1、编号设计技术报告课题名称：学生姓名 :学 号:专 业:班 级:指导教师 :2012 年 5 月燃煤热水锅炉DCS系统监控及应用录1摘 要5第一章 前 言 6第二章 工艺介绍及流程简述82 1 锅炉系统简述82. 2 锅炉主要技术指标82. 3 系统运行 82 3 1 升火及控制 82.3.2 运行操作 92 3. 3 锅炉停炉 10第三章仪表选型及设计103 1 仪表选型原则 103 1 1 温度仪表 1011111111113 1 2压力仪表 3 . 1 3流量仪表 3 1 4 液位仪表 3 1 5分析仪表 3 1 6执行机构 3 2控制点和控制参数11第四章锅炉燃烧系统控制方案 124 1
2、 锅炉燃烧过程和控制任务12411工业锅炉燃烧过程分析 12412锅炉燃烧过程的动态特性 17413工业锅炉燃烧控制的任务 194 2 锅炉优化控制的理论基础及国内外研究现状19421锅炉优化控制的理论基础 19422国内外研究现状 224 3 控制方案设计与研究224 3 1 燃煤热水锅炉燃烧过程对象的实测特性 224 3 2控制方案的选取 234 4 “炉温寻优”思想的提出及实验验证254 4 .1 “炉温寻优”思想的提出 254 4 2 炉膛温度和热效率的关系 254 .43 炉温相对于风量的极值点 264 4. 4 “炉温寻优”思想的实验验证 274 5 优化控制系统的实现28451
3、“炉温寻优”应满足的条件 28452 寻优算法 28453 重新启动寻优的条件 30第五章DCS系统选型及其软硬件设计开发 305 1 DCS 系统概述 305. 1. 1国内外DC繇统发展现状 306. 1.2 DOS系统的特点和优势 317. 1.3 DCS系统选型原则 325. 2 SunyPCC800小型集散控制系统简介 335 3 硬件体系设计34531 网络结构 34532 现场控制站 36533 操作站工程师站 365.3.4 采用一体化 SunyTDCS80原统 365 4 软件体系设计375 4 1 实时数据库 385 4 2 硬件配置软件SunyCfg 385 4 3 算法
4、编辑器SunyIEC 385 4 4 实时运行软件SunyRTM38545 人机界面设计 38546 显示功能设计 40547 报警功能设计 40548 报表打印功能 40549 系统生成及数据通信 415 5 系统技术规格设计415 5 1 系统构成 415 5. 2 系统供电 415 5 3 可靠性和冗余措施 42第六章DCS系统可靠性设计426 1 DCS 系统的抗干扰问题 426 1 1 电磁干扰源及对系统的干扰 426. 1. 2 DCS控制系统工程应用的抗干扰设计 446 1 3主要抗干扰措施 446 2 DCS 系统冗余技术456 2 1 冗余技术 456 2 2 控制系统冗余的
5、关键技术 456 .2 3 冗余技术在控制系统中的应用实现分析 46第七章效果及结论477 1 实施效果 47参考文献 48本文介绍了浙大中自公司的 SunyPCC800 ， 3*17 5MW 燃煤锅炉系统的工艺原理、工艺流程。根据系统要求，参考其它系统控制参数，确定了 76个控制点，对每一个控制点，都确定了具体的安装位置，仪表规格型号，控制参数量程，以及对应的DCS控制编号。根据燃煤热水锅炉的燃烧特性，采用 “炉温寻优” 的控制方案， 分析了控制方案应满足的条件和控制算法。本文对目前国内外DCS控制系统的发展和应用进行了详细地分析研究；确定DCS应用中的选型原则；本系统对扩展能力（I/0点数
6、）要求不高，适宜选用小型的DCS控制系统，最终采用了浙大中自有限公司的SunyPCC800DCS 控制系统。对浙大中自有限公司的unyPCC800 DCS 控制系统进行了分析研究，进行了硬件选型及设计，进行了软件设计，进行了系统整体技术规格设计。针对锅炉可靠性的要求，对影响 DCS 系统的安全可靠因素进行了分析设计，分析了系统各种干扰源及抗干扰措施；还对系统各项冗余要求进行了详细分析。应用以上设计的自动控制系统，使锅炉燃烧的控制达到了很好的效果，减轻了劳动人员的劳动强度；提高了锅炉燃烧效率，提高了锅炉运行的安全性。该装置2007 年6 月顺利运行，目前运行良好，各项指标达到了设计要求。关键词：
