（工程热物理专业论文）煤粉炉感应加热无油点火监控系统及水煤浆代油监控系统的开发与研究.pdf

本文结合吉林热电厂无油点火监控系统和辽河油田水煤浆代油监控系统，对 计算机监控系统应用进行了深入的研究。具体包括监控系统的总体设计、控制策 略的选取与实现、监控系统的软、硬件开发和监控系统的安装与调试。 对于自动控制系统的设计，结合水煤浆代油燃烧锅炉的特点，运用智能p l d 控制原理设计各控制回路，并进行了p i d 控制参数的整定工作。针对无油点火系 统中的大滞后、非线性、时变的温度控制特点，在使用智能p i d 控制的基础上， 构想结合使用模糊控制理论。并且在两个监控系统中都实现了自动程序控制。 对于系统的硬件设计，无油点火监控系统由一体化工控机( p c ) 、可编程控制 器( p l c ) 、热工参数传感器、变送器等组成：水煤浆代油监控系统根据实际条件 由常规监视仪表、可编程控制器( p l c ) 等组成。并对硬件的选型、配置，系统干 扰的抑制等问题进行了研究。 对于p l c 和p c 机的软件开发，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，有着模块化结构化的优点。无油点火监 控系统的p c 软件使用v i s u a lc + + 6 0 开发，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。 本文还介绍了现场安装、调试所要注意的问题，并对计算机监控系统的发展 前景做了展望。 关键词：无油点火；水煤浆代油；监控系统；可编程控制器；控制回路：智能p i d 控制；模糊控制。 塑翌查竺婴主兰壁笙兰 a b s t r a c t t h i sp a p e ri ss u b j e c tt ot 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 mo fj g n i t i n g w i t h o u to i li nj i l i nt h e r m a lp o w e rp l a n ta n dt 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 fc o a is l u r r yc o m b u s t i o ni n s t e a do fo i lc o m b u s t i o ni nl i a o h eo l if i e l d f tf 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 g a n d c o n t r o l l i n gs y s t e r n t h e r e s e a r c hi n c l u d e st h e d e s i g no f t h e s y s t e m 、d e c i d i n gt h ew a y o fc o n t r o l l i n g 、t h e d e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e 、t h ei n s t a l l a t i o na n dd e b u g g i n go ft h es y s t e m t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eb o i l e rb u r n i n gc o a ls l u r r ym u s tb ec o n s i d e r e di n o r d e rt od e s i g nt h em o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e m s ot h et h e o r yo fi n t e l l i g e n t p l dc o n t r ojj s a d a p t e dt od e s i g nt h ec o n t r o ll o o p s b e c a u s et h et e m p e r a t u r e c o n t r o lh a ss e v e r a lc h a r a c t e r ss u c ha sl a g 、n o l i n e a r i t y 。e t c 。