1、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
2、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
3、统；循环流化床；MCGS；DCSControl in Thermoelectricity Power-plant Boiler Based on MCGS Combustion Control SystemAbstractThe technique of combustion plays a great important role in the development of national economy especially in energy engineering. The consumption of the energy is instability increasing of
4、society and with the development of modern industry, the requirement of the energy become more and more obvious. In our country, the means which the energy utilized is unreasonable to some extent together with low efficiency, high waste, and the energy consume for unit production of the national eco
5、nomy is very high. Researches indicate that the reason results in these is various, among which low function efficiency of the burning equipment is the most important factor. Therefore it is essential to develop the new burning technique and increase function efficiency of the equipment.CFBB is a ne
6、w clean coal combustion technology that is of high efficiency and low pollution in the world. Compared with the pulverized-coal boilers, they are the same in the steam temperature control and the steam drum level control. But there are obvious differences in the combustion control system, and in the
7、 air flow control of the CFBB its to be sure that the bed temperature is in certain bound as well as the proportion of coal to control. Therefore, the bed temperature control system and bed pressure control system are peculiar to CFBB.This design takes the CFBB combustion control system as research
8、object，uses the cross and range limiting control scheme system for the combustion process, and uses the distributed control system (DCS) for the research and design of combustion control, The work provides a good trial on enhancing automation level of the CFBB. The following works are focused. And u
