600MW燃料量控制系统解析.docx
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600MW燃料量控制系统解析
600MW发电机组燃料量控制系统
摘要
随着我国电力工业结构调整，电源项目建设实行上大压小，关停小机组，集中建设大机组，国内火力发电机组已向高效率、高参数、大容量的超（超）临界机组发展。
超（超）临界机组作为国际上一个既成熟、可靠，又在发展中的火力发电机组，被国际上纳入洁净煤燃烧技术的发展轨道，其发电煤耗率比传统的亚临界机组大幅度降低，节能和环保意义重大。
燃烧控制系统是一个复杂的综合性控制系统，它由六个子系统构成,燃烧过程调节需要对引风量、送风量、燃料量三个量进行调节，本设计重点研究燃料量控制系统。
采用ABB公司设计的DCS控制系统进行硬件连接、组态设计，结合模糊控制理论对PID控制器进行改进，设计出一个带参数自整定功能的模糊-PID复合控制器，运用模糊PID控制方法对燃料量控制系统进行仿真。
关键词：
燃烧控制系统、燃料量控制系统、DCS、模糊PID控制
Abstract
Alongwithourcountryelectricpowerindustrystructureadjustment,thepowersupplyprojectconstructiononalargepressuresmall,shutdownsmallunits,focusonconstructionoflargeunits,domesticthermalpowerunitshashighefficiency,highparameter,largecapacityofsuper（super）criticalityunitdevelopment.Super（super）criticalityunitasamature,reliable,bothinternationalandinthedevelopmentofthermalpowerunit,beincludedinthedevelopmentofcleancoalcombustiontechnologyoninternationalorbit,itspowerreducethecoalconsumptionratethantraditionalsubcriticalunit,energysavingandenvironmentalprotectionisofgreatsignificance.
Combustioncontrolsystemisacomplexcomprehensivecontrolsystem,itconsistsofsixsubsystems,combustionprocessadjustmenttotheventilation,airoutput,adjustedbytheamountoffuelquantityisthree,focusesonthedesignoffuelcontrolsystem.ABBdesignofDCScontrolsystemisadoptedtoimprovethehardwareconnection,configurationdesign,combinedwiththefuzzycontroltheorytoimprovethePIDcontroller,designafuzzy-PIDwithparameterself-tuningfunctioncompoundcontroller,fuzzyPIDcontrolmethodisusedtofuelquantitycontrolsystemsimulation.
Keywords:
combustioncontrolsystem,fuelquantity,DCScontrolsystem,fuzzyPIDcontrol
目录
600MW发电机组燃料量控制系统1
摘要1
1概述2
2燃烧控制系统2
2.1燃烧控制系统的概念2
2.2燃烧控制的主要任务3
2.3燃烧控制系统的组成4
3DCS控制系统8
3.1集散控制系统的基本概念8
3.2集散控制系统的特点8
3.3基于DCS锅炉燃料量系统硬件设计10
3.4设备选用表12
3.5系统组态18
4模糊自整定PID控制器仿真燃料量控制系统20
4.1模糊自整定PID控制器的设计20
4.2模糊自整定PID控制器20
4.3模糊PID控制器的设计21
4.4燃料控制系统仿真23