t h ew a y o fu s i n gt h e t h e o r yo ff u z z yc o n t r o ib a s e do ni n t e l l i g e n tp i dc o n t r o | i sa b o u tt ob ea d a p t e d e a c ho ft 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 m h a sr e a l i z e d p r o g r a m a u t o c o n t r o l t 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 mi n j i l i nt h e r m a i p o w e ；p l a n ti s c o n s t i t u t e db ya c o m p u t e r 、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 ) 、a n dt h e r m a l p 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 b u tt h em o n i t o r i n g a n dc o n t r o l l i n g s y s t e mj n l i a o h eo i lf i e l dj sc o d s t i t u t e db ym e t e r 、p l c 、a n d t h e r m a lp o w e re n g i n e e n n gs i g n a ls e n s o m 、s e n d e r 、c o n t r o l l e r , e t c t h ep a p e r a l s op a y sa t t e n t i o nt oh o wt os e l e c tt h eh a r d w a r e ，a n dh o w t or e s t r a i nd i s t u r b 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 c d e v e l o p e db yv i s u a lc + + p r o v e st ob ee r i e c t i v ea n df r i e n d l yt oo p e r a t o r s w h i c hc a nr e a l i z e m a n yf u n c t i o n s s u c ha s p r o c e s sd i s p l a y 1 i s t d i s p l a y o f o p e r a t i o n p 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 c c r e a t i o no f w 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 es o f t w a r ef o rp l c p r o g r a m m e db ys t e p 7 w h i c hc a n s 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 ei o o p s t h ew a yo fi n s t a l l i n ga n dd e b u g g i n ga na u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e mi s a l s o i n c l u d e di nt h i sp a p e r t h e p r o s p e c to fm o n i t o n n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mi sa l s o i n t r o d u c e da tt h ee n do ft h i sp a p e e k e yw o r d s ：i g n i t i n gw i t h o u to i l ；c o a l s l u r r yi n s t e a do fo i l ； m 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 ； 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 ； a u t o m a t i cc o n t r o l l o o p s ；i n t e l l i g e n t p i d c o n t r o l ； f u z z y c o n t r 0 1 i i 塑垩查堂堡主堂垡堡兰 星二兰堑一j 生 第一章绪 论 本文研究的内容为浙江大学热能工程研究所在吉林热电厂开发的中频感应 加热无油点火项目中的控制系统部分及辽河油田水煤浆代油燃烧锅炉改造中的 控制系统部分。其目的是为了实现生产过程中的自动化。为确保安全生产、改善 劳动条件、提高经济效益创造了条件。 1 _ 1 无油点火技术概述 1 1 1 无油点火技术背景 大型燃煤锅炉的启、停及低负荷稳燃都要消耗大量的燃油。据9 7 “中国能 源”白皮书公布的数字，1 9 9 5 年电力系统烧油量为1 1 2 0 万吨，1 9 9 6 年为1 3 0 0 万吨。另外，我国每年工业锅炉的点火和稳燃用油保守的估计也在6 0 0 万吨以上， 且每年还在以1 0 的速度递增。为此国家计委鼓励全社会开展以煤代油工作，并 指出以煤代油政策是结合我国国情的一项重要的能源政策“1 。