蒸汽锅炉自动化设计方案

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1、目 录1 概 述21.1 简介21.2 项目背景41.3 节能分析51.3.1 节煤分析51.3.2 节电分析62 系统方案82.1 设计原则82.2 配置原则102.3 系统结构122.4 系统优点132.5 功能简介14 自动调节功能14 手动功能15 检测功能16 连锁与报警功能17 软件监控183 控制方法简述223.1 概述223.2 各控制回路的介绍244 系统工程条件344.1 引用的规和标准344.2 工作环境条件344.3 电源系统354.4 系统接地354.5 系统可靠性指标365 近二年主要工程业绩371 概 述1.1 简介锅炉是全厂重要的动力设备,其任务是供给合格稳定的

2、蒸汽,以满足负荷的需要。我国现有大、中型锅炉30多万台,每年耗煤量占我国原煤产量的2/5,另有更多的小型采暖锅炉,普通存在高能耗、低效率、大浪费和环境污染严重供暖现状。锅炉计算机控制,是近年来开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物,利用计算机与变频自控技术对锅炉生产过程的各个主要参数都必须严格控制,锅炉设备是一个复杂的控制对象,主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风量。主要输出变量包括汽包水位、过热蒸汽温度及压力、烟气氧量和炉膛负压等。因此锅炉是一个多输入、多输出且相互关联的复杂控制对象。 锅炉控制的控制方式大体分手动仪表控制和

3、微机自动控制两种方式,锅炉采用微机自动控制和原有的仪表控制方式相比具有以下明显优势： 1. 直观而集中的显示锅炉所有运行参数。能快速计算出锅炉在正常运行和启停过程中的有用数据,并在显示器屏上同时显示锅炉运行水位、压力、炉膛负压、烟气含量、测点温度、消耗量等数十个运行参量的瞬时值、累计值及给定值,并能按需要在锅炉的结构示意画面相应位置上显示出参数值。给操作人员以直观形象,减少观察的疲劳和失误； 2. 可按需要随时打印或定时打印各种参数和数据,能对运行状况进行准确地记录,便于事故追查和分析,防止事故的瞒报漏报现象； 3. 可在运行中随时方便的修改各种运行参数的控制值,并修改系统的控制参数,达到最佳

4、运行工况； 4. 减少了显示仪表,控制软件代替了许多复杂的仪表单元,例如加法器、微分器、滤波器、限幅报警器等,从而减少了投资也减少了故障率； 5. 提高锅炉热效率。从已在运行的锅炉来看,采用计算机控制后热效率可比以前提高5-10%,据用户统计,一台30T的锅炉,全年平均负荷70%,以平均热效率提高5%,计全年节煤800吨,按每吨煤380元计算每年节约304000元左右； 6. 锅炉系统中包含鼓风机,引风机,给水泵,等大功率电动机,由于锅炉本身特性和选型的因素,这些设备大部分时间非满负荷运行,原有方式采用阀门和挡板控制流量,浪费比较严重。通过对风机水泵进行变频控制可以平均节电达到30%-40%；

5、 7. 锅炉是一个多输入多数出、非线性动态对象,诸多调解量和被调量间存在着耦合通道。例如当锅炉的负荷变化时,所有的被调量都会发生变化。故而理想控制应该采用多变量解偶控制方案。而建立解偶模型和算法只有通过计算机实现比较方便； 8. 微机控制系统经扩展后可构成分级控制系统,可与工厂其他节点构成工业以太网。这是企业现代化管理不可缺少的； 9. 作为锅炉控制装置,其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行,减轻操作人员的劳动强度。在采用计算机控制的锅炉控制系统中,有十分周到的安全机制,可以设置多点声光报警,和自动连锁停炉。杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。 综合以上所述种种优点可以预见采用计算机控制锅炉

6、系统是行业的大势所趋。利用计算机来提高锅炉自动化水平,对节能、环保安全等诸方面意义重大,符合国家节能环保的发展要求。12 项目背景 锅炉房现有：2台20T/H蒸汽锅炉和1台15T/H蒸汽锅炉,手动操作仪表盘3套,变频驱动柜3套,其它附属控制箱若干。进行改造后需拆除锅炉主控制室的原有操作盘及仪表盘和附属相关设备,增加三套PLC控制系统盘和一套计算机控制盘,结合原有变频驱动柜组成PLC的监控系统,实现对2台35T/H和1台15T/H锅炉运行状态、各项参数的监视和锅炉参数的自动控制。 工程围大概包含以下几部分：1) 锅炉房自动化控制系统整体设计；2) 锅炉仪表操作盘及仪表传感器制作与安装；3) 3台

7、锅炉控制与仪表电缆电线及桥架敷设；4) 锅炉控制软件的编制与调试；1.3 节能分析对用户来说,稳定高效节能的系统才是受欢迎的,才能有发展前力。节能效果高低是关系用户的切身利益,也是我们一致追求的目标。我们大致计算一些供暖相关数据供贵方参考。1.3.1 节煤分析我们20XX在对供暖公司40T锅炉运行东丰锅炉厂检测,其结果如下：节约前： 省煤器后过剩氧O2=10% ；鼓风机入口处温度Trk=20；空气预热器后温度Tpy=200；根据英国排烟热损失计算公式如下：q2=3.5521%/21%O2+0.44/100带入上式如下： q2=3.5521%/21%O2+0.44/100 =3.551.91+0

