分類號 密級 U D C 編號 士學(xué)位論文 論 文 題 目 燃煤鍋爐燒過程控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)與研究 學(xué)科、專業(yè) 控 制 工 程 研究生姓名 施 修 峰 導(dǎo)師姓名及 桂衛(wèi)華 教 授 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 姚繼東 高級工程師 2005 年 11 月 摘 要 洛陽市熱力公司 26#供熱站擔(dān)負(fù)著為西工區(qū)供暖的任務(wù)。雖然設(shè)備幾經(jīng)更新，但由于種種原因，采暖能耗一 直很高。其中鍋爐燃燒控制落后是原因之一。 本文以 26#供熱站的 2 臺(tái) 50t/h 燃煤鍋 爐的燃燒控制系統(tǒng)為研究對象，以改進(jìn)原有 制系統(tǒng) 為目的，以當(dāng)前發(fā)展比較迅速的模糊控制理論為手段，提出了采用 8051 單片機(jī)控制變頻器改變給煤機(jī)、引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了燃燒過程 的計(jì)算機(jī)控制。系統(tǒng)對鍋爐燃燒進(jìn)行監(jiān)控，通過傳感器采樣信號，計(jì)算 是否達(dá)到最佳含氧量、最佳風(fēng)煤比，來控制給煤量、引風(fēng)量和送風(fēng)量， 使燃燒達(dá)到最佳熱效率和提高鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。 用 基于 模糊自整定 制器的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真研究。 鍋爐燃燒過程具有非線性、參數(shù) 時(shí)變、難以建立精確數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的 制，效果不佳。結(jié)合模糊控制理論和 制，本文提出用模糊自整定 制 器實(shí)現(xiàn)對鍋爐的燃燒過程控制。并利用真 工具對模糊自整定 制器的性能作了初步研究。仿真結(jié)果表明，模糊自整定 制明顯優(yōu)于傳統(tǒng) 制，具有超調(diào)量小、過渡時(shí)間短、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn) ，能夠達(dá)到預(yù)期的控制效果。 論文詳細(xì)介紹了鍋爐控制系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)，其中包括硬件結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)主要功能、系統(tǒng)硬件配置、軟件設(shè)計(jì)原則、 主程序流程等。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，鍋爐的燃燒效率和穩(wěn)定運(yùn)行情況都有 了明顯改善，有利于鍋爐高效穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)降耗的目標(biāo)。 關(guān)鍵詞 ： 鍋爐，模糊自整定 制，單片機(jī)，系統(tǒng)仿真 on is is In to ID 0t/h 6# as in of 051 on at of of of to of of of of to ID at of ID t ID a ID is in of ID of ID is ID on it as it of in So of of of of of of of s of so of 南大學(xué)碩士論文 目 錄 錄 第一章 緒論 . . 1 文研究背景 . 1 文研究的對象及改造要求 . 1 內(nèi)外現(xiàn)狀 . 4 文研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 . 5 第二章 燃煤鍋爐工藝情況介紹及對控制系統(tǒng)要求 . 6 條鍋爐系統(tǒng)介紹 . 6 煤鏈條鍋爐各部分的組成 . 6 爐的工作過程 . 7 爐設(shè)備的主要控制系統(tǒng) . 8 爐燃燒系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 . 9 料傳送過程 . 9 料燃燒過程 . 9 汽形成過程 . 9 爐供暖系統(tǒng)的控制要求 . 10 結(jié) . 11 第三章 鍋爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) . 12 統(tǒng)概述 . 12 爐燃燒控制系統(tǒng)框圖 . 13 糊控制原理 . 13 糊控制器 . 14 糊控制系統(tǒng)原理框圖 . 16 糊合控制 . 16 數(shù) 整定控制原理 . 17 數(shù) 定模型 . 18 糊自整定 制器 . 19 爐控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) . 20 煤調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 20 風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 22 風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 22 膛負(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng) . 23 爐汽包水位的控制 . 25 汽過熱系統(tǒng)的控制 . 