西门子杯全国生工业自动化挑战赛2014年信梦队太原理工

1、2014 年西门子杯大学生工业自动化赛工程设计文件设计开发型赛项高校组参赛队伍名称：信梦队参赛学校名称：太原理工大学2014 年 6 月 20 日一、方案设计依据、范围及相关标准本文方案设计依据、范围及相关标准如下所示：（1）工业自动化GB/T 7353-1999过程测量和控制仪表的功能标志及图形符号HG/T 20505-2000过程工业领域安全仪表系统的功能安全GB/T 21109-2007锅炉压力容器安全监察暂行条例锅炉压力容器安全监察暂行条例实施细则关于修改锅炉压力容器安全监察暂行条例实施细则个别条文热水锅炉安全技术监察规程修改后的热水锅炉安全监察规程蒸汽锅炉安全技术监察规程锅炉安装工程

2、施工及验收规范G1350273-2009；电力建设施工及验收技术规范（第 2 部分锅炉机组篇）DL5190.2-2012工业锅炉砌筑工程施工验收规范GB50211-2004机械设备安装工程施工及验收通用规范GB50231-2009工业金属管道工程施工验收规范G1350235-2010锅炉钢结构技术条件JB/T1620-1993锅炉锅筒制造技术条件JB/T1609-1993锅炉管子制造技术条件JB/T1622-1993锅炉受压元件焊接技术条件JB/T1613-1993锅炉炉排技术条件JB/T3217-2002工业锅炉型号编排方法JB/T1626-2002安全技术与管理（第五章锅炉安全管理）工业自

3、动化仪表与系统手册（上册与下册）工业自动化仪表工程施工及验收规范GBJ93-86二、系统分析2.1 工艺流程分析本控制系统所选被控对象为工业领域广泛应用的自然循环锅炉，其工艺流程如图 2.1 所示。图 2.1自然循环锅炉工艺流程图软化水经给水泵P1101 泵出，分成，一路给水去减温器E1101，与过热蒸汽换热，然后与另一路给水混合进入省煤器 E1102。去减温器 E1101 的锅炉给水用于调整过热蒸汽的温度，同时也对锅炉给水进行预热。正常工况时，大部分锅炉给水直接流向省煤器，小部分锅炉给水流向减温器。省煤器 E1102 由多段盘管组成，燃烧产生的高温烟气自上而下通过管间，与管内的锅炉给水换热，

4、回收烟气中的余热，并使锅炉给水进一步预热。被烟气加热成饱和水的锅炉给水全部进入汽包 V1102，再经过对流管束和下降管进入锅炉水冷壁，吸收炉膛辐射热在水冷壁里变成汽水混合物，然后返回汽包 V1102 进行汽水分离。锅炉汽包为卧式圆筒形承压容器，装有给水分布包 V1102 顶部设放空槽、汽水分离器等。汽水分离是汽包的重要作用之阀 XV1104，分离出的饱和蒸汽再次进入炉膛 F1101 进行汽相升温，成为过热蒸汽。出炉膛的过热蒸汽进入减温器 E1101 壳程，进行温度微调并为锅炉给水预热，最后以工艺所要求的过热蒸汽压力、过热蒸汽温度输送给下游生产过程。过热蒸汽出口管线上设开关阀 XV1105。经由

5、送入燃烧器。泵P1102 泵入炉膛F1101 的燃烧器，空气经变频鼓风机 K1101与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使锅炉水汽化。燃烧产生的烟气带有大量余热，对省煤器E1102 中的锅炉给水进行预热。2.2 控制需求分析锅炉是保障国民经济发展的基础设施，属性大、能耗高的设备，被广泛应用于各个工业领域，在国家经济生产中占有不可或缺的位置，自然循环锅炉是目前世界各国最为广泛应用的一种锅炉。目前，许多工业锅炉的操作和不仅难以做到平稳操作，安全生产也没有保证，工人的劳动强度大，生产条件差，而且运行热效率低、耗煤量大、浪费能源、污染环境。为此，本方案的控制要求如下所示。满足生产指标的考虑在过热蒸汽出口流

6、量稳定的前提下，保证过热蒸汽出口压力和出口温度维持在工艺要求范围之内。所有操作要保证有序进行，工况要保持全程稳定，并要充分考虑生产过程中可能出现的异常工况。满足节能指标的考虑出于对效能、环境等的考虑，要求在控制系统设计和实施中对等能耗指标予以充分考虑。满足生产安全的考虑在控制系统的设计要确保锅炉生产安全。贴近真实工业现场的要求用量从生产单元冷态起，手动开车，按照开车步骤依次将控制回路投用，保证开车稳步进行，保证系统无扰投运。2.3 对象特性分析研究控制系统的主要目的是为了控制生产过程，以满足生产要求。在控制系统之前，首先应该了解要控制的生产过程，即被控对象。在过程控制中，被控对象是工业生产过程

7、中的各种装置和设备，如加热炉、汽包等；被控量通常是压力、液位、流量等。它们所进行的过程几乎离不开物质和能量的，例如液位变化就反映流入和流出物质的平衡关系遭到破坏，温度变化就反映流入和流出热量的平衡遭到破坏等。过程控制涉及的被控对象大多具有下述特点：对象的动态特性大多是不震荡的；对象动态特性大多具有延迟特性；被控对象本身是稳定的或中性稳定的；被控对象往往具有非线性特性。自然循环锅炉系统是一个强耦合的被控对象，其各参量之间存在着复杂的相互影响关系。只有充分分析它们之间的相互联系，各子系统才能得到良好的控制效果。锅炉的典型控制包括：（1）燃烧控制，需要控制和空气的配比，以达到充分燃烧；给水控制，需要

8、与蒸汽产量匹配，以控制锅炉汽包内水的储量；过热蒸汽出口压力控制，要求能够根据负荷的变化控制蒸汽压力；过热蒸汽出口温度控制，需要根据工艺要求精确控制蒸汽温度。2.4 系统安全要求锅炉构造复杂，工作环境恶劣，一旦故障发生，造成的可能非常严重，必须停机进行检查。因此，需要用科学、系统的安全评价方法对锅炉系统中可能存在的风险进行充分、彻底地辨识，在此基础上能对系统进行充分、完整的防护分析。确保锅炉处在安全、稳定的生产工况。设计和连锁保护系统，对于关键参数，应根据工艺要求规定其高低线，当参数超出值时，应立即进行越限。以及时提醒操作密切监视生产状况，以便采取措施减少事故的发生。联锁保护系统是指当生产出现严

