燃煤锅炉发电厂PLC控制系统设计方案

发电厂燃煤锅炉燃烧控制系统设计

摘要

在热电厂中，以单位机组为控制对象有：锅炉汽包水位控制、燃烧过程控制

以及过热蒸汽温度，过热蒸汽温度控制又包括过热蒸汽温度控制和再热蒸汽温度

控制。其中，热电厂锅炉的燃烧控制对整个发电过程的安全性与经济性起着重要

的作用，因此对它高效率的控制是目前热电厂的一种重要任务。

本文以一台工业控制机作为上位机，以西门子S7-300可编程控制机为下位

机，系统通过变频器控制电机的启动，运行和调速。上位机监控采用WinCC设计,

重要完毕系统操作界面设计，实现系统启停控制，参数设定，报警联动，历史数

据查询等功能。下位机控制程序采用西门子企业日勺STEP7编程软件设计，重要完

毕模拟量信号的处理，温度和压力信号日勺P1D控制等功能，并接受上位机的控制

指令以完毕风机启停控制，参数设定，循环泵的控制和其他电动机的控制。

关键词：热电厂；锅炉燃烧；单片机；控制

Coal-firedpowerboilersburningsingle

chipcontrolsystemdesign

Abstract

Thermalpowerplantboilercombustioncontrolplaysanimportantrolein

securityandeconomyoftheentirepowergenerationprocess,thecontrolofitshigh

efficiencythermalpowerplantisanimportanttask.Inthispaper,theanalysisand

studyoftheentirecombustionsystem,theboilercombustioncontrolsystem,main

steampressurecontrolsystemandthefurnacepressureandcontrolsystemcontrol

program,thenitscontrollawandparameterselectionandtuning.Instrumentselection,

usingadvanceddigitalinstrument,andusingtheCygnalmicrocontrollerdesignan

intelligentcombustioncontrolsystem,giventhehardwareandsoftwareflowchart.

ThecontrollertothenewC8051F020MCUasthecore,theuseoffuzzyPID

algorithmforcomputingandcontrol,notonlycanbeanalog,digitalsignalsampling

andprocessing,butalsotocompletethestatedetectionandcontrol,alarmandfault

handlingfunctions.Thecontrolsystemhasafast,highprecision,highreliabilityand

asimplehardwarestructure.Finally,youcanreachtheboilersafe,economicaland

efficientoperation.

Keywords：heatandpowerplant;boilercombustion;microcontroller;control

目录

摘要.............................................................

Abstract.....................................................................................................................

目录.............................................................

第一章绪论......................................................

1.1研究目的J和研究意义.......................................

1.2国内外研究现实状况......................................

第二章热电厂日勺生产工艺及单元机组的自动控制系统..............

2.1热电厂的生产工艺.........................................

2.2热电厂单元机组的自动控制系统...........................

汽包水位控制............................................

炉膛负压控制............................................

蒸汽压力控制............................................

经济燃烧控制............................................

第3章硬件设计..................................................

3.1顾客系统框图.............................................

3.2锅炉系统控制口勺对象......................................

3.3燃烧过程控制.............................................

3.4锅炉控制系统设计........................................

3.5控制系统构成.............................................

第4章软件设计..................................................

4.1S7-300系列PLC笥介.....................................

4.2PLC编程语言简介........................................

