锅炉点火程序控制系统硬件设计Word文件下载.docx
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2.2燃煤锅炉简述…..…………………………………………………………….….…8
2.3可编程序控制器（PLC）………….……………………………………................10
第3章锅炉点火系统介绍...................................................................................................13
3.1锅炉点火系统的组成...............................................................................................13
3.2点火过程及点火方式...............................................................................................14
3.3点火流程操作与显示系统………………………………………………………...17
第四章锅炉点火程序控制硬件设计..…………………………………………………….21
4.1油枪的设计与选型…..……………………………………………………….…...21
4.2点火器的设计..…………………………………………………………………....23
4.3锅炉程控点火控制方式的设计..…………………………………………...…….25
第五章锅炉炉膛安全监控系统方案设计..…………………………………………….…37
5.1锅炉FSSS系统概述..…………….……………………………………………….37
5.2锅炉FSSS系统结构和功能..…………………………………….……..…….......37
5.3FSSS监控系统与DCS系统接口技术研究..……………………………………...39
总结…….……………………………………………………..……………………………41
致谢…….……………………………………………………..……………………………43
参考文献…….………………..………………………………..……………………………45
摘要
随着燃煤发电机组单机容量不断扩大，锅炉用人工点火的方式已不能适应当前形势发展的需要，人工点火不仅劳动强度大，操作繁琐，更主要的是不安全因素较多。
因此，目前不论是新建还是扩建电厂，只要现场点火设备具备较高的自动化程度，均要求锅炉可进行计算机远程操作，实现自动点火。
锅炉点火过程就是锅炉由停炉状态到稳定燃烧状态的过程。
锅炉点火分为手动点火与自动点火。
通过采用先进的PLC控制技术所设计某火电厂的锅炉点火系统既能手动点火又能自动点火，除了完成点火任务外，在意外工况下，锅炉进入最低稳定燃烧状态时，点火系统还能够进行投油助燃。
此外，点火系统还可做为炉膛安全保护监控系统（简称FSSS）的一个子系统，从而保证安全生产，又可以提高产品质量、数量，降低热耗指标和减轻劳动强度，并有利于环境保护。
关熊键词：
PLC（可编程逻辑控制器）；
锅炉；
点火；
FSSS监控系统
Abstract
Withtheexpandingofcoal-firedgeneratingunit’scapacity,artificiallightingofboilercannotmeetthedevelopmentneedsofthecurrentsituation.Artificiallightingisnotonlylabor-intensive,complicatedoperation,butthemainthingismoreinsecurity.Therefore,whetherneworexpansionofpowerplants,aslongasthefieldlightingdevicewithahighdegreeofautomation,requiringboiler’scomputerremoteoperation,automaticlighting.
Theboilerlightingprocessistheboilerfromtheshutdownstatetoastablecombustionstateoftheprocess.Theboilerlightingdividedintomanuallightingwithautomaticlighting.BothmanuallightingofthedesignofathermalpowerplantboilerlightingsystemthroughtheuseofadvancedPLCcontroltechnologycanautomaticallylighting.Inaddition,thelightingsystemcanalsobeasubsystemasthefurnacesafetyprotectionmonitoringsystem（FSSS）,inordertoensuresafeproduction,butalsocanimprovethequality,quantity,reduceheatconsumptionindicatorsandreducelaborintensity,andcontributetoenvironmentalprotection.