26 算機(jī)控制設(shè)計(jì)原理 . 27 結(jié) . 28 中南大學(xué)碩士論文 目 錄 爐燃燒控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) . 29 件實(shí)現(xiàn) . 29 件結(jié)構(gòu) . 29 統(tǒng)主要功能 . 30 統(tǒng)硬件配置 . 31 儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 . 32 盤接口電路 . 34 擬量輸入電路 . 35 擬量、開關(guān)量輸出電路 . 36 件實(shí)現(xiàn) . 38 件設(shè)計(jì)的基本原則 . 38 件實(shí)現(xiàn)的功能 . 38 統(tǒng)主程序流程圖 . 39 爐點(diǎn)火啟動(dòng)子程序流程圖 . 41 ，北方地區(qū)冬季城市 集中供熱成為現(xiàn)代化建設(shè)必須采取的步驟。而供熱面積的不斷擴(kuò)大，使如何科學(xué)有效的控制和管理供熱系統(tǒng)，提高供熱的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，成為急需解決的重要課題。 在供熱系統(tǒng)中，鍋爐房供熱所占比例很大。據(jù)對全國 29 個(gè)大中城市近 平方米的調(diào)查，分散鍋爐房供熱占 84%，且鍋爐容量大多在 20t/h 以下。這些鍋爐是主要的耗能設(shè)備。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，采暖地區(qū)采暖能耗已達(dá) 噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國總能耗的 12。而其中大部分鍋爐自動(dòng)化程度不高，運(yùn)行效率低，浪費(fèi)能源嚴(yán)重。為此，國內(nèi)專家對鍋爐本體燃燒的自動(dòng)控制作了很多研究，本篇論文以洛陽市熱力公司 26#熱力站鍋爐系統(tǒng)的改造為背景，利用近幾年來工業(yè)控制領(lǐng)域中比較先進(jìn)的模糊控制技術(shù)，來改善原有鍋爐系統(tǒng)的控制方式，使鍋爐燃燒系統(tǒng)得到最佳控制3。 當(dāng)然供熱系統(tǒng)的功效不僅僅是通過鍋爐系統(tǒng)本 身來完成的，更需要熱源（鍋爐系統(tǒng)） 、熱網(wǎng)、熱用戶構(gòu)成不可分割的整體之間合理匹配才能最大限度的實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的目的。本文主要針對鍋爐燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，供熱系統(tǒng)中其它部分的改造在此不作為討論對象。 文研究的對象及改造要求 經(jīng)過對洛陽市熱力公司的調(diào)研，課題 研究集中在對熱力公司 26#供熱站的改造上， 26#供熱站現(xiàn)有 2 臺(tái) 50t/h 鏈條鍋爐（ 3#鍋爐， 4#鍋爐） ，設(shè)計(jì)供回水溫度為 130 /80供熱面積 80 萬 7 個(gè)換熱站（分別為 26#、 25#、 16#、 4#、 3#東、 3#西、 2#換熱站） ，分布在洛陽市的各個(gè)住宅小區(qū)內(nèi)，由鍋爐房 2 臺(tái)熱水鍋爐送出的高溫高壓水送至各個(gè)換熱站，再由各個(gè) 換熱站采用板式換熱器換熱送至用戶。 26#供熱站使用的鍋爐是鏈條型，針對鏈條鍋爐燃燒的特點(diǎn)，爐膛內(nèi)不同地帶的燃燒層進(jìn)行著不同的燃燒階段，因此各個(gè)區(qū)域燃燒所需的空氣量和燃燒層中釋放的氣體成份也是不同的。對于每個(gè)燃燒階段的長短和所需的空氣量會(huì)有所不同，即氧氣含量多少會(huì)有變化，采用合適的風(fēng)煤比才能較好配合燃燒過程，以達(dá)到充分燃燒的目的。燃煤鍋爐的燃燒過程具有較大的熱慣性，且受煤質(zhì)、煤種、爐排配風(fēng)是否中南大學(xué)碩士論文 第一章 緒 論 2合理及爐膛漏風(fēng)等因素影響，使燃煤鍋爐的自動(dòng)調(diào)節(jié)更困難。洛陽市 26#供熱站原有的燃燒控制系統(tǒng)在控制方法設(shè)計(jì)上沒有達(dá)到最佳控制效果，系統(tǒng)因控制手段不精確，引起過多空氣進(jìn)入爐膛，將熱量帶走，降低了效率。在實(shí)際運(yùn)行中，由于送風(fēng)和給煤調(diào)節(jié)存在一定的滯后時(shí)間，加上過程對象本身的時(shí)間常數(shù)又較大，現(xiàn)場實(shí)施中控制效果不理想。為此，結(jié)合本工程實(shí)際情況決定對燃燒系統(tǒng)進(jìn)行必要的改造，采用比較先進(jìn)的模糊控制技術(shù)，來代替原有傳統(tǒng) 制方法。 分析鏈條爐的燃燒動(dòng)態(tài)特性，發(fā)現(xiàn)它具有很大的慣性和純時(shí)延。從加熱擾動(dòng)到蒸汽發(fā)生變化一般滯后 23 分鐘以上。燃料的種類、質(zhì)量、爐排上煤層厚度等的各種情況的變化，導(dǎo)致燃燒過程的不穩(wěn)定。因此，鍋爐燃燒過程是個(gè)具有大慣性、大純時(shí)延、變參數(shù)的多輸入多輸出復(fù)雜過程。傳統(tǒng)的鍋爐燃燒控制多采用 制器。但 節(jié)控制是無法為具有大慣性、 大純時(shí)延和變參數(shù)的過程提供高質(zhì)量的控制。解決這些問題的方法是采用比 為有效的控制技術(shù)。采用模糊控制技術(shù)完成對燃燒系統(tǒng)的控制，就能達(dá)到 較好的控制效果，能夠彌補(bǔ) 不足，有較強(qiáng)的適應(yīng)性。這為鏈條爐的燃燒控制開辟了新的途徑。 