5课程设计总结26
参考文献27
附录
1概述
在“十一五”期间，600MW超临界机组和1000MW超超临界机组在国家的大力支持下得到全面推广。
2007年世界银行的代表找到中国电力投资集团公司副总经理的张晓鲁，说现在看来，要减少燃煤发电的温室气体和污染物排放，最有效的技术就是超（超）临界发电技术要想充分利用燃料，并且最大限度的挖掘火电机组潜力，目前最可行的办法就是推广超临界火电技术。
超临界机组因具有的多变量、纯滞后、非线性、时变和强耦合的特性，想获得精确的数学模型困难重重。
需要采用科技含量更高的控制技术是确保机组运行于最佳状态的关键。
超临界机组能否稳定、经济运行，很大程度上取决于是否采用先进的控制系统。
燃烧料量控制系统的整定是处于非常重要的地位。
2燃烧控制系统
2.1燃烧控制系统的概念
燃烧过程是一个将燃料的化学能转变为热能，以蒸汽形式向设备（以汽轮机为代表）提供热能的能量转换过程。
超临界直流锅炉是典型的多输入多输出的强耦合系统。
通过输入的燃料量、送风量、引风量的变化达到调节主蒸汽压力、负荷、炉膛负压的目的。
因为锅炉所具有的各种特性，使得一种调节量的扰动会对各子系统造成扰动。
倘若仅仅改变系统中输入的燃料量，在影响主蒸汽压力的同时烟气含氧量和炉膛压力都会受到影响。
所以比值控制（如空燃比）、变定值和变参数调节是超临界直流锅炉的特点。
2.2燃烧控制的主要任务
（1）保证燃烧过程的经济性
保证燃烧过程的经济性是提高锅炉效率的一个重要方面。
目前是通过保持进入炉膛的燃料量与送风量之间的最佳比值（即风煤比）来确保经济燃烧。
即要保证有充足的空气让燃料完全燃烧，同时最大限度的降低排烟带来的热量损失。
（2）保证锅炉的安全运行
在机组的燃烧系统中，锅炉大多负压运行，这样可以减少密封问题，同时也大大降低熄火的可能性。
如果锅炉正压运行会引起炉膛内热烟气、灰尘的向外冒出，影响电厂的安全生产工作。
（3）维持主蒸汽压力稳定
锅炉蒸汽压力是一个代表锅炉运行状态的关键指标，压力是否稳定，除了直接关系到电厂的安全生产，还直接反折射出燃烧过程中能量供求关系。
在目前的运行方式下，考虑锅炉和汽轮机之间能量的总供需关系，这种供求关系一般用主蒸汽压力来表示。
汽压控制担负着将主蒸汽压力维持在一个恒定值。
（4）维持燃料系统正常运行
超临界锅炉中采用的直吹制粉式，燃料系统是燃烧系统的一个重要组成部分。
当机组燃烧率发生变化时，燃料控制系统必须迅速做出响应，在改变制粉系统的给煤量的同时，也要做好风量和燃料量的协调控制，保证系统的正常运行。
系统中磨出口温度控制最为关键，其出口温度高于定值时会造成起火，其出口温度过低会造成结露。
2.3燃烧控制系统的组成
锅炉燃烧过程自动控制主要包括三项控制内容:
控制燃料量、控制送风量、控制引风量。
为实现对燃料量、送风量和引风量的控制,相应的有三个控制系统,即燃料量控制系统、送风量控制系统和引风量控制系统。
以上三个控制系统之间存在着密切的相互关联,要控制好燃烧过程,必须使燃料量、送风量及引风量三者协调变化。
燃烧过程控制结构如图1所示：
图1燃烧过程控制构成
2.3.1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
、过剩空气系数
或最佳烟气含氧量、炉膛压力
）,其中主蒸汽压力
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
是燃料量
和送风量
是否保持适当比例的指标；炉膛压力
是送风量
和引风量
是否平衡的指标。
燃烧过程三个被调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1-2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2燃烧对象
2.3.2送风控制系统
风量-氧量控制虽然只是燃烧控制的一部分，但确发挥了举足轻重作用，担负着确保锅炉经济、稳定燃烧的任务。
锅炉在稳定状态下，根据主控指令的要求协调好入炉膛的燃料量和空气的供应量，保持合适的风煤比。
锅炉在增加负荷时，必须先增加送风量然后增加燃料量；降负荷时，燃料量的减少必须先于送风量，保证送风量大于给燃料量，达到空气与燃料之间相互限制的目的。
送风控制系统的作用就是为燃料的完全燃烧提供充足的氧气，其核心是保证风煤比。
送风调节过程实质是一个氧量调节过程，确保送入炉膛充足的氧量，能够让投入的燃料完全、充分的燃烧。