锅炉的控制重要分为两大部分:燃烧控制系统和汽包水位控制系统。汽包水位一

般采用三冲量控制，能到达很好日勺控制效果，而锅炉的燃烧过程，是一种多参数、

多回路、非线性、大滞后、强祸合的控制系统，较难控制。因此，自二十世纪九

十年代以来，伴随超大型可编程控制器日勺出现和模糊控制，国外就将自适应控制

等智能控制算法技术应用于锅炉日勺控制。使锅炉控制水平大大提高，实现了锅炉

优化控制。国内研究锅炉自动控制虽然目前也比较成熟，但重要是仪表显示、报

表打印等功能，控制水平有限，可靠性不够高。和国外锅炉自动控制比较仍存在

一定的差距。

1.大多数既有日勺锅炉控制系统可控制的重要还是开关量设备，如风机、炉排

和水泵日勺开关或者阀门控制。不能对它们精确持续调整，使控制手段单一，控制

精度低。

2.锅炉控制系统的日勺控制方案不够合理，锅炉控制器一旦出现故障，只能采

用系统断电处理，进行人工操作。若锅炉系统中日勺传感器、变送器等设备出现故

障时，温度、压力等参数就无法到达设定值。

因此，木文根据热电厂锅炉控制流程，以C8O51FO2O单片机为关键设计了

•种火电厂锅炉燃烧煤空比的I控制系统。目日勺是提高电厂燃煤锅炉的控制水平。

节省能源，减少环境污染。系统采用模糊PID算法进行运算和控制，不仅可以实

现对模拟、数字信号进行采样和处理,并且还可以完毕状态检测和控制、报警以

及故障处理等功能。该控制系统具有速度快、精度高、可靠性高和硬件构造简朴

的特点。最终可到达锅炉安全、经济、高效的运行。

1.2国内外研究现实状况

锅炉的自动化控制从上世纪三、四十年代就开始了，当时大都为单参数仪表

控制，进入上世纪五十年代后，美国、前苏联等国家都开始进行对锅炉日勺操作和

控制的深入研究。但由于当时科技发展日勺局限性，对锅炉的控制重要停留在使用

汽动仪表（包括汽动单元组合仪表和汽动基地式仪表）日勺阶段，并且大多数锅炉只

是检测工艺参数，不进行自动控制。到上世纪六十年代，在发达国家，锅炉日勺控

制重要以电动单元组合仪表（相称于我国的DDZ-H,DDZ-III仪表）检测与控制，

还是以检测报警为主，控制为辅助功能。到了上世纪七十年代，伴随计算机技术

和自动控制技术理论的发展，使得锅炉的计算机控制成为也许。尤其是近一、二

十年来，伴随先进控制理论和计算机技术的飞速发展，加之计算机多种性能日勺不

停增强，价格H勺大幅度下降，使锅炉应用计算机控制很快得到了普及和应用。许

多发达国家都相继开发出了锅炉计算机控制系统。如今在国外，锅炉时控制

己基本实现了计算机自动控制，在控制措施上都采用了现代控制理论中日勺最优控

制、多变量频域、模糊控制等措施，因此，锅炉的热效率很高、锅炉运行平稳，

并且减少了对环境的污染。在国内，由于经济技术条件的限制，中小企业锅炉设

备水平一直比较落后，大多数中小型锅炉水平基本上停留在手动和简朴仪表操作

的水平。

80年代中后期，年随先进口勺控制技术引入我国的锅炉控制，锅炉的计算机

控制得到了很大的发展。至90年代，锅炉口勺自匆化控制己成为一种热门领域，

运用单片机、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多种

控制系统，己逐渐用于对原有锅炉的技术改造中，并向与新建炉体配套日勺方向发

展，许多新的控制措施，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.但由于

控制技术单一，或控制算法日勺建模往往不能反应真实日勺锅炉燃烧状况，导致在工

程实践中并不怎么成功，不能产生很好日勺经济效益，挫伤了顾客在工业锅炉上用

计算机进行控制日勺积极性。进入本世纪以来，为了深入改善锅炉操作状况，减少

能耗，保证安全运行，减少对大气的I污染，同步伴随人工智能理论的）发展成熟，

智能控制技术的I大规模应用，对新•代锅炉计算机优化控制系统口勺开发和应用已

势在必行且条件成熟。

国内供热锅炉燃烧系统自动控制大多在燃油和燃气锅炉上实现的，对丁•燃煤

锅炉，在自动控制研究方面总是得不到满意口勺效果，存在的重要问题是滞后问题。

近几年变频技术在我国口勺应用领域越来越广，在锅炉控制方面也有应用，重要有

三种形式，①全自动变频定压；②锅炉鼓、引风机变频控制；③循环泵变频控制,

对系统进行质调整。三种形式均有独立应用的范例，也有组合应用，但重要是以

人工控制为主，节能效果仍然取决于司炉人员的经验，水平和责任意识。

近年来，建立在计算机基础之上的自动化监控系统进入了实际应用，它H勺重

要任务是采集和管理各个生产环节的实时生产数据，对生产过程进行监视和控

制，并保留历史数据和故障事件，提供报表输出和计算、分析SCADA系统作为生

产过程和事物管理自动化最为有效的计算机软硬件系统之一，它有两层含义：一

是分布式的数据采集系统，即智能数据采集系统，也就是一般所说的下位机；另

一种是数据处理和显示系统，即上位机HMI（HumanMachineInterface,人机界面）