模糊控制是經(jīng)典控制理論發(fā)展的高級階段。主要用來解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制，其中包括智能機(jī)器人系統(tǒng)、復(fù)雜工業(yè)過程控制系統(tǒng)，航空航天控制系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的多模態(tài)復(fù)合智能控制。其目的是提高系統(tǒng)的魯棒性、容錯(cuò)性和解決具有 嚴(yán)重的非線性和不確定系統(tǒng)的控制問題。 模糊控制同傳統(tǒng)控制的不同在于，它不依賴于被控對象的數(shù)學(xué)模型，而是在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)操作的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的一種手段，它根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。其組成核心是具有智能性的模糊控制器，這是它與一般 原理和方法上完全不同之處。 制是最早發(fā)展起來的應(yīng)用經(jīng)典控制理論的控制策略之一。由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制中。尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。而實(shí)際工業(yè)控制過程中經(jīng)常會(huì)遇到大滯后、時(shí)變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)。其中，有的參數(shù)未知或緩慢變化、有的存在滯后和隨機(jī)干擾、有的無法獲得精確數(shù)學(xué)模型等，應(yīng)用常規(guī) 制不能達(dá)到理想的控制效果；另外傳統(tǒng) 制算法呆板、整定不便、性能欠佳 、對運(yùn)行工況的適用性較差等，單純采用 制往往達(dá)不到滿意的效果。 模糊控制與傳統(tǒng) 制理論有機(jī)結(jié)合起來，可構(gòu)造成 合型控制系統(tǒng)，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有 制精度高的特點(diǎn)。因此模糊控制并不是代替，而只是 拓展了傳統(tǒng)的控制。模糊自整定 數(shù)控制系統(tǒng)能在控制過程中對不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進(jìn)行檢測分析，采用模中南大學(xué)碩士論文 第一章 緒 論 3糊推理的方法實(shí)現(xiàn) 數(shù) 僅保持了常規(guī)控制系統(tǒng)原理簡單、使用方便、魯棒性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且具有更大的靈活性、適應(yīng)性，控制也更精確。 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真是對控制系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)研究的十分重要的手段。通過計(jì)算機(jī)仿真來對比各種控制策略和方案、優(yōu)化并確定相關(guān)參數(shù)、以獲得最佳控制效果是多年來控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤其是 新型控制策略與算法研究中必不可少的技術(shù)。采用模糊自整定 制進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真， 可快速方便地實(shí)現(xiàn)多種規(guī)則和參數(shù)的準(zhǔn)確仿真效果， 極大地提高模糊自整定 數(shù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性。 司推出的應(yīng)用開發(fā)工具，在國際學(xué)術(shù)界 經(jīng)被確認(rèn)為準(zhǔn)確、可靠的科學(xué)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軟件4。其中 一個(gè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它可以處理的系統(tǒng)包括：線性、 非線性系統(tǒng)； 離散、 連續(xù)及混合系統(tǒng)； 單任務(wù)、 多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。 僅使 以用結(jié)構(gòu)圖的形式、選擇各種數(shù)值算法及仿真步長參數(shù)、圖形顯示仿真結(jié)果等，而且可以對較復(fù)雜的控制規(guī)律以直接傳遞參數(shù)的方式直接實(shí)現(xiàn)仿真。其中 大的優(yōu)點(diǎn)之一是能夠使模糊系統(tǒng)直接進(jìn)入 在仿真環(huán)境中檢驗(yàn)它們的輸出。因此，用于基于模糊控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真變得極為方便和有效。 鍋爐供暖控制系統(tǒng)包括兩個(gè)控制任務(wù)，燃燒系統(tǒng)控制和給水系統(tǒng)控制。本篇論文的主要任務(wù)是對燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改造。