基于plc的火电厂锅炉控制系统设计毕业设计说明书(编辑修改稿)

基于plc的火电厂锅炉控制系统设计毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

图 燃烧系统流程图 送风机 磨煤机 热空气 空气预热器 煤斗 煤 输煤皮带 排粉风机 煤粉 锅炉 炉渣 冲灰水 除尘器 引风机 灰渣泵 细灰 热空气 冷空气 烟气 经烟囱排向大气 至灰场 自输煤系统 过热蒸汽 除氧器 补给水 生水 低压加热器 高压加热器 排气 凝结水 凝结水泵 汽轮机 发电机 过热器 锅炉 省煤器 锅炉给水 给水泵 水处理 设备 循环水泵 冷却水 凝汽器 (软化 ) 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 6 设计锅炉控制系统必须考虑锅炉的经济性和安全性。 （ 1） 锅炉的经济性指标 1． 受热面的蒸发率：每平方米受热面一小时生产的蒸汽量，单位 Kg/m2 h。 锅炉的效率：用于产生加热水和蒸汽所用的热量 Q1 与每小时送入炉膛燃料燃烧所产生的热量 Qr之比，用符号 %表示。 %1001  rgl  （ ） 2． 锅炉的净效率：除了锅炉 机组运行消耗的能量之后的锅炉效率 %1 0 02 9 2 7 01    pBbQzyrj （ ） 3． 汽煤比：一吨煤燃烧所能产生的蒸汽量，由于不同锅炉对蒸汽的质量要求不一样，所以不同锅炉的汽煤比不具有可比性。 （ 2） 锅炉的安全性指标 锅炉连续运行的小时数：锅炉两次被迫停止运行的时间间隔。 锅炉可用率：统计期间内，锅炉运行的总小时数和锅炉的总备用小时数之和 与统计期间内总小时数之比 [2]。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 7 第三章 火电厂锅炉控制系统的总体方案设计 控制方案的选择 火电厂锅炉 的控制系统有三种方案 （ 1） 基于单片机的控制系统 （ 2） 基于 Labview 的控制系统 （ 3） 基于 PLC 和组态王的控制系统 单片机偏电子，适用于无线控制领域和中小型控制领域，以其重量轻、功能强、功耗小和安全性高等特点，在工业控制中得到广泛应用，但是由于其可靠性和自身保护性较 PLC 差，而且抗干扰能力及稳定性都不及 PLC,所以单片机一般只适合应用在控制要求不高的场合。 虚拟仪器与单片机相比，不仅省掉了单片机通信电路和转换电路，控制精度较高、开发周期短，而且采用 Labview 编程简单、调试方便，采用虚拟仪器控制 方法效率高、性能好，但是由于其编程语言是图形化的，所以修改起来十分麻烦。 与单片机和虚拟仪器相比， PLC 不仅可靠性和自动化程度高，抗干扰能力强，而且程序设计简单、维护方便，除了能够完成简单的逻辑控制，还可以通过功能模块和功能指令完成复杂的模拟量控制，对操作人员的要求较低，应用在控制要求较高的大中型设备中。 综合考虑火电厂锅炉控制系统的特点，本设计采用基于 PLC 的火电厂锅炉控制方案。 基于 PLC 的锅炉控制系统方案设计 本控制系统的上位机是一台工控计算机，下位机是西门子 S7200 可编程控制器，上位机通 过传感器获得锅炉各个参数的当前值，通过组态王监控软件实现对锅炉当前情况的监控、报警等功能，下位机 PLC 通过控制变频器或者阀门开度完成对控制变量煤粉流量、给水流量、给风量、引风量的控制，进而实现对燃烧过程、炉膛压力、汽包水位和过热器温度的控制。 系统的方案设计原理图如图 所示。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 8 上 位 机P L C炉 排 变 频 器 引 风 变 频 器 给 水 变 频 器 鼓 风 变 频 器炉 排 电 机 鼓 风 电 机水 泵 电 机引 凤 电 机A / D转 换炉 膛 压 力过 热 器 温 度汽 包 水 位炉 膛 温 度 图 锅炉控制系统原理图 锅炉控制过程 锅炉控制过程主要包括炉膛温度控制、汽包水位控制、炉膛压力控制、过热器温度控制。 锅炉控制系统控制流程图如图 所示。 图 锅炉控制系统流程图 汽包水位控制系统：维持汽包物料平衡，使给水量与蒸发量相适应，使汽包水位在控制要求范围内。 