9、重事故时，为保证人身和设备安全，使各个设备按一定次序紧急停转运转的系统。例如在加热炉运行中出现严重事故必须紧急停止运行时，连锁保护系统将首先停止燃油泵，然后关掉燃油阀，让引风机继续工作，经过一段时间后，停止引风机，最后再切断热油阀。这些针对生产过程和联锁保护系统是保证生产安全性的重要措施。三、控制系统设计3.1 基础控制系统及开车顺序控制系统的设计根据生产流程可以把锅炉分为燃烧系统和汽水系统，由于锅炉运行时需要监视的参数很多，许多主要参数需要控制，下面单元机组若干重要参数控制系统的设计，包括汽包水位控制、过热蒸汽压力控制、过热蒸汽温度控制、过热蒸汽流量控制、烟气含氧量控制、炉膛负压控制等。此外

10、，介绍了开车顺序控制系统的设计。3.1.1 汽包水位控制（1）影响汽包水位正常时保证锅炉和下级设备安全运行的必要条件，如果汽包液位过高，使蒸汽带液，影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽水分含量过多，导致过热器管壁结垢而被烧坏，也使过热蒸汽温度急剧变化，直接影响下级设备的稳定运行；汽包液位过低会影响汽水循环，严重时甚至可使加热水管局部受热而导致严重的事故。而且汽包的给水量也不应该剧烈波动，以免影响省煤器和进水管道的安全。普通锅炉汽包水位的影响蒸汽流量主要是主蒸汽流量、给水流量、流量。当锅炉处于平衡状态时综合汽水平衡关系和汽水特性：当蒸汽流量突然增加时，虽然给水流量小于蒸汽流量，但在扰动

11、初期水位不降反升，然后再下降，产生“虚假水位”现象；同样，当蒸汽流量突然减少时，虽然给水流量大于蒸汽流量，但在扰动初期水位先下降后上升。虚假水位会导致给水调节机构的错误操作，使汽包水位波动剧烈，严重影响设备的安全和。这说明蒸汽流量扰动是影响汽包水位的之一。主蒸汽流量反应了负荷的要求，而锅炉的生产活动主要为了适应负荷要求，蒸汽流量在一定温度下的大小是锅炉负荷变化的直接体现素。，也是锅炉水位的主要影响。选择主蒸汽流量作为调节水位主要因给水流量在平衡状态下，如果汽包的给水量突然出现扰动而增加，一方面由于给水温度低于汽包内的饱和水温度，刚刚进入汽包的给水会吸收原有饱和水的一部分热量，从而减少蒸汽量，水

12、面下的气泡总体积也相应减小，汽包水位下降，也会出现上面所述的“虚假水位”。用给水流量作为主要控制变量，前期因为虚假水位系统会造成错误判断，但后期水位真实反映给水量的变化，所以给水量作为主要回路调节水位，必须加入前馈调节。流量如果量出现扰动增加，则饱和水吸收的热量增大，气泡内的气体体积增加，同样会导致出现“虚假水位”。但水循环系统中的水量比较大，且汽包和水冷壁有一定的储热能力，使系统有一定的热惯性，蒸汽量增加缓慢，且蒸汽量缓慢增加的同时，汽包内的压力也会随之缓慢增大，使水面下的气泡体积变小，汽包水面下降。两种情况综合考虑，则量的增加出现的汽包“虚假水位”较蒸汽流量扰动下要缓和得多。因此汽包水位控

13、制过程中可认为量是间接扰动。而的扰动，可以通过烟气的温度还有烟气的流量来检测。如果温度和流量上升，证明了量的增加，反之则减少，故可以作为副回路作为调节进水量。被控变量与变量的选择被控变量：汽包水位变量：给水流量控制回路与控制算法传统的三冲量水位控制，通过调节给水阀门作为控制气泡水位的主要。将给水流量的实时状况作为反馈、蒸汽流量作为前馈调节、汽包水位作为主要的反馈调节而组成的回路。但是，在虚假水位的时候，气泡水位变送器在刚开始的时候会将虚假水位错误的传送回去，造成调节效果的不好。锅炉的汽包水位反映锅炉产汽量与给水量的动态平衡关系，而进入锅炉的燃料量影响产气量，进而影响动态平衡。锅炉的烟气温度的变

14、化范围为250500。蒸汽流量也在一定范围内变动，烟气温度和流量测量值能较早反应锅炉热负荷趋势，此外由于锅炉本身的热惯性，前馈的作用将更明显。将烟气的流量和温度参数引入到锅炉汽包水位的调节控制中，建立以汽包水位为主控信号，蒸汽流量、烟气流量和烟气温度为前馈信号，给水流量为串级信号的基于前馈补偿的串级汽包水位控制策略，控制方框图如图3.1所示。图 3.3 模糊主控制器结构图模糊控制器的输入语言变量在通常情况下取系统误差为 E 以及其变化率为 EC，误差 E 及其变化率 EC 的实际变化范围，称为误差及其变化率语言变量的基本论域，分别记为糊关系和温度存在同向的变化趋势，蒸汽温高，说明蒸汽携带的能量

15、越多，则过热蒸汽的压力也就随之增大。过热蒸汽的温度和压力都是锅炉蒸汽质量的重要指标，都需要维持在一定范围内。（2）被控变量与控制量的选择被控变量：过热蒸汽压力变量：流量调节阀的选择FV1104 是燃油流量调节阀，一旦系统出现故障，气源信号减弱，这时为了防止再有燃油进入炉膛继续燃烧，应切断燃油进料量，故调节阀应处于关闭状态，所以应选择气开式调节阀。根据调节阀流量特性，选择等百分比调节阀。控制方案设计通过控制量的选择部分的分析可知，当流量变化时，燃烧热随即变化，即炉膛温度也立即变化，几乎没有惯性和延迟。因此流量变化时炉膛温度变化比蒸汽压力超前得多，且惯性时间常数也比较小。因此，方案中蒸汽压力的控制

