基于MCGS的热电厂锅炉控制系统组态燃烧控制系统毕业设计论文 精品.docx

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基于MCGS的热电厂锅炉控制系统组态燃烧控制系统毕业设计论文精品

内蒙古科技大学

本科生毕业设计说明书（毕业论文）

题目：

基于MCGS的热电厂锅炉控制系统组态

---燃烧控制系统

学生姓名：

缪卫东

学号：

200440503122

专业：

测控技术与仪器

班级：

测控04-1班

指导教师：

左鸿飞

基于MCGS的热电厂锅炉控制系统组态——燃烧控制系统

摘要

燃料燃烧技术在国民经济的发展，尤其在能源工程中起着十分重要的作用。

人类社会对于能源的消耗，一直在稳定的增长，现代工业的发展，更明显的刺激了能源的消耗。

在我国，能源利用很不合理，能源的利用效率低，浪费大，国民经济的单位产值能耗指标很高。

造成这种情况的原因是多方面的，燃烧设备的低效率是其中一个重要的因素。

因此发展新型燃烧技术，提高用能设备的运行效率具有十分重要的意义。

循环流化床锅炉（CFBB）是近年来发展起来的新一代高效、低污染的清洁燃煤技术。

循环流化床锅炉在汽温控制和水位控制方面和煤粉锅炉基本相同，而其燃烧系统与煤粉炉差别较大，循环流化床锅炉在风量控制方面既要保证燃料与控制的比例又要保证床温在一定的范围内，因此床温控制系统和床压控制系统是循环流化床锅炉所特有的。

本设计以循环流化床锅炉燃烧控制系统为研究对象，对燃烧过程采用交叉限幅燃烧控制系统，应用集散控制系统（DCS）对燃烧控制进行研究与设计，对提高循环流化床锅炉自动化水平做了有益的尝试。

同时利用MCGS组态软件对自动控制系统进行监控。

关键词：

燃烧控制系统；循环流化床；MCGS；DCS

ControlinThermoelectricityPower-plantBoilerBasedonMCGS

——CombustionControlSystem

Abstract

Thetechniqueofcombustionplaysagreatimportantroleinthedevelopmentofnationaleconomyespeciallyinenergyengineering.Theconsumptionoftheenergyisinstabilityincreasingofsocietyandwiththedevelopmentofmodernindustry,therequirementoftheenergybecomemoreandmoreobvious.Inourcountry,themeanswhichtheenergyutilizedisunreasonabletosomeextenttogetherwithlowefficiency,highwaste,andtheenergyconsumeforunitproductionofthenationaleconomyisveryhigh.Researchesindicatethatthereasonresultsintheseisvarious,amongwhichlowfunctionefficiencyoftheburningequipmentisthemostimportantfactor.Thereforeitisessentialtodevelopthenewburningtechniqueandincreasefunctionefficiencyoftheequipment.

CFBBisanewcleancoalcombustiontechnologythatisofhighefficiencyandlowpollutionintheworld.Comparedwiththepulverized-coalboilers,theyarethesameinthesteamtemperaturecontrolandthesteamdrumlevelcontrol.Butthereareobviousdifferencesinthecombustioncontrolsystem,andintheairflowcontroloftheCFBBit’stobesurethatthebedtemperatureisincertainboundaswellastheproportionofcoaltocontrol.Therefore,thebedtemperaturecontrolsystemandbedpressurecontrolsystemarepeculiartoCFBB.

ThisdesigntakestheCFBBcombustioncontrolsystemasresearchobject，usesthecrossandrangelimitingcontrolschemesystemforthecombustionprocess,andusesthedistributedcontrolsystem（DCS）fortheresearchanddesignofcombustioncontrol,TheworkprovidesagoodtrialonenhancingautomationleveloftheCFBB.Thefollowingworksarefocused.AndusingMCGSsoftwareforautomaticcontrolsystemtomonitorandcontrol.