系统，下位机一般是指硬件层上日勺，即多种数据采集设备，如RTU（Remote

TerminalUnit,远程终端测控单元)、PLC(ProgrammableLogicController,

可编程逻辑控制器）及多种智能控制设备等等。这些智能采集设备与生产过程和

事务管理的设备或仪表相结合，实时感知设备中多种参数的状态，并将这些状态

信号转换成数字信号，通过特定日勺数字通信网络传递到HMI系统中；必要的|时候,

这些智能系统也可以向设备发送控制信号。上位机HMI系统在接受这些信息后，

以合适日勺形式（如声音、图形、图像等方式）显示给顾客，以到达监视的I目的，同

步数据通过处理后，告知顾客设备多种参数的状态（报警、正常或报警恢复）。这

些处理后的数据也许会保留到数据库中，也也许通过网络系统传播到不一样日勺监

控平台上，还也许与别的系统（如MIS、GIS）结合形成功能愈加强大日勺系统，HMI

还可以接受操作人员的指令，将对应的控制信号发送到下位机中，以到达控制的

目日勺。一种完善ESCADA系统的建立，依托于高精度、智能化的一次仪表获取信

息，精确无误的通讯手段传播数据和高效快捷的计算机处理能力。SCADA系统所

波及到的技术比较广泛，有仪表技术、检测技术、通讯技术、网络技术等。SCADA

系统一般由企业生产调度指挥中心、分厂测控站、管网测压点等构成。它所具有

的功能一般包括：数据采集控制功能，数据传播功能，数据显示及分析功能，报

警功能，历史数据的存储、检索、查询功能，报表显示及打印功能，遥控功能，

网络功能等。

第二章热电厂的）生产工艺及单元机组的自动控制系统

2.1热电厂日勺生产工艺

热力发电厂是运用煤燃烧的化学能产出电能的工厂，即为燃料的化学能-＞蒸

汽的热势能一机械能一电能。在锅炉中，燃料的化学能转变为蒸汽的热能，在汽

轮机中，蒸汽的热能转变为轮子旋转的机械能，在发电机中机械能转变为电能。

炉、机、电是火电厂中口勺重要设备，亦称三大主机。辅助三大主机的设备称为辅

助设备简称辅机。主机与辅机及其相连的管道、线路等称为系统，如图2.1,热

力发电厂的原料就是原煤。原煤用车运送到发电厂的储煤场，再用输煤皮带输送

到煤斗。再从煤斗落下由给煤机送入磨煤机磨成煤粉，并同步输送热空气来干燥

和输送煤粉。最终送入锅炉口勺炉膛中燃烧。燃料燃烧所需要的热空气由送风机送

入锅炉［1勺空气预热器中加热，预热后的热空气，通过风道一部分送入磨煤机作干

燥以及送煤粉，另一部分直接引至燃烧器进入炉膛。

水艇系

统

图2.1锅炉燃烧流程图

燃烧生成的高温烟气，在引风机的作用下先沿着锅炉的倒“U”形烟道依次

流过炉膛，水冷壁管，过热器，省煤器，空气预热器，同步逐渐将烟气口勺热能传

给过热器，省煤器，空气预热器以及空气，自身变成低温烟气，经除尘器和脱硫

装置的净化后在排入大气。煤燃烧后生成的灰渣，其中大的灰子会因自重从气流

中分离出来，沉降到炉膛底部的冷灰斗中形成固态渣，最终由排渣装置排入灰渣

沟，再由灰渣泵送到灰渣场。大量的细小的灰粒（飞灰）则随烟气带走，经除尘

器分离后也送到灰渣沟。炉给水先进入省煤器预热到靠近饱和温度，后经蒸发器

受热面加热为饱和蒸汽，再通过热器被加热为过热蒸汽，此蒸汽又称为主蒸汽。

通过以上流程，就完了燃料的输送和燃烧、蒸汽的生成燃物（灰、渣、烟气）n勺

处理及排出。由锅炉过热器出来的主蒸汽通过主蒸汽管道进入汽轮机膨胀做功，

冲转汽轮机，从而带动发电机发电。从汽轮机排出的乏汽排入凝汽器，在此被凝

结冷却成水，此凝结水称为主凝结水。主凝结水通过凝结水泵送入低压加热器，

有汽轮机抽出部分蒸汽后再进入除氧器，在其中通过继续加热除去溶于水中日勺多

种气体（重要是氧气）。经化学车间处理后日勺补给水成为锅炉的给水，再通过给

水泵升压后送往高压加热器，然后送入锅炉。循环水泵将冷却水（又称循环水）

送往凝结器，这就形成循环冷却水系统。

以上流程，完毕了蒸汽的热能转换为机械能，电能，以及锅炉给水供应的过

程。

2.2热电厂单元机组日勺自动控制系统

在热电厂中，以单位机组为控制对象，可以讨论日勺控制系统有，锅炉汽包水

位控制系统、燃烧过程控制系统以及过热蒸汽温度控制系统，过热蒸汽温度控制

乂包括过热蒸汽温度控制和再热蒸汽温度控制。

锅炉控制系统可以分为汽包水位控制系统和燃烧控制系统。燃烧控制系统包

括:蒸汽压力控制系统、炉膛负压控制系统和经济燃烧控制系统。

2.2.1汽包水位控制

汽包水位是锅炉安全运行的重要参数之一。水位过高会导致蒸汽带水进入过

热器并在过热器管内结垢，影响传热效率，严重H勺将引起过热器爆管;水位过低

又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而爆管。尤其是大型锅炉，

例如，30万KW机组的锅炉蒸发量为1024t/h,而汽包的容积较小，一旦控制不

妥，则会在十几秒内使汽包内H勺水所有汽化，导致严重的事故。故锅炉汽包给水

控制系统的仟务就是保讦汽包水位在容许的范围内，并兼顾锅炉H勺平稳运行.

