篇一：基于DCS的锅炉优化控制系统设计与开发
基于DCS的锅炉控制系统设计
姓名：邱玉泉 指导老师：刘福荣 摘要：由于燃煤锅炉，它的燃烧过程是一个耦合严重、具有严重非线性、时变特性、扰动变化激烈且幅值大的多变量系统，其中送风量、引风量、给煤量、热网负荷、环境温度等参数的变化都将对燃烧系统产生直接的影响，所以锅炉燃烧控制不仅直接影响锅炉供热工况的稳定，而且对节能降耗，保护环境，提高链条锅炉的热效率有着重要的意义。然而，目前的热电厂锅炉的燃烧优化主要依靠调试人员进行多种工况和常用煤种试验，以获取不同工况下的最佳风/煤比，运行人员参照运行，这种方法费时费力，而且由于链条锅炉使用的煤种变化以及运行工况变化频繁，实际工况往往偏离实验工况，同时这种燃烧调整方法不能根据运行条件的变化实时的调整控制方案，使链条锅炉处于最佳运行状况，造成资源浪费。
本文对目前供热系统普遍存在的锅炉燃烧控制系统进行了研究，针对目前锅炉普遍存在的煤质多变，负荷多变，锅炉常偏离最佳燃烧状况造成资源浪费且过滤自控率低等问题，设计开发了一套基于DCS的锅炉控制系统。本系统在原有浙大中控JX-300XP DCS基础上,釆用监控组态软件控制系统,利用OPC技术实现DCS与力控组态软件之间的动态数据交互，在保证了系统精确性的前提实现节能,看似损失了一定的优化量,但是整个控制系统的自控率得到了保证,在供热锅炉控制上做到了"恶劣时保稳定,稳定时求最优”。
关键词:DCS;监控系统
第一章绪论
1.1问题的提出
工业锅炉【1-2]是利用燃料(包括煤、气、油等)的热能将工质加热到一定温度
和压力的换能设备。锅炉生产在我国国民经济发展中占据着重要的地位。然而锅
炉的燃烧换热过程是一个复杂的工业过程。它主要包括煤的燃烧氧化释放热量和
交换热量两大过程,两者都存在多相化学和物理反应过程,这些反应过程的宏观
时滞性和非线性是影响锅炉燃烧过程丨控制稳定性的首要问题。研究分析锅炉
燃烧过程等生产环节的特性,是实现锅炉燃烧优化控制的关键。
工业锅炉的能源主要以煤为主,其它燃料,例如油、气等仅占极小部分。研
究锅炉燃烧的实质是研究煤在空气中燃烧的过程。然而锅炉内部的各种过程大多
是同时进行,相互影响。由锅炉燃烧的热平衡可知输入热量为有效利用热、排烟
损失热、化学不完全燃烧热损失、机械不燃烧损失、锅炉散热以及灰渔物理热损
失的总和。在输入热量一定的情况下,通常通过减少化学不完全燃烧热损失来增
加有效利用热。而炉内换热过程又存在以下几个方面的特点:
(1)换热方式分为辐射和对流两种,主要以前者为主,后者一般不超过5%;
(2)辖射特性根据燃料的不同而波动;
(3)由于火焰温度分布不同,火焰中辐射成分也不同,带来特性的不稳定;
总之,在实际生产中,锅炉的燃烧换热过程存在诸多问题:辖射换热具有非
线性,燃烧换热过程具有时滞性,负载以及设备性能具有时变性。而工业锅炉燃
烧系统控制的首要任务是使燃料燃烧所产生的热量适应负荷的需求,与此同时还
要保证锅炉的经济燃烧和安全运行具体调节任务可概括为三个方面:
1.保持出水温度恒定
保持出水温度恒定是燃烧过程控制的第一项任务。如果出水温度改变了,就
意味着锅炉的产热量与负荷设备的消耗量不一致,因此必须改变燃料的供应量,
来改变锅炉的燃烧产热量,从而达到改变锅炉输出恢复出水温度为设定值的目
