基于MCGS的锅炉燃烧控制系统解读

1、新疆大学本科生课程考查论文2013/2014学年第一学期600MW循环流化床锅炉燃烧过程自动控制系统课程名称:微机控制综合应用任课教师：_学 院：电气工程学院专 业：自动化学 号：2010姓 名：成 绩： 调研1、问题的提出：随着电力工业的发展，高参数大容量的火力发电机组在电网中所占的比例越来越大，电网因用 电结构变化，负荷U犀谷逐差逐步加大，因此要求大型机组具有带变动负荷运行的能力，以便迅速满 足负荷变化的需要及参加电网调频。列外，机组容量不断地增加，锅炉的蓄热量相对减少，采用机 炉分别控制方式已不适应外界负荷的要求和保持机炉之间的平衡，因此通常采用锅炉汽轮发电机组 的单元制运行方式。2、解

2、决问题总体方案：我们采用循环流化床锅炉燃烧控制。1）燃烧控制系统主要由锅炉的燃烧室（炉膛）、送风装置、送煤装宜、灰渣排放装巻、引凤装巻 等组成。主要功能是完成燃料的燃烧过程，将燃料所含能量以热能形式释放出来，用于加热锅炉里 的水。主要流程有烟气流程、通风流程、排灰岀渣流程、给煤控制流程等。燃烧过程控制的根本任务是使燃料所提供的热量适应锅炉蒸汽负荷的要求，保证锅炉安全运行。 燃饶过程的具体任务及英控制策略因燃料种类、制粉系统、燃烧设备及锅炉的运行方式的不同而有 所不同。具体而言，燃烧控制的基本任务可归纳为以下几点：（1）维持蒸汽压力稳泄，（2）保证燃烧过程的经济性，（3）维持炉膛 压力稳定。锅炉

3、燃烧过程的上述三项控制任务是不可分开的，它的三个被控参数蒸汽压力、过剩空气系数 或最佳含氧量、炉膛压力与三个调节量燃料量、送风量、引风量间存在着关联。因此燃烧控制系统 内各子系统应协调运作，共同完成其控制任务。2）燃烧过程的有关参数及其影响：（1）给煤。给煤量影响送进床料的热量。（2）循环流化床风速和风量。风速影响床料流动性、气泡直径及床内姻饶率等，进而影响液化质量和燃烧效率。（3）床料髙度。其髙度的变化影响床温。（4）过剩空气系数。在一定范用内，提高过剩空气系数可改善燃烧效率，但英很髙时，将导致 床温下降，CO浓度升高，总的燃烧效率下降。（5）炉膛负压。正常运行时，一般控制流口处为常压，炉膛

4、出口为-2030Pa负压太大，一方而 影响正常溢流，另一方而易引起溢流口处向外喷火，影响安全运行。（6床温。床温是保证循环流化床正常运行的必要条件。（7）负荷。负荷调廿是一个动态过程，在此变化过程中，要求锅炉蒸汽参数稳迫，循环流化床 状态良好，床温保持在允许的范围内。（8）循环倍率的变化。循环床燃烧技术延长了细粒的停留时间，提髙了燃烧效率，但同时却增 加了风机电耗。应保持锅炉运行在一个能量最有倍率下。（9）其他因素。例如，某些设计因素，非正常工况等。3）控制策略：（1）燃烧控制系统燃饶控制系统是有三个相对独立的子系统即燃料控制系统、送风控制系统、引凤控制系统组 成。1燃料控制采用前馈+反馈的燃