煤的燃烧是一个纯时延较大的过程，因为投入锅炉燃料量的变化，短时间内难以反应到主蒸汽压力上，主蒸汽压力不会发生突变，只会慢慢的改变。
同时由燃烧过程存在着一定的非线性，即整个系统的特性会随着负载的变化而改变，增加了控制的难度。
单回路控制难以保证燃烧的经济性。
2.3.3燃料量控制系统
燃料量控制系统承担满足负荷变化和控制主蒸汽压力稳定的重担。
在锅炉负荷以及给煤机转速恒定时，燃烧所产生的热量会因煤的品种变化而变化。
在本文中，为了便于仿真，假定煤的品种不发生变化。
在燃料量调节系统中，被调量是主蒸汽压力，调节量是各台给煤机的给煤量。
当前的负荷调节系统一般采用有着较高调节精度的串级调节系统。
燃料调节系统如图所示。
图2燃料量调节控制系统
副变送器主要是向给煤量调节器反馈给煤机当前的转速，副回路可快速消除燃料量的扰动。
主变送器将主蒸汽压力反馈给主蒸汽压力调节器，从而校正主蒸汽压力偏差。
将串级控制应用到燃料控制系统中，给煤量调节器实现粗条，主蒸汽压力调节器承担着细调的任务，调节精度、系统响应速度比单回路系统有一定提高。
主蒸汽压力动态特性是指锅炉燃料量发生变化时，随着时间的推移主蒸汽压力变化情况如图3所示改图表示的是阶跃扰动下主蒸汽从0到200s的变化情况，200s时蒸汽压力稳定在26Mpa。
图3主蒸汽压力动态特性曲线图
该动态特性具有滞后、二阶惯性和自平衡能力所以仍然采用二阶惯性加纯滞后的函数来表示用
去拟合：
则传递函数为：
。
2.3.4引风控制系统
为了保持炉膛压力在要求的范围内,引风量（单位时间内从炉膛引出的烟气重量）必须与送风量相适应。
炉膛压力的高低也关系着锅炉的安全、经济运行。
炉膛压力过低,会使大量的冷风漏进炉膛,将会增大引风机的负荷和排烟损失,炉膛压力太低甚至会引起内爆;反之,炉膛压力高且高出大气压力时,会使烟气冒出,不仅会影响环境卫生,甚至可能影响设备和人身安全。
3DCS控制系统
3.1集散控制系统的基本概念
集散控制系统又称分撒型综合控制系统（DCS）是对生产过程进行集中监视、操作、管理和发散控制的一种全新的分布计算控制系统。
该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，通过CRT装置、通信总线、键盘、打印机等，进行集中操作、显示和报警。
整个装置继承了常规仪表散控制和计算机集中的优点，克服了常规仪表功能单一、人机联系差，以及单台微型计算机控制系统危险性高集中的缺点，既在管理、操作显示三方面集中，又在功能、负荷和危险性三方面分散。
DCS不仅有完成原来模拟仪表的功能，而且大大超过模拟仪表，这里为它采用了先进的计算机技术、通信技术、CRT技术和控制等4C技术。
采用数字控制以后，控制器中预先存到ROM中的算法可以说是无限的，每一种算法代表一种功能。
这些功在模拟仪表中是用模拟仪线路来实现的，它受到模拟线路的漂移、电阻、电容等器件限制，作一个精度很高的模拟线路所能实现的功能。
在理论上是无限的，这是很大的进步，对各于种DCS系统其原理都是一样的。
通常称各种算法为功能块，功能块的总称能块库。
3.2集散控制系统的特点
1、层次化的设计充分体现了“控制分散、管理集中”的思想，成为DCS的重要特点。
根据DCS的规模可以将功能体系分为以下2-4层。
<1>过程控制级：
直接与现场各类设备（如变送器、执行机构等）相连对现场设备实施监测、控制、诊断和保护，同时通过总线与过程管理交换信息。
<2>过程管理级：
包括监控计算机及工程师工作站。
它综合监视过程各点的所有信息，集中显示操作，进行控制回路组态和参数修改。
<3>生产管理级：
管理计算机完成比系统控制模式更宽的操作和逻辑分析功能，协调各单元级的参数设计，实施协调策略等。
<4>工厂经营管理级，居于工厂自动化系统的最高层，它的管理范围很厂，包括工程技术、经济、商务等方面的功能。
对于某一具体集散控制系统的应用来说，并非一定具有四层功能不可，大多数电厂DCS只应用1-2层，在少数电厂使用第三层的功能，在大规模的控制系统中才应用完全的四层模式。
2、集中监视操作，便于科学管理。
操作人员能在操作室中通过操作直观、迅速、方便的监控整个机组的运行工况，控制机组的启动、停运和故障处理。
同时，利用计算机站实时共享整个系统的资源和计算能力强的功能，对整个机组综合的进行各种性能计算、分析和优化处理，提高机组的运行管理水平。
3、采用图像显示，完善人机联系。
