（电力系统及其自动化专业论文）工业锅炉控制策略研究与控制系统设计.pdf

a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r yt e c h n o l o g y ，t h ed e m a n d i n go f h i g he n e r g ye f f i c i e n c y h a sb e c o m eu r g e n ti n c r e a s i n g l y a so n eo ft h ei m p o r t a n t e q u i p m e n t ，t h eb o i l e rt r a n s f o r m st h ep r i m a r ye n e r g yi n t os e c o n d a r ye n e r g y ，w h o s e c o n t r o la n dm a n a g e m e n tl e v e la l s oi m p r o v eg r a d u a l l y h o w e v e r ，i no u rc o u n t r y ， m o s to ft h eb o i l e r sa r ea l s oc o n t r o l l e db yi n s t r u m e n t a t i o n sa n dr e l a y s ，e v e nm a n u a l w o r k ，w h i c hc a nn o tb es a t i s n e dt h er e q u e s t t h e r e f b r e ，t h r o u g hb yu s i n ga d v a n c e d c o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h eb o i l e rc o n t r o ls y s t e mi sn o to n l yc a ng u a r a n t e et h es a f e t ym p r o d u c t i o n ，b u ta l s oc a ns a v et h ee n e r g ya n di n l p r o v ee m c i e n c y ，w h i c hh a sg o o d m a r k e td e v e l o p m e n ta n di n v e s t m e n tp r o s p e c t t h eb o 订e rd r u mw a t e rl e v e li su s u a l l yi n f l u e n c e db yt h ef a c t o r s s u c ha s c h a n g e so fl o a d ， a c c e s sw a t e rs p e e d ，w a t e rq u a l i t ye t c ， w h i c hh a st i m ed e l a y ， n o n l i n e a ra n do t h e rf e a t u r e s t h ef u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d ，w h i c h c o n s i s t so ft w oi n p u t s ( e ，e c ) a n dt h r e eo u t p u t s ( k p ，k i ，k d ) t h ep u r p o s ei st o i m p r o v et h es h o r t c o m i n g so fp i dc o n t r o lp a r a m e t e r s ，w h i c ht u n i n gd i f f i c u l t l ya n d a d a p t i n gp o o r l y o nt h i sb a s i s ，t h eh o s tc o n t r o l l e ro ft h et h r e ei m p u l s ec a s c a d e c o n t r o ls y s t e mi sa d o p t e db yf u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l l e r ， a n dt h ed e p u t y c o n t r o l l e ri su s e dp ic o n t r o l l e r 。