（检测技术与自动化装置专业论文）先进控制算法在电厂dcs系统中的应用研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本文从工程实际出发，针对邯郸信达煤气发电有限公司的焦炉煤气发电项 目，依据d c s 系统的设计规范，完成了该厂发电机组d c s 系统的部分设计工作。 该系统实施了对发电机组的自动检测、顺序控制，实现了对机组运行过程中关键 工质参数的自动控制，并能够实现锅炉及汽机系统的联锁保护，防止意外事故的 发生，保证发电机组的安全稳定运行。 锅炉燃烧系统的控制是电厂自动控制系统的重要环节，对节能、环保具有重 要意义。目前在对锅炉燃烧的控制上，占统治地位的仍然是经典的p i d 调节器， 约占8 5 9 5 。但是由于锅炉的燃烧系统本身是一个复杂的时变动态过程，具 有很强的非线性、强耦合、大滞后、强干扰等特性，致使传统的p i d 等算法难 以达到理想的控制效果和较高的自动投运率。因此，对先进控制技术在锅炉燃烧 过程中的应用进行深入研究，以期获得优良调节品质、提高燃烧效率、实现节约 能源，不仅具有很高的学术研究价值，而且具有一定的经济效益和深远的社会效 益。 先进控制算法在工业过程控制中的应用很少，因此，如何将先进控制算法应 用到工业控制中，是一个值得研究的课题。本文对先进控制算法在组态软件中的 实现方法进行了较为详细的探讨，并结合m c g s 组态软件的特点，成功地完成 了一次先进控制算法在m c g s 组态软件中的应用实践。 本文针对锅炉燃烧系统的特点，提出了将动态矩阵控制串级控制 ( d m c p i d ) 策略应用到锅炉蒸汽压力控制系统中的方案，且在基于m c g s 组 态软件的自制仿真平台上，对d m c p i d 控制策略进行了仿真试验，收到了较好 的效果，并通过在上海桃浦热力有限公司1 号站蒸汽锅炉上实际运用，证明了先 进控制算法在复杂系统控制中的可行性。希望能给相关工作者的研究提供一些参 考。 关键词：d c sm c g s 组态软件d m c 动态矩阵控制a c t i v e x v i 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h em o d e md c sd e s i g nc r i t e r i o n ，t h i sp a p e rc o m p l e t ep a r td e s i g nt a s k s o fh a n d a nx i n d ag a sp o w e rg e n e r a t i o nd c sp r o j e c t t h ed c sc o m p l e t et h e a u t o m a t i ce x a m i n a t i o na n dm e a s u r e m e n to ft h ep o w e r - g e n e r a t i o nu n i t ，a n di tc a na l s o a u t o m a t i cc o n t r o lt h ek e yw o r kp a r a m e t e r s t h i sp a p e rd e s i g n st h ei n t e r l o c ks y s t e mt o p r o t e c tt h eb o i l e ra n dt u r b i n ea n dg u a r a n t e et h es a f e t ya n ds t a b i l i z a t i o no ft h ep o w e r g e n e r a t i o nu n i t t h eb o i l e rc o m b u s t i n gs y s t e mi st h ek e yp o i n to fp o w e r - p l a n ta u t o m a t i o ns y s t e m ， a n di sv a l u a b l et oe n v i r o n m e n tp r o t e c ta n de n e r g yr e s o u r c es a v i n g c u r r e n t l y , w i t h r e s p e c tt ot h ec o n t r o lo fb o i l e rc o m b u s t i n gs y s t e m ，p i dr e g u l a t o ri so f8 5 9 5p e r c e n t s b u t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fb o i l e rc o m b u s t i n gs y s t e mi sn o n l i n e a r , s t r o n g l yc o u p l i n g , l a r g ed e l a ya n dm u c hd i s t u r b ，t h e r e f o r e ，t h ec o n v e n t i o n a lp i da r i t h m e t i ci sh a r dt og