7、 燃煤锅炉；仪表选型：DCS ；参数优化；系统冗余第一章 前 言随着我国生产力的不断发展以及我国在生产过程自动化方面科技水平的不断提高，目前我国建设的锅炉控制系统普遍采用了DCSE制系统，以前采用常规控制的锅炉系统也基本进行了 DC敛造。随着DCSE制系统的不断发展，性能不断提高，价格逐年 下降，DCSE制系统的应用范围越来越广。由于DC驳术进步速度很快，集中更新换代周期很短，过去由几个主要外国DCg家垄断的时代已经过去，民族品牌的DC笊家迅速发展成熟起来，目前已经占据了中国DCS 市场的半壁江山，其性能，可靠性和稳定性及优越性的性价比得到了广大用户的认可。选择DCSL种主要考虑以下方面；选择
8、工程实力较强的知名公司，选择符合有经验的专 家推荐的主流机型，首先考虑DC系统的可靠性，稳定性和可操作性其次考虑DC助能应满足“功能需要”的要求，具有国际先进水平（但不一定是最先进的）系统应具有 开放式的结构，有灵活的系统可扩展性；制造厂家的后备支持系统完备，有工程经验 和实践能力，服务良好，性价比最好，备件供应和及时响应。对于锅炉系统来说，控制系统可靠性是至关重要的，如何尽可能的提高DCS勺可靠性，从而保证安全生产是一项非常重要的工作，从提高可靠性的角度考虑，在DC磁型和设计上要注意几个方面的问题。在选择DCSE制系统时要优先考虑有在类似机组上的 良好运行业绩的控制系统，这样的控制系统通过工
9、厂试验和实际投运，其可靠性得到 了时间的检验。控制系统的硬件一定要具备高可靠性，在电子元器件上的生产工艺各 环节上采用了成熟的技术，电子模件最好能热插拔。控制器的运算和存储能力要足够，IO卡件具有很强的抗干扰能力。控制系统从结构上要充分地采用冗余技术。对于控制 系统的控制器，网络通讯等必须冗余，且各冗余设备之间必须能实现无扰切换。采取 冗余结构不仅能避免控制系统的局部故障扩大事故，保证机组安全稳定运行，同时也 保证设备故障的在线排除，从而消除事故隐患。控制系统软件的可维护性要好，同时 也保证设备故障的在线排除，从而消除事故隐患。控制系统软件的可维护性要好。尤 其是以下几个方面：程序及软件的稳定
10、性好，不会出现系统或单个控制器死机等问题；系统自诊断性好，控制器及I/O 信号有出错报警；人机交换友好，可以在线维修程序及下载；备品备件有可靠保证，在15年内采购容易且周期短，价格低；控制系统软件的可读性好，其组态功能块的功能是否能轻易实现DCSE制系统的各种工艺功能的需求。SunyPC800DCS（统，源于浙大中自有限公司，此公司产品广泛应用与许多行业。该装 置是比较成熟的产品，故很多公司采用，并取得较好的业绩。该装置的独立性较强。燃煤锅炉控制系统有80个控制点位左右，系统对扩展能力（I/O点数）要求不高，选用 这种小型的的DCSE制系统可以避免不必要的资源浪费，降低工程成本。DC系统设计，
11、一般需经过：系统方案制定，完成了仪表选型计算，仪表安装方案配线方案设计， DCS 软硬件设计，DC系统选型，协助采购招标及签署各种技术附近，完成控制系统规划， 盘柜布置，供电分配，各种接线图的绘制，现场施工，综合考虑各种因素，使该控制 系统安全、精确且节能。第二章 工艺介绍及流程简述2 1 锅炉系统简述型号：SHL14.7 1.42/131/65 AIII, 有潍坊生建锅炉厂生产。 锅炉室内双层布置，运行层高 4.5米，锅炉呈凸骨形。烟气出炉膛进入转向室后进入对流管束区，对流管束分成前后两部分，烟气为 快流动，前部管束明显比后部管束吸热大，热气上升下降分明，构成井然有序的自然循环，中间的隔室可
12、供进入砌筑隔墙和维修。烟气为横向及纵向混合冲刷，烟气流速选取较高，这样布置可以使水循环有保证。烟气混合冲刷，对流管束区不积灰，能一直保持较好的传热状态，尾部布置了省煤器和空气预热器。2.2 锅炉主要技术指标额定热功率17.6MW最大热功率19.4MW额定进口水温70设计效率81.4%燃煤外水分氢(H)、氧(。)、氮(N)、硫(S污化学元素组成。煤的成分基于应用基(用上角标y表示)的百分含量为Cy Hy Oy NySy Ay Wy =100% (4-1)y其中C y H 、O、N 、S、A y W分别为碳、氢、氧、氮、硫、灰分和水的应用分析基的百分含量。工业分析煤的成分百分含量可表示为FCy V