燃烧控制系统：包括炉膛温度控制系统和炉压控制系统，空气流量和煤粉流量按一内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 9 定比例混合燃烧，保证炉膛温度和蒸汽负荷要求，同时使引风量和送风量相适应，维持炉压在控制要求范围内，保证系统燃烧经济性和安全性。 过热器温度控制系统：使过热器出口蒸汽温度在允许范围内，满足生产工艺的要求[3]。 炉膛温度控制系统 由于炉温控制过程具有大惯性、多扰动和非线性的特点，本设计采用炉温和煤粉串级控制的 方案，实现对炉温的控制。 为了更好地控制燃烧过程参数，提高燃烧效率，必须设计合理有效的控制系统对燃烧过程进行精确的控制，燃烧过程采用空气和煤粉的双闭环 比值控制系统。 炉温控制系统 框图 如图 所示。 炉 膛 温 度调 节 器煤 粉 流 量调 节 器煤 粉 流 量调 节 阀煤 粉 管 道 炉 膛 空 气 流 量变 送 器K空 气 流 量调 节 器煤 气 流 量变 送 器炉 膛 温 度变 送 器空 气 管 道空 气 流 量调 节 阀设 定 温 度 T实 际测 量温 度值 图 炉温控制系统框图 该系统以炉膛温度控制和煤粉流量控制构成串级回路，其中的温度控制为主环，煤粉流量控制为副环，炉膛实际测得的温度作为反馈信号与设定值进行较得出偏差，温度调节器根据偏差信号对煤粉流量进行控制，这样外环温控回路根据炉温进行调节，内环可以 快速相应温度变化，实现对炉温的精确控制。 汽包液位控制系统 汽包液位是锅炉正常运行的重要控制参数之一，也是生产过程的重要工艺指标，汽包水位过高会导致汽包上部空间减小，影响其中的汽、水分离，蒸汽会出现带液现象，这种情况不仅降低了蒸汽质量和产量，还会导致蒸汽结垢或者损坏汽轮机叶片。 而汽包内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 10 液位过低轻则影响汽、水平衡，重则会出现干锅现象，有可能导致锅炉爆炸。 由于蒸汽负荷和给水压力变化大、不稳定，导致给水流量发生较大变化，从而影响汽包水位。 蒸汽用量突然加大时，蒸汽压力会瞬间下降，水沸腾加剧，汽包水的表面和底 部汽泡量会迅速增加，由于汽包的体积比水的体积大很多倍，会出现汽包水位升高的假象。 可是这种假象仍会被简单的控制系统当成真正的水位去处理，错误地减小给水流量。 反之，当蒸汽用量突然减少时，会出现水位下降的假象，而液位控制器分辨不清真、假现象，错位地进行开大给水阀门，影响锅炉正常的运行。 如果我们能够把主干扰蒸汽流量和给水流量这两种干扰因素同时引入到控制系统，那么锅炉汽包液位调节系统就能够克服这种假水位的现象，由于有三个信号作用于控制系统，所以称为三冲量控制系统 [4]。 该系统的控制框图如图 所示。 汽 包水 位 变 送器给 水 调 节阀蒸 汽 流 量蒸 汽 流 量变 送 器水 位副 调 节 器P I D 2主 调 节 器P I D 1水 位 设 定 值给 水 流 量变 送 器+—给水流量+—+图 汽包水位控制系统框图 从原理框图可知，汽包液位是主冲量，给水流量和蒸汽流量是两个辅助冲量，实际上就是一个前馈加反馈的三冲量串级控制系统。 当出现虚假水位时， 蒸汽用量增加时，主调节器（正作用、 选用 气闭阀）的输出信号减小，而蒸汽流量信号不经过主调节器，直接传递给副调节器，副调节器的输出减小，给水调节阀的开度增大，从而消除虚假水位。 当蒸汽流量不变给水流量发生较大的波动时，给水流量作 为反馈值通过副调节器控制给水调节阀，直至恢复到需要的数值为止 [5]。 主调节器根据设 定值和反馈信号的偏差产生动作，而副回路抗干扰能力很强，可以及时克服来自水流量方面的干扰，从而提高液位控制精度，通常情况下蒸汽信号和水流量信号作用相反，当出现假水位情况，蒸汽信号会起到补偿作用，从而保证液位稳定在内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 11 允许的变化范围内。 本系统中控制器要使液位稳定在设定值上，当出现干扰时不允许有余差，故采用比例积分控制规律。 因此不论是蒸汽还是给水信号变化时，都会破坏调节器的平衡，引起调节器的作用，减小干扰，提高液位的控制精度，为锅炉系统的安全运行提供了可靠地保障 [6]。 