常用的水位控制系统有如下三种:单冲量给水控制系统，即以水位为唯一调

整信号日勺单参数、单回路控制系统;双冲量给水控制系统，以蒸汽流量作为补充

信号的双参数控制系统;三冲量给水控制系统，以蒸汽流量和给水流量作为补充

信号的三参数控制系统。单冲量水位控制系统只根据水位变化去变化给水调整阀

於J开度。对中小型锅炉，由于汽包相对对于负荷而言容量较大，水位受到扰动的

反应速度较慢，虚假水位现象不是很严重。因此一般采用单冲量控制措施就可满

足生产规定。双冲量控制系统引入蒸汽量作为补充信号，是为了克服虚假水位对

控制的不良影响。当蒸汽负荷变化引起水位大幅度波动时，蒸汽流量信号起着超

前日勺作用，可使水位还没出现变化时提前时调整阀动作，减小水位波动，从而改

善控制品质。不过，当给水压力波动引起给水流量发生变化时，双冲量控制措施

只有当水位发生变化后才能进行控制，因此就不能迅速克服给水压力变化对水位

的影响。因此针对本文中的实际锅炉对象，给水控制系统采用三冲量控制方式。

一般三冲量给水系统分为单级三冲量给水调整系统和和串级给水控制系统。

蒸汽过热系统包括i级过热器、减温器、二级过热器。控制任务是是过热器

出口温度维持在容许的范围内，并且保护过热器使管壁的温度不超过容许的工作

温度。

过热蒸汽温度过高或过低，对锅炉运行和蒸汽顾客设备都是不利的。过热蒸

汽温度过高过热器轻易受损，汽轮机也因内部过度的热膨胀而严重影响安全运

行；过热温度过低，首先使设备的效率减少，同步是汽轮机后几级的设备湿度增

长，引起叶片的损坏。因此必须把过热器出口蒸汽的温度控制在规定口勺范围内。

过热蒸汽温度控制系统常采用减温水流量作为操纵变量，但由于控制通道的

时间常数及滞后都较大，构成单回路控制系统往往不能满足规定，因此常采用图

2.3所示的串级控制系统，以减温水的出口温度为副参数，可以提高对过热蒸汽

温度的控制质量。

过热蒸汽的温度控制有是还采用双冲量控制系统，如图2.4所示，这种方案

实质上串级控制系统的变形，把减温器出口温度通过微分器作为一种冲量，其作

用与串级的副参数相似。

图2.3串级控制系统

图2.4双冲量控制系统

2.2.2炉膛负压控制

锅炉在正常运行中，炉膛负压应保持在规定的范围内。负压过大，漏风严重,

总H勺风量增长，烟气热量损失增大，同步引风机H勺电耗增长，不利于经济燃烧；

负压偏正，炉膛要向外喷火，不利于安全生产，有害于环境卫生。因此炉膛负压

必须进行自动调整，将其稳定在规定H勺范围内。有文献采用PID控制系统，如图

2.5所示。

图2.5炉膛负压控制系统图

2.2.3蒸汽压力控制

蒸汽压力是衡量蒸汽供求关系与否平衡H勺重要指标，是蒸汽的重要参数。蒸

汽压力过或过高，对于金属导管和负荷设备都是不利的。压力太高，会加速金属

时蠕变，压力太低，就不能提供应设备符合质量规定的I蒸汽。在锅炉运行过程中,

蒸汽压力减少，阐明负荷设备的蒸汽消耗量不小于锅炉的蒸发量;蒸汽压力升高,

表明负荷设备向蒸汽消耗量不不小于锅炉的蒸发量。因此，控制蒸汽压力，是安

全生产H勺需要，是维持负荷设备正常工作的需要，也是保证燃烧经济性的需要。

锅炉蒸汽压力的变化是由于热平衡失调引起口勺.而影响热平衡的原因重要是燃烧

热和蒸汽热，燃烧热的波动引起的热平衡失调称为“内扰”，而蒸汽热波动引起

的热平衡失调为了克服内外扰对蒸汽压力的影响，在各个基本的单炉蒸汽压力控

制系统中，输入到锅炉日勺燃烧热必须跟随蒸汽热H勺变化而变化.以尽量保持热量

平衡同步根据蒸汽压力与给定值日勺偏差合适增减燃料量以增长或减少蒸汽压力。

锅炉压力控制系统原理如图2.6所示。采用带前馈日勺串级P1D控制模式。主环压

力控制根据蒸汽压力与设定值的偏差来调整燃料量以保证压力的稳定。副环燃料

控制器根据主环输出与前馈信号（即外扰）的合成由令去控制进入锅炉日勺燃料量，

克服燃料量波动，从而使压力保持在稳定范围之内。

图2.6锅炉压力控制系统原理图

2.2.4经济燃烧控制

要使锅炉燃烧过程出现最佳工况，提高锅炉的效率和经济性，必须使空气和

燃料维持合适的比例。否则，势必增长热量损失，减少经济技术指标，并导致对

周围环境的污染。

1.老式日勺采用氧量计的燃烧控制系统

锅炉设备是一种复杂的被控对象，目前在国内动力行业广泛应用的燃煤锅炉

中，普遍存在热效率低、挥霍严重欧I问题。虽然存在多种原因，但空气与煤粉的

比例(风煤比)与否合适，则是影响燃烧效率日勺关键原因。目前燃烧控制大多采用

老式PID控制，其长处是特性直观，控制迅速，但其缺陷亦很明显:将风煤比简

朴地当作负荷(汽压)的单一函数并近似为比值关系。然而在不一样的负荷下。合

适欧I过剩空气率有很大变化，因此单纯日勺比值控制特性并不能保证锅炉在任何工

况下到达最佳的燃烧状态；同步.对于不一样日勺煤种及煤粉特性、炉排转速、煤层

厚度不均匀等原因引起日勺燃料方面的扰动，其最佳过剩空气率亦有较大变化，使

得单纯日勺PID控制很难实现经济燃烧。燃料燃烧必须在足够日勺氧气环境下才能充

足进行，故烟气中应具有一定日勺过剩空气。目前,国内广泛采用的是固定风煤比

加变氯量校正方案.该方案首先通过风煤比曲线粗调给风量，然后用烟气中含氧

量加以校正.由于不一样负荷下的过剩空气系数有所不一样，因此采用变氧量校

正方案可有效地处理这个问题，但这种方案同步也存在着某些问题.

