服放大机构组成的实现汽机自动 控制各项功能的控制系统 图1 1 表示了一个单元控制机组各个控制系统之间的协调工作状态： 图1 - 1 单元机组控制系统概貌 1 1 2d c s 集散控制系统在热电厂的应用 集散控制系统( d c s ：d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 又称分散控制系统，是一种 以微处理器为基础，应用网络通信技术、计算技术、屏幕显示技术和过程控制技 术构成的新型控制系统。以适当的功能分散和硬件布置分散的方式，实现对生产 过程的数据采集、控制和保护的功能，利用通信技术实现数据共享 自从1 9 7 5 年h o n e y w e l l 公司宣布第一套集散控制系统( t d c 2 0 0 0 ) 诞生以来， 日益发展完善，并广泛应用于大机组的自动控制。我国火电厂自1 9 8 5 年开始应 用d c s ，目前，3 0 0 m w 以上的火电机组，无论国产机组还是引进机组，都普遍 采用d c s ，一些老旧的2 0 0 m w 。1 0 0 m w 机组，也在进行d c s 改造 一、集散控制系统的基本结构 集散控制系统一般是由过程控制装置、数据采集装置、人机接1 2 1 装置、监控计 算机和通信系统等五个基本部分组成【习1 4 ” 2 浙江大学硕士学位论文 目录 匮诵 望僮 画鹾画 图l - 2 集散控制系统的组成 圈l - 3 过程控制装置结构框图 ( 1 ) 过程控制装置( p c d lp r o c e s sc o n 灯o ld e v i c e ) ，又称现场控制站或者基本控 制器等，它是集散系统中实现分散控制的最关键的部分，可以控制一个或者多个 回路，具有较强的运算能力和多种功能一般是由微处理机、内部总线、接口和 过程通道等集部分组成。 ( 2 ) 数据采集装置( d a d ：d a t aa c q u i s i t i o nd e v i c e ) 的主要作用是采集非控制 变量的信息，进行处理，经通信系统送给人机接口装置或监控计算机，实行全系 统信息的统一综合管理与过程控制装置相比，数据采集装置除不具备控制功能 外，对信息处理的其他功能是类似的，硬件结构也基本相同 ( 3 ) 人机接口装置，是人和计算机联系的通道及系统与外界联系的窗口主要 部件是微处理机和c r t 显示器，另外还有键盘等外部设备结构如图1 4 所示。 人机接口装置可以显示各类过程信息，反映系统运行状况，改变回路操作状态， 调整回路参数，进行系统生成、组态和维护，存储过程数据，打印各种报表等 经营管理级 生产蕾理级 避程管理级 l 篓控制级 现场设鲁 图1 4 人机接口装置结构图 图1 - 5d e s 系统的分层结构 ( 4 ) 监控计算机又称上位机，是集散系统的主计算机，多采用小型计算机，配 以相应的软硬件设备，可构成一个工厂级的管理系统。通过通信接口，综合监视 全系统的各工作站，管理全系统的所有信息。监控计算机一般都具有进行大型复 杂运算的能力，具有多输入多输出控制功能。通过它可以实现全系统的最优控制 浙江，t 学硕士学位论文 目录 和全厂的优化管理。 ( 5 ) 通信系统将集散系统的各工作站连接起来。过程控制装置、数据采集装置 的现场信息经由通信系统传递至人机接口装置和监控计算机进行集中处理；而人 机接口装置和监控计算机的操作指令，管理信号经由通信系统传递至过程控制装 置和数据采集装置。通信系统的进步推动着集散系统的发展，通信系统所采用的 技术决定着集散系统的形态和机制。 二、集散控制系统的特点 与以往的控制系统相比，集散控制系统具有以下特点： ( 1 ) 功能分层体系。本着集散控制的设计思想，层次化充分体现了集中操作管 理、分散控制的思想，成为d c s 的重要体系特点。根据d c s 的规模和实际工艺 需要，可以将功能体系分成以下2 至4 层，如图1 5 所示。 ( 2 ) 容错能力强。d c s 系统具有很高的可靠性，广泛采用了容错、冗余技术， 此外还具有软、硬件自诊断功能，使设备的故障率大为下降，且故障后修复快。 ( 3 ) 通信功能强。