采用PLC的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)

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1、采用PLC的鍋爐燃燒控制系統(tǒng) 采用PLC的鍋爐燃燒控制系統(tǒng) 1、引言 燃燒控制系統(tǒng)是電廠鍋爐的主控系統(tǒng),主要包括燃料控制系統(tǒng)、風(fēng)量控制系統(tǒng)、爐膛壓力控制系統(tǒng)。目前大

2、部分電廠的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)仍然采用PID控制。燃燒控制系統(tǒng)由主蒸汽壓力控制和燃燒率控制組成串級控制系統(tǒng),其中燃燒率控制由燃料量控制、送風(fēng)量控制、引風(fēng)量控制構(gòu)成,各個子控制系統(tǒng)分別通過不同的測量、控制手段來保證經(jīng)濟燃燒和安全燃燒。如圖1所示。 圖1 燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2、控制方案 鍋爐燃燒自動控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是使燃料燃燒所提供的熱量適應(yīng)外界對鍋爐輸出的蒸汽負荷的要求,同時還要保證鍋爐安全經(jīng)濟運行。一臺鍋爐的燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量三者的控制任務(wù)是不可分開的,可以用三個控制器控制這三個控制變量,但彼此之間應(yīng)互相協(xié)調(diào),才能可靠工作。對給定出水溫度的情況

3、,則需要調(diào)節(jié)鼓風(fēng)量與給煤量的比例,使鍋爐運行在最佳燃燒狀態(tài)。同時應(yīng)使?fàn)t膛內(nèi)存在一定的負壓,以維持鍋爐熱效率、避免爐膛過熱向外噴火,保證了人員的安全和環(huán)境衛(wèi)生。 2.1 控制系統(tǒng)總體框架設(shè)計 燃燒過程自動控制系統(tǒng)的方案,與鍋爐設(shè)備的類型、運行方式及控制要求有關(guān),對不同的情況與要求,控制系統(tǒng)的設(shè)計方案不一樣。將單元機組燃燒過程被控對象看作是一個多變量系統(tǒng),設(shè)計控制系統(tǒng)時,充分考慮工程實際問題,既保證符合運行人員的操作習(xí)慣,又要最大限度的實施燃燒優(yōu)化控制。控制系統(tǒng)的總體框架如圖2所示。 圖2 單元機組燃燒過程控制原理圖 P為機組負荷熱量信號為D+dPbdt???/p>

4、制系統(tǒng)包括:滑壓運行主汽壓力設(shè)定值計算模塊(由熱力系統(tǒng)實驗獲得數(shù)據(jù),再擬合成可用DCS折線功能塊實現(xiàn)的曲線)、負荷—送風(fēng)量模糊計算模塊、主蒸汽壓力控制系統(tǒng)和送、引風(fēng)控制系統(tǒng)等。主蒸汽壓力控制系統(tǒng)采用常規(guī)串級PID控制結(jié)構(gòu)。 2.2 燃料量控制系統(tǒng) 當(dāng)外界對鍋爐蒸汽負荷的要求變化時,必須相應(yīng)的改變鍋爐燃燒的燃料量。燃料量控制是鍋爐控制中最基本也是最主要的一個系統(tǒng)。因為給煤量的多少既影響主汽壓力,也影響送、引風(fēng)量的控制,還影響到汽包中蒸汽蒸發(fā)量及汽溫等參數(shù),所以燃料量控制對鍋爐運行有重大影響。燃料控制可用圖3簡單表示。 圖3 燃料量控制策略 其中:NB為鍋爐

5、負荷要求;B為燃料量;F(x)為執(zhí)行機構(gòu)。 設(shè)置燃料量控制子系統(tǒng)的目的之一就是利用它來消除燃料側(cè)內(nèi)部的自發(fā)擾動,改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。另外,由于大型機組容量大,各部分之間聯(lián)系密切,相互影響不可忽略。特別是燃料品種的變化、投入的燃料供給裝置的臺數(shù)不同等因素都會給控制系統(tǒng)帶來影響。燃料量控制子系統(tǒng)的設(shè)置也為解決這些問題提供了手段。 2.3 送風(fēng)量控制系統(tǒng) 為了實現(xiàn)經(jīng)濟燃燒,當(dāng)燃料量改變時,必須相應(yīng)的改變送風(fēng)量,使送風(fēng)量與燃料量相適應(yīng)。燃料量與送風(fēng)量的關(guān)系見圖4。 圖4 燃料量與送風(fēng)量關(guān)系 燃燒過程的經(jīng)濟與否可以通過剩余空氣系數(shù)是否合適來衡量,過剩空氣系數(shù)通常