s i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h ed r u mw a t e rl e v e l c o n t r o ls y s t e mc a na c h i e v eas m o o t ha d j u s t m e n ta n dt h e w a t e rl e v e la l w a y s m a i n t a i n e st h er e q u i r e df l u c t u a t i o nr a n g ew h e nt h ec h a n g e so f1 0 a da r er e l a t i v e l y s m a l lo rd r a m a t i c a l l y t h eb u r n n i n gc o n t r o ls y s t e mo fi n d u s t r i a lb o i l e ri n c l u d e ss t e a mp r e s s u r e c o n t r o l ，t h ef u r n a c en e g a t i v ep r e s s u r ec o n t r 0 1a n dt h ec o n t r o lo fo p t i m a la i r c o a l r a t i oi ng e n e r a l i t sp a r a m e t e r sa r et i m e v a r i a t i o n ，n o n l i n e a r ，c o m p l e xi n t e r f e r e n c e f a c t o r s ，c o u p l i n gs e r i o u s l y ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e li s d i f n c u l tt ob ed e t e r m i n e d a c c o r d i n gt ot h e s ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h em e t h o d so fv a p o rp r e s s u r e ，f - u r n a c en e g a t l v e p r e s s u r ea n do p t i m a la i r c o a lr a t i ow h i c h a r ec o n t r o l l e dr e s p e c t i v e l yb yt h ef u z z y a d a p t i v ep i d ，f e e d 矗3 r w a r dp i d a n df u z z ys e l f - o p t i m i z i n ga r ep r o p o s e d s i m u l a t i o n r e s u l t sb a s e do nt h em a t l a bs h o wt h a tt h et h r e ec o n t r o la l g o r i t h m sh a v eg o o d c o n t r o le f i f e c t r e d u c et h eo v e r s h o o t ，e n h a n c et h er i s i n gt i m e ，r e d u c et h ea d j u s t m e n t t i m e i nt h i sp a p e r ，t h eb o i l e rd c sc o n t r o ls y s t e mb a s e do np r o f i b u s ，i n d u s t r i a l e t h e r n e t ，p l ca n dm o n i t o r i n gs o f t w a r e i s d e s i g n e d ，w h i c hr e a l i z e s d i s t r i b u t e d c o n t r o la n dc e n t r a l i z e dm a n a g e m e n t f u z z ya d a p t i v ep i da n df u z z ys e l f 二o p t i m i z i n g 硕 ：学位论文 a r ee m b e d d e di n t op l ca n dc o n n g u r a t i o ns o f t w a r e ，a sw e l la si n t e l l i g e n tm a t l a b a l g o r i t h mi si n t e g r a t e di n t ow i n c cc o n n g u r a t i o ns o f t w a r es e a m l e s s l yb yu s i n g o p ct e c h n o l o g y ，w h i c ha d a p tc o m p l e xc o n d i t i o no ft h eb o i l e rw i t hs e r i o u s n o n - l i n e a r ，l a r g et h e r m a li n e r t i a ，m a n yd i s t u r b a n c ef a c t o r s k