5、料控制系统1.2送风控制系统采用前馈+反馈的送风控制系统1.3引风控制系统采用前馈+反馈的引风控制系统4）炉膛的安全监控：执行点火程序，并对供风系统、引风系统、炉膛压力、汽包水位等进行监视，对岀现的危险情 况进行报警、执行相应的联锁程序，记录事故前后的相关数据。锅炉起停和正常运行时，一旦检测到危及系统安全的条件时，立即进行动作，切断主燃料，指出 首次跳闸原因，并给出声光报警信号，进行有关的联锁和顺控动作，以保证锅炉的安全。当出现以 下情况时，燃烧系统停止。燃烧用供风故障：引风机故障或烟气通道阻塞；炉膛压力过高或过低：汽包水位低于下限；c.过热器出口温度髙于上限：f.按下紧急按钮（MFT）。5）

6、所用到的仪表：表1. 1检测点仪表名称规格型号安装地点压力炉膛负压差压变送器量 程：-120-50PaSBCC-13-1312/032炉体后侧引风机压力压力变送器量程:-4000-0SBYC-13112/032除尘间送风机压力压力变送器量程：04000SBYC-13112/032除尘间调速引风机调速交流变频器功率：75KWACS-501-060-3低床配电室配电器双回路供电：24V/DCDFPX-2100控制柜后架 装送风机调速交流变频器功率：75KWACS-501-060-3低压配电室配电器双回路供电：24V/DCDFPX-2100控制柜后架 装给煤机转速转速检测器给煤量流量检测器具体过程如

7、下:一、分析流程:二、变量的设置:約传感器1 約传感器2 約传感器3 紂点火气开胃 迫二次风虽 約给料 約给煤机转速 約给煤虽 豹锅炉员荷 的炉瞳内圧力 址炉屢内压力上腹 約炉匿內压力下限 約炉障压力1 約炉厘压力2 約炉膛压力3 的汽包圧力 址送风机 約送风机1 約送风机2 約旋风分离器 的一次风虽 射一次凤泡 迫一次风压 約引凤1测试炉障压力数据一 测试炉陳压力数据二 测试炉膛压力数据三二次送风虽 控制给煤机的开关 给煤机的转速 给煤虽鬍炉的员荷 炉瞳内圧力值 炉睦圧力上限报警值 炉睦压力下隈报警值 测试炉障压力弦据一 测试炉陳压力数据二 测试炉膛压力数据三 汽包的圧力 送风机的控制开关

8、送凤机1的转速 送风机2的转遠 产生離风次风的虽 一次风的温度 一次风的圧力 引凤机的转速飆纽对線织对線三、组态的建立：MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口.用户窗口、实时数据库和运行 策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备 窗口和多个用户窗口.负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操 作包括：左义工程的爼称，编制工程菜单，设讣封而图形，确立自动启动的窗 口，设泄动画刷新周期，指左数据库存盘文件需称及存盘时间等。0设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采

9、集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界而，诸如：生成各 种动画显示画而、报警输出、数据与曲线图表等。二实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS T程 的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内泄义不同类型和划称的变量，作为 数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。0运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序（if-then脚本程序），选用各种功能构件，如：数据提取、历史曲线、左时器、 配方操作、多媒体输出等。组建新工程的一般过程；工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技

10、术要求和工艺流程，弄淸系统的控制流程 和监控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实 时数据库变量的对应关系，分淸哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据 及动画显示的。工程立项搭建框架：MCGS称为建立新工程。主要内容包括：定义工程塔称、封而窗口斜称 和启动窗口（封而窗口退岀后接着显示的窗口）名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库, 设左动画刷新的周期。经过此步操作，即在MCGS组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框 架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户 窗口后，再行建立。设计菜单基本体系：为了对系统运行的状态及工作流程

11、进行有效地调度和控制，通常要在主 控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命令 进行功能组态。在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完善工 程的菜单。制作动画显示画面：动画制作分为静态图形设讣和动态属性设置两个过程。前一部分类似于 “画画”，用户通过MCGS组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内“组合” 成各种复杂的画而。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连 接关系，作为动画图形的驱动源。编写控制流程程序：在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件， 构成各种功能模

