燃烧控制系统的设计

1、目 录 一 绪论. 二燃烧控制系统的设计 2.1 燃烧过程控制任务 2.2 燃烧过程调节量 2.3 燃烧过程控制特点 三燃料控制系统. 3.1 燃料调节系统. 3.2 燃料调节测量系统. 3.3 给煤机指令. 四 600MW 火电机组 DCS 系统设计 4.1 电源部分 4.2 通信部分 4.3 系统接地 4.4 软件部分 五 结 论. 参考文献. 一一绪论绪论 目前，我国的电厂大多数是火力发电厂，煤是发电的主要燃料，锅炉燃烧是发电的 重要环节之一。我们要以最经济的方式来利用有限的能源，这就要求我们寻找燃烧的最 优方案。 本文在对国内外锅炉控制现状、发展趋势分析的基础上，研究了燃煤锅炉燃烧系统

2、的自 动控制问题。分析了燃烧控制系统的热工控制结构特点，为更大范围符合锅炉燃烧的要 求，提高燃烧自动的控制系统的利用率，是在按照传统燃烧自动控制结构设计的基础上 优化实现的。 二二 燃烧控制系统的设计燃烧控制系统的设计 2.1 燃烧过程控制任务 1.满足机组负荷要求，维持主蒸汽压力稳定 当机组运行方式为汽机跟随控制方式时，燃烧控制系统负担着机组出力，即调节功率； 当机组运行方式为锅炉跟随控制方式时，燃烧控制系统维持主蒸汽压力稳定；当机组运 行方式为协调控制方式时，燃烧控制系统既要负担着机组出力，又要维持主蒸汽压力稳 定。因此，可见燃烧过程控制任务与机组运行方式密切相关。 2.保证燃烧过程经济性

3、 保证燃烧过程经济性是提高锅炉效率的一个重要方面，目前经济性是靠进入炉膛燃料量 与通风量之间最佳比值来保证，有足够风使燃料得以充分燃烧，同时尽可能减少排烟造 成的热损失。一般采用烟气过剩空气系数（烟气含氧量）来校正燃料量与风量之间的比 值进而来保证燃烧过程的经济性。 3.保证燃烧过程稳定性 燃烧稳定性影响着锅炉运行的安全隆和经济性，影响燃烧过程的因素很多，其中炉膛压 力是重要因素之一。炉膛压力反映着燃烧过程送风与引风之间的工质平衡关系，送风量 大于引风时，炉膛压力增加，会造成炉膛往外喷灰或喷火；送风量小于引风量，增加引 风电耗，增加炉膛漏风，炉温下降，影响炉内燃烧工况；此外，炉膛压力波动还影响

4、燃 料的燃烧稳定性，对锅炉安全运行有影响。为了保证燃烧过程稳定性，需要对炉膛压力 进行控制，维持锅炉炉膛压力稳定。 2.2 燃烧过程调节量 根据燃烧控制任务，主要调节以下三个物理量。 1.燃料量调节 通过调节燃料量使入炉燃料的完全燃烧所产生的量能与锅炉外部负荷需要的量能相 适应。 被调量调节量燃料量M 送风量V 引风量Vs 汽压或功率pt 过剩空气系数a 炉膛压力ps 2.送风量调节 燃料量改变时，送风量也应改变，以保证燃料的完全燃烧和排烟损失最小。调节送 风量的目的是保证锅炉燃烧过程的经济性。由于过剩空气系数还不能直接测量，因此用 测量烟气含氧量这一间接指标来判断燃烧经济性，或者直接平衡风与

5、燃料比值来保证燃 烧经济性。 3.引风量调节 调节引风量的目的是使引风量与送风量相适应，以保持炉膛压力在要求的范围内，一 般通过调节引风量使炉膛维持在微负压状态，以保证燃烧过程稳定性。 2.3 燃烧过程控制特点 燃烧过程三项控制任务，对应着三个调节量（燃料量、送风量、引风量）以维持三个 被调量（机组负荷或主蒸汽压力 pt、过剩空气系数 a 或最佳烟气含氧量、炉膛压力 ps）, 其中主蒸汽压力 pt 是锅炉燃料热量与汽轮机需要能量是否平衡的指标；过剩空气系数 a 是燃料量 M 和送风量 V 是否保持适当比例的指标；炉膛压力 ps 是送风量 Vi 和引风量 Vs 是否平衡的指标。 燃烧过程三个被调