e t t oi d e a lc o n t r o le f f e c ta n dh i g hr a t eo fa u t o m a t i o nw o r k s o ，t h ed e e p e nr e s e a r c ho f t h ea p p l i c a t i o no fa d v a n c e da r i t h m e t i ci n t ob o i l e rc o m b u s t i n gp r o c e s st og o tg o o d r e g u l a t i o np e r f o r m a n c e ，b o o s tb u r n i n ge f f i c i e n c ya n ds a v ee n e r g yr e s o u r c ei so fg r e a t a c a d e m yr e s e a r c hv a l u e ，a n di sw i t hs o m ee c o n o m i cv a l u ea n dd e e p e ns o c i e t yv a l u e t h ea p p l i c a t i o no fa d v a n c e dc o n t r o la r i t h m e t i ci nt h ei n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o li s f e w n e s s ，s oh o wt ou s et h ea d v a n c e dc o n t r o la r i t h m e t i ci n t ot h ei n d u s t r i a lc o n t r 0 1i s w o r t h y t or e s e a r c h t h i sp a p e re l a b o r a t e st h er e a l i z a t i o nm e t h o d so fa d v a n c e dc o n t r o l a r i t h m e t i ci nt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，a n ds u c c e s s f u l l yc o m p l e t e st h ea p p l i c a t i o no f t h ed y n a m i cm a t r i xc o n t r o l ( d m c ) i nt h em c g s c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e w i t hr e s p e c tt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fb o i l e rc o m b u s t i n gs y s t e m ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e ap l a nt h a ta p p l y i n gt h ed y n a m i cm a t r i xc o n t r o l p i da d v a n c e ds t r a t e g yi n t ot h e b o i l e rs t e a mp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m t h i st h e s i s c o m p l e t e st h e s i m u l a t i o no f d m c p i d s t r a t e g yb a s e do ns i m u l a t i o np l a t f o r mw h i c hi su n d e rt h em c g s c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ee n v i r o n m e n t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h eb e t t e rp e r f o r m a n c e o fd m c p i ds t r a t e g y t h ea c t u a lp r a c t i c eo nt h es h a n g h a it a o p ue n e r g e t i cl i m i t e d v i i 上海大学硕士学位论文 c o m p a n yl 群s t e a mb o i l e rp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo fa d v a n c e dc o n t r o la r i t h m e t i ci nt h e c o m p l e xs y s t e m s k e y w o r d s ：d c sm c g sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ed m ca c t i v e x v i i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：楚盛，鉴导师签名：牲 1 1 1 日期：塑塑：兰：兰 1 1 课题背景 第一章引言 随着我国国民经济的快速发展，我国发电设备的装机容量正以7 一8 的 速度在逐年增加，在我国的发电设备结构中，火电机组目前仍占7 5 左右，而 火电机组中绝大部分为燃煤机组，大约5 0 万台，其中蒸汽锅炉约占6 7 2 7 ，热 水锅炉约占3 2 7 3 。