Keywords:
PLC（ProgrammableLogicController）;
Boiler;
Lighting;
FSSSSystem
第一章绪论
1.1课题背景及设计介绍
1.1.1课题背景
锅炉是一种能量转换设备，向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能、高温烟气的热能等形式，而经过锅炉转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体。
锅的原义指在火上加热的盛水容器，炉指燃烧燃料的场所，锅炉包括锅和炉两大部分。
锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。
提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。
产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，常简称为锅炉，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。
锅炉燃烧的安全性和可靠性是锅炉运行的基本要求。
燃烧方式采用煤气和煤粉混合，煤气燃烧器在炉膛底部，煤气的主要作用是点火、助燃、稳定燃烧。
锅炉点火采用人工点火，从锅炉四个角依次进行，整个点火过程由运行人员在锅炉点火孔旁进行观察和操作。
锅炉运行中，由于锅炉煤气供应稳定度不够，常造成某个角突然熄火。
而外部操作人员只能靠煤气压力和流量判断某个角的煤气燃烧状况，失误率很高，运行人员必需定时巡检。
此外，在正常停炉或紧急停炉时，需由运行人员现场手动关闭煤气阀门，不能及时、快速地切断煤气，工作人员工作量大、安全性低。
为解决上述问题，根据工艺特点和安全性的要求，我设计了锅炉点火自动控制装置，采用先进的PLC控制技术，高性能火焰检测器及火焰控制器，实现了远程煤气点火，火焰在线检测、联锁保护和声光报警等功能，提高了锅炉点火和运行的安全性，减轻了运行人员的工作强度，大大提高了劳动生产率。
1.1.2设计目的及意义
随着燃煤发电机组单机容量不断扩大，锅炉用人工点火的方式已不能适应当前形势发展的需要，人工点火不仅劳动强度大，操作繁琐，更主要的是不安全因素较多，因此，目前不论是新建还是扩建电厂，只要现场点火设备具备较高的自动化程度，均要求锅炉可进行计算机远程操作，实现自动点火。
锅炉点火过程就是锅炉由停炉状态到稳定燃烧状态的过程，锅炉点火分为手动点火与自动点火。
本论文所设计的火电厂的锅炉点火系统在启动时既能手动点火又能自动点火，除了完成点火任务外，在意外工况下，锅炉进入最低稳定燃烧状态时，点火系统还能够进行投油助燃。
此外，点火系统还可做为炉膛安全保护监控系统（简称FSSS）的一个子系统
，从而保证安全生产，又可以提高产品质量、数量，降低热耗指标和减轻劳动强度，并有利于环境保护。
对锅炉来说，它能维持锅炉出力、压力及温度为定值。
在燃气应用设备上安装安全自动保护装置的目的，是为了保证燃气燃烧的安全性及可靠性，以避免事故的发生，并大大减轻劳动强度。
例如，安装燃气压力过高或过低以及熄火保护装置，都是为了在发生异常现象时切断燃气，防止爆炸等不幸事故。
所以，应根据燃气应用设备的用途、需要和目前技术经济的可能来选择手动、半自动或全自动装置。
1.2国内外发展现状
我国的工业锅炉制造业随着国民经济的蓬勃发展，取得了长足的进步，到目前为止，全国持有各级锅炉制造许可证的企业超过一千家，生产各种不同压力等级和容量的锅炉。
通过我国工业锅炉企业的共同努力，我国已形成了自己的工业锅炉的产品型谱。
至上世纪九十年代，我国就已拥有8个大类、38个系列、85个品种、300多个规格的工业锅炉产品。
我国是一个煤炭生产大国，长期以来我国实行以煤为主的能源政策。
受到我国特殊的燃料结构的影响，我国的工业锅炉的燃料以煤为主，工业锅炉每年消耗全国原煤产量的约三分之一。
最近十几年来，由于受到国家环保政策的影响及我国大型的油气田的开发，我国的能源结构发生了一些变化。