随着电力系统体制 的改革，发电厂将与电网分开，电厂成为独立的实体。为降低成本，电厂也迫切 要求降低启动与稳燃用油成本，甚至完全不用油实现点火与稳燃。 目前，煤粉锅炉无油点火技术尚处于起步阶段，国内真正投入运行的只有某 公司采用等离子体点火技术在山东某电厂2 2 0 t h 的燃贫煤锅炉获得初步成功。 1 i 2 等离子体点火技术 等离子点火技术吲【2 3 】起源于7 0 年代初，美国西屋公司投资3 0 0 万美元，采 用高压交流和直流电源都成功的做了直接点燃煤粉的工业性试验。我国在等离子 点火方面研究也取得了成功的经验，同时注意吸取国外的经验与技术，目前的研 究己取得突破性进展。 等离子是被电离的气体，它是电子、离子、原子、分子或自由基等粒子组成 的集合体，这个集合体正负电荷数值相等，对内为良导体，对外为中性，并且具 有极高的温度。当煤粉通过高温等离子束时被引燃，并且稳定燃烧。 但通过试验研究也暴露了一些问题“”：1 由于等离子点火器内部通流面积 小，在运行中易造成局部积粉、堵粉现象，出现燃烧不稳定。2 阳极头积灰造 成阴阳极短路。3 阳极易氧化，运行寿命短。4 压缩空气品质不良，空气中 的污垢如油、水，造成电极污染。5 电路不稳定，易断弧。 i i 3 感应加热直接点火 1 关键技术 煤粉锅炉感应加热无油j 火与稳燃技术的关键技术包括感应加热管点火技 塑望查堂堡主堂垡垒苎墨二童丝l 笙 术和多级点火技术。 感应加热管点火技术是采用感应加热方式加热金属管壁面，利用高温壁面点 燃煤粉气流。浙江大学首先提出了多级点火技术的概念，并在实践中验证了其可 行性。 2 技术创新点 a 将高温壁面点火的方式引入了煤粉点火方式中来。 b 提出了多级点火的概念。 3 感应加热无油点火优点 可实现电站煤粉锅炉无油点火，可节约大量点火用油，经济效益很可观。 可实现自动控制，在炉膛火焰不稳时投入，可稳定煤粉火焰，而等离子 体点火技术在再次点火时困难。 可在低负荷时投入运行，稳定煤粉火焰，节约锅炉低负荷助燃油。 日常维护量小，可靠性高。 无油点火改造工作量小，改造后会提高锅炉运行的安全可靠性。并且， 改造后不影响锅炉出力。 5 技术性能比较 目前，全世界燃煤发电机组中，点火方式除油枪外，真正运行的只有等离子 点火技术。情况比较如表1 1 所示： 表1 1 技术性能比较 项目油枪点火等离子点火感应加热无油点火 初投资高 中低 运行成本中低 日常维护工作量 由 高中 安全性低高高 适应性广广广 可靠性局低高 1 1 4 技术发展情况 从1 9 9 3 年至今，浙江大学热能工程研究所的科研人员直致力于该项技术 的研究工作，并取得了可喜的成绩，关键技术已获得国家发明专利。通过不断的 努力，进行了多次点火试验成功点燃了烟煤和贫煤，取得了重要的试验数据。 嗣前该技术的实验室研究j 二基本完成，并在吉林热电厂进行改造试验。 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 5 课题研究的感应加热无油点火总体系统简介 吉林热发电厂4 7 炉为前苏联生产的t n 一2 3 0 2 型锅炉，于1 9 5 8 年1 1 月投产。 锅炉为煤粉悬浮式燃烧锅炉，燃烧器为双涡壳燃烧器，原设计煤种：灰份：2 8 7 6 ： 可燃基挥发份v r = 3 7 ；应用基挥发份：v = 2 3 4 8 ：低位发热量q d = 1 9 4 1 0 k j k g 。 现煤种以混煤为主，煤质大致为( 数据来自炉前煤化验单) ： 表1 2 煤质数据 项目符号数据1数据2数据3 收到基水分m a r6 0 462 96 8 8 干燥基水分 m a d t 4 21 5 81 2 8 于燥基灰份 a a d 4 0 03 3 3 33 4 7 l 干燥无灰基挥发份 v d a f3 3 2 0 3 2 3 53 50 1 收到基低位发热量q n e t ，a r1 8 4 1 02 1 1 0 01 9 8 4 0 锅炉主要参数如下： 额定蒸发量 饱和蒸汽压力 过热蒸汽压力 过热蒸汽温度 给水温度 排烟温度 热风温度 锅炉设计效率 2 3 0 t t 1 1 0 8 m p a 9 8 m p a 5 l o 2 1 5 1 6 0 左右 3 3 0 8 8 6 1 1 5 1 无油点火系统方案设计 本系统主要由点火器本体、中频电源、风粉系统、水系统、控制系统等部分 组成。图1 1 所示为无油点火热工检测控制系统图。 ( 1 ) 设计目标 a 实现锅炉的无油直接点火技术； b 低负荷时自动投入稳燃运行： c 鳄证点火过程中煤粉有一定的燃烬度，防止尾部烟道的积粉和再燃： d 启动时间基本保持与油枪点火相同。 塑望盔堂堡圭堂垡笙塞j 至兰邑童坠 譬 e e e 蓬 固e t n * _* * g 图ll 感应加热无油点火热工检测控制系统图 热工测点如表卜3 所示： 表1 - 3 无油点火监控系统热工测量列表 一号点火系统二号点火系统 模拟输入量 1 31 3 模拟输出量 1l 数字输入量1 31 3 数字输出量 77 总热工测点数6 8 ( 2 ) 点火燃烧器本体结构 a 、加热段采用圆形渐扩结构，结构如图1 2 所示。为保证点火的成功，本 方案将加热段延长，保证有一定的裕量，并增加了共7 0 0 m m 的稳燃段，并在稳燃 段依次j i 入- i 次风。