论文题 目:工业锅炉计算机优化控制系统 自动控制 余继前 (签名)凉-114ePh 指导教师:刘文江 (签名)} (z 摘 要 工业锅炉在我国工业中的应用极为广泛。其主要任务是提供生产用汽 及生活用热。目前工业锅炉普遍存在的三大问题是:安全运行、节约能源 和环境保护。本文论述了工业锅炉自动化控制系统的发展历程，重点介绍 了一种基于PC-DCS的先进工业锅炉计算机控制系统，这种集散控制系统 不仅实现了工业锅炉燃烧系统的计算机自动控制，而且完成了以能耗最小 为目标的优化控制。 文中对作者开发设计的实现改良型双交叉限幅燃烧控制系统的工程应 用软件及开发设计的S302可编程序多功能运算器、S401报警器、JFZL-10 系统组态器也做了论述。 本文还讨论了工业锅炉燃烧的动态寻优算法及其在上位计算机操作站 的具体实现。 本文研究的内容由五个部分组成:第一部分介绍锅炉控制系统方案及其 实现方法。第二部分介绍了一种先进锅炉集散控制系统的设计实现。第三 部分介绍了改良型双交叉限幅燃烧控制系统的工程应用软件的设计。第四 部分介绍了作者开发设计的用于锅炉计算机自动控制的单元自动化仪表。 第五部分介绍了S系列仪表在锅炉控制系统中的设计实现。 关键词:工业锅炉 计算机优化控制 燃烧控制系统 节能技术 论文类型:应用研究hefirstpart,weanalyzedthe schemeoftheboilercontrolsystemanditsrealizedmethod.Inthesecondpart, wedesignedandrealizedanadvancedboilerdistributedcontrolsystem.Inthe thirdpart,wedesignedtheengineeringsoftwarethatcanrealizetheimproved twocrosslimitedburningcontrolsystem.Inthefourpartofthispaper,we designedthreetypeunitinstrumentsthatcanusedintheboilercontrolsystem. Inlastsection,wedesignedandrealizedthecontrolsystemthatS-series instrumentsusedintheboilercontrol. Keywords:Industryboiler Computeroptimumcontrol Burning controlsystem Energysavedtechnology Thesis :ApplicationFoundation III 扣 “。‘，: ;寸f{‘ 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明的呈交的论文 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地万外，论文中不含其他人己经 发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人己申请学位或其他用途 使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名:金戈良前。期 :u03·不.-LID 保护知识产权声明 本人完全了解西安交通大学有关保护知识产权的规定，即:研究 生在校攻读学位期fb1论文工作的知识产权单位属西安交通大学。本人 保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西 安交通大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借 阅:学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。 (保密的论文在解 遵守此规定) 论文作者签名: 导师签名: 谁 期:圣呵，了123 绪论 1 绪 论 锅炉是利用燃料燃烧释放的热能或其他热能将工质 (水或其他流体)加 热到一定参数的设备川。锅炉作为一种热能转换设备 (将一次能源一一燃烧 — 转换成二次能源— 蒸汽和水)，是能源利用过程的第一关，占全国总产 量的40%的能源是通过锅炉 (包括电站锅炉和工业锅炉)进行转换的。在节 能技术改造中，工业锅炉首当其冲，被列为重点改造对象。我国工业锅炉的 现状是: 数量大— 全国有三十五万台; 耗煤多— 年耗近三亿吨原煤; 容量大— 单台蒸发量平均为2吨/时; 效率低— 平均效率 (设计效率或鉴定效率)只有60%左右; 机械化程度低— 有1/3数量的锅炉还是人工投煤的; 污染大气严重— 大量小锅炉未采取除尘措施或者所用的除尘装置实效 不佳。 工业锅炉分有燃煤锅炉，燃油锅炉，燃气锅炉.【al。五十年代，美国，前 苏联等国家就对工业锅炉的操作和控制进行了研究。由于当时科技发展的局 限性，锅炉的控制主要采用气动仪表 (包括气动单元组合仪表和气动基地式 仪表)，而且大多数锅炉只是检测工艺参数，不进行自动控制。六十年代，在 发达国家工业锅炉的控制主要以电动单元组合仪表 (相当于我国的DDZ-11, DDZ-111仪表)检测与控制，还是以检测报警为主，控制为辅助功能。