工业锅炉产品的结构也随之发生了变化，燃油燃气锅炉所占比例则由1991年的不足6%增高至2001年的15%以上；
电热锅炉开始出现，甚至，还有少量的燃生物质燃料的锅炉投入使用；
而燃煤锅炉按容量所占比例开始降低，由1991年的90%降至2001年的81%。
但是，我国总的能源特征是“富煤、少油、有气”。
而且，煤炭因其储量大和价格相对稳定，在本世纪前50年内，煤炭在我国一次能源构成中仍将占主导地位，因此，燃煤锅炉仍将是工业锅炉的主导产品。
另外，现在国内外新建电厂多采用轻质柴油作为燃料，使用微油点火技术启动锅炉。
这种技术具有投资少、设备简单、操作维护方便等优点，准确无误的投运率高，工况多变时仍能正常点燃煤粉气流。
对于某些锅炉，则采用最先进的等离子点火技术，直接点燃煤粉。
虽然等离子点火技术具有无油点火的显著优点，但到目前为止，这项技术尚存在诸多不足，并且受到锅炉种类的限制，所以没有微油点火应用得广泛
。
1.3设计要求及工作内容
1.3.1应解决的主要问题
应解决的主要技术问题有：
硬件的设计与选用；
各部件和PLC的连接；
锅炉能否实现手动点火与自动点火以及能否自由切换；
意外工况下，即锅炉进入最低稳定燃烧状态时，点火系统能否进行投油助燃；
点火系统能否成功做为炉膛安全保护监控系统的一个子系统等。
解决这些问题将对系统的完成有很大的帮助，最终达到减少工作人员工作量，减少中间环节，减少控制系统的故障点，提高系统运行的安全性与可靠性的目的。
1.3.2应达到的技术要求
结合硬件设计与厂商的要求，应达到的技术要求有：
（1）完成点火控制功能，使锅炉在经历正常的点火程序后，能成功点火；
（2）拥有远程自动点火与就地手操点火两种点火方式，并能够灵活切换；
（3）在锅炉进入最低稳定燃烧状态时，点火系统能够进行投油助燃操作，使锅炉由停炉状态到稳定燃烧状态；
（4）锅炉MFT联锁保护，点火系统可做为炉膛安全保护监控系统（简称FSSS）的一个子系统；
（5）点火流程模拟操作，在就地箱，程控柜或集控室的操作面板上，通过指示灯，显示当前正在进行的操作；
（6）二次点火失败报警，当二次点火失败后，报警程序启动，指示灯亮，声光报警器报警，按复位键后停止；
（7）整个系统应当经济实用、可靠性高、易编程以及便于维护。
1.3.3基本理论依据
PLC（可编程控制器）是以微处理器为基础,综合了计算机技术、控制技术、通信技术等高新技术,而在近几年发展的极为迅速、应用面极广的一类工业控制装置。
不仅可以作为单一的机电控制设备,而且作为通用的自动控制装置,它也被用于过程工业的自动控制。
随着PLC在各个领域的广泛应用,其经济实用、可靠性高、易编程和便于维护等特点,在自动控制系统中越来越发挥着重要作用,为广大用户所接受。
国内外对PLC的开发和应用也越来越深入,它正与DCS，SCADA等工业控制装置相互渗透,各取所长,发挥作用。
近年来,随着现场总线的标准化和它的实现,使可编程序控制器向现场控制级发展。
发电厂的生产特点是保证安全，稳定发电，要求控制系统安全可靠。
PLC系统能够满足上述要求，所以PLC在发电厂尤其是火力发电厂中得到广泛应用，成为火电厂中与DCS集散控制系统并列的两大主要控制系统。
近几年来，新的火电发电机组成套设备越来越多地采用PLC技术，老机组的设备改造也大多采用PLC技术。
总之，PLC技术正从就地程控系统应用逐渐增至主系统的控制，已经在火电厂的控制系统中得到越来越多的应用，对于新的设备选型和老系统的设备改造更是必选的不可替代的控制系统。
目前，国内有一些发电厂的老式锅炉只能使用手动控制方式，其基本控制部分如点火，给水，鼓风，引风均需要操作人员凭经验控制调节。
这种方式十分落后，很容易出现差错。
而使用PLC控制锅炉的运行，可以节省人力，减轻劳动强度，提高安全性。
在减少了中间环节的情况下，使整个系统的可靠性得到提升，易编程与维护，大大的减少了事故发生率。
因此，使用PLC控制锅炉的运行过程是十分必要的
1.3.4主要工作内容
整个系统的硬件设计如下：
锅炉点火系统的控制系统选用欧姆龙C200HE系列PLC作为控制器。