选取加热段的长度是2 m 。 塑坚查堂堡主堂垡笙茎兰兰蔓生i 堕 b 、加热器设计：加热器的感应线圈应采用可调式，共设置4 个接线点，从 后到前的长度依次为：o m 、1 5 m 、1 7 m 和2 m 。加热器设计采用等加热密度进行 设计。在中心加热管的外面是莫来石纤维保温材料，厚度是2 0 r a m 。 。、加热功率：加热功率的选取原则是尽可能地缩短启动时的加热时间。功 率与加热时间的关系如表i - 4 所示。选取加热设备的净加热效率为5 0 。 加热段金属的重量为：约2 0 0 k g ，比热为4 6 0 3 ( k g k ) ； 保温层的重量是约1 8 k g ，比热是1 2 4 0 j ( k g k ) ； 总热容是：约1 i 0 0 0 0 0j k ； 表卜4 电源功率与加热时间的关系 加热时问( 分)电源功率( k w ) 67 2 5 8 66 0 4 8 75 1 8 4 84 5 3 6 94 0 3 2 1 03 6 2 9 因此中频电源的功率的设计容量是5 0 0 k w 。在初始加热时全功率投入，维持 功率大约是8 0 1 0 0 蛔。 图1 2 点火器结构及尺寸 d 、点火燃烧器安装位置和点火、稳燃方式 保留泵有的点火油枪，对前墙两只预燃室燃烧器进行改造，加装两只感应式 点火燃烧器。起点火和稳燃的作用。冷炉点火时首先用安装的两个点火燃烧器加 热炉膛，在炉膛温度达到一定水平时，先后投入靠近前墙的左右主燃烧器一次风。 f i 二常运行时，点火燃烧器将关闭，呵投部分二次风冷却口使用，可参照原预燃室 燃烧器的非投用时的工作方式。氐负荷时，点火燃烧器自动投入，维持j e 常的炉 塑翌盔兰亟主堂垡堡苎 一蔓二兰鱼j 生 膛温度，保证煤粉燃烧的稳定性。 e 、感应加热装置 感应加热点火装置包括以下组成部分： 1 中频电源：用以产生频率1 0 0 0 h z 的交变电源对感应加热器供电。 2 感应加热器：用以将电能转换热能，作为点火加热源。 3 补偿电容柜：感应加热器是一个螺旋形线圈，具有较大的电感，要求提 供很大的无功功率补偿电容器，用来降低无功电流。 4 就地控制箱：对整个装置进行必要的就地操作与控制。 1 1 5 2 控制操作柜的简要说明 控制操作柜安装在锅炉运行监控室，用于对点火装置进行异地远程遥控。其 主要功能为：启停操作，功率调节、温度监视、保护显示及报警，还包括了感应 加热点火系统必要的联锁保护。 1 1 5 3 感应加热点火系统的运行顺序 1 作好必要的水、电、煤、风的准备工作。 2 启动中频电源，将功率调节到设备规定最大值，对感应点火加热体进行 加热升温。 3 根据操作规程，在规定温度下进行送风。 4 根据操作规程，在规定温度给粉点火。 5 调节功率( 减小功率) 保持感应内点火温度。 6 点火成功后，感应点火器退出 卜2 水煤浆代油技术概述 1 2 1 水煤浆代油技术背景 石油资源在我国相对贫乏，又是重要的化工原料，因此将有限的石油资源用 作燃料烧掉是非常不经济的。 水煤浆既保持了煤炭原有的物理性质，又具有类似石油的流动性和稳定性， 所以许多国家都投人大量的资金和人力进行科学研究和技术开发，使水煤浆成为 极具发展前途的洁净燃料。 t 2 2 水煤浆的特点o ” 水煤浆( 简称c 删) 是由6 5 一7 0 嫠j 煤粉、3 0 - - 3 5 的7 1 k n ll 的添加剂 通过物理加工而成的浆体状燃料。与固态煤粉相比具有独特的优点： a 。适宜远距离、大容量管道输送，节省贮煤场用地，不需安装上煤系统和 制粉设备，节省投资。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 b 从安全角度考虑，没有象煤粉那样的火灾和爆炸的危险。 c 其负荷跟随性和重油类似，使用性能好。 d 水煤浆在制备过程中，通过洗选煤除灰3 0 一4 0 、除硫3 0 。具有 良好的环保效益。 1 2 3 水煤浆代油技术的可行性 能源与环境是当今社会发展的两大主题。一方面石油资源日益短缺，重油深 加工业成为一个新的效益增长点；另一方型水煤浆作为一种清洁燃料，以其安全 可靠、价格低廉、易于运输等特点逐渐替代重油，目前己成为一种必然趋势；再 者水煤浆制备技术的日趋成熟及燃烧技术在电站锅炉上的成功应用。充分表明 了此技术已步入广泛推广的阶段。 1 2 4 水煤浆代油监控系统概述 1 监控系统的总体方案 以远程控制为主； 重要参数采用实时控制； 实现自动程序控制： 充分利用原有的自动设备及仪器。 2 系统布置 辽河油田水煤浆代油监控系统的布置充分考虑了现场的条件，并尽可能的利 用了原有的设备，其总体系统如图1 3 所示。 图1 3 水煤浆代油热 检测控制系统图 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 其热工测点如表。1 5 所示 表卜5 水煤浆代油监控系统热工测量列表 各类测点数目 模拟输入量 9 模拟输出量 3 。 