8、.441.8 =6.78+0.441.8 =12.996% =13%上了自动控制系统之后：O2=4% 其他温度都不变Q2=3.5521/21-4+0.441.8=3.551.235+0.441.8=4.831.8=8.69%前后排烟热损失差为： q2=q2q2=13%-8.69%=4.31%3台锅炉计算数据为：3台锅炉总吨位55T/H一小时计算耗煤量公式：55T150Kg/h=8.25T/h 注：锅炉每吨位小时耗煤150公斤1小时节煤为：8.25T/h4.31%=0.3555T/h取暖一天按8小时,天数按350天算,每吨煤价按350元,锅炉房每年可节煤费用为：=350元/T0.3555/h8小

9、时/天350天=348,390元1.3.2 节电分析由于鼓、引风电机及采用变频控制技术使整个控制系统的线性度、可靠性得到了大大提高,除此以外系统具备以下优势：1、 节能效益明显2、 降低了运行成本3、 减少大电机启动对电网的冲击,同时延长电机使用寿命4、 提高了自动化程度5、 节省控制柜、减少了维护难度。节电费用计算公式：F1=P1+P2T1T2KF其中：P1：引风机功率20T：110KW,15T：90KWP2：鼓风机功率20T：30KW,15T：22KWT1：鼓、引风机每天运行时间按8小时取T2：年运行天数按350天取K：鼓、引风机频率调节系数N1/N=0.350.65 按0.35取F：单位

10、电价0.48元/kwh因此运行40T/H锅炉每年可节电费用为：F1=1102+90+302+2283500.350.48=184,396元由于锅炉已上变频,此数据仅在原来工频的基础上计算出来的,由以上节煤分析来看,用最保守方法估算,锅炉房运行一年就可收回投资近34万元,所以从提高效率、节能能源、减轻劳动强度等长远角度是值得投资的。2 系统方案2.1 设计原则锅炉微机控制系统,一般由以下几部分组成,即由锅炉本体、一次仪表、PLC、上位机、手自动切换操作、执行机构及阀、电机等部分组成,一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机。控制系统包括手动和自动操作部分,手动控

11、制时由操作人员手动控制,用操作器控制变频器、滑差电机及阀等,自动控制时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行,除此以外为保证锅炉运行的安全,在进行微机系统设计时,对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置,以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置,以免锅炉发生重大事故。微机控制系统由工控机、显示器、打印机、PLC、手操器、报警装置等组成,能完成对给水、给煤、鼓风、引风等进行自动控制,使锅炉的汽包水位、蒸汽压力保持在规定的数值上,以保证锅炉的安全运行,平稳操作,达到降低煤耗、提高供送汽质量的目的,同时对运行参

12、数如压力、温度等有流程动态模拟图画面并配有数字说明,还可对汽包水位、压力、炉温等进行越限报警,发出声光信号,还可定时打印出十几种运行参数的数据。以形成生产日志和班、日产耗统计报表,有定时打印、随机打印、自定义时间段打印等几种方式。锅炉控制系统的硬件配置,目前有几种,功能较好首推可编程序控制器PLC,适合于多台大型锅炉控制,由于PLC具有输入输出光电隔离、停电保护、自诊断等功能,所以抗干扰能力强,能置于环境恶劣的工业现场中,故障率低。PLC编程简单,易于通信和联网,多台PLC进行及与计算机进行,实现一台计算机和若干台PLC构成分布式控制网络,另外使用PLC加上位机的控制系统具有很好的扩容性,如需

13、要增加控制点或控制回路只需添加少量输入输出模块即可,为以后的控制系统升级改造和其他功能的添加打下良好基础,也为以后一机多炉控制系统等其他工厂级自动化网络打下良好基础。虽然,从短期的角度看价格稍高,如果从长远观点看,其寿命长,故障率低,易于维修,值得选用。在本方案中我们充分考虑到下面的几个问题1、方案的先进性：设计方案符合目前控制系统的发展潮流,采用国际先进的硬件、软件技术。2、可靠性：硬件系统选用德国西门子SIEMENS公司的S7-200控制器,该公司的产品是世界一流的。软件选用国亚控公司的组态控制软件,该公司产品是国功能最强大的、最专业的、最成熟的混合组态控制软件。 3、实用性：采用合理的配