9、sing MCGS software for automatic control system to monitor and control.Key words: Combustion control system; Circulating Fluidized Bed Boiler; MCGS;Distributed Control System第一章 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（Distributed Control System）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
10、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 循环流化床锅炉结构循环流化床锅炉的结构如图 1 所示： 图 1 循环流化床锅炉系统结构图第三章 双交叉限幅燃烧自动控制系统3.1 单交叉燃烧自动控制系统在工业上对锅炉的燃烧系统曾采用简单的单交叉限幅燃烧控制方案，该方案是以汽压调节的输出信号 A 作为主信号对燃料流量和空气流量控制系统的给定值进行设定。具
11、体控制方框如图 3.2 所示。在该控制方式下，燃料流量设定信号总是选择主信号 A 和现空气流量信号经换算和设定发烟区域间隔 后而求得的发烟临界值，即燃料流量容许信号 B 的较小值。空气流量设定信号 则是主1K ASq控信号 A 和现燃料流量信号 经发烟区域间隔 的设定后而求得的发烟临界空气流量容许信号 CFq2K的较大值再乘以换算系数 和空气过剩率 之后的信号。显然，燃料流量设定值不仅受 A 的影响，S亦受 B 的影响。同理，送风量设定值不仅受 A 的影响而且受 C 的影响。图 2 单 交叉燃烧控制系 统观察图 2 可知：在最初的正常状态下有 AB 的关系，所以燃料设定信号 选择了 A，但在负
12、FSq荷急增使 A 急剧上升后，由于空气流量控制系统的滞后，使得过渡状态下出现 BA 而有 B，FS此后若重新进入正常状态，主信号 A 将再次出现小于 B 的状态而使 A。在负荷急剧减少时，AFS将迅速下降，此时由于空气流量控制系统的滞后而使 B 呈现大于 A 的状态所以此与正常状态下一样有 A。FSq从另一方面来看，由于空气流量控制系统在负荷正常和负荷急剧上升的过渡状态下有 AC，所以空气流量设定信号将选择高值信号，于是有 A。当负荷急剧减小时，将由于燃料控制系Sq统的滞后，而在过渡过程中出现 AC，于是选择高值信号而有 C，再度进入正常状态时又将ASq出现 AC，而有 A。Sq综上所述可以
13、看到，实际的空气过剩率 在正常状态下与设定值 相等，但在负荷急增的过S渡状态下，将下降到 （设定时 ）而在负荷急降时，空气过剩率 的上升量仅取决于1SK12燃料系统和空气系统的响应速度之差。系数设定一般取 ，空气过剩率 的设定应使 与燃烧发烟限制值相吻合，具体数12S1SK值可在现场整定，变换系数 可根据所选的变送器量程上限求得，有,maxFAqPCFCALSq K1qFCHS sqC-K2SP 燃 料fs B Aa空 气q式中： 为燃料流量测量范围上限， ； 为空气流量测量范围上限，,maxFq3/Nmh,axAq；a 为燃料的单位理论空气量， 。3/Nh单交叉方案投运后，控制效果良好，炉压
14、稳定，能耗下降，已基本满足工艺要求，总结该系统的特点主要有以下几点：（1）负荷急增时会有空气先行增加的控制，而负荷急减会有燃料先行减少的控制，从而防止了黑烟发生，节能效果好；（2）可有效的防止供气系统出现故障所造成的燃料过剩。但该方案存在的问题是在负荷急剧下降时，空气过剩处于一种完全不能控制的自由状态，由此致使：（1）过渡状态下会存在过剩空气所造成的热损失；（2）燃料流量调节阀关闭情况下，将出现瞬时空气大量过剩而使炉温下降。为解决上述问题，我们又将原方案进行了改进，实施了双交叉限幅燃烧控制方案，事实证明效果更好。3.2 双交叉限幅燃烧自动控制系统双交叉限幅燃烧自动控制系统（如图 3 所示） 。