Keywords:

Combustioncontrolsystem;CirculatingFluidizedBedBoiler;MCGS;

DistributedControlSystem

第一章引言

1.1火力发电概述

火力发电厂是利用化石燃料燃烧释放的热能发电的动力设施，包括燃料燃烧释热和热能、电能转换以及电能输出的所有设备、装置、仪表器件，以及为此目的设置在特定场所的建筑物、构筑物和所有有关生产和生活的附属设施。

最早的火力发电是1875年在法国巴黎北火车站的火电厂实现的。

这座火电厂安装直流发电机，给附近照明供电。

随后，美国、俄国、英国也相继建成火电厂。

1886年，美国建成第一座交流发电厂。

1891年，英国电灯公司的火电厂安装第一台带有凝汽器的发电机组，容量100千瓦,热效率大为提高。

1882年，中国上海建成一座装有12千瓦直流发电机乍浦路火电厂，为电灯供电。

进入20世纪，随着电照明和电力传动等推广，社会对电能的需要促进了火力发电的迅速发展，表现为火电机组的容量不断增大。

1901年，瑞士勃朗－鲍威利有限公司制成第一台5000千瓦汽轮发电机，1902年达到15000千瓦。

1912年，美国西屋电气公司制成25000千瓦机组，到1925年出现了10万千瓦机组。

50年代中期，各国陆续投运30～60万千瓦火电机组。

到80年代后期，世界最大火电厂是日本的鹿儿岛电厂,容量为440万千瓦。

中国大陆最大的火电厂是谏壁电厂（162.5万千瓦）。

到80年代末，火力发电仍是最重要的发电方式。

世界上绝大多数国家的电力生产仍以火电为主。

全世界火电装机容量约占总装机容量的65.6％。

中国的火电成本低，到1990年，火力发电占总发电量的72％。

在今后30年发展规划中，火电比重将长期保持在70％左右，火力发电对中国经济的发展仍将发挥着重要作用。

1.2火电厂简介

1.2.1火电厂工艺流程

火电厂的一般工艺流程是将存在储煤场中的原煤由输煤设备从储煤场送到锅炉的原煤斗中,再由给煤机送到磨煤机中磨成煤粉。

煤粉送至分离器进行分离,合格的煤粉送到煤粉仓储存。

煤粉仓的煤粉由给粉机送到锅炉本体的喷燃器,由喷燃器喷到炉膛内燃烧。

燃烧的煤粉放出大量的热能将炉膛四周水冷壁管内的水加热成汽水混合物。

混合物被锅炉汽包内的汽水分离器进行分离,分离出的水经下降管送到水冷壁管继续加热,分离出的蒸汽送到过热器,加热成符合规定温度和压力的过热蒸汽,经管道送到汽轮机作功。

过热蒸汽在汽轮机内作功推动汽轮机旋转,汽轮机带动发电机发电,发电机发出的三相交流电通过发电机端部的引线经变压器升压后引出送到电网。

在汽轮机内作完功的过热蒸汽被凝汽器冷却成凝结水,凝结水经凝结泵送到低压加热器加热,然后送到除氧器除氧,再经给水泵送到高压加热器加热后,送到锅炉继续进行热力循环。

再热式机组采用中间再热过程,即把在汽轮机高压缸做功之后的蒸汽,送到锅炉的再热器重新加热,使蒸汽提高到一

定压力和温度后,送到汽轮机中压缸继续做功。

图1.1锅炉工艺流程图

1.2.2火电厂设备介绍

锅炉设备是火力发电厂中的主要热力设备之一。

它的任务是使燃料通过燃烧将化学能转变为热能，并且以此热能加热水，使其成为一定数量和质量（压力和温度）的蒸汽。

由炉膛、烟道、汽水系统（其中包括受热面、汽包、联箱和连接管道）以及炉墙和构架等部分组成的整体，称为“锅炉本体”。

锅炉按蒸汽压力可分为低压锅炉（压力小于2.45MPa），中压锅炉（压力2.94～4.90MPa），高压锅炉（压力7.84～10.8MPa），超高压锅炉（压力11.8～14.7MPa），亚临界锅炉（压力15.7～19.6MPa），超临界锅炉（压力22.1MPa），超超临界锅炉（压力30～31MPa）。