14、置、低的价格,满足基地需要。4、操作维护方便：操作站人机界面充分考虑了操作员的方便和习惯。5、可扩展性：用户可方便地增加新的锅炉、换热站以及管理计算机。6、通讯网络：采用目前流行的工业现场总线。可使热源厂、换热站组成区域网,同时具备联网的条件。本技术方案参考了以往锅炉控制系统及锅炉相关技术参数。根据我单位多年的工程实践和贵方改造工程的实际运行情况,通过与SIEMENS公司高性能控制器与我单位先进的控制策略相结合完全能够满足锅炉的控制要求,尤其是核心控制部分。2.2 配置原则本方案由计算机控制系统、可编程控制器、后备手操台、变频控制柜已有及仪表传感器等组成。（1） 计算机控制系统由一台工程师站和

15、一台操作员站组成,计算机采用研华高性能工业专用控制计算机EVOC-5000,其配置为P4-2.0CPU以上、256M存、40G硬盘、21彩色显示器、40速DVD-ROM、3.5软驱、100/1000M自适应以太网卡、Windows XP中文版一套、操作员键盘触摸防水防尘键盘和组态王的工程师站、操作员站软件。（2） 可编程控制器采用西门子公司的S7-200中小型控制系统,该控制器具有分散控制,组成灵活等特点,具备较高的可靠性、免维护性。（3） 后备手操盘每台锅炉设置一台手操台,元器件采用品质优良的进口件,保证设备使用寿命,配线方法采用标准配法,符合国家安全标准,手操台上设置必要的显示仪表、指示灯

16、、手操器和按钮。（4） 变频控制柜 鼓风、引风、炉排、除渣、上煤采用11控制方式,并具备自动变频调速和手动软启动功能,柜体采用国家标准GGD柜生产。操作面板上设置必要的本地操作显示仪表、指示灯和按钮。原有变频设备不更换,控制线路按现行设计方案进行一些必要更改。（5） 仪表传感器锅炉主蒸汽压力、锅炉水位、炉膛温度、排烟温度、省煤器出口温度、炉膛负压等现场信号,采用各类传感器经信号变送器转换成420MA电流信号避免干扰再经可编程序控制器处理进入计算机,作为监控、控制、显示等依据。关键测点的仪表采用进口产品,其他测点采用合资或国产品。u 水电煤检测仪表这些仪表来自中外合资企业生产的,具有安装维护方便

17、,计量准确等特点。u 压力温度检测仪表压力变送器、差压变送器、微差压变送器和温度变送器选用进口1151系列智能化变送器及合资公司优质产品。u 显示及盘装仪表采用合资公司的万能仪表,调试和维护相当简便。2.3 系统网络结构整个系统按三级网络设计,系统主机设置在主厂房锅炉控制室。根据本工程规模需要系统最好配备一个现场控制站I/O站和一个操作员站及一个工程师站,本工程不单独配置工程师站,其功能由操作员站兼任,现场控制站和操作员站通讯采用PPI多点接口网络；对前期工程的3台锅炉的监控通过PROFIBUS总线采用远程I/O站的形式,这样既可以保证设备就地监控,又可以避免信号衰减、干扰,还可以减少线缆购买

18、及敷设的费用。远程监控系统采用标准以太网通过铺设光缆的方式进行数据传输,在调度室上设置一台远程监控站和现场同步数据传输和更新；在技术部、副总经理、总经理办公室分别设置一台远程浏览站,可以通过IE浏览器监视系统的运行情况。系统结构图如下：技术办公室图2-1 系统结构图2.4 系统优点1依据主蒸汽压力自动计算控制负荷、自动补偿,根据运行燃烧工况,自行调整鼓、引风机以及炉排机的转速,从而实现精确供热控制,使锅炉始终在最佳工况状态下运行,避免大马拉小车的能源浪费。 2自动化程度的提高可以减少工人数量,节约人工费开资,利用自动控制系统实现自寻优控制,节煤,节电,节水,综合经济效益显著,运行费用节约30-

19、50%详细参考节能分析。3按照设定参数运行,自动启停炉,自动临测与报警,防止锅炉跑冒滴滴等现象,减少劳动强度。4设备各项保护功能齐全,并自动提供报警信息以及故障解决方案,提高了设备的运行安全。5自动生成各种运行报表班报、日报、月报,累计设备运行时间,随时可通过计算机查看和控制锅炉运行状态,并对各种参数进行曲线分析,便于运营成本的分析和控制。6由于燃烧效率的提高而减少有害物排放量,减轻环境污染。7变频调速的应用使主要鼓、引风机、炉排机和循环水泵可变频调速控制,使得锅炉的燃煤量可连续调节,同时大电动机的零带速软启动,大大减轻设备对电网的影响,也降低了设备故障率,使整个设备安全系数有了大幅度提高,增

20、加了设备使用寿命。2.5 功能简介1、自动调节功能1主蒸汽压力控制锅炉燃烧系统自动调节的基本任务,是使燃料燃烧所产生的热量,适应蒸汽负荷的需要。燃烧调节是以主蒸汽压力为主调量,采用风-煤配比控制,通过调节炉排转速和鼓风机频率使蒸汽压力尽快达到设定要求,同时还要保持经济燃烧和锅炉的安全运行。目前,中小型煤粉炉控制系统效果不佳主要体现在送风和给煤控制上。送风控制系统应与给煤控制相协调,控制在一定的风煤比,采用烟气含氧量修正风-煤配比,维持燃烧处在最佳燃烧状态,采用时序设定方式,根据不同要求时间自动改变蒸汽压力设定值,以达到较佳的燃烧工况,实现经济运行。2炉膛负压控制炉膛负压反映了送风量与引风量之间