的。此外,保持出水温度在一定范围内,也是保证锅炉和各个负荷设备正常工作
的必要条件。
2.确保锅炉经济燃烧
确保锅炉经济燃烧是锅炉燃烧过程控制的第二项任务。燃烧的经济性指标很
难直接测量,常用烟气中的合氧量或者是燃料量与给风量的比值来衡量。如果能
够保持燃料量与空气量的正确比值，就能达到最小的热量损失和最大的燃烧效率。反之，如果比值不当，空气不足，会导致燃料的不完全燃烧，当大部分燃料不能完全燃烧时，热量损失直线上升；而如果空气过多，就会使大量的热量损失在烟气之中，使燃烧效率降低。一般说来，保持2%的氧或10%的过剩空气是最适宜的，这样的热量损失最小。
3、维持合适的炉膛负压
炉膛负压的变化，反应了引风量与给风量的不协调的变化。通常要求炉膛负压保持在20-40pPa的范围内，在这个范围内对燃烧工况，以及锅炉的维护及安全运行都最有利。如果炉膛负压过小，炉膛内容易向外喷火，可能危及设备与操作人员的安全，同时带来环境污染等问题；炉膛负压过大，炉膛漏风量变大，增加引风机的电耗和烟气带走的热量损失。因此，需要维持炉膛负压在适当范围之内。
这三项调节任务是相互关联的，它们可以通过调节燃料量，给风量和引风量来完成，而对于燃烧过程而言，自动控制系统的要求是：在负荷稳定时，应使燃料量、给风量和引风量各自保持不变，及时地补偿系统的内部扰动。这些内部扰动包括燃料的质量变化，给风量和引风量的变化等；在有负荷变化的外部干扰作用时，则应使燃料量、给风量和引风量成比例地改变，既要适应负荷要求，又要使三个被调量出水温度、炉膛负压和燃烧经济性指标保持在允许的范围内。综合以上所诉的调节任务以及自动控制系统的要求使得设计优化算法变得复杂化。
1.3国内外研究现状
锅炉燃烧优化控制的最终目标是控制锅炉内的燃料处于最完全燃烧状态下,这时候锅炉的效率最高，因此寻优目标要选择锅炉效率或能够间接反映锅炉效率的锅炉运行参数,根掘目前国内外的研究情况,以寻优目标为界记来区分不同的寻优方案,锅炉燃烧优化控制方案有以下几种类型:
1、以炉膛温度为寻优目标的燃烧优化方案
稳定工况运行时锅炉的燃烧效率与炉温一一对应的,而炉温与空气过剩系数存在着单峰曲线关系,在一定程度上可以用温度来间接反映锅炉的燃烧效率,但这种方法在实际中未得到广泛应用,因为炉内温度场是三维的,它足炉腔宽度、深度和高度的函数,在炉膛同一段而上，各点温度相差很大,因而很难反映整个炉膛内燃烧状况的温度,同吋所测温度随炉内燃烧工况的波动而变化,因而炉腔温度不是一个能很稳定地反映炉内燃烧状况的参数。
2、以炉膛断面辐射能量作为寻优目标的燃烧优化方案
锅炉的最高燃烧效率总是在炉膛总辐射能量最高的情况下才出现的,而且最高炉膛总辐射能一定对应着最佳风/煤比,这是以炉膛断面辐射能量作为优参数的燃烧优化方案的理论依据。然而这种方法并没有在实际生产中得到广泛的应用,原因可能是优化过程中产生的风量波动量辐射不能很大,引起的炉膛辐射能量变化量难以被测出来。
3、以锅炉热效率为寻优目标的燃烧优化方案