d c s 系统是由多台计算机以数据通信的形式，通过网络相互 连接构成一个完整的综合自动控制系统，系统内数据共享，节约大量的控制电缆、 一次元件和变送器等，简化各子系统之问的接口，降低维护、管理的工作量和费 用 ( 4 ) 功能齐全d c s 功能齐全，人机界面友好它的集中操作显示功能，精简 了常规监视仪表，为运行人员提供了综合性的画面和信息，有利于全面掌握和分 析工况，以及对整个生产过程的操作控制从计算机历史记录中，可以迅速分析 出事故的发生原因，处理事故并恢复运行。 ( 5 ) 扩展方便、组态灵活。d c s 控制系统扩展方便、组态灵活，便于控制方案 的调整，能方便的实现许多复杂控制功能，提高控制品质，而且系统易于调试。 ( 6 ) 自动系统投入率高采用d c s 系统以后，机组主要参数的控制精度以及自 动控制系统的投入率均会有较大的提高，同时可以节省燃料，大幅度提高电厂的 经济效益。 三、集散控制系统的发展趋势 近年来，随着通信技术和计算机技术的发展，d c s 控制系统也在不断的改进 中，使之更适合工业现场的应用。 ( 1 ) d c s 向开放化发展 ( 2 ) d c s 软件不断丰富 ( 3 ) 采用通用工作站，应用大屏显示技术 ( 4 ) d c s 功能覆盖面一体化 总之，d c s 在当今火电厂的应用十分广泛，运行稳定，取得了较好的经济效 益是热电厂控制系统的主流。 4 浙江大学硕士学位论文 目录 1 1 3f c s 现场总线控制系统在电厂的应用及展望 现场总线技术是将专用的微处理器置入传统的测量控制仪表，使他们各自都具 有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多 个测量控制仪表连接成网络系统，并按照公开规范的通信协议，在位于现场的多 个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输 与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。现场总线技术导致了传统 控制系统结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布控制系一一现场总线控制 系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 现场总线技术的重点在于通信网络。只有严格遵守规范统一的通信协议，才能 做到现场总线产品的通用与开放，真正发挥现场总线技术的优点。 现阶段，市场上有几种现场总线标准的同时并存，常见的有基金会现场总线 ( f f ，f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、l o nw o r k s 现场总线、p r o f i b u s 现场总线、c a n 现场总线、h a r t 现场总线等。而在实际应用中，也存在同一生产现场有几种 异构网络互连通讯的局面但是，发展共同遵从的统一的标准规范。真正形成开 放互连的系统，是现场总线技术的发展方向 一、现场总线的特点跚6 川。】i 川 l 、真正的分散控制 传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接位 于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器于位于现场的之行器、 开关、马达之间均为一对一的物理连接现场总线控制系统，能够把原先d c s 中处于控制室的控制模块和各类输入输出模块置入现场总线仪表，再加上现场总 线仪表具有通信能力，现场总线变送器可与现场总线之行器直接传送信号，因而 控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表而直接在现场完成，实现了 真正的分散控制。f c s 系统相对于d c s 系统，简化了系统结构、节约硬件设备、 节约连接电缆与各种安装维护费用。 图l _ 6 给出了f c s 系统与传统控制系统结构上的差异。 