在我国，能源利用率低和环境污染问题是目前国内火力发 电厂存在的两个突出问题。我国锅炉的热效率大多在6 5 7 5 ，落后于发达工 业国1 0 1 5 个百分点；污染严重，最近1 0 年，工业化国家使他们的有毒气体的 排放量减少了1 4 ，而我国实际上仍保持原来的污染水平。p 1 国家对环保要求越 来越高，发展高参数、大容量的大型火力发电机组，采用先进的控制技术及控制 方法，提高锅炉运行效率，是解决电力短缺、能源利用率低和环境污染严重的最 现实、最有效的途径。 随着我国电力工业的技术进步，对电厂自动控制系统提出了更高的要求。发 电机组容量越来越大，需要监视的参数越来越多，运行监视和操作都比较困难。 由于常规仪表功能单一，品种繁多，不便组成复杂的调节系统。采用计算机集中 控制，把成百上千控制回路和数千个测点的监视、操作集中到一台计算机上，一 旦计算机发生故障，整个系统就会发生恶性事故。然而集散控制系统具有“管理 集中、危险分散”的特点，它能够将整个控制系统分成若干个子系统，由若干个 计算机控制系统对应控制各个控制回路，一旦某个控制回路出现故障，并不能影 响到其他控制回路。基于上述特点，集散控制系统得到了快速发展，应用到各个 行业的工业控制。在我国电力行业，现在新建的大中型电厂的控制系统几乎全部 采用集散控制系统，早期建设的中小型机组也在应用集散控制系统改造原有的自 动仪表系统。 锅炉燃烧控制是锅炉控制的一个重要组成部分，在炉膛内发生着燃烧与传热 等复杂物理化学过程，参与燃烧与传热过程的各种因素相互影响，使炉内发生的 过程十分复杂。炉内燃烧换热过程的好坏，不仅直接关系到锅炉的生产能力和生 上海大学硕士学位论文 产过程的可靠性，而且在很大程度上决定了锅炉的热效率。 目前在对锅炉炉膛燃烧的控制上，占统治地位的仍然是经典的p i d 调节器， 约占8 5 9 5 。但是由于锅炉的燃烧系统本身是一个复杂的时变动态过程，具 有很强的非线性、强耦合、大滞后、强干扰等特性，致使传统的p i d 等算法难 以达到理想的控制效果和较高的自动投运率。因此，对先进控制技术在锅炉燃烧 过程中的应用进行深入研究，以期获得优良调节品质、提高燃烧效率、实现节约 能源，不仅具有很高的学术研究价值，而且具有一定的经济效益和深远的社会效 益。 1 2 课题来源 本课题来源于河北邯郸信达煤气发电有限公司新建的焦炉煤气发电项目监 控系统。全套系统要求完成一台1 5 m w 汽轮机及一台7 5 t h 燃烧焦炉煤气锅炉控 制系统监控系统设计，一台除氧器监控系统设计，一台汽轮发电机组监控系统设 计。整套系统采用集散控制系统完成自动检测、自动调节、联锁保护等监控任务。 本文针对上述任务要求，作者和上海索阳仪器仪表有限公司的几位同事一同完成 了此机组d c s 监控系统的设计及调试任务。 上海市工业园区开发总公司桃浦热力公司1 号供热站装备4 台2 0 t h 燃煤链 条锅炉，对外提供蒸汽压力1m p a ，最大供气量可达8 0 t h 。四台锅炉均采用工业 计算机监控系统结合d d z i i i 型仪表，燃烧控制回路采用手动控制，手动调节给 煤量、鼓风量及引风量，不能实现锅炉燃烧效率的最优化和炉膛负压的自动控制。 水位控制采用单冲量水位调节，水位控制不稳定，存在严重的安全隐患。为了保 证锅炉系统的长期安全稳定运行，有必要对系统进行改造。本文就是在此机组上 实现了对锅炉的主蒸汽压力系统进行自动控制，进行了一次先进控制算法在实际 工业生产中的应用。 1 3 集散控制系统的应用与发展2 ， 集散控制系统自七十年代问世以来，由于其特有的先进性和优点，在国外的 应用普及非常快。首先是应用于化工，接着用于石油、冶金等行业，特别是对于 电厂这个相对比较“保守 的行业，也显示了其优越性。英国的惠灵顿电站1 9 7 6 2 上海大学硕士学位论文 年就采用了集散控制系统，并取得了很好的经济效益。所以在国外，新建工业生 产过程大都安装了d c s ，老企业也在纷纷改换上马。 我国自八十年代以来，在成套引进的装置中带进了各种形式的集散控制系 统。这种控制系统首先应用于化工行业，1 9 8 4 年以后，应用面逐渐扩大到石油、 冶金、电力等部门。八十年代初期，国内有少数单位开始研究集散控制系统，近 几年来，越来越多的单位开始从事这项技术的研究和开发。总的说来，我国的集 散控制系统与国外的相比，还有很大的差距，近1 0 年，特别是“九五”以来， 我国d c s 系统研发和生产发展很快，崛起了一批优秀企业，如北京和利时公司、 上海新华公司和浙大中控公司集团等。这批企业研制生产的d c s 系统，不仅品 种数量大幅度增加，而且产品技术水平已经达到或接近国际先进水平。