12、块（称为策略块），由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS还为用户提供了编程 用的功能构件（称之为“脚本程序”功能构件），使用简单的编程语言，编写工程控制程序。完善菜单按钮功能：包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态：实现历史数据、实 时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能：建立工程安全机制等。编写程序调试工程：利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正 确。连接设备驱动程序：选左与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确左数据变量的数据处 理方式，完成设备属性的设巻。此项操作在设备窗口内进行。工程完工综合测试：最后测试工程各部分的工作情况，完成整个工程的组态工作，实

13、施工程 交接。注意：以上步骤只是按照组态工程的一般思路列岀的。在实际组态中，有些过程是交织在一起 进行的，用户可根据工程的实际需要和自己的习惯，调整步骤的先后顺序，而并没有严格的限制与 规定。这里，我们列出以上的步骤是为了帮助用户了解MCGS组态软件使用的一般过程，以便于用 户快速学习和掌握MCGS工控组态软件。具体组态画面如下：1用户窗口如下：2、登陆界而如下:-工拆台：KCSttr3.KC)口 IB3、主界而和报警界而如下:4、燃料控制界而如下:5、送风系统界而如下:2送风栓制糸统30! 41Z #./ 型动出环户户. 类启！8生用注年当系统启动时运4?当茶统遼出酣运行 按照设定的时何街环

14、运行 炉腔的釆弩克搖 转速的历史議据第话组总|新建黄略四、运行策略:1、循环流化床锅炉DCS系统组成:数据采集系统(DAS)模拟量调卩系统(MCS)顺序控制系统(SCS)炉膛安全监控系统(FSSS)模拟量控制系统(MCS)组成：主汽压调节床温调节给煤量调节总风量调节石灰石量调节q一次风量调节q二次风量调节q二次风圧调节q高压风压力调节3、循环流化床(CFB)床温控制：CFB床温控制目标：850-920C过髙：容易结焦过低：影响燃烧效果甚至导致熄火影响床温的因素：煤种变化或燃用煤肝石和好煤时混合不均匀一波动给煤量控制不均匀一波动煤粒直径控制不严或排渣不及时一降低料床(密相区)高度，特别是间歇放渣

15、一波动负荷增加时加大给煤疑加风不够导致燃饶不良一降低 负荷变化风煤配比不当床温控制的SAMA图：4燃料控制方案：燃料与空气采取比值控制方式和氧量校正方案，并用烟气含氧量进行微调，风/煤交叉联锁逻辑 保证锅炉在任何负荷时都处于安全燃烧的“富氧”工况。即控制任何燃烧工况下的锅炉奉均大于燃 料量。在静态时，风量指令为锅炉指令和锅炉燃料总疑的髙选信号：而燃料指令为锅炉指令与总风 量的低选信号。在负荷变化时，则通过先加风，后加燃料；先减燃料，后减风来实现动态补偿。过 剩空气系数校正回路也保证了锅炉在任何负荷时，都处于安全燃烧的“富氧”工况。在低负荷试， 为了保证稳定燃烧，过剩空气系数较大。在高负荷时，为

16、了获得较髙的燃烧经济性，必须维持较低 的过剩空气系数。过剩空气系数校正回路有如下功能：运行人员可改变回路中的补偿系数，调肖氧量设左值。通过氧量校正信号的高低限值，可改变总的过剩空气量。可根据开启风门的数量和状态调整氧量修正信号。运行可根据氧量指示退岀氧量校正回路，受冻调整过剩空气设立值。炉膛负压控制采取引风调节和送风调节组成前馈一一反馈控制。燃料控制SAMA图：5、CFB总风量控制：总风星控制系统的主要作用是使锅炉总风量和负荷指令以及与负荷相匹配的燃料量相平衡。通 过一次风、二次风和氧量的实际测量，结合锅炉设计对风疑及配比的要求来产生控制一次风疑、二 次风量的信号。风量设泄取负荷指令与燃料量两