2 、开放性、互操作性与互换性 现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。用户 可以按照自己的需要和考虑，把来自不同供应商方便地接入同一个网络。在同一 控制系统中进行互操作。 3 、现场设备的智能化与功能自治性，提高了系统的准确性和可靠性 现场总线设备将传统设备相比，将传感钡9 量、补偿计算、工程量处理以及 简单的回路控制功能都集中到单一的现场总线仪表中，仅仅依靠现场设备即可完 成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状况。现场总线设备的信号传 浙江大学硕士学位论文 目录 输全数字化，与传统的模拟量信号相比，提高了传输精度，也避免转换时误差的 产生，减少了传送的干扰误差，因此，整个系统的控制精度得到较大的提高。同 时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信 号的往返传输，提高系统工作的可靠性。 捧茨睁毒 摹齄持一譬露零理鸶总垃理潮摹耗夺墓蹦 图i _ 现场总线控制系统与传统控制系统结构的比较 4 ，大幅度降低费用和设备安装时间 二，f c s 系统在电厂的应用特点 目前，我国热电厂的自动控制系统，还是d c s 占主流地位，采用f c s 系统的 还不多，而且f c s 系统还仅仅在局部试用。不如冶金、化工、制药等行业应用 广泛。究其原因，是火电厂的控制对象异常复杂而且可靠性要求非常高，f c s 的 有些优势暂时未必能充分发挥 1 、热电厂电站f o 的特点 f c s 的重要优势之一就是可以节省大量的现场布线成本，因此，f c s 技术特 别适合于分散的、具有通信接口的现场受控设备的系统而电厂在主厂房内测点 密集，现场装置密集，设备立体布置，属于具有集中i ，o 的单机控制系统，因此 主设备采用f c s 系统，在布线成本的节省方面没有太明显的效果。而电厂的辅 助车间相对距离较远，因此在辅助车间和系统适度集中控制方面，f c s 所具有的 节省布线成本、远程诊断的优势可以得到充分的发挥。 2 、控制对象复杂性和f c s 应用 火电厂的控制对象具有复杂性，对于不同的自动化系统，由于其复杂程度不同。 f c s 系统的优越性体现的也不同。 6 浙江大学硕士学位论文目录 对于d a s 系统，主要采集全厂的信息，传到控制中心采用f c s 系统，对于 地域分散的各个点的信息采集，可以发挥其优越性。即使对于相对信息采集点集 中的区域，可以采用集中采集，然后再通过网桥挂到总线上去 对于m c s 系统，一般而言，每台机组大约有1 1 0 套模拟量闭环控制系统1 4 1 。 在这些m c s 系统中，作为执行一级的，多数为简单的单回路调节系统，对于这 类系统，f c s 可以充分发挥其优势，现场控制，状态数据通过总线传回中央控制 室。作为功能一级的m c s 系统，其复杂程度增加，有时为了改善调节品质，需 加入一些前馈信号、反馈信号、校正信号等构成复合控制系统，对于这类系统， f c s 系统的有时能否充分发挥，还需区别对待。作为协调一级的m c s 系统，复 杂程度最高，如火电厂中的机炉协调控制系统，含有负荷控制、主汽压力控制、 主汽温度控制及汽包水位控制等控制系统，它的输入、输出等将涉及数十台设备 的状态。这些设备分散在整个厂域的各个地方，这样一个复杂的m c s 系统，按 照f c s 的典型作法，将控制和处理功能分散到数字智能现场装置上，而不是象 传统d c s 系统那样，通过v o 模块送入高一级控制器内进行处理运算这样做 有两个缺点：由于控制功能分散，对于一个控制系统而言，显然增加了故障点 为了实现复杂控制系统的控制功能，必然要在f c s 系统的低速与高速两层通。 讯网络内频繁的传输信息，大大增加了控制系统的处理周期。 