13、y Ay Wy = 100%(4-2)其 FCy、Vy、Ay、Wy分别为固定碳、挥发分、灰分和水分含量的百分数。 同样，可以用分析基来描述煤的成分百分量FCy + Vy + Ay + Wy = 100%(4.3)其中FCy、Vy、Ay、Wy 为固定碳、挥发分、灰分和水分含量的分析基工业分 析质量含量百分数。有了成分含量，经门捷列夫化学公式，可计算煤的低位发热量， 即Y QDW=339Cy 1105.1H y 108.8(0y-Sy)-25.1Wy(4.4)其中YyQDW为应用低位基发热量。它包含着W,是一个不确定的量，它因存储、运输或天气条件变化而改变，是一个不可测的扰动。2 .热平衡特性分析
14、锅炉燃烧的热平衡可用下式表示Qr 二 Q1Q2Q3Q4Q5Q6(4-5)其中Qr为输入热量；Q1为有效利用热；Q2为排烟损失热；Q3为化学不完全燃烧热 损失；Q4为机械不燃烧损失R热；Q5为锅炉散热；Q为灰渣物理热损失。(1)锅炉输入热量Qr ?锅炉输入热量Qr是指锅炉以外的纯输入值，它不包括炉内循环热量。Q = Q Y i Q rQr QDW ir Qwl 1其中q为锅炉输入热量；ir为燃料物理热；Qwl为外来热源加热空气带入的热量。其 中i r按下式计算i r - c r t r(4 6)其中ir为燃料温度，可取为20C； cry为燃料应用基比热容。当用外热源加热燃料(蒸汽干燥器等)及系统
15、使燃料干燥时应计算此项，并根据炉前燃料状态取用tr和燃烧水分。若未经预热,CY只有当Wy_孟时才需计算。固体燃料比热容按下式计算y gcr = cr -100-Wy100Wy4.187 100(4-7)其中crg为燃料干燥基比热容，无烟煤、贫煤crg =0, 92 kJ/(kg - C );烟煤 cg =1. 09kJ/(kg c );褐煤 cg=1. 13 kJ/(kg C );油页岩 cg =0. 88 kJ/(kg C ) (2)锅炉有效利用热Qi锅炉有效利用热是指锅炉供出工质的总始与给水始的差值，对于热水锅炉八 1rWQi = 1(D + Dzy)(ibq -igs- rW)+ Dpw
16、(ibs-igs)(4.8)B100其中Q为锅炉有效利用热：B为燃料消耗量；D为锅炉蒸发量；Dzy为锅炉自用热水量;Dpw为锅炉排汽量；ibq热水始；ibs为饱和水始；igs为给水始；r为汽化潜热。如锅炉有再热器时，锅炉有效利用热应增加再热器吸收量量Dzy(izr 一izr)(4-9)其中口引为再热器中热水流量；i；r、i；r为冉热器出口、入口处热水燃。(3)排烟热损失Q2排烟热损失是指锅炉排烟物理热造成的热损失，它等于排烟始与冷空气烙的始差。 用占输入热百分率表示为q 二 (I2yQ2pyIi0)(100QR)o/%Qr(4-10)其中I py、Ilk为排烟始和理论空气始；口 py为排烟处过
17、量空气系数理想状态煤完全 燃烧所需的干空气量为V =0.889(Cy +0.375Sy) +0.265H y 0.0333Oy)(4-11)煤燃烧产生烟气始为I = I0 + (a-1)lR(4-其中，I0为过剩空气系数是1,烟气温度为0C时理论烟气始；I 0 = VcO2(CQ)cO2 + VN2(CQ)N2 + V；2O(CQ)H2O ?式(412)中，：为标准状态下的理论空气始；iR =v(cq)r(4)化学不完全燃烧热损失此项损失是指排烟中未完全燃烧的可燃气体 (H2、CO CH4等)所带走的热量。对于运行锅炉，借助排烟处烟气成分的测量，然后按下式计算求得Cy 0.375Sy 236C