到了七 十年代，随着计算机技术和自动控制技术理论的发展，使得工业锅炉的计算 机控制成为可能。许多发达国家都相继开发出了锅炉控制计算机控制系统。 我国从八十年代开始引进生产数字式控制器和分散型控制系统，如日本横河 电机株式会社的YS-80，日立的V187及富士的FC系列数字式单回路调节器。 这些数字调节器对于我国广大企业的工业锅炉自控技术改造起到了一定的推 动作用，是九十年代工业锅炉自控系统的核心技术。进入新世纪以来，为了 进一步改善工业锅炉的操作状况，降低能耗，确保安全运行，减少对大气的 污染，新一代工业锅炉计算机优化控制系统的开发和应用己是势在必行。 西安交通大学硕士学位论文 本论文的主要工作: 本文在深入研究了工业锅炉的生产工艺流程，计算机控制技术，集散 控制系统的组成和原理的基础上，设计了一种新型的工业锅炉计算机控制 优化系统。 (1)根据工业锅炉的类型，燃料品种及用户要求，提出了不同的控 制方案及实现方法。 (2)分析研究了M OO控制系统的通信原理和通信协议，设计实现 了M OO控制系统与通用工业控制计算机的通信。 (3) 开发设计了JZTB-40智能式四回路调节器实现改良型双交叉限 幅燃烧控制系统的工程应用软件。 (4)开发设计了S302可编程序多功能运算器、5401报警器及JFZL-10 系统组态器。这三种产品已在西安仪表厂投入生产。 (5)在工业控制计算机上利用面向对象的语言设计了一套完整的工 业锅炉控制操作界面。 (6)通过研究工业锅炉燃烧控制及燃烧优化算法，在工控机操作站 上用软件实现了对工业锅炉燃烧系统的优化控制。 (7)在学习研究了最优控制理论的基础上，设计了实际锅炉控制对 象中以能耗最小为目标的软件实现方案。 工业锅炉自动控制系统方案及实现 z 工业锅炉自动控制系统方案及实现 2.1工业锅炉自动控制的任务 工业锅炉是以生产具有一定压力、温度参数的蒸汽或热水，满足外部 对负荷的需求为目的。为满足外部负荷设备的要求，并保证锅炉本体的安 全经济运行，要求自动控制设备具有完善的自动控制功能以及自动检测、 程序控制、自动保护等功能。控制系统一般包括给水调节系统和燃烧控制 系统等二个主要部分。无论是燃煤，燃油或燃气锅炉，它们的给水控制系 统基本相同，主要区别在于燃料燃烧控制系统的结构不同。工业锅炉自动 控制的任务主要是维护锅炉的水位、温度、压力、炉膛负压、烟气含氧量 等物理参数在规定的范围内，并能自动适应负荷的变化，从而使锅炉在良 好的状况下运行]1{。 1)保持锅筒水位在规定范围内 锅炉锅筒水位偏高时，会影响汽水分 离的速度和蒸汽的质量，同时也是安全生产不允许的。水位偏低，会造成 锅筒各部位的温度偏差，形成热应力，极限情况下会出现裂纹，甚至有爆 炸等危险:水位偏低也会造成水系统自然循环不畅，严重时个别上下水管 会产生自由水面，流动停滞，从而导致管爆事故。而在负荷变化时，又极 易影响到水位的快速变化，因此，必须采用自动控制系统来维持水位不变 或在规定的范围内变化。 2)蒸汽温度的控制 过热蒸汽温度是生产工艺所要求的重要参数。但 温度过高会影响过热器管道的寿命，甚至烧坏;温度过低则会直接影响负 荷设备的运行或影响到产品的质量等等。因此，必须保证蒸汽温度的变化 不超过某一限定范围。 3)蒸汽压力的控制 蒸汽压力是反映蒸汽供、需关系平衡与否的重要 指标，也是表征蒸汽的重要参数。汽压偏高，会加速金属材料的蠕变;压 力偏低，说明供需关系不平衡，设备消耗的蒸汽量大于现有的产汽量，难 以维持长期稳定运行。因此，维持压力稳定是安全生产和维持运行的需要。 4)炉膛负压的控制 目前，中小型工业锅炉一般采用炉膛负压运行方 式，但也有少数燃汽锅炉采用微正压运行方式。一般来说，炉膛负压应维 持在 100Pa以内。炉膛负压过小，会引起炉膛喷火等事故;负压过大，会 西安交通大学硕士学位论文 引起漏风量增大，不利于经济燃烧，同时使引风机电耗量增大。因此，必 须严格保证炉膛负压稳定在某一水平，这是锅炉经济燃烧和安全性的重要 指标。 5)烟气含氧量最佳控制 为提高锅炉效率，使锅炉燃烧处于最佳工况， 必须维持适当的空气和燃料比例关系。烟气含氧量高，说明送风量大，过 量的风会带走热量:含氧量低，说明燃烧不充分。两种情况都不能保证经 济燃烧。对每一台锅炉，都有其最佳的烟气含氧量值，而且在锅炉负荷变 化时，此最佳值也会变化。应摸索出规律，并采取控制送风量与燃料的比 例等控制方法来维持烟含氧量为最佳值，以保证经济燃烧，提高锅炉的热 效率。 2.2工业锅炉给水自动控制s,4【1 工业锅炉给水的基本任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并且把锅炉水 位保持在一定范围内。对于工业锅炉，水位过高，蒸汽带水量过多，要影 响用户的某些工艺过程;水位过低，则会破坏水循环，以至烧坏某些受热 面，严重时会造成爆炸事故，所以维持锅炉汽包水位的稳定是十分必要的。 水位控制方案的选择一般有单冲量给水自动调节系统、双冲量给水 自动调 节系统和三冲量给水自动调节系统三种。 2.2.1单冲量给水自动调节系统 单冲量给水调节系统的适用范围为低参数小容量的工业锅炉，因为相 对负荷来说水容较大，所以虚假水位现象不严重，对调节的质量要求又不 太高，采用单冲量控制方案即可实现良好水位控制。