e yw o r d s ：b o 订e r ；f u z z ya d a p t i v ep i d ；f u z z ys e l f _ o p t i m i z i n g ； p l c ；d c s ； c o n n g u r a t i o ns o f = t w a r e 工、f k 锅炉控制策略研究与拧制系统设计 插图索引 图2 1 工业锅炉工艺系统组成图8 图2 2 锅炉输入输出之间的相互关系示意图8 图3 1 锅炉汽水系统机构图1 1 图3 2 汽包水位在蒸汽量和给水量扰动下反应曲线12 图3 3 汽包水位模糊自适应p i d 控制器原理图1 3 图3 4p i d 控制系统原理框图1 3 图3 5 模糊控制器的基本原理框图1 7 图3 6 模糊自适应p i d 控制器结构1 8 图3 7e ，e c ，k p ，k i ，k d 隶属度函数曲线1 9 图3 8 典型阶跃响应图1 9 图3 9 模糊自适应p i d 三冲量控制系统仿真框图2 8 图3 1 0 传统p i d 控制器控制系统仿真框图2 8 图3 11 汽包水位控制系统仿真曲线2 9 图3 1 2 在仿真过程中施加于系统的方波干扰信号2 9 图3 1 3 汽包水位控制系统抗干扰曲线2 9 图3 1 4 k p 、k i 、k d 参数变化曲线3 0 图4 1 燃烧系统输入输出关系示意图3 l 图4 2 蒸汽压力调节对象的特性3 2 图4 3 蒸汽压力模糊自适应p i d 串级控制系统框图3 3 图4 4 蒸汽压力模糊自适应p i d 串级控制系统仿真框图3 4 图4 5 蒸汽压力常规p i d 串级控制系统仿真框图一3 4 图4 6 蒸汽压力串级控制系统仿真图3 5 图4 7 炉膛负压控制系统框图3 5 图4 8 炉膛负压控制系统仿真模型3 6 图4 9 炉膛负压控制系统仿真结果3 6 图4 1 0 最佳过剩空气系数与负荷的关系图3 7 图4 1 l 炉膛温度与风煤比的关系图3 8 图4 1 2 风煤比自寻优控制系统框图3 8 图4 1 3 风煤比自寻优控制系统仿真模型4 2 图4 1 4 风煤比自寻优控制系统仿真结果4 2 图5 1 控制系统网络结构图4 6 图5 2s t e p 7 标准软件包4 7 硕士学位论文 图5 3 系统网络组态4 8 图5 4 一号锅炉房控制站系统框图5 0 图5 5 系统主程序结构5 1 i 蛩5 6f b 4 l ( c o n tc ) 控常0 框图5 2 图5 7 模糊自适应p i d 控制算法流程5 4 图5 8s t e p 7 实现模糊自适应p i d 功能块流程框图5 5 图5 9w i n c c 系统结构5 7 图5 1 0 建立w i n c c 项目5 7 图5 1 1 项目的计算机属性设置5 8 图5 1 2p r o f i b u s 系统参数5 8 图5 13 图5 1 4 图5 15 图5 16 图5 17 建立变量 锅炉总貌主画面 锅炉系统控制界面 锅炉系统实时曲线画面 系统报警画面 5 9 6 0 6 0 6 1 6 2 图5 1 8m a t l a b 与w i n c c 的实时过程控制系统结构示意图一6 6 图5 1 9s i m u l i n k 中o p c 组态6 7 图5 2 0s i m u l i n k 控制系统框图6 8 图5 2 1w i n c c 数据显示和o p c 通讯实时数据曲线6 8 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究 成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 炙蜩拈 日期：弘7 年6 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权兰州理工大学可以将本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和汇编本学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会 公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 昊孵讯 弓伊矽 日期：2 甲年多月五日 日期：2 哆年占月己日 硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 由于我国总的能源特征是“富煤、少油、有气 ，拥有丰富的煤炭资源，到 2 0 0 0 年已探明的煤炭储量达1 1 4 5 亿吨。煤炭因其储量大和价格相对稳定，在本世 纪5 0 年内，在我国的一次能源构成中仍将占主导地位。由此可见，在未来相当长 的一段时期内，燃煤工业锅炉仍将是我国工业锅炉的主导产品。这与目前国外的 情况相差很大。如：日本燃煤工业锅炉仅占总数的1 ，美国和西欧国家约占1 3 ( 石油危机后燃煤工业锅炉略有增加) ，俄罗斯燃煤工业锅炉较多，约占4 0 【l 】。 工业锅炉是我国主要的热能动力设备，使用面广，需求量大，在工业生产和 军民生活中扮演重要角色。