基于DCS的鍋爐優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā).doc

基于DCS的鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計 姓名：邱玉泉 指導(dǎo)老師：劉福榮摘要：由于燃煤鍋爐，它的燃燒過程是一個耦合嚴(yán)重、具有嚴(yán)重非線性、時變特性、擾動變化激烈且幅值大的多變量系統(tǒng)，其中送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量、熱網(wǎng)負荷、環(huán)境溫度等參數(shù)的變化都將對燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生直接的影響，所以鍋爐燃燒控制不僅直接影響鍋爐供熱工況的穩(wěn)定，而且對節(jié)能降耗，保護環(huán)境，提高鏈條鍋爐的熱效率有著重要的意義。然而，目前的熱電廠鍋爐的燃燒優(yōu)化主要依靠調(diào)試人員進行多種工況和常用煤種試驗，以獲取不同工況下的最佳風(fēng)/煤比，運行人員參照運行，這種方法費時費力，而且由于鏈條鍋爐使用的煤種變化以及運行工況變化頻繁，實際工況往往偏離實驗工況，同時這種燃燒調(diào)整方法不能根據(jù)運行條件的變化實時的調(diào)整控制方案，使鏈條鍋爐處于最佳運行狀況，造成資源浪費。 本文對目前供熱系統(tǒng)普遍存在的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)進行了研究，針對目前鍋爐普遍存在的煤質(zhì)多變，負荷多變，鍋爐常偏離最佳燃燒狀況造成資源浪費且過濾自控率低等問題，設(shè)計開發(fā)了一套基于DCS的鍋爐控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)在原有浙大中控JX-300XP DCS基礎(chǔ)上,釆用監(jiān)控組態(tài)軟件控制系統(tǒng),利用OPC技術(shù)實現(xiàn)DCS與力控組態(tài)軟件之間的動態(tài)數(shù)據(jù)交互，在保證了系統(tǒng)精確性的前提實現(xiàn)節(jié)能,看似損失了一定的優(yōu)化量,但是整個控制系統(tǒng)的自控率得到了保證,在供熱鍋爐控制上做到了惡劣時保穩(wěn)定,穩(wěn)定時求最優(yōu)”。關(guān)鍵詞:DCS;監(jiān)控系統(tǒng)第一章緒論1.1問題的提出工業(yè)鍋爐【1-2是利用燃料(包括煤、氣、油等)的熱能將工質(zhì)加熱到一定溫度和壓力的換能設(shè)備。鍋爐生產(chǎn)在我國國民經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)著重要的地位。然而鍋爐的燃燒換熱過程是一個復(fù)雜的工業(yè)過程。它主要包括煤的燃燒氧化釋放熱量和交換熱量兩大過程,兩者都存在多相化學(xué)和物理反應(yīng)過程,這些反應(yīng)過程的宏觀時滯性和非線性是影響鍋爐燃燒過程丨控制穩(wěn)定性的首要問題。研究分析鍋爐燃燒過程等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的特性,是實現(xiàn)鍋爐燃燒優(yōu)化控制的關(guān)鍵。工業(yè)鍋爐的能源主要以煤為主,其它燃料,例如油、氣等僅占極小部分。研究鍋爐燃燒的實質(zhì)是研究煤在空氣中燃燒的過程。然而鍋爐內(nèi)部的各種過程大多是同時進行,相互影響。由鍋爐燃燒的熱平衡可知輸入熱量為有效利用熱、排煙損失熱、化學(xué)不完全燃燒熱損失、機械不燃燒損失、鍋爐散熱以及灰漁物理熱損失的總和。在輸入熱量一定的情況下,通常通過減少化學(xué)不完全燃燒熱損失來增加有效利用熱。