21、的平衡关系,目标就是要保证锅炉在运行过程中,始终保持在微负压的稳定状态,以保证其安全有效运行,负压调节根据炉膛负压信号及鼓风量信号构成前馈-反馈控制,调节引风机电机频率,使炉膛负压保持在一定的围-20Pa。3汽包液位控制锅炉给水自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量,并使汽包液位保持在工艺允许的围。液位控制采用三冲量控制方法,即以给水流量、主蒸汽流量作为补充信号的三参数控制系统。其中三冲量调节系统还可分为三冲量单级调节和三冲量串级调节,水流量调节由室外温度变化和供回水温差,通过变频器调整循环水泵转速,从而达到控制供水流量的控制方法。4过热蒸汽出口温度控制过热蒸汽的温度是锅炉生产过程的重要参数

22、,一般由锅炉和生产的工艺确定。从安全生产和经济技术指标上看,必须控制过热蒸汽温度在允许围之。在35T锅炉计算机控制系统中,通常调节手段是改变减温水流量,在结构上,采用一个的单回路控制系统,通过锅炉的进水系统中锅炉的减温水阀控制给水量,进而控制蒸汽温度。2、 手动功能1参数显示功能：仪表盘上装有后备显示仪表可对系统重要工艺参数进行显示。2手动控制功能：在控制系统中手动控制不可忽视,在初期调试和正常运行后,一旦自动系统的部分模块出现任何问题都可及时切换到手动操作和控制,而且手操器有数字光柱显示,可方便地知道电动执行器或电动调节阀的位置,从而保证了整个系统的正常运行。仪表盘上装有后备手操器,可对系统

23、进行远程手操。当手操器上的手/自动开关拨于自动位置时,为计算机控制。手动与自动切换为双向无扰切换。为确保锅炉在系统或远程控制系统出现故障时仍能使锅炉系统维持安全运行,我们在系统设计时使用了后备操作器,使我们的系统提供了能实现系统与仪表控制系统或手动操作系统、远程与就地的平稳和无扰切换功能,在系统故障排除后可平稳、无扰地切换为微机自动控制。3、 检测功能1温度：l 锅炉省煤器入口温度l 锅炉省煤器出口温度l 锅炉出口蒸汽温度l 空气予热器前温度l 锅炉炉膛温度l 炉膛出口烟温2压力：l 锅炉主蒸汽压力l 系统补水压力l 锅炉炉膛负压l 鼓风机出口风压l 引风机前负压l 炉膛出口压力3其它：l 鼓

24、风机转速l 引风机转速l 炉排机转速l 系统用水量l 设备耗电量l 锅炉耗煤量l 设备启停状态指示4、连锁与报警功能1连锁参数l 锅炉出口蒸汽压力上下限报警连锁停炉l 锅炉省煤器出口温度上限报警连锁停炉l 炉膛温度上限报警连锁停炉l 鼓风、引风变频及炉排上电与远传信号的连锁关系是：启动：引风鼓风炉排停止：炉排鼓风引风并留有与超温、超压的连锁接口2报警参数l 锅炉出口蒸汽压力上下限报警l 锅炉省煤器出口温度上下限报警l 炉膛温度上限报警l 系统供水压力上下限报警l 锅炉水位高低限报警l 炉膛负压上下限报警l 变频故障报警指示5、 软件监控具有主要工艺参数的监控、报警、历史曲线的显示、报表打印、信

25、息上传、控制参数修正等功能。其结构如图2-2所示。系统总貌参数设置实时数据历史曲线报警信息报表打印运行记录数据查询消耗统计用户管理1#炉工艺3#炉工艺2#炉工艺图2-2 软件结构图操作人员通过流程画面上的提示信息和窗口信息,利用鼠标器逐层选择即可方便地进行诸如手动/自动切换,遥控操作,流程画面之间的切换,报表的打印等操作。除非想利用一些特殊功能键来实现快速操作,否则,所有的操作不必借助键盘。保证了操作的单一性,方便性和可靠性,便于用户掌握。操作站的组态软件CONFIG包括连续控制图、顺序控制图、梯形逻辑图、设定点程序、处方和上/下装软件,使用这些组态软件可对控制器进行组态；使用绘图软件DRAW

26、可在屏幕上绘制工艺流程、工艺参数、报警状态；使用显示软件VIEW在屏幕上显示以绘制好的工艺流程、工艺参数、报警状态；用数据采集软件COLLECT来搜集所采集的数据；用历史趋势软件HISTORY来显示工艺参数的历史趋势；用特殊的EXCEL软件来打印报表；它还可以设定多种安全级别,即根据每个人的工作职务决定其操作的操作权限,保证了控制系统的安全运行,防止了无权人员的误操作。为了形象地监视、分析和操作整个锅炉控制过程,共生成了锅炉燃烧控制系统、主蒸汽压力调节系统、炉排控制系统、炉膛负压控制系统、自动补水系统、上煤及除渣系统设备运行状态、排烟污染情况监测等动态流程画面。另外,为了方便开车调试、事故分析