6、量的调节存在着明显的相互影响。这主要是由于对象内部（各调节量 与各被调量之间）存在相互作用，即其中每个被调量都同时受到几个调节量的影响，而 每个调节量的改变又能同时影响几个被调量。图 3-1 表示了燃烧被控对象调节量对被调节 量原影响。所以燃烧过程是一个多输入多输出、且变量间具有相互耦合的被控对象。 图 3-1 燃烧对象 虽然燃烧过程对象三个调节量对三个被调节量都有严重的影响，但台、如果在锅炉运 行过程中，严格保持燃料量 M、送风量 V 和引风量 Vs 这三个调节量比例变化，能保持主 蒸汽压力 pt、过剩空气系数 a 和炉膛压力 ps 基本不变。也就是说，当锅炉负荷要求变化 时，燃烧过程控制系

7、统应使 M、V、Vs 这三个调节量同时按比例地快速改变，以适应外 界负荷的需要，并使 pt、a、ps 基本不变；当锅炉负荷要求不变时，燃烧过程控制系统应 能保持相应的调节量稳定不变。因此，燃烧过程控制系统的设计和分析，显然要比前面 所讨论过的汽包水位、锅炉给水、汽温等这类单变量对象要复杂得多。 本文采用直吹式制粉系统，燃烧控制系统主要包括 6 个子系统，即燃料控制系 统、磨煤机一次风量控制系统、磨煤机出口温度控制系统、一次风压力控制系统、二次 风量控制系统和炉膛压力控制系统。 三 燃料控制系统 燃料控制系统的任务是保证进入锅炉的燃料量随时与外界负荷要求相适应，控制系 统大都设计成串级调节系统。

8、其接受的是锅炉指令，反馈信号是热量信号，控制的是给 煤机转速，以给煤机转速代表煤量信号。 3.1 燃料调节系统 32 K TRACK 5 26 31 PTFTFT H/L - K TRACK T IIATII A K TRACK A 0% A 100% 5 DD T T ZT(x) 4 5 52 DD AOUT 11 1213 1415 16 3 H/L 2 H/L H/L 总风量 锅炉负荷 指令 总燃料量大于（小于）指令 热量信号 （INC） （DEC） 暖炉油母管压力暖炉油流量暖炉回油流量 （INC） （DEC） （INC） （DEC） （DEC） 暖炉油流量调节阀 给煤机指令最大（最小）

9、 AIN AINAIN 32 32 32 32 MCS-FD01-01 MCS-FD04-01 MCS-FD01-01 MCS-FD01-02 MCS-FD04-02 MCS-FD04-03 MCS-FD02-04MCS-FD02-05 MCS-FD02-04 MCS-FD02-04 MCS-FD02-05 MCS-FD02-05 给煤机转速指令 MCS-LD02-04 MCS-LD02-01 MCS-LD02-04 MCS-LD02-04 图 3-2 燃料调节系统 （1）暖炉油的调节 燃料调节系统如图 3-2 所示，暖炉油流量与暖炉回油流量通过减法器输出燃油总油量， 输出的燃油总油量一路与热

10、量信号作代数和。另一路与给定油量作比较经过 PID 调节， 再通过高低限幅，输出控制信号作用于暖炉油流量调节阀，控制燃油总油量的大小。其 中高低限幅是由暖炉油母管压力与给定值经过 PID 调节得出的值。当暖炉油母管压力与 给定值偏差过高时，跟踪器选择经燃油总油量 PID 调节后的信号作为燃油的压力。这样 保证燃油有足够的压力使油雾化，达到充分燃烧。暖炉油流量调节阀也可以通过手动进 行调节。当暖炉油流量调节阀为手动时，由模拟信号发生器产生调节量。 （2）燃煤量指令的形成 锅炉负荷与总风量在小值选择器中进行比较，选择小者作为燃料量指令的定值信号。 通过小值选择器选择定值信号的作用是为了保证锅炉在燃

