（工程热物理专业论文）大型循环流化床垃圾焚烧电厂热工监控系统的研制及产品化.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本课题从属于国家重点基础研究规划项目垃圾焚烧发电处理的集成课题，结 合芜湖垃圾焚烧电厂和杭州乔司垃圾焚烧电厂的实际情况，借鉴国内外的先进技 术和经验，对大型垃圾焚烧电厂的计算机监控系统的自主开发进行了深入的研 究。本文的研究工作围绕着监控系统的研制而展开，重点是监控系统的设计开发、 自动控制系统的实现以及监控软件的产品化改造。 本项研究中采用可编程控制器( 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 ) ，自动监测垃圾焚烧锅炉的各运行参数，并对异重循环流化床垃圾焚烧锅 炉实行自动控制与调节。监控系统包括自动监测与自动控制两大部分，p l c 负责 完成数据采集与部分自动控制，p c 机负责系统热工参数的二次处理和监视等任 务。 本文的研究工作还包括p l c 和p c 机的软件开发。p c 软件由v i s u a lc + + 开发， 具有强大的功能和友好的用户界面，实现了运行参数流程与列表显示、报警提示、 历史查询、工作汇总报表、参数曲线跟踪等功能，并在多套控制系统之间实现网 络实时通讯和远程数据传输。p l c 软件由s t e p7 软件包开发，完成了p l c 系统 的数据采集、控制回路的运行等功能。 本文对自行开发的热工监控软件按照软件工程规范进行了产品化改造，包括 软件重新构架、改善软件性能、加强软件组态化、控制软件版本和提高软件质量 等。芜湖电厂上位机软件采用面向对象的方法进行软件分析和设计，在新系统开 发上对软件进行了重新架构，尤其对数据管理层进行重建，重新设计 c d a t a m a n a g e 类，提供了更加强大灵活的数据服务功能。通过引入多线程技术， 提高了软件的c p u 利用率；通过运用双缓冲技术解决了程序趋势图的抖动问题： 通过为新的c d a t a m a n a g e 类开发相关用户操作界面提高了软件的组态化水平。 为了提高软件的竞争力，还进一步完善了软件的各种逻辑功能和图形功能，包括 开发了更加实用的报表系统、更加优美方便的图形显示界面、更加完善的报警系 统，还实现了软件的一机多炉监控功能等。 本文还进行了乔司垃圾焚烧电厂自动控制系统的设计，运用p i d 控制和模糊 控制等控制策略设计了水位控制、炉膛负压控制、床温控制等控制回路。尤其对 乔司循环流化床生活垃圾焚烧锅炉的汽包水位自动控制方式做了有益的探索和 研究。针对垃圾炉炉膛负荷波动较大，同时给水调节阀门执行机构的调节精度较 低的现状，在传统三冲量串级汽包水位控制方式的基础上，采用模糊控制策略对 内、外串级回路的p i 控制参数进行分区域调整，强调了p i 参数在被控参量( 汽 包水位h ) 处于不同范围时的分离作用，同时内、外控制回路采用异步控制方式， 浙江大学硕士学位论文 从而有效地减小了被控参量的调节时间，提高调节精度，使水位波动控制在为 1 2 m m 范围内。 关键词：异重流化床；垃圾焚烧；p l c ；热工监控系统；控制回路；p i d 控制； 模糊控制；汽包水位控制；软件质量；软件工程 i i 塑望查堂堡主堂鱼笙皇 一 a b s t r a c t t h i sp a p e ri ss u b j e c tt on a t i o n a le m p h a s i z e dg r o u n d w o r d r e s e a r c hi t e ma b o u tt h e d i s p o s a lo ft h ec i t yw a s t eu s i n gi n c i n e r a t i o n , a n di t f o c u s e so nt h er e s e a r c ho ft h e m o n i t o r i n gs y s t e ma n dc o n t x o l l i n gs y s t e m o f t h em u l t i l a y e rc i r c u l a t i o nf l u i d i z e db e d b o i l e rw h i c hi su s e di nw u h up o w e rp l a n ta n dh a n g z h o uq i a o s ip o w e rp l a n t o f w a s t e - i n c i n e r a t e d ，w h i l ec o n s i d e r i n g a l lu t i l i z i n ga d v a n c e dt e c h n o l o g ya n de x p e r i e n c e d o m e s t i c a l l ya n d a b r o a d 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 e a n dh a r d w a r eo ft h es y s t e