图2.1为单冲量给水自 动控制调节示意图。 西安交通大学硕士学位论文 SA 过热器 锅筒/ 麟 i润 图2.1单冲量给水自动控制调节示意图 2.2.2双冲量给水自动调节系统 在单冲量水位调节的基础上，引进蒸汽流量作为前馈信号，构成双冲 量给水自动调节。引入蒸汽流量可以消除虚假水位对调节器的不良影响。 图2.2为双冲量给水调节示意图。 西安交通大学硕士学位论文 过据 髓 i 调节器 省姗 /~+ 给水 调节阅 图2.2 双冲量给水调节示意图 2.2.3三冲量给水自动调节系统 对于相对水容较小，虚假水位较严重，锅炉给水量运行中经常自发性 波动，尤其几台并列运行的锅炉宜采用三冲量给水自动调节系统。如图2.3 所示，在三冲量给水调节系统中，蒸汽流量前馈信号能克服因虚假水位而 引起的调节器误动作，改善负荷扰动下的调节品质;给水量局部反馈信号 能迅速消除给水的扰动，稳定给水量;水位信号能消除各种内外信号对水 位的影响。三冲量给水调节系统的控制方案适用于燃煤链条式、燃油、燃 气以及负荷变动大的锅炉。其特点为蒸汽流量快速变化，能迅速地由给水 检测信号来修正。蒸汽流量不经PID调节而以前馈方式加入，能有效的改 善水位控制，使得水位控制精度高，动态响应性能好。 西安交通大学硕士学位论文 过热器 锅筒/ 调节器 省煤招 --/+ 粼 调节脚 给水量 图2.3三冲量给水调节示意图 2.3锅炉燃烧过程中的自动控制 2.3.1燃烧机理与控制幻「 在工业锅炉控制系统中，燃烧控制是最主要的，当燃料燃烧时，燃烧 产物连同其它可能存在的蒸汽都被提高的火焰温度，其高低决定于燃料的 能量含量，燃料的实际数量并不影响火焰温度的高低，燃烧产物的显热或 燃料和空气的显热都可以用来估算火焰的温度，因为在两种情况下都能满 足能量平衡条件。发热量为HC、质量流量为FF的燃料燃烧所产生的热流量 为 Q=FFHc (2.1) 这个热流量必须等于燃料流量WF和空气流量WA升高到火焰温度 T 所需的热流量 Q=FFCF(T-TF)+FACA(T-TA) (2.2) 式中:CF,TF,CA和TA分别表示燃料和空气的平均比热和入口温度。 为保证完全燃烧，必须根据燃料的化学成分，选好空气和燃料的比值 KA，用KA代替FA/FF，就可以从式 (2.1)和式 ((2.2)解出火焰温度 西安交通大学硕士学位论文 _ H +C.T..+K.C.T. 1 = --11.-1.-一一 (23) C,+KACA 式 (2.3)只有在没有过量燃料的情况下才能认为是正确的。由于燃料 比空气贵的多，而且不完全燃烧会产生烟灰和一氧化碳，因此燃烧一般都 是在过量空气下进行。但是很显然，只有燃料和空气都不在过量的情况下， 火焰温度才能达到最大值，式 (2.3)也指出了空气温度对火焰温度的影响。 如果用氧气代替空气，Kn值就可减五倍，这将对火焰温度产生相当大的影 口向。 因为燃烧产物所含的能量中，有一些用在使它发生离解上，所以用式 (2.3)计算火焰温度要比实际测定值高。离解的程度随温度的增高而加大， 但是当离子充分冷却又重新结合为分子时，能量又得到恢复。 2.3.2燃料、空气配比与燃烧效率Y.}「7 由于空气过量或不足均会使火焰温度下降，因此火焰温度不是一个特 别好的被调量。最常用的燃烧效率指标是燃烧产物中的含氧量。为了保证 完全燃烧所需要的过量空气取决于燃料的性质。为达到有效的燃烧，例如， 天然气只需要5%的过量空气 (即0.9%的过量氧)，油需要6%的过量空气 (1.1%的过量氧)，而煤则需要10%的过量空气 ((1.9%的过量氧)。所需 要的过量空气不同是由于燃料的性质和燃烧状态不一样。 因为辐射传热量与火焰的绝对温度的四次方成正比，所以炉子的最高 效率总是在火焰温度最高的情况下才能出现。热量的分配也是很重要的， 增加过量空气将使火焰温度降低，从而减小喷射器附近的传热率。但由于 进入系统的净热流量没有变化，因而在远离喷射器的地方，传热率将要增 力口。 从安全考虑，对于燃料一空气控制系统必须采取某些预防措施。空气 不适会使燃料在炉子中积聚起来，而一但点燃就可能发生爆炸。因此，必 须注意确保燃料流量决不超过一定的空气流量下所允许的数值。燃料流量 和空气流量两者都可以用一个主燃烧率调节器加以设定，但要达到上述安 全性要求，还需要有自动选择控制及限幅控制。 西安交通大学硕士学位论文 以燃料燃烧加热的炉子里，实际使用的空气量与理论空气量之比，即 空气过剩率p 实际空气量 理论空气量 为了燃料得到充分燃烧，空气过剩率u常大于 1，一般a=1.02-1.5. 空气过剩率与燃烧效率、节能、防止公害有很大关系 其关系曲线 所示。 可 、 二 f / . 、 T1 且 ， ‘ ‘ 因不充全 . · 月翔的热 1 创失 1 1 ! 丫 灿 . 、 \ 、 。 杯 一 山 洲 朋 一 t 祠 L戴0210L20 姐 . ! } 空气过别区 空气过润 卒教据区 图2.4空气过剩率与热损失、热效率、公害关系图 由图2.4可见，当空气量不足，不完全燃烧的热损失曲线很陡，随p 的不足急剧上升。当空气过剩较多时，由排烟带走的热损失增加，同时燃 烧生成的N02和SO:含量增加，会腐蚀设备，污染空气。