27、、控制方案修改,还设置了总貌画面、报警显示画面、棒图显示画面、调整参数画面、报表打印画面、实时趋势、历史趋势画面和系统自检画面。1 流程画面：以流程图的形式,通过图形符号的颜色变化、闪烁等方式,动态显示锅炉的运行状态,操作人员可通过此画面直观了解锅炉的各工艺参数。2 工艺参数画面：将PLC采集来的各工艺参数与其对应的名称、位号以表格形式实时的显示出来。而且通过检测到的参数及其他输入参数,可显示对锅炉正平衡热效率所进行的实时计算、累积、对比结果等,用以考核运行人员的工作情况。3调节画面：将系统各控制回路的运行状态和有关参数以调节棒图的形式显示出来。操作人员利用键盘或鼠标方便地对各控制回路的控制参

28、数SV、P、I、D等进行在线修正。也可对控制回路进行自动/手动切换,实现遥控操作。4 报警画面：用于记录何时何处有何报警,以便有关人员查询。同时实现安全联锁控制,报警及事故处理自动控制,并具有自诊断、自恢复功能。5 历史趋势画面：用于记录系统主要工艺参数,一班、一天、一个月或一个供暖期的数据,以曲线的形式显示出来,包括温度连续图、流量连续图等,以便管理人员检查,分析锅炉及整个供暖期的运行状态,为今后生产管理提供真实的数据。注：在任何画面中,如系统发生报警都将在该画面中提示报警信息,提醒操作人员进行报警查询和做出相应处理。系统的各个模拟采样参数均以数字形式实时的显示出来,并以液位的上下动作,变频

29、调速转动速率变化,管道介质的流动等形象地显示出来。开关量的采样参数以电机的转动,或图形符号的颜色变化,闪烁等方式动态显示。对于需控制的参数,均设制了开窗口功能,利用鼠标器可以方便地打开、关闭子窗口。在子窗口中,可以利用鼠标器或键盘方便地调整控制参数PID调节具有自整定功能,手动/自动切换,以及遥控操作。为了方便用户的操作,还设置了一些特殊功能键,实现了一些电器的点动操作和画面的快速切换。 操作站还配置了一台打印机,其一专门负责随时打印报警,操作记录,便于事故分析。其二负责定时或随时打印历史趋势、运行日志等报表。运行日志报表可以利用EXCEL报表软件生成各种自由格式报表。6网络远传功能随着Int

30、ernet科技日益渗透到生产、生活的各个领域,自动化软件的e趋势已发展成为整合IT与自动化的关键。并且不同工作职责的使用者使用各自的授权口令完成各自的操作,这包括现场的操作者可以完成设备的起停,中控室的工程师可以完成工艺参数的整定,办公室的决策者可以实时掌握生产成本、设备利用率及产量等数据。Internet功能逼真再现功能画面,可使在任何时间任何地点均可实时掌控每一个运行细节、现场的流程画面、过程数据、趋势曲线、生产报表、操作记录和报警等均轻松浏览。当然您必须要有授权口令才能完成这些。用户还可以自己编辑发布的首页信息和图标,成为真正企业信息化的厂区。总之,以Web技术为核心的Internet使

31、管控一体化系统更接近用户,更接近应用,更有利于网络的进一步扩展。是当今信息系统发展趋势的主流。3 控制方法简述3.1 概述图1：工业锅炉结构示意图常见的工业锅炉系统如图1所示。首先除氧水通过给水泵进入给水调节阀,通过给水调节阀进入省煤器,冷水在经过省煤器的过程中被由炉膛排出的烟气预热,变成温水进入汽包,在汽包加热至沸腾产生蒸汽,蒸汽通过主蒸汽阀输出。空气经过鼓风机进入空气预热器,在经过空气预热器的过程中被由炉膛排出的烟气预热,变成热空气进入炉膛。煤经过煤斗落在炉排上,在炉排的缓慢转动下煤进入炉膛被前面的火点燃,在燃烧过程中发出热量加热汽包中的水,同时产生热烟气。在引风机的抽吸作用下经过省煤气和

32、空气预热器,把预热传导给进入锅炉的水和空气。通过这种方式使锅炉的热能得到节约。降温后的烟气经过除尘器除尘,去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。锅炉微机控制系统,一般由以下几部分组成,即由锅炉本体、一次仪表、PLC、上位机、手自动切换操作、执行机构及阀、电机等部分组成,一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机。控制系统包括手动和自动操作部分,手动控制时由操作人员手动控制,用操作器控制变频器、滑差电机及调节阀等,自动控制时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行,除此以外为保证锅炉运行的安全,在进行

