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    热水锅炉计算机控制与热交换站控制———热水锅炉计算机控制与热交换站控制

    2008-06-19 北京硕人时代科技有限公司

     一、 综述
            锅炉微机控制,是近年来开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物,我国现有中、小型锅炉40多万台,每年耗煤量占我国原煤产量的1/3,目前大多数热水锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。提高热效率,降低耗煤量,降低耗电量,是用低成本自动化技术武装传统设备的一项具有深远意义的工作。
             采暖锅炉目前存在的主要问题:首先是依靠调节挡风板和煤层厚度来满足需用量的变化,这样做的结果是供热量过大或过小。再就是,锅炉设计过程中,在按照负荷计算好应使用的泵和风机以后,都要打出设计安全系数。这些因素造成锅炉不在最佳状态运行,浪费煤电。

    二、锅炉控制的主要目的和经济性
    1. 直观而集中的显示锅炉各运行参数。能快速计算出在正常运行和启停过程中的有用数据,能在显示器上同时显示锅炉运行的水位、压力、炉膛负压、烟气含量、测点温度、燃煤量等众多运行参数量的瞬时值、累计值及给定值,并能按需要在锅炉的结构示意画面的相应位置上显示出参数值。给人直观形象,减少观察的疲劳和失误;
    2. 可以按需要随时打印或定时打印,能对运行状况进行准确地记录,便于事故追查和分析,防止事故的瞒报漏报现象;
    3. 在运行中可以随时方便的修改各种运行参数的控制值,并修改系统的控制参数,使锅炉一直保持在最佳燃烧;
    4. 减少了现场显示仪表,还可利用软件来代替许多复杂的仪表单元,(例如加法器、微分器、滤波器、限幅报警器等),从而减少了投资也减少了故障率和各种干扰;
    5. 提高锅炉的热效率。从已在运行的锅炉来看,采用计算机控制后热效率可比以前提高5-10%,据用户统计,一台20T的锅炉,全年平均负荷70%,以平均热效率提高5%计,全年节煤800吨。
    6. 锅炉系统中包含鼓风机﹑引风机﹑循环水泵﹑补水泵等大功率电动机,由于锅炉本身特性和选型的因素,这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的,原有方式采用阀门和挡板控制流量,浪费非常严重。通过对风机水泵进行变频控制可以平均节电达到30%-40%;
    7. 锅炉是一个多输入多数出、非线性动态对象,诸多调解量和被调量间存在着耦合通道。例如当锅炉的负荷变化时,所有的被调量都会发生变化,故而理想控制应该采用模糊控制方案。
    8. 锅炉微机控制系统经扩展后可构成分级控制系统,可与工厂内其他节点构成工业以太网。这是企业现代化管理不可缺少的;
    9. 作为锅炉控制装置,其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行,减轻操作人员的劳动强度。在采用计算机控制的锅炉系统中,有十分周到的安全机制,可以设置多点声光报警,和自动连锁停炉,杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。

    三、锅炉自动燃烧控制系统
    1、 实时数据采集
    能够对锅炉本体和辅助设备各种运行数据(包括总供回水温度、压力、流量、省煤器进出口水温度﹑压力烟气温度、除尘器进出口烟气温度压力、鼓引风压力、炉膛温度压力含氧量、煤层厚度、室外温度、鼓引风炉排电机频率速度电流状态、除渣除尘状态) 等信号通过总线进行动态采集,控制中心能够实时监控到锅炉本体﹑锅炉上煤﹑除渣等辅助设备的运行情况。
    2、完整的报警机制
    当锅炉调节系统发生异常情况时或报警时,上位机人机界面自动接受控制系统器发送报警信号,将报警状态及异常点在上位机上进行显示,并诊断提出相应问题大概原因,提供相应的处理办法提示,系统自动能把报警分为高中低三种报警级别,低级别的报警只做提示用,当发生低级别报警时不影响燃烧自动调节,中级别报警发生时需要做相应处理,高级别报警发生时系统能立即连锁停炉,并发出尖锐声光报警和相关提示信息,等待工程师处理后再次投入运行,所有报警系统会自动的写入永久数据库备份,供以后随时查询和故障诊断和决策处理。
    报警内容有:
    系统报警
    包括DCS控制器自诊断硬件或致命软件命令错误
    自动启动燃烧失败
    通讯建立连接失败
    数据报警
    炉膛温度超高低报警
    炉膛负压超高低报警
    锅炉出口温度超高低报警
    锅炉出口压力超高低报警
    锅炉回水温度﹑压力超高低报警
    引风机风压高低报警
    鼓风机风压高低报警
    高级别报警
    引风机变频器(电流﹑电压﹑故障)超速等报警
    鼓风机变频器(电流﹑电压﹑故障)超速等报警
    炉排机变频器(电流﹑电压﹑故障)超速等报警
    连锁控制保护报警
    上煤系统综合保护报警
    除渣系统综合保护报警
    3、循环水控制系统
    循环水是锅炉系统与外界交互的接口,循环系统通过泵不断的把热水源源不断的输送给用户或热站,把经过热释放后的二次低温水循环到锅炉系统再加热。我们采用保持循环水进、出口温差恒定,通过改变循环流量来控制热负荷的方式,是一种新方式。热负荷Q为
     