17、者之中的大者，以保证升负荷时先增风，后增燃料: 降负荷时先减燃料以防止燃料富余。（1）控制策略：总风量调节系统通过改变一二次风量的指令来保证锅炉所需配风锅炉主控系统得到的总风量 指令与燃料量测定值进行交叉限制后作为总风量调疗系统的给定值，以保证负荷增加时先加风后加 燃料，负荷减少时先减燃料后减风的要求，从而保证一左量的过剩空气系数和床温总风量调节系统 的给立值在PID中与总风量测量值进行计算处理后，送往一二次风调节系统。（2）总风量控制SAMA图:6、CFB次风控制:一次风的作用：1 流化状态的建立，2流化质量的好坏，3床料在密相区的流态燃烧，4床温的 髙低，5.床压的髙低。一次风的控制影响因

18、素：燃料量和床温等因素。控制对象：一次风门挡板。 通过控制一次风门挡板来控制一次风量。根据总风疑信号和床温的修正，减去点火增压风戢，产生 一次风量给左，其与测量值之差经过PID运算后，控制相应调Tj挡板的动作。一次风量必须保证炉 膛内物料能够沸腾循环，同时如果床温超限则适当加大一次风量给左。控制回路：总一次风量控制 及入喷嘴一次风量控制两个回路。7、CFB二次风控制:二次风的作用确保从密相区溢出的可燃物在稀相区(悬浮段)得到进一步的富氧燃烧，使燃料在炉膛内充分 燃烧，降低炉膛上下温差二次风控制目标确保烟气含氧量在3d%范用内，加强稀相区气固两相流的扰动，强化燃烧增强炉内温度场, 增加发热疑提高

19、燃烧效率二次风的控制策略用稀相区温差来作为调整输入信号，单独设置一个回路来调整二次风区部分二次风喷嘴，以达 到二次风均匀分配的目的(4)二次风控制SAMA图:锂6二汝闵E册倾8、CFB炉膛压力控制：(1)控制策略：对炉膛压力作大幅度的阻尼才能很好的控制炉膛负压并使执行机构不至于频繁的动作。为避免 炉膛压力信号波动频繁引起引风机入口挡板位置频繁动作，调肖器内设置死区来改善调节性能。引 风机跳闸强制引风机入口挡板位置全开。(2)压力控制SAMA图：9、床压一排渣控制回路:L阀是控制循环流化床锅炉膛下部向冷渣器排渣的重要设备，在L阀上布巻若干个空气喷嘴，正常运行时通入干冷空气来流化、运送灰渣。灰渣在

20、L阀中的传输可以是连续的, 也可以是断续的。L阀在运行过程其空气疑是可以控制的，通过改变空气流量来调节灰渣的排岀疑。锅炉排渣量的 大小视床压而定，流化风受安装在总管上的一个电动流化风调节阀控制。电动调右阀接受床压调节 器的输出信号，根据床压情况进行开度调节。10、CFB点火控制：点火逻辑“点火条件具备，开引风机（开度30%-35知，半分钟后开启一次风机（开度30%-35%）,保持炉 膛吹扫57分钟，调整一次风主风门，一次风的一部分从旁路（点火风路）通过，以满足点火用氧 的需要。自动点火系统（按点火启动开关一进点火枪一开吹扫阀开一吹扫阀5分钟后开点 火器，同时开油阀一持续10秒钟时间，如火焰检测

21、器检测不到火焰一立即关闭油阀打开吹扫阀 -延续5分钟时间一关吹扫阀一重新进入自动点火系统。如果火焰检测器检测到火焰一点火 器发火结束自动退点火枪一至锅炉炉膛温度达到850度以上，炉膛内燃烧工况稳左，一点火结束, 关油阀-*进点火枪一开吹扫阀同时开点火器一延时5分钟一关吹扫阀一发火结束，自动退 点火枪）五、运行结果1、总体简略图2、原理图3、运行结果图:循环流化床缺炉廉理图*.:s j”5 曲V. W冷RMI24、调试过程：用四个模块(5017,5024,5051,5060)作为Al, AO, DI, DO,然后与工控机进行通过485或232 接口的导线相连。分别对5017.5024,5051.