国外d c s 系统在我国一统天下的局面从此不荐出现。这些专业化公司不仅占据了一定的市 场份额，积累了发展的资本和技术，同时使得国外引进的d c s 系统价格也大幅 度下降，为我国自动化推广事业做出了贡献。与此同时，国产d c s 系统的出口 也在逐年增长。所以，今后d c s 作为自动化仪表行业主要产品的地位不会动摇。 w 瀛蚤 图1 1 集散控制系统的体系结构 目前，层次化已经成为集散控制系统的体系特征，使之体现集中操作、分散 控制的思想。因此，首先根据分层递阶的思想，并参考一般集散控制系统的层次 上海大学硕士学位论文 结构，按照过程功能可把对整个电厂垂直分解为：生产管理层、过程管理层和现 场设备层。如图1 1 所示。其中，生产管理层是电厂自动化系统的最高级，并与 办公自动化系统连接起来，担负起全厂的总体协调管理，包括各类经营活动、人 事管理等：过程管理层对机、炉、电等的运行进行集中控制管理，相当于电厂的 主集控室，具体化到锅炉、汽机、发电机的单元室，对该单元内生产进行控制管 理、整体优化；现场设备层属于现场装置管理层次，直接对所连接的装置设备实 施监视、控制。 目前，电厂常用的分散控制系统有以下几种k 3 1 1 ) 美国b a i l e y 公司的i n f i 9 0 系统； 2 ) 美国w e s t i n gh o u s e 的w d p f i i 系统及o v a t i o n 系统； 3 ) 美国l & n 公司的m a x 1 0 0 0 系统； 4 ) 美国f o x b o r o 公司的i as e r i e s 系统； 5 ) 日本h i t a c h 公司的h 认c s 3 0 0 0 系统； 6 ) 德国s i e m e n s 公司的t e l e p e r m m e 或系统； 7 ) 中国新华公司的x d p s 4 0 0 系统。 1 4 锅炉燃烧系统优化研究现状h 锅炉燃烧系统的控制是火电厂最重要的过程控制。锅炉燃烧控制的三个子系 统，即燃料量控制回路，送风控制回路和引风控制回路的控制品质都直接关系到 整个机组的安全和经济运行。但是由于锅炉燃烧被控对象是典型的多变量复杂系 统，各种参数存在一定的时变性，且燃烧过程具有非线性、强耦合等特点，同时 因为内外扰动十分频繁，燃料量又不能准确测量等，对燃烧过程建立精确的数学 模型难以实现，使得基于数学模型带固定参数的常规p i d 控制方案难以获得理想 的控制效果。因此，国内外有专家开始研究采用新的控制方案，具体包括： 1 4 1 基于二次型指标的自适应p i d 控制 自适应p i d 控制是自适应控制思想与常规p i d 控制器相结合的产物，它既有 自动辨识被控过程参数、自动调整控制器参数、能够适应被控过程参数的变化等 特点，又有常规p i d 控制器结构简单、鲁棒性好、可靠性高等特点。特别是基于 4 上海大学硕士学位论文 二次型指标的自适应p i d 控制，系统理论性强，对于不同的性能指标函数有不同 的参数最优解。这种方法应用到锅炉燃烧系统中能够收到良好的控制效果。 1 4 2 基于最小方差预报的自校正p i d 控制 针对受控系统中存在纯滞后的特点，人们提出了预报控制。最小方差预报自 适应控制基本思想是：对于控制对象中存在的纯滞后x ，当前的控制作用要滞后 x 个采样周期才能影响输出。因此，要使输出方差最小；就必须提前x 步对输 出量作出预测，然后根据所得的预测值来设计所需要的控制。对于存在纯滞后的 锅炉燃烧系统，这种方法的应用是很好的尝试。 1 4 3 实时专家系统控制 专家系统技术是以知识模型为基础，不仅利用控制理论知识，而且还利用人 的知识与经验，模仿人的直觉推理，因此适合像锅炉燃烧过程这样难以建模、操 作条件大幅度变化的工业场合。实时性又使专家系统的数据库和知识库能动态地 反映系统运行信息。但应看到，出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。 1 4 4 模糊自寻优控制 由于锅炉燃烧系统非常复杂，存在大滞后、时变、非线性、随机干扰等因素， 这就使系统存在未知或变化缓慢的参数，使得无法获得系统的精确数学模型。模 糊自适应控制正是适合于系统复杂、数学模型难以建立的一种控制规律，其优点 是不要求掌握被控对象的精确数学模型，而根据人工控制规则组织控制决策表， 然后由该表决定被调量的大小，其关键是隶属度函数的确定。 1 5 本文所做研究工作 本文针对邯郸信达煤气发电有限公司的焦炉煤气燃烧发电项目，完成了d c s 系统的组态设计及调试工作。d c s 系统包括一台7 5 t h 的锅炉系统及一台1 5 m w 汽轮机发电系统，能够完成对机组运行状态的自动检测、顺序控制，实现对机组 5 上海大学硕士学位论文 运行过程中关键工质参数的自动控制，并设计了锅炉及汽机系统的联锁保护系 统，防止意外事故的发生，保证发电机组的安全稳定运行。本文在第二章详细介 绍了d c s 系统硬件部分的功能及结构，以及基于m c g s 组态软件的软件部分的 功能、实现方式等。 在对锅炉燃烧系统进行系统分析，且同电厂操作工人的交流后，得知传统意 义上的p i d 控制算法应用到锅炉系统的控制中，并不能取得很好的控制效果， 故而，提出了预测控制应用到锅炉蒸汽压力控制系统的方案。 