数字输入量 1 4 数字输出量 1 4 总热工测点数 4 0 卜3 在无油点火、水煤浆代油燃烧系统中 实施自动控制的必要性 随着大规模集成电路技术的发展，数字计算机技术也有了很大的提高，微型 计算机不仅体积小、功耗低、成本低，而且也具有很大的可靠性，由于计算机具 有精度高、速度快、存贮容量大的特点以及具有逻辑判断功能，所以，它具有较 强的信息处理能力，可以实现高级复杂的控制算法，获得快速精密的控制效果。 计算机所具有的信息处理能力能够把过程控制和生产管理有机地结合在起来，对 工厂、企业或企业体系的管理实现自动化，从而产生巨大的经济与社会效益。 1 3 1 实施无油点火监控系统的必要性 为了使感应加热无油点火技术更适合生产要求，保障其经济安全运行，我们 研制开发了计算机实时监控系统。计算机监视系统可容易地将分散的、大面积的 控制台式的监视变为集中的c r t 监视，从而缩小了监视面长度、大大减轻运行 人员负担。与常规仪表监视系统相比有以下几个突出优点1 1 1 ( 3 1 ： 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成千上 百台常规仪表： 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 监控系统却很容易达到； 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，能及时根 据各方面情况，显示综合分析结果，而对此，常规仪表不能胜任； 计算机监视系统c r t 显示终端，可以实现多种参数的集中显示，同时还可 以以各种画面、相关图形，实现趋势显示、流程图显示和列表显示等。给分析问 题和操作控制带来很大的方便。 计算机监控系统在感应加热无油点火系统中的投用，可以提高效率降低成 奉，主要体现以f 几个方面； 塑江奎堂堡主堂垡堕苎笙二重堑! 生 计算机监控系统提高了点火系统的自动化水平，对整个系统的安全，经济 运行提供了保证，同时大量减轻了运行人员的劳动强度，减少了运行人员。 计算机监控系统对整个系统的运行提供了详尽的过程描述，从而易于分析 运行过程中的问题和不足，避免发展成为重大事故。 计算机监控系统通过对现场数据的采集分析，在监控对象和监控装置的诊 断方面提供了依据。 计算机监控系统与常规设备的相互备用提高了系统运行的可靠性。 计算机监控系统利用计算机采集存储的数据进行数据记录、数据整理分析 以及统计报表的自动生成等，为分析试系统运行情况提供了方便，减轻了运行人 员的工作量。 计算机监控系统通过所积累的大量统计资料，可以为感应加热无油点火系 统的完善化提供依据。 1 3 2 实旌水煤浆代油监控系统的必要性 实施水煤浆代油改造的注汽锅炉，原来有一套用于油燃烧监视与控制的系 统。根据生产过程的要求、现场条件的限制，该控制系统改造后不要求采用c r t 显示器，只要求利用可编程控制器( p l c ) 完成数据采集处理和自动控制两大功 能。p l c 与常规仪表监视系统相比，在提高效率、降低成本上也具有上述的很多 优势。 综上所述，在感应加热无油点火及水煤浆代油燃烧中应用监控系统，对于提 高系统安全性和可靠性，提高经济运行水平和运行管理水平，以及减少运行人员 劳动强度等有明显的效果。 卜4 计算机控制系统的发展及应用现状 计算机控制系统是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起而应运产生的 综合控制系统，它紧密依赖于最新发展的计算机技术、网络通信技术和控制技术， 在计算机参与工业系统控制的历史长河中扮演了重要的角色。 1 4 1 计算机控制发展状况 在6 0 年代、控制领域中就引入了计算机m 1 。当时计算机是控制调节器的设 定点，具体的控制则由电子调节器来执行。这种系统的调节器主要是采用模拟调 节器。系统中既有计算机又有调节器，系统复杂投资又大。 在6 0 年代末期出现了用一台计算机直接控制一个机组或个车间的控制系 统，简称集中控制系统。在这种控制系统中，计算机不但完成操作处理还可直 接根据结定值、过程变量和过程中其它的测量值，通过p i d 运算，实现对执行机 构的控制，以使被控量达到理想的 作状态。这种控制系统即常说的直：接数字控 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 制( d d c ) 系统。计算机d d c 控制的基本思想是使用一台计算机代管若干个调节控 制回路功能。由于整个系统中只有一台计算机，因而控制集中，便于各种运算的 集中处理，各通道或回路问的耦合关系在控制计算中可以得到很好的反映，同时 由于系统没有分层，所有的控制规律均可直接实现。但是，如果生产过程复杂， 在实现对几十、几百个回路的控制时，可靠性难以保证，系统的危险性过于集中， 一旦计算机发生故障，整个系统就会停顿，影响了这种系统的进一步推广应用。 7 0 年代随着电子技术的飞速发展，大规模集成电路的出现，为集散控制系 统的出现莫定了基础。7 5 年美国h o n e y w e l l 公司首先推出了以微处理器为基础 的t d c - - 2 0 0 0 型总体分散型控制系统，其含义是集中管理、分散控制，因而称之 为集散控f i b q ( 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 ) 系统。d e s 的 出现使系统的控制方式发生了质的变化，是控制史上的里程碑。