其中有一最优燃开云科技有限公司烧 区，大约在1+=1.02^-1.10之间，这时热效率最高，污染公害最少。 在热效率最高的区域是低0，含量燃烧区，经常保持在此区域内运转， 可望得到如下经济效果: (1)减少排烟气体所含过量空气带走的热损失，因而节能。 西安交通大学硕士学位论文 (2)减少燃烧空气量和排风量，可以节省通风机的动力费用。 (3)降低NO、的生成，减少污染空气。 (4)降低SO:的生成，防止设备腐蚀。 (5)减少灰粉，因而使除尘器小型化并节省维护费用。 2.3.3工业锅炉燃烧过程自动调节的主要指标 工业锅炉的燃烧控制直接关系着是否对环境造成污染、是否节能及给 企业带来效益。所以锅炉的燃烧控制自动化多年来倍受重视。随着计算机 及自动化技术的迅速发展，特别是先进控制仪表的出现，使得数学运算复 杂的先进控制系统变成现实。锅炉燃烧过程自动调节的主要指标是: (1) 保持蒸汽压力稳定:锅炉运行中蒸汽负荷随时发生变化，并反映到蒸汽压 力波动，这样就必须随时改变燃料量以适应负荷的需要，并保持汽压稳定。 这叫负荷调节。 (2)保证经济燃烧:为了得到最经济的燃烧工况，就要保 持燃料量和送风量之间有合适的比例，这个比例的指标就是过剩空气系数 a。当燃料量改变时，必须相应地调节送风量F，使它与燃煤量M相配合。 被调量为过剩空气系数a，调节量为送风量Fo (3)保持炉膛压力一定: 锅炉的送风量和引风量是否合适是以炉膛的出口负压P，为标志的。在锅炉 中，一般维持Pr为2-5mmHz0的真空度。被调量为炉膛负压Pf，调节量为 排烟量R。压力，送风，引风三个调节系统之间关系密切，组成多参数的燃 烧过程自动调节系统。 2.3.4工业锅炉燃烧控制系统DA1 a.串级比值控制系统 为了保持燃料与空气有一定的配比关系，一般 的燃料控制中，常用的控制方案之一是比值调节系统，其一般形式如图2.5 所示。 比值K可以预先设定，在系统稳定运行的情况下，比值系统空燃比等 于KA。通过分析烟气含氧量，计算热效率，人工调整比值器的设定值可以 使燃烧处于较佳状态。但是，当有干扰出现时，情况则不同，例如，由于 负荷增加，炉膛温度下降，由于调节器的作用，使燃料流量增大，又由于 空气是从变量，其响应有一段滞后，如图2.6示意图中，①燃料变化曲线; ②理想空气流量与燃料流量成比例变化曲线;③实际空气变化曲线。由图 西安交通大学硕士学位论文 2.6看出，在燃料流量增加或减少的一段过渡过程中，实际空气流量曲线 与理想成比例变化曲线之间不相重合。实际空气流量变化滞后于理想成 比例变化的曲线，在燃料流量增加的动态过程中，会出现缺氧燃烧，产生 黑烟，热效率急剧下降。当负荷减少，燃料流量减少滞后，则会出现过氧 燃烧，热效率也会降低。可见，在动态过程中，比值调节不能保持适当的 图2.5串级比值调节系统 O牡 2厂卢‘ 图2.6流量变化过程示意图 西安交通大学硕士学位论文 空燃比。因此，它仅适于稳态情况下的燃烧控制方式。由于实际生产过程 负荷不可能始终处于稳定状态，对于那些负荷经常波动的生产过程，还应 寻求更好的燃烧控制方式。 b.含氧量分析及炉膛负压的控制系统 锅炉生产过程燃烧工况的好 坏，直接关系到锅炉生产燃料消耗的高低和生产的安全。锅炉燃烧过程的 烟气自动分析，就是为了监督燃烧工况，及时调节燃料量与空气量的比例， 使过剩空气系数a保持在一定的范围内，从而使锅炉燃烧维持最佳状态。 随着锅炉容量的增大和环境保护要求的提高，希望全面分析烟气中各成分 的含量。引入炉膛负压的控制主要是为了节约能源和安全方面的考虑。 蒸汽流量 蒸汽压力 烟道含载童 炉膜负压 图2,7含氧量分析及炉膛负压的控制系统示意图 燃煤锅炉的燃烧调节一般多为火床炉，负荷变化频繁，压力稳定，燃 料供给量变化大。常见的控制系统如图2.7用氧化错测氧仪迅速的测量烟 气中的氧量，并做为PV送至送风调节器，提高送风调节的质量。为了给煤 和送风有效的配合，在燃料和送风调节系统之间加了前馈系数。为了使炉 膛负压不致波动过大，在送风和引风调节系统之间加了一微分补偿器。火 床炉燃料控制是通过调节器的输出信号控制滑差可逆电机来调节炉排的速 度。如图2.8为工业锅炉监控系统图。 西安交通大学硕士学位论文 助口! I厂 .助 ，右. 山幽山 07% 自打弓 罗’1 图2.8 工业锅炉监控系统图 2.4典型锅炉控制系统方案及实现 2.4.1系统构成41〔 控制系统由JZTB-4a智能式四回路调节器、打印机、检测仪表、显示 记录仪表和执行机构组成。控制系统由4个控制回路组成。1#回路的被调 节量为汽包水位，调节量为给水流量;2#回路的被调节量为蒸汽压力，调 节量为给煤量;3#和4#回路的被调节量分别为烟气含氧量和炉膛负压，调 节量为送风量和引风量。系统具有手动操作功能，能够方便地进行自动/手 动切换，可通过面板显示器过程运行状况，配备打印机可以定时和随机打 印主要工况参数等信息。 西安交通大学硕士学位论文 2.4.2系统组态的实现 锅炉控制系统方案如图2.9所示。 汽包水位 蒸汽流里 汽包压力 烟道含斌里 炉膜负压 如图2.9锅炉控制系统方案 其中水位采用三冲量调节由1#回路实现。燃烧控制系统采用的是带氧 量信号的调节系统，分别由2#,3#,4#回路实现。