6、用煙氣的含氧量來間接表示。實現(xiàn)經(jīng)濟燃燒最基本的方法是使風(fēng)量與燃料量成一定的比例。 送風(fēng)量控制子系統(tǒng)的任務(wù)就是使鍋爐的送風(fēng)量與燃料量相協(xié)調(diào),可以達到鍋爐的最高熱效率,保證機組的經(jīng)濟性,但由于鍋爐的熱效率不能直接測量,故通常通過一些間接的方法來達到目的。如圖5所示,以實測的燃料量B作為送風(fēng)量調(diào)節(jié)器的給定值,使送風(fēng)量V和燃料量B成一定的比例。 圖5 燃料量空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng) 在穩(wěn)態(tài)時,系統(tǒng)可保證燃料量和送風(fēng)量間滿足 選擇使送風(fēng)量略大于B完全燃燒所需要的理論空氣量。這個系統(tǒng)的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單,可以消除來自負荷側(cè)和燃料側(cè)的各種擾動。 2.4 引風(fēng)量控制系統(tǒng) 為了保

7、持爐膛壓力在要求的范圍內(nèi),引風(fēng)量必須與送風(fēng)量相適應(yīng)。爐膛壓力的高低也關(guān)系著鍋爐的安全和經(jīng)濟運行。爐膛壓力過低會使大量的冷風(fēng)漏入爐膛,將會增大引風(fēng)機的負荷和排煙損失,爐膛壓力太低甚至?xí)饍?nèi)爆;反之爐膛壓力高且高出大氣壓力的時候,會使火焰和煙氣冒出,不僅影響環(huán)境衛(wèi)生,甚至可能影響設(shè)備和人生安全。引風(fēng)量控制子系統(tǒng)的任務(wù)是保證一定的爐膛負壓力,且爐膛負壓必須控制在允許范圍內(nèi),一般在-20Pa左右。 控制爐膛負壓的手段是調(diào)節(jié)引風(fēng)機的引風(fēng)量,其主要的外部擾動是送風(fēng)量。作為調(diào)節(jié)對象,爐膛煙道的慣性很小,無論在內(nèi)擾和外擾下,都近似一個比例環(huán)節(jié)。一般采用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)并加以前饋的方法進行控制,如圖6所示。

8、 圖6 引風(fēng)量控制子系統(tǒng) 圖中為爐膛負壓給定值,S為實測的爐膛負壓,Q為引風(fēng)量,V為送風(fēng)量。由于爐膛負壓實際上決定于送風(fēng)量和引風(fēng)量的平衡,故利用送風(fēng)量作為前饋信號,以改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。另外,由于調(diào)節(jié)對象相當(dāng)于一個比例環(huán)節(jié),被調(diào)量反應(yīng)過于靈敏,為了防止小幅度偏差引起引風(fēng)機擋板的頻繁動作,可設(shè)置調(diào)節(jié)器的比例帶自動修正環(huán)節(jié),使得在小偏差時增大調(diào)節(jié)器的比例帶。對于負壓S的測量信號,也需進行低通濾波,以抑制測量值的劇烈波動。 3、系統(tǒng)硬件配置 在鍋爐燃燒過程中,用常規(guī)儀表進行控制,存在滯后、間歇調(diào)節(jié)、煙氣中氧含量超過給定值、低負荷和煙氣溫度過低等問題。采用PLC對