而爐內(nèi)換熱過程又存在以下幾個方面的特點:(1)換熱方式分為輻射和對流兩種,主要以前者為主,后者一般不超過5%;(2)轄射特性根據(jù)燃料的不同而波動;(3)由于火焰溫度分布不同,火焰中輻射成分也不同,帶來特性的不穩(wěn)定;總之,在實際生產(chǎn)中,鍋爐的燃燒換熱過程存在諸多問題:轄射換熱具有非線性,燃燒換熱過程具有時滯性,負載以及設(shè)備性能具有時變性。而工業(yè)鍋爐燃燒系統(tǒng)控制的首要任務(wù)是使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)負荷的需求,與此同時還要保證鍋爐的經(jīng)濟燃燒和安全運行具體調(diào)節(jié)任務(wù)可概括為三個方面:1.保持出水溫度恒定保持出水溫度恒定是燃燒過程控制的第一項任務(wù)。如果出水溫度改變了,就意味著鍋爐的產(chǎn)熱量與負荷設(shè)備的消耗量不一致,因此必須改變?nèi)剂系墓?yīng)量,來改變鍋爐的燃燒產(chǎn)熱量,從而達到改變鍋爐輸出恢復(fù)出水溫度為設(shè)定值的目的。此外,保持出水溫度在一定范圍內(nèi),也是保證鍋爐和各個負荷設(shè)備正常工作的必要條件。2.確保鍋爐經(jīng)濟燃燒確保鍋爐經(jīng)濟燃燒是鍋爐燃燒過程控制的第二項任務(wù)。燃燒的經(jīng)濟性指標(biāo)很難直接測量,常用煙氣中的合氧量或者是燃料量與給風(fēng)量的比值來衡量。如果能夠保持燃料量與空氣量的正確比值，就能達到最小的熱量損失和最大的燃燒效率。反之，如果比值不當(dāng)，空氣不足，會導(dǎo)致燃料的不完全燃燒，當(dāng)大部分燃料不能完全燃燒時，熱量損失直線上升；而如果空氣過多，就會使大量的熱量損失在煙氣之中，使燃燒效率降低。一般說來，保持2%的氧或10%的過?？諝馐亲钸m宜的，這樣的熱量損失最小。 3、維持合適的爐膛負壓 爐膛負壓的變化，反應(yīng)了引風(fēng)量與給風(fēng)量的不協(xié)調(diào)的變化。通常要求爐膛負壓保持在20-40pPa的范圍內(nèi)，在這個范圍內(nèi)對燃燒工況，以及鍋爐的維護及安全運行都最有利。如果爐膛負壓過小，爐膛內(nèi)容易向外噴火，可能危及設(shè)備與操作人員的安全，同時帶來環(huán)境污染等問題；爐膛負壓過大，爐膛漏風(fēng)量變大，增加引風(fēng)機的電耗和煙氣帶走的熱量損失。因此，需要維持爐膛負壓在適當(dāng)范圍之內(nèi)。 這三項調(diào)節(jié)任務(wù)是相互關(guān)聯(lián)的，它們可以通過調(diào)節(jié)燃料量，給風(fēng)量和引風(fēng)量來完成，而對于燃燒過程而言，自動控制系統(tǒng)的要求是：在負荷穩(wěn)定時，應(yīng)使燃料量、給風(fēng)量和引風(fēng)量各自保持不變，及時地補償系統(tǒng)的內(nèi)部擾動。這些內(nèi)部擾動包括燃料的質(zhì)量變化，給風(fēng)量和引風(fēng)量的變化等；在有負荷變化的外部干擾作用時，則應(yīng)使燃料量、給風(fēng)量和引風(fēng)量成比例地改變，既要適應(yīng)負荷要求，又要使三個被調(diào)量出水溫度、爐膛負壓和燃燒經(jīng)濟性指標(biāo)保持在允許的范圍內(nèi)。綜合以上所訴的調(diào)節(jié)任務(wù)以及自動控制系統(tǒng)的要求使得設(shè)計優(yōu)化算法變得復(fù)雜化。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀鍋爐燃燒優(yōu)化控制的最終目標(biāo)是控制鍋爐內(nèi)的燃料處于最完全燃燒狀態(tài)下,這時候鍋爐的效率最高，因此尋優(yōu)目標(biāo)要選擇鍋爐效率或能夠間接反映鍋爐效率的鍋爐運行參數(shù),根掘目前國內(nèi)外的研究情況,以尋優(yōu)目標(biāo)為界記來區(qū)分不同的尋優(yōu)方案,鍋爐燃燒優(yōu)化控制方案有以下幾種類型:1、以爐膛溫度為尋優(yōu)目標(biāo)的燃燒優(yōu)化方案穩(wěn)定工況運行時鍋爐的燃燒效率與爐溫一一對應(yīng)的,而爐溫與空氣過剩系數(shù)存在著單峰曲線關(guān)系,在一定程度上可以用溫度來間接反映鍋爐的燃燒效率,但這種方法在實際中未得到廣泛應(yīng)用,因為爐內(nèi)溫度場是三維的,它足爐腔寬度、深度和高度的函數(shù),在爐膛同一段而上，各點溫度相差很大,因而很難反映整個爐膛內(nèi)燃燒狀況的溫度,同吋所測溫度隨爐內(nèi)燃燒工況的波動而變化,因而爐腔溫度不是一個能很穩(wěn)定地反映爐內(nèi)燃燒狀況的參數(shù)。