t 3 、冗余与传输速率问题 目前现场总线设备大多采用非冗余的单总线结构，如果总线故障，必然导致信 l 息传输中断，失去控制作用，因此在要求高可靠性的场合，应采取备份措施以实 现总线和设备的冗余，以提高系统的可靠性 目前现场总线的通信速率还不够高，在高速测量与控制场合以及在实施协调控 制时对控制周期有严格要求的场合，必须考虑通信速率的问题，考虑控制系统在 最复杂和最恶劣情况下的响应速度，并验证是否能够满足工艺要求，以确保被控 设备或被控过程的稳定性。 4 、企业信息网组建 火电厂为了加强管理，纷纷建立管理网络，如建立全厂m i s 网一般而言， 全厂级的信息网可以分为现场控制层、过程监控层、生产管理层、市场营销管理 层等多个层次，而在底层使用现场总线技术可以将大量车富的设备状态及生产运 行数据及时集中到管理层，方便管理。 图1 7 展示了现场总线技术的企业信息网络结构。 三、f c s 在熟电厂的实际应用 文献9 通过f c s 和d c s 系统的比较，认为在电厂d c s 于f c s 并存，发挥两 者各自的优势，是现阶段可选的方案并提出了f c s 大致的应用范围： 采用p l c 可编程控制器实现监控的全厂辅助公用系统，选用遵循现场总线 7 浙江大学硕士学位论文目录 通信协议的p l c 可编程控制器，对火电厂多个辅助公用系统实现监控，通过 现场总线通信技术，建立全厂辅助公用系统p l c 网络。 地域分散的单冲量调节项目 地域分散的独立的电动阀或电动机 电厂改造过程中新增的监控区域，且d c s 已不便修改的项目，可按区域采 用f c s 设备，实现现场控制。 图1 7 企业网络信息集成系统结构示意图 目前我国火电r - r e ，已经有f c s 技术在局部使用，并积累了宝贵的经验。例 如：四川广安电厂利用西门子s 7p l c 组成l 2 d p 网络，遵循p r o f i b u s 协议； 湛江电厂选用遵循p r o f i b u s 协议的设备实现系统实时监测，成为全厂m i s 系 统的主要组成部分；常数电厂采用f o x - p r o 公司的i ad c si o 模件之间联系 遵循i e e l l l 8 协议标准等 s 浙江大学硕士学位论文目录 1 2 流化床燃烧及其控制 从1 9 6 0 年代开始，流化床即被用来进行煤的燃烧并且很快成为三种主要的 燃烧方式之一，即固定床燃烧( 层燃) ，流化床燃烧和悬浮燃烧。流化床燃烧过 程的理论和实践大大推动了流态化学科的发展目前，流化床燃烧已经成为流态 化的主要应用领域之一，并越来越得到人们的重视。 与国外相比，国内的循环流化床锅炉大多自动投运率低，床温控制不稳定， 对煤质变化，负荷波动等工况的适应跟踪性能差。对人的依赖性大，锅炉效率低 下因此，对流化床自动控制的研究，具有重要意义 1 2 1 流化床燃烧 循环流化床由快速流化床( 上升段) 、气固物料分离装置和固体物料回送装 置组成【1 0 1 循环流化床锅炉可分为两个部分：第一部分有炉膛( 快速流化床) 、 气固物料分离设备、固体物料再循环设备和外置热交换器( 有些循环流化床锅炉 没有该设备) 等组成，上述部件形成了一个固体物料循环回路第二部分为对流 烟道，布置有过热器、再热器、省煤器和空气预热器等，与常规火炬燃烧锅炉相 近 水冷璧 二次风 燃料 脱硫剂 捧疆 图l _ 。典型循环流化床锅炉燃烧系统示意图 图1 8 所示为典型循环流化床锅炉燃烧系统的示意图燃烧所需的一次风和 二次风分别从炉膛的底部和侧墙送入，燃料的燃烧主要在炉膛中完成，炉膛四周 布置有水冷管，用于吸收燃烧所产生的部分热量。由气流带出炉膛的固体物料在 气固分离装置中被收集并通过返料装置送回炉膛。 循环流化床锅炉独特的流化动力特性和结构使其具备有许多独特的优点：燃 9 浙江大学硕士学位论文目录 料适应性广；截面热强度高；给煤点少；污染物排放少；锅炉负荷适应性好：燃 料制备系统相对简单；易于实现灰渣综合利用；投资和运行费用适中 1 2 2 流化床监控系统 流化床锅炉是一个多输入、多输出、非线性的相互关联的对象，其燃烧过程机 理复杂，工况多变，关联因素多，具有多变量、非线性、强耦合、多干扰因素、 多性能指标等特点。由于流化床燃烧的特殊方式和机理，其动态特性，耦合情况 及控制方式和要求等又与一般的工业锅炉有较大的不同，控制特性更加复杂，控 制要求更高，实现起来更为困难。