35th循环流化床锅炉燃烧子系统集散控制设计与实现论文开题报告.docx
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35th循环流化床锅炉燃烧子系统集散控制设计与实现论文开题报告
毕业论文开题报告
题目35t/h循环流化床锅炉燃烧子
系统集散控制设计与实现
学院自动化与电气工程学院
专业电气工程及其自动化
班级电传1001
学生卞卡
学号20100321002
指导教师张强
二〇一四年三月二十日
学院自动化与电气工程学院专业电气工程及其自动化
学生卞卡学号20100321002
论文题目35t/h循环流化床锅炉燃烧子系统集散控制设计与实现
一、选题背景与意义
1.循环流化床锅炉(CirculatingFluidizedBedBoiler,CFB)作为近年来国际上发展起来的新一代高效、低污染清洁燃烧锅炉,具有燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣综合利用等优点,因此在电力、城市供热、工厂蒸汽生产中得到越来越广泛的应用。
但由于循环流化床锅炉的燃烧及汽水变化过程十分复杂,受影响的因素多,给煤、一、二次风,返料耦合性强,而且燃烧与汽水也存在复杂的耦合关系。
此外,过程的非线性和大滞后也使对象更加复杂,难于建立精确的数学模型,这样对控制就提出了更为严格的要求。
这包括两层意义:
一是控制系统要有很高的可靠性;二是控制方案要有很好的控制实效。
基于这样两点,用常规仪表控制系统的循环流化床锅炉其燃烧自动控制系统基本投不上,或投入率很低,实际运行中还靠手动操作。
究其原因,在于循环流化床锅炉燃烧系统的复杂性。
常规仪表控制系统无法满足先进控制策略的各种复杂控制,而集散控制系统(DCS)作为一种先进的控制系统使得在循环流化床锅炉的自动控制中实现复杂控制成为可能,所以CFB锅炉一般都选择先进的DCS控制系统,特别是运用先进的控制方案,能够实现锅炉燃烧的完全自控。
2.循环流化床锅炉做为一种新型燃烧设备,它具有高效低污染、煤种适应性好,负荷调整范围宽,飞灰和炉渣的含碳量低、运行稳定,并且对有害气体的排放进一步降低、环保效果好等优点,因此而得到广泛的推广和应用;但是,由于投放时间短且炉型不断改进,一直存在自动控制系统投入不理想等问题。
循环流化床锅炉一般由给料系统、循环床燃烧室、高温分离装置、循环物料回送装置和尾部受热面(有些炉型与返料机构结合设置有外置流化床换热器)等组成。
循环流化床锅炉燃烧系统是一个大滞后、强耦合的非线性系统,各个变量之间相互影响。
有的被调参数同时受到几个调节参数的共同影响,如床层温度要受到给煤量、石灰石供给量、一次风量、返料量及排渣量等多个参数控制。
同时,有的调节参数又影响多个被调参数,如给煤量不仅影响主汽压力,还影响床温、炉膛温度、过量空气系数及SO2含量等参数。
因此,在构造CFB锅炉控制方案时只有抓住主要矛盾,同时兼顾各个次要矛盾,才能构造出满足系统要求的控制策略我们将智能自动化方法及策略结合实际经验,设计控制方案,实践证明该方法行之有效,可广泛应用于各行业锅炉的自动控制系统。
二、研究内容与目标
本题目拟采用ABBAC800F控制系统:
1.按照DCS规范书的设计和适用工业标准,配置完整的自动控制系统。
2.按照电气设计图纸、初步I/O清单和控制要求,推出相应的设计图纸,完成I/O借口布置图。
3.数据库的生成:
包括每一点的标记名及说明、变送器量程、工程单位、硬件地质、扫描周期、滤波常数、偏差和警报线。
4.按照设计图纸,实现集散系统各个电机启停、连锁等数字量控制,以及汽包也为三冲量设计。
5.按照锅炉工艺流程设计DCS的监控画面,包括工艺流程显示、管线状态显示、趋势显示、状态显示。
3、研究方法与手段
1.工艺流程
循环流化床燃烧是一种燃烧化石燃料、废物和各种生物质燃料的燃烧技术。
它的基本原理是床料在流化状态下进行燃烧。