33、微机系统设计时,对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置,以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置,以免锅炉发生重大事故。微机控制系统由工控机、显示器、打印机、PLC、手操器、报警装置等组成,能完成对给水、给煤、鼓风、引风等进行自动控制,使锅炉的汽包水位、蒸汽压力保持在规定的数值上,以保证锅炉的安全运行,平稳操作,达到降低煤耗、提高送汽质量的目的,同时对运行参数如压力、温度等有流程动态模拟图画面并配有数字说明,还可对汽包水位、压力、炉温等进行越限报警,发出声光信号,还可定时打印出十几种运行参数的数据。以形成生产日志和班、日消耗统计报表,有定时打印、随机打印、自定义时间段打印

34、等几种方式。锅炉控制系统的硬件配置,目前有几种,功能较好首推可编程序控制器PLC,适合于多台大型锅炉控制,由于PLC具有输入输出光电隔离、停电保护、自诊断等功能,所以抗干扰能力强,能置于环境恶劣的工业现场中,故障率低。PLC编程简单,易于通信和联网,多台PLC进行及与计算机进行,实现一台计算机和若干台PLC构成分布式控制网络,另外使用PLC加上位机的控制系统具有很好的扩容性,如需要增加控制点或控制回路只需添加少量输入输出模块即可,为以后的控制系统升级改造和其他功能的添加打下良好基础,也为以后一机多炉控制系统等其他工厂级自动化网络打下良好基础。虽然,从短期的角度看价格稍高,如果从长远观点看,其寿

35、命长,故障率低,易于维修,值得选用。3.2 锅炉控制系统中各控制回路的介绍锅炉控制系统,一般有汽包液位、燃烧控制、主蒸汽压力、炉膛负压、送风等控制系统。锅炉的燃烧控制实质上是能量平衡系统,它以蒸汽压力作为能量平衡指标,不断根据用汽量与压力的变化调整燃料量与送风量,同时保证燃料的充分燃烧及热量的充分利用。3.2.1汽包液位控制汽包液位控制本质任务是使给水流量适应锅炉的蒸发量,以维持汽包水位在允许的围。给水自动调节的另一个任务是保持给水稳定。在整个控制回路中要全面考虑这两方面的任务。在控制回路中被调参数是汽包水位H,调节机构是给水调解阀,调节量是给水流量W。对汽包水位调节系统产生扰动的因素有蒸发量

36、D、炉膛热负荷燃料量M,给水量W。蒸发量D扰动作用下水位对象的动态特性当给水流量不变,蒸发量忽然增加D时,如果只从物质不平衡角度来看,则反映曲线如图2中的H1所示,但由于蒸发量增加时,汽包容积增加,水位将上升,水位的反映曲线如图2中的H2所示。H1和H2相结合,实际的水位阶跃反应曲线如图2中的H所示。炉膛负荷扰动燃料量M扰动时水位对象的动态特性燃料量增加M时,蒸发量大于给水量,水位下降。但开始是由于有虚假水位存在,水位线上升,然后再下降。如图2中所示。给水流量W扰动时的水位对象的动态特性当蒸发量不变,而给水量阶跃扰动时。汽包水位如图2所示。在开始阶段。由于刚进入得水水温较低。使汽水混合物中的汽

37、泡吞量减少。水位下降,如图2中的H1所示。而H2反映了物质不平衡引起的水位变化,H1和H2相加得到了总的给水量扰动的阶跃反应曲线H。图3：汽包液位控制框图由于给水调节对象没有自平衡能力,又存在滞后。因此在一般锅炉控制系统中汽包液位回路采用闭环三冲量调节系统。所谓三冲量调节系统就是把给水流量W,汽包水位H,蒸汽流量D三个变量通过运算后调节给水阀的调节系统。具体调节过程方框图如图3所示。先通过蒸汽流量变送器和给水流量变送器取得各自的信号乘以相应的比例系数,通过比例系数可以调节蒸汽流量或给水流量对调节系统的影响力度。通过差压变送器取得水位信号作为主调节信号H。如果水位设定值为G,那么在平衡条件下应有

38、D*Dk-W*Wk+H-G=0的关系式存在。其中Dk为蒸汽流量系数Wk为给水流量系数。如果再设定时,保证在稳态下D*Dk=W*Wk那么就可以得到H=G。此时调节器的输出就与符合对应,给水阀停在某一位置上。若有一个或多个信号发生变化,平衡状态被破坏,PI调节模块的输出必将发生变化。当水位升高了,则调节模块的输出信号就减小,使得给水调节阀关小。反之,当水位降低时,调节模块的输出值增大,使给水阀开大。实践证明三冲量给水单极自动调节系统能保持水位稳定,且给水调节阀动作平稳。锅炉给水系统中还有一个比较重要的控制回路是给水压力回路,因为汽包压力较高,要给锅炉补水必须提供更高的压力,给水压力回路的作用是提高