因此，在控制设计思想上既吸收了工业锅炉的 控制思想，又有其显著的特点。 流化床锅炉的控制系统应由这样几个部分组成，即床温控制、给煤量控制、 床高控制、补充床料量及脱硫剂量控制、空气量控制、返料量控制、蒸汽温度及 压力控制、给水流量和通风量控制掣“j 床温及给煤控制系统从负荷指令中取得床温，给煤及补充床料或脱硫剂给料 量的目标值，大多数情况下，还应与空气量控制系统联动。相对于补充床料或脱 硫剂而言，给煤的响应是非常重要的，响应不好则发生汽温、汽压的变化床高 控制的思路是通过改变床高来改变埋管传热的效果，对于不设埋管的循环床锅 炉，床高控制主要是保证流化状态和压力控制点处压力，调节补充床料量和放渣 量除调节给煤量和空气量外，返料量的调节也是床温调节的重要手段之一 空气量控制应包括总风量( 过量空气系数) 和一二次风比率的控制这两个方 面。总风量由实际燃料量得出理论空气量的下限，再乘以过量空气系数给处目标 值一次风的下限应保证床层充分流化，其上限应保证有足够的二次风来控制 n o x 捧放实际运行中，过量空气量是根据运行方式给处的曲线按照负荷调节 的，对低负荷运行还受风机最低负荷限制。通风量控制系统根据锅炉阻力和压力 控制点处压力信号调节引风机风门开度 1 2 3 控制技术在流化床锅炉中的应用和发展 国外对于大型循环流化床的控制研究要领先与国内。其主要优势是：在充分 研究锅炉的运行特性和动态特性的基础上，采用计算机监控和数据处理系统，以 实现良好的稳定燃烧和负荷跟踪控制功能，最佳化的效率和最适当的人机接口。 相对而言，国内的循环流化床锅炉配套实施不尽完善，研究阶段控制特性研究的 环节欠缺。目前运行的电站循环流化床锅炉大多运行水平低，床温控制不稳定， 对煤质变化，负荷波动等工况的适应跟踪性能差，对人的依赖性大，锅炉效率低 下近年来，也有一些采用计算机控制技术，但控制策略不够完善，不能较好的 处理循环流化床锅炉特殊燃烧方式的复杂情况，自动调节的投运率低。 无论是较早的以传递函数作为基本描述手段的经典控制工程，还是较晚的以 i o 浙江大学硕士学位论文目录 状态方程作为描述手段的现代控制理论，都在过程控制的许多领域得到了广泛应 用。但随着被控对象的日益复杂和越来越高的控制要求，这种建立在被控对象数 学模型基础上的传统控制方法面临越来越大的困难。在设计实际控制系统时，会 经常遇到复杂性和不确定性的问题：系统模型很少已知，系统特性不断变化，其 变化规律也经常是不知或不确定。对于多变量、多参数的复杂关联性强的系统， 这个问题更加突出因此，采用新的控制方法以对工作在不确定条件下的复杂系 统进行高品质的控制是当前控制理论界所注重的一个研究方向工业锅炉是一个 高度复杂，慢时变和不确定的多变量控制对象一般认为：将人的操作经验、知 识和原理机制直接应用于控制器的设计，尽量减少对被控对象数学模型的依赖 ( 但不排出引入一定的数学推理解析) 的智能控制对不确定性过程的控制具有巨 大的潜力。 工业锅炉的中心问题是，一方面要求其迅速跟踪负荷的变化，另一方面在负 荷变化或有其他扰动时要保证锅炉的稳定和优化运行，特别是保持主要参数，如 主汽压力、主汽温度汽包水位等的波动不超出运行规定的限值。锅炉系统是复杂 和不确定的多变量控制对象i 1 1 1 1 1 2 1 3 i i h l 在国内应用最广泛的控制方式是常规的p i d 调节。p i d 调节以其固有的简单 性，通用性和鲁棒性等性能，始终在锅炉过程控制中占首要的地位随着控制系 统的计算机化，仪表控制系统采用的常规p i d 控制被赋予新的变形功能，如积分 分离，变参数运行，双向积分控制功能等 随着对控制要求的不断提高和控制理论的进一步发展，现代控制理论也逐渐 应用到锅炉的过程控制上来则c t i e l 5 1 介绍了三菱公司开发的先进蒸汽温度控 制装置，采用过程观测器的状态反馈，以获取过程的内部状态信息，提高控制性 能 预测控制具有对过程模型要求低、实施方便、鲁棒性强等独特的优点，因此 国内外许多学者利用预测控制的成果，来开发新型的锅炉一汽轮机组的控制系 统，取得了一定的成果。