一般粗粒子在燃烧室下部燃烧,细粒子在燃烧室上部燃烧;被吹出燃烧室的细粒子采用各种分离器收集之后,送回床内循环燃烧。
循环流化床燃烧系统主要由流化床燃烧室、飞灰分离装置、飞灰回送器组成,如图1所示。
有的还有外部流化床热交换器。
燃料在燃烧系统内完成燃烧的大部分热量传递过程。
图1:
环流化床锅炉结构示意图
(1)燃烧系统:
煤、石灰石在播煤风、密封风不断加入到炉膛燃烧室的料层中,床层底料在一次风(大约60%总风量)的作用下开始流化。
在一定高度加入二次风完成燃料的充分燃烧,粉尘被烟风带出燃烧室后,被分离器分离捕捉,由返料设备再返回到燃烧室中,形成了循环流化的过程。
(2)除氧给水及汽水系统:
给水部分的主要用水来自外来网的脱盐软化水,部分是生产工段蒸汽冷凝后的冷凝水。
经过除氧器后软化水通过调速给水泵传送到锅炉系统中的汽水环节,给水经过省煤器、汽包、水冷壁、过热器,向外提供合格的蒸汽。
(3)减温减压系统:
在生产过程中,不同的工段需要不同压力和不同温度的工业用汽,这就需要将主蒸汽通过减温减压装置变换成不同规格的工业用汽。
2.控制难点以及解决方案
(1)炉膛压力控制自动调节系统与其他炉型一样,炉膛压力自动调节采用单回路调节系统,通过调节一、二次风机和引风机执行机构的开度,维持炉膛压力在允许范围内变化。
图2:
炉膛负压调节方框图
(2)料床厚度、压力以及温度调节好进风机、一二次引风机的配合度来控制炉膛负压和料床压力,通过对料床厚度的压力控制来得到合理的料床厚度,防止燃料的浪费、燃料不足、物料流动过慢等现象的发生;控制反料温度来控制料床温度以及联合料床压力控制在合理的范围内,使锅炉可以持续安全稳定的运行。
图3:
料床压力调节方框图
图4:
料床温度调节方框图
(3)给煤量在自动状态下,燃料调节系统接受锅炉主控指令,实现给煤量控制,每台给煤机均实现自身偏置,以保证给煤量的均衡。
(4)高过温度在保持炉膛压力稳定并自动控制的前提下,实现物料燃烧时的最高温度的控制。
(5)风机引风机主要负责送料,一、二次风机实现系统的助燃以及给氧量,三个风机的协调运转现对炉膛内压力的控制以及最终的输出温度。
一次风对于锅炉流态化的建立及流化质量的好坏床料在密相区内实现良好的流态化燃烧、床压及床温高低、锅炉的循环倍率等均有决定性的影响,其控制受多种因素影响。
二次风的控制主要是确保可燃物在稀相区(悬浮段)实现富氧燃烧,并保证排烟含氧量在3%~5%,入炉总风量与入炉的煤量匹配。
图5:
烟气给氧量调节方框图
(6)主蒸汽压力的控制主汽压力通过调节给煤、配风、循环灰量等参数实现控制要求,但给煤量是影响床温的关键因素,所以在构建主汽压力-燃烧控制方案时,将检测值和设定值经过比较,并将偏差作比例处理用作函数处理后的蒸汽流量一起作为前馈信号纳入到给煤调节回路上,操纵给煤执行器。
床温低就加大给煤量,高则减少给煤量。
由于循环流化床锅炉的床温可以在一定范围内有波动,所以床温偏差只有在超过设定区间(未越限报警)才会对给煤量直接起作用。
而主蒸汽压力控制已纳入机炉协调控制系统中,与普通煤粉炉不同,循环流化床锅炉存在燃料—蒸汽负荷大延时特性,而一次风—蒸汽负荷则具有逆向相应特征。
采用锅炉主控维持主汽压力,汽轮机主控维持机组负荷的锅炉跟随为基础的协调控制方式(CCBF),实现机炉的协调控制。
在负荷指令作用下,刚开始受一次风—蒸汽负荷控制特性影响,锅炉能迅速响应负荷的变化,但随后受燃料—蒸汽负荷大延时控制特性的影响,达到目标负荷的调节过程很长,而循环流化方式可以在很大程度上克服炉慢机快这一调节弱点。
当实现远方操作时,运行人员通过给出的负荷目标值,协调控制系统按照这一目标,调节汽轮机、给煤机以及各风机调节机构,保证压力的稳定,达到目标负荷的控制要求。
3.环流化床锅炉集散控制
在满足功能要求和力求系统结构简单合理的前提下,研究开发循环流化床锅炉燃烧子系统的DCS,设计方案如下:
考虑到该系统对实时性、安全性等的要求,本系统采用冗余AC800FFieldController控制器、S800及本质安全系列I/O控制模件。
设置中央控制室,并将操作站集中置于该控制室内。
对DCS中的电源模块、系统网络、部分卡件采用冗余配置,变送仪表采用精度高、调整方便、通讯能力强、高可靠性的智能型仪表,全面提高检测控制系统的可靠性。
3.1数据采集及数据处理
(1)数据采集:
是指完成一次数据(过程参数、设备状态)的获得,如温度、压力、流量、物位等模拟量信号和设备状态等开关量信号,信号从现场模件由电缆直接送到DCS内部端子.其中:
(a)一次参数的模拟量要经过滤波及放大器、信号转换及热偶补偿、线性变换、非线性变换、报警设置等预处理。
(b)一次参数的开关量要经过防抖、报警设置等预处理。
(2)数据处理:
对数据采集的一次数据进行加工处理,得到DCS的二次数据,处理的主要方法有:
(a)一次计算:
主要完成对现场测点的补偿,如流量补偿、汽泡水位补偿、热电阻室温补偿等,一般采用计算公式补偿的方法来实现,得到一次计算结果。
(b)二次计算:
主要对现场测点求和、求差、信号选择、累计、平均值、最大值等数据计算,得到二次计算结果。
3.2中央控制室
中央控制室集中实现对全厂生产过程的实时监测、分析、管理、控制,主要由2个操作员站(OS)、1个工程师站(Es)及打印机等组成。
3.3操作员站
硬件平台为工业控制机,软件平台为DIGVIS,VB等软件.在该系统中,2个操作员站的功能配置几乎完全相同,其功能和权限由工程师站决定,可互为热备份,具体功能如下:
(1)可显示循环流化床锅炉的工艺流程图,分为循环流化床锅炉除氧器及给水系统、锅炉燃烧过程控制系统、汽水系统、减温减压系统等画面,各画面可自由切换。
(2)在画面中,各电机、电磁阀等普通设备的运行状态均由相应的动态图形符号表示,可显示与所代表设备关联的3位变量(备妥、运行、返回)的8种实时状态,不同状态由不同颜色表示点击动态图形符号,将会弹出操作面板,可在解锁状态下对设备进行单机控制。
同时根据工艺特点将所有设备分为不同设备组,各设备组均有两组按纽:
①联锁、解锁按钮:
实现本设备组的解、联锁控制.在联锁状态下,一组设备可根据现场返回信号按工艺要求自动启、停;在解锁状态下,各设备只能单独启、停;②启动、停止按钮:
实现本设备组在联锁状态下的启、停控制。
(3)在循环流化床锅炉过程控制系统中,采用自定义功能块的形式将PID调节、串级调节、水位3个冲量的各个调节器封装。
操作员通过点击动态图形符号,来调用操作面板。
在控制面板中可以完成在线参数整定、主/副调节器投切、手自动转换等操。
(4)系统能通过接点状态的变化,或者参照预先存储的参考值,对模拟量输入、计算点、平均值、变化速率、其它变换值进行扫描比较,分辨出状态异常、正常或状态的变化。
若确认某一点超过预先设景的限值,在界面的顶端有报警信息栏显示报警,并发出声响信号。
报警显示将按时间顺序排列,点击报警方框或是提示框,可浏览更为详细的报警信息或是提示(如具体故障点、故障时、故障类型等)。
(5)可通过菜单选择显示不同历史曲线组,每组最多可显示6条曲线;所存储时间根据需要可进行自由配置。
3.3.1燃烧控制系统
燃烧系统是循环流化床锅炉中耦合关系最复杂的系统.在燃烧系统中,最重要的就是对床层温度和负荷(主蒸汽压力)的控制,其它的控制回路包括炉膛负压控制、料层差压控制、风烟控制(一次风控制、二次风控制、播煤风控制)。
床层温度是一个直接影响锅炉安全连续运行的重要控制参数,一般床层温度控制在850℃左右。
当需要通过调节给煤量和风量改变锅炉负荷时,要求床温应维持在一个特定的范围内,以保证锅炉正常燃烧.但改变给煤同时也会影响主蒸汽压力,即存在所谓的耦合问题。
(1)床层温度和负荷控制在本控制系统中采用以负荷(主蒸汽压力)调节或以床温调节为主的不同工况,且转换时应无扰动。
因此方案中除设计了负荷一给煤量调节外,还设计了床温-给煤量调节.当以负荷调节为主时,床温控制器跟踪负荷调节器的输出;而以床温调节为主时,负荷调节器跟踪床温控制器的输出。