该系统从综合自 动化的角度，按功能分散、协调集中的原则设计，具有高可靠性、高实时性，是 用于生产管理、数据采集和各种过程控制的计算机控制系统。 近几年来，d c s 的功能在不断完善，向大系统综合自动化和开放式系统方向 发展。使企业的管理和控制相结合，能利用过程信息较快地作出有利于企业的决 策，以适应变化的市场需求。d c s 系统正逐渐与管理信息系统( 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 成与信息的共享，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 仪表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。 1 4 2 国内热工控制的发展及计算机控制在热工控制中的应用状况啪”1 我国动力行业在五十年代中起步。到六、七十年代己迅速发展起来。同期， 火电站的自控装置也得到相应的发展。 五十年代主要是引进苏联和东欧2 3 0 t h 以下的机组，自动控制装置也主要 是仿制苏联b t n 系列仪表。随着我国发电机组制造业的崛起，配套的自控装置也 走上了国产化的道路。 六十年代初，已开始使用国内自行研制的电子管式电动单元组合仪表d d z i 型。六十年代中期，电动单元组合仪表已改型为晶体管式的d d z i i 型仪表， 并同时开发出q d z 型气动单元组合仪表。随着集成电路的问世，六十年代末，七 十年初y 4 - j i = 发出集成电路型的d d z i i | 电动单元组合仪表。这些装置成为我国电 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 站、冶金，化工、轻纺等工业部门自动化装备的“主力军”。随后，仪表行业又 开发了组件组装式控制装置，由于元器件性能不稳定，可靠性不高，维护工作量 大，很快被引进的可编程调节器和部分单元组合仪表所代替。在这同时我国引 进的发电成套设备，把国外七十年初刚用于火电厂的微机数据采集系统和组装式 数字控制装置带入国内市场。 六十年代中期，曾将国产小型电子计算机用于电站数据采集、制表打印。均 由于计算机硬件可靠性不高，系统难于正常运行，致使试点工作末取得好的效果。 1 9 8 0 年前后，动力行业引进了美国g e 公司和删公司的主机主产技术和配 套的自控技术。阿城继电器研究所按g e 技术试制了锅炉安全保护监视系统 ( f s s s ) ，新华电站控制工程有限公司按西屋( 1 v ) 公司技术试制汽轮机数字式电 液调节系统，通称“d e h ”系统。东方锅炉厂采用可编程控制器( p l c ) ，也开发出 自己的锅炉安全保护监视系统( f s s s ) 。这些技术推进了微处理器在电站控制中 的应用。 国外在七十年代中期开发出集计算机技术、控制技术、通讯技术和图形显示 技术于一体的新型控制系统d c s ，这种系统到八十年代得到进一步发展。完成相 同的功能，硬件配置减少了，软件功能增强。随着火力发电机组的引进，d c s 系 统带入了我国。国内仪表行业在引进的自动化设备冲击下，纷纷引进国外仪表技 术，并配合部分国产单元组合仪表组成了1 2 5 m w 、2 0 0 m w 机组的自动控制系统。 尽管这几年热工自动化水平有了很大提高，但和国外比尚有一定差距。最大 的差距是自动装置投入率低，原因除了主设备可控性差外，另一个是测量装置( 如 风、煤测量) 与执行机构( 如阀门) 存在一些问题，这些都影响到热工自动化的进 展。 卜5 课题的主要研究内容 本课题的研究内容为： 在无油点火控制系统中将可编程控制器( p l c ) 与工业控制计算机等结合起 来的监控系统：在水煤浆代油监控系统中利用可编程控制器与常规监视仪表等配 合实现监控功能。尝试把系统硬件高可靠性与软件功能的完善性相结合，使中频 感应无油点火监控系统、水煤浆代油监控系统能够可靠经济地运行。 课题内容主要分为四大部分： 无油点火、水煤浆代油监控系统的总体设计，包括总体结构设计、控制 策略的选择、软硬件总体设计。 控制策略的制定与实旌。在模拟量控制的研究中，对于水煤浆代油监控 系统的负压、氧量控制回路采用智能p i d 的方法：对于无油点火监控系统的点 火器温度控制回路，在采用了智能p i d 方法的基础上，又尝试构思了将智能p i d 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 与模糊控制原理相结合的方法。在两个监控系统中都实现了自动程序控制。对现 场扰动的抑制也做了一定的研究。 在硬件的具体设计中，介绍了p l c 的结构，并设计了硬件配置图，选定 了各个功能模块和硬件设备。 软件的具体设计。对无油点火监控系统的上位机软件采用模块化、面向 对象的开发方法；对于p l c 的程序设计，采用了结构化的编程方式。 无油点火监控系统利用计算机采集点火系统的各种参数，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系统的运行情况。并通过编 制应用软件，连续采集温度、流量、电压以及热工、电气开关量等信息，实现对 点火系统运行状态等主要指标的实时监视与控制。