本文通过在v b 开发环境下，将d m c 控制算法以a c t i v e xd l l 形式实现， 并嵌入到m c g s 组态软件中。在m c g s 组态环境下，以控制策略的形式调用 d m c 控制算法，再结合m c g s 自带的p i d 模块，组成d m c p i d 串级控制系统。 本文在基于m c g s 组态软件的自制仿真平台上，对d m c p i d 控制策略进行了仿 真试验，收到了预期较好的效果。然后，将d m c p i d 算法应用到实际锅炉系统 中，证明了先进控制算法在复杂系统控制中的可行性。本文在第五章详细阐述了 d m c p i d 算法在蒸汽压力系统中的实现方法及步骤，并给出了在m c g s 组态环 境下的仿真效果和实际锅炉系统运行中的效果图。 本文对先进控制算法在工业过程中的应用的实现方法进行了详细的总结性 研究。先进控制算法大多通过嵌入到组态软件中的方法应用到工业现场中，鉴于 大多数组态软件提供商，并没有在其软件产品中提供先进控制算法，本文对这方 面进行了一些探讨性研究。 6 上海大学硕士学位论文 第二章发电机组工作流程及d c s 系统设计 本文针对邯郸信达煤气发电有限公司的焦炉煤气燃烧发电项目，完成了d c s 系统的组态设计及调试工作。针对一台7 5 t h 的锅炉系统及一台1 5 m w 汽轮机发 电机组设计的d c s 系统，能够完成对机组运行状态的自动检测、顺序控制，实 现对机组运行过程中关键工质参数的自动控制，并能够完成对锅炉及汽机系统的 联锁保护，防止意外事故的发生，保证发电机组的安全稳定运行。下文详细讲解 系统控制回路设计方案，d c s 系统的硬件及软件部分结构、功能及实现方法等。 2 1 发电机组工作流程 邯郸信达煤气发电有限公司的发电机组主要包括机、炉、电三部分，其中“机 指汽机，“炉指锅炉，“电指发电机，除此之外还有各种辅机，发电机组的简 要工作机理示意图如图2 1 所示，本图的目的是说明发电机组的大致工作流程， 省去了许多细节，如汽包、水冷壁、水处理装置等等，由图2 1 可以看出，发电 机组的发电过程中主要有两种流质的循环：烟气和蒸汽。 烟气的循环从送风和煤气开始，送风由送风机进行，一次风要通过空气预热 器进行加热。煤气系统来自该厂的焦化设备，由煤炼成焦油的过程中产生大量煤 气，工厂原来是将煤气白白燃烧掉，浪费很多可利用能源。现在将炼焦过程中产 生的大量煤气通过输气管道送到锅炉的燃烧器，经过空气预热器加热的空气和焦 炉煤气在炉膛中燃烧，燃烧产生大量的热量，得到高温烟气。高温烟气通过过热 器、再热器和省煤器对水或蒸汽进行加热，烟气的最后一级加热装置是空气预热 器，它用来在送风进入炉膛之前对其加热，经过空气预热器后，烟气中的热量将 不再被利用，这些烟气通过烟气除尘装置后，由引风机抽出，通过烟囱排向大气。 对于水和蒸汽的循环，我们首先从给水泵开始，为了满足锅炉的给水温度要 求，在进入锅炉之前，给水泵送出的水要经过一个给水加热装置，多通过和中压 缸引出的蒸汽进行热交换来实现。给水( 汽) 进入锅炉后，首先经过尾部烟道的 省煤器升高其温度，以充分利用烟气热量，之后这些水( 汽) 在锅炉蒸发设备中 汽化，得到蒸汽。蒸汽通过过热器加热得到高温高压的过热蒸汽，即主蒸汽，这 7 上海大学硕士学位论文 些蒸汽进入汽机的高压缸，带动汽机转动，从高压缸出来的蒸汽再回到锅炉中， 通过再热器加热至一定的高温，得到再热蒸汽，并进入汽机中压缸，而中压缸出 来的蒸汽则直接进入低压缸完成对蒸汽所带能量的最后利用，汽机转动带动发电 机转动进行发电。从低压缸出来的蒸汽通过凝汽器冷凝后( 还有一些化学水处理 流程) 再送到给水泵入口，给水过程中当然还要对水作一些必要的补充。火电厂 的冷凝装置多通过晾水塔进行，它实际上是另外一个冷却水的循环，温度较低的 水通过凝汽器吸热，对低压缸排出的蒸汽进行冷凝，而吸热后的温度较高的水又 通过晾水塔降温，实际上，晾水塔中的水吸收的热量就直接散失了。 图2 1 发电机组工作简要机理 在上述循环过程中，锅炉的燃烧及传热过程，汽机和发电机的能量转化过程 以及晾水塔的工作过程等等都会产生一定的能量损失，而锅炉作为一个相对独立 的系统，主要作用是提供高质量的蒸汽，因此，在上述水和蒸汽的循环中起着非 常重要的作用，烟气的循环则完全是在锅炉中进行的，锅炉的自动控制和优化调 节对整个机组的发电效率有很大的影响，因此一直是火电站自动控制系统设计的 重点，另一方面，从难度来讲，锅炉也是最复杂的一个系统。 8 上海大学硕士学位论文 2 2 发电机组d c s 系统主要功能 火力发电机组的d c s 系统随着科学技术的发展和自动化水平的提高，它所 包含的功能越来越广泛，概括起来有以下几个方面。 ( 1 ) 自动检测。对锅炉、汽机运行状态涉及到的各种工质的温度、压力、 液位、化学成份以及各种生产设备的工作状态参数，自动检查、测量和监视。所 使用的检测设备有常规的模拟量仪表、巡回检测数字式仪表，还有计算机图形、 图像显示及自动记录、打印和报警装置。 ( 2 ) 顺序控制。按照预先设定的顺序，有计划、有步骤、自动地对机组 运行过程进行一系列操作。如送、引风的启停控制，汽包定期排污和炉膛定期 吹灰等的程序控制。 ( 3 ) 自动调节。自动地维持生产设备在正常状态运行或生产过程中的工 质的状态在规定的范围内。如锅炉给水控制系统能够自动维持汽包水位在给定 值。