过热器温度控制系统 锅炉过热器出口的 蒸汽温度是火电厂热工控制中主要控制参数之一，直接关系到系统运行的安全性和经济性，一般来说对过热器出口蒸汽影响的因素主要有蒸汽流量的变化、炉膛燃烧情况、锅炉给水温度以及流经过热器表面的烟气温度等等。 对过热器的要求有质与量两个方面：质包括压力和温度参数及洁净度，量指流量。 过热蒸汽温度过高，会烧坏过热器水管，影响负荷设备如汽轮的正常工作和安全，气温过低会影响负荷设备的使用，例如蒸汽温度每降低 5℃，热机效率就会下降 1%，因此无论是从安全还是技术经济指标上看，必须保证过热器温度在规定的范围之内，危机控制系统一般将气 温控制在偏离额定值的 5%之内 [7]。 过热器出口蒸汽温度控制主要有两种方法 1：通过改变烟道温度控制过热器出口蒸汽温度 2：通过改变减温水流量控制过热器出口蒸汽温度。 由于第一种方法经济性不如后者，我们采用第二种方法。 控制系统框图如图 所示。 炉 膛 压 力P I D 调 节 器引 风 变 频器炉 膛 负 压对 象鼓 风 量 前馈炉 膛 负 压变 送 器鼓 风 干 扰对 象炉 膛 负 压设 定 值炉 膛 负 压出 口+++++ 图 过热器出口蒸汽温度控制系统框图 过热器出口蒸汽温度为主被控参数，减温器出口的水流量为副被控参数，温度检测变送器测得的过热器出口蒸汽温度与设定值的偏差作为主调节器的输入信号，主调节器内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 12 的输出再与流量变送器的 偏差作为副调节器的输入，然后控制减温水的阀门开度，通过改变减温水流量来现对热器出口蒸汽温度的控制。 从控制角度来讲减温设备安装在过热器后面比较合理，但是从设备安全角度减温器应该安装在过热器的前面，从上述矛盾出发，我们将减温器安装在过热器上部，更为合理有效地对过热器出口蒸汽温度进行控制。 炉膛负压控制系统 为了确保燃烧过程的顺利、安全、经济、高效地进行，必须对炉膛压力进行合理的控制，因为如果炉膛压力过高，不仅会产生向外喷火的现象，还会损坏锅炉设备，可是如果炉膛压力过低，就会吸入冷空气，影响炉膛的温度 ，造成燃料的浪费，因此炉膛压力需要维持在一定范围内。 对炉压的控制采用 前馈 反馈 控制如图 所示。 其中 鼓风量作为前馈信号，使引风量随鼓风量变化，保持炉压在工艺允许的范围内 [8]。 炉 膛 压 力P I D 调 节 器引 风 变 频器炉 膛 负 压对 象鼓 风 量 前馈炉 膛 负 压变 送 器鼓 风 干 扰对 象炉 膛 负 压设 定 值+++++ 图 炉压前馈控制系统框图 前馈控制是减少被控变量动态偏差的最有效方法之一，但在实际生产过程中，单独使用前馈是很难满足要求的，由于前馈控制是一种开环控制，无法校验补偿结果 ，一般前馈控制用来补偿主要干扰的影响。 前馈反馈控制系统的优点： 1． 对被调参数影响显著的主要干扰由 前馈进行补偿，而其余次要干扰可依靠反馈 来克服，从而保证被调参数最终等于给定值。 2． 由于反馈回路的存在，降低了对前馈控制模型的要求，为工程上实现比较简单 的通用模型创造了条件。 3． 负荷或工况变化时，模型特性也要发生变化，可由反馈控制加以补偿，因此具 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 13 有一定的自适应能力。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 14 第四章 硬件选型 传感器选型 1． 温度测量元件 对生产过程中的关键参数进行可靠、准确、实时检测，是实现系统自动自动控制的必要条件，因此选择合适的检测元件显得十分重要，也是完成检 测工作的重要前提。 检测仪表主要有传感器和变送器两部分组成，传感器将温度、压力、流量、物位、成分的变化转换成相应的电信号传送给变送器，变送器将电信号再转换为标准信号并输出。 温度是生产过程中较为常见的参数之一，保持温度在一定范围内也是进行安全、稳定、高效生产的重要任务之一，温度检测元件按照与被测介质的接触方式可以分为接触式和非接触式。 接触式检测仪表形式包括膨胀式、压力式、热电阻和热电偶，非接触式主要是辐射式。 接触式检测仪表具有简单、可靠、测温精度高等优点，缺点是测温存在延时。 而非接触式检测仪表具有较高的测温上。