2、以爐膛斷面輻射能量作為尋優(yōu)目標(biāo)的燃燒優(yōu)化方案 鍋爐的最高燃燒效率總是在爐膛總輻射能量最高的情況下才出現(xiàn)的,而且最高爐膛總輻射能一定對應(yīng)著最佳風(fēng)/煤比,這是以爐膛斷面輻射能量作為優(yōu)參數(shù)的燃燒優(yōu)化方案的理論依據(jù)。然而這種方法并沒有在實際生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用,原因可能是優(yōu)化過程中產(chǎn)生的風(fēng)量波動量輻射不能很大,引起的爐膛輻射能量變化量難以被測出來。3、以鍋爐熱效率為尋優(yōu)目標(biāo)的燃燒優(yōu)化方案 鍋爐效率與空氣過剩系數(shù)間存在著單極值非線性關(guān)系,因此通過效率相對與風(fēng)量的梯度值的符號情況可以判斷下一步送風(fēng)量改變的大小和方向。期簡要過程如下:給送風(fēng)量一個波動量,例如增加風(fēng)量,然后計算鍋爐效率,如果鍋爐的效率增加,說明增加風(fēng)量有助于改善燃燒工礦,因此繼續(xù)增加風(fēng)量,反之,下-步應(yīng)減少風(fēng)量,如此這樣的不斷探索,最終找到并且穩(wěn)定運行于極值點附件。這種鍋爐燃燒優(yōu)化控制方案的基礎(chǔ)是如何快速準(zhǔn)確的測量鍋爐效率,而當(dāng)鍋爐負荷變化吋,又要重新尋找新的極值點,并且這種方案有較大的滯后性。4、以最佳含氧量為控制標(biāo)準(zhǔn)的燃燒優(yōu)化控制力案 通過測量煙氣中的氧含量來大致確定運行過程中風(fēng)/煤比是否合適,若偏離了氧含量的最佳值,則由含氧量調(diào)節(jié)系統(tǒng)進一步修正,使之達到最佳值,從而保證鍋爐的熱效率為最高。由于最佳氧含量是隨負荷以及煤種等因素的變化而變化,而且煙道漏風(fēng)對氧含量影響很大,所以這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的弊端也顯而易見。5、以固定的數(shù)學(xué)模型16為控制標(biāo)準(zhǔn)的燃燒優(yōu)化控制方案雖然最佳空氣過剩率隨著負荷波動,但不同的鍋爐其波動關(guān)系是不同的,多數(shù)鍋爐生產(chǎn)廠家沒有提供這樣的關(guān)系曲線。人們可以根據(jù)司爐工的經(jīng)驗數(shù)據(jù),經(jīng)過長期的觀察,記錄積累不同負荷下認為是燃燒工況最好的煙氣氧含量數(shù)據(jù),然后利用這些數(shù)據(jù)通過線性回歸等數(shù)學(xué)方法,建立最佳氧含量隨負荷變化的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)鍋爐運行過程中負荷變化時,系統(tǒng)根據(jù)這一模型自動修正氧含量的設(shè)定值,從而達到最佳燃燒的目的。這種方法的優(yōu)點是模型已經(jīng)預(yù)先離線計算好,尋找最優(yōu)點的速度快,并且對工況沒有干擾;缺點是所釆集的數(shù)據(jù)量有限,還摻雜人為經(jīng)驗,模型精度不夠精確。以上每一種燃燒優(yōu)化方案都有成功的應(yīng)用范例,然后以上幾種燃燒優(yōu)化控制方案都存在著不足的地方尋優(yōu)參數(shù)難以準(zhǔn)確測量和大滯后問題限制了它們在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用與推廣。