锅炉效率与空气过剩系数间存在着单极值非线性关系,因此通过效率相对与风量的梯度值的符号情况可以判断下一步送风量改变的大小和方向。期简要过程如下:给送风量一个波动量,例如增加风量,然后计算锅炉效率,如果锅炉的效率增加,说明增加风量有助于改善燃烧工矿,因此继续增加风量,反之,下-步应减少风量,如此这样的不断探索,最终找到并且稳定运行于极值点附件。这种锅炉燃烧优化控制方案的基础是如何快速准确的测量锅炉效率,而当锅炉负荷变化吋,
又要重新寻找新的极值点,并且这种方案有较大的滞后性。
4、以最佳含氧量为控制标准的燃烧优化控制力案
通过测量烟气中的氧含量来大致确定运行过程中风/煤比是否合适,若偏离了氧含量的最佳值,则由含氧量调节系统进一步修正,使之达到最佳值,从而保证锅炉的热效率为最高。由于最佳氧含量是随负荷以及煤种等因素的变化而变化,而且烟道漏风对氧含量影响很大,所以这种调节系统的弊端也显而易见。
5、以固定的数学模型[16]为控制标准的燃烧优化控制方案
虽然最佳空气过剩率随着负荷波动,但不同的锅炉其波动关系是不同的,多数锅炉生产厂家没有提供这样的关系曲线。人们可以根据司炉工的经验数据,经过长期的观察,记录积累不同负荷下认为是燃烧工况最好的烟气氧含量数据,然后利用这些数据通过线性回归等数学方法,建立最佳氧含量随负荷变化的数学模型。当锅炉运行过程中负荷变化时,系统根据这一模型自动修正氧含量的设定值,从而达到最佳燃烧的目的。这种方法的优点是模型已经预先离线计算好,寻找最优点的速度快,并且对工况没有干扰;缺点是所釆集的数据量有限,还掺杂人为经验,模型精度不够精确。
以上每一种燃烧优化方案都有成功的应用范例,然后以上几种燃烧优化控制方案都存在着不足的地方寻优参数难以准确测量和大滞后问题限制了它们在实际生产中的应用与推广。对于本文所涉及的链条热水锅炉,从控制理论的角度分析,它是一个多变量、非线性、分布参数的和带时延的复杂对象,它有多个被控变量(温度,氧含量和炉腔负压
篇二：和利时优化控制方案7--汽包锅炉燃烧优化控制应用
汽包锅炉燃烧优化控制应用
一、概述
随着DCS在电厂的普及，DCS功能应用逐渐得到推广。其中，DCS的优化控制，比过去的单元智能仪表来得更加方便和易用。但电力系统用户，对DCS的功能的掌握还有限，许多功能没有得到应有的重视和开发，这就对DCS厂家提出了新的需求，DCS厂家不但要提供DCS控制软硬件平台，还要给用户提供整体的解决和控制方案，保证DCS和现场设备长期经济、稳定、安全运行。
锅炉种类较多，目前在国内应用最多的是燃烧煤粉的自然循环汽包炉和直流炉；有直接燃烧原煤的循环流化床炉；燃烧垃圾的炉排锅炉，还有燃烧生物质的炉排，比如栉杆，甘蔗渣等。不同的锅炉有不同的控制和优化方式，控制是让锅炉相关参数稳定；优化是对工艺、燃烧、配风等进行经济控制，提高效率，降低污染物排放。
锅炉除直流炉外，都有一个显著特点，就是有自己独立的汽包。不管是烧垃圾的垃圾炉，循环流化床锅炉，还是烧煤的汽包炉；也无论是母管制运行，还是单元制运行，都因锅炉有一个汽包，它们的核心控制思想变成一致，即利用汽包的储能变化，及时检测燃烧率的变化，从而及时调整燃料量，达到快速、稳定地控制和调节。直流锅炉主要是控制中间点温度（焓）来调节风水煤；汽包锅炉主要是控制主汽压力和汽包压力的稳定来调节风水煤。本文主要介绍汽包锅炉控制的共同点来说明对其进行控制方案的优化。在有汽包的锅炉控制中，可借鉴和参考本方案。
二、原理及动态特性