在控制室中的多个操作站的CRT，能直观监视整个机组的运行工况，如机组的全貌显示、成组显示、测点的详细显示、用户定义的棒图显示、趋势显示及报警显示等。
操作人员通过CRT操作实施对生产过程的操作、控制。
4、控制范围可扩展，能在线进行系统组态和修改参数。
集散控制系统采用标准的硬件模块、标准I/O卡件、标准的接插件，因而系统的可扩性好，既适用于中小型机组，又适用于大型机组。
能在线进行系统组态，修改程序或非常方便的设定参数。
5、采用数据通信及分块控制，减少现场配线。
各个控制单元操作站、工作站等都平等地分别挂接在数据总线上，使各个站之间的数据传递既达到了高速，又保证其安全可靠。
由于对整个控制系统的全部I/O信号做了统盘考虑，避免了相同测点的重复引入，从面减少了一次元件、变送器和信号电缆，减少现场配线。
6、应用自诊断技术及冗余结构，提高控制系统可靠性。
集散控制系统具有完备的在线自诊断功能，当系统的主要硬件发生故障时，可在CRT上和模件LED上显示故障的部件及位置，并自动退出故障控制器。
对重要的设备，如电源、通信总线、控制器等均采用冗余结构（设备的双重化或多重化备用），从而提高系统的可靠性。
7、采用面向控制的语言，操作组态简单方便。
集散控制系统一般采用面向控制的语言，较流行的是使用功能块语言，工程师需从标准功能块库中选择合适的功能块，并将其连接起来，输入相应的参数，当控制器投入运行时，就能实现预想的控制要求。
因而对用户而言十分方便，无需懂得专业编程语言，就能实现自己的控制要求。
综上所述，先进的集散控制系统不仅功能齐全、组态灵活，而且比常规的模拟控制仪表系统具有更好的操作性和安全性。
我国大型火电机组都配置了先进的集散控制系统，提高了系统的自动化水平。
3.3基于DCS锅炉燃料量系统硬件设计
本控制系统规模小，由监控级、控制级和现场级三部分组成。
监控级由工程师站（suny工控机）和操作员站（suny工控机）组成；控制级由控制器PM860、通讯模块TU810、模拟量输入模块AI810、模拟量输出模块AO810和数字量输出模块DO810构成；现场级由测量变送器和执行机构组成。
监控级与控制级之间的通信网络选用以太网Ethernet，控制器与通信模块之间的连接选用Modulebus（光纤）。
该控制系统的工作原理：
AI810采集现场的过程变量，通过通讯模块送到控制器，控制器根据已设定的控制策略运算得出控制信号，控制信号经通讯模块到AO810，再到执行机构，执行机构动作，从而改变被控量按期望的方向变化。
DO810用来输出控制设备启停信号。
操作员站有丰富的外围设备和人机界面，操作员通过画面监视现场设备的运行状况。
在遇到紧急状况时，按规定流程进行手动操作。
工程师站负责进行控制系统的组态、控制模块参数的修改等工作，并能够将控制策略下装到控制器。
图4系统结构图
图5系统模型图
3.4设备选用表
序号
设备
数量
备注
1
SIMATICIPC547C
2
操作员站和工程师站
2
SD802F电源模件
2
24VDC、2.5A
3
TU810通讯模块
1
支持双绞线连接
4
AI810模拟量输入模件
2
模拟量输入8通道
5
AO810模拟量输出模件
1
模拟量输出8通道
6
DO810数字量输出模件
1
数字量输出8通道
7
AC800F控制器
2
与以太网兼容通信
8
DINRAIL导轨
1
安装通讯和I/O模件
9
插槽
2
安装控制器
10
SSNS-11010KG压力控制器
1
将主蒸汽压力信号转换为电信号
11
PTS126压力传感器
1
测量主蒸汽压力
12
GLD800给煤机
1
控制给煤量
13
GBB161.1E电动执行机构
1
改变给煤机挡板开度
14
KIMOCP300差压风速风量变送器
2
将风量信号转为电信号
15
TESTO405V1风速风量仪
2
测量引风量和送风量
图7工控机SIMATICIPC547C连接组件
图8硬件接线图
燃料量控制系统SAMA图如下，该系统为串级控制系统，热量信号DQ为主被调量，给煤机转速n为副被调量，锅炉指令LD为主调节器PI1的给定量，燃料调节器PI2为副调节器，给煤量为调节量。
稳态时，燃料产生的热量等于总燃料指令。
燃料调节器PI1的输出在加法调节器中加了微分作用后，通过手动/自动转换器T1作用到副调节器PI2，PI2接受给煤机的平均转速，当燃煤指令和给煤机的平均值信号不等式PI2调节器就有输出，该信号作用在给煤机的控制系统，使之改变给煤量，作为每台给煤机的负荷要求，当某台给煤机的输出与平均值不等，则通过比较器、转换器T4、加法器、转换器T2和转换器T3去修正给煤机A的给煤量。