對于本文所涉及的鏈條熱水鍋爐,從控制理論的角度分析,它是一個多變量、非線性、分布參數(shù)的和帶時延的復(fù)雜對象,它有多個被控變量(溫度,氧含量和爐腔負壓等)和調(diào)節(jié)變量(煤量,鼓風(fēng)量和引風(fēng)量等),相互之間存在著交叉影響,還有煤質(zhì)、環(huán)境溫度和水流量等諸多干擾因素。要滿足供暖的需要,首先必須要保證鍋爐的出水溫度和出水流量的穩(wěn)定,其次是要保證爐膛負壓維持在一定的范圍內(nèi),來保證生產(chǎn)的安全性和燃燒的經(jīng)濟性。1.4本文課題來源和主要研究內(nèi)容本課題來源于高德欣老師承擔(dān)的青島市科技發(fā)展計劃非線性智能優(yōu)化控制方法及在化工工程中的應(yīng)用研究(12-l-4-3-(17)-jch)與青島某供熱企業(yè)鍋爐優(yōu)化控制系統(tǒng)改造項目。全文內(nèi)容具體安排如下:第1章緒論介紹了課題的研究背景、現(xiàn)狀及目的,并對全文內(nèi)容做了概述。第2章首先介紹了鏈條熱水鍋爐的工藝流程以及常規(guī)的控制方案,主要以常規(guī)的IID控制為主,并且總結(jié)了目前燃燒系統(tǒng)的任務(wù)及控制過程中存在的難點。然后介紹了集散控制系統(tǒng),以及本文所涉及到的浙大中控JX-300XP DCS的硬件結(jié)構(gòu)以及軟件使用。第二章供熱鍋爐DCS控制系統(tǒng)我國供暖系統(tǒng)中大部分釆用燃煤熱水鏈條鍋爐,運行中采用儀表或DCS實現(xiàn)手動/自動控制。近年來,以水作為熱媒的集中供熱系統(tǒng)在國內(nèi)發(fā)展比較快,它被越來越多的多用于區(qū)域或街區(qū)的供暖18。熱水鍋爐相比蒸汽鍋爐較具有以下優(yōu)點:1.熱損失少,節(jié)約能量、便于調(diào)節(jié);2.壓力溫度較低,安全性較高;3.對水處理的要求低,鍋爐結(jié)構(gòu)相對簡單,制造方便,鋼材耗量少。另外,熱水供熱與蒸汽供熱相比具有蓄熱能力強,熱網(wǎng)效率高,供熱距離遠,供熱調(diào)節(jié)性能好,熱網(wǎng)的補水量小等優(yōu)點。2.1鍋爐工藝流程簡介青島某熱電廠兩臺鏈條式熱水鍋爐19,型號為DHL29-1.57/150/90-AII,鍋爐室內(nèi)雙層布置,運行層高4.5m,鍋爐呈n骨。煙氣由爐膛進入轉(zhuǎn)向室后進入對流管束區(qū),對流管束分成前后兩部分,煙氣為W形流動,前部管束明顯要比后部管束吸熱量大,熱水上升下降分明,構(gòu)成了有序的自然循環(huán),中間的隔室可以供檢修人員進入砌筑隔墻進行檢修。煙氣為橫向以及縱向混合沖刷,煙氣的流速選取較高,這樣的布置可以使水循環(huán)有所保證。煙氣混合沖刷,使得對流管區(qū)不積灰,能夠一直保持良好的傳熱狀態(tài),尾部布置了空氣預(yù)熱器。以下是鍋爐的相關(guān)設(shè)計參數(shù):表2-1鍋爐基本參數(shù)按照鏈條熱水鍋爐的丨:藝流祝,整個丨:產(chǎn)過祝:丨:1招:鍋爐A丨動|丨彳丨的檢與準(zhǔn)備、禍爐的丨|動、鍋爐的運行以及鍋爐的停爐,而鍋爐的運行階段足糧個工藝流程以及參與控制的主要階段,也始本論文研究的覓點。在鍋爐的運行階段,燃燒過程的控制:?生要山給煤發(fā)、鼓風(fēng)量和引風(fēng)ift纟丨1成,這二個控制費相兄匹配、密切相關(guān),由爐排屯機轉(zhuǎn)速、鼓風(fēng)機屯機轉(zhuǎn)速和引風(fēng)機屯機轉(zhuǎn)速來調(diào)丨。調(diào)爐排電機轉(zhuǎn)速足為了改變?nèi)紵龔娨?保持熱水溫度:調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速足為了保持合造的風(fēng)/煤比;調(diào)節(jié)引風(fēng)機轉(zhuǎn)速時為了保持爐膛負壓此外,爐排電機、鼓風(fēng)機、引風(fēng)機之間應(yīng)設(shè)置;f丨停連鎖,沖確保鍋爐在引風(fēng)機已經(jīng)運轉(zhuǎn)起來的悄況卜才能jn動鼓風(fēng)機,汽則可能會il:!