据不完全统计，我国现有中、小锅炉3 0 多万台，每年 耗煤量占我国原煤产量的三分之一以上，堪称大耗能动力设备。随着国民经济的 不断发展和人民生活的不断改善，锅炉台数还在不断增加。作为能源转换的重要 设备，其工作情况的好坏直接关系到能源的利用率高低。目前我国中、小型锅炉 以燃煤链条锅炉为主，燃料主要是煤炭，而且锅炉房管理水平不高，一直沿用间 断运行方式，锅炉技术含量低，锅炉的自动化控制技术落后，处于能耗高、浪费 大、环境污染严重的生产状态，尤其是燃煤排放的c 0 2 气体所引起的温室效应， 早己引起国际关注。为了将我国建设成资源节约型、环境友好型社会，工业锅炉 的节能降耗、减少污染物生成和排放具有重大意义。近几年随着加入世贸组织以 及中国经济的飞速发展，如何提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，改善环境 是每个部门乃至每个公民关心的大事。为此对工业锅炉推广应用各种新技术、新 工艺、新管理是实现节能降耗、减少污染的重要途径。其中实现锅炉的自动化控 制不仅可大大节约能源，促进环保，而且可以提高生产自动化水平。 具体来讲，实现锅炉自动化控制的意义在于忙j ： ( 1 ) 提高锅炉运行的安全性； ( 2 ) 提高锅炉运行的经济性； ( 3 ) 改善劳动条件； ( 4 ) 减少运行人员，提高劳动生产率。 今后，随着工业锅炉市场技术竞争的日趋激烈，锅炉自动控制系统的好坏己 成为决定锅炉性能的重要砝码。研究与开发功能完备、性能可靠的锅炉自动控制 系统，是适应锅炉生产发展需要，具有广阔的发展前景与研究价值。 1 2 锅炉控制技术的研究现状及发展 1 2 1 国内外研究现状 工业锅炉是一个比较复杂的工业设备，有几十个测量参数，控制参数和扰动 t 、i p 锅炉 卒制策哜研究弓摔制系统设汁 参数，它们之间相互作用，相互影响，存在明显的或不明显的复杂因果关系，而 且测控参数也经常变化，存在一定的非线性特性，这一切都为锅炉的控制增加了 难度。过去，我国工业锅炉( 特别是燃煤锅炉) 产品设计和制造往往是重锅炉本 体而轻燃烧和控制设备，很多锅炉所配置的运行监测仪表不全，尤其缺少显示锅 炉经济运行参数的仪表。因此，运行人员在调整锅炉时，往往由于缺少数据，不 能对锅炉的运行状况随时做出准确判断并实行相应的运行调整，使锅炉处于最佳 工况运行。控制水平很低，很多锅炉仍为位式或开环控制，没有实现连续闭环控 制，不能根据外界变化调节锅炉运行状态，无法使锅炉运行较快地适应工况的变 动和处于持续稳定状态，锅炉运行效率的保证和提高受到了限制。8 0 年代中后期， 随着先进的控制技术引入我国的锅炉控制以来，锅炉的计算机控制得到了很大的 发展【3 】。至9 0 年代，锅炉的自动化控制已成为一个热门领域，利用单片机、可编 程序控制器、工业计算机以及引进的国外控制设备开发的各种控制系统，己逐渐 用于对原有锅炉的技术改造中，并向新建炉体配套的方向发展，许多新的控制方 法，诸如最优控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制等自动控 制的最新成果也在锅炉自动控制中得到了尝试和应用【4 】。但由于控制技术单一， 或控制算法的建模往往不能反映真实的锅炉状况，导致在工程实践中并不怎么成 功，不能产生很好的经济效益，挫伤了用户在工业锅炉上用计算机进行控制的积 极性。因此提高锅炉控制技术水平成为提高锅炉效率的重要手段之一。 如今在国外，锅炉的控制己基本实现了计算机自动控制，在控制方法上大都 采用了现代控制理论中的最优控制、多变量频域、模糊控制等方法【5 1 ，因此，锅 炉的热效率较高、锅炉运行平稳，而且减少了对环境的污染。 目前，锅炉控制的难点主要集中在汽包水位控制和燃烧过程控制，而锅炉各 种控制策略的研究工作也主要围绕这两个方面展开。虽然国内外控制科学与工程 领域的学者对工业锅炉的控制策略作出了深入的研究，取得了一些成果，但仍存 在一些问题。 文献 6 采用自校正控制器分别控制主汽压力和水位，并且对外扰加入前馈控 制。控制通道中考虑饱和非线性、死区非线性。系统特点是：自校正控制器对于 那些存在着随机干扰、输入响应有滞后、过程特性具有一定非线性的复杂对象有 很好的控制效果。缺点是自校正控制器的算法比较复杂。 文献 7 提出将专家控制系统应用到汽包水位的控制，这是一个专家系统与实 时控制协调的实时控制系统。根据水位偏差、负荷变化及变化率或母管压力的变 化由专家系统根据规则选用合适的p i d 参数。该系统特点是：p i d 控制器的参数并 非固定，而是根据水位系统所处动态环境的不同，仿专家经验选取较合适的控制参 数。这种控制参数随动态不同而改变的策略显然会改善控制品质；控制参数事先 根据专家经验离线整定完毕。实时控制中，专家控制器只是根据对象的模糊化信 2 硕上学何论文 息通过规则进行选取，这种方法虽然在精度上比实时整定保守，但它更可靠，且 实时性强，没有参数整定时间。该系统不足的地方是必须精确地确定对象模型， 但操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示。 