JZTB-40智能式四回路 调节器的应用软件是采取模块化结构，功能块全部存储在调节器的主机板 上，模块间的连接是通过JFZL-10系统组态器进行。调节器在功能组态前， 各输入输出通道和供用户暂存或显示的内存单元都未定义，而是在组态、 编程时根据系统的需要进行分配或者设定，根据系统方案，作如下定义 (参 见图2.10): E13水位检测值，E14给水流量检测值，E16蒸汽压力检测值，E17蒸 汽流量值，E19含氧量值，E22炉膛负压值，E27炉膛温度值，E29给水控 制输出值，E31汽包水位给定值，E32给煤控制输出值，E34蒸汽压力设定 值，E35送风量控制输出值，E37含氧量给定值，E38引风量控制输出值， E40炉膛负压设定值。 西安交通大学硕士学位论文 根据控制系统方案给出了组态方块接续图，如图2.10所示。 水位 鑫汽流妞 汽毓力 越负压 0-25t/b 卜幽恤 卜10% -200-100Pa 如图2.10 控制系统方案组态方块接续图a【l 图中主要的功能模块如下: F21标准PID算法 F8 上限报警 F9 下限报警 Fll乘系数 F7 上下限限幅 F5 开方 F3 工程量转换 F28 流量计算 F1 加法 F2 减法 实践证明:无论对新建或改造的工业锅炉，采用JZTB-40智能式四 回路调节器实现的典型锅炉控制系统，其运行稳定可靠、锅炉水位反应灵 敏、波动小、供汽压力稳定，炉膛压力能维持在负压下，明显的改善了燃 烧状况，降低了烟尘浓度，减少了热损失，在中小型锅炉的改造中有推广 价值。 一种先进锅炉集散控制系统的设计实现 3一种先进锅炉集散控制系统的设计实现 3.1问题的提出 尽管世界上大约有二十家著名仪表制造厂研制成功了单回路数字控制 系统，相比之下日本横河公司开发的Ysloo，无论在使用的方便性和控制功 能的完备性，以及安全可靠性方面，都具有较好的特色。这种智能数字调 节器从90年代中期至今，在我国电力石化冶金等工业自动化控制系统中， 一直起着控制关键回路的作用。但由于日本横河公司在开发这种产品时其 通信协议的不开放性，使得这种高性能的控制器只能和横河自己的CENTUM -CS,iiXL,CS-1000等相互通信。而和目前使用最广泛经济实用的工业 控制计算机均不能方便快捷地通信。和其他如HONEYWELL,ABB,FOXBRO等 公司的DCS系统的通信在原设计时就没有考虑。这样就大大限制了Ysloo 的市场需求。好产品得不到推广，产量上不去，价格降不下来，形成不良 的循环。 采用工业控制计算机和M OO相互通信，混合使用，互相取长补短。 是非常经济实用的集散控制系统方案。工业控制计算机的特点是采集控制 点数多，点数平均价格便宜，通信的开放性及软件的通用性很好。缺点是 单CPU工作，处理多个采集控制点，其稳定性及可靠性令业内人士怀疑。 而M OO的采集控制点数少，价格高。但它采取的冗余备用设计思想，可 靠性很高。设计出一套Ysloo和工业控制计算机混合使用的小型集散控制 系统。对于关键回路的检测和控制用Ysloo，然后通过RS485方式和上位工 业控制计算机通信。对于非关键回路可采用工业控制计算机中的A/D,D/A 卡采集控制。这样一套控制系统的推出，对工业锅炉自动化改造起到一定 的积极作用。 3.2系统的结构原理 本系统采用了界于计算机混合控制和集散控制系统之间的一种体系结 构，如图3.1所示。 本文设计的控制系统是把集散控制系统的操作站用通用工业计算机替 代的一种经济实用的控制系统。这种系统具有集散控制系统高度分散的特 西安交通大学硕士学位论文 升温过程，如图3.10所示，从。点到A点接曲线两种方式，所需要 的时间t是相等，但曲线要节省能量，节能的多少与阴影部分 的面积成一定的比例。 如何实现升温过程的节能这一目标，选择何种控制规律来达到最节能 的目的，这就是一个最优控制问题。 ~ 丈 多 t(s) 图3.10锅炉升温曲线 如果除能量最省外，还有其他要求，则按综合要求定义一个目标，称 为性能指标函数。使该性能指标极小化，就是一个普遍的最优控制问题。 例如:根据对动态偏差e和控制能量u定义一个性能指标; ，一fR[e2+ru21dt (3.1) 式中 R,r需根据具体情况确定参数。 寻找出一个J达到最小值的控制规律，并按此规律对过程进行控制， 就达到了设计任务，实现了最优控制。 3.4.2PID参数优化 在工业锅炉控制中普遍应用PID调节器，但参数的确定很不严格，多 半是根据经验和试凑。采用计算机系统后，可对 PID参数寻优，以使系统 的品质指标达到最佳程度。 图3.10所示的DDC系统中，在给定值作用下，求出输出量Y与给定值 的偏差e，若以 .J·f}。!tdt (3.2) 西安交通大学硕士学位论文 为性能指标，要求调整PID参数使J为最小。 计算初实现 尸一 - 一 - 一 - 一 一 一 ， J=faIeltdt 调整参数 十~ e PID 井写石飞刃叶x ‘_ _ _ _ _ _ _ _ _ 」 图3.11DDC系统框图 对工业锅炉控制对象，许多输出量与控制量之间关系可表达为二阶惯 性环节加一个纯时延环节，即传递函数为 Y(S) KeT3S (13) U(S) (不s+1)(兀s+1) 当生产过程稳定时，对象特征基本不变化即K,TTL,T,等基本保持为 常数，此时，PID参数如确已调整好，可保持不变。