22、5060模块进行调试通讯，当通讯状态显示为0时，说明通 讯成功。5、调试结果：tici Ju11.1)1.14上.1t.aLLt-片“力住0*1确仏m V(g 的曰六.运行中的PID程序： * asnglDataValue(O) = PV* asnglDataValue(l) = SV 佯 asnglDataValue(2) = OP 佯 asnglDataValue(3) = P 佯 asnglDataVaIue(4) = I f* asnglDataValue(5) = DsnglParP snglParl snglParD snglPvMin snglPvMax snglSvMin sn

23、glSvMax snglOpMin snglOpMax snglChangeMin snglChangeMax snglOutPutMax snglCtlDirection snglControlT= 250比例系数P=50 哮积分系数I=5*微分系数D=0 *PV值下限= 300 佯PV值上限=0啡SV值下限= 300 佯SV值上限=0 *OP值下限=100 佯OP值上限=1怦死区范用=10 *调节范围=80 *超调时输岀=l佯调节方向= 100* PID的调控周期，和设备的采集周期相同Dim snglPVRangeDim snglOutdxPV值的量程* PID计算岀的输出增加值绰确保控制

24、周期不为0If snglControlT = 0Then snglControlT = 1计算PV值的量程，并确保其不为0snglPVRange = snglPvMax - snglPvMin If snglPVRange = 0Then snglPVRange = 11*把超调值由百分比转换成实际物理量snglChangeMax = snglPVRange * snglChangeMax /100* PV值和SV值必须在设泄的限值范用之内If snglPv snglPvMax Then snglPv = snglPvMaxIf snglSv snglSvMax Then snglSv = s

25、nglSvMax 计算 SV 和 PV 值的差值,第一次计算时,取 m.snglSvPvdxl .m_snglSvPvdx2 值和 m.snglSvPvdx 相同nvsnglSvPvdx nvsnglSvPvdxl m_snglSPvdx2本次调控时SV和PV值的差值上次调控时SV和PV值的差值 调控过程中SV和PV值的差值的累计和nvsng 1 SvPvdx = snglSv - snglPvm_snglSvPvdx2 = m_snglSvPvdx2+m_sngl SvPvdxm_sngl SvPvdx 1 = m_sngl SvPvdx设定m_snglSvPvdx 1的初值为111111；

26、标记是否第一次进行PID计算,防止m.snglSvPvdx和lm.sng 1 SvPvdx2 的值为 0If m_sngl SvPvdx 1 = 111111 Thenm.sngl SvPvdx 1 = m_sngl SvPvdxm_snglSvPvdx2 = m_sngl SvPvdxEndlf*进行PID运算，snglParI=0和snglParlo0的算法不一样snglControlT :iJ8J V；周期，和设备的采集周期相同(单位为：秒)If snglParl 0 ThensnglOutdx = snglParP (msnglSvPvdx - m_snglSvPvdx 1 + m_s

27、nglSvPvdx * snglControlT / snglParl + (m_snglSvPvdx - 2 * m_snglSvPvdx 1 + m_snglSvPvdx2) * sng 1 ParD / snglControlT)ElsesnglOutdx = snglParP * (m.snglSvPvdx - m_snglSvPvdx 1 + (msnglSvPvdx 2 * m_snglSvPvdx 1 + m_snglSvPvdx2) * sng 1 ParD / snglControlT)Endlf*处在死区范围，输出值保持不变If !Abs(m_snglSvPvdx) = snglChangeMax And snglChangeMax 0 ThenIf m_snglSvPvdx 0 Then sng 1 OP = snglOutPutMaxEndlfElsesng 1 OP = sng 1 OP - sng 1 Outdx*反向控制时的超调处理If !Abs(m_sng 1 SvPvdx) = snglChangeMax And