    式中 T为循环水进、出口温差;W为循环流量。循环水泵采用变频运行方式,连续改变循环流量从而连续控制热负荷,循环泵控制系统框图如图1所示,


    图1中T※为循环水进、出口温差设定值。该方法能始终维持循环水进、出温差基本恒定,有利于锅炉稳定、安全运行;同时,能保持用户各散热设备之间的负荷均衡,提高采暖效果。
    4、燃烧控制方案
    所谓燃烧控制指燃煤量随大气温度和设定供水温度改变时,给煤量和鼓风量作相应调节以达到经济燃烧的通称。典型的燃烧控制方式是保持最佳风煤比并根据烟气中氧含量的多少进行对鼓风量二次校正,由于烟气含氧量的检测不稳定,在实际运行时该法得不到如期效果。考虑到采暖控制的特殊性—负荷变化范围大(由零到满负荷),系统力求筒单、可靠并突出主要性能,我们选取了如下燃烧控制方案:
    系统自动根据设定温度加室外温度修正量与燃料控制器进行模糊计算,查找出在当前温度和煤层厚度下的给煤量,由于基本模糊控制缺乏对具有较大纯时间滞后对象的控制能力,因此,我们在模糊控制系统中此入SMITH预估控制,以提高模糊控制器对趴有纯时间滞后对象的控制能力。常用的模糊控制器环节有比例输出和积分输出两种形式,前者阶跃响应快,但为有差控制,后者可接近无差控制,但响应慢,且超调较大。本系统采用二者相结合的比例积分输出结构,具有超调小、暂态时间短的优点。给煤量发生变化后,燃烧系统从一个稳态状态发生了阶跃变化,风煤比控制器此时开始工作,判断在当前煤量下燃烧情况,由于锅炉的出力主要取决于燃煤量,煤层厚度与煤种有很大关系,炉膛内燃烧状况通过炉膛内温度分布及煤层风阻来确定。良好的燃烧炉膛内中部温度最高,炉排尾部距挡渣器前煤已燃尽,温度降低。鼓风机则根据进煤量的增减而增减,同时通过排烟的含氧量最终确定风量的进一步校正。

    炉膛负压控制系统框图如下图的所示。由于送风量增大,炉膛负压升高,在炉膛压力调节器输入端产生偏差,使炉膛压力调节器输出增加,引风机速度升高,引风量增大,从而使炉膛负压回复到给定值上。当炉膛压力回复到给定值时,其调节器输入偏差为零,炉膛压力调节器的输出就不再变化,引风要的速度的就稳定在新的值上,炉膛压力调节系统也经历了一个从平衡到不平衡的平衡调节过程。在炉膛压力调节系统中,由于有风量的微分信号加入到调节器的输入端,因此风量增加,而在炉膛负压还来不及变化时,引风机的速度由于调节器输出增大而升高了。这样可以使调节过程比较平缓,不易产生超调现象。