并从系统运行的安全性和经济 性出发、对运行的主要参数进行分析、管理。根据运行参数自动制成各种报表， 为运行管理提供有力的手段。对模拟量报警，开关量动作等信息进行详细的记录， 为分析事故原因提供了详细的信息。为提高运行水平，保障系统及运行人员安全， 实现了自动程序启停功能。当人工发出启停信号时，可自动启停。在运行过程中 时刻进行逻辑判断，如有异常，则报警，甚至调用停机程序，自动停机。 在水煤浆代油监控系统中，利用可编程控制器对锅炉在各种工况下的状态进 行控制、随时进行逻辑判断，异常时发出报警信号，必要时切换到手动控制方式 乃至停止锅炉运行。对锅炉的安全、经济运行，以及保障锅炉自动控制系统的正 常工作尤其重要。在该系统也实现了自动程序控制。可根据人工给出信号进行自 动启停。 课题研究的目的是为了提高无油点火、水煤浆代油监控系统的安全经济运行 水平，为无油点火、水煤浆代油监控系统的工业化应用创造良好条件，有利于我 国的环境保护，节约并合理有效的利用能源。 堑坚查堂堡主堂垡堡苎 笙三主重迪盛盔：查堡鏊垡垄堕丝墨堑堂! ! ：i 鲨 第二章。无油点火、水煤浆代油监控系统总体设计 2 - 1自动监控系统设计概述 2 1 1 自动监控系统设计原则 尽管计算机控制的生产过程多种多样，系统设计方案和具体的技术指标也是 千变万化，但在设计过程中应该遵守共同的设计原则：可靠性高，操作性好，实 时性强，通用性好，经济效益高。 1 可靠性高 过程控制计算机的工作环境比较恶劣，周围的各种干扰随时威胁它的正常运 行，而且它所担当的控制重任又不允许它不正常运行。因此，设计过程中要把安 全可靠放在首位。 首先要选用高性能的工业控制计算机，保证在恶劣的工业环境下仍能正常 运行。其次是设计可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施，比如报警、事故 处理、不间断电源等。 为防止计算机故障，还需设计后备装置。对于一般的控制回路，选用手操 器作为后备；对于重要的控制回路，选用常规的控制仪表作为后备。对于特殊的 控制对象，设计两台计算机，互为备用地执行控制任务，称之为双机系统。 2 操作性好 操作性好表现在两个方面，一是使用方便，二是维修容易。 使用方便体现在操作简便，直观形象，便于掌握，并不强求操作人员要掌 握计算机知识才能操作。既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯。 维修容易体现在易于查找故障，易于排除故障。采用标准的功能模块板式 结构，便于更换故障模块模板。并在功能模板上安装工作状态指示灯和监测点， 便于维修人员检查。另外，配置诊断程序，用来查找故障。 3 实时性强 过程控制计算机的实时性表现在对内部和外部事件能及时地响应，并作出相 应地处理，不丢失信息，不延误操作。 对定时事件，如数据定时采集，运算控制灯。系统设置时钟。保证定时 处理。 对于随机事件，系统设置中断，并根据故障的轻重缓急预先分配中断级 别，一旦事故发生，保证优先处理紧急故障。 塑望查堂堡主堂焦鎏茎 笙三童重塑盛奎：查堡鏊垡塑堕笙墨笙壁签墨生 4 通用性好 通用性表现在两个方面： 硬件模板设计采用标准总线结构，配置各种通用的功能模板，以便在扩充 功能时，只需增加功能模板就能实现： 软馋或是控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要进行二次开发， 只需要选择各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。 5 经济效益高 体现在两个方面： 系统设计的性价比，在满足设计要求的情况下，尽量采用廉价的元器件； 投入产出比，应该从提高产品质量与产量，降低能耗，消除环境污染，改 善劳动条件方面进行综合评价。 2 1 2 自动监控系统的内容”1 ( 1 ) 自动检测：自动地检查和测量反映生产过程进行情况的各项物理参数及 各项生产设备的工作状态参数，以监视生产过程的进行情况和趋势，称为自动检 测。它所适用的检测设备有常规的模拟量仪表、巡回检测数字式仪表，还有计算 机图象显示，自动记录、打印和警报装置。 ( 2 ) 顺序控制：按照预先拟定的顺序，有计划、有步骤、自动的对生产过程 进行一系列的操作，称为顺序控制。顺序控制也称为自动操作，又称为程序控制， 在发电厂中主要用于主机或辅机的自动启动和停止，以及辅助系统的程序控制。 ( 3 ) 自动保护：在发生事故时，自动采取保护措施，以防止事故进一步扩大 或保护生产设备使之不受严重破坏，称为自动保护。 ( 4 ) 自动调节：自动地维持生产过程在规定的工况下进行，或者说自动的维 持各被调量为设定参数值或按一定规律变化。 生产过程中必须保证产品满足一定的数量和质量要求，同时也要保证生产的 安全和经济，这就要求生产过程在预期的工况下进行。但是，生产过程往往受到 各种扰动而偏离正常工况，必须通过自动控制随时消除各种干扰，保证正常运行。 更为严重的是有时自动控制系统本身也要发生故障，这就要求在设计自动控制系 统时，考虑各种可能发生的故障，并加以自动保护。因此，现代的自动控制系统 往往包含自动保护、自动检测、自动报警、顺序控制等内容。