16、系统采用串级控制方法。副回路中应该包含系统的主要干扰，且包含的干扰应尽量多，这样副回路可以快速反应，消除主要干扰；又考虑到炉膛的温度测量不能保证准确，只能作为参考值，所以不能选炉膛温度作为副回路。综上所述，过热蒸汽压力控制系统采用流量作为副回路。这是因为量是决定燃烧热的主要，如果量保持稳定，则燃烧热变化较小，即炉膛温度也就随之稳定。以蒸汽压力为主控参数，用来消除过热蒸汽流量波动引起的干扰，消除蒸汽压力静差，从而与副回路组成蒸汽压力控制系统。如图 3.5 所示。图 3.5过热蒸汽压力串级控制系统结构图通过动态分析可知，的燃烧效率同样影响锅炉的燃烧热。为了使燃油充分燃烧，达到“低碳”理念，需要使排

17、出烟气中的含氧量在一定范围内，即燃油与空气量维持最佳空燃比，所以还需引入量空气量的比值控制系统，结构如图 3.6 所示。在量-空气比值控制内回路中，设定量为主物料，这是因为量较空气量对过热蒸汽的压力和温度起主要作用，且空气供应量相对容易。进一步考虑锅炉负荷变化时炉负荷增加时，先加鼓风量，再加的充分燃烧，加入规则选择器，用于实现锅量；负荷减少时，先减量，再减鼓风量，目的是希望在任何情况下都能尽量使充分燃烧，减少能源浪费。如果将流量和风量组成的双闭环比值控制系统与热蒸汽压力串级控制系统结合在一起，就可以得到完整的针对锅炉过热蒸汽出口压力控制的串级-比值控制系统，如图 3.7 所示当鼓入炉膛的空气量

18、和燃油量达到最佳空燃比时，燃油的燃烧效率最高，即过剩空气量最低，则排烟中的含氧量也就最适宜，因此烟气含氧量反映了燃油的燃烧效率。所以，过热蒸汽压力控制系统中的燃油量空气量的比值控制和烟气含氧量控制之间存在联系。本方案中用量作为蒸汽压力的调节变量，而用空气量跟随量变化使它们达到合适的配比，并来控制烟气的含氧量。所以空气流量控制涉及到排烟含氧量调节，这部分的主要设计方案将在烟气含氧量控制部分详细说明。副回路：燃油流量调节阀为气开式，符号为正；当阀门开大时，燃油流量增大，所以被控对象符号为正；测量变送器的符号为正；偏差符号为正；整个回路要负反馈，则流量控制器为反作用。空气流量调节阀为气开式，符号为正

19、；当阀门开大时，空气流量增大，所以被控对象符号为正；测量变送器的符号为正；偏差符号为正；整个回路要反馈，则空气流量控制器为反作用。负主回路：将副回路看作正环节；测量变送器的符号为正；燃油流量增大时，过热蒸汽压力升高，所以被控对象为符号为正；偏差符号为正；为使控制系统稳定，必须保证系统负反馈，所以主控制器为反作用。（6）控制规律设计副调节器内环需要起到快速消除内扰的作用，且不要求无差，所以此阶段流量控制回路的副调节器选择比例P 控制算法。主调节器和空气过热蒸汽的压力是典型的分布参数对象，对于定参数运行的锅炉而言，锅炉工作的额定压力与安全阀启跳压力相差很小，在锅炉负荷大幅度变化时，过热蒸汽压力控制

20、采用传统的方法难以进行有效的控制。模糊控制算法是基于知识的控制器，具有一定的智能性。将模糊控制规律与控制相结合，一方面可以使控制器具有模糊控制的智能性，又可以利用的强鲁棒性应对工况的变动；另一方面还可以使模糊控制具有确定的控制结构，且控制结构易于实现，而模糊规则的制定是靠操作知识和经验，不要求被控对象的模型已知。主控制器模糊控制器的结构图如图示。图 3.8模糊控制算法表达式为主控制器结构图常规（b）KD模糊规则表（c） K 模糊规则表I由第K 个采样时刻的压力偏差及其变化率，并结合图2.21 可以得到模糊集ECNBNMZOPMPBENBSSZSSNMMMSMMZOSMBMSPMMMSMMPBS

21、SZSSECNBNMZOPMPBENBZZZZZNMSMMMSZOMBBBMPMSMMMSPBZZZZZPBMBBBM（1）过热蒸汽温度影响过热蒸汽温度系统是一个大延时、非线性、时变、强耦合的多变量系统。影响过热蒸汽温度的扰动来源有很多，比如过热蒸汽流量、炉膛中的燃烧工况、减温器中软化水的流量和温度、炉膛及省煤器内对流段的热传导系数等。减温器软化水流量对于一定流量的过热蒸汽，如果减温器内软化水的流量增加，则软化水吸收蒸汽的热量也增大，可以使过热蒸汽的温度降低。过热蒸汽流量过热蒸汽流量变化时会引起汽相升温阶段过热蒸汽与炉膛烟气的传热条件发生变化。但由于过热蒸汽流量变化时，炉膛内蒸汽管道长度方向的

22、各点温度几乎同时变化，因此在过热蒸汽流量扰动下过热蒸汽温度有自平衡特性，且惯性、延时都较小。除此之外，过热蒸汽流量发生变化时，炉膛内的温度不能瞬间相应变化，这就导致过热蒸汽的温度发生变化。生产中过热蒸汽的流量可能需要根据工程要求而改变，因此过热蒸汽的流量扰动是汽温主要扰动之一。炉膛内燃烧工况当炉膛内的量或的燃烧效率发生变化时，直接影响炉膛温度，这就使蒸汽的辐射和汽相升温阶段吸收的热量变化，从而影响过热蒸汽温度。且量或的燃烧效率的变化还会引起热传导条件，也会影响过热蒸汽温度。烟气温度及流速炉膛及省煤器对流段可以利用炉膛燃烧产生的烟气余热对软化水进行预热和使主蒸汽气相升温。对流段的热传导系数与烟气