燃燒控制的基本任務(wù)既要使熱量適應(yīng)負(fù)荷的需要，還要保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性和鍋爐運(yùn)行的安全性。因此燃燒控制要通過調(diào)節(jié)給煤量來保持分配到的負(fù)荷；調(diào)節(jié)送風(fēng)使之隨時(shí)與給煤量保持適當(dāng)?shù)谋壤?，以保證完全燃燒和最小熱損失；調(diào)節(jié)引風(fēng)使之隨時(shí)與送風(fēng)相適應(yīng)，以保證爐膛負(fù)壓在一定的范圍內(nèi)。對于洛陽市 26#供熱站的兩臺(tái)鍋爐并列運(yùn)行的母管制方式，還要實(shí)現(xiàn)按預(yù)定比例向兩臺(tái)鍋爐分配負(fù)荷，使兩臺(tái)鍋爐負(fù)荷均衡，共同維持供熱母管的正常運(yùn)行。根據(jù)母管制并列運(yùn)行鍋爐燃燒過程調(diào)節(jié)所要完成的任務(wù)，可將整個(gè)系統(tǒng)分為四個(gè)密切聯(lián)系的子系統(tǒng)，即與并列運(yùn)行的兩臺(tái)鍋爐均有關(guān)的母管壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、鍋爐的給煤調(diào)節(jié)系統(tǒng)、送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和引風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。為了使給煤機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)協(xié)調(diào)工作，以克服耦合的影響，必須采用多變量輸入輸出的模糊控制方式控制鍋爐的燃燒過程。 給水控制的任務(wù)主要是控制供水流量和回水流量，從而間接影響供水溫度和回水溫度。對于給水控制的改造，在本文不作討論。 中南大學(xué)碩士論文 第一章 緒 論 內(nèi)外現(xiàn)狀 鍋爐的自動(dòng)化控制經(jīng)歷了三、四十年代單參數(shù)儀表控制，四、五十年代單元組合儀表、綜合參數(shù)儀表控制，直到六十年代興起的計(jì)算機(jī)過程控制幾個(gè)階段。尤其是近一、二十年來，隨著先進(jìn)控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，加之計(jì)算機(jī)各項(xiàng)性能的不斷增強(qiáng)及價(jià)格的不斷下 降使鍋爐應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制很 快得到了普及和應(yīng)用5678。 在國外，鍋爐的控制已基本實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動(dòng) 控制，在控制方法上都采用了現(xiàn)代控制理論中最優(yōu)控制、多變量頻域、模糊控制等方法。因此，鍋爐的熱效率高、鍋爐運(yùn)行平穩(wěn)、而且減少了對環(huán)境的污染91011。 在國內(nèi)，由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的限制，我國 中小企業(yè)鍋爐控制水平一直比較落后，大多數(shù)中小型鍋爐水平基本上停留在手工及簡單儀表操作的水平。 80 年代中后期，隨著各類先進(jìn)的控制技術(shù)引進(jìn)我國， 鍋爐控制水平也得到了很大提高。至 90 年代，鍋爐的自動(dòng)化控制已成為一個(gè)熱門領(lǐng)域，利用單片機(jī)、可編程控制器、工業(yè)計(jì)算機(jī)以及引進(jìn)的國外控制設(shè)備開發(fā)的各種控制系統(tǒng)，已逐漸應(yīng)用于對原有鍋爐的技術(shù)改造中，并向與新建爐體配套的方向發(fā)展。許多新的控制方法，諸如最優(yōu)控制12、自適應(yīng)控制13、模糊控制1415、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制16、專家控制17等都在鍋爐自動(dòng)控制中得到了嘗試和應(yīng)用。 從 30 年代起，鍋爐控制中就采用了 制器。目前，國內(nèi)的鍋爐燃燒控制仍然大多采用常規(guī) 制器，或者為了改善控制效果 ，加一些前饋控制?？刂品椒ㄟh(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外的控制技術(shù)，尤其 是北歐國家和德國。據(jù)國外報(bào)道：在 10t/h 炮粉鍋爐上應(yīng)用自校正技術(shù)和在 鏈條爐上使用 制已取得了節(jié)約燃料的良好效果。 現(xiàn)代工業(yè)向著大型化和連續(xù)化的方向發(fā)展，生 產(chǎn)過程也隨著日趨復(fù)雜，對生態(tài)環(huán)境的影響也日益突出，這些都對控制提出了更高的要求。不僅如此，生產(chǎn)的安全性和可靠性，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益等都成為衡量當(dāng)今自動(dòng)控制水平的重要指標(biāo)。因此，僅用常規(guī)儀表已不能滿足現(xiàn)代化企業(yè)的控制要求。由于計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快、精度高、存儲(chǔ)量大、通訊靈活等特點(diǎn)，已在過程控制中得到十分重要的應(yīng)用。鍋爐作為一種典型的生產(chǎn)過程，其自動(dòng)控制水平已隨著過程計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展18192021。 