文献 8 针对燃煤锅炉系统的特点，根据炉膛温度更能快速反映煤的燃烧热效 率，一定的煤量燃烧最充分时其温度也最高的原理，提出了一种由专家控制系统 根据不同的燃烧工况提供最佳鼓风量方法，专家系统瓶颈问题的知识获取则由改 进遗传算法优化完成。为了避免作为随机搜索的遗传算法在搜索过程中引起鼓风 量的混乱，寻优过程离线进行，寻优结果数据提供给专家系统，最后由专家系统 提供最佳鼓风量。但应看到，由于在专家系统中人的知识与经验是必须的，所以 系统受到人的知识与经验是否丰富、合理的限制，这对于完善整个系统是很大的 障碍。 文献 9 开发了燃煤锅炉多变量、非线性模型预测控制系统，涉及机理、非线 性降阶模型，抓住了锅炉的主要静态和动态特性。模型用于预测过程的响应，模 型参数用预测误差方法或非线性最小二乘法。该模型用k a l m a n 滤波器实时估计过 程状态，估计的状态用于预测，从而计算最优控制序列。但是运算比较繁琐，很 难保证其实用性。 锅炉系统是一个多参数、多回路、非线性、大滞后、强耦合的控制系统，加 上其蒸汽负荷变化的随机性，用传统的控制方法不能达到理想的控制效果。但是 一些熟练的操作人员、锅炉领域专家却能得心应手的进行手动控制，这就给基于 知识规则的模糊控制的应用提供了广阔的空间，因为模糊控制是一种模拟人的思 维的控制方法，它不要求受控对象的数学模型，能解决大量常规控制难以解决的 控制难题。因此，将模糊控制应用于锅炉的控制系统，具有较强的理论与实践意 义。 1 2 2 控制技术的发展趋势 现代过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂， 对生态环境的影响也日益突出，这些都对控制提出了越来越高的要求。不仅如此， 生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重 要指标。因此，仅用常规仪表己不能满足现代化企业的控制要求。由于计算机具 有运算速度快、精度高、存储量大、编程灵活以及有很强的通信能力等特点，已 在过程控制中得到十分广泛的应用。锅炉作为一种典型的生产过程，其自动控制 水平已随着过程计算机系统的发展而发展。 从目前的趋势看，在大型企业中，过程控制计算机正成为一种把控制和管理 融为一体的综合自动化系统。它是在自动化技术，信息技术和各种工业生产技术 的基础上，通过计算机和网络系统将整个单位全部生产活动所需的信息和各种分 t 、l p 锅炉摔制笔略研究与摔制系统设计 散的自动化系统有机的集成起来，形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求 多变性总体最优的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统，现已成为当前控制 领域的一个重要研究方向【l o 】。现在，欧美大中型企业的过程控制领域中，集散控 制d c s ( d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m ) 系统占有统治地位。d c s 系统被广泛应用于冶金、 电力、钢铁、化工等连续过程控制的工业领域，系统从几百个点到上万个点的规 模不等。而国内的许多企业也开始纷纷采用d c s 系统进行控制，摆脱了过去依靠 人力在仪表盘前监控、操作的落后手段，应用d c s 系统对提高国内工业自动化水 平有着非常积极的意义【1 1 l 。在控制技术方面，近年来，为了获得更好的控制性能， 把基于数学模型的控制技术和基于经验知识的控制技术相结合的集成控制技术受 到了重视，获得了广泛的研究。 因此，锅炉的自动控制当前正朝着多学科结合的计算机技术的应用，管理控 制一体化的趋势发展。 1 3 论文研究的内容和意义 1 3 1 论文研究的内容 纵观目前对工业锅炉控制策略的研究及缺点和现有工业锅炉运行状况，本文 的目的在于探讨一种简单实用，易于调整，收效高的锅炉控制方案，主要手段是 采用模糊智能控制方法，将人的经验与推理相结合，形成一种新的对锅炉控制实 用的算法。首先收集并分析相关技术资料，综合考虑p r o n b u s 、工业以太网技术发 展和工业燃煤锅炉控制系统特点的基础上，提出整体性技术解决方案，为系统研 发做好必要的准备工作。该系统将p l c 、组态软件与工控机相结合，并应用模糊 自适应p i d 和模糊自寻优算法，以实现锅炉汽包水位、燃烧过程自动控制，以达 到节能增效，促进企业生产管理的信息化建设，提高企业竞争力的目的。 论文的研究内容主要包括： ( 1 ) 本课题的研究背景、意义和工业燃煤锅炉控制系统发展现状。 ( 2 ) 对锅炉产生扰动的主要因素及调节原理进行分析，依据控制对象特性 是比较复杂的、不确定性的非线性系统并且具有时滞性，将模糊自适应p i d 控制 算法应用于汽包水位控制中，以达到良好的控制效果；根据锅炉燃烧的动态特性， 从提高热效率入手，探索风煤比自寻优方法，提出锅炉燃烧过程的控制算法。 ( 3 ) 控制系统整体构成是以d c s 集散控制系统形式为基础的网络结构，从 生产过程管理和控制两个方面综合考虑实现总体目标最优化出发，系统采用 p r o 舶u s d p 现场总线和工业以太网( i n d u s t r i a le t h e r n e t ) 分散式集中控制系统( d c s ) 进行热工监视与控制，并配以少量二次显示与操作仪表，使系统构成更完善、更 合理。 