23、和软化水、蒸汽的相对速度有关，在热传导系数峰值以下，相对速大，热传导系数越大，而鼓风量、引风量和烟道挡板开度都能引起烟气流速和温度的变化。但当烟气传热量变化时，沿蒸汽管道长度方向的各点温度几乎同时变化，因此在过热蒸汽流量扰动下过热蒸汽温度有自平衡特性，且惯性、延时都较小。软化水温度如果软化水温度变高，则通过对流段、辐射吸热段和气相升温段吸收相同热量的情况下，相应的蒸汽温度也会升高。火焰中心位置对锅炉而言，火焰中心上移，使炉膛水冷壁的辐射吸热量减少，炉膛出口烟温升高。对流烟道中的吸热量增加，使系统吸热量的增加，汽温升高；由于炉膛水冷壁的辐射吸热量减少，虽然过热器系统的吸热量有所增加，但炉膛水冷壁

24、和过热器系统的总吸热量减少，过热汽温下降。火焰中心下移时，再热汽温下降，过热汽温升高。（2） 被控变量与变量的选择被控变量：过热蒸汽温度变量：减温器软化水流量对于蒸汽温度和压力的耦合，本方案中采取用减温器对过热蒸汽温度进行微调；用量控制汽压（此时蒸汽温度也随之改变）。减温器只能对过热蒸汽的温度起到微调的原因是：如果只用减温器对过热蒸汽温度进行调节，这可能会出现当汽温出现过高大偏差时，减温器为了降低蒸汽温度而大量增加流过减温器的软化水，虽然此时的控制使蒸汽温度下降，但直接导致软化水的总温度升高，考虑到减温器壁和管路有一定的热容积，温度变化存在惯性，所以可能几拍后升温的软化水又会使饱和蒸汽温度升高

25、，进而过热蒸汽温度升高，则减温器动作也随之增大，出现恶性循环，使过热蒸汽温度控制出现波动。从解耦控制的角度考虑，蒸汽流量必须满足一定的参数指标，如果用蒸汽流量来调节过热蒸汽温度势必会因为耦合而破坏蒸汽流量的控制效果，导致蒸汽的流量和温度都发生波动，所以不能用蒸汽流量作为蒸汽温度的控制量。而省煤器对流段是对软化水进行预热，只能对蒸汽温度起到间接调节的作用，存在延时，因此不能把省煤器对流段的热传导系数的调节作为蒸汽温度控制。调节阀的选择V1103 是减温器软化水流量调节阀，一旦系统出现故障，气源信号减弱，为保证过热蒸汽温度不致过高而损坏管道，故调节阀应处于打开状态，所以选择气闭式调节阀。根据调节阀

26、流量特性，选择等百分比调节阀。控制方案设计过热蒸汽的温度和压力存在耦合。假设为了增大过热蒸汽流量而将蒸汽出口阀开度调大，则汽包内的压力减小，使过热蒸汽出口压力随之减小。蒸汽压力控制器为了维持蒸汽压会增加流量，增加炉膛内的热量。由于汽包内存在虚假水位的影响，会使上水流量在小段时间内不增加，即进入炉膛升温的软化水和蒸汽量没有变化或减小，在量增加的情况下使过热蒸汽温度升高。但克服虚假水位后，为了维持汽包水位，上水流量增加，进入炉膛吸热的软化水和蒸汽流量增大，则过热蒸汽温度回降，最终维持在一定值。通过上面的分析可知过热蒸汽的温度和压力时相辅相成的，而为防止蒸汽温度波动，减温器只能起到微调的作用，因此应

27、以过热蒸汽出口压力作为减温器工作状态的判断依据：当过热蒸汽出口压力的偏差大于阈值时（减温器中的管道干烧，可能造成管裂。为防止安全隐患，设计控制器时，保证减温器中的软化水流量不小于一定域度，即阀 V1103 开度不小于域度图 3.12减温器控制过热蒸汽温度结构图锅炉低负荷运行阶段当锅炉低负荷运行时，主蒸汽温度达不到额定温度，因而这时应该根据蒸汽流量对蒸汽的温度设定值进行设定。此时系统结构图如图 3.13 所示。其中 G(s)表示主蒸汽流量与主蒸汽温度设定值之间的传递函数。图 3.13锅炉低负荷运行时主蒸汽温度控制结构图（5）控制器正反作用的确定过热蒸汽温度控制回路中，调节阀为气闭式，所以符号为负

28、；当阀门开大时，减温器软化水流量增大，所以被控对象为正作用，符号为正；测量变送器的符号为正；偏差符号为正；为使控制系统稳定，必须保证系统蒸汽温度控制器为正作用。（6）控制规律设计锅炉正常负荷运行阶段负反馈，所以过热通过以上分析，设计减温器软化水流量控制器时需要考虑到过热蒸汽温度偏差范围，根据汽温偏差范围来决定减温器动作的快慢和大小。此外还需考虑防止减温器软化水流量过少而导致减温器干烧而发生管裂。因此，在减温器起消除静差作用阶段，因为过热蒸汽温度噪声较大，所以在考虑外环温度控制器设计时没有加入微分作用。且需要消除过热蒸汽温度的静差，所以主调节器应有积分作用。又由于回路中已经有预估补偿功能可以补偿

29、一定的延时，且考虑到系统的调试和，最终选择模糊自适应控制算法作为此阶控制回路的主调节规律，用以快速消除内扰。自适应模糊控制器是在算法的基础上，以误差 e 和误差变化率 ec作为输入，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整，来满足不同时刻的 e 和 ec 对参数自整定的要求利用模糊规则对参数进行控制器，其结构框图如图 3.14 所示。修改，便了自适应模糊图 3.14模糊自适应控制器结构控制器根据不同的 e 和 ec 人们总结出了一套Smith 预估补偿器设计中，为方便表达，设炉膛中的温度ENBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNSNMNS00NMNBNBNMNMNS00NSNBN

30、BNMNS0PMPMZONBNBNM0PMPBPBPSNMNM0PSPMPBPBPM00PSPMPMPBPBPB00PSPMPMPBPB制也很重要。（2）调节阀的选择FV1105 是过热蒸汽流量调节阀，一旦系统出现故障，气源信号减弱，这时为了不让不合格的过热进入下级设备，以保证下级设备的安全，故调节阀应处于关闭状态，所以选择气开式调节阀。根据调节阀流量特性，选择等百分比调节阀。（3）被控变量与变量的选择被控变量：过热蒸汽流量；变量：过热蒸汽流量。（4）控制回路以及控制算法由于过热蒸汽流量的设定值主要由下级设备的生产需要决定，且蒸汽流量可以直接用调节阀控制，所以采用单回路控制系统。这样可以使过热