15、双交叉燃烧控制是以维持合适的空气、燃烧比值为手段，达到燃烧时始终维持低过剩空气系数，从而保证了较高的燃烧效率，同时减少了排烟对环境的污染。双交叉燃烧控制实际上是以炉压调节为主回路，以燃烧流量和空气流量调节并列为副回路的串级调节系统，加上高、低信号选择器、高低信号限制器组成的带有逻辑功能的比值调节系统。它的主要作用是当热负荷变化，导致炉子负荷发生变化，以维持炉压在给定值上，而且使燃烧工况始终处于低过剩空气系数的经济合理状况。由图可知，由空气流量测量值 F2 和负偏置( -k2) 确定燃料流量的下限值 B; 由空气流量测量值 F2 和正偏置(k1) 确定燃料流量的上限值 C; 由燃料流量的测量值
16、F1 和正偏置 k4 确定了空气流量( 折合到燃料流量当量 ) 的上限值 B;由燃料流量的测量值 F1 和负偏置 ( -k3) 确定了空气流量(折合到燃料流量当量) 的下限值 C。下面分三种情况进行讨论： FTF1C PCHLMHSE1LSE1 LSE2HSE2K4-K3KF2CK-K2 FYFT空 气 A炉 压BC炉 压 调 节PYPT蒸 汽PT燃 料图 3 双交叉限幅燃烧自动控制系统当系统稳定工作时，炉压稳定在给定值上,炉压调节器的输出信号经过高低限模块 HLM、LLM 后，又分别通过燃料调节系统的高、低选模块 HSE1、LSE1 和空气调节系统的 HSE2、LSE2，相应地加到燃料流量调
17、节器 FC1 和空气流量调节器 FC2 作为它们的给定值，使燃料流量和空气流量自动调节到正常数值上，从而保证炉压维持在给定值上。在稳定工况下，所有高选、低选和高限、低限模块，对主控制信号不起限制作用。当炉负荷 A 急剧下降时,A 信号与 B 在高值选择器 HS1 比较后,取大信号 B, 然后 B 与信号 C 在低值选择器 LS1 比较选择其中的小信号 B 作为燃料流量设定值,即燃料量取下限值; 与此同时,A 与信号 B在低值选择器 LS2 比较选择其中的小信号 A, 然后 A 与 C在高值选择器 HS2 比较选择其中大信号 C,作为空气流量设定值,做到燃料量领先减小,空气流量也减小而又不会冒黑
18、烟。由于空气流量设定值在动态过程中按信号 C变化,但信号 C大于 A ,因而限制了负荷急剧下降时剩余空气系数的上限值。当炉负荷急剧上升时, A 信号增大, 与信号 B通过低选择器 LS2 比较选择较小的信号B,B与 C在高选择器 HS2 比较后,选择大的信号 B,即空气流量取按燃料流量确定的上限值,使空气流量领先增加,但不超过上限值;与此同时, A 与信号 B 在高选择器 HS1 比较,选择较大的信号 A, 然后 A 与 C 通过低选器 LS1 比较选择小者 C( 按空气流量确定的燃料流量的上限值) 作为燃煤流量的给定值。但注意到一般选择 k1 k4 , 防止了燃料供应过多冒黑烟的现象。实践结
19、果表明,k1 k4 的取值与系统的负荷响应性能和节能效果有关。从节能的观点着想,k1 和 k2 的值愈小愈好,但这样一来会恶化系统负荷响应的性能。此外,由于燃料、空气流量测量系统中测量值的随机波动是不可避免的,为了防止由此而引起的高低值选择器不必要的频繁切换给系统带来的扰动, 因此系统必须设置相应的死区, 即需有相应的 k3 和 k4 值。所以 k1 k4 的值要根据实际情况和控制要求在调试中确定。一般取 k1= k3 ,k2= k4 。设炉子在额定工作状态下, 空气过剩系数 为设定值 。若 1.05 , 取 k1=0.03 ,k3=0.05 , 则 1.02 1.10,即在S 最佳燃烧区,这
20、就是说,双交叉限幅控制能够既在静态又在动态过程中始终保持空燃比在最佳范围内,无论负荷如何变化,剩余空气系数总能控制在确定的范围内,在最佳的低氧燃烧区。3.3 烟气含氧量的闭环控制系统在双交叉限幅燃烧控制系统中，加入了烟道气氧含量的一个控制回路。这是一个以烟道中氧含量为控制目标的燃烧流量与空气流量的变比值控制系统，也称烟气氧含量的闭环控制系统。这一控制系统可以保证锅炉最经济燃烧。在整个生产过程中保证最经济的燃烧，必须使得燃料和空气流量保证最优比值。上述方案中保证了燃料和空气的比值关系，但并不能保证燃料的完全燃烧控制。因为，其一，在不同的负荷下，两流量的最优比值不同；其二，燃料的成分（如含水量、灰
21、分等）有可能会变化；其三，流量测量的不准确。这些因素都会不同程度地影响到燃料的不完全燃烧或空气的过量，造成锅炉的热效应下降，这就是燃烧流量和空气流量定比值的缺点。为了改善这一情况 ，最简单的方法是有一个指标来闭环修整两流量的比值。目前，最常用的是烟气中的含氧量。（1）锅炉的热效率锅炉的热效率主要反映在烟气成份和烟气温度这两个方面。烟气中各种成份，如 、 、2OC和未燃烧烃的含量，基本可以反映燃料燃烧的情况。最简单的方法是用烟气中含氧量 来表CO A示。根据燃烧反应方程式，可以计算出是燃料完全燃烧时所需的氧量，从而得知所需空气量，称为理论空气量 。而实际上完全燃烧所需要的空气量 ，要超过理论计算