4 硕士学何论文 ( 4 ) 运用w i n c c 组态监控功能，实现生产现场的动态监控，使其具有良好 的人机界面、清晰直观的组态图形，使得操作人员通过计算机屏幕对现场情况变 化一目了然。 ( 5 ) 在工业控制系统的设计中，如何有效的实现智能控制算法，一直是工 业自动化控制领域普遍关心的问题。本文将从p l c 编程、组态软件和o p c 技术作 为研究切入点，对提出的智能控制算法在锅炉控制系统中的实现方法进行探索。 1 3 2 论文研究的意义 锅炉d c s 自动控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、 自动控制、通讯网络和锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。工业锅炉提高热效 率，降低耗煤量，降低耗电量，用智能控制算法和d c s 进行控制是一件具有深远 意义的工作。 工业锅炉采用智能控制算法和d c s 控制跟常规的仪表控制方式相比具有以下 明显优势： ( 1 ) 锅炉是一个多输入多输出、非线性动态对象，诸多调节量和被调量间存 在着耦合通道。例如当锅炉的负荷变化时，所有的被调量都会发生变化。故而理 想控制应该采用模糊自适应p i d 和模糊自寻优控制方案。而其算法通过计算机及 p l c 实现比较方便。 ( 2 ) 直观而集中的显示锅炉各运行参数。d c s 自动控制系统能快速计算出锅 炉系统在正常运行和启停过程中的有用数据，能在上位机界面中同时显示锅炉运 行的水位、压力、炉膛负压、烟气含量、测点温度、燃煤量等数十个运行参量的 瞬时值、累计值及给定值，并能按需要在锅炉的结构示意画面的相应位置上显示 出参数值。给人直观形象，减少观察的疲劳和失误。 ( 3 ) 可以按需要随时打印或定时打印，能对运行状况进行准确地记录，便于 事故追查和分析，防止事故的瞒报漏报现象。 ( 4 ) 在运行中可以随时方便的修改各种运行参数的控制值，并修改系统的控 制参数。 ( 5 ) 减少了显示仪表，还可利用软件来代替许多复杂的仪表单元， ( 例如加 法器、微分器、滤波器、限幅报警器等) ，从而减少了投资也减少了故障率。 ( 6 ) 提高锅炉的热效率。从已在运行的锅炉来看，采用智能控制算法和d c s 控制后热效率可比以前提高5 1 0 ，据用户统计，一台2 0 t 的锅炉，全年平均负 荷7 0 ，以平均热效率提高5 计，全年节煤8 0 0 吨，按每吨煤3 8 0 元计算每年节约 3 0 4 0 0 0 元。 ( 7 ) 锅炉系统中包含鼓风机，引风机，给水泵等大功率电动机，由于锅炉本 身特性和选型的因素，这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的，原有方式采 n f p 锅炉控制策略研究与 卒制系统设计 用阀门和挡板控制流量，浪费非常严重。通过对风机和水泵进行变频控制可以平 均节电达到3 0 4 0 。 ( 8 ) 锅炉d c s 自动控制系统经扩展后可构成分级控制系统，可与工厂内其他 节点构成工业以太网。这是企业现代化管理不可缺少的。 ( 9 ) 作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行， 减轻操作人员的劳动强度。在采用d c s 集散控制的锅炉自控系统中，可以设置多 点声光报警和自动连锁停炉，杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。 综合以上所述种种优点可以预见对锅炉采用智能算法和d c s 控制系统是锅炉 行业的大势所趋。 6 硕士学位论文 第2 章锅炉系统的控制任务及要求 2 1 锅炉系统的工艺流程简介 锅炉是用热能来加热工质( 一般为水) 产生蒸汽的设备，最基本的构成是汽锅和 炉膛两大部分。常见的工业锅炉系统如图2 1 所示。锅炉设备的工作过程概括起来 包括三个同时进行着的过程：燃料的燃烧过程，烟气向水的传热过程和水的汽化 过程。现简要叙述锅炉的三个过程【1 2 】。 ( 1 ) 燃煤锅炉的燃烧过程 燃料煤加到煤斗中并落在炉排上，电机通过减速机、链条带动炉排转动，将 燃料煤带入炉内。燃料煤一边燃烧一边向后移动，燃烧所需要的空气由鼓风机送 入炉排中间的风箱后，向上通过炉排到达燃料燃烧层。风量和燃料量成比例( 风煤 比) ，以便进行充分燃烧，形成高温烟气。燃料煤燃烧剩下的灰渣，在炉排末端通 过除渣板后排入灰斗。这一整个过程称为燃烧过程。 ( 2 ) 烟气向水的传热过程 由于燃料的燃烧放热，炉膛内温度很高。在炉膛四周墙面上都布置着一排水 管，称为水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热和对流换热，将热量传 递给管内的水。继而烟气受引风机、烟囱的引力向炉膛上方流动。烟气经出烟窗( 炉 膛出口) 并通过防渣管后就冲刷蒸汽过热器( 蒸汽过热器是一组垂直放置的蛇形管 受热面，使汽锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加热而过热) 。