31、蒸汽流量控制系统实现起来简单，还能有效消除干扰，令蒸汽流量负荷。又由于过热蒸汽流量的测量噪声较大，所以加入一个滤波器，防止测量测量噪声造成的控制系统出现大超调，控制回路图如下图 3.17。图 3.17过热蒸汽流量控制单回路系统噪音消除滤波器器采用低通滤波器，如图 3.18 所示。图 3.18采用低通滤波器的过热蒸汽流量控制单回路系统（5）控制器正反作用的确定过热蒸汽流量控制回路中，调节阀为气开式，为正作用，所以符号为正；当阀门开大时，过热蒸汽流量增大，所以被控对象为正作用，符号为正；测量变送器的符号为正；偏差符号为正；为使控制系统稳定，必须保证系统所以过热蒸汽流量控制器为反作用。（6）控制规律

32、设计及控制算法负反馈，过热蒸汽流量调节器采用控制器。因为流量控制较为简单，所以可以采用常规控制方法。又由于过热蒸汽流量的测量噪声较大，所以不宜采用微分作用，以防控制系统出现大超调。所以选择比例-积分PI 控制规律对过热蒸汽流量进行控制。这样既方便实现，降低系统的设计复杂度，又可以有效消除静差。滤波器采用二阶低通滤波器：（2）被控变量与变量的选择被控变量：烟气含氧量；变量：空气流量。烟气含氧量反映了炉膛中燃烧的充分程度和过剩空气量，因此它主要是由量-空气量的配比决定的，即当满足最佳空燃比时，且鼓入炉膛的空气量最适宜，从而烟气含氧量最佳。考虑到烟气含氧量与过热蒸汽温度、压力的耦合，可以充分燃烧，流

33、量的多少直接影响到过热蒸汽的状态，如果改变流量来调节烟气含氧量，势必会造成过热蒸汽参数的波动。而在量充足的情况下，空气量的供给是不成问题的，且空气量扰动下被控对象是状态自平衡过程，惯性和延时都小，容易控制，因此烟气含氧量主要用鼓入炉膛的空气流量来调节。（3） 控制方案设计在锅炉实际运行中，实时监测排出烟气的含氧量，根据之前的分析，首先可以通过调节鼓风量来控制量与空气量的比值， 近最佳空燃比，以保证完全燃烧所需要的足够风量，这是对烟气含氧量的粗调；接着在系统稳定的情况下，按烟气含氧量前馈量的大小对鼓风量进行细调，从而使烟气含氧量达到设定的理想值。并通过炉膛内燃烧情况的具体分析，根据不同负荷来调整

34、最佳空燃比的大小。量-空气比值控制由于炉膛中量和的燃烧率也影响过热蒸汽温度和压力，蒸汽温度和压力之间存在耦合，所以在过热蒸汽压力控制部分也涉及到值控制。量-空气量的比从低碳、安全和经济的角度考虑，在满足过热蒸汽温度的要求及安全温度的前提下，实现燃烧的经济和低碳、安全的理念，即在燃烧过程中维持最佳的空燃比，保证鼓入炉膛适当的空气量，令充分燃烧，防止产生一氧化碳和黑烟；同时又需要考虑鼓入过多的空气会带走一定的热量，且使鼓风机和抽风机过剩做功而浪费能源。因此内环控制回路采用比值控制器，对和空气的进量进行控制。量-空气比值控制系统不仅实现简单，而且无论发生负荷变化还是侧扰动，都能满足空气量和量的比值要

35、求。炉膛中的燃烧充分与否，直接反映在出口烟气的含氧量上，因此，考虑到控制的低碳性，过热蒸汽压力控制系统中加入了烟气含氧量控制器作为前馈回路，起到补偿的作用。因为量是主物料，如果调节量来调节烟气含氧量，势必会影响蒸汽温度、压力等参数，所以烟气含氧量前馈回路对鼓入的空气量进行补偿，来及时量。当烟气含氧量大于设定值时，说明鼓入的空气量过剩，应减小空气流量，这样也可以减少鼓风机功率的浪费，节约能耗；当烟气含氧量小于设定值时，说明鼓入的空气量，没有得到完全燃烧，浪费能源，产生有害气体，这时应增加空气流量。空气的补偿量多少及增减作用是由烟气含氧量偏差的大小以及正负来决定的。具体实现见图 3.19。烟气含氧

36、量烟气含氧量设定值+空气流量扰动+蒸汽温度扰动+TrT+流量流量调节阀+流量扰动图 3.19过热蒸汽压力控制系统结构图根据负荷调整最佳空燃比考虑到最佳空燃比并不是一定不变的，当锅炉运行工况发生较大变化时，保持同一个空燃比运行，会造成锅炉的各项主要热损失增加，送、引风机运行经济性下降，甚至使燃烧过程严重，供电及燃油消耗率明显增加。因此当机组运行工况发生变化时，需要对最佳烟气含氧量设定值进行修改，例如：在负荷较大时，由于炉膛温度高，着火条件好，燃烧稳定，此时可减小过量空气系数，以减小排烟损失。因此本方案中考虑根据锅炉负荷大小来调整最佳空燃比 K 的大小，则锅炉烟气含氧量控制系统完整方案结构如图 3

37、.20 所示。低选器过热蒸汽压力变送器流量调节器1/ K流量变送器过热蒸汽压力过热蒸汽压力调节器空气流量变送器空气流量空气流量调节阀空气流量调节器空燃比K高选器烟气含氧量调节器烟气含氧量变送器图 3.20锅炉烟气含氧量控制系统完整结构图控制器正反作用的确定烟气含氧量控制回路中，鼓风机相当于气开式调节阀，为正作用，所以符号为正；当鼓风机的频率增大，鼓入炉膛的空气量增大，所以被控对象为正作用，符号为正；测量变送器的符号为正；偏差符号为正；为使控制系统稳定，必须保证系统负反馈，所以烟气含氧量控制器为反作用。控制规律设计内环需要起到快速消除内扰的作用，且不要求无差，所以此阶段/空气流量控制回路的副调节