(1)为了得到图2.7的曲线，需要司炉工通过相称长时间欧I观测。在不一样

负荷下，根据燃烧状况最佳时的烟气含氧量数据进行一记录得到口勺，并且曲线的

形状不能适应煤种的变化。

(2)锅炉生产过程中，烟道漏风增长、煤质变化、锅炉结垢等原因都会对最

佳含氧量模型的参数产生影响。

(3)目前普遍使用的氧化错氧量计口勺价格昂贵，使用寿命短，含氧量测量的

可靠性不高，很难使燃烧工作在最佳状态。

(4)氧量信号日勺滞后时间较长，当负荷突变时，燃料量突变，而氧量反应不

及时，仍保持本来的送风量，导致燃烧不充足。

(5)由于燃烧不充足，烟气中会有大量的CO,因此单靠含氧量不能鉴定与否

工作在最佳工作点。

最佳过剩

空气系数A

1.38

1.37

1.36

L33

1.32

1.31

1.30

1.29

2728293031323334

图2.7最佳过剩空气系数与负荷日勺关系图

鉴于以上这些采用氧量计的燃烧过程的弊端，在本系统设计中，应采用以单

片机为关犍日勺炉膛温度为被控量日勺燃烧控制系统。

第3章硬件设计

3.1顾客系统框图

系统运行的示意图如图3-1所示.

图3-1系统运行示意图

由图3-1可以看出，由输煤装置送入煤斗的原煤，直接落在缓缓向前移动时

炉排进入燃烧室。在燃烧室中燃烧的空气由炉排下的风机供应。燃料燃烧所产生

的高温烟气以辐射放热日勺方式向燃烧室四面日勺水冷壁传递热量，然后经防渣管进

入对流烟道。对流烟道是由烟墙隔成日勺。对流烟道中布置有对流管束等受热面。

对流管束是与上、下锅筒连在一起的一簇管束，管内的水吸取烟道中日勺热量而升

温。一部分在上锅筒中被加热的高温水进入供水管道。烟气在烟道中冲刷对流管

束以及下锅筒放出热量后，进入尾部烟道，然后经引风机和烟囱排入大气。排入

大气的烟气温度越低，阐明烟气日勺热量被吸取的越充足，燃料的热能被运用日勺程

度越高，锅炉时热效率就越高。

锅炉是个较复杂的调整对象，为保证提供合格温度的热水供取暖需要，生产

过程各重要工艺参数必须加以严格控制。锅炉控制系统的基本控制任务和控制规

定包括：燃烧控制（炉膛温度控制、炉膛负压控制、引风控制、送风控制）；给

水控制（供水运行参数和水压力、供水温度、供水流量等）；以及对各设备状态

进行检测，以便进行显示、报警、工况计算以及指标打印等。

3.2锅炉系统控制日勺对象

一般在锅炉燃烧系统中，根据生产需要对风速、风量、温度等指标进行控制

和调整以适应顾客规定和运行工况。而最常使用的控制手段则是调整风门、挡板

开度的大小来调整受控对象。这样，不管生产需求的大小，风机都会全速运转，

而运行工况口勺变化则使得能量以及风门、挡板的节流损失消耗掠。在生产过程中，

不仅控制精度受到限制，并且还导致能源挥霍和设备损耗。从而导致生产成木增

长，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用居高不下。

在供暖锅炉系统中带有循环泵、补水泵等水泵类设备，根据不一样H勺生产需

求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的

控制,这样,不仅导致大量的J能源挥霍，管道、阀门等密封性能的破坏，还加速

了泵腔、阀体的磨损和汽浊，严重时损坏设备而影响生产。

近年来，出于节能日勺迫切需求和对供暖质量不停提高的规定，加之采用变频

调速器（简称变频器）易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特

点，因而采用变频器驱动的方案开始逐渐取代风门、挡板、阀门日勺控制方案。用

变频器来对异步交流电动机调速，是八十年代末迅速发展成熟的一项高新技术。

它日勺长处是：调速的机械特性好，调速范围广，调速特性曲线平滑，可以实现持

续、平稳的调速，尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时，可获得明显日勺节

能效果。

变频调速应用于锅炉系统的风机和水泵等电机的自动控制中，其节能效果明

显。

1.风机、水泵运行特性及常用措施的节能分析

（由于风机和水泵日勺运行特性相似，此处以风机为例来讨论它的特性）

（1）流量和压力

用H=F（Q）表达风机全压（包括静风压和动风压）与风量的关系风机的轴功

率P为：

P=3LKW(3.1)

36007/F

式中Q-风量，n）3/h;

H-全压,kPa;

77户-风机效率。

电动机日勺输出功率巳为:

nPQxH

%丁荻厢KW(3.2)

式中He—传动机构的传动效率。

（2）流量和功率

在流体力学中，转速流量功率存在者下列关系:

nG4HV77

(33)

ncV/77

由(3.3)式可知，风量与转速成正比，风压与转速日勺平方成正比，轴功率与

转速的立方成正比。假如风量下降20乐可以采月调速的措施使转速下降20%,

则风机日勺轴功率要下降到原值的I51.2乳当风机量减少至50%时，风机的轴功率下

降至原值的12.5%。当然，风机速度大幅度下降时，风机效率也有所下降，实际

需要的轴功率要高于上面的计算值。即便这样，节电量也是相称可观日勺，因此，

风机、水泵采用调速控制流量是非常故意义日勺。

(3)风机、水泵的轴功率

对于流量变化较大口勺风机、水泵，采用调速的措施变化流量，是节电的有效

措施。减少风机的转速，可大大减少风机的轴功率，图3-2为风机调速节能原理

图。

上图绘出了风机在不一样转速下日勺经典输出冷性H(nl)H(n2),图中曲线

RI,R2分别表达由管路所决定的特性曲线。当风机转速为nl,,管路阻力为R1

时，输送的总流量Q1,由点1决定，此时风机时输出日勺压力为H1,所需的轴功

率:

若所需流量为Q2,在管路阻力不变欧I状况下，实际所需日勺压力为H3,比H1

下降，但假如此时日勺风机转速没有变化，那么风机的I输出压力不仅不能从H1降

到H3,反而要增长到H2,而这个压头差值一般就是通过调整风门来实现，从而

增长了管道阻力，使管道特性系数变为R2来实现日勺，此时日勺损耗为：

乂二^^2=^^(3.5)

假如此时不采用调整风门的措施而是将风机日勺转速调低为n2,使风机的输

出特性变为H(n2),那么伴随风机的输出风量的减少，在输送同样的风量QJ付

状况下，本来消耗在风门上日勺功率NS就可以完全可以防止了，这样既满足了生

产日勺需要，又到达了节能日勺目H勺。从下表的几种选择可以看出，变频调整风量节

能最明显，挡板调整风量耗能最严重。

表3.1调整风门挡板、变频调速的耗能分析表

风量轴功率kw(标牌)出口挡板(kw)入口挡板(kw)变频、串级(kw)

(%)

电机输总损失电机输总损失电机输总损失

入入入

10011.070.071.060.061.080.08

900.7291.0350.3060.840」110.790061

800.5120.9950.4830.7250.2130.550.038

700.3430.960.6070.680.3370.380.037

600.2160.8950.6790.640.4240.250.034

500.1250.840.7150.60.4750.150.025

300.0270.710.6830.520.4730.050.023

流量的调速措施诸多，常用的有变极调速、二次电阻控制调速、变频调速(V

VVF）等，这些控制措施各具特点。当流量调整在90%以上时，多种调速措施日勺效

率差不多，也可不采用调速装置。若流量调整在60%如下时，变频和变极调速效

率较高，其他措施不太合适。在变频、变极、串级三种高效调速措施中，由于后

两种调速方式要变化原有电极的定子绕组极对数和原有基础位置等，不如变频调

速措施轻易采用，因此变频调速的措施目前应用较广。调速可以节能，但节能的

多少，需视调速系统的运行工况、运行时间（调整与不调整流量日勺时间比）、流量

调整范围的大小而定。在运行中，由于流量减少，电动机和调速装置的效率也有

所下降，但电能日勺节省量却在增长。风机、水泵调速节能效果大小，重要以节

能率（即节能功率与额定功率之比）来反应。需要注意日勺是，上述离心机械设备时

工作特性，虽然都遵守比例定律，但在工程实际中，风机和水泵却存在明显日勺不

一样之处。对于风机，在绝大多数状况下，其运夕亍时日勺基本特性靠近理论值;而

对于水泵，由于实际工况日勺存在，在同样流量变化时，调整水泵转速的节能效果

要低于调整风机转速的节能效果。调频变压调速借是一种现代高技术节能装置，

即所谓VYVF,常称变频调速器。将其应用到暖通空调制冷行业，能到达明显的I

节能效果，被称为80年代暖通制冷空调的两大突破之一。变频调速比其他调速

措施具有高效性，它能实现无级调速，调速比一般可达20:1,调速起动能耗小、

寿命长、可靠性高、维修以便、占地面积小、无噪声、性价比高、一机多控、节

能效率高、收回投资快等特点。

目前，变频调速技术已逐渐为许多企业所认识和接受，伴随这项技术的不停

发展和完善，它必将得到愈加广泛的应用，也必将为认识和接受它的企业带来可

观日勺经济效益。

2.供热系统日勺计算根据

(1)初调整根据

根据流体力学和工程热力学基本理论，供暖系统的热量、流量和作用压力的

关系为：

2

AP=S.VmH2O(3.6)

Q=CP^V^p^^tw(3.7)

式中：

AP--顾客系统的作用压头，mH20：

V--顾客日勺热水流量，m'/h;

S一一顾客的阻力特性系数，h7n

Q—顾客口勺供热量，w

p—循环水欧I密度，kg/n?

C,.--水的比热，J/kg.℃

Z—供回水温差，℃。

当系统到达热力稳定后，记录下各顾客供回水温差和压力差及热源总供回水

温差，然后次序调整，应使热顾客调整后的供回水压力差为：

AP=ARmH2O(3.8)

式中:

△P、,-一调整前热顾客记录的I供回水压力差，矶0

加「一调整前热顾客记录日勺总供回水温差，℃

加「一调整前热源记录的I总供回水温差，C

a—-修正系数°

当顾客口勺供回水温差不小于热源总供回水温差时，a=,偏差大时取较大值，

偏差小时取较小值。当顾客日勺供回水温差不不小于热源总供回水温差时，

a=0.95-0.98,偏差大时取较小值，偏差小时取较大值。初调后，待系统到达新

的稳定状态,再进行读数记录、计算和调整，这样反复进行,直到满足规定为止c

(2)运行调整参数日勺计算

供暖系统对建筑物供热，既要保证在设计条件下(最不利状况)室温符合规

定，同步容许在一定的范围内波动。因此不仅要有对日勺的设计，并且要对系统进

行对的日勺运行调整。不过目前大部分供暖系统的设计热负荷值不小于需要值，选

用日勺散热器面积随之增大，导致系统日勺供回水温度达不到设计值，对应日勺运行参

数值也不符合理论计算值。因此，在确定运行参数时，要考虑散热器的相对面积

及系统日勺相对流量值。如采用质调整运行方式，供回水温度计算公式为：

人=，“+△%'(%)'盘'一加；•舁℃(3.9)

iFxd

f-f加,•丝℃(3.10)