從當(dāng)前的發(fā)展趨勢看，在大型工廠中，過程計(jì) 算機(jī)正成為一種把控制和管理融為一體的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。它是在自動(dòng)化技術(shù)，信息技術(shù)和各種17工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)將工廠生產(chǎn)活動(dòng)所需的信息和各種分散的自動(dòng)化系統(tǒng)有機(jī)的集中南大學(xué)碩士論文 第一章 緒 論 5成起來，形成一個(gè)能適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境不確定性和市場需求多變性總體最優(yōu)的高質(zhì)量、高效益、高柔性的智能系統(tǒng)，現(xiàn)已成為當(dāng)前控制領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。在控制技術(shù)方面，近年來，為了獲得更好的控制性能，把基于數(shù)學(xué)模型的控制技術(shù)和基于經(jīng)驗(yàn)知識的控制技術(shù)相結(jié)合 的集成控制技術(shù)受到了重視 ，獲得了廣泛的研究22232425。 因此，鍋爐的自動(dòng)控制正朝著多學(xué)科結(jié)合的計(jì) 算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，管理控制一體化的發(fā)展2627。文研究 內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 本文首先分析了鏈條鍋爐的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特點(diǎn)， 著重對鍋爐燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。改變傳統(tǒng) 制方法，采用 制器與模糊控制相結(jié)合的控制手段對鍋爐燃燒進(jìn)行控制，對鍋爐控制系統(tǒng)中的其它自動(dòng)控制系統(tǒng)簡略予以描述，并給出燃燒控制系統(tǒng)與其它自動(dòng)控制的接口；對鍋爐燃燒的模糊 制算法進(jìn)行真研究，與傳統(tǒng) 制方法進(jìn)行比較，仿真結(jié)果表明，優(yōu)于傳統(tǒng)控制，并且方案是有效可行的。 在鍋爐燃燒系統(tǒng)中，給煤系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)、引 風(fēng)系統(tǒng)是燃燒控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，以 列單片機(jī)作為主控設(shè)備，通過傳感器采集爐膛溫度壓力、含氧量和爐膛負(fù)壓來調(diào)節(jié)鍋爐的給煤量、送風(fēng)量和引風(fēng)量從而達(dá)到最佳熱效率。同時(shí)采用片機(jī)控制變頻器交流調(diào)速來控制給 煤電動(dòng)機(jī)、爐排電動(dòng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使它們協(xié)調(diào)動(dòng)作，達(dá)到準(zhǔn)確調(diào)節(jié)、快速反應(yīng)的控制效果。 列單片機(jī)可擴(kuò)展外部接口電路，與其它自動(dòng)控制系統(tǒng)（汽包水位控制系統(tǒng)、過熱蒸汽氣溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)）相連結(jié)，實(shí)現(xiàn)鍋爐整體的監(jiān)控，改善了系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能，達(dá)到穩(wěn)態(tài)控制的要求。 論文的結(jié)構(gòu)安排如下： 第二章鍋爐的工藝情況及對控制系統(tǒng)要求。 第三章鍋爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。 第四章鍋爐燃燒控制系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)及仿真。 第五章鍋爐自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行。 第六章結(jié)論。 中南大學(xué)碩士論文 第二章 燃煤鍋爐的工藝情況介紹及對控制系統(tǒng)要求 6第二章 燃煤鍋爐工藝情況介紹及對控制系統(tǒng)要求 近年來隨著模糊集合理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 ，模糊控制理論在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用?；谀：刂频腻仩t計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)越來越受到關(guān)注2930313237。對 26#供熱站的采暖鍋爐進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)改造，采用模糊自整定 控制方法，對供暖鍋爐的給煤系統(tǒng)、送風(fēng)系 統(tǒng)、引風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了控制規(guī)律的設(shè)計(jì)。 條鍋爐 系統(tǒng)介紹 煤鏈條鍋爐各部分 的組成 燃煤鏈條鍋爐的組成如圖 2示。