18、O 201.H 668CH4100 Q4RO2 CO CH4100(4-13)其中H2、CO、CH4为干烟气中一氧化碳、氢气、甲烷的容积百分比，可从烟气分析测得；RO2为干烟气中三原子气体容积百分比影响Q3的因素很多，主要有燃料的挥发分、炉膛过量空气系数、燃烧器设计、炉膛温 度以及炉内空气动力工况等。(5)机械不完全燃烧热损失Q4对于层或室燃烧，此项损失是指飞灰、落灰和灰渣中未燃尽可燃物造成的热损失。Wy=lCfh3265Ay100- CfhQ(4-14)ak ak m a y h af1h(4-15)其中3、ay、ayh、a分别为炉渣、漏煤、烟道灰、飞灰中的灰量占入炉燃料总灰分的重量份额；G
19、z、Ckm、Cyh、Cfh分别为炉渣、漏煤、烟煤灰、飞灰中可燃物含 量的百分数。若对于给定燃料，各处灰量及灰中可燃物有可靠数据时， 也可按上述公式计算Q4。 对于运行锅炉，需测定各处灰中可燃物含量，并利用灰平衡法求得各处的a值，利用上述公式算出Q。影响Q4的主要因素有：燃料性质、燃烧器设计、炉膛温度、炉膛设 计和炉膛过量空气系数等。热量及热平衡是控制的基本参数，以上分析是理想状态燃烧释热的定量分析，锅 炉热平衡方程也仅是理想状态的平衡，与工程上的实际情况相去甚远，例如，由于煤 质不同很难测得燃烧后产生烟气的成分组合，在计算热量时所应用到的应用基Wy (水含量)一个时变函数，是一个不可测的扰动。
20、进入锅炉内参加燃烧的冷空气的始也是一 时变值，这都给工程上的热量、热损、热平衡以及锅炉的热效率计算带来困难。3.换热过程特性分析炉内换热的特点表现为以下几个方面：(1)换热方式有辐射和对流两种，主要以辐射换热为主，对流换热一般不超过5%;(2)燃料不同，构成火焰的物质不同，辐射特性不同；(3)在火焰流动过程中，由于火焰温度分布不同，火焰中辐射成分也不同，具有各 项异性特点；(4)燃料不同，灰分不同，裹复在受热面上的厚度、性质不同，灰尘表面具有高的 温度，是阻碍热交换的重要因素。分析炉内换热的特点，辐射换热是锅炉燃烧过程换热 的主要方面，火焰辐射包括原子气体辐射、火焰中灰粒辐射、火焰中焦炭粒子辐
21、射和碳 黑粒子辐射，但工程上通常把炉内火焰看作为均匀辐射体，辐射换热可用下式计算：QFC0*)4 一壶)4Hf(4-16)其中砌为炉膛黑度；Co为绝对黑体的辐射系数；T为火焰的绝对平均温度；T2为受热面外壁的绝对温度；H f为炉膛内有效辐射受热面积。炉膛黑度同火焰的发光程度和锅炉的结构等有关，而火焰的发光程度则决定于燃料的品种和燃烧方式。在工程实际中，不仅辐射换热具有非线性，而且还有燃烧换热过程的时滞性、负 载的时变性、设备性能时变性等特性。因此，分析燃烧换热过程特性对锅炉测控过程 关键参量的确定和控制策略的制定将起到至关重要的作用。(1)煤的燃烧过程时滞特性与辐射换热的非线性煤的燃烧是两相燃
22、烧，多相反应过程。两相燃烧是指周、气两念的燃烧，多相反 应过程是各种成分同时或相继反应。在燃烧过程中，决定反应速度的是反应过程中最 慢的那部分历程。燃烧首先是煤的挥发分燃烧，由于挥发分燃烧带走附着在碳粒表面的大量氧气，故碳的燃烧在挥发分未完成燃尽阶段因缺氧而受到影响。随着挥发分燃尽，碳进行两 相燃烧，即碳和一氧化碳燃烧，燃烧速度与碳表面覆盖的灰层厚度有关。(2)负载的时变性负载的时变性是指锅炉出口压力或温度具有一定约束条件，它因用户容量、室外 温度等变化而变化(3)设备性能的时变性换热器结垢热传导时变性。结垢问题是锅炉稳定控制、安全生产的重要问题。换 热器受热后以热传导的方式，将热能传递给工质
23、，在无垢的情况，传递时间常数很小， 结垢后换热器壁厚增加，等效导热系数改变，传导时间常数随结垢厚度不同而不同， 特别在我周的工业锅炉生产中，结垢问题是重大问题，由此引发的生产事故经常出现。结垢的热传导时滞常数t可用工= f(d)来描述，d为结垢厚度。d是一个在线不可测的扰动量，结垢问题不仅反映了设备性能时变问题，而且也带来了过程延迟的问题。风路参数的时变性。风路参数时变主要是因为风路积灰、除尘等环节引起的风路 气阻R的时变。这种变化容易引起风/煤的配比失调，造成排烟损失或不完全燃烧损失。 锅炉的风道计算十分复杂，同样的设计，同样的施工队伍施工所建造的风路，在性能 上可能存在严重的差异。为了说明