汽包锅炉燃烧控制系统包括燃料量控制、送（一二次）风控制和引风控制三个主要子系统；燃烧过程自动控制的基本任务是根据机组负荷的变化，使燃料燃烧所提供的热量适应锅炉输出蒸汽量的需求，同时保证燃烧过程的经济性和锅炉运行的安全性。
根据锅炉燃烧控制任务，主要调节以下三个物理量：
1．燃料量调节
调节燃料量使入炉燃料燃烧所产生的量能与锅炉外部负荷需求的量能相适应。
2．送风量调节
燃料量改变时，送风量也应改变，以保证燃料的完全燃烧和排烟热损失最小。调节送风量的目的是保证锅炉燃烧过程的经济性。
3．引风量调节
调节引风量的目的是使引风量与送风量相适应，以保持炉膛压力在要求范围内，以保证燃烧过程稳定性。
锅炉燃烧控制系统
调节变量被控对象被调量
图一 锅炉燃烧控制系统及被控对象
从图一所示的锅炉燃烧对象显示，锅炉燃烧控制系统是一个多输入多输出的非线性多变量强耦合控制系统。在锅炉燃烧控制过程中，通过燃料量控制、送风控制和引风控制三个子系统分别对三个调节变量（燃料量B、送风量V、引风量G）进行调节，以维持三个被调量（主蒸汽压力PT 、烟气含氧量O2、炉膛压力Plt）的稳定。
锅炉燃烧过程被控对象的动态特性是指机组运行过程中各种扰动引起的各被调量变化的动态关系，锅炉燃烧过程被控对象的动态特性主要有以下三个：
1.主蒸汽压力PT 在内、外扰动下的动态特性； 2.烟气含氧量O2在送风量扰动下的动态特性； 3.炉膛压力Plt 在引风量扰动下的动态特性。
（一）内扰作用下主蒸汽压力的动态特性:
主蒸汽压力PT 受到的主要扰动有二个，其一是燃烧率μB扰动称为基本扰动或内部扰动；其二是耗汽量D的扰动，称为外部扰动。主蒸汽压力PT 的动态特性与用汽调节装置有关，下图二（a）为用汽量不变时，锅炉燃烧率μB扰动下主蒸汽压力PT 变化的阶跃响应曲线。
图二（a） 内扰作用下主蒸汽压力的动态特性
此时主蒸汽压力PT 是一个无自平衡能力的被控对象。汽包压力Pb与主蒸汽压力PT 之差Δp2与主蒸汽流量以及过热器的阻力成正比。根据阶跃响应曲线确定迟延时间 ?B，可
以求出：
1.反应速度：
tg?????B
2.反应时间： （1－1）
??BTB???tg?1（1－2）
反应时间TB定义为：燃烧率改变其额定值的10％,汽压改变10%所经过的时间。 下图二（b）为用汽调节阀门开度不变时，锅炉燃烧率μB扰动下主蒸汽压力PT 变化的阶跃响应曲线。此时主蒸汽压力PT是一个有自平衡能力的被控对象。汽包压力Pb与主蒸汽压力PT 之差Δp2随燃料量和进入汽轮机的蒸汽流量的增加而增加。
图二（b） 内扰作用下主蒸汽压力的动态特性
根据锅炉蒸发受热面的热量平衡关系可得：
??Qr?Dh???dt?Cdpb
式中: ΔQr ——热负荷阶跃变化；
D ——主蒸汽流量(负荷)；
h"——饱和蒸汽焓；
C ——蒸发受热面热容。
根据以上热平衡关系式可得：
?Qr"?D?Cdp
bb （1－4） 1－3） （
Cb? "
式中Cb称为蓄热系数，其物理意义为汽包压力Pb改变一个单位，蒸发受热面所吞吐的蒸汽量。式（1－4）表明，测出主蒸汽流量D和汽包压力Pb的变化速度dPb/dt，与一定的蓄热系数Cb配合,就可得到代表热负荷Qr的热量信号，可以迅速反映燃料量的变化。
（二）外扰作用下主蒸汽压力的动态特性:
外部扰动是指负荷变化的扰动，下图三（a）和图（b）分别为进汽量D和用汽调节阀门开度μT 扰动下主蒸汽压力PT变化的阶跃响应曲线：
图三 外扰作用下主蒸汽压力的动态特性
图三（a）中，主蒸汽压力PT在阶跃下降Δp0后，一直维持等速下降，为无自平衡能力的被控对象。
图三（b）中，主蒸汽压力PT在阶跃下降Δp0后，下降速度逐渐变慢，最后稳定于一个较低的压力值，为有自平衡能力的被控对象。
（三）烟气含氧量的动态特性
烟气含氧量O2是影响燃烧过程经济性的重要指标，主要通过改变进入炉膛的送风量V对烟气含氧量O2进行调节。送风量V 扰动下烟气含氧量O2变化的阶跃响应曲线为：
篇三：锅炉优化DCS优化-刘泽源
锅炉性能优化系统
某某发电公司采用中能公司的锅炉性能优化系统对#5锅炉的安全性、稳定性以及经济性进行全面的改善，技术协议中要求锅炉性能优化系统对炉侧的可调参数进行闭环控制。
炉侧可调参数包括：
- 空预器入口烟气含氧量；
- 燃尽风门挡板开度；二次风门挡板开度；
- 一、二级过热器减温器喷水控制阀开度和再热器减温器喷水控制开度 - 过、再热气旁路烟气调节挡板开度；
- 各台给煤机的给煤量。
目前的#5炉的可调参数控制情况如下：
- 空预器烟气含氧量是通过设定氧量值反馈。。。。。。进行控制，
- 燃尽风门挡板开 与二次风门挡板是通过手动控制，
- 过、再热器旁路烟气挡板开度是通过手动控制，
- 一、二级过热器减温器喷水控制阀开度与再热器减温器喷水控制开度都是通过自动控制，
- 各台给煤机的给煤量是通过手动控制。
锅炉性能优化系统的目的是将以上可调参数均进行自动闭环控制，达到让锅炉时刻处于安全稳定经济的运行状况。
锅炉可调参数具体调节内容如下：
- 通过调节二次风门挡板和燃尽风门，调节风箱压力
- 通过调节过、再热器旁路烟气挡板，调节主再热气温
- 通过调节一、二级过热器减温器喷水控制阀开度与再热器减温器喷水控制主再热气温
- 各台给煤机的给煤通过自动控制，来调节主再热气温
- 通过调节二次风机转数，来调节氧量
对以上二次风门挡板；燃尽风门挡板；过、再热减温器喷水控制阀、主再热气温和风箱压力与氧量，以上锅炉性能优化做闭环控制，从而对经济性起到更加方便实用
将负荷设定为300MW低负荷 400MW中负荷 500MW高负荷三个阶段进行控制 下述自动控制逻辑
MCS、SCS、DAS、控制系统单元 模拟量控制 顺序控制 数据采集 保护单元：FSSS 锅炉炉膛安全监控系统又可称为燃烧器管理系统BMS
MFT：主燃料跳闸
当出现下列任一种情况时，会引发MFT：二台送风机全停；二台引风机全停；二次风母管压力高（大于2.8 kPa，三取二，延时2秒），RB延时5秒；二次风母管压力高高（大于3.5 kPa，三取二，延时5秒），且联跳送风机；锅炉总风量小于25%(547t/h)，延时2秒；汽包水位高高（大于+203.2 mm，水位变送器三取二，延时20秒），RB延时60秒；汽包水位低低（小于－228.6 mm，水位变送器三取二，延时20秒) ，RB延时60秒；炉膛压力高（大于+1.25 kPa ，三取二，延时2秒），RB延时5秒；炉膛压力低（小于－1.75 kPa，三取二，延时2秒），RB延时5秒；炉膛压力高（大于+2.5 kPa，三取二，延时5秒），且联跳送风机；燃料失去；再热器遮断(任一条件满足时)：