38、器选择比例P 控制算法。烟气含氧量前馈调节器：鼓入炉膛的空气中的含氧量是可以测得的，一般情况下，空气中含有的氧气比例占 20%左右。假设鼓入炉膛的空气含氧量为以致过高或过低，应使炉膛和大气板为故障开，相当于气闭阀。（4）控制方案设计，故烟道挡板应处于打开状态，所以烟道挡锅炉烟道对象的时间常数较小，调节通道和鼓风扰动通道的特性都可以近似认为是比例环节。由于被调量的反映过于灵敏，所以其调节过程易产生激烈跳动，因此简单的单回路控制不能保证控制质量。因为鼓风量的大小变化是炉膛负压产生扰动的主要，因此考虑加入鼓风量前馈控制，这样可以再鼓风量发生扰动时迅速改变排烟量。炉膛负压控制系统结构如图 3.21 所

39、示。图 3.21炉膛负压控制系统结构图（5）控制器正反作用的确定炉膛负压控制回路中，烟道挡板为故障开，为负作用，所以符号为负；当阀门开大时，炉膛负压减小，所以被控对象为负作用，符号为负；测量变送器的符号为正；偏差符号为正；为使控制系统稳定，必须保证系统膛负压控制器为反作用。（6）控制规律设计炉膛负压调节器负反馈，所以炉传统控制系统投运过程中参数整定，控制进程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，很难建立对象模型，工况的变化也常常使控制系统偏离工作点。模糊自适应整定控制算法可以有效解决锅炉负压控制系统大惯性纯延迟时变性，难以控制等问题。选取炉膛负压偏差 e、负压偏差变化率 ec 为输入量炉压 u

40、(t)作为输出量。将输入变量的精确值分别变为模糊量即偏差信号 E 及偏差变化率 EC 再经模糊推理规则得到模糊控制量 U 反模糊化后得到精确控制量 u(t)。取炉压偏差 e 的论域为 X-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6，炉压偏差变化量e 的论域为 Y-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6, 输出控制量 u(t) 的论域为 Z-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7。将输入偏差 E、偏差变化 EC 和输出量 U 的模糊子集的模糊语言变量分成PB、PM、PS、ZO、NS、NM、NB 七个级别。对于双输入、单输出的

41、二维模糊控制系统，模糊控制规则的形式为：if E=是锅炉点火升压阶段；S24S32 是锅炉负荷况状态。阶段；S33 表示锅炉正常运行工（2）正常停车顺序锅炉从正常工况到停鼓的过程需要合理的停车步骤，才能保证锅炉的安全和节能。下面是本方案设计的正常停车顺序。机 K1101T7调节烟道挡板T15调节各操作变量T8打开管线调节阀 FV1104，启动泵 P1102，为锅炉点火3.2 安全系统的设计锅炉长期在高温高压下运行，并不断受到烟气中飞尘的磨损和锅炉水中有害杂质的侵蚀，或者由于制造安装质量不佳，本身存在缺陷，加之操作不当等原因，往往会发生事故，轻则停炉而影响生产，重则发生管理不善，使厂房设备损员伤

42、亡，造成不可弥补的损失，因此，设计安全系统，包括紧急停车、安全联锁等十分必要。3.2.1 紧急停车方案在锅炉运行的时候，由于各种状况的出现，会使温度，压力，汽包水位等关出现剧烈波动，且超过规定的范围，不可以通过调节的方式使其恢复正常键状态，从而会使生产设备受损，甚至出现安全事故。此时，需要启动紧急停车方案，迫使锅炉中断运行而停炉。紧急停车要求迅速切断可能影响安全的，使锅炉快速停炉，并及时检查锅炉异常的发生原因。图 3.24 是本方案设计的紧急停车顺序。序号动作备注T1打开 HV1102，缓慢FV1105 至关闭降低负荷T2关闭燃油泵 P1102使炉膛熄火T3关闭 FV1104T4停鼓风机S11

43、01T5关闭 FV1101 及前后开关阀，打开HV1101防止低流量时仪表测量造成误操作T6调节 HV1101T7关闭水泵T8关闭 DO1101防止燃油复燃、炉膛超压T9继续缓慢HV1102T10关闭 HV1105，开放空阀 XV1104防止汽包压力过高T11防止炉膛内燃油复燃T12降低温度T13放水T14关闭所有阀门并扫炉图 3.24紧急停车顺序表 3-10紧急停车状态查询列表表 3-11紧急停车动作查询列表序号动作备注T1停燃油泵炉膛熄火T2关闭 FV1104T3停鼓风机S1101T4全开 DO1101防止炉膛压力过高T5使截断阀XV1105 关闭同时打开XV1104防止汽包压力过高T6阀

44、门 FV1101T7吹扫炉膛T8调节 FV1101吸收余热，防止锅炉干烧T9关闭水泵 P1101T10放水T11关闭所有阀门序号状态备注S1紧急停车命令检查出锅炉出现状况下达命令S2燃油停止供给切断供给S3炉膛无燃油进入S4空气停止供给切断空气供给S5锅炉自然通风冷却S6汽包压力降低S7手动上水防止低负荷时仪表测量S8炉膛内无可燃物防止复燃，确保炉膛安全S9汽包水位稍高于标准水位防止冷却时水位下降S10停止给水S11锅水温度降至 70防止水温过高不能对管壁降温S12炉内水放净防止形成水垢，及水中酸性物质腐蚀管壁S13紧急停车结束设计理由：步骤T1 到T3，以及T7，其设计是为了保证锅炉的炉膛的

45、安全，第一时间切断以及风机的供给，使锅炉干烧的现象不会出现，从而防止爆裂。步骤T4 到T5，其设计是为了在余热状态下，防止出现压力过高，使管道破裂。T6，从 T8 知到T10，其设计是为了吸收余热，使锅炉的温度降低到安全状态，以及排尽余水，方便检测和维修。3.2.2 安全联锁方案对于锅炉事故，在进行全面和分析的基础上，找出事故原因，认识和掌握事故发生的规律，及时发现故障，正确处理事故是十分必要的。工业锅炉运行中常见的严重损坏事故及故障主要有一下几种。（1）超压故障锅炉超压事故是指锅炉在运行中，锅炉内的压力超过最高允许工作压力而危及锅炉安全运行的事故。超压事故常常是锅炉的直接原因，超压事故的故障