24、风道的时变性，设所选的风道区域是紊流段。可粗 略地描述积灰等原因造成的风道气阻变化，对于一个非线性气阻的流量可用下式表示M = aA,2gpi p(4-17)其中M为质量流量；a为流量系数；A为空气流通面积；P为经气阻后的流通密度；p为气阻前后压差；g为重力加速度。d p把R = T代入上式得到dM1g： 2 A2gM(4-18)由于积灰流通面积A是个不确定的时变因素，这个因素将严重影响风量控制，使 燃烧较难工作在最佳区。4. 1. 2锅炉燃烧过程的动态特性1 .燃料传送过程燃料煤传送过程的输入参数是给煤机的转速，输出参数是给煤量的多少。当给煤 机从中间储仓供应炉膛燃料时，给煤机在动态特性上是
25、一个一阶滞后环节。同时，给 煤机传送具有纯滞后时间丁。所以，煤粉传送过程的传递函数为G(s)二(4-19)Ki -s eT1s 1其中Ki为放大系数：T1为时间常数，S;七为煤传送滞后时间，s；2 .燃料燃烧过程燃料燃烧过程的输入参数是给煤量，输出参数是燃料燃烧所产生的热量，可以用一 阶惯性环节来近似描述其动态特性：G2（s）二K2T2s 1(4-20)其中K2为燃烧过程的放大系数；T2为燃烧过程的时间常数。3 .工质形成过程工质形成过程主要是热水蓄能的过程，它的输入参数为锅炉进水所含有的热量Ds。输出参数为管道出口的能量Ds。在研究形成过程的动态特性时，可以分省煤器省煤段和循环系统段两部分组
26、成。其传递函数可表示为G3i(S);DsD出K 31T31s1 一 e省煤器省煤段的传递函数可表示为G32（S）二K321-T32seT32 s其中丁31为循环系统蓄热过程的时间常数，s； K31为循环系统蓄热过程的放大系数；T32为省煤器省煤段的停留时间，s ； K32为省煤器省煤段的放大系数。综合上面两部分的公式，可以求出热水形成过程的传递函数:G3(s); G3i(s) G32(s)二K311T31s-e 31T31sK321- e32sT32s(4-21)锅炉燃烧过程如图41所示:4.1蝌归JB烧过程方根田Fig 4“ The block of boiler combustion pr
27、oms4. 1. 3工业锅炉燃烧控制的任务工业锅炉燃烧系统控制的基本任务，是使燃料燃烧所产生的热量，适应负荷的需 要，同时还要保证经济燃烧和锅炉的安全运行。具体调节任务可概括为三个方面：1 .维持出水温度不变维持出水温度不变，这是燃烧过程控制的第一项任务。如果出水温度变了，就表 示锅炉的生产量与负荷设备的消耗量不相一致，因此，必须改变燃料的供应量，以改 变锅炉的燃烧发热量，从而改变锅炉的输出，恢复出水温度为额定值。这项控制任务 就称为热负荷控制。止匕外，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 .保持锅炉燃烧的经济性锅炉燃烧过程的经济性是锅炉燃烧过程控制的第
28、二个任务。燃烧的经济性指标难 于直接测量，常用烟气中的合氧量，或者燃料量与给风量的比值来表示。如果能够恰当地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，结果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；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 .维持炉膛负压在一定范围内炉膛负压的变化，反映了引风量与给风量的不相适应。通常要求炉膛负压保持在20 40 Pa的范围内，这时燃烧工况，锅炉房工作条件，炉子的维护及安全运行都最 有利。如果炉膛负压太小。炉膛容易向外喷火，既影响环境卫生，又可能危及设备与 操作人员的安全。炉膛负压太大，炉膛漏风量增大，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一定范围之内。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。对于燃烧过程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。在负荷变化的外 扰作用时，则应使燃料