锅炉运行期间，可能受到各种因素的干扰和影响，使运行工况发生偏离，必 须通过自动调节使其达到正常运行的要求。 ( 4 )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，保护生产设备不受破坏。如锅炉的灭火保护、超压保护；汽轮机的超速保 护等。 现代的电厂d c s 自动化系统不仅具有自动检测、自动调节、自动保护、顺 序控制功能，而且还将这些功能有机得组合成一个不可分割的整体，形成功能齐 全的综合自动化系统，以确保系统的安全可靠和机组的安全、经济运行。 2 3d c s 系统控制回路设计方案 2 3 1 锅炉控制系统 锅炉侧的重要检测参数包括：炉膛温度、压力，主给水流量、温度和压力， 过热蒸汽的流量、温度和压力，煤气的流量、温度和压力等。 锅炉侧的控制回路包括：汽包水位控制：燃烧系统控制；过热蒸汽温度控制； 炉膛负压控制。 9 上海大学硕士学位论文 1 ) 汽包水位控制 汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，水位过高，会破坏汽水分离装置 的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。 水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽 包。所以其值过高过低都可能造成重大事故。它的被调量是汽包水位，而调节量 则是给水流量，通过对给水流量的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，变化 在允许范围之内，由于锅炉汽包水位对蒸汽流量和给水流量变化的响应呈积极特 性。但是在负荷( 蒸汽流量) 急剧增加时，表现却为“逆响应特性，即所谓的“虚 假水位”，造成这一原因是由于负荷增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的 沸点温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位 控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与 否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水 分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由于 锅炉水位系统是一个没有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，实 际应用中采用水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。 控制目标值：( 汽包水位均匀量为：+ 2 2 0 m m ，水位控制在中间值，偏差垫1 0 ) 1 、在操作界面上利用鼠标键盘实现对水泵启停的控制。 2 、在仪表盘上使用原有的d d z i i i 操作器对水泵进行手动自动调节控制。 系统给水三冲量水位控制模式：监测汽包水位、蒸汽流量、给水流量，将汽 包水位作为主控变量，给水流量作为辅助被控变量的串级控制系统与蒸汽流量作 为前馈信号组成前馈一串级反馈控制方式，如图2 2 所示。 图2 2 汽包水位三冲量控制回路 1 0 上海大学硕士学位论文 三冲量水位控制实现方式： 1 在异常情况下，如液位偏离正常值较大时，采用规则控制，可以快速恢复水 位，保证锅炉的安全稳定运行。 2 当水位控制和主蒸汽温度控制发生矛盾时，可根据矛盾的主要方面进行两者 的协调控制。 3 它包含给水流量控制回路和汽包水位控制回路两个控制回路，实质上是蒸汽 流量前馈与水位一流量串级系统组成的复合控制系统。当蒸汽流量变化时，锅炉 汽包水位控制系统中的给水流量控制回路可迅速改变进水量以完成粗调，然后再 由汽包水位调节器完成水位的细调。 2 ) 锅炉燃烧系统的控制 锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是既要使焦炉煤气燃烧所产生的热量，适 应蒸汽负荷的需求，同时还要保证经济燃烧和锅炉的安全运行。燃烧过程自动控 制有三大任务：即维持蒸汽压力、保持最佳空燃比和保证炉膛负压稳定。 锅炉燃烧系统的三个控制目标是相辅相成的。主蒸汽压力变化，需要调节煤 气量和送风量，这势必会引起炉膛烟气含氧量和炉膛负压的变化；含氧量变化， 需要调节送风量和煤气量，同样要引起蒸汽压力和炉膛负压的变化；炉膛负压变 化，需要调节引风量和送风量，反过来也要引起氧含量的变化。同时，由于实际 过程中燃料的配比不稳定，燃料的热值时好时坏，“负荷流量 的需要量时高时 低，致使被控对象极其不稳，所以存在强烈的外部干扰。锅炉燃烧系统如图2 3 所示。 图2 3 锅炉燃烧系统示意图 上海大学硕士学位论文 另外，燃烧系统需要经过汽包汽水分离系统才能形成蒸汽，这又使得主蒸汽 压力的响应特性具有较大的滞后性。总体说来，锅炉燃烧对象是一个具有多变量、 强耦合、强干扰、大滞后等特性的复杂过程系统。 因此，锅炉燃烧过程自动控制系统按照控制任务的不同可分为三个子控制系 统，即蒸汽压力控制系统、烟气含氧量控制系统和炉膛负压控制系统。 