(a)以负荷调节为主以负荷调节为主时,采用负荷一给煤量调节系统,即调节给煤量和相应的送风量以满足负荷需求。
由于引起床温变化的参数较多,而这些参数之间又相互关联、相互制约和影响.因此在以负荷调节为主时,尽量利用循环流化床锅炉的分级燃烧特性和合理的风煤比将床温维持在要求的范围内。
床温的控制采用分级控制的方法,即当床温的变化影响锅炉的脱硫、脱氮效率不明显时,如在790-900℃范围内,不采取任何调节措施;当床温超出一定值,如大于950℃时,利用循环灰量对床温的调节作用做相应的调节;而当床温过高,如大于970℃时,将一次风量增大5%-10%,给煤量减少10%左右风量的增大和煤量的减少可在运行中根据不同的工况进行调整和设置,但当床温超高,如大于1000℃时,则一次风、二次风、给煤量调节应全部转为手动。
(b)以床温调节为主
当现场操作要求以床温调节为主时,给煤量调节器的输入信号不再来自负荷调节器或主控调节器,而应采用床温调节器的输出,组成床温一给煤量串级调节系统.此时调节给煤量的主要目的是维持床温,以保证循环流化床锅炉的安全、稳定、连续运行。
床温的控制主要通过调节给煤量来实现。
(2)炉膛负压调节控制炉膛负压数据采集采用冗余测量变送器的操作人员介入式方案.两个测量信号送人系统,同时在显示表头上显示实际数值.一般情况下,两个信号基本上是一致的.这时操作人员可任意选择其中一个投入工作,炉膛负压控制采用一次风前馈的单回路控制,如图2所示。
(3)料层差压控制也称为料层控制。
通过测量运行中料层差压来控制,维持床料高度在适当数值。
若料层太高、太厚则会使布风板阻力加大,分层严重,可能引起床下风室风道振动,且增大风机电耗;若料层薄、高度太小则会发生吹穿,燃烧热量减小,运行不稳定,带负荷能力受到影响。
由于料层高度与床压近似成比例关系,因此可用差压大小推算床料高度。
当差压变大时,床料厚度增加,可打开锅炉排灰渣装置,进行排渣,随着排渣量增加,床料减少,床压下降;反之,当差压过小时,可通过适当加料补充,控制床位。
(4)一次风量控制一次风在循环流化床锅炉中,用于调整流化、炉膛温度和料层差压.一次风主要是随着负荷的大小变动而改变,并呈现出一定的阶跃性。
在本系统中我们采用单回路PID调节。
(5)二次风量控制二次风的主要目的是确保可燃物在稀相区(悬浮段)实现富氧燃烧,并保证排烟含氧量在3%~5%,人炉总风量与人炉的煤量匹配。
因此,本系统采用串级控制,烟气含氧量作为主调输入,二次风量作为副调输入,由二次风量调节器的输出调节二次风机的转速,使进入炉膛的二次风量随锅炉的负荷发生变化。
(6)播煤风控制在本系统中有1台播煤增压风机和2个播煤口,每个播煤口设有3路播煤风。
播煤风采用单回路调节,调节每一路播煤风在一定的流量、压力,保证燃料能够顺利进入炉膛,并保证烟气不能反串至给煤管道系统。
3.3.2除氧给水及汽水控制系统
(1)除氧给水控制
在除氧给水控制系统中,主要检测参数有:
来自TDI界区冷凝水流量、来自外来网的脱盐水流量、1#和2#除氧器液位、1#和2#除氧器温度、1#和2#除氧器压力、蓄水池液位以及A,B,c水泵的运行信号检测。
主要控制参数是给水母管压力。
给水母管压力是通过A,B,C水泵调整母管压力.工作方式是:
若母管压力低于低限,A泵运行在10min内无法加大母管压力,则启动B泵.若B泵启动10min后,母管压力仍低于低限,则启动c泵.10min后若母管压力持续低于低限,则通过声光报警,请求操作人员干预。
(2)汽水控制
本系统能够自动检测机汽水热工参数,主要检测参数有:
高压母管给水压力、高压母管给水流量、主蒸汽流量、高过入口温度、高过出口温度、主给水阀门开度、减温水阀门开度。
主要控制参数:
主给水调节、主汽温度、调节、汽包液位联锁。
(a)给水调节系统:
给水调节的目的是维持汽包水位在正常范围内波动,维持给水量与供汽量的动态平衡。
