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) 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)、風量控制系統(tǒng)、爐膛壓力控制系統(tǒng)。目前大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、送風量控制、引風量控制構成，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)結構圖 2、控制方案 鍋爐燃燒自動控制系統(tǒng)的基本任務是使燃料燃燒所提供的熱量適應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、送風量和引風量三者的控制任務是不可分開的，可以用三個控制器控制這三個控制變量，但彼此之間應互相協(xié)調(diào)，才能可靠工作。對給定出水溫度的情況，則需要調(diào)節(jié)鼓風量與給煤量的比例，使鍋爐運行在最佳燃燒狀態(tài)。同時應使爐膛內(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)總體框架設計燃燒過程自動控制系統(tǒng)的方案，與鍋爐設備的類型、運行方式及控制要求有關，對不同的情況與要求，控制系統(tǒng)的設計方案不一樣。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慣，又要最大限度的實施燃燒優(yōu)化控制?？刂葡到y(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。控制系統(tǒng)包括：滑壓運行主汽壓力設定值計算模塊（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）、負荷送風量模糊計算模塊、主蒸汽壓力控制系統(tǒng)和送、引風控制系統(tǒng)等。主蒸汽壓力控制系統(tǒng)采用常規(guī)串級PID控制結構。2.2 燃料量控制系統(tǒng)當外界對鍋爐蒸汽負荷的要求變化時，必須相應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為鍋爐負荷要求；B為燃料量；F(x)為執(zhí)行機構。設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)的設置也為解決這些問題提供了手段。2.3 送風量控制系統(tǒng)為了實現(xiàn)經(jīng)濟燃燒，當燃料量改變時，必須相應的改變送風量，使送風量與燃料量相適應。燃料量與送風量的關系見圖4。 圖4 燃料量與送風量關系 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?？諝庀禂?shù)通常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量與燃料量成一定的比例。送風量控制子系統(tǒng)的任務就是使鍋爐的送風量與燃料量相協(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作為送風量調(diào)節(jié)器的給定值，使送風量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量間滿足選擇使送風量略大于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 引風量控制系統(tǒng)為了保持爐膛壓力在要求的范圍內(nèi)，引風量必須與送風量相適應。爐膛壓力的高低也關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漏入爐膛，將會增大引風機的負荷和排煙損失，爐膛壓力太低甚至會引起內(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，甚至可能影響設備和人生安全。引風量控制子系統(tǒng)的任務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?？刂茽t膛負壓的手段是調(diào)節(jié)引風機的引風量，其主要的外部擾動是送風量。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。 圖6 引風量控制子系統(tǒng) 圖中為爐膛負壓給定值，S為實測的爐膛負壓，Q為引風量，V為送風量。由于爐膛負壓實際上決定于送風量和引風量的平衡，故利用送風量作為前饋信號，以改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。另外，由于調(diào)節(jié)對象相當于一個比例環(huán)節(jié)，被調(diào)量反應過于靈敏，為了防止小幅度偏差引起引風機擋板的頻繁動作，可設置調(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對鍋爐進行控制時，由于它的運算速度快、精度高、準確可靠，可適應復雜的、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，當設計的自動化系統(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，不須重新培訓人員，就可使PLC系統(tǒng)升級；最后，系統(tǒng)性能較高。硬件結構圖如圖7所示。 圖7 硬件結構圖 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25s，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05V的標準信號，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CP243-1，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。應根據(jù)經(jīng)驗值和反復調(diào)試確定。 （2）調(diào)節(jié)量、給定量、輸出量等參數(shù)的標準歸一化轉(zhuǎn)換。 （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，風煤比能夠在靜態(tài)和動態(tài)過程中保持一致；送、引風控制系統(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， 方便了設備的操作和維護，該系統(tǒng)通用性好、擴展性強，直觀易操作。