鍋爐組成主要由以下幾部分組成： 1汽鍋：由上下鍋筒和管簇組成。水在管內(nèi)受外煙氣加熱，因而管簇內(nèi)發(fā)生自然的循環(huán)流動(dòng)，并逐漸汽化，產(chǎn)生的飽和蒸汽聚集在上鍋筒里面。下鍋筒起著連接沸水管的作用，同時(shí)儲(chǔ)水和水垢。 2爐膛：是使燃料充分燃燒并放出熱能的設(shè)備。燃料（煤）由煤斗落在轉(zhuǎn)動(dòng)的鏈條爐爐篳上，進(jìn)入爐內(nèi)燃燒。所需的空氣由爐篳下面的風(fēng)箱送入，燃盡的灰渣被爐篳帶到除灰口。落入灰斗中，得到的高溫?zé)煔庖来谓?jīng)過各個(gè)受熱面，將熱量傳遞給水以后，由煙囪排到大氣中。 3過熱器：是將鍋爐所產(chǎn)生的飽和蒸 汽繼續(xù)加熱為過熱蒸汽的換熱器。 4省煤器：是利用煙氣余熱加熱鍋爐給水，以降低排出煙氣溫度的換熱器。 5空氣預(yù)熱器：是繼續(xù)利用離開省煤器后的煙氣余熱，加熱燃料燃燒所需要的空氣的換熱器。通常，大、中型鍋爐中均設(shè)有空氣預(yù)熱器。 為保證正常工作，鍋爐還必須有一些輔助設(shè)備，包括以下幾個(gè)部分： 1. 引風(fēng)設(shè)備：包括引風(fēng)機(jī)、煙囪、煙道口幾部分，用它將鍋爐中的煙氣連續(xù)排出。 2送風(fēng)設(shè)備：由送風(fēng)機(jī)和風(fēng)道所組成 ，用它來供應(yīng)燃料燃燒所需的空氣。 中南大學(xué)碩士論文 第二章 燃煤鍋爐的工藝情況介紹及對控制系統(tǒng)要求 71- 鍋筒 2 3 4 5 6 7圖 燃煤鏈條鍋爐結(jié)構(gòu)簡圖 3給水設(shè)備：由給水泵和給水管組成。給水泵是用來克服給水管路以及省煤器的阻力和鍋筒的壓力，把給水送入鍋筒。 4水處理設(shè)備：其作用為清除水中雜質(zhì)和降低給水硬度，以防止在鍋爐受熱面上結(jié)水垢或腐蝕，從而提高鍋爐的經(jīng)濟(jì)性和安全性。 5燃料供給設(shè)備：由運(yùn)煤設(shè)備、原煤倉和儲(chǔ)煤斗等設(shè)備組成，保證鍋爐所需燃料的供應(yīng)。 6除灰除塵設(shè)備：除灰設(shè)備是收集鍋爐灰渣并運(yùn)往儲(chǔ)灰場地的設(shè)備。除塵設(shè)備是除去煙氣中的灰粒，以減少對周圍環(huán)境污染的設(shè)備。 爐的工作過程 鍋爐的工作過程概括起來包括三個(gè)同時(shí)進(jìn)行著 的過程：燃料的燃燒過程，煙氣向水的傳熱過程和水的汽化過程?，F(xiàn)簡要敘述鍋爐的三個(gè)過程。 1燃煤鍋爐的燃燒過程：燃料煤加到煤斗 中并落在爐排上，電機(jī)通過減速機(jī)、鏈條帶動(dòng)爐排轉(zhuǎn)動(dòng)，將燃料煤帶入爐內(nèi)。燃料煤一邊燃燒一邊向后移動(dòng)，燃燒所需要的空氣由引風(fēng)機(jī)送入爐排中間的風(fēng)箱后，向上通過爐排到達(dá)燃料燃燒層。風(fēng)量和燃料量成比例（風(fēng)煤比） ，以便進(jìn)行充分燃燒，形成高溫?zé)煔?。燃料煤燃燒剩下的灰渣，在爐排末端通過除渣板后排入灰斗。這一整個(gè)過程稱為燃燒過程。 2煙氣向水的傳熱過程：由于燃料的燃燒 放熱，爐膛內(nèi)溫度很高。在爐膛四周中南大學(xué)碩士論文 第二章 燃煤鍋爐的工藝情況介紹及對控制系統(tǒng)要求 8墻面上都布置著一排水管，稱為水冷壁。高溫?zé)煔馀c水冷壁進(jìn)行強(qiáng)烈的輻射換熱和對流換熱，將熱量傳遞給管內(nèi)的水。繼而煙氣受引風(fēng)機(jī)、煙囪的引力向爐膛上方流動(dòng)。煙氣出煙窗（爐膛出口）并通過防渣管后就沖刷蒸汽過熱器（蒸汽過熱器是一組垂直放置的蛇形管受熱面，使汽鍋中產(chǎn) 生的飽和蒸汽在其中受煙氣加熱而過熱） 。煙氣流經(jīng)過熱器后又經(jīng)過安裝接在上、下爐筒間的對流管束，使煙氣沖刷管束，再次以對流換熱方式將熱量傳遞給管束內(nèi)的水。沿途降低溫度的煙氣最后進(jìn)入尾部煙道，與省煤器和空氣預(yù)熱器內(nèi)的水進(jìn)行熱交換后，以較低的煙溫排出鍋爐。省煤器實(shí)際上就是給水預(yù)熱器，它和空氣預(yù)熱器一樣，都設(shè)置在鍋爐尾部煙道中，以降低排煙溫度提高鍋爐效率，從而節(jié)省燃料。 3水的汽化過程：就是蒸汽的產(chǎn)生過程，主要包括水循環(huán)和汽水分離過程。經(jīng)過處理的水由泵加壓，先流經(jīng)省煤器而得到預(yù)熱，然后進(jìn)入汽鍋。鍋爐工作時(shí)，汽鍋中的工作介質(zhì)是處于飽和狀態(tài)下的汽水混合物。位于煙溫較低區(qū)段的對流管束，因受熱較弱，汽水的容重較大；而位于煙氣高溫區(qū)的水冷壁和對流管束，因受熱強(qiáng)烈，相應(yīng)水的容重較小，因而容重大的往下注入下鍋筒，而容重小的則向上注入上鍋筒，形成水的自然循環(huán)。 蒸汽產(chǎn)生的過程是借助上爐筒內(nèi)裝設(shè)的汽水分 離設(shè)備，以及在鍋筒本身空間中的重力分離作用，使汽水混合物得到分離。蒸汽在上鍋筒頂部引出后進(jìn)入蒸汽過熱器，而分離下來的水仍回到上鍋筒下半部分的水中。 爐設(shè)備的主要控制系統(tǒng) 供熱鍋爐設(shè)備的控制任務(wù)是根據(jù)熱負(fù)荷的需要 ，供應(yīng)一定溫度的蒸汽，同時(shí)使鍋爐在經(jīng)濟(jì)的條件下運(yùn)行。按照這些控制 要求，鍋爐設(shè)備有以下主要的控制系統(tǒng)。 1鍋爐汽包水位控制：被控變量是汽包水位，操縱變量是給水流量。它主要是保持汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸汽量，維持汽包中水位在允許的范圍內(nèi)。這是保證鍋爐安全運(yùn)行的必 要條件，是鍋爐正常運(yùn)行的重要指標(biāo)。 2鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制：燃燒控制中 三個(gè)被控變量是蒸汽壓力（或負(fù)壓） 、煙氣成分（經(jīng)濟(jì)燃燒指標(biāo)）和爐膛負(fù)壓。可選用的操縱變量也是三個(gè)：燃燒量、送風(fēng)量和引風(fēng)量。組成的燃燒系統(tǒng)控制方案要滿足燃燒所產(chǎn)生的熱量；要使燃料與空氣量之間保持一定的比值，保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性和鍋爐的安全運(yùn)行；要使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，保證爐膛負(fù)壓在一定的范圍內(nèi)。 3過熱蒸汽系統(tǒng)的控制：被控變量為過熱蒸汽溫度，操縱變量為減溫器的噴水量。使過熱器出口溫度保持在允許范圍內(nèi) ，并保證管壁溫度不超過允許的溫度。 中南大學(xué)碩士論文 第二章 燃煤鍋爐的工藝情況介紹及對控制系統(tǒng)要求 9在本文中著重對鍋爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì) 出燃燒系統(tǒng)的控制方式。而對其它控制系統(tǒng)的控制不作詳細(xì)描述，只進(jìn)行簡單介紹。 爐燃燒 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 料傳送過程 燃料煤傳送過程的輸入?yún)?shù)是給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速， 輸出參數(shù)是給煤量的多少。當(dāng)給煤機(jī)從中間儲(chǔ)倉供應(yīng)爐膛燃料時(shí)，給煤機(jī)在 動(dòng)態(tài)特性上是一個(gè)一階滯后環(huán)節(jié)。同時(shí)，給煤機(jī)傳送具有純滯后時(shí)間，所以，煤粉傳送過程的傳遞函數(shù)為： = （ 2 其中： 放大系數(shù)； 時(shí)間常數(shù)， s； 煤傳送滯后時(shí)間， s； 料燃燒過程 燃料燃燒過程的輸入?yún)?shù)是給煤量，輸出參數(shù) 是燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量，可以用一階滯后環(huán)節(jié)來近似描述其動(dòng)態(tài)特性： 1222+= （ 2 其中： 燃燒過程的放大系數(shù)； 燃燒過程的時(shí)間常數(shù)。 汽形成過程 蒸汽形成過程包括汽水蓄熱和蒸汽析出兩個(gè)過 程，它的輸入?yún)?shù)為導(dǎo)管傳遞給省煤器省煤段和循環(huán)系統(tǒng)中汽水混合物的熱量，輸出參數(shù)按理應(yīng)當(dāng)是鍋爐水所含有的熱量，但是在一定的壓力下，蒸發(fā)強(qiáng)度與受熱強(qiáng)度成正比，因此可以用受熱過程中析出的蒸汽量 以，輸出參數(shù)可以為析出管道出口的蒸汽量 研究蒸汽形成過程的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，可以分省煤器省煤段和循環(huán)系中南大學(xué)碩士論文 第二章 燃煤鍋爐的工藝情況介紹及對控制系統(tǒng)要求 10統(tǒng)中蒸發(fā)段兩部分。 對于循環(huán)系統(tǒng)蒸汽段，其傳遞函數(shù)可表示為： =2 省煤器省煤段的傳遞函數(shù)可表示為 ： =l（ 2 其中： 循環(huán)系統(tǒng)蓄熱過程的時(shí)間常數(shù)， s； 循環(huán)系統(tǒng)蓄熱過程的放大系數(shù)； 省煤器省煤段的停留時(shí)間， s； 省煤器省煤段的放大系數(shù)。 綜合上面兩部分的公式，可以求出蒸汽形成過程的傳遞函數(shù)： )()(+=+=2 爐供暖 系統(tǒng)的控制要求 鍋爐供暖系統(tǒng)包括兩個(gè)主要控制任務(wù)，一個(gè)是 燃燒系統(tǒng)控制，另一個(gè)是給水系統(tǒng)控制；另外還有過熱蒸汽系統(tǒng)的控制和鍋爐水處理過程的控制等。其中燃燒系統(tǒng)的控制是主要的。燃燒控制的基本任務(wù)既要供熱量適應(yīng)負(fù)荷的需要，還要保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性和鍋爐運(yùn)行的安全性39。因此，燃燒控制要通過調(diào)節(jié)給煤量來保持分配到的負(fù)荷；調(diào)節(jié)送風(fēng)量使之隨時(shí)與給煤保持恰當(dāng)?shù)谋壤员ＷC完全的燃燒和最小的熱損失；調(diào)節(jié)引風(fēng)使之隨時(shí)與送風(fēng)相適應(yīng)，以保持爐膛負(fù)壓在一定的范圍內(nèi)多臺(tái)鍋爐并列運(yùn)行的母管制方式，還要實(shí)現(xiàn)按預(yù)定比例向各臺(tái)鍋爐分配負(fù)荷，使各臺(tái)負(fù)荷均衡，共同維持供熱母管的正常運(yùn)行。給水控制的任務(wù)主要是控制供水流量和回水流量，從而間接地影響供水溫度和回水溫度，從一定程度上解決一直困擾供熱系統(tǒng)的豎向失調(diào)問題。 燃燒自動(dòng)控制的任務(wù)是：使燃燒燃料產(chǎn)生的熱 量適應(yīng)需求量，使燃料量與送風(fēng)量隨時(shí)保持適當(dāng)?shù)呐浔龋员ＷC煙氣中含氧的最佳值，即最佳過?？諝庀禂?shù)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)燃料4349；使引風(fēng)量隨時(shí)與送風(fēng)量保持平衡， 維持爐膛負(fù)壓不變 。