1）主汽流量>300t/h时汽机跳闸；2）主汽流量≤300t/h，发电机已并网达60秒且旁路未投，汽机跳闸，延时60秒；3）发电机未并网且旁路未投，投用油枪数超限（注：#1机为油枪>24）；汽机跳闸，延时90秒；手动MFT。MFT后，会引发一系列的设备跳闸和关闭 可能会接触到的保护条件 用颜色标注
主燃料系统
主燃料系统，即制粉系统，包括磨煤机、给煤机、一次风机、润滑油泵及相关阀门的启动、停止、跳闸及隔离、充惰、清扫过程也均有FSSS系统逻辑控制。这些设备的运行可由运行人员通过CRT进行操作，整个磨组设备也可由磨组的自动顺序启停来控制。磨组的启停是燃料系统中重要的一环，对于600MW机组，共6台磨煤机，每台磨煤机与相应的给煤机等其他配套设施构成一个磨组，独立控制，互不影响。
··········附录逻辑
1、二次风机调节逻辑
2、给煤机逻辑
二次风机调节逻辑
1.1.1 当锅炉负荷低于X值时 风机自动开启 采用SCS顺控系统以下为依次顺序操作
1.1.2 （故障 就地）
1.手动开/关2.顺控启停 3.联锁启停
启动允许条件
当负荷低过X MW值时 以下风门顺序启动
以下二次风门挡板信号正常
以下二次风门挡板处于远方
以下二次风门挡板无故障
二次风门挡板切手动条件
二次风门挡板切手动条件：
? 二次风量与定值偏差大
? 二次风量信号无效
? 二次风温信号无效
? 二次风挡板指令与位置反馈偏差大
? 二次风挡板位置反馈品质坏
? 磨煤机跳闸
? MFT
前墙A侧C层二次风门挡板开度
前墙B侧C层二次风门挡板开度
前墙A侧D层二次风门挡板开度
前墙B侧D层二次风门挡板开度
前墙A侧E层二次风门挡板开度
前墙B侧E层二次风门挡板开度
后墙A侧A层二次风门挡板开度
后墙B侧A层二次风门挡板开度
后墙A侧B层二次风门挡板开度
后墙B侧B层二次风门挡板开度
后墙A侧F层二次风门挡板开度
后墙B侧F层二次风门挡板开度
当炉膛负荷达到Y值时 风机连锁关闭 顺控系统解除
驱动级控制范围
风机挡板 给煤机
START/STOP两位输出，3秒脉冲。
? 监视“输出指令”和“状态反馈”，当产生不对位时，发出故障信号“FAULT”用于联锁，并向操作员站送出故障码用于报警显示。
? 在阀门“开”或“关”的过程中，不接受自动指令和运行员在操作员站上的操作指令，直到“开”或“关”的终点反馈信号到达，才解除上述的屏蔽。
顺序启动
步一：条件：负荷＜X MW
指令：前墙A侧C层二次风门挡板开度 开度 X％
前墙B侧C层二次风门挡板开度 X％
前墙A侧D层二次风门挡板开度X％
前墙B侧D层二次风门挡板开度X％
前墙A侧E层二次风门挡板开度X％
前墙B侧E层二次风门挡板开度X％
后墙A侧A层二次风门挡板开度 X％
后墙B侧A层二次风门挡板开度 X％
后墙A侧B层二次风门挡板开度 X％
后墙B侧B层二次风门挡板开度 后墙A侧F层二次风门挡板开度 后墙B侧F层二次风门挡板开度
当负荷达到要设定值时，退出自动控制系统
··········给煤机逻辑 X％ X％ X％
《锅炉燃烧系统采用DCS优化控制》出自：百味书屋
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