46、树如下图所示。表 3-13缺水故障严重度等级缺水故障的防护层分析如下图 3.28 所示：系统失效概率严重等级5E故，蒸汽管道内的水击事故，省煤器内的水击事故，热水锅炉锅水汽化。水击现象：发出声响和；引起锅筒和管道的焊缝开裂，甚至使阀门损坏；锅炉锅水汽化时，还有安全阀动作排出蒸汽，压力升高等。当没有任何防护层时，水击故障树如下图 3.31 所示汽水共腾事故的主要原因一是给水品质差；二是负荷增加或压力降低过快，水面汽化急剧。汽水共腾事故风险发生可能性等级与3-16 所示。严重度等级分析如表表 3-16 超压故障严重度等级基础过程控制系统失效概率是 0.1 次/年，汽水共腾事故这个潜在事故发生的可能

47、性就被降低为 10.1=0.1 次/年，也就是事故发生的可能性降到了 3 级，通过去风险矩阵里边比较，现在汽水共腾事故这个潜在事故的风险就变成可接受了。（6）炉管在锅炉运行中，炉管（包括水冷壁管、对流管及烟管等）突然破裂，汽水大量喷出，造成锅炉爆管事故。炉管时可以直接冲毁炉墙；可将邻近的管壁喷射穿孔；在极短时间内造成锅炉严重缺水。炉管爆裂故障树如图 3.33 所示。炉管风险发生可能性严重等级4A根据以上安全分析，本方案建立系统来进行安全控制。系统是一个智能计算机程序系统，其的某个领域水平的知识与经验，能够利用人类的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。也就是说，系统是一个具有大量的专门知识与经

48、验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个提供的知识和经验，进处理的复杂问题，简而行推理和判断，模拟人类的决策过程，以便解决那些需要人类言之，系统是一种模拟人类解决领域问题的计算机程序系统。（1）超压事故应对策略当事件突破突破第一层防护后，导致炉膛压力和温度升高，炉膛压力温度声光器，减小阀门 XV1102 和 V1104 的开度，减低风机转速，将烟道挡板DO1101 开度，加大V1105 的开度。如果以上不能能停止声光，则进行紧急停车。紧急停车：将燃油泵P1102 的燃油停掉，关闭阀门 XV1102 与 V1104。全开 DO1101,关闭上水泵 P1101，关闭上水阀

49、门。全开 V1105 和 XV1104。(a)(b)图 3.37超压故障应对策略和紧急停车流程图（2）缺水故障应对策略当水位的过程控制系统失效，使得汽包水位减小到最低刻度以下，汽包水位声光器，检查汽包水位表。突破第二层防护层后，即汽包水位声光器失效，通过第三层防护“叫水”法检测是否缺水，分清缺水是否严重或者轻微。轻微缺水时，过热蒸汽出口阀和减少的投入；严重缺水时，立即停止的供给，并且马上紧急停车。当“叫水”法无法判断，第四层过40%的供给。第五层防护炉膛温度和烟气热蒸汽温度超上限，进一步减少温度声光器，油料投入减少 80%和送风量(把风机切换至低频状态)，减少FV1105 开度，切换至手动上水

50、。如果声光不停止，则进行紧急停车。紧急停车失效，则马上通知，并且马上疏散，以上如图 3.示过热蒸汽水质不符合要求，关闭过热蒸汽出口阀 FV1105，打开旁路阀门 HV1102。如不能停止，则进行紧急停车。由于严重满水事故不大，可以不用进行疏散。操作过程如图 3.39 所示。理；否则停炉进行修理。当系统出现故障时，相应的仪表进行声光3-20 所示。，声光器列表如表表 3-20声光器列表3.3 绿色生产、节能减排降耗方面的考虑目前我国在用燃煤工业锅炉的平均运行效率偏低，仅为65%左右，与设计效率相差10-15个百分点，与先进国家同类锅炉相差15-20个百分点，可见节能潜力巨大，主要存在于以下方面：

51、（1）锅炉燃烧设备设计制造质量不高，自控水平低， 主辅机匹配不合理；（2）使用煤种与炉型要求有差异，造成燃煤的着火、燃尽，燃烧不完全；（3）锅炉水质普遍达不到标准要求，影响锅炉安全和锅炉热效率；（4）锅炉运行负荷低，工况经常变化，炉渣含碳量高，散热损失大。下面主要从锅炉装置上的选择和锅炉自控系统上的设计两方面来考虑。锅炉装置上的选择如下：（1）预处理我国供应工业锅炉的商品煤，均是洗选的原煤，因此从煤的供应角度上看，不能满足锅炉高效燃烧的要求。应该根据锅炉型号和使用状况，选择合理的煤炭品种，进行煤炭的筛分、洗选和合理配煤，或者采用煤炭的炉前成型技术，从而以较小的代价实现节约煤炭和减排温室气体的效

52、果。一般通过采用筛分、洗选和配煤处理后，煤炭中灰分的含量每降低10%，锅炉燃烧的效率可提高1%。（2）选择节能保热型锅炉炉外壳全部保温并用彩板进行装饰，锅炉散热损失小，使用抗腐蚀，耐高温，轻便的材料；炉拱与煤种相适应以提高燃烧效率，锅炉的炉拱是按设计煤种配置的，有不少锅炉使用的煤种与设计煤种不一致，导致燃烧状况不佳，直接影响锅炉的热效率，甚至影响锅炉出力。实际中可以选择设计煤种，也可以按照实际使用的煤种，适当改变炉拱的形状与位置，可以改善燃烧状况，提高燃烧效率，减少燃煤消耗，目前已有适用多种煤种的炉拱配置技术。有改进型水火管锅炉、循环流化床锅炉、抛煤机燃烧锅炉、振动炉排锅炉、翻转炉排（万用炉排

53、）锅炉、角管式锅炉、下饲式炉排、型煤锅炉等。序号仪表名称SG-1上水流量SG-2炉膛温度SG-3汽包高低水位SG-4过热蒸汽温度SG-5烟气温度炉拱改造，正转链条炉排锅炉的炉拱是按设计煤种配置的，有不少锅炉不能燃用设计煤种，导致燃烧状况不佳，直接影响锅炉的热效率，甚至影响锅炉出力。按照实际使用的煤种，适当改变炉拱的形状与位置，可以改善燃烧状况。（3）锅炉供热系统采用蓄热器。蒸汽蓄热器是一种蒸汽热能装置，具有均衡供汽、调节尖峰负荷的作用。用于负荷波动的供气系统，可使得锅炉负荷稳定；用于余热利用系统，能有效地回收热能。常用的蒸汽蓄热器是一种变压式蓄热器，可借助工作压力变化进行蓄热和放热。使用变压式