CPU模块选用C200HE-CPU42-E，开关量输入模块选用C200H-ID212，继电器输出模块选用C200H-OC225，电源模块选用C200HW-PA204S，底板模块选用C200HW-BC101。
合理使用这些模块，即可完成硬件设计。
点火系统由四个相同的单角点火系统组成。
单角点火系统既可通过就地箱手动操作完成点火，也可由主控柜通过程序控制完成点火。
电厂锅炉的点火系统一般由点火枪、油枪、点火枪推进器、油枪推进器、油角阀、吹扫阀和高能点火器组成。
对于不同的推进器,其驱动装置有电动和气动之分（本文以电动阀控制为例）。
本设计单角点火系统主要由以下几部分组成：
⑴油枪推进系统。
油枪通过电动推杆推进和退出，点火时油枪喷出油雾；
⑵点火枪推进系统。
点火枪带着高能点火发生器的发火点通过电动推杆推进和退出，点火时高能点火发生器打火；
⑶角阀管路系统。
由汽路和油路两部分组成。
点火前汽阀打开，高压蒸汽从油枪喷出，对油枪管路清扫。
点火时汽阀关闭，油阀打开，油雾从油枪喷出；
⑷火焰检测装置。
点火时火焰检测装置检测火焰信号，输出点火成功信号。
由于点火枪和油枪分别固定在各自的推进器上,因此控制相应的推进器即可完成对油枪和点火枪的操作。
点火过程分为下面几个步骤：
①油枪推进；
②（油枪进到位后）点火枪推进；
③（点火枪进到位后）点火器打火；
④油阀打开，油雾从油枪喷出；
⑤此时通过火焰检测装置检测火焰信号，可见光火检探头检测该油枪是否被点燃。
如果已被点燃,则此次点火成功,输出点火成功信号（开关信号）退出点火枪，点火结束；
在点火器打火，油阀打开，规定时间（本系统为15秒）已到，火焰检测装置检测不到火焰信号，无点火成功信号输出，此种情况视为点火失败。
一次点火失败，允许进行二次点火。
二次点火过程如下：
①点火器停；
②油阀关；
③点火枪退（到位）；
④点火枪进（到位）；
⑤点火器打火；
⑥油阀打开；
⑦引燃。
二次点火失败，不再进行点火，应当检查系统，找出问题。
如二次点火成功，则此次点火结束,准备下一次点火。
以上便是本系统单角的点火过程。
锅炉点火的整个过程是按照各角逐个点火的方法来实现的。
各角点火成功后，锅炉点火程序完成。
第二章燃煤锅炉及PLC概述
2.1锅炉的概念与基础知识
2.1.1锅炉的概念
锅炉的分类方法很多，可以按锅炉的用途分，也可以按锅炉的结构、燃料种类分，还可以按水循环形式、压力分类。
1、按锅炉用途分类
锅炉可以作为热能动力锅炉和供热锅炉。
动力锅炉包括电站锅炉、船舶锅炉和机车锅炉等，相应用于发电、船舶动力和机车动力。
供热锅炉包括蒸汽锅炉、热水锅炉、热管锅炉、热风炉和载热体加热炉等，相应地得到蒸汽、热水。
热风和载热体等。
2、按锅炉本体结构分类
按锅炉结构分，主要分为火管锅炉和水管锅炉。
火管锅炉包括立式锅炉和卧式锅炉，水管锅炉包括横水管锅炉和竖水管锅炉。
3、按锅炉用燃料种类分类
按锅炉用燃料种类匪类为燃煤锅炉、燃油锅炉和燃气锅炉以及燃煤锅炉的升级技术，油气炉的替代产品---煤粉锅炉，煤气双用锅炉等。
燃煤锅炉按燃烧方式可以分为层燃锅炉、室燃锅炉和沸腾锅炉。
4、按锅炉容量分类
蒸发量小于20t/h的称为小型锅炉、蒸发量大于75t/h的称为大型锅炉，蒸发量介于两者之间的称为中型锅炉。
5、按锅炉压力分类
2.5MPa一下的锅炉称为低压锅炉，6.0MPa以上的称为高压锅炉，压力介于两者之间的称为中压锅炉。
此外，还有超高压锅炉、亚临界锅炉和超临界锅炉。
6、按锅炉水循环形式分类
按锅炉水循环形式可以分为自然循环锅炉和强制循环锅炉（包括直流锅炉）。
7、按装置形式分类
可以分为快装锅炉、组装锅炉和散装锅炉。
此外，还有壁挂锅炉、真空锅炉和模块锅炉等形式。
图2.1立式弯水管锅炉
1―锅壳封头2―锅壳简体3―炉胆顶4―弯水管5―炉胆6―U形下脚圈7―喉管8―外部弯水管9―炉门10―烟囱入口11―入孔
图2.2兰开夏锅炉
1―锅炉2―前封头3―炉胆4―后封头5―人孔
图2.3WNL2-13型内燃回火管锅炉
1―链条炉排2―烟管3―锅壳4―炉胆
2.1.2锅炉的基本构成