1 维持过热蒸汽压力恒定 、 锅炉燃烧的基本任务，就是维持过热器出口蒸汽压力恒定。蒸汽压力的变化 表明锅炉蒸汽量和负荷的耗气量不相适应，必须相应地改变煤气量，以改变锅炉 的蒸发量，维持汽压恒定，这项控制称为热负荷控制。 2 保证燃烧过程的经济性 当煤气量改变时，必须相应地调节送风量，保持空燃比在一定范围内，使锅 炉运行处于最佳燃烧状态。但锅炉燃烧的经济性，到目前为止，不能直接测量， 需要间接的方法来计算判断。这是锅炉燃烧节能控制的关键部分，也是锅炉自动 控制发展的路标。 图2 4 蒸汽压力控制系统和烟气含氧量控制系统 3 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不相适应。如果炉膛负压太小以至 有时变为正压，则炉膛内的火焰和烟气就可能从炉膛缝隙或测点孔洞外逸，可能 危及设备与操作人员的安全。如果炉膛负压过大又会使大量冷空气进入炉内，这 将增大引风机的负荷和排烟带走的热损失。 1 2 上海大学硕士学位论文 根据多年的人工手动调节摸索，7 5 t 锅炉的p f = 2 0 p a 来进行设计。调节方 法是初始状态先由人工调节空气与煤气比例，达到理想的燃烧状态，在引风机全 开时达到炉膛负压2 0 p a ，投入自动后，只调节煤气蝶阀，使压力波动下的煤气 流量趋于初始状态的煤气流量，来保持煤气与空气比例达到最佳状态。 图2 5 炉膛负压控制系统 3 ) 过热蒸汽温度控制系统 过热蒸汽的温度是锅炉生产过程的重要参数，一般由锅炉和汽轮机生产的工 艺确定。从安全生产和经济技术指标上看，必须控制过热蒸汽温度在允许范围之 内。在7 5 t 锅炉计算机控制系统中，过热蒸汽温度控制系统设计为如图2 6 所示。 调节手段是改变减温水流量。从结构上看，这是一个带导前微分信号的汽温调节 控制系统。这个信号能够快速反映蒸汽温度的变化，我们选择减温器出口蒸汽温 度作为导前信号。 图2 6 蒸汽温度控制回路 上海大学硕士学位论文 2 3 2 除氧器控制系统 除氧器控制系统包括除氧器压力控制子系统和除氧器液位控制子系统。对于 除氧器压力系统而言，当除氧器压力发生变化时，压力控制系统调节除氧器的进 汽阀，改变除氧器的进汽量，从而将除氧器的压力控制在目标值上；同样，对于 除氧器液位系统，当除氧器液位发生变化时，液位控制系统调节除氧器的进水阀， 改变除氧器的进水量，从而将除氧器的液位控制在目标值上。 在7 5 t 锅炉计算机控制系统中，除氧器压力控制系统和除氧器液位控制系 统都设计为单回路p i 控制方式。在满足锅炉生产的实际要求的前提下，单回路 p i 控制方式具有结构简单、容易整定和实现等优点。除氧器控制系统的控制方 案示意图如图2 7 ，图2 8 所示。 图2 7 除氧器液位控制回路 位 图2 8 除氧器压力控制回路 2 4 联锁保护系统设计 2 4 1 锅炉系统联锁保护 力 锅炉联锁保护系统设紧急停炉按钮。当锅炉处于异常工况时，可通过声音、 屏幕报警等手段提醒操作员，对异常情况进行处理。如果下列条件满足，将触发 1 4 上海大学硕士学位论文 锅炉停机信号：蒸汽压力超高；蒸汽温度超高；汽包水位超高和超低；炉膛压力 超高；汽包压力超高；煤气压力超低；炉膛熄火等。 当发生锅炉联锁保护信号时，在火焰检测器开关闭合的情况下，紧急关闭煤 气切断阀，停止煤气在锅炉内的燃烧。 2 4 2 汽轮机发电机系统联锁保护 汽轮机发电机系统联锁保护主要是当运行中发电机组某一部分发生异常故 障并将危及机组安全时，为防止发生设备损害和人身事故，必须由保护装置将机 组迅速停机。 汽轮机发电机联锁保护系统，主要是对过热蒸汽温度、流量、压力进行检测， 检测轴向位移，检测各轴承温度，当汽机处于异常工况时，可通过声音、屏幕报 警等手段提醒操作员，对异常情况进行处理。主要包括以下内容： 1 ) 汽机保护停机通过磁力断路油门将自动主汽门和调速汽门关闭。 在以下参数出现异常的情况下，汽机停机： 1 轴位移偏大 2 凝汽器真空度超出压力范围 3 润滑油压过低 4 推力轴瓦温度过高 5 汽机超速 6 发电机停机 7 用电负荷不正常 8 保护电源消失 2 ) 报警信号( 电铃报警) ： 1 主汽门关闭7 热井液位 2 抽气阀关闭8 轴位移 3 发电机故障9 凝气器真空度 4 用电负荷保护1 0 主蒸汽压力 5 保护电源消失1 1 主蒸汽温度 6 主油箱液位1 2 抽气阀蒸汽压力 上海大学硕士学位论文 1 3 润滑油压力1 5 推力瓦温度 1 4 汽轮机转速1 6 发电机轴承温度。 2 5i ) c s 系统硬件设计及功能 本文所设计的d c s 系统，硬件部分包括4 台上位机、5 个现场控制柜、四台 通讯用工业交换机以及将系统连接起来的通讯网络。4 台上位机，其中l 台为工 程师站，用于完成系统的配鼍，其余3 台为操作员站，分别监控锅炉、汽机和除 氧器系统。系统工程师站及操作员站采用研华高性能工业控制计算机，并配制专 用工业键盘，满足工业现场应用要求。锅炉系统包括一个仪表柜和一个模块柜， 汽机和除氧器合为另一部分，包括两个仪表柜和一个模块柜。系统结构图如图 2 9 所示。 图2 9d c s 系统结构图 系统采用冗余配置，以确保系统运行的安全可靠。三台操作员站相互冗余， 每台操作员站都可以监控锅炉、汽机和除氧三个系统，任何一台操作员站出现故 1 6 上海大学硕士学位论文 障，其他操作员站可以接替它继续运行，确保系统安全稳定运行。 