但实际情况是，一但锅 炉负荷、工况等发生变化时，K,TTL,T,、会相应改变，此时若仍采用不 变PID参数，则比最优调节的效果要差。 对工况经常变动的情况，计算机可自动调整PID参数，以实现最开云科技有限公司优调节。 为此可采用两种方法: (1)当工况变化时，立即投入PID参数寻优程序， 按性能指标J寻求最优的PID参数，但这要占用较长的时间，而且在寻优 过程中要试验性的改变PID参数，对某些过程可能是不利的。 (2)当工况 变化时，投入参数辨识程序，即测定出对象的K,TT2,T,，然后计算机 查表得出一组最优的PID参数，整定PID调节规律。该参数是预先计算好 的，存储在计算机的内存中。 下面说明如何计算最优化的PID参数。 对前述调节对象传递函数，假定K=1，并将其分为三个串联环节，则该 系统如图3.12所示。 西安交通大学硕士学位论文 +卜e U(7--1X3 犷-门Xz 1 y(X,) PID (T.s+l) M s+ll 图3.12 调节系统方框图 虽然PID参数与性能指标7之间无明显函数表达关系，但通过对整个系 统进行数字仿线)在采用计算机实现PID调节时，PID调节器输入输出关系为 ut()=K,le+TIedt·:dde](3.4) 差分方程为 =‘··一· K,[e一· 异二 一2e_,十e,-,)] (3.5) 式中: T一采样周期; Kp,TT。-PID调节参数; u。一本次输出: lln_i一上次输出: e。一本次输出采样值; en-en-，一前两次输出采样值。 (2)延时环节可用内存移位的方法来实现纯延时环节e几“如图 3.13所示。 厂\厂\厂、了一\ 图3.13 延时环节 程序先计算: D二INT(T3IT) (3.6) 西安交通大学硕士学位论文 式中 T3一纯延时常数; T一采样周期。 计算结果取整。例如，若D=4，则将u送入第D+1=5单元中，以后每 采样一次，u前进一步，这样在第4次采样时X3=u，即经延时T3后u成为 X3，从而实现了纯延时环节。 (3)一阶惯性环节的实现 1 (3.7) 兀s+l ，dx, 1,— 十x,= x, (3.8) dt dx2= 1 1 (3.9) dt 一万x2+-T,x3 连续系统的微分方程解为 _止， _一安t(-T)1 x2(t)=eT2x2(0)+f 3(z)dz (3.10) T2 离散方程为 产 ! ﹁ 1 一李: 护 月 e s 了2 + 1 召 _T2t(-T) J 胜 X 3 x2,k+1=x2,ke t ! 力 e s e s (3.11) L J 一止T eT2=)q(T) 一土(T-T), 贝。fe - a T 二二 中，(T) (3.12) T2 29 西安交通大学硕士学位论文 其中xz,k.l=D((T)xz,k+D(.,(T)x,,, x,，十，=x,[(k+1)T] x,，一x,[(k+1)T] x,*十一x,[(k+1)T] Om(T)=1一e“ 因此，根据X3、采样步长T、惯性时间常数Tz可求出X3(t)的离散值。 类似地，根据X3,T,Ti可计算出过程输出量Y的离散值，即可求e的离 散值。 (4)目标函数 (即性能指标)J为累加和形式: J一]IIek}T2 (3.13) 寻优的任务就是:按照以上原则计算e,u,y离散量，并确定PID 参数，使得J值达到最小时结束算法。 3.4.3系统中的燃烧优化控制 a.概述 工业锅炉实现燃烧优化的一条重要措施是采用先进的自动控制 技术，特别是采用计算机控制系统，先进控制系统比常规调节装置更能保 证燃烧过程的经济性，即在最佳 “空燃比”情况下进行燃烧过程。要使工 业锅炉实现最佳燃烧，人工操作是不可能实现的，常规调节装置亦难以做 到。采用PC-DCS控制系统能利用更为先进的算法，保证最佳 “空燃比”和 工业锅炉的最佳运行工况，从而提高了热效率。同时，还具有操作灵活、 计算准确、功能齐全等优点，许多功能用软件实现，比常规调节装置更为 可靠，已成为工业锅炉自动控制的发展方向。 b.锅炉热平衡方程(5] Qr=Q,+Qz+Q,+Q4+Q5+Q5 (3.14) 式中 Q，一锅炉输入热量，主要包括按燃料低位发热量计算的燃烧热量、空 气带入的热量等: 西安交通大学硕士学位论文 Q，一锅炉有效利用的热量; Qz_排烟热损失; Q3_化学不完全燃烧损失; Q、一机械未完全燃烧损失: Q,-锅炉散热损失; Q。一炉渣带走的物理热。 对小型工业锅炉，排烟温度每增高20℃左右，由烟气带走的热量使锅 炉热效率降低 1%,20t/h以下的工业锅炉合理排烟温度为: 煤的折算水分续6%时为 160^-1800C 6%^-16%时为 180.2000C 重油、天然气 160^-1800C 该项热损失约为5%-12%，可见是比较显著的。 另外有一部分可燃气体，如CO,H2,CH4等随烟气排出。对小型工业 锅炉，该项热损失约为1%-v5%o 至于Q4主要是排渣与飞灰可燃物C。该项热损失，链条炉时为7%一14%, 煤粉炉时为0.5%-5%. 飞灰可燃物平均含量为: 褐煤 0.5%-1.5% 烟煤 4%^-9% 贫煤 10%-20% 无烟煤20%一35% 锅炉的热效率: Qz+Qs十么 +QS+Q6 (3.15) - Q r n=I一 从中可以看出，影响热效率的关键因素是风煤比不合理:未完全燃烧、 冒黑烟、排烟热损失。