锅炉是由“锅”和“炉”两个主要部分构成的。
锅与炉组合在一起，便构成了锅炉本体。
锅是容纳工质水或蒸汽的封闭受压元件。
组成“锅”的主要部件是指承受内部或外部介质压力作用的零部件，一般有：
锅筒、集箱、防焦箱、对流管束、水冷壁、防渣管、蒸汽过热器、省煤器以及锅壳式锅炉中的烟管和炉胆、管板等，工质在其中进行水的加热、汽化及饱和蒸汽的过热等吸热过程。
炉是燃料燃烧的场所，即锅炉的燃烧设备和燃烧室（也叫炉膛）。
燃料在炉中燃烧释放出大量的热能，被锅内的谁或蒸汽所吸收。
锅和炉是通过传热过程而相互联系在一起的，锅和炉的分界面就是锅炉受热面。
火焰和烟气等放热介质吸收热量并向受热介质放出热量。
要将低温工质水加热成具有一定压力和温度的水蒸气，工质水要经过不同的受热面，按照水被加热、汽化、过热的流程，可以将受热面划分成工质水的预热受热面、汽化或蒸发受热面和蒸汽过热受热面。
工质水的预受热面通常布置在对流烟道烟气温度较低的部位，以回收排烟余热，提高效率，节约燃料。
因此，人们也称其为“省煤器”。
此外，排烟余热也可以回收于预热助燃空气，这种预热回收受热面被称为空气预热器。
有时为了进一步降低排烟温度，也可以同时装备省煤器和空气预热器。
这两个受热面一般安装在锅炉对流烟道的尾部，因此也称为尾部受热器。
工质水发生汽化或被蒸发的蒸发受热面称为水冷壁受热面，一般布置在炉膛内，当锅炉压力较低、水冷壁受热面吸热不足时，也可以采用对流管束作为蒸发受热面。
蒸汽过热受热面就是蒸汽过热器，它是将饱和蒸汽加热到具有更高温度的过热蒸汽，蒸汽温度越高，压力越大，其做功能力也就越强
2.1.3燃料特性
燃料是由可燃物质、不可燃物质、水分和灰分等组成的混合物，在燃烧过程中能够释放出大量热量。
天然矿物质燃料，出核燃料之外，是有地壳内部深处的动植物残骸，历经数千万年漫长的生物、化学和物理变化而形成的。
由于形成原因、地质条件与年代的不同，产生了不同种类的燃料。
燃料安物质状态可分为固体燃料、液体燃料和气体燃料三大类。
天然燃料中的固体燃料包括木柴、煤、油页岩等；
液体燃料主要是石油；
气体燃料主要是天然气。
这些燃料通过一定的加工处理后就转变为人工燃料。
2.1.4锅炉的结构要求
锅炉的结构为焊接结构，在设计焊接结构时，除了要满足产品使用性能要求外，还要考虑焊接结构公益性。
结构工艺性要求结构满足制造工艺的要求，包括焊缝施焊的方便性、焊接方法的采用、焊接接头的工艺设计等。
在结构方面，具体地说，应符合下列要求：
1）要保证受压部件有足够的强度、刚度和稳定性；
2）要保证锅炉结构各部分在运行时能够进行自由膨胀；
3）要有良好的水循环来保证受热面得到可靠的冷却；
4）要根据锅炉参数（压力、温度）和燃料的适应性来选用锅炉结构；
5）要合理配置鼓风机、引风机，使燃料和风量随着燃烧工况的变化保持相应的比例；
6）受压部件开孔和焊缝的布置应尽量避免或减少应力集中；
7）锅炉钢架在承受载荷时，应有足够的强度、刚度和抗腐蚀性；
8）锅炉结构要便于安装、操作、检修和清洗内外部；
9）安全附件和自控装置要可靠；
10）要保持炉墙结构有良好的耐热性和密封性，减少漏风，减少热损失。
2.2燃煤锅炉简述
燃煤锅炉就是燃料为燃煤的锅炉，是指经过燃煤在炉膛中燃烧释放热量，把热媒水或其它有机热载体（如导热油等）加热到一定温度（或压力）的热能动力设备。
燃煤锅炉主要由煤粉制备系统、燃烧器、受热面、空气预热器等主要部分组成。
锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁、过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。
锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。
除锅炉本体外，在火力发电站锅炉中还有许多配套的辅助设备，如：
煤粉制备系统。
把原煤磨成粉，以利煤的充分燃烧，包括给煤机、磨煤机、排粉机、粗粉分离器
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