转换器T1是用来实现只调节器PI1的手动/自动转换。
自动时T1选通A端；手动时选通B端。
转换器T2的作用是实现给煤机的手动/自动转换，每台给煤机可投自动，也可手动，也可因工作异常自动地切换成手动方式。
当T2选通时，转换器T4也自动地选通A端，这时给煤机A的内扰自动进行修正。
当给煤机A在手动方式运行时，转换器T2选通B端，这时转换器T4也自动选通B端，如有内扰需要修正给煤机A的给煤量，通过人工操作加减器修正给煤机A的给煤量。
转换器T3在给煤机A自动选通A端，当然燃烧器控制系统（BCS）来“给煤机A转速为最小”信号时选通B端，当有最大偏差限制（MDl）信号时选通C端；当T3选通C端时，转换器T5同时选通B端，使给煤机A在一定的速率限制下快速返回到25%的给煤量。
大值选择器的作用是使每台给煤机的最小给煤量为25%。
图9SAMA图
3.5系统组态
根据设计要求，组态部分可以用一个PIDloop来实现，具体步骤如下：
3.5.1设计一个PIDloop
1.插入ControlBasicLib到项目树。
右击CBM里的Library并选InsertLibrary。
添加完毕后，进入Applications程序部分，右击Connectedlibrary,选择连接库文件，在下拉框中选择连接ControlBasicLib-1.0-11.lbr。
2.进行策略程序部分设计，选择Applications，在Programs中有三个选项，fast、normal和slow，本次测试选用normal正常速度。
打开后的画面如下图所示，name部分为变量名，datatype中填写变量数据类型，description中填写变量的注释。
创建一个TAB,以功能块的方式插入此项PID。
然后插入一个PIDloop。
3.模块上有多条引脚，可以连接变量表中的变量，根据需要进行连接，但是有些引脚是必须连接变量的，如PID模块中的Pv，Out,和InteractionPar三个引脚。
如果空置，在编译的时候就会报错，无法完成控制任务。
连接以下参数：
Name,Sp,Pv,Out和InteractionPar。
3.5.2添加I/O模件
I/O模块的添加是在ModuleBus下添加的，选择添加单元InsertUnit，按照实际DCS机柜中各模件所在位置分别添加AI、AO、DI、DO模块，起始位置为101，如果有空着的底座，也必须把其位置空出来，严格遵循按号入座的原则。
3.5.3连接AI,AO通道
将PIDloop上的各个引脚与AI,AO模块连接起来。
3.5.4系统人机界面设计
1画面设计原则
（1）画面应尽可能简单清晰;
（2）画面不应过分闪烁或采用浅色背景，最常用的背景色是灰色和黑色;
（3）每个画面最上面一行或两行应该设计为运行员所关心的一般性信息，最下面一行或两行留作人机联系,，回送信息，提示信息或错误信息;
（4）所有的画面颜色应该统一使用以避免造成运行员的记忆混乱，所用颜色应该遵循行业有关规定;
（5）某些危险工况下颜色不应当是提供信息的唯一手段。
在改变颜色的同时应辅以闪光加线或加框的方法，以保证可靠性。
2设计步骤
（1）根据电厂实际结构设计初步框架。
（2）根据组态图指定按钮和动态变化值的变量。
（3）按照画面设计原则检查并改正。
3用户图形画面组态
（1）用户图形编辑界面
用户图形编辑界面包括标题行、菜单行、工具栏、图形编辑区、工具箱等。
在窗口中绘制静态图形。
2）绘制静态图形
（3）进行动画链接
利用动画连接进行图形与数据库的连接。
实时数据库：
锅炉燃料量控制的组态图
4模糊自整定PID控制器仿真燃料量控制系统
4.1模糊自整定PID控制器的设计
PID控制方案广泛应用于国内亚临界机组控制之中。
目前很多分国产600MW超临界和1000MW超超临界机组采用的控制算法仍然是PID控制算法。
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
但是对于超临界机组中惯性和延时较大的系统如送风系统和燃料控制系统，传统的PID控制器在实际运行中往往调节品质不佳，虽然各厂商采用了前馈-反馈控制和预估控制，能够从一定程度上提高调节品质。
但是当超临界机组工况发生较大化，传统的控制设备控制性能会有所下降，不能很好的进行目标值跟踪，同时
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