,FxdGxd

式中:

室内温度，。c；

△6--散热器的设计平均计算温差，&s=0.5Q；+0—4）℃；

加；-一顾客日勺设计供水温差，Ar；=0.5（r-t）℃；

ftcift*•h

Qw—-相对热量，QW=?T；

区一建）

6d相对况量，G[=—

G计

入厂一散热器相对面积，%=殳;

耳

B—-散热器传热系数指数。

（3）合计热量计算

根据热力学基本原理，在某一时间内，锅炉日勺总供热量为：

Z0=J：…）力（3.11）

式中：

t---合计时间，S;

tB,3-—锅炉总供回水温度，℃。

其他符号同前。比热G，和密度「是温度日勺函数，因此只要懂得各时刻的流

量和供回水温差，即可求出某时间内的热量。

3.3燃烧过程控制

锅炉燃烧系统是一种多变量输入、多变量输出、大惯性、大滞后且互相影响

的一种复杂系统。当锅炉H勺负荷变化时，所有的被调量都会发生变化，而当变化

任意调整量时，也会影响到其他被调量。

锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是是燃料燃烧所提供热量适应符合日勺需

要，同步还要保证锅炉安全经济运行。燃烧控制系统日勺任务重要有三点：

（1）稳定锅炉的出水温度，一直保持在设定值附近。出水温度时设定值与

室外温度以及消耗热量（负荷）H勺变化有关，以出水温度为信号，变化燃煤量和

风煤比，到达出水温度与设定值一致。同步测量系统日勺回水温度和炉膛温度，若

回水温度过低则合适加大给煤量，反之则合适减少给煤量；若炉膛温度过高则合

适减少给煤量，反之则合适加大给煤量。

（2）保证锅炉燃烧过程的经济性。对于给定出水温度的状况下，需要调整

鼓风量和给煤量的比例，时好美两盒鼓风量成比例关系，同步根据出水温度的变

化对鼓风量进行前馈控制，然后通过测定烟气含氧量，运用偏差控制调整风煤比,

使燃煤充足燃烧。

（3）调整鼓风量和引风量，保持炉膛压力在一定口勺负压范围内。炉膛负压

的变化，反应了引风量和鼓风量的不相适应。假如炉膛负压太小，炉膛轻易向外

喷火，危及设备与工作人员日勺安全。负压过大，炉膛H勺漏风量过大，增长引风机

的电耗和烟气带走的热量损失。本系统中根据鼓风量日勺变化，对引风量进行前馈

控制。根据经验设定炉膛负压，并测定炉膛负压，运行P1D算法控制炉膛负压保

持在一定的范围内，从而调整引风量，确定引风机的转速。

3.4锅炉控制系统设计

锅炉的工况如下：

（1）完全手动控制方式，水位控制、给煤量的多少（即炉排转速）、鼓风量的

多少（即鼓风机转速）和引风量的多少都是操作工凭借经验进行调整。这样的控制

方式导致操作工劳动强度大且增长了系统的不可靠性。

（2）控制设备落后，通过挡风板对鼓风量和弓风量进行控制，大量日勺能源挥

霍在挡风板上，能源挥霍严重。同步电机转速不可调，只能通过启停变化输入，

难以进行有效控制，并且电机损耗严重。

（3）控制效果差，锅炉长期工作在大鼓风大引风状态下，热量损失严重、锅

炉热效率低。通过调查，我们可以看出该营区锅炉的整套控制系统是很落后的I，

这直接带来了控制效果差、锅炉热效率低、能耗大环境污染比较严重等诸多问题。

故需要设计新的控制系统以到达减少能耗，改善环境污染，减小操作人员的劳动

强度和提高经济效益的目的。

根据锅炉供暖系统的工作特点，控制系统的基本控制任务和控制规定包括：

燃烧控制（炉膛温度控制、炉膛负压控制、引风控制、送煤控制）：给水控制（供水

压力、供水温度、供水流量等）；以及对各设备状态进行检测，以便进行显示、报

警、工况计算以及制表打印等。锅炉是高压运行设备，保证安全性极其重要。在

顾客供暖需要的状况下，S7-300PLC控制给水阀、输煤量、鼓风量与引风量，

使保持锅炉口勺出水温度稳定，炉胜负压稳定，烟气稳定，使燃料能量最充足地燃

烧，以获得最大日勺热效率。最优燃烧控制则关系到锅炉经济运行。运用S7-30CPLC

对锅炉系统进行控制日勺整体构造图如图3-3所示：

图3-3锅炉控制系统构造图

在锅炉房供暖系统中，重要是对系统的总供回水温度、循环水量、室内外温

度、瞬时热量和合计热量等重要参数进行监控。这些参数可以反应供暖系统温度、

流量随室外温度变化日勺规律，它日勺精确程度直接影响到方案日勺精确性。图3-4

为锅炉房供暖系统监测示意图。

给风・:

风机

锅出水温庠曾、

炉----------网

J回水温度

给煤量

炉排机

图3-4锅炉供暖检测示意图

锅炉计算机自动化控制系统，就是运用现代计算机技术来实现工业锅炉生产

过程自动化的系统。它的构成应包括两个部分，即控制器部分和锅炉生产设备部

分。其中控制器部分为系统的控制关键，它通过智能仪表对锅炉的现场工况(出

回水温度、炉膛温度等)数据进行采样检测，并通过总线将信号传送至可编程序

处理器(PLC)上，PLC按照事先编好的程序对数据进行处理和运算，最终输巴控

制信号控制锅炉生产过程，同步还可实现向上位机传送数据信息，上位机也可通

过接入总线实现对生产过程日勺监视和控制;锅炉生产过程由锅炉本体和炉排电

机、鼓风机、引风机及其变频器等辅机构成，辅机的运行就由PLC控制，从而实

现对锅炉生产过程的设计。

锅炉上位机变频自动控制系统中，上位机及上位机上运行的I组态软件实现人

机互换功能，操作人员可以通过组态软件监视锅炉的运行过程，同步也可以通过

上位机，通过组态软件对锅炉的I运行进行干预控制。

锅炉生产过程部分是锅炉生产运行场所，它由锅炉本体及其辅机构成。

锅炉辅机包括鼓风机、引风机、水泵、上煤机和除渣机等设备。

本设计中所用模糊自整定P1D控制算法，通过对西门子企业日勺S7-300PLC

处理器编程来实现，采集误差信号和误差变化量信号，将其模糊化到语言变量的

论域，采用离线计算日勺措施将模糊规则制成模糊查询表，通过在线方式查询模糊

控制量输出，最终将PID参数校正量与基准量相加，获得PID参数时即时值，最

终进行PID运算计算得到控制对象执行器。

3.5控制系统构成

本设计综合考虑锅炉的控制特性和现场条件，确定采用PLC加上位机监控工

作方式同操作台手动操作切换方式，其中PLC加上位机工作方式可用于自动状

态，操作台工作方式用于人工调试或紧急状况下使用。两种方式间可自由切换，

且处在操作台工作方式时，PLC及上位机仍采集现场信号，但输出不对现场作用。

本设计重要设计PLC加上位机的控制方式。在整个系统运行时，上位机完毕

参数设定和状态监控，PLC负责实时控制程序的运行。系统由4个子系统构成：

水位控制子系统、出回水压力控制子系统、最优风煤比控制子系统和负压控制子

系统。根据工程实际状况本系统对锅炉进行控制，控制系统所采用重要部件如下:

安装有WinCC组态软件及STEP7软件日勺计算机一台，PLC控制器1套、压

力信号传感变送器2个、液位信号传感变送器2个、温度信号传感变送器2个、

回水流量传感变送器2个、给水流量传感变送器2个、变频器4台和其他附件。

器件类型选择型号备注

PLCS7-300可通过扩展电缆进行数字

量I/O模块、模拟量模块或

智能接口模块的犷展

PLCCPUCPU315可连接7个扩展模块，最

大扩展至35点模拟量I/O

PLC扩展模块SM321SM322SM331SM332

压力信号传感变送器PT1OO供电电压传感

器：10VDC(6・12VDC)变

送器:24VDC(9〜36V)

液位信号传感变送器PTP602420mA,05V,15V,010V

温度信号传感变送器TG100-VNB测量精度高。感器寿命极

长。

回水流量传感变送器RL-AVS24VDC,工作压力：

0—2.5MPA

给水流量传感变送器RL-AVS24VDC,工作压力：

0—2.5MPA

变频器VLT5000丹麦日勺丹佛斯系列

带有WinCC组态软件及STEP7软件的计算机将系统所用各控制设备及检测

仪表组态到一起，可实现对现场信息的监视操作，并可将运行程序通过MPI网传

播到PLC中，以实现南•锅炉系统H勺控制。PLC:本系统以SIEMENS企业的S7-300

系列PLC为主控制器，由现场智能传感变送器对锅炉口勺炉膛温度、炉膛负压给水

压力和回水压力等现场信号进行检测并变送后通过1/0模块送往PLC,其后PLC

按照预订程序处理并通过I/O模块返回控制信号。变频器:变频器采用丹麦日勺丹

佛斯系列变频器日勺VLT5000,工作时变频器根据PLC运算得到的控制信号或操作

台转速设定控制信号疝给水泵、炉排、鼓风机和引风机进行调速控制。其他附件

包括1个操作台，1个配电柜、2个控制柜等。

MPI

S7-34X)

PLC

启/停装置

水泵、炉

排，引风

及豉风对

应电机

水泵变版描、炉棒变城:《、

弓I风变频器、鼓风变频器控制信号

人

工

操

作

指

令

仪辛!J为

人工操作台

炉

回

给

其它

给

回

牌

钢炉

水

水

水

水

仇

状态

流

流手动系统

压

1K1K信息

力

力mm

图3-5控制系统框图

本系统可以工作于手动方式和自动方式下。系统工作在手动方式下时，司炉

工对系统进行控制，司炉工根据操作台上显示仪表显示的现场信号（炉膛温度、

给回水压力和炉膛负压），根据需要，分别调整操作台面板上的给水泵、炉排电

机、鼓风机和引风机调速旋钮，调速旋钮调整对应变频器H勺输出大小，而变频器

的输出大小直接控制给水泵、炉排转速、鼓风量和引风量，从而实现控制锅炉运

行过程。当系统.匚作在自动方式下时，PLC作为关键控制器，根据查表控制算法

对锅炉运行进行控制（调整变频器），从而对锅炉运行进行控制。操作台采用仪表

控制系统