m ，t h er e a l i z a t i o no fa u t o m a t i cc o n t r o lf u n c t i o n ，a n d u p g r a d e o f s y s t e m s o f t w a r e t h e m o n i t o r i n g a n d c o n t r o l l i n gs y s t e ma d o p t s at o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ( d e s ) c o n s t i t u t e db y ap 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 ) 、ac o m p u t e r ( p c ) a n dt h e r m a lp o w e r e 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 d t o c o l l e c td a t aa n d p e r f o r m a u t o m a t i cc o n t r o lm o s t l y , w h i l ep ci sa d o p t e dt om o n i t o rt h e t h e r m a le n g i n e e r i n g p a r a m e t e r s ，a n a l y z e ，d i s p l a ya n d s t o r ed a t a 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 ef o rp c d e v e l o p e db yv i s u a lc + + p r o v e s t ob ee f f e c t i v ea n d f r i e n d l yt oo p e r a t o r s w h i c hc a l l r e a l i z em a n yf u n c t i o n ss u c ha sp r o c e s s d i s p l a y , l i s t - d i s p l a yo fb o i l e rp a r a m e t e r s ， a l a r m i n g ，h i s t o r yd a t aq 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 w ea l s ou p b u i l di n t r a n e tb e t w e e nt h ed i t i e r e n td c s s y s t e m sa n dc o m p u t e r st o t r a n s f e rt h er c a lt i m ed a t aa n dc o m m u n i c a t e t h es o f t w a r ef o rp l c p r o g r a m m e db y s e t p 7 ，w h i c h c a l ls u c c e s s f u l l yd e t e c t ss i g n a l sa n dc o n t r o l st h el o o p s t h i s p a p e rh a s a l s oc a r r i e do u t p r o d u c t a l t e r a t i o no nt h e r m a l e n g i n e e r i n g m o n i t o r i n g a n d c o n t r o l l i n g s o f t w a r e d e v e l o p e db yo u r s e l v e s ，i n c l u d i n gn e w l y c o n s t r u c t i n gs o f t w v a r e ，i m p r o v i n gs o f t w a r ec a p a b i l i t y , s t r e n g t h e n i n gc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e ，c o n t r o l l i n gs o f t w a r ee d i t i o na n de n h a n c i n gs o f t w a r eq u a l i t y , e t c t h eu p p e r m a c h i n e s o f t w a r ei nw u h up l a n ti s a n a l y z e da n dd e s i g n e dw i t ho b j e c t - o r i e n t e d m e t h o d o nd e v e l o p i n gn e ws y s t e