39、水压,使水能够正常注入汽包。但在蒸汽流量未达到满负荷时,对给水流量的要求也不高。在老式的锅炉系统中一般采用给水泵一直以工频方式运转,用回流阀降低水压防止爆管,现在一般采用通过变频器恒压供水的方式控制水压,具体实现方式是：系统下达指令由变频器自动启动第一台泵运行,系统检测给水管的水压,当变频器频率上升到工频时,如水压未达到设定的压力值,系统自动将第一台电机切换至工频直供电,并由变频器拖动第二台水泵运行,如变频器运行到工频状态时供水母管压力仍未达到设定压力值系统自动将第二台水泵切换至工频直供电,再由变频器拖动第三台运行,依次类推,直至压力达到设定值。若锅炉需要的给水量减少,变频控制系统可自动降低变

40、频器的运行频率,如变频器的频率到零仍不能满足要求,则变频器自动切换至前一台水泵进行变频运行,依次类推。变频恒压供水控制系统的实质是：始终利用一台变频器自动调整水泵的转速,切换时间以管网的实际压力和设定压力的差值决定,同时保证管网的压力动态恒定。值得注意的是为了防止变频器报警停机或其他故障造成水泵不转会引起锅炉缺水,所以应该加反馈装置确保变频器正常工作。除此之外锅炉的供水系统中还包括除氧器压力控制和除氧器水位控制,除氧器压力控制主要是为了保证除氧器口有足够的蒸汽压力用于将软化水除氧,这是一个单闭环控制回路,输入参数是除氧器压力输出参数控制除氧器进汽阀。除氧器水位控制主要是为了保证除氧器有足够的水

41、提供给锅炉,这是一个单闭环控制回路输入参数,是除氧器水位输出参数控制除氧器进水阀。3.2.2锅炉燃烧控制燃烧过程自动调节系统的选择虽然与燃烧的种类和供给系统、燃烧方式以及锅炉与负荷的联结方式都有关系,但是燃烧过程自动调节的任务都是一样的。归纳起来,燃烧过程自动调节系统有三大任务：维持汽压恒定。汽压的变化表示锅炉蒸汽量和负荷的耗汽量不相适应,必须相应地改变燃料量,以改变锅炉的蒸汽量。保证燃烧过程的经济性。当燃料量改变时,必须相应地调节送风量,使它与燃料量相配合,保证燃烧过程有较高的经济性。调节引风量与送风量相配合,以保证炉膛压力不变。燃烧调节系统一般有三个被调参数,汽压p、烟气含氧量a和炉膛负压

42、pt。一般有3个调节量,他们是燃料量M,送风量F和引风量Y。燃烧调节系统的调节对象对于燃料量,根据燃料种类的不同可能是炉排电机,也可能是燃料阀。对于送风量和引风量一般是挡板执行机构或变频器。燃烧调节系统是一个多参数变量调节系统,这种调节系统通常把它简化成互相联系,密切配合但又相对独立的3个单变量系统来实现。为便于分析,下面我们按3个系统来分别分析。这三个系统分别是以燃料量维持锅炉压力恒定的蒸汽压力调节系统,以送风量维持锅炉经济燃烧的送风调节系统,以引风量维持炉膛负压稳定的炉膛负压调节系统。3.2.3主蒸汽压力调节引起蒸汽压力变化的主要原因是燃料量和用汽负荷发生变化。其控制结构图如图5所示,动态

43、特性如下。燃料量扰动下的汽压变化特性在用汽负荷不变的情况下,如锅炉燃料量发生B的阶跃扰动,此时汽压的飞升曲线如图4所示。此时对象没有自平衡能力,具有较大的迟滞和惯性。但如果锅炉出口的用汽阀门开度不变,那么由于汽压因燃料量扰动而发生变化时,蒸汽流量也将发生变化。由于汽压变化时,蒸汽流量增大自发地限制了汽压的变化,因此对象有平衡能力。此时汽压的飞升曲线如图4所示。用汽负荷扰动下的汽压变化特性负荷阶跃扰动下,汽压变化的动态特性也有下列两种情况：当用汽阀门阶跃扰动时,对象表现出具有自平衡能力,没有延迟,但有较大的惯性,并有一个与阀门变化成比例的启始飞跃,飞升曲线如图4所示；当用汽量阶跃扰动时,其飞升曲

44、线如图4所示,此时对象没有自平衡能力,如果不及时增加进入锅炉的燃料量,那么,汽压将一直下降。图5：主蒸汽压力控制结构图3.2.4送风自动调节送风调节系统的工作好坏,直接影响炉膛的空气过剩系数的变化也就是排出烟气的含氧量。引起空气过剩系数变化的主要扰动是燃料量和送风量配比。风量扰动下对象的动态特性具有较大的自平衡能力,几乎没有延迟和惯性,近似为一比例环节。而燃料量扰动时,需经过输送和燃烧过程而略有延迟。由于送风系统几乎没有延迟和惯性。所以在燃料充足的情况下送风量的大小将比较直接的反应在锅炉的蒸汽压力上。那么怎样才能保证股风量和燃料量的搭配适宜,这里我们引入了风煤比这个概念。风煤比就是在当前风量下