提高锅炉热效率的关键在于要采用最佳 “风煤比”。 工业锅炉最佳 “风煤比”值如表3.1所示。 西安交通大学硕士学位论文 表3.1工业锅炉最佳 “风煤比”数值 层煤炉 油、天然 固体排渣 液态排渣 气 链条炉 布煤 手烧排 机 炉 无烟 无烟 烟煤 烟煤 无烟 煤 煤 烟煤 贫煤 褐煤 贫煤 褐煤 1.05- 煤 1.30- 1.40- 1.10 1.40 1.50 1.2- 1.15- 1.2- 1.15- 1,50- 1.3 1.25 1.25 1.25 4.20 1.60 c.燃煤锅炉的效率寻优燃烧控制 由于锅炉计算机控制系统的应用， 使锅炉效率的计算机在线计算成为可能，采用效率作为控制 目标，进行在 线效率寻优燃烧控制的方法也应运而生。 锅炉热效率与空气过剩系数间 (即相当于在一定燃料煤量的条件下， 鼓风量的大小)有如图3.14所示的非线性关系，具有一个极值点(Vo,rio)= 设锅炉初始燃烧工况处在Al(Vi,Tii)点，则不论初始工作点A;在何处， 都可用某种方法 (如步进搜索法等)自行找到极值点，并稳定运行在极值 点附近。 步进搜索法的简要寻优过程如下引〔: 系统原工作在Ai(Vi,ni)点，给自变量V以任意方向变化的一个增 量AV，系统的工作点将移到一个新的位置A2(V1+OV,n1+Qq)。计算 Ai点的梯度 grad(V,)=(711十△77)一771_ (3.16) AV 西安交通大学硕士学位论文 0 ViAV Vo C((V) 图3.14 热效率与空气过剩系数的关系曲线 若A,点的梯度为正，说明极值在工作点的右边，下一步应继续增加V， 若梯度为负，说明极值在工作点的左边，下一步应减小V 。如此不断探索， 直到最终找到并稳定运行于极值点附近。 自寻最优控制与一般反馈控制比较，具有以下特点: 不需要知道系统的数字模型，而只需知道被控对象存在具有极值的非 线性特征即可。 不需要事先整定控制系统的给定值，系统能自动搜索最优工况，以保 证控制指标接近或达到最优。 一般反馈控制，当给定值确定后，只能稳定运行于一个固定值，当系 统参数变化或周围环境变化时，不能自行调整新的稳定运行值，而自寻优 控制，由于它事先不需要给定值，而由系统在控制过程中不断自动搜索而 寻找最优值，因而当系统参数或周围环境发生变化时，它能在新的情况下， 找出新的最优值。也就是说，对系统参数和周围环境有自适应能力，这是 尤为可贵的特点，这决定了自寻优控制属于自适应控制范畴。 上述寻优控制特点，对锅炉效率控制是极为有利的，影响锅炉燃烧工 况的因素很多，很难建立一个精确的数学模型，由于受到各种因素的影响。 系统的特性、参数和运行工况也都经常在变化。运用效率寻优控制，由于 无须建立数学模型，即使在系统的特性、参数和各种运行工况经常变化的 情况下，也能自动搜索，并保持在效率最高点附近运行。 西安交通大学硕士学位论文 效率计算有正、反平衡计算公司。一般中小型工业锅炉都按正平衡计 算效率，按正平衡计算效率公式如下: 77=D(ill-i，一，)+Dti,,(i一it) (3.17) BQd 式中 D一锅炉实际蒸发量 (L/h);i一饱和蒸汽热焙 (KJ/L);i一给 水热焙 (KJ/L);r一汽化潜热 (KJ/L);。一蒸汽湿度 (%);D。一平均排 污量(L/h);i一排污水热焙(KJ/L);B一烧煤量(Kg/h);Qd。一煤户勺低 位发热值 (KJ/L)。式中的D,i、i、B直接由一次仪表获得;i、r 可通过压力P由蒸汽性质表 (预先存入计算机)查得;Qd。由化验获得，存 入计算机。 步进效率寻优燃烧控制系统的一种组成结构如图3.15所示。图中所示 系统，以保持蒸汽压力恒定的压力调节回路作为基本回路。该基本回路又 由并联比值调节环节组成，它既有保证压力恒定的功能，又能保证燃料量 和风量有一个确定的最佳比值，这个比值只能是一个确定值，对于经济燃 烧来说还只能是 “粗调”。当煤种或其它工况发生变化时，效率将产生漂移， 离开最佳值点，这时将由效率寻优进行 “细调”。 从图3.15中可看出，效率寻优信号在系统中只是起风量校正作用，以 效率最高为目的来校正所需要的风量，相当于采用氧化错测氧控制系统中 氧含量信号的校正作用。 西安交通大学硕士学位论文 期且 抓妊 抓压力 L ﹁ ﹂ J 图3.15 效率寻优锅炉燃烧控制系统 效率寻优控制的基本思想是:根据外面负荷变化情况把整个燃烧状况 分成为停炉、启炉和寻优三种工况。负荷超过正常范围，分别进入停炉或 启炉状态，负荷在正常范围内时，由效率寻优保持最佳燃烧工况。 寻优采用等步长，变步数的步进搜索法。过程如下: 首先判断上次风量是否变化 (一△FLT=0?)，即判断原来是否处于效率 最高的极值点上?若上次己处在极值点上，当然应保持在这一点上运行。 只有当运行工况改变，引起极值点漂移，产生效率差△几后，才能产生寻 优作用。根据所产生△几的大小和方向:决定是否应该改变风量，以及应 该加风还是减风。若上次不在极值点，则根据所产生△n的大小和方向， 决定出下次应该改变风量的步数和方向。 d.烟气含氧量的校正控制 空/燃比控制能保证燃烧过程中空气和燃料 流量一定的比值关系。