成爐脫產(chǎn)生導(dǎo)致火炮、爐灰嗩出符火孔。聞2-1足熱水鍋爐的藝流程閣:2.2鍋爐的常規(guī)控制策略鏈條熱水鍋爐的燃燒系統(tǒng)直接關(guān)系到節(jié)能,因而是鏈條熱水鍋爐控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。同時,存效的控制熱水鍋爐的燃燒對鍋爐的經(jīng)濟、安全、穩(wěn)定運行具有非常重耍的補會意義。鏈條熱水銀爐燃燒丨$制系統(tǒng)的基本任務(wù)楚使不同煤質(zhì)的燃煤燃燒所提供的熱量適應(yīng)鍋爐負荷的需要。熱水鍋爐燃燒系統(tǒng)常規(guī)控制策略系統(tǒng)框丨冬丨如圖2-2所示,燃燒控制系統(tǒng)的任務(wù)主要有三點:（1） 保證用戶所需供熱量 鏈條熱水鍋爐供暖系統(tǒng)的熱負荷是不穩(wěn)定，供暖熱負荷主要隨著室外溫度的變化而變化。因此，為了保證熱水鍋爐的供熱量，滿足供暖用戶的使用要求，并使得熱能的制造和輸送能夠經(jīng)濟合理，鏈條熱水鍋爐供暖系統(tǒng)需要根據(jù)室外溫度的變化改變出水溫度的設(shè)定值。供暖系統(tǒng)中燃燒子系統(tǒng)的首要任務(wù)就是要以出水溫度結(jié)合室外溫度為信號，調(diào)節(jié)煤量。（2） 保證鍋爐燃燒的經(jīng)濟性 對于在出水溫度已給定的情況下，燃燒子系統(tǒng)的另一項任務(wù)便是調(diào)節(jié)給煤量與鼓風(fēng)量的比例，是燃煤在爐膛內(nèi)達到最佳的燃燒狀態(tài)。供暖系統(tǒng)的常規(guī)控制方案實在運行時根據(jù)以往的經(jīng)驗設(shè)定固定的風(fēng)/煤比，使得燃煤量與鼓風(fēng)量成一定的比例關(guān)系。（3） 確保爐膛負壓在一定的范圍之內(nèi) 爐膛負壓的頻繁變化，直接反應(yīng)了鼓風(fēng)量與引風(fēng)量的不相適應(yīng)。如果爐膛負壓過小，爐膛容易泄露鍋爐煤氣以及向外噴火，危及設(shè)備和工作人員的生命安全；如果爐膛負壓過大，爐膛內(nèi)的漏風(fēng)量加大，增加煙氣帶走的熱量損失和引風(fēng)機的耗電量。供暖系統(tǒng)的常規(guī)控制方案是根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定爐膛負壓值，然后根據(jù)鼓風(fēng)量以及所測得的煙氣含氧量的變化運用PTD算法（或是其他的一些算法：如模糊算法等）來確定引風(fēng)量，控制爐膛負壓使其保持在一定的范圍內(nèi)。2.3燃燒控制系統(tǒng)的難點鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)是一個多擾動、多參數(shù)對象、各參數(shù)交叉影響的復(fù)雜控制系統(tǒng)。鏈條熱水鍋爐存在較大的不穩(wěn)定性、不確定性、復(fù)雜性,以及較長的時間滯后和較大的容量滯后。因此,采用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)很難達到控制要求,甚至無法投入自動運行。分析現(xiàn)有許多鍋爐自動控制系統(tǒng)和熱水鍋爐的運行情況,目前的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)存在以下控制難點:1、鏈條熱水鍋爐從給煤量的變化到其燃燒產(chǎn)生的熱量,并使鍋爐出口的水溫發(fā)生變化需要較長的時間,即鍋爐出口水溫的容量滯后大、純滯后時間長,用簡單的PID控制很難獲得理想的效果。2、煤質(zhì)的變化,造成風(fēng)/煤比的改變,采用一般的定值控制系統(tǒng)無法使鍋爐燃燒系統(tǒng)始終運行在最佳狀態(tài)。3、鍋爐的燃燒過程機理相對復(fù)