mt h es o f t w a r ei sc o n s t r u c t e d r e n e w e d l y , a n d e s p e c i a l l y t h ed a t a m a n a g e m e n t i sr e n e w e d t h r o u g h i m p r o v i n g t h ec l a s s o f c d a t a m a n a g e ，s om u c hs t r o n g e ra n dm o r ef l e x i b l ef u n c t i o n so fd a t as e r v i c e sa r e o f f e r e d i n t r o d u c i n g t h et e c h n o l o g yo f m u l t i t h r e a d i n gh a se n h a n c e d t h eu s i n go f c p u ： u s i n gt h et e c h n o l o g yo fd o u b l eb u f f e r sh a se l i m i n a t e dd i t h e r i n go ft h ec u r v eo f p r o g r a md i s p l a y ；d e v e l o p i n gr e l a t i v eg u i f o rt h en e wc l a s so f c d a t a m a n a g eh a s i m p r o v e dt h el e v e lo fs o f t w a r ec o n f i g u r a t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h ec o m p e t i t i o n p o w e ro ft h em 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 ，it r yt op e r f e c tl o g i ca n dg r a p h f u n c t i o no ft h es o f t w a r e f o ri n s t a n c e ，id e v e l o pm o r e p r a c t i c a lr e p o r t f o r ms y s t e m ， i i i 浙江大学硕士学位论文 m o r e e l e g a n ti n t e r f a c e - d i s p l a y , a n d m o f ec o m p l e t ea l a r ms ) r s t e m t h ed e s i g no fa na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mf o rm eh a n g z h o uq i a o s ip o w e r p l a n t i sa 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 m u s e sp i dc o n t r o u e ra n df u z z yc o n t r o l l e rt o d e s i g na u t o m a t i cc o n t r o ll o o p s as t u d yo ff u z z yt h r e e - e l e m e n tf e e d - w a t e r c o n t r o l s y s t e mf o rac f bm u n i c i p a lw a s t e i n c i n e r a t o ri si n t r o d u c e d t h ei n c i n e r a t o ri sf a c e d w i t hp r o b l e m ss u c ha sl a r g e - s e r ef l u c t u m i o no ff u r n 越eh e a t1 0 a da n dl o wr e g u l a t i o n r e s o l u t i o no f m a i nc o n t r o lf e e d - w a t e rv a l v e t h ef u z z yl o g i cc o n t r o ls y s t e mi sa p p l i e d t om o d u l a t ep ic o n t r o l p a r a m e t e r sa c c o r d i n gt o s t e a md r u mw a t e rl e v e lt o f i t f l u c t u a t e dh e a tl o a d t h ei n n e ra n do u t e rc o n t r o ll o o p sa r e a