系统的通讯系统采用冗余配置，上位机配制双网卡，防止通讯线路出现故障 而导致系统瘫痪。本系统采用的数据采集模块都是基于r s 4 8 5 接口的。d c s 系 统的通讯网络也是基于r s 4 8 5 通讯协议的。d c s 系统的通讯网络与通用的计算 机网络不一致。它是一个实时网络，根据现场通信的要求，在确定的时限内完成 信息的传递。无论在何种情况下，信息传递都能在这个时限内完成，而这个时限 则是根据被控制过程的实时性要求确定的。 d c s 系统现场设备层通讯网络采用总线型拓扑结构。数据采集模块连接到 r s 一4 8 5 总线上，r s 4 8 5 通讯总线再通过r s 4 8 5 r s 2 3 2 转换模块连到上位机。 d c s 系统的上位机监控层采用星型拓扑结构，通过以太网交换机连接起来， 组成一个小型局域网结构。 2 5 1 硬件系统工作原理 现场模拟量信号通过变送器转换成4 - 2 0 m a d c 或1 - 5 v d c 的模拟量信号， 通过有关端子板输入智能数据采集板卡；电阻信号通过专用智能温度电压电流 数字转换卡输入计算机，经处理后数据以实际工程量在屏幕显示汽包水位、蒸汽 压力等影响工业锅炉运行安全性、经济性的主要参数以及给水调节阀位、煤气调 节阀等执行机构的位置信号，这些信号用来控制、打印制表、数据储存、经济量 累积核算等。所有显示都采用全汉字显示方式，参数一秒钟可刷新一次。 对工业锅炉主要参数进行直接控制是系统的主要功能之一。在本煤气燃烧锅 炉中，相应的调节系统分别输出共四个调节信号，通过i o 或d a 转换装置输送 至煤气、给水、送风、引风等执行机构。输送至煤气调节阀的信号，通过改变电 动执行机构，改变煤气阀门的位置，从而改变进入锅炉的燃料量；输送至给水执 行机构的调节信号通过改变电动执行机构，改变给水调节阀门的位置，从而改变 进入锅炉的给水量；输送至送风执行机构的调节信号通过改变电动执行机构( 或 变频调速装置) 改变送风入口调节档板开度( 调节电机转速) ，从而改变进入锅 炉的送风量；输送至引风执行机构( 变频调速电机) 的调节信号通过电动执行机 构( 变频调速电机) 改变引风机入口调节档板或蝶阀( 调速电机转速) ，从而改 变锅炉输出的烟气流量，使炉膛烟气压力保持相应的负值。对其它装置，皆有相 1 7 上海大学硕士学位论文 应的调节信号输出，并控制相应的调节设备。除氧器系统的两个调节信号分别为 除氧器进汽调节阀和除氧器进水调节阀。 为保证当主控微机发生故障时，锅炉仍能正常运行，因此使用了另一套独立 的手控系统，对蒸汽流量、蒸汽压力等重要参数采用数显表显示数据，水位另有 电接点显示，具有自报警功能。锅炉操作工可以通过操作器对给水、送风机、引 风机、煤气量等调节设备进行远程操作，以保证锅炉的正常安全运行。 2 5 2 系统基本组成 单机局部系统构成示意图 主控系统 后备系统 - 1 - - 一一一t 一一三二二二二二 ( 兰二蔓二( 兰) 2 1 0 单机局部系统构成示意图 单机局部系统采用工业控制机及m c g s 组态软件。系统的卓越性能不仅体现 在精美、丰富的画面，惊人的通讯速度及完善的报警、趋势、报表、控制等功能， 更在于它的灵活强大的网络连接功能和非凡的应用接口能力。因此，本配置中选 用运行速度快，抗干扰能力强的工控机。 1 ) 工控机的发展速度很快，其性能和能力早己超过了各厂家自己生产的专 用计算机，完全满足的系统性能要求。 2 ) 工控机应用广泛，开发、运行环境十分熟悉且随处可见，与同是由p c 机 构成的管理调度系统的互联十分方便。 3 ) 工控机环境适应性好，比任何一款商用机都能更好地满足工业现场的应用 条件，而且由于其普遍性，容易为大家掌握，也不用担心维护、维修和备品备件。 海太 碗 论文 本项目配置的工控机是适用于工厂和其它工业环境使用的计算机它将在恶 劣环境下所必须的坚固耐用性与普通计算机的多功能性、开放性结合在一起。它 的独特设计不但容易配置p c 卡件，同时提高了处理器和硬盘的访问速度。其底 板结构使处理器卡的插拔非常方便。这样，当处理器、内存和i o 技术发展时， 就能很方便的更换部件。 2 现场控制柜及后备系统 系统的现场控制柜的结构设计圈及控制柜实物图分别如图2 1 l 及21 2 所示。 ( 1 ) 现场控制柜 品引 日日 广 7 由 目目 r - - 。1 图2 1 1 控制柜结构设计 l 一蠛u r m l 彝l n i 一懈：_ 群 匿n 一一一* 一“m i 图2 i 2 现场控制柜 ( 2 ) 后备系统 后备系统主要包括数显器，操作器若干主要作用是当主控系统失效后，操 作工能根据数显器提供的现场数据，而操作各执行器，以保证锅炉安全运行。 上海大学硕士学位论文 后备手操器控制台上，有送7 1 风、给水泵和循环泵电流表；发电机功率和频 率表；电接点液位计( 汽包液位) ；引送风调节手操器，次风调节手操器，锅 炉给水调节手操器，减温水调节手操器，混合集箱进水调节手操器，煤气量调节 手操器，除氧器压力、液位调节手操器。以及一些重要参数的显示仪：汽包压力、 给水压力、汽包液位等。 2 5 3 主要硬件设备 一个自动调节系统要能正常地、有效地工作，必须具备一套完整的自动调节 装置。一套完整的自动调节装置包括3 个部分。第一部分是测量元件和变送器， 它测量工艺参数，并