如日本日立公司开发出的用于锅炉主汽温控制的新型预 测控制系统，采用k a l m a n 滤波器估算输入状态值，再用预测模型预测主汽温度， 然后根据预测温度和给定温度之差进行比例积分作用 自适应控制是一种强鲁棒性控制器，宜应用于对象特性经常变化的场合。国 内外一有许多应用的讨论和实例。如f e s s e l 等人提出了一种具有递推辨识和l q 多步控制准则的自适应控制器，并与1 9 8 5 年在捷克的2 0 0 m w 单元机组的亚临 界汽包炉上通过验证。另外，部分学者对基于a r m a x 辨识模型的多变量自校 正解耦算法和自校正p i d 控制器在机炉协调控制系统中的应用作了一些有益的 探讨，但还有待于进一步的探讨和实际运行的检验。1 9 9 3 年，陈增强等人在l o t 工业锅炉上使用了加权预测自校正控制算法。 浙江大学硕士学位论文目录 模糊控制理论及对其的研究始于1 9 7 5 年，英国的m a m d a n i 首先将f u z z ys e t s 理论用于锅炉和蒸汽机的控制，收到了良好的控制效果。对电厂磨煤机采用f u z z y 控制方法，它可以克服负荷测量信号的非线性及慢时变性，使其负荷在很大变化 范围内都可以得到较好的控制。这些f u z z y 控制系统的成功应用为处理更复杂的 过程积累了经验。 智能控制对解决不确定系统的控制问题有特别的效果，提供了更多的方法。 近年来，国内外已经开发了不少发电机组的专家系统，主要以设备、机组诊断为 主，也有用于性能评估和运行指导的一部分过程检测控制的专家系统已经开始 实用化文献【1 6 】提出了一种专家自适应p i d 控制器，并对锅炉串级三冲量给水 控制系统做了仿真研究 1 3 可编程逻辑控制器( p l c ) 在工业控制中的应用 可编程逻辑控制器( p c o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，简称p l c ，早期主 要应用于开关量的逻辑控制。现代可编程控制器是以微处理器为基础的、高度集 成化的新型工业控制装置，是计算机技术和工业控制技术结合的产品。 可编程控制器是1 9 6 9 年美国数字设备公司( d e c ) 研制成功的，并在通用公 司( g e ) 汽车生产线上应用，获得成功从此，可编程控制器技术就迅速发展起 来1 9 7 1 年日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本第一台可编程控 制器d c s _ 8 1 9 7 3 年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。我国从 1 9 7 4 年开始研制，1 9 7 7 年开始工业应用 可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用 而设计的工业控制器。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑 运算、顺序控制、定时，计数和算术等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入 和输出，控制各种类型机械的生产过程可编程控制器及其有关外围设备，都按 易于与工业系统联成一个整体、面向用户的“自然语言”编程；是一种简单易懂、 操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置l l7 i 【l ” 目前，p l c 在国内外已广泛应用于电力、钢铁、石油、化工、建材、机械制 造、汽车、轻纺、环保以及文化娱乐等各行各业随着p l c 性能价格比的不断提 高，其应用会越来越广。 p l c 与集散控制系统在发展过程中，始终是相互渗透互为补充。它们分别由 两个不同的古典控制设备发展而来。p l c 是由继电器逻辑控制系统发展而来，初 期主要侧重于开关量顺序控制。集散控制系统( d c s ) 是由单回路仪表控制系统 发展而来的，初期主要侧重于回路调节功能。