22、的量，超过理论空气量的TQPQ这部分称为过剩空气量。由于烟气的热损失占锅炉的大部分，当过剩空气量增多时，一方面使炉膛温度降低，另一方面使烟气损失增加。因此，过剩空气量对不同的燃料都有一个最优值，以满足最经济燃烧的要求，如图 4 所示。对于燃料最优过剩空气量约为 815。图 4 过剩空气量与能量损失的关系过剩空气量常用过剩空气系数 表示，定义为实际空气量 和理论空气量 之比PQTPT因此, 是衡量经济燃烧的一种指标。过剩空气系数 很难直接测量，但与烟气中氧含量有关，可近似表示为OAO21-图 5 显示了过剩空气系数 与烟气含氧量 、锅炉效率的关系。当 在 11.6 范围内，OA与 接近直线关系，
23、 这样可根据图 3.5 得到当在 1.081.15（最 佳过剩空气量约为815）时， 烟气含氧量 的最优值为OA1.63。从 图 3.5 也可以看到，过剩空气量约为 815时，锅炉有最高效率。40200-20 烟 气 热 损 失最 高 效 率 区不 完 全 燃 烧 的 损 失总 能 量 损 失10806040200010203040642CO过 量 CO2锅 炉 效 率图 5 过剩空气量与含氧量，CO 及锅炉效率的关系（2）烟气含氧量的闭环控制系统图 6 烟气含氧量的闭环控制系统图 6 所示为锅炉燃烧过程的烟气含氧量的闭环控制方案。在这个方案中，含氧量烟气 作为OA被控变量。当烟气中含氧量变化
24、时，表明燃烧过程中的过剩空气量发生变化，通过含氧量控制器来控制空气量与燃料量的比值 ，力求使 控制在最优设定值，从而使对应的过剩空气系数 稳定KOA在最优值，保证锅炉燃烧最经济，热效率最高。可见，烟气含氧量闭环控制系统是将原来的定比值改变为变比值，比值由含氧量控制器输出。实施时应注意，为快速反映烟气含氧量，对烟气含氧量的检测变送系统应选择正确。目前，常选用氧化锆氧量仪表检测烟气中的含氧量。3.4 炉膛负压及安全控制系统（1）炉膛负压控制系统为了防止炉膛内火焰或烟气外喷，炉膛中要保持一定的微负压。炉膛负压控制系统中被控变量是炉膛压力（控制在负压） ，操纵变量是引风量。当锅炉负荷变化不大时，可采用
25、单回路控制系统。当锅炉负荷变化较大时，应引入扰动量的前馈信号，组成前馈反馈控制系统。例如，当锅炉负荷变化较大时，蒸汽压力的变动也较大，这时，可引入蒸汽压力的前馈信号，组成如图 7（a）所示的前馈反馈控制系统。若扰动来自送风机时，送风量随之变化，引风量只有在炉膛负压产生偏差时，才由引风调节器去调节，这样引风量的变化落后于送风量，必然造成炉膛负压的较大波动。为此可引入送风量的前馈信号，构成如图 7（b）所示的前馈反馈控制系统。这样可使引风调节器随送风量协调动作，使炉膛负压保持恒定。燃 料 蒸 汽 空 气 烟 气 含氧 气 量 最 优值FT PTF2TATACFYPCF1CLSHSF2C燃 料 空
26、气1.6%3图 7 炉膛负压前馈反馈控制系统（2）防止回火的连锁控制系统当燃料压力过低，炉膛内压力大于燃料压力时，会发生回火事故。为此设置如图 8 所示连锁控制系统。采用压力开关 PSA，当压力低于下限设定值时，切断燃料控制阀的上游切断阀，防止回火。图 8 防止回火的连锁控制系统3）防止脱火的选择控制系统当燃料压力过高时，由于燃料流速过快，易发生脱火事故。为此，设置燃料压力和蒸汽压力的选择性控制系统，如图 9 所示。正常时，燃料控制阀根据蒸汽负荷的大小调节。一旦燃料压力过高，燃料压力控制器 P1C 的输出减小，被低选器选中，由燃料压力控制器 P1C 取代蒸汽压力控制器，防止脱火事故发生。图 9 防止脱火的选择控制系统图 10 给出了防止回火和脱火的系统组合，并设置回火报警系统。蒸 汽 压 力 炉 膛 负 压 炉 膛 负 压PT PYPYPC (a)蒸 汽 压 力 前 馈 引 风 FT PYFYPC引 风送 风 量 (b)送 风 量 前 馈控 制 阀 切 断 阀PTPSAS燃 料P2CP1CLS燃 料 蒸 汽P2C蒸 汽 LS 燃 料P1CHSminQ图 10 防止回火和脱火的系统组合第四章 MCGS 监控系统图MCGS 组态工作平台如下（图 11）锅炉燃烧控制系统图如下（图 12，实时数据库（图 13）：图 11 工作平台