9、鍋爐進行控制時,由于它的運算速度快、精度高、準(zhǔn)確可靠,可適應(yīng)復(fù)雜的、難于處理的控制系統(tǒng)。因而,可以解決以上由常規(guī)儀表控制難以解決的問題。所選擇的PLC系統(tǒng)要求具有較強的兼容性,可用最小的投資使系統(tǒng)建成及運轉(zhuǎn);其次,當(dāng)設(shè)計的自動化系統(tǒng)要有所改變時,不需要重新編程,對輸入、輸出系統(tǒng)不需要再重新接線,不須重新培訓(xùn)人員,就可使PLC系統(tǒng)升級;最后,系統(tǒng)性能較高。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。 圖7 硬件結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)系統(tǒng)的要求,選取西門子PLCS7-200 CPU226 作為控制核心,同時還擴展了2個EM231模擬量輸入模塊和1個CP243-1以太網(wǎng)模塊。CPU226的IO點數(shù)是2416,這樣完

10、全可以滿足系統(tǒng)的要求。同時,選用了EM231模塊,它是AD轉(zhuǎn)換模塊,具有4個模擬量輸入,12位AD,其采樣速度25μs,溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器以及含氧檢測傳感器的輸出信號經(jīng)過調(diào)理和放大處理后,成為0~5V的標(biāo)準(zhǔn)信號,EM231模塊自動完成AD轉(zhuǎn)換。 S7-200的PPI接口的物理特性為RS-485,可在PPI、MPI和自由通訊口方式下工作。為實現(xiàn)PLC與上位機的通訊提供了多種選擇。 為實現(xiàn)人機對話功能,如系統(tǒng)狀態(tài)以及變量圖形顯示、參數(shù)修改等,還擴展了一塊Eview500系列的觸摸顯示屏,操作控制簡單、方便,可用于設(shè)置系統(tǒng)參數(shù), 顯示鍋爐溫度等。還有一個以太網(wǎng)模塊CP243-

11、1,其作用是可以讓S7-200直接連入以太網(wǎng),通過以太網(wǎng)進行遠距離交換數(shù)據(jù),與其他的S7-200進行數(shù)據(jù)傳輸,通信基于TCPIP,安裝方便、簡單。 4、系統(tǒng)軟件設(shè)計 控制程序采用STEP7-MicroWin軟件以梯形圖方式編寫,其軟件框圖如圖8所示。 圖8 軟件主框圖 S7-200PLC給出了一條PID指令,這樣省去了復(fù)雜的PID算法編程過程,大大方便了用戶的使用。使用PID指令有以下要點和經(jīng)驗: (1)比例系數(shù)和積分時間常數(shù)的確定。應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗值和反復(fù)調(diào)試確定。 (2)調(diào)節(jié)量、給定量、輸出量等參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)歸一化轉(zhuǎn)換。

12、 (3)按正確順序填寫PID回路參數(shù)表(LOOP TABLE),分配好各參數(shù)地址。 5、結(jié)束語 單元機組燃燒過程控制系統(tǒng)在某火電廠發(fā)電機組鍋爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中投入使用。實際運行情況表明:由于引入負荷模糊前饋,使得鍋爐燃燒控制系統(tǒng)作為協(xié)調(diào)控制的子系統(tǒng),跟隨機組負荷變化的能力顯著提高,風(fēng)煤比能夠在靜態(tài)和動態(tài)過程中保持一致;送、引風(fēng)控制系統(tǒng)在邏輯控制系統(tǒng)的配合下運行的平穩(wěn)性和安全性提高,爐膛負壓波動減小,滿足了運行的要求;在機組負荷不變時,鍋爐燃燒穩(wěn)定,各被調(diào)參數(shù)動態(tài)偏差顯著減少,實現(xiàn)了鍋爐的優(yōu)化燃燒;采用非線性PID調(diào)節(jié)方式,解決了引風(fēng)擋板的晃動問題。 采用西門子的PLC控制,不僅簡化了系統(tǒng),提高了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性,同時也大幅地提高了燃燒能的熱效率。通過操作面板修改系統(tǒng)參數(shù)可以滿足不同的工況要求,機組的各種信息,如工作狀態(tài)、故障情況等可以聲光報警及文字形式表示出來,主要控制參數(shù)(溫度值)的實時變化情況以趨勢圖的形式記錄顯示, 方便了設(shè)備的操作和維護,該系統(tǒng)通用性好、擴展性強,直觀易操作。

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