l i z e di na na s y n c h r o n o u s w a y t oe f f e c t i v e l yd e c r e a s er e g u l a t i o nt i m ea n d i m p r o v er e g u l a t i o np r e c i s i o n 聊w o r d sm u i t i l a y e r c i r c u l a t i o nf l u i d i z e d b e d ； w a s t e i n c i n e r a t i o n ；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 l e n g i n e e r i n gm o n i t o r i n g a n d c o n t r o l l i n gs y s t e m ； a u t o m a t i cc o n t r o l l o o p s ；p i dc o n t r o l ； f u z z yc o n t r o l ；d r u mw a t e rl e v e l ； s o f t w a r eq u a l i w ；s o f t w a r e e n g i n e e r i n g i v 塑婆盔兰堡主堂垒堡兰j 堑j 量堑垒一 第一章绪论 本课题研究的主要内容：浙江大学热能工程研究所针对垃圾电厂热工监控系 统的软件产品化改造和自动控制系统的开发。本文将结合芜湖绿洲环保能源有限 公司垃圾焚烧锅炉监控软件的开发和乔司电厂d c s 项目的应用来论述我的研究 内容。 1 - 1 我国城市垃圾处理现状 目前，我国城市人均生活垃圾约o 9 l k g 日，在经济发达的城市人均生活 垃圾约1 2 k g 日，如按全国城市人口3 5 亿计算，则全国一天的城市生活垃圾约 3 2 3 5 万吨，体积约1 0 0 2 0 0 万。我国的城市生活垃圾的年产生量居世界前列， 并且每年还以8 1 0 的速率递增，历年积存的垃圾达6 0 亿吨，而无害化垃圾 处理的比例较低。大量的垃圾被运至城郊裸露堆放，侵占土地。近2 0 0 个城市陷 于垃圾包围之中，而不合理的垃圾处理对土壤、水和大气等环境都造成一定程度 的污染。 1 - 1 1 我国城市垃圾焚烧处理的可行性 目前，世界各国城市生活垃圾的处理方法主要有填埋、堆肥和焚烧三种。根 据各国的国情不同和垃圾成分的差异，采用的处理方式也不同。 堆肥处理是利用微生物分解垃圾中有机成分的生物化学过程。处理前需从垃 圾中分拣出不能被微生物分解的石块、金属等废物，且堆肥周期长、占地面积大， 所以不能迅速发展。以前许多国家都采用填埋的方法，但是填埋不但占用大量的 土地，而且还会造成对地下水、土壤和大气等的污染，并且不能综合回收有价值 的物质和能源，所以已逐渐被焚烧处理所取代。而焚烧处理完全符合垃圾处理的 资源化、减量化和无害化原则。垃圾焚烧可使重量减少7 5 9 5 ，每吨垃圾焚 烧后仅占约5 ，焚烧后的残渣灰渣性质稳定，能彻底消灭病原茵，并使有毒有 害物质无害化( 或比原有害物易于进行处理) ，焚烧产生的熟量可以用于供热和发 电，回收能源，因其所具有的优点，这种处理方法发展迅速。 以前，我国城市垃圾的处理主要是以填埋和堆肥为主，焚烧占的比例较少。 随着经济的发展和人民生活水平的提高，垃圾的产量迅速增加，由于土地紧张， 新建填埋场难度大( 全国有近2 3 的城市处于垃圾填埋场的包围之中) ，而填埋不 塑望查堂堡主堂壁垒塞 一蔓二要堕堡一 但产生渗滤液及重金属成分对地下水的污染和对土壤的沙化等，且垃圾发酵产生 的甲烷、硫化氢、氨，臭气等对大气环境造成污染，有时还会发生垃圾爆炸现象， 不能达至u 无害化的目的。垃圾堆肥在我国起步较早，但是近年来此法日趋减少， 主要问题是长期的使用垃圾堆肥的城市郊区土壤的“渣化”较重，堆肥中的一些 固体如陶瓷、玻璃等对作物产生危害等，且垃圾堆肥的肥效较低，产品无市场。 近年来，随着经济的发展和人们对环境质量要求的提高，垃圾焚烧处理因其 具有显著的减容化、稳定化和无害化越来越受到重视，国家政策也支持和提倡焚 烧法处理垃圾，特别是垃圾焚烧发电技术的应用。 我国目前已建设的焚烧炉按处理规模基本上可分为三类日处理能力小于1 0 吨的为小型焚烧炉，日处理能力在1 0 5 0 吨的为中型焚烧炉，日处理能力大于 5 0 吨的为大型焚烧炉。从上述比较可见，三种方案在投资、用地、长期维护、 二次污染的产生和治理等方面各有其特点，但从长远来看，应以大型机械化焚烧 处理较好。 i - i 一2 我国城市垃圾焚烧处理的现状 由于经济水平的限制，长期以来焚烧法处理垃圾在我国的应用还相对较少， 发展也较缓慢。二十世纪8 0 年代，深圳垃圾焚烧发电厂是我国从国外引进的成 套焚烧处理设各而建成的第一座现代化的焚烧厂。该炉1 9 8 8 年投入运行，日处 理垃圾3 0 0 吨- 并配有发电设备，装机容量为3 0 0 0 k w ，十多年来运行良好，为 垃圾焚烧发电积累了经验。 