11、烧过程中，风量始终大于燃煤 量，保证燃煤在炉膛中能完全燃烧，提高燃烧的经济性。在稳定时，锅炉负荷指令与风 量信号及燃煤量近似相等，达到适当的燃料/风量静态配比。 （3）给煤指令的形成 小值选择器的输出作为 PID 燃料控制器的给定值，热量信号作为燃料控制器的反馈 信号，同时小值选择器的输出还作为前馈信号送至加法器，以加快燃料量的响应速度。 六台给煤机转速相加得出实际总煤量，其与经过控制器调节后的理论总煤量比较，再经 过积分调节得出给煤机转速指令。当限制煤量增加或减少作用时，切换开关选通右边的 信号。 3.2 燃料调节测量系统 STSTSTSTSTST TTTTTT 464748484950 A

12、AAAAA 68911 710 6 A给煤机B给煤机C给煤机D给煤机E给煤机F给煤机 总燃料中包括A 给煤机 总燃料中包括B 给煤机 总燃料中包括C 给煤机 总燃料中包括D 给煤机 总燃料中包括E 给煤机 总燃料中包括F 给煤机 AINAINAINAINAINAIN 40 41424344 45 MCS-LD02-01MCS-LD02-02 MCS-LD02-02MCS-LD02-03MCS-LD02-03 MCS-LD02-04 353536363737383839394040 MCS-FD05-01MCS-FD05-01MCS-FD05-01MCS-FD05-01MCS-FD05-01MC

13、S-FD02-04MCS-FD02-04MCS-FD02-04MCS-FD02-05MCS-FD02-05MCS-FD02-05 MCS-LD02-01MCS-LD02-02MCS-LD02-02MCS-LD02-03 MCS-LD02-03 MCS-LD02-04 MCS-FD02-04 给煤率给煤率 MCS-FD08-01 总煤量 给煤率 给煤率 给煤率 给煤率 MCS-FD02-04 MCS-FD02-04MCS-FD02-04 MCS-FD02-04 MCS-FD02-04 图 3-3 燃料调节测量 如图 3-3 所示，进入锅炉燃烧的总煤量由所有运行磨煤机的给煤量相加。当其中一台 给煤

14、机测速变送器发生故障时，将直接产生给煤机转速故障信号，送入逻辑控制系统， 进行逻辑控制。为了防止给煤机检修试转或其它原因时引起控制系统误动，需要对该给 煤机采取相应的措施。通过切换开关可以达到防止系统的误动。 3.3 给煤机指令 AOUT T TT I TA II 33 35 A 0% 16 T 6261 6 11 78 H/L D AOUT T TT I TA II 33 36 A 0% 17 T 6564 7 12 79 H/L D AOUT T TT I TA II 33 37 A 0% 18 T 6867 8 13 80 H/L D A给煤机给 煤指令 B给煤机给 煤指令 C给煤机给

15、煤指令 至FSSS A给煤机转速 最小 至FSSS B给煤机转速 最小 至FSSS C给煤机转速 最小 5 54 6055 6356 66 161718 MCS-FD02-03 MCS-FD02-01 MCS-FD04-03 MCS-FD04-03MCS-FD04-03 MCS-FD04-03MCS-FD04-03 MCS-FD04-03 MCS-FD03-01MCS-FD03-02 MCS-FD03-03MCS-FD02-01MCS-FD02-01 MCS-FD02-01 MCS-FD02-03 MCS-FD02-03 MCS-FD02-03 MCS-LD02-01 MCS-LD02-02