烟气流经过热器后 又经过接在上、下炉筒间的对流管束，使烟气冲刷管束，再次以对流换热方式将 热量传递给管束内的水。沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道，与省煤器和空 气预热器内的水进行热交换后，较低温度的烟气经过除尘器除尘，去硫等一系列 净化工艺通过烟囱排出。省煤器实际上就是给水预热器，它和空气预热器一样， 都设置在锅炉尾部烟道中，以降低排烟温度，提高锅炉效率，从而节省燃料。 ( 3 ) 水的汽化过程 水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和汽水分离过程。经过 除氧等处理的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入汽锅。锅炉工作 时，汽锅中的工作介质是处于饱和状态下的汽水混合物。位于烟温较低区段的对 流管束，因受热较弱，汽水的容重较大；而位于烟气高温区的水冷壁和对流管束， 因受热强烈，相应水的容重较小，因而容重大的往下流入下锅筒，而容重小的则 向上流入上锅筒，形成了水的自然循环。 蒸汽产生的过程是借助上炉筒内装设的汽水分离设备，以及在锅筒本身空间 中的重力分离作用，使汽水混合物得到分离。蒸汽在上锅筒项部引出后进入蒸汽 过热器，而分离下来的水仍回到上锅筒下半部分的水中。 7 丁、i k 锅炉控制策略研究与摔制系统设计 图2 1 工业锅炉工艺系统组成图 2 2 锅炉自动控制系统的任务 锅炉是一个复杂的调节对象，有许多个调节参数和被调节参数，还存在着错 综复杂的扰动参数。这些参数的相互作用如图2 2 所示。 燃管运 料路行 品阻 状 质力况 给水量 燃料量 送风量 引风量 多文勇乏 囊羹 箩巡 汽包水位 蒸汽压力 蒸汽流量 炉膛负压 图2 2 锅炉输入输出之间的相互关系示意图 由图中可以看出，锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性的相互关联 的对象，调节参数与被调节参数之间存在着许多交叉的影响，如当锅炉负荷变化 时，所有的被调量都会发生变化【l3 1 。而且改变任一个调节量时，也会影响到其他 几个被调量。因此，理想的锅炉自动调节系统应该是多回路的调节系统。但这种 调节系统十分复杂，其数学模型仍是半经验性的，是经过许多假定与简化推导得 出的，无法应用到实际的控制系统中。目前实际解决锅炉自动调节任务的方法是 将锅炉简化成几个相对独立的调节对象，相应地设置几个相对独立的调节系统， 即锅炉给水自动控制系统、蒸汽压力控制系统、炉膛负压控制系统、锅炉最优风 8 硕十学位论文 煤比自动控制系统等。 工业锅炉的生产任务是根据负荷设备的要求，生产具有一定压力和温度的蒸 汽和热水。为了满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济性，工 业锅炉主要有下列自动调节任务【1 4 】： ( 1 ) 保持汽包水位在规定范围 工业蒸汽锅炉汽包水位是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数。水位过 高，会影响汽水分离装置的正常工作，易使蒸汽带水并有溢出危险；水位过低， 则会破坏汽水正常循环，以致烧坏受热面，易烧干锅而发生严重事故。因此，维 持锅炉汽包水位在给定范围内是保证锅炉安全运行的必要条件，也是锅炉正常运 行的主要指标之一。 ( 2 ) 维持蒸汽压力在预定值 蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要 指标，是蒸汽的重要工艺参数。蒸汽压力过低或过高，对于金属导管和负荷设备 都是不利的。压力过高，会加速金属的蠕变，导致锅炉受损；压力过低，就不可 能提供给负荷设备符合质量的蒸汽。因此，控制蒸汽压力，是安全生产的需要， 也是保证燃烧经济性的需要。 ( 3 ) 维持锅炉燃烧的经济性 锅炉的热效率主要取决于空燃比。如果比值不当，空气不足，结果导致燃料 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；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。因此，必须使空气和 燃料维持适当的比例，使锅炉燃烧过程工作在最佳工况下，保持炉膛烟气出口处 的过剩空气系数为最佳值，使锅炉热效率最高，避免环境污染，达到节能降耗的 目的。 ( 4 ) 维持炉膛负压在一定范围内 炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量的不相适应。通常要求炉膛负压保 持在2 0 1 0 p a 的范围内，这时燃烧工况，锅炉房工作条件，炉子的维护及安全 运行都最有利。如果炉膛负压太小，炉膛容易向外喷火，既影响环境卫生，又可 能危及设备与操作人员的安全。负压太大，炉膛吸入冷风量增大，增加引风机的 电耗和烟气带走的热量损失。因此，需要维持炉膛压力在一定的范围之内。 通过对工业锅炉自动调节任务的分析，我们知道，工业锅炉的汽包水位是正 常运行的主要指标之一，同时它又是一个十分重要的被调参数。