广东省环保产业协会协助广州劲马动力设备集团公司引进了代表垃圾焚烧 发电新趋势的c a o 热解焚烧发电技术；加拿大瑞威环保公司采用c a o 加热解焚烧 技术独资在惠州市建造，经营日处理5 0 0 吨垃圾的发电厂。 乐山市凌云垃圾焚烧炉是我国自行研究开发的第一个焚烧炉。焚烧炉两座固 定式双炉蓖垃圾焚烧炉，日处理垃圾为3 0 吨，可在不用辅助燃料，仅依靠垃圾 自身的热值能实现连续燃烧。 2 0 0 2 年1 0 月哈尔滨垃圾焚烧发电项目竣工投产运行，该项目采用日本流化 床焚烧技术，实行电脑网络平台控制，日处理生活垃圾2 0 0 余吨，所排烟气达到 国家环保标准。 我国首座千吨级生活垃圾焚烧发电厂将选址浦东御桥工业小区开工兴建，占 地1 2 0 0 0 m 2 ，年处理量高达3 6 5 万吨，生态环保、发电供电一举两得，除确保 自身厂用电力外，每年还可为申城供电1 亿k w h 。 成都市计划近几年在主城区周围建立2 至3 座发电厂。成都计划建立的第一 塑翌盔堂堡主兰垡鲨壅 一兰二皇堑堡一 座生活垃圾发电厂位于龙泉释区大面镇成龙路南侧、绕城高速公路外侧3 公里， 日焚烧处置生活垃圾8 0 0 吨，该电厂建成后，垃圾发出的电可直接在大面镇上网， 输送到成都市区的电网中。 我国已经确定建设1 0 0 0 垃圾焚烧发电厂，实现环保和资源再生的良性循环。 目前，我国各地对于垃圾焚烧法处理表现出较高的热情，特别是经济比较发 达、生活水平较高的城市积极筹建城市垃圾焚烧厂，垃圾焚烧发电在我国也进入 了应用阶段。当前，我国的一些中小城市也在积极探讨垃圾焚烧处理可行性，推 行垃圾焚烧技术，因此，中国的垃圾焚烧处理市场非常广阔。但是现有的和正在 筹建的垃圾焚烧处理厂，主要是以引进国外技术和设备为主，设备费和运行费均 较高，因此，垃圾焚烧处理的最终发展应是在吸收、消化引进设备的过程中逐步 实现焚烧技术设备的国产化或部分国产化。 浙江大学热能工程研究所在垃圾焚烧处理技术研究和试验中取得了丰富的 研究成果。近几年来在国家纪委环保示范项目杭州乔司垃圾焚烧电厂，芜湖垃圾 焚烧电厂等项目建设中充分运用自身的技术优势，取得了很大的成功。 1 - 1 3 浙江大学异重流化床垃圾焚烧锅炉技术 异重流化床垃圾焚烧技术的是一项比较新的焚烧技术，其特点是：利用垃圾、 煤的异重比，采用特殊的布风方式，使垃圾在炉内循环燃烧，彻底清洁处理垃圾。 通过布置两级分离器对物料的分离和回送，可以很好地控制燃烧，提高燃烧效率 达9 9 以上。采用中低温燃烧( 炉膛出1 ：3 烟温8 5 0 c ) 和分级送风分段燃烧的方法， 有效抑制和降低s 0 ：及n o x 的排放。对于含硫分和氯分高的城市生活垃圾，采用 炉内添加石灰石以及尾部洗涤的方法来降低如s o 。和h e l 的排放。垃圾污水由污 水泵送至炉内高温处理，垃圾储仓中的臭气由二次风机抽吸至焚烧炉内作为垃圾 焚烧助燃空气，保持地下水和周围大气环境的清洁。采用独特的灰渣分选冷却装 置，在冷却灰渣的同时，将合适的流化床料分选出并回送至流化床中。 异重流化床垃圾焚烧锅炉采用单锅筒、自然循环、分散下降管、h 型布置结 构，分为五个主要分系统。 ( 1 ) 锅炉燃烧系统 锅炉采用异重流化床燃烧方式和低倍率分级分离循环返料的燃烧系统，该系 统由炉膛、物料分离收集器和返料器三部分组成。炉膛上部由膜式水冷壁组成， 下部为一个倒锥体流化燃烧室，亦称为密相区。底部为水冷布风板，布风板上布 置有特殊形式的风帽。布风板下由水冷管构成等压风室。一次风经等压风室、布 风板风帽进入密相区使燃料开始燃烧。并将物料吹离布风板。二次风由床层上方 塑望盔堂堡主堂垡鲨苎 一羔至垩l 羔型l 一 的二次风口送人炉膛，一二次风比例约为7 ：3 ，并可根据燃料变化和运行情况 进行调节，既能达到完全燃烧的目的。又能控制s 0 2 和n o x 的生成量。 另外， 由一次风引出几支风管从前后墙进入密相区，分别播动垃圾、煤和返料灰，以便 垃圾、煤和返料灰等物料均匀播撤到床料中去，同时加强密相区下部的扰动。密 相区上部为悬浮段，为保证烟气在炉膛中停留时间大于2 秒，炉膛断面有所扩大。 烟气携带物料继续燃烧，同时向炉膛四周放热。由于断面扩大，并且烟气经悬浮 段碰撞炉顶防磨层，部分粗物料返回密相区，烟气只携带细物料离开炉膛进入一 级分离器。一级分离器为四排撞击式分离器，由凝渣管构成，布置于炉膛出口处， 作为炉内分离装置。烟气通过一级撞击式分离器时，物料中较粗部分被分离出来， 落入分离器下方收集斗，返回炉膛后循环再燃烧。经一级分离后的烟气携带较细 的物料，再经过过热器后进入二级分离器一下排气蜗壳式旋风分离器，将细物 料进一步分离和收集起来，通过u 型返料器返回到密相区中，继续循环燃烧。 ( 2 ) 过热器及减温系统 过熟器为纯对流型，分二级，为防止高温腐蚀，布置在炉膛出口，凝渣管后 面。为保证管壁温度不超温，沿烟气流动方向依次为低温过热器和高温过热器。 两级过热器之间设有面式减温器调节汽温，考虑到焚烧垃圾烟气量较大的特点， 面式减温器调温幅度在0 - - 4 0 c 之间。为防止过热器管子磨损，除把过热器布置 在一级惯性分离器之后外，过热器前两排管子还采用了喷镀镍基合金防磨技术。 ( 3 ) 旋风分离器及返料器 锅炉采用两只蜗壳钢板式中温旋风分离器，外部为钢板结构，内部敷设保温、 绝热和防磨材料。