16、MCS-LD02-01MCS-LD02-01 MCS-LD02-01 MCS-LD02-02 MCS-LD02-02MCS-LD02-02 MCS-LD02-01 MCS-LD02-02 MCS-LD02-02MCS-LD02-02 MCS-LD02-01MCS-LD02-01MCS-LD02-01 MCS-FD02-01 MCS-FD02-01 图 3-4 燃料调节给煤指令系统 如图 3-4 所示，对 A 给煤机来说，由燃料调节系统得出的给煤机转速指令在 A 给煤 机手动时，手动切换开关产生作用，手动操作信号发生器产生的信号作为给煤机转速， 再经过高低值限幅，如果产生的给煤机转速指令过低，将

17、送至 FSSS。其中当 A 给煤机转 速至最小（逻辑图号 62）时，给煤机关闭（切换开关输出 0%作为高值限幅）。当有减 A 给煤机转速（逻辑图号 61）作用时，第一级压力作为给煤机转速指令的高值限幅。若 A 给煤机为自动时，A 给煤率将直接作为 A 给煤机转速。 四四 600MW 火电机组火电机组 DCS 系统设计系统设计 DCS 系统配置应能满足机组任何工况下的监控要求(包括紧急故障处理)，CPU 负荷 率应控制在设计指标之内并留有裕度；所有站的 CPU 负荷率在恶劣工况下不得超过 60，所有计算站、数据管理站、操作员站、历史站等的 CPU 负荷率在恶劣工况下不得 超过 40 ；控制站、操

18、作员站、计算站、数据管理站、历史站或服务器脱网、离线、死 机，在其它操作员监视器上应设有醒目的报警功能，或在控制室内设有独立于 DCS 系统 之外的声光报警；DCS 应采用合适的冗余配置和直至卡件的自诊断功能，使其具有高度 的可靠性，系统的任何一个组件发生故障均不影响整个系统工作。 DCS 系统应易于组态、易于实用和易于扩展；系统的报警、监视和自诊断功能应高 度集中在 CRT 上，控制功能应尽可能在功能和物理上进行分散；主要控制器应采用冗余 配置，重要 I/O 点应考虑采用非同一板件的冗余配置；系统设计应采用各种抗噪声技术、 包括光电隔离、高共模抑制比以及合理的接地和屏蔽；分配控制回路和 I/

19、O 信号时，应使 一个控制器或一块 I/O 板件损坏时对机组的安全运行的影响尽可能小。I/O 板件及其电源 故障时，应使 I/O 处于对系统安全的状态，不出现误动；电子设备机柜的外壳防护等级应 满足有关标准的规定；机柜内的模件应能带电插拔，而不影响其它模件的正常运行。 DCS 设计完成后能保证以下安全原则:单一故障不应引起 DCS 系统的整体故障。单一 故障不应引起锅炉或汽机/发电机保护系统的误动作或拒动作。控制功能的分组划分应使 某个区域的故障将只是部分降低整个控制系统的控制功能，此类控制功能的降低应能通 过运行人员干预进行处理。控制系统的构成应能反映电厂设备的冗余配置，以使控制系 统内单一

20、故障不会导致运行设备与备用设备同时不能运行。 整个 DCS 的可利用率至少为 99.98%。当 DCS 系统通讯发生故障或运行操作员站和 LCD 全部故障时，应能确保安全停机，当控制器单元发生故障时，应能保证稳定负荷下 安全停机。 4.1 电源部分电源部分 系统电源应设计有可靠的后备手段(如采用 UPS 电源)，备用电源的切换时间应小于 5ms(应保证控制器不能初始化)，同时，系统电源故障应在控制室内设有独立于 DCS 之外 的声光报警；有条件的机组，DCS 应采用隔离变压器供电。系统应设计双回路供电，其 中一路电源要采用 UPS 供电，并应进行定期切换试验； UPS 电源应能保证连续供电 3