这两种设备都随着微电子技术、大 规模集成电路技术、计算机技术、通信技术等的发展而发展，同时都向对方扩展 自己的技术功能。p l c 在6 0 年代问世以后，于7 0 年代进入了实用化阶段，1 6 位， 浙江大学硕士学位论文 目录 3 2 位微处理器和各种位片式处理器的应用，使它在技术和功能上发生了飞跃， 在初期的逻辑运算功能的基础上，增加了数值计算、闭环调节等功能。其运算速 度提高，输入输出范围与规模扩大。p l c 与上位计算机之间相互连成网络，构成 以可编程控制器为主要部件的初级控制系统1 1 9 2 0 1 1 2 n 现代可编程控制器的模拟量功能很强，多数都配备了各种智能模块，以适应 现场的多种特殊要求，具备了p i d 调节功能和构成网络系统组成分级控制的功 能以及集散控制系统所完成功能。集散控制系统既有单回路控制系统，也有多回 路控制系统，同时也具有顺序控制功能。到目前为止，p l c 与集散控制系统的发 展越来越接近，很多工业生产过程既可以用p l c ，也可以用集散控制系统实现其 控制功能。 目前，p l c 在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用p l c 设计 自动控制系统也成为世界潮流。 尽管可编程控制器在功能上与d c s 控制系统已经相差无几，但由于p l c 自 逻辑控制发展而来，而热工控制中模拟量居多，所以其在电厂自动控制中的应用 并不多见但是在电厂辅机控制中，多采用p l c 控制，再接入全厂d c s 系统中 另外，在小型热工控制同中，多借鉴d c s 系统的构成方式，采用p l c 在控制室 集中控制 1 4 课题的主要研究内容： 本课题结合上海桃浦污水处理厂污泥焚烧系统，由浙江大学热能工程研究所 测试控制研究室研制开发其热工自动检测与控制系统。 借鉴国内外热工控制系统成功的经验，本课题的研究内容是利用可编程控制 器( p l c ) 、工业控制计算机( p c ) ，构建焚烧炉的控制系统。结合p l c 硬件高可 靠性与p c 软件功能的完善性，确保自动控制系统长期可靠运行。 为使污泥焚烧系统的监测和控制系统稳定可靠测控系统采用由可编程控制 器( 即下位机) 和上一级过程控制计算机( 即上位机) 组成的集散型控制系统。即 采用可编程控制器“分散”组成多个独立的自动控制系统，分别实现燃烧炉负压、 烟气含氧量、给煤量调节、辅助油枪调节等回路的自动调节和控制；由上位机实 现对整个焚烧炉的运行参数的集中监控和集中管理。这样的系统在某一回路发生 故障时不影响整个系统的监测和控制，使系统的可靠性和灵活性大大增强。 由于可编程控制器功能强大，组成控制回路的仪表数量大大减少，回路系统 简化，投资降低，同时由于可编程控制器的高可靠性，使得日常维护工作量远比 模拟仪表减少，维修费用下降，其自动调节品质也远远超过模拟仪表，因此具有 很好的性能价格比。 循环流化床锅炉( c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r ，简称c f b b ) 因为具 浙江大学硕士学位论文目录 有燃料适应性广、热容量大，负荷调节性能好、床层传热强度大、燃料在炉内停 留时间长、灰渣综合利用等优点，是一种可以燃用低热值劣质燃料和低污染的洁 净燃烧方式同时，流化床燃烧炉对自动控制也提出了越来越高的要求由于流 化床燃烧炉系统内部的给煤、一、二次风、返料等参数耦合性强。同时高温流化 床对床层温度的控制也特别重要，稍有控制不当，就会发生结渣或低温熄火事故。 实时监控系统可以改变传统的运行的过程控制、监督和记录方式，获得机组 运行的真实信息实时监控系统利用计算机通过采集锅炉系统的主要参数，采用 列表、系统模拟显示方式进行分类显示，帮助运行和管理人员监视机组的运行情 况。 本监控系统目前已正常运行于污泥焚烧炉上，实际运行结果表明能更好的提 高燃烧质量和效率，而且减轻了操作人员的负担，方便保存大量的运行数据，便 于进行数据的系统分析、比较，发生故障时可调出故障前的数据，顺利排除故障。 经过实际运行的考验，监控系统的优