按锅炉蒸发受热面内工质的流动方式分类：

自然循环锅炉、强制循环锅炉、直流锅炉、复合循环锅炉。

按锅炉的整体布置分类：

∏型结构锅炉、箱型结构锅炉、塔型结构锅炉

火力发电厂中的锅炉按水循环方式可分为自然循环,强制循环,直流锅炉三种类型。

一次风机：

干燥燃料，将燃料送入炉膛，一般采用离心式风机。

送风机：

克服空气预热器、风道、燃烧器阻力，输送燃烧风，维持燃料充分燃烧。

引风机：

将烟气排除，维持炉膛压力，形成流动烟气，完成烟气及空气的热交换。

磨煤机：

将原煤磨成需要细度的煤粉，完成粗细粉分离及干燥。

空气预热器：

空气预热器是利用锅炉尾部烟气热量来加热燃烧所需空气的一种热交换装置。

提高锅炉效率，提高燃烧空气温度，减少燃料不完全燃烧热损失。

空预器分为导热式和回转式。

炉水循环泵：

建立和维持锅炉内部介质的循环，完成介质循环加热的过程。

燃烧器：

将携带煤粉的一次风和助燃的二次风送入炉膛，并组织一定的气流结构，使煤粉能迅速稳定的着火，同时使煤粉和空气合理混合，达到煤粉在炉内迅速完全燃烧。

煤粉燃烧器可分为直流燃烧器和旋流燃烧器两大类。

汽轮机本体是完成蒸汽热能转换为机械能的汽轮机组的基本部分，即汽轮机本身。

它与回热加热系统、调节保安系统、油系统、凝汽系统以及其他辅助设备共同组成汽轮机组。

汽轮机本体由固定部分（定子）和转动部分（转子）组成。

固定部分包括汽缸、隔板、喷嘴、汽封、紧固件和轴承等。

转动部分包括主轴、叶轮或轮鼓、叶片和联轴器等。

固定部分的喷嘴、隔板与转动部分的叶轮、叶片组成蒸汽热能转换为机械能的通流部分。

汽缸是约束高压蒸汽不得外泄的外壳。

汽轮机本体还设有汽封系统。

汽轮机是一种将蒸汽的热势能转换成机械能的旋转原动机。

分冲动式和反动式汽轮机。

给水泵：

将除氧水箱的凝结水通过给水泵提高压力，经过高压加热器加热后，输送到锅炉省煤器入口，作为锅炉主给水。

高低压加热器：

利用汽轮机抽汽，对给水、凝结水进行加热，其目的是提高整个热力系统经济性。

除氧器：

除去锅炉给水中的各种气体，主要是水中的游离氧。

凝汽器：

使汽轮机排汽口形成最佳真空，使工质膨胀到最低压力，尽可能多地将蒸汽热能转换为机械能，将乏汽凝结成水。

凝结泵：

将凝汽器的凝结水通过各级低压加热器补充到除氧器。

油系统设备：

一是为汽轮机的调节和保护系统提供工作用油，二是向汽轮机和发电机的各轴承供应大量的润滑油和冷却油。

主要设备包括主油箱、主油泵、交直流油泵、冷油器、油净化装置等。

在发电厂中，同步发电机是将机械能转变成电能的唯一电气设备。

因而将一次能源（水力、煤、油、风力、原子能等）转换为二次能源的发电机，现在几乎都是采用三相交流同步发电机。

在发电厂中的交流同步发电机，电枢是静止的，磁极由原动机拖动旋转。

其励磁方式为发电机的励磁线圈FLQ（即转子绕组）由同轴的并激直流励磁机经电刷及滑环来供电。

同步发电机由定子（固定部分）和转子（转动部分）两部分组成。

定子由定子铁心、定子线圈、机座、端盖、风道等组成。

定子铁心和线圈是磁和电通过的部分，其他部分起着固定、支持和冷却的作用。

转子由转子本体、护环、心环、转子线圈、滑环、同轴激磁机电枢组成。

主变压器：

利用电磁感应原理，可以把一种电压的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电的一种设备。

6KV、380V配电装置：

完成电能分配，控制设备的装置。

电机：

将电能转换成机械能或将机械能转换成电能的电能转换器。

蓄电池：

指放电后经充电能复原继续使用的化学电池。

在供电系统中，过去多用铅酸蓄电池，现多采用镉镍蓄电池

控制盘：

有独立的支架，支架上有金属或绝缘底板或横梁，各种电子器件和电器元件安装在底板或横梁上的一种屏式的电控设备。

1.2.3火电厂各个系统概述

锅炉主要系统：

燃烧系统：

主要由锅炉的燃烧室、送风装置、送煤装置、灰渣排放装置等组成。

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、排灰出渣流程等。

对燃烧系统的基本要求是:

（1）保证主蒸汽的压力恒定，以便满足“负荷流量”所需的压力。

（2）保证炉膛内氧的含量。

一要保证有足够的氧供燃料充分燃烧，不使烟气中有过量的CO，避免浪费燃料和造成环境污染；二是要满足经济燃烧的要求，保证氧量不能过多，以避免尾气带走过多热量形成浪费。

例如：

一般燃气锅炉需要将含氧量控制在1.6%~3%之间比较好。

（3）使炉膛负压在一定范围，保证安全生产。

例如：

炉膛负压一般要求在-20~-60帕之间比较合适，保证炉膛不往外喷火。

对燃烧系统的基本要求是:

尽量做到完全燃烧,使锅炉效率不低于90％；排灰符合标准规定。

汽水系统：

锅炉的汽水系统的主要功用是接受燃料的热能，提升介质的热势能，增压增温，完成介质的状态转换。

烟风系统：

提供锅炉燃烧的氧气，带动干燥的燃料进入炉膛，维持炉膛风压以稳定燃烧。

制粉系统：

完成燃料的磨碎、干燥。

使之形成具有一定细度和干燥度的燃料，并送入炉膛。

其它辅助系统：

包括燃油系统、吹灰系统、火检系统、除灰除渣系统等。

汽机主要系统：

主蒸汽系统：

吹动汽轮机旋转，带动发电机做功，是发电厂主要的做功介质通过的系统。

再热蒸汽系统：

辅助主蒸汽系统做功，提高机组热效率。

回热抽汽系统：

尽量减少进入凝汽器的无用能量，提高机组热效率。

轴封系统：

防止汽轮机内部高压蒸汽向外泄露，保证汽轮机效率，保持真空系统严密性。

真空系统：

维持汽轮机的低背压和凝汽器真空。

凝结水系统：

将凝结水输送到除氧器，完成加热、除氧、化学处理和剔除杂质。

给水系统：

提高给水压力，加热后为锅炉提供给水。

主机油系统：

包括润滑油系统、顶轴油系统、调节、保安系统。

汽轮机调节、保安系统：

协调各系统同步地按照要求进行工作。

润滑油系统：

为汽轮机提供润滑、冷却用油。

发电机冷却系统和密封系统：

冷却系统的功能是冷却发电机，带走发电机工作时的热量。

密封系统的功能是密封冷却介质的外泄。

工业水系统：

提供冷却介质，冷却各种辅助设备。

其它系统：

压缩空气系统、旁路系统、减温水系统、精处理系统、胶球系统、保安系统等。

火电厂其他系统：

输煤系统：

运输燃料进入厂房，进行初步加工和燃料筛选工作，同时完成外加物质的混合工作。

所包涵的主要设备有斗轮机、碎煤机、翻车机、输煤皮带等。

化学水系统：

将天然水在进入汽水系统前先除去杂质。

其流程一般为：

天然水――混凝沉淀――过滤――离子交换――补给水。

混凝沉淀是加入混凝剂，产生絮凝体。

过滤处理是使用石英砂等滤料除去细小悬浮物。

化学除盐是使用混床除去金属离子和酸根，常使用树脂除盐。

循环水系统：

为机组提供冷却水源。

工业生产过程中产生的废热，一般要用冷却水来导走。

从江、河、湖、海等天然水体中吸取一定量的水作为冷却水，冷却工艺设备吸取废热使水温升高，再排入江、河、湖、海，这种冷却方式称为直流冷却。

当不具备直流冷却条件时，则需要用冷却塔来冷却。

冷却塔的作用是将挟带废热的冷却水在塔内与空气进行热交换，使废热传输给空气并散人大气。

1.3设计思想

本文在基于对现场工艺的认识的前提下，提出设计设想，采用DCS（DistributedControlSystem）系统构建集散控制系统，建立锅炉监控系统，对系统状态实施全面监测。

该系统可将监测数据存入管理数据库，以便操作人员快速准确地了解系统运行状态，同时也便于管理人员能及时分析运行情况，做出生产管理决策，通过对一些主要的过程变量实施自动控制，使整个系统安全、稳定、有效地运行。

在此基础上，对节能影响很大的锅炉燃烧系统建立稳态参数优化模型，并求得锅炉燃烧稳态优化模型参数。