分离器入口采用蜗壳式布置，能保证分离效率达到9 9 3 回 料阀采用非机械式“u ，阀回料器，保证回料通道通畅，并能耐高温、耐磨损和 防粘结。 ( 4 ) 空气预热器 空气预热器为立置管式，分上下两级布置。空气预热器管子采用巾5 1 x 1 5 的螺旋槽管，在人口处装有防磨套管。为防止低温腐蚀，空气预热器下级采用了 防腐蚀的考登管。 ( 5 ) 给料、出渣、排灰和加料 给料系统分为给垃圾和给煤两个系统，均布置在炉前。给垃圾系统为链轮 式给料装置，垃圾通过链轮输送到炉膛人口，在播垃圾风的吹撤下均匀地散落 在床层上给煤系统由两台正压螺旋给煤机组成，单台给煤量均大于满负荷给煤 量锅炉燃烧后产生的炉渣通过布风板后侧排渣口接至冷渣分选装置，冷却后连 续出渣。当冷渣分选装置出现故障时，可利用紧急放渣管采用人工间断出渣，出 渣量以维持适当的料层为准。旋风分离器分离出来的灰，全部或部分返回炉膛作 为调节床料湿度、炉膛出口烟温和降低锅炉出口排尘浓度的一种手段。在锅炉正 4 塑望查堂堡主兰笙笙窒 一蔓二童丝笙一 常运行时，可通过炉膛加砂口适量添加床料以维持料层高度。 异重流化床锅炉流程如图卜1 所示： 图1 1 垃圾焚烧异重流化床锅炉流程 1 五电厂热工监控系统开发的必要性 电力工业是我国现代化建设的基础，近年来，伴随着我国电力事业的大力发 展，高参数、大容量的机组相继投入运行。而计算机技术的迅猛发展，利用计算 枫对大中型火力发电机组进行监视和控制在新建电厂得到广泛的应用，对提高机 组运行的安全性和经济性起着非常重要的作用。许多新投产的现代化大型火电厂 中，都从国外进口了先进的仪控系统，如北仑电厂一期工程引进了美国a b b p p c 公司生产的m o d 3 0 0 分散控制系统，嘉兴发电厂引进了西门子公司生产的d c s 系 统。而早期投产的国产中小型机组基本未安装微机监控系统。为了确保其的安全 经济运行，研制开发一套适合老机组技术改造的微机监控系统是非常必要的。 电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术的先进与否和企业现代化 的重要标志。现代化电厂的生产管理要求：现场的生产情况能够及时地再现于远 离现场的决策人员和管理人员面前，现场的实时数据能够提供给各级职能部门使 用，形成图表，使生产控制和现代化管理容为一体，确保电厂安全、优质、经济 地运行。 计算机有很强的信息处理能力，它除了能高速地进行计算外，还具有记忆、 塑望奎堂堡主兰垡! 垒苎 一一兰旦j 塑鱼一 比较、判断等多种逻辑功能，如果配台合适的外部设备和过程输入通道，再加上 丰富的软件系统的支持，计算机监视系统便会根据各种需要，实现自动监视。计 算机监视系统与常规仪表篮援系统相比有以下几个优点： 计算机运算速度快，且具有分时操作功能，所以一台计算机能代替多台常 规仪表； 计算机的监视方法比较灵活，对于常规仪表难以达到的监视质量，计算机 监视系统却很容易达到： 由于计算机具有记忆和判断功能，所以在过程参数发生变化时，能及时综 合各方面情况，而对此，常规仪表不能胜任； - 计算规监视系统c r t 显示终端。可以实现多种参数的集中显示，同时还可 以实现各种画面、相关图形，给分析问题和操作控制带来很大的方便。 计算机监控系统利用计算机采集存储的数据进行锅炉运行的性能计算、经 济指标的计算分析和统计报表的自动生成等，为分析锅炉运行情况提供了方便， 减轻了试验运行人员的工作量。 计算机监控系统通过所积累的大量统计资料，可以为锅炉监控系统的改进 提供依据。 综上所述，针对电力事业发展的需要，参考电厂运行中传统的手动、半手动 操作方式，实现计算机控制和管理，提高试验运行效率和安全性为垃圾电厂开 发一套规模适中、性能价格比合理、操作维护方便实时监控系统有着十分重要的 意义。 。 1 - 3 当前国内外电厂实时监控系统应用和发展现状 应用计算机对电厂生产过程进彳亍监视和控制。提高电厂运行的安全性和经济 性，一直以来是国内外电力系统研究探讨的重要课题。 1 - 3 1 国际发展情况 在生产和科学技术的发展过程中，自动控制起着重要的作用，目前已广泛应 用于工农业生产、交通运输和国防建设， 在电厂自动化方面美国是最早应用计算机的。1 9 5 8 年9 月，在美国l o u i s i n a 公司的s t e r l i n g 电厂安装了第一台计算机监视系统。日本于1 9 6 1 年开始在北海 道泷川电厂设置计算机，但由于当时硬件和计算机元件制造技术方面的缺陷，整 个计算机系统达不到生产应用的水平。此后，日本也开始进行计算机控制在电厂 方面的研究，欧洲及前苏联在之后的卜2 年，也开始了相应的研究。电厂热 塑鋈查兰堡主兰垡笙壅 茎二童堕兰 工自动控制的发展，经历了以下几个阶段： ( 1 ) 初级阶段：本世纪5 0 年代前后，热工生产过程主要是凭生产实践经验， 局限于一般的控制元件和机电式控制仪器，采用比较笨重的基地式仪表实现机、 炉、电各自独立的分散的局部自动控制。各控制系统之间没有或很少有联系。过 程控制的目的主要式几种热工参数，如温度、压力、流量几液位的定值控制，以 保证电力生产的稳定，所应用的理论为古典控制理论。 ( 2 ) 仪表化阶段：5 0 年代末及以后十年间，先后出现了电动单元仪表和巡 回监测装置，因而实现了把机、炉作为一单元整体来进行集中控制，仪表盘装在 一起监视，从而使机、炉启停更为协调，对提高设备效率和强化生产过程有所促 进，适应了工业生产设备日益大型化于连续化的需要。此时所用的仪表有电动及 组装仪表，所应用的理论依然为古典控制理论。 ( 3 ) 合自动化阶段：7 0 年代至今，由于集成电路及计算机技术的飞速发展， 由分散的机组或车间控制，向全车间甚至全企业的综合发展，实现了过程控制最 优化与管理调度自动化相结合的分散计算机控制。对电厂而言，则是把火电厂的 生产过程( 包括主、辅机，全厂个辅助车间) 作为一个整体来进行控制，此时所 用的仪表有气动仪表、电动组合仪表、组装仪表及计算机，所用理论大多为古典 控制理论，少量为现代控制理论。 随着计算机技术的迅速发展，电厂计算机过程控制又经历了以下几个发展阶 段： ( 1 ) 集中型计算机控制：它是用台计算机对整个生产过程进行整体控制， 因而对计算机的可靠性要求很高，一旦计算机出现故障，将使整个生产受到影响。 ( 2 ) 分散型计算机控制：随着微机的大批生产，成本的不断下降，逐渐把 集中控制改为用微机进行局部控制，克 j t t 集中控制的一些缺点，但此时个系统 之间很难协调起来。 ( 3 ) 集散型计算机：它把各系统之间、厂级管理、调度等用一台功能很强 的计算机进行上位管理；而把各子系统用微机管理，充分发挥了集中控制和分散 控制各自的优点，是一种比较合理的新型计算机控制系统。 集散型计算机控制系统( t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ，简记t d c s 或d c s ) 也有称为分布式计算机控制系统( d i s t r i b u t e dc o m p u t e rc o n t r o l s y s t e m s ，简记d c c s ) 的，是计算机( c o m l 5 u t e r ) 技术、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 技术、 阴极射线管( c r t ) 显示技术和控制( c o n t r 0 1 ) 技术的结合。集散型计算机控制系统 能够完成直接数字控制、顺序控制、批量控制、数据采集与处理、多变量解耦控 制以及最优控制等功能，在先进的集散型控制系统中，还包含有生产的指挥、调 度和管理的功能。 到了九十年代，为了尽量满足应用需要，d c s 系统正逐渐与管理信息系统 塑望奎兰堡主兰壁鲨奎j 至蔓生兰墅一 ( m i s ) 结合，构成管理控制一体化的计算机集成过程系统( c i p s ) 。同时也发展 缩小化的微型集散控制系统( m i c r od c s ) ，以满足中小企业的应用c i p s 系统 着重于信息的集成及信息的共享，即通过网络连接和数据库把生产过程中分散的 各种计算机结合所形成的各个孤立系统( 如过程控制系统d c s 、p l s 等，计算机 辅助工程c a e ，管理信息系统m i s ，决策支持系统d s s 等) 集成起来，称为相互 协调，总体优化的集成系统，是c i p s 长期稳定于最优状态下运行，具备充分的 柔性和应变能力。d c s 系统向着集成化、综合化和智能化的方向发展。 国外d c s 系统经过几十年的发展，计算机集散控制系统已被广泛应用于包 括电厂在内的诸多工业部门。目前，世界上约有4 0 多家公司生产近百种简单控 制系统的商业产品。比较有名的，如美国的a b b 、h o n e y w e l l 、t a y l e r 、f c x b o r o ； 以及日本的横河一北辰、日立、东芝；德国的s i e m e n s 等多家跨国公司。 1 - 3 2 国内发展情况 我国电厂热工自动化方面的计算机应用起步于1 9 6 4 年，比国外晚了两年时 间。从开始在国外引进机组上采用d c s 系统，到在个别大型机组上试点，在到 3 0 0 m w 以及3 0 0 m w 以上大型火电机组上普遍采用，可以说是取得了巨大的发展。 d c s 完全依赖进口的局面正在改变。国内自动化仪表制造行业和电厂自动化研究 单位通过引进技术或合资生产，在工程实践中逐渐积累了丰富的经验，特别是在 应用软件方面取得了较大进步，已经能够独立承担d c s 系统组态，应用软件设 计，现场测试和培训工作。 d c s 系统在火电厂的广泛应用，极大提高了火电厂自动化水平，主要表现在 以下几个方面： ( 1 ) d c s 在机组分部试运行和整机启动调试过程中已能发挥作用，加快了 机组安装调试的进程，并且机组正式移交生产时保护和控制系统的主要功能均已 能投入使用。 ( 2 ) 运行人员已经熟悉c r t 键盘操作方式，逐步摆脱对常规仪表和控制 设备的依赖。3 0 0 m w 及以上火电机组均实现了单元集中控制：在单元控制室里实 现对机组正常运行的监视和控制；在就地配合下，完成机组的启停操作和事故处 理，为逐步过渡到机炉电统一操作创造了条件。 、 ( 3 ) 电厂辅助生产车间和辅助生产系统均采用微机型可编程序控制器，实 现顺序控制。 