54、蒸汽蓄热器的必要条件是：工艺设备的用汽负荷是波动的，日负荷曲线变化频繁和剧烈；部分用户的用汽压力必须小于汽源( 锅炉) 的工作压力， 低压蒸汽消耗量必须大于或等于最大用汽负荷与锅炉房额定蒸发量之差。蒸汽蓄热器是一种行之有效的节能设备，合理使用蒸汽蓄热器后，一般能节约燃料3% 20%。（4）采用热管换热器回收烟气余热：热管换热器回收锅炉烟道余热热管是高科技航天领域中必不可少的原件之 一，它是一种高效传热元件，由管壳、管芯、工组成的封闭系统。它有体积小、重量轻、传热功率大，阻力小等许多优点。热管传热是靠工质的沸腾和凝结，因此截面积的换热量很高，同时热管空间充满饱和蒸汽，管子各处几乎是等温的，所以热

55、管能在温差较低的情况下传递较多的热量。加之热管具有结构简单，无运动，工作可靠等优点有着广泛的应用前景。另外，由于热管能在低温差下良好的传热，无疑对于热回收、节约能源起到很大作用。热管换热器属于热流体互不接触的表面式换热器，作为工业锅炉的尾部受热面，可充分利用锅炉的排烟余热，提高锅炉效率，节约能源。可用作为热管空气预热器、热管式省煤器和热管式热水器。热管式空气预热器用来加热燃烧用的空气，不仅可以降低排烟损失，而且采用热空气可大大加强燃烧，能有效地降低灰渣含炭量和化学不完全燃烧损失，因此可大大提高工业锅炉效率。热管省煤器用来加热锅炉给水，热管热水器用来加热生产和生活用的热水，都可以提高能源的利用率

56、，应用也很普遍。（5）采用除尘增效技术烟气深度冷却除尘增效技术，对机组进行技术改造，可以达到30mg/m3标准，与WFGD 配套，实现20 mg/m3，从而是的烟气的颗粒减少，避免污染空气；移动电极式电除尘技术，可以达到20mg /m3的排放标准；电袋复合技术（一体式、分体式），可以达到20 mg /m3的排放标准；对特定煤种选用烟气调质（SO3，NH3，SO3 + NH3双重调质）技术，可以达到30 mg /m3的排放标准；颗粒聚合技术（20 mg /m3）；湿式电除尘技术（10mg /m3）等。（6）蒸汽的有效利用为有效利用蒸汽，在各种情况下均不应将高压蒸汽白白地膨胀为低压蒸汽而未得到功的

57、利用。应杜绝气排汽，尤其在锅炉启动时，应尽量少排汽，或将这部分蒸汽利用起来。为了节省能量，锅炉应尽量少排污，排污量应控制在 5%以下，最佳为 2%，尽量利用排污热量，可装排污扩容器或换热器利用之。应保持疏水器正常工作。可用扩容器回收疏水器的热量，疏水器里的蒸汽凝结水，水质好，是优质锅炉给水，回收后可节省水处理费用。应防止各种管道、阀门漏汽漏水，总泄量不超过 2%3%。应回收各种余热和废热。锅炉自控系统上的设计上考虑如下：（1）在压力控制的系统中加上了空燃比调节系统在压力系统上介绍了空燃比，按照锅炉的负荷要求，实时调节燃油量和空气量，令空气量实时地燃油量，达到最佳空燃比，使燃油的燃烧效率高，排出

58、的CO2 等温室气体减少，令锅炉处在良好的运行状态。最佳空燃比也不是一定不变的，当锅炉运行工况发生较大变化时，保持同一个空燃比运行，会造成锅炉的各项主要热损失增加，送、引风机运行经济性下降，甚至使燃烧过程严重，供电及燃油消耗率明显增加。因此当机组运行工况发生变化时，需要对最佳烟气含氧量设定值进行修改，如高负荷时由于炉膛温度高、着火条件好、燃烧稳定，此时可减小过量空气系数，以减小排烟损失。（2）在省煤器中设计了烟气温度的控制系统排烟热损失时锅炉各项损失中最大的一项。其中排烟温度是排烟热损失的主要影响。排烟温度直接决定着锅炉效率的高低，当锅炉在相同负荷，相同参数条件下产生相同的蒸汽，排烟温度及排烟

59、量增加，就意味着产生相同质量的蒸汽所需要的标煤量增加，从而造成锅炉效率的下降。如果排烟温度过高，会直接导致排烟热损失的增加。所以，最佳排烟温度有利于提高锅炉的经济效率的提高。当温度出现波动时，会使省煤器的阀门开度进一步开大，使得烟气的温度降低，使得出口烟气的温度不至于太高，回收了余热，提高了经济效率，同时符合“低碳环保”的概念（3）烟气速度的控制挡板的开度、送引风机烟气的流速对于余热的回收。如果烟气的流速过慢，则会使烟气的颗粒在管道附着，造成管道堵塞；如果烟气流速过快，会使烟气中的余热来不及回收，造成热量的损失。所以，在炉膛的负压上，通过挡板控制炉膛的负压、送引风机等，控制了烟气的流速在一个合

60、理的范围，达到最大的效益。（4）鼓入空气的温度为了维持炉膛负压，鼓入炉膛的空气量量按一定比值进行调整，如果鼓入炉膛的空气温度升高，对于吸收相同的热量，排烟的温度则会升高。这可能就需要在空气在进入炉膛之前增加一个加热环节。3.4 控制系统管道仪表流程图控制系统管道仪表流程图如图3.44所示。四、系统设备选择与系统连接4.1 系统设备选择本方案以西门子公司的SIMATIC PCS7 系列为开发。目前，西门子PCS 7 系统作为先进的过程控制系统，具有稳定、可靠、已经被广泛地应用于过程工业控制领域。4.1.1 硬件配置根据系统中的控制和安全需要，并充分考虑系统的经济性，本方案中选择西门子 SIMAT