在这个优化结果的指导下，进行锅炉燃烧优化控制。

第二章过程控制技术

过程控制工程是以过程控制系统为主体，以控制理论为基础，并把过程工艺分析、自动化仪表和计算机方面的知识结合起来，构成的一门综合性的工程学科。

它是控制理论在过程控制系统中的应用，包括理论的移植与改造、系统结构的研究、控制算法的确定以及控制系统的实现。

其研究任务是对过程控制系统进行分析所示系统的方与综合，解决如图2.1案设计问题。

控制工程是综合性的应用学科，本章对有关内容进行简单介绍。

图2.1过程控制系统

2.1常规控制系统

该类系统是经典控制理论的产物，以前是用常规仪表来实现的，现在也可以用现代控制理论来分析，但更多的是用计算机来实现。

在DCS中，一般都备有多种常规控制算法模块。

2.1.1单回路控制系统

单回路控制系统主要指单输入一单输出（SISO）的线性控制系统，是控制系统的基本形式。

即使在高水平的自动控制方案中，这类系统仍占控制回路的绝大多数。

对每一个控制回路来说，在设定值发生变化或系统受到扰动作用后，被控变量应该平稳、迅速和准确地趋近或回复到设定值。

因此，通常在稳定性、快速性和准确性三个方面提出各种单项控制指标。

把它们适当地组合起来，也可提出综合性指标。

对设定值变动的随动系统与设定值不变的定值系统，控制要求有相同的一面，也有不同的一面。

例如，系统都必须稳定，但定值系统的衰减比可以低一些，随动系统的衰减比应该更高一些。

随动系统的重点在于跟踪，要跟得稳，跟得快，跟得准；定值系统的关键在于一个定字，要定得又稳又快又准。

整个控制系统的品质取决于各个环节。

过程的数学模型，如从其内在规律来考虑，往往相当复杂，例如，有非线性、分布参数和时变等情况。

然而，在输入的变化量不大时，过程特性可以线性化，同时也可以集总化；对应于一段特定的时刻，考虑到过程的时变一般很缓慢，可以认为是定常的。

这样，输入输出关系往往可用传递函数来描述。

多数工业过程的特性分属下列四种类型：

（1）自衡的非振荡过程。

在过程控制中，这类过程是最常见的。

在阶跃作用下，被控变量C（t）不经振荡，逐步地向新的稳态值C（∞）靠拢。

过程能够自发地趋于新的稳态值的性质称为自衡性。

（2）无自衡的非振荡过程。

这类过程在阶跃作用下，C（t）会一直上升或下降，直到极限值。

这类过程比前一类过程难控制一些，它们缺乏自发趋向平衡的能力。

（3）有自衡的振荡过程。

在阶跃作用下，C（t）会上下振荡。

有自衡的振荡过程，指的是衰减振荡，最后能趋近新的稳态。

这类过程不多见，它们的控制也比第一类过程困难一些。

（4）具有反向特性的过程。

在阶跃作用下，C（t）先降后升，或是先升后降。

具有反向特性的过程锅炉液位在负荷变化时的响应是最典型的例子。

在方案和工程设计中，在被控变量与操作变量的选择上，一方面要考虑工艺，如被控变量要能反映工艺指标，操作变量要在工艺上合理，包括符合节能原则等，另一方面必须考虑控制通道的特性参数，要有较好的受控性能。