低负荷时采用单冲量调节系统,主汽流量不参与前馈控制;正常负荷时采用三冲量调节系统,由主给水调节阀控制,同时主汽流量作为前馈信号预先动作主给水调节阀。
(b)主汽温度调节系统:
主汽温度的目的是保证TDI正常生产的重要参数.主汽温度、喷水减温器出口温度及主汽流量组成串级调节系统,主汽温度由二级喷水减温器控制,一级喷水减温器控制二级过热器出口温度。
3.3.3减温减压控制系统
本循环流化床锅炉的主汽温度和主蒸汽压力分别控制在445℃和3.5MPa左右,而在TDI生产过程中分别需要0.7MPa,180℃;1.8MPa,220℃和3.5MPa,260℃的工业用汽.减温减压系统是本循环流化床锅炉特有的部分。
主要检测参数:
E03温度、压力调节阀门开度;E04温度、压力调节阀门开度;E05温度、调节阀门开度;E03出口蒸汽温度、压力、流量检测;E04出口蒸汽温度、压力、流量检测;E05出口蒸汽温度、流量检测。
主要控制参数:
E03温度、压力调节;E04温度、压力调节;E05温度调节。
减温减压系统中的温度控制是通过温度调节阀控制各自集汽箱壁冷水的流量,而压力控制是通过调节主蒸汽母管与集汽箱之间的压力调节阀来完成的。
温度和压力的调节是采用PID单回路控制。
3.4工程师站
工程师通过工程师站对整个系统进行硬件配置和软件组态。
(1)对系统的硬件配置:
综合对系统的性能、安全性及稳定性要求的分析,将循环流化床锅炉集散控制系统配置为全冗余的控制方案即以太网采用光纤环的方式,冗余的AC800F控制器采用备份工作方式,Profibus采用冗余,扩展110卡件采用部分冗余,但考虑到循环流化床锅炉控制安全性的要求,将特殊的模拟量采集点采用本质安全的防爆卡件。
(2)对Ps的组态:
主要包括集散系统的软件配置、数据的转换、控制算法的实现、人机界面的组态等等。
(a)通过配置字对DCS系统所用I/O模件进行功能配置,然后通过变量指定将实际中的采集数据变量与控制系统相对应。
(b)对各模拟量(如温度,压力、电流等,均为4-20mA或0-10V信号)进行数据类型转换和量程转换;对重要工艺参数设置上7、下限值,当信号超出时,发出报警信号及相应的信息提示;对一些有要求的数据量(如流量、运行时间等)进行累计,并定时或手动清0。
(c)完成各设备组的顺序控制和安全保护控制的开发。
出于生产的安全性、连续性及稳定性的考虑,本集散系统把循环流化床锅炉根据各环节控制特点分为若干设备组,如风机联锁控制、除氧给水泵联锁控制、汽包水位联锁保护控制以及主燃料跳闸保护控制等等。
(3)对OS的组态:
整个系统根据厂方要求配置两个OS,功能如上所述。
4.预期成果
(1)35t/h循环流化床锅炉确保床温在正常范围为基础,确定正确的选择炉膛压力和床层差压调节系统,找出循环流化床锅炉燃烧调节系统的控制量和被调量及其相互耦合关系影响,保证了负荷、主蒸汽压力的稳定。
为一个整体对象控制:
按工艺流程的自动化过程由DCS系统协调完成,达到能量平衡;保障锅炉及辅机安全、可靠、高效运行和启停。
(2)提高系统运行的技术经济效益:
锅炉及辅机在额定参数的上限运行,使锅炉及辅助机处于最佳运行工况;实现高自动化投入率,提高可靠性,减少误操作,降低事故率。
(3)完善的操作指导和事故分析手段:
锅炉及辅机的运行工况可由很多监测参数反映出来,当运行工况出现异常时,一方面进行超驰功能及过程制约机制的实行,一方面提供相关参数、趋势图表等高效方式通知运行人员及时处理;操作记录打印、报警打印、周期性报表等功能,有助于锅炉及辅机的日常管理和事故分析。
四、参考文献
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五、指导教师评语
指导教师(签字)
2011年4月8日
六、审核意见
系主任(签字)
2011年月日
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