因此要设计汽包 水位为被控量的给水控制系统；同时要在燃烧过程维持蒸汽压力、炉膛负压和维 持经济燃烧的风煤比，需设计燃烧过程自动调节系统来实现这三项任务。 9 t 、i p 锅炉摔制策略珂f 究与摔制系统设计 2 3 锅炉自动控制系统要求 根据工业锅炉工艺流程和控制任务提出以下控制要求【1 5 j ： ( 1 ) 自动检测 通过检测元件和仪表，将锅炉炉膛温度、炉膛负压、汽包压力、汽包水位、 蒸汽流量、给水压力、给水流量、软水箱水位、除氧器压力、水位等数据送入系 统，进行实时连续测量和显示，并为自动调节和安全保护提供检测信号。其中蒸 汽压力、炉膛温度、炉膛负压、蒸汽流量四个监测信号要单独有二次仪表进行显 示，以备在p l c 出问题时，能为人工手动操作提供必要参数。 ( 2 ) 程序控制 锅炉的启动、停止及正常运行等一系列操作实现自动化，程序是根据操作顺 序和条件编制的。如燃煤锅炉是按照先启动引风机，再启动鼓风机、炉排的顺序 进行的。在一定权限下，这种程序控制功能要能被取消，因为在锅炉试运行或做 实验时，这些功能是不必要的。 ( 3 ) 保护及连锁 当锅炉运行参数超过规定值时，发出声光报警信号，提醒值班人员注意并及 时采取有效措施，以保证锅炉正常运行，如水位过高、过低，蒸汽压力超压采用 声光报警及超压停炉和水位危低停炉连锁保护等功能。 ( 4 ) 自动调节 对锅炉的汽包水位、炉膛负压、炉膛温度和蒸汽压力等对运行参数进行自动 调节，以适应外界负荷和工况参数的要求，并使锅炉保持在较经济的工况下运行。 ( 5 ) 后备手动操作 对锅炉给水变频器、炉排电机变频器、鼓风机变频器、引风机变频器、软水 箱进水电磁阀、除氧器软水泵变频器，必须提供一套手动操作系统，在p l c 出问题 时，能进行全手动操作。 l o 硕士学何论文 第3 章汽包水位模糊自适应p i d 控制算法及仿真研究 汽包水位是锅炉运行的一个重要参数，由于经常受到负荷变化、进出水速度、 水质、时滞性、非线性成分较大等诸多因素的影响，使得采用常规的自动控制方 式往往不能得到理想的控制效果，因此必须采取特殊的控制策略针对汽包水位在 不同状态和不同外界条件下以提高系统的抗干扰能力，使控制效果明显改善，保 证汽包水位的稳定。 3 1 锅炉汽包水位对象的动态特性分析1 1 6 l 锅炉汽水系统机构如图3 1 所示，汽包及过热器中贮藏的蒸汽和水，贮藏量的 多少是以被调量水位表征的，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水 量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。控制系统的结构和控制算法的确定，主 要依据是被控对象的动态特性。对锅炉汽包水位调节系统产生扰动的主要因素有 蒸发量d 、给水量w 等。 1 8 图3 1 锅炉汽水系统机构图 ( 1 、给水母管；2 、给水泵；3 、省煤器；4 、汽包； 5 、下降管；6 、上升管；7 、过热器；8 、蒸汽母管。) 3 1 1 蒸汽量d 扰动作用下水位动态特性 由于蒸发过程的连续性，在蒸汽向汽水分界面移动的过程中，会有一部分蒸 汽在某一段时间内处于水中，蒸发量阶跃增加时，汽包中压力减小，汽水循环管 路中水的汽化强度增加，汽水混合物中的蒸汽的容积迅速增加。此时虽然蒸发量 大于给水量，但水位不仅不下降，反而迅速上升，这种特殊现象称为“虚假水位”。 当汽水混合物中汽泡容积与蒸发量相适应达到稳定后，水位才反映出给水量与蒸 发量之间的不平衡，开始下降。蒸汽流量阶跃扰动下反应曲线如图3 2 ( a ) 所示。 3 1 2 给水量w 扰动作用下水位动态特性 当给水量大于蒸发量时，汽包水位一开始并不立即增加，而呈现出一段起始 惯性段，这是因为温度较低的更多的给水进入循环系统，它从原有饱和汽水中吸 取一部分热量，汽包和汽水管路中由于热量的“损失，汽泡体积较少。进入省 t 业锅炉栉制策略研巧e 与栉制系统设汁 煤器的给水，首先必须填补由于汽水管路中汽包较少所让出的空间。这时，虽然 给水量阶跃增加，但水位基本不变。当水面下汽泡容积变化过程逐渐平衡时，汽 包水位才由于贮水量的增加而逐渐上升。当水面下汽泡容积不再变化，完全稳定 下来时，水位变化就随着贮水量的增加而直线上升。给水流量阶跃扰动下的反应 曲线如图3 2 ( b ) 所示。 ( a ) 蒸汽量扰动下水位反应曲线( b ) 给水量扰动下水位反应曲线 图3 2 汽包水位在蒸汽量和给水量扰动下反应曲线 3 2 锅炉汽包水位模糊自适应p i d 控制系统 在前文已经分析过，汽包水位的调节具有一定的延迟和惯性特点，即在蒸汽 流量、给水流量发生阶跃变化时，调节对象水位不能立即跟着作线性变化，尤其 在蒸汽流量发生阶跃变化时，有“虚假水位 现象。针对这一特点，对锅炉汽包 水位采用串级三冲量控制，其控制系统原理如图3 3 所示。 以汽包水位作为主控制信号构成主调节回路，以蒸汽流量作为前馈信号构成 前馈调节回路，以给水流量作为串级信号构成副调节回路，由这三个回路共同构 成锅炉汽包水位串级三冲量控制系统。由给水流量局部反馈信号通过给水流量变 送器、副调节器、变频器组成内回路。其作用是消除给水压力波动等因素引起的 给水流