21、0min，以确保安全停机、停炉的需要；采用直流供电方 式的重要 I/O 板件，其直流电源应采用冗余配置。 4.2 通信部分通信部分 主系统及主系统连接的所有相关系统(包括专用装置)的通讯负荷率设计必须控制在合 理的范围(保证在高负荷运行时不出现“瓶颈”现象)之内，其接口设备(板件)应稳定可靠： 连接到系统数据高速公路上的任一系统或设备发生故障都不应导致通讯系统瘫痪或影响 其它联网和系统和设备的工作；通信总线应有冗余设置，冗余的数据高速公路在任何时 候都能同时工作，通信负荷率在繁忙工况下不得超过 30，对于以太网则不得超过 30 ；通讯高速公路的故障不应引起机组跳闸或使 DPU(分散处理单元)不

22、能工作；当数 据通信系统发生某个通讯错误时，系统应能自动采取某种安全措施如切除故障的设备或 切换到冗余装置等；系统应能在电子噪声、射频干扰和振动都很大的现场环境中连续运 行而不降低系统性能。 4.3 系统接地系统接地 DCS 的系统接地必须严格遵守技术要求，所有进入 DCS 系统控制信号的电缆必须采 用质量合格的屏蔽电缆，且有良好的单端接地；DCS 系统与电力系统共用一个接地网时， 控制系统接地线与电气接地网只允许有一个连接点，且接地电阻应小于 0.5；重点处理 好两种接地：保护地(CG)和屏蔽地(AG)。保护地接至电厂电气专业接地网，接地电阻小 于 2；屏蔽地当电厂电气专业接地网接地电阻不大

23、于 0.5，直接接入电厂电气专业接 地网；当电气专业接地网接地电阻较大时，独立设置接地系统，接地电阻不大于 2；屏 蔽地接地点应远离电厂大电流设备，如给水泵、磨煤机等，距离应大于 10m 以上；模拟 量信号(模入、模出，特别是低电平的模入信号，如热电偶、热电阻信号等)最好采用屏蔽 双绞线电缆连接，且有良好的单端接地。 4.4 软件部分软件部分 整个系统应该采用统一的组态技术和方法，操作系统应选用适用于工业控制要求的 稳定的系统，应用软件的安全性和稳定性应能完全胜任工业控制；所有算法和系统整定 参数应驻存在各处理模件的非易失性存储器内，执行时无须重新装载；系统应留有后继 开发应用软件的方式；在工

24、程师站上应能对系统组态进行修改，不论该系统在线或离线， 均能对系统组态进行修改。增加或改变系统中的一部分内容应不必重新编译整个系统的 程序。 在编程或修改完成之后，系统组态程序应能通过数据高速公路装入到各有关处理模 件而不影响系统的正常运行；所有程控逻辑的修改都在系统内完成，而无需使用外部硬 接线、 专用开关或其它替代物作为逻辑的组态输入；应提供方便查阅历史数据的工具软件；应 设计有对报警历史、操作员操作历史的记录和查阅程度包；应提供对事故顺序记录的主 录和查阅程序包；系统应有对生产过程数据的记录和查阅功能，对于一般过程点应能精 确到一秒，重要事件应能记录到毫秒级。系统应有完善的在线诊断和离线

25、诊断能力，查 找故障的自诊断功能应至少诊断至模件级故障，报警功能应能使使用人员方便地辨别和 解决各种问题。 结结 论论 本文锅炉燃烧控制系统采用的是 W 型火焰燃烧方式，它可利用无烟煤和贫煤的混煤 进行燃烧。所以对当地无烟煤和贫煤的混煤具有经济、可行的方案。还有对锅炉燃烧系 统的设备选型也做了深入分析。使燃烧过程朝着经济、安全、稳定的方向运行。 燃烧控系统实现自动控制不仅大大降低了操作人员的劳动强度，而且对降低生产成 本，提高效率以及保护环境都有重大的意义。 本文主要得出以下结论： 1.以直吹式制粉锅炉为例对锅炉燃烧控制系统结构和运行原理进行分析，设计出原 理正确、考虑较为周全的大型机组燃烧过程控制系统。设计的 600MW 锅炉燃烧控制系统 具有普遍