45、所能燃烧的煤的最大值。在控制作用中风煤比主要是根据当前风量来限制炉排的转速,防止由于风量不够导致煤不能充分燃烧。该参数对节煤和环保都有很大意义。因为如果不能充分燃烧将会导致煤渣的含炭量增高,这样比较浪费煤,同时还会造成烟气含炭量增高影响排放。3.2.5炉膛负压自动调节炉膛负压自动调节对象的动态特性较好,但扰动通道的飞升时间很短,飞升速度很快。根据以上对燃烧系统调节对象的分析,下面我们针对燃烧自动控制系统三个任务对控制采用的方案进行分析。燃烧过程控制系统一般采用的控制流程图如图5a所示,先通过蒸汽压力变送器经滤波后取得信号,与设定蒸汽压力进行比较,判断出鼓风PI调节器调节的方向和大小,通过鼓风P

46、I调节单元计算出鼓风变频器的输出大小。同时把该信号输出给风煤比计算单元,相应的算出在当时的风量下炉排的最大输出值。再把蒸汽压力的差值信号送给炉排PI调节器,通过炉排PI调节单元计算出炉排变频器的输出大小。经过风煤比限位,输出给炉排变频器。在实际调试过程中我们往往把鼓风PI调节中的比例系数设的比炉排PI单元的大,这样可以很好的保证鼓风系统对蒸汽压力的敏感度要高于炉排。炉膛负压的大小对于节能影响很大。负压大,被烟气带走的热量大,热损失增加,煤耗量增大,理想运行状态应在微负压状态。它能明显增加悬浮煤颗粒在炉膛的滞留时间,增加沉降,减少飞灰,使煤充分燃烧提高热效率。但由于负荷变化,需要改变给煤量和送风

47、量,随之也要改变引风量,以保证炉膛负压的稳定,但由于系统有一定的滞后时间,为避免鼓风变化而引起炉膛负压的波动,系统中引入鼓风信号作为前馈信号对引风机进行超前调节。炉膛负压控制系统一般采用的控制流程图如图5b所示,调节原理比较简单属于单闭环调节系统,它的输入量是炉膛负压输出量是引风变频器,同时引入鼓风量作为前馈信号。另外系统各回路中都设置了手自动两种操作方式,为了实现无扰动切换,系统引入了各控制对象的反馈值,在手动操作时PLC输出会自动跟踪控制对象的反馈,当切换到自动状态时可以进行无扰动切换,使系统平稳的过渡到自动状态。4 系统工程条件4.1引用的规和标准提供的系统符合以下标准和规：l ANSI

48、/NFPA 70 国家电气规l ANSI/IEEE 488 可编程仪表的数字接口l ISA IPTS 68 热电偶换算表l ISA RP 55.1数字处理计算机硬件测试l ISA S18.1 报警顺序和规 l ANSI/ISAS5.1 P&I仪表符号和说明l IEC 1131-3 国际可编程控制组态语言标准l ANSI/NEMA ICS4 工业控制设备和系统的端子排l ANSI/NEMA ICS6 工业控制设备和系统的外壳l ANSI/IEEE 472 冲击电压随能力导则SWCl UL 44 橡胶导线、电缆的安全标准4.2工作环境条件1) 相对湿度590不结露。2) 环境温度040,温度变化率

49、不大于10/h。3) 抗震,4g加速度在4050Hz。4.3电源系统1控制系统设置专用的3kVA UPS供电。2控制器柜的电源可向现场变送器提供24VDC工作电源。3由I/O站供电的设备短路故障时将其切除。4.4 系统接地1 系统采用单点接地,从机柜地到接地点电阻传感器接线端子E-GND端子应接炉体旁地。3线缆屏蔽只在单端接地,接地电阻电源公共端在操纵台接地。5PLC接地端与地间接地电阻必须小于1殴姆。6连接到相关仪器的电子设备不能使用或产生超过250V RMS,一同布线的线缆间应能承受250V RMS的绝缘耐压。7所有接线必须满足本地的安全标准和国家标准。4.5系统可靠性指标本系统的电源、控

50、制器、服务器以及网络均有较高的可靠性,整体系统的可靠性指标大于10年。主要设备的平均无故障时间如下：平均无故障时间表 单位：年可编程控制器6直流电源6低压电气10工业控制计算机4显示器4流量计8电动执行器8差压变送器10压力变送器10温度传感器10涡街流量计8重锤料位计5隔离器10手操器105 近二年主要工程业绩序号单 位说 明1绿波小区2台65T/H锅炉控制2陆军学院XX3台10T/H锅炉控制3总装31基地30T/H锅炉控制4军区联勤部3台20T/H锅炉控制5军区政治部2台10T/H锅炉控制6陆军第16集团军军部2台10T/H锅炉控制7第203医院3台6T/H锅炉控制869师机关4台6T/H锅炉控制9116师机关海城2台6T/H锅炉控制1016军炮兵旅延边2台6T/H锅炉控制11装甲3师2台4T/H锅炉控制37 / 37