有时，它们有机的 组合成一个不可分割的整体，以确保控制系统的安全可靠。 21 3 自动监控系统的品质指标“1 自动控制系统控制品质的优劣，直接表征了控制系统克服外界干扰能力的大 小。衡量一个控制系统的指标一般可以归纳为三个方面：稳定性、准确性和快速 塑坚盔堂堕主堂堡堡壅 塑三童垂迪盛坐：查壁鏊垡塑堕丝墨竺璺堡兰! 立 性。 1 稳定性 通常所说的控制系统是稳定的，是指控制系统在受到干扰作用后，系统的平 衡被破坏，在控制设备的控制作用下，控制系统能恢复到一个新的平衡状态，成 为稳定的控制系统。 2 准确性 准确性是指被控参数的实际值与给定值之间的动态偏差和静态偏差。动态偏 差是指整个过渡过程中被控参数偏离给定值的最大差异。静态偏差是过渡过程结 束后被控参数与给定值之间的差值。现场中希望两个偏差越小越好。 3 快速性 快速性是指过渡过程的持续时间，即从干扰发生起至被控参数又建立新的平 衡状态为止的过渡过程时间。一般认为被控参数进入偏离给定值5 ( 或2 ) 范围内就算基本稳定了。过渡过程时间越短，控制过程进行的就越快，系统品质 也就越好。 以上三方面的品质指标有时往往相互矛盾，在实际调试过程中要统筹兼顾。 2 - 2 无油点火监控系统总体结构设计 根据无油点火系统的特性、要求实现的控制功能，在征求用户意见的基础上， 充分利用点火系统的仪控设备，采用了工业控制计算机加可编程控制器( p l c ) 的计算机自动监控系统，包括自动监测系统和自动控制系统二个主要功能系统， 其中自动控制系统包括了点火器壁温自动控制系统、自动程序启停控制系统和联 锁保护系统。 2 2 1 无油点火监控系统的主要功能 1 实时监测中频点火装置与一、二次风等的运行参数，如点火器壁温，冷 却水温度，一次风风压及流量，中频点火装置的直流电压、直流电流、中频电压、 功率及控制回路的状态参数，冷却水电磁阀的开关状态，燃烧器着火状态等有关 信号。并对参数进行数据处理、显示、越限报警、储存及管理，可查询历史数据。 2 中频点火系统自动程序启动控制和停止控制。当人工对计算机发出启动 或停止指令时，自动执行启动控制程序或停止控制程序，实现点火系统的安全启 动或安全停止。 3 为了方便运行人员控制点火系统的运行，本监控系统分为手动控制和自 动控制两种控制方式，运行人员可根据实际情况选择。在两种状态之间切换时， 执行器接受的指令不能发生突变，即所谓的“无扰动切换”。所以手动自动切换 模块具有自动指令和手动指令的相互跟踪功能。 塑望盔堂堡主堂堡笙塞笙三兰重塑皇坐：查堡鏊垡塑堕笙墨丝璺堡堡生 4 中频点火系统加热功率自动调节控制，确保壁温控制在l o o o c 5 0 9 c 的 范围内。 5 重要参数越限报警及保护，除计算机画面显示报警外，还在控制盘上设 置光字牌。当主要运行参数超过保护限值时，自动切断中频电源实现保护。 6 关键设备实行联锁保护。 ， 2 2 2 无油点火监控系统的控制策略 本监控系统包含点火器壁温控制回路。控制的目的是方便点火系统的工 况调节，该系统的温度调节范围为1 0 0 0 5 0 。c 。选用智能p i d 控制方法来实现。 针对点火器壁温调节具有滞后大、非线性、时变的特点，在智能数字p i d 控制的 基础上，构想使用现代模糊控制理论。 从点火系统的安全可靠出发，根据中频电源启动与停运步骤，以及故障 保护要求，在对其逻辑分析的基础上设计自动程序控制程序。 2 2 3 无油点火监控系统的硬件总体设计 无油点火监控系统硬件包括：台一体化工业级p c 总线微机( 工机控) ，带 彩色显示器及操作键，嵌入控制盘上，作上位机。下位机采用p l c 可编程控制器， 组成计算机自动监视与控制系统。p l c 装在控制盘内。中频电源启停按钮及调节 器等备用硬手操，给粉机、一次风操作器等装在控制盘上。控制盘尺寸约为：高 x 宽x 深= 1 7 0 0 x 1 0 0 0 x 9 0 0 。硬件系统如图2 1 所示。 图2 i 无油点火监控系统硬件框图 由图2 1 可以看出：无油点火监控系统包括自动监测和自动控制两大部分。 监控统的自动监测部分：系统的模拟量输入( a i ) 参数共2 6 个，辅机启停 状态信号的开关量输入参数( d i ) 共2 6 个，通过温度、压力、流量等传感器及 变送器将信号输入p l c 的模拟量和数字量输入模块。所有输入模块采集的信号 通过适配器m p i # 采用数字通讯方式及时将信号传递给p c 机。p c 机负责对 ll，_1，llll一 一旧性例一一怕恸旧川一 ，1 l r j 浙江大学硕士学位论文第二二章无油点火、水煤浆代迪! 堕墼叠堕璺堡垄盐 数据进行处理、显示、储存及管理，如运行数据整理、结果汇总等等，实现对整 个点火系统的运行参数的集中监视和集中管理。 脏控系统的自动控制部分：各控制回路的基本控制参数通过人机对话方式在 p c 机上输入，通过m p i 卡将参数传递给p l c 。自动控制回路以p l c 为核心， 由p l c 检测各个被控参数，通过a o 模块( 模拟量输出参数共2 仑) 输出调节 量，自动调节各控制回路：通过d o 模块( 开关量输出参数共1 4 个) 输出开关 启停信号，控制电磁阀和气动阀的开关，驱动电动阀与接触器等组成点火系统的 自动顺序启停控制和安全保护系统。