但是，这种比值关系在不同的工况条件下不一定是 常数。因此单纯的比值控制特性并不能保证任何情况下的最佳燃烧状态。 为此，对要求较高的系统应加入空/燃比修正控制功能。 西安交通大学硕士学位论文 Q 乃 车 阶 赢 哥 忍 渤 控 制 曲 线 划 丫 侧 {d一玉 B‘ (a)空气过剩关系曲线 (b)折线燃料流量与空气过剩率的关系s3〔 许多锅炉设备负荷变化比较大。在负荷大范围变化的情况下，合适的 空气过剩率也有很大变化。图3.16所示为燃料流量与空气过剩率的关系曲 线可看出，空气过剩率在整个燃烧过程中不是恒定的。在低负 荷时，空气过剩率增加。这是由于低负荷时，燃料和空气量变的很小，因 而流束动量降低 (油炉的雾化也变差)，使燃料和空气混合不好，引起不完 全燃烧。因此在低负荷时要提高空气过剩率。 烟气中的氧含量直接反映了空气过剩率的大小。随着氧化铬氧量分析 仪等氧量测量仪器的出现，解决了实时连续氧量测量的问题。采用烟气氧 含量来修正空/燃比，已成为克服因燃料综合利用和负荷变化带来的干扰， 确保炉窑在低过剩空气条件下稳定运行和防止公害的主要手段。 在氧量调节回路中，氧对象的动态特性和氧量的测量分析都有较大的 纯滞后和时间常数，因此要采取措施防止大滞后对氧量调节器调节特性的 影响。一般可采用: (1)有死区的PI调节器; (2)间歇式或 “等等看”式控制方式; (3)纯滞后补偿调节方式。(如图3.17) 西安交通大学硕士学位论文 嫩烧炉氧分析器 氛调节器 I 一LsI MV PV PID Ke 1+T,s 纯稀后补偿环节 +D K(i一e-Ls) 1+Tis 图3.17 施密斯纯滞后补偿氧量调节回路 还可以采用以下方法，进一步改善氧量控制特性: 1).氧量调节器的设定值自动校正 简单的氧量修正控制中，操作人员可手动选择氧量 (02)的给定值， 这种控制方法对额定负荷是有效的。如果负荷经常大幅度变化，则02量给 定值必须相应变化。在这种情况下采用手动方法不能满足要求，而应采用 设定值自动校正方法。 首先将图3.16(a)用折线(b)，列出空气过剩率a与代 表负荷大小的燃料量Bf的函数关系如下: 一 ! 当Br-B,, (3.18) 一 之 a=f(乌)- ! BA-Bf 、 当BfB,, BA 式中 a。一 正常负荷时空气过剩率; Da一 在低负荷范围内，保证完全燃烧时的空气过剩率的增加范 围; B‘一 由正常负荷进入抵负荷时的燃料流量。 由于空气过剩率与烟气中的氧量有对应关系，故氧调节器的设定值随 负荷变化情况与图3.16(b)类似。如图3-18所示，其函数关系为 西安交通大学硕士学位论文 02SV o4 叠 〔〕 O BA Bf 图3.18 氧调节器的设定值 r l w e 且 仇0 当Bf_BA o z s f ( 马 (3.19) 一 一 一 护 一 e e 、 B，一Bf . 1 1 02。十△02 当BfBA BA 式中 02。一 正常负荷时的氧量设定值: A0:一在低负荷，设定值的增加范围; 正常负荷时氧设定值，由下列公式给出: 仇0=21(a卫1% (3.20) K,+(a一1) Yn 式甲 K,= 一 与燃料性质有关的常数; A。 V。一 理论废气量: A0一理论空气量。 2).调节器参数的自校正 设氧对象的静态增益为踢。由((3.20)得 西安交通大学硕士学位论文 d口，。 21K·, K n=一-一一已匕二 (3.21) da [K,+(a一1]2 当BfBn，a是B:的函数。因此，KP也应是Bf的函数，即氧对象 的增益是随负荷变化的。 可以证明 dKp0 (3.22) dBf 由上可见，对于氧量调节器的参数，应随负载不同进行校正。例如 采用变增益P工调节器或引入其它自校正方法。 改良型双交叉限幅控制系统的工程应用软件设计 4改良型双交又限幅控制系统的工程应用软件设计 4.1交叉限幅并联副回路串级控制系统z.9‘} 八十年代初，国外先后开发了以微处理器为核心的数字式控制仪表， 它具有较大运算控制能力，同时又具有通讯功能，能与上位机相连，进行 集中监视操作和数据处理。这种数字式控制仪表克服了过去模拟仪表的缺 点，使常规的模拟调剂器过渡到智能化的数字调节器。这种仪表的出现为 采用较复杂的调节运算方法提供了强有力的手段，正是在这种情况下出现 了交叉限幅调节，它是燃烧控制的一种新形式。 引 皿

　　2、成为VIP后，下载本文档将扣除1次下载权益。下载后，不支持退款、换文档。如有疑问请联系我们。

　　3、成为VIP后，您将拥有八大权益，权益包括：VIP文档下载权益、阅读免打扰、文档格式转换、高级专利检索、专属身份标志、高级客服、多端互通、版权登记。

　　4、VIP文档为合作方或网友上传，每下载1次， 网站将根据用户上传文档的质量评分、类型等，对文档贡献者给予高额补贴、流量扶持。如果你也想贡献VIP文档。上传文档

　　第7课 近代以来中国的官员选拨与管理 课件(共30张PPT).pptx

　　原创力文档创建于2008年，本站为文档C2C交易模式，即用户上传的文档直接分享给其他用户（可下载、阅读），本站只是中间服务平台，本站所有文档下载所得的收益归上传人所有。原创力文档是网络服务平台方，若您的权利被侵害，请发链接和相关诉求至 电线) ，上传者