但是，与发达国家相比，我国电厂自动化水平还存在以下几方面明显的差距： ( 1 ) d c s 使用中硬件故障率高，死机现象、冗余切换故障等时有发生。d c s 的某些功能，如性能计算、机组自启停、组级顺控逻辑、操作指导等，在许多电 塑垩奎兰堡主兰篁堡苎 一羔二童堑丝一 厂还未投入。由于缺乏切实可行的测试方式和手段，有些d c s 性能指标无法进行 考核和验收，许多性能指标远没达到。 ( 2 ) d c s 主要依靠进口，国产化进程跟不上其发展和更新的速度。由于d c s 市场激烈，价格被压得很低，使d c s 供应商在工程设计和应用软件开发上不可能 有较大的投入，从而造成d c s 的性能不断提高而应用软件停滞不前、先进控制软 件不能推广应用的局面。 ( 3 ) 国内大专院校和科研单位，在先进控制软件和优化软件开发方面取得 了一些成果。但是，由于没有同d c s 制造厂密切结合，未能及时将研究成果产业 化。 ( 4 ) 电厂自动化设计工作处于较低水平，远远跟不上d c s 和控制技术的发 展。由于电厂采用d c s 之后，控制逻辑均由计算机软件完成，控制系统逻辑设计 的大部分工作从电力设计院转移至d c s 制造厂，这意味着d c s 伟4 造厂应对控制系 统性能负主要责任，电力设计院仅承担编制技术规范书、提高基础资料和控制要 求、确认d c s 制造厂图纸文件及安装接线设计等工作。设计院往往忙于安装接线 设计，忽视对于控制逻辑图的确认和控制策略的研究，加上较少深入参与系统验 收和调试，久而久之，电力设计院在控制系统设计方面的技能和专长逐渐衰退， 也无法对d c s 技术有更深入的认识，不能及时解决d c s 调试和投运过程中遇到的 问题。多年来d c s 技术规范书一直未能作过实质性的修改和更新。 在国内早期投运的中小型热电厂中，热工自动控制一般仍采用d d z h 或 d d z h i 型电动单元组合仪表来控制热工设备，也有用单回路调节器的。其控制方 式都是典型的传统控制。由于设备老化，及其自身的缺陷等各种原因，至今自动 投入率低，燃烧控制系统投入更是罕见，这已成为影响我国小型热电厂自动化水 平提高的难题。 国内现在热工过程自动化研究的一个重要方面为中小型，主要是进行生产实 时监控系统的开发和研究。如山东电力试验研究所、南京南瑞自动化公司、北京 和时利公司等都均与各电厂合作开发了各具特色生产实时监控系统。但确实长期 连续投入自动控制的系统不是很多，因而实际控制效果不明显。总之，我们的热 工自动化还用很长一段路要走。 1 - 4 课题的主要研究内容 根据浙大热能所多年来开发热工监控系统积累的经验，同时借鉴国内外热工 控制系统成功的实践，本课题的研究内容是把可编程控制器( p l c ) 、工业控制计 算机结合起来，把系统硬件高可靠性与软件功能的完善性相结合，使垃圾焚烧电 9 塑望茎兰堡主兰垡笙茎 墨二至堑笙 厂的自动控制系统可以长期可靠运行。同时对浙大热能所独立研制的热工监控软 件进行产品化改造，使监控系统的开发达到一个新的水平。 在热工监控系统软件方面，芜湖垃圾电厂对软件的监视功能要求比较高，组 态化级别达到锅炉级，即每台工控机的上位机软件能同时监视其他锅炉的运行， 对报警和报表系统有了更高的要求，对数据的挖掘利用也明显提高，上位机软件 需要为更高级别的系统互连提供更加强大的通讯和数据服务功能。针对芜湖垃圾 电厂实时监控系统开发要求，我们对监控软件进行了软件重构，系统升级，并通 过软件工程规范软件开发过程，使热能所自主开发的监控软件提高到新的水平， 基本实现了软件系统的产品化。 在热工监控系统自动控制方面。结合杭州乔司垃圾焚烧电厂的项目，对燃烧 炉负压、给水调节、床层温度等回路的自动控制也进行了卓有成效的研究和开发 应用。在控制策略上灵活采用智能p i d 和模糊控制等实用有效的控制方法，取得 了比较好的控制效果。 自主开发的新的热工过程实时监控系统，改变了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。采集数据经过处理后存入数据库中，以供其他功能 模块调用，或作为数据库服务器，为高级信息管理系统提供历史数据远程查询和 分析a 同时将过程变量、控制参数、报警参数、变化趋势等信息用文字、数据、 图像及报表等形式进行全面表达。经过各级处理的数据最后自动汇总成报表形式 从打印机以纸张形式输出。整个过程完全由热工监控系统完成，大大提高了电厂 的自动化水平。 本课题的研究内容主要分为四大部分： ( 1 ) 芜湖垃圾焚烧电厂热工监控系统的体系构架 ( 2 ) 芜湖垃圾电厂热工监测控制系统的软件实现： ( 3 ) 热工监控系统的软件重构、优化和产品化改造： ( 4 ) 乔司垃圾焚烧电厂热工控制系统的开发和应用。 1 0 塑垩奎堂堡主堂垡堡塞 苎三童垫三堕丝至竺堕笪墨塑塑一 第二章热工监控系统的体系构架 针对电厂开发的热工过程监控系统规模庞大，结构复杂，涉及面多，因此需 要在开发前期进行详细的需求分析和技术可行性分析，拿出一套整体解决方案。 2 1 芜湖电厂热工系统概述 芜湖电厂是以焚烧城市垃圾为主的电厂，共有三台异重循环流化床锅炉和相 应的脱硫设备，整个系统比较复杂，热工测点数目很多。 热工测点列表如表2 1 所示 一号锅炉二号