根據(jù)鍋爐燃中南大學(xué)碩士論文 第二章 燃煤鍋爐的工藝情況介紹及對控制系統(tǒng)要求 11燒過程的特點(diǎn)，燃燒自動(dòng)控制是這樣來實(shí)現(xiàn)的，即：通過調(diào)節(jié)給煤、送風(fēng)和引風(fēng)來保證蒸汽壓力、煙氣含量和爐膛負(fù)壓為一定值。因此，鍋爐燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)包括三個(gè)子系統(tǒng)： 1、熱負(fù)荷調(diào)節(jié)子系統(tǒng)；調(diào)節(jié)給煤量，保證蒸汽壓力為一恒值； 2、燃燒經(jīng)濟(jì)性子系統(tǒng)：改善爐膛燃燒工況，提高熱效率； 3、爐膛負(fù)壓子系統(tǒng)：維護(hù)爐膛負(fù)壓為額定值。燃燒控制系統(tǒng)所受到的主要 擾動(dòng)有：蒸汽負(fù)荷、送風(fēng)量、給煤擾動(dòng)、煤種和煤質(zhì)發(fā)生變化而引起擾動(dòng)。評價(jià)一個(gè)燃燒控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣有一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是：當(dāng)被控量由于擾動(dòng)偏離給定值時(shí)，能否很快地恢復(fù)到給定值。 燃燒過程的控制基本要求有三個(gè)： 1保證出口蒸汽壓力穩(wěn)定，能按負(fù)荷要求自動(dòng)增減燃料量； 2燃燒良好，供氣適宜。既要防止空氣不足使煙囪冒黑煙，也不要因空氣過量而增加熱量損失； 3保證鍋爐安全運(yùn)行。保持爐膛一定的負(fù)壓，以免負(fù)壓太小，甚至為正，造成爐膛內(nèi)熱煙氣往外冒出，影響設(shè)備和工作人員的安全；如果負(fù)壓過大，會(huì)使大量冷空氣漏進(jìn)爐內(nèi)，從而使熱量損失增加。 結(jié) 本章針對燃煤鍋爐的特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了鍋爐 各部分的組成、鍋爐的工作過程、燃料傳遞過程的動(dòng)態(tài)特性、鍋爐供暖系統(tǒng)的控制要求等內(nèi)容，為燃燒煤鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。 中南大學(xué)碩士論文 第三章 鍋爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 12第三章 鍋爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 統(tǒng)概述 工業(yè)鍋爐是一個(gè)典型的多輸入、多輸出、多變 量互相耦合的復(fù)雜非線性被控對象。 熱水鍋爐控制系統(tǒng)主要包括給水系統(tǒng)控制、 燃燒系統(tǒng)控制兩個(gè)任務(wù) （見圖 。其中鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制是主要的。 給水系統(tǒng)控制 壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng) 供暖系統(tǒng) 給煤調(diào)節(jié)系統(tǒng) 燃燒系統(tǒng)控制送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng) 引風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng) 圖 3 鍋爐控制系統(tǒng)組成 鍋爐燃燒系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多輸入多輸出對象3546，而且各量之間存在著關(guān)聯(lián)（見圖 。爐膛負(fù)壓主要受引風(fēng)和送風(fēng)的影響， 而其它各量對它的影響很?。坏朗潜ＷC鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性的做法， 即通過送風(fēng)氧量通道使含氧量穩(wěn)定在最佳值附近，通過對含氧量的調(diào)節(jié)達(dá)到對送風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。燃燒調(diào)節(jié)主要分為三個(gè)回路：燃燒量（給煤量）調(diào)節(jié)，送風(fēng)量（最佳燃燒）調(diào)節(jié)，引風(fēng)量（保證爐膛負(fù)壓）調(diào)節(jié)。 給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要控制目標(biāo)是二次供水溫度， 次要目標(biāo)是一次供水溫度。鑒于給水調(diào)節(jié)不是本篇研究的問題，在此不作過多介紹。 圖 3 燃燒系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系 對于鍋爐燃燒過程，通常由于其時(shí)變性和不確 定性，很難建立既有足夠精度又便于系統(tǒng)控制的數(shù)學(xué)模型。鑒于鍋爐燃燒過程的復(fù)雜性和控制難點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)既提高中南大學(xué)碩士論文 第三章 鍋爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 13鍋爐的熱效率，又滿足用戶負(fù)荷要求，并保證運(yùn)行安全，其控制算法與決策的參考因素