在系统结构上是否能采用简单控制系统，取决于控制的精度要求、对象的易控程度、扰动的大小和频繁程度等因素。

对于具有反向特性等的过程，往往需要用较复杂的系统结构或采用特殊控制规律。

对于该类控制系统，最常用的控制算法是采用PID控制算法或其变形算法。

在用DCS或其他计算机装置进行直接数字控制时，为数字控制或采样控制方式，采用离散PID控制算法。

在工程应用中要注意针对过程特性，采用不同的改进PID算法及其相关的算法,如多维PID控制、时间比例控制Dahlin控制算法等。

实际应用中必须掌握和合理应用算法参数的多种工程整定方法。

另外，自整定PID控制器的研究多年来受到关注。

现有方法本质上是设法辨识过程特性，主要有适应控制系统方法、极限环方法、波形识别法、反应曲线法等几类。

2.1.2串级控制系统

采用不止一个控制器，而且控制器之间相串联，一个控制器的输出作为下一个控制器的设定值的系统，称为串级控制系统。

在锅炉汽温调节中，常采用这种系统。

其典型系统框图如图2.2所示。

图2.2串级控制系统基本框图

其中，

为主被控量，使其保持平稳是控制的主要目标；

为副被控变量，副控制器

的设定值为主控制器

的输出

。

在设计时对副回路的构成应考虑：

包含主要扰动；包含整个对象内次大的时间常数（有自衡对象）或包含最大时间常数（非自衡对象）。

与单回路控制系统相比，串级控制系统复杂程度有所增加，但有如下优点：

（1）迅速克服进入副回路的扰动。

串级控制系统应用中，大多属于该目的。

副回路起迅速的“粗调”作用，主回路起进一步的“细调”作用。

（2）改善主控制器的广义对象的特性。

副回路把整个广义对象的一部分分割开来，构成一个随动的反馈控制系统，其调整后的特性影响广义对象的特性。

（3）容许副回路各环节的特性在一定范围内变动而不影响整个系统的控制品质。

也可减少控制阀流量特性不合适带来的影响。

（4）可以实现更灵活的控制方式，主控制器在必要时可以切除。

2.1.3比值控制系统

在比值控制系统中，要控制的是两个变量的比值，通常指的是两个流量的比值。

例如在锅炉燃烧系统中，空气与燃料的流量间应保持一定的比值，当燃料流量增加或减少时，空气流量应随之增加或减少。

前一变量称为主动量，后一变量称为从动量。

比值控制系统是按功能命名的系统。

在比较简单的情况下，它在结构上与简单控制系统一样。

常用的控制方案有两种形式：

一种是把主动量的测量值乘以某一系数后作为从动量控制器的设定值，这是一种典型的随动系统，如图2.3（a）所示；另一种是把流量的比值作为被控变量，这是一种典型的定值系统，只不过从动量控制器的测量值是由两个流量值相除得出的，如图2.3（b）所示。

两者都属基本形式，这一大类的系统都只有一个控制回路，故通常称为单闭环比值控制系统。

图2.3比值控制系统基本框图

第二大类是主动量也同时设有流量控制回路的系统，通常称为双闭环比值控制系统。

如果分隔开来看，结构上仍是两个简单控制系统。

第三大类是比值的设定值由另一个控制器给出的系统。

例如在燃烧控制中，最终的（也就是真正的）被控变量是烟道气的氧含量，而空气与燃料的流量比值实质上是控制手段，因此，比值的设定值由氧含量控制器给出。

这一大类的系统称为变比值控制系统，结构上是以比值控制系统为副回路的串级控制系统。