    5、锅炉输煤控制系统
    输煤系统是整个锅炉房原料供给的主要设备,他的可靠安全运行同样是锅炉控制系统中不可缺少的,自动控制分别可对输煤线,包括给煤机、皮带机、除铁器、振动筛、破碎机等设备,为了保证生产运行的可靠性,输煤系统采用自动(联锁)、手动(单机)两种控制方式,自动、手动方式由开关进行切换。由于输煤廊环境恶劣,全部操作控制都在主控制室里进行,仪表盘上设有各个设备的启、停按钮。当选择自动时由控制系统根据煤料启停输煤设备。设备状态监测和皮带跑偏监测以及事故纪录功能则由上位人机界面完成。 为了保证输煤系统的正常、可靠运行,该输煤系统实现了以下功能:
    • 输煤时,各设备的启动、停止遵循特定的顺序,即对各设备进行联锁控制;
    • 各设备启动和停止过程中,可通过上位机人机界面设置设备启动时间间隔(延时),以保证各输煤皮带上无剩余煤;
    • 运行过程中,某一台设备发生故障时,系统立即发出报警并自动停车,其前方(指供料方向)设备也立即停车。其后方的设备按一定顺序及延时联锁停车;
    • 各输煤皮带设有双向跑偏开关,跑偏15度时发出告警信号,跑偏30度时告警并自动停车;
    •上位机可显示各机电设备运行状况,并对输煤过程有关情况(报警、自动停机等)做出实时纪录 


                                                                                           图1-1为典型上煤系统监控画面


                                                                                                                  图1-1


    6、锅炉输渣控制系统
    输渣控制系统是锅炉辅机设备控制系统的重要组成部分。由于环境保护对锅炉的飞灰、排渣、脱硫、除尘、噪声、废水排放等提出的高要求,使得除渣等辅机控制系统受到越来越多的重视,促使其自动化水平得到很大的提高。除渣控制系统的任务是及时、高效、清洁地将灰渣从锅炉底部的灰渣斗输送到灰场。
    输渣自动控制包括对主要设备;捞渣机、皮带机、炉排等设备的连锁控制,其主要实现了以下功能
    • 输渣时,各设备的启动、停止遵循特定的顺序,即对各设备进行联锁控制;
    • 各设备启动和停止过程中,可通过上位机人机界面设置设备启动时间间隔(延时),以保证各输煤机和皮带上无剩余的渣,同时皮带速度可在人机界面上调节;
    • 运行过程中,某一台设备发生故障时,系统立即发出报警并自动停车,其前方(指供料方向)设备也立即停车。其后方的设备按一定顺序及延时联锁停车;
    •各输渣皮带设有双向跑偏开关,跑偏15度时发出告警信号,跑偏30度时告警并自动停车;
    •可显示各机电设备运行状况,并对输渣过程有关情况(报警、自动停机等)做出实时纪录
                                                                                             图1-2为典型输渣系统监控画面

    7、中央监控系统

    控制中心是整个锅炉自动控制系统的调度监测核心,其担任着数据采集﹑处理﹑人机命令交换等众多任务,计算机分别为工程师工作站和操作员工作站,网络类型为工业以太网,计算具有点对点操作功能,组态软件选为世界上最为先进的组态软件(更详细的介绍请参考8)。主画面以锅炉动态工艺流程图做背景画面,画面和实际锅炉情况基本相符,主控制画面主要具有快捷操作键和重要运行数据监测功能,当锅炉自动调节时一般操作员只在主画面就可以完成数据设定和简单控制,实时数据浏览画面以四位浮点方式显示所有测量数据和计算数据,画面上设有快捷菜单和画面切换键,实时曲线窗口以动态曲线的方式描述所有被测模拟量的变化过程,以时间为X坐标,实际值做Y坐标,曲线刷新时间可任意设定。历史数据浏览画面对所有采集数据和重要设定数据进行存储,存储时间间隔在窗口中可以任意设定,窗口设有完整的查询功能,可以查看自运行之日起的所有历史数据。历史曲线浏览画面用曲线方式根据查询时间列出所有数据曲线。同时系统能自动生成工作报表,在任何时都可以打印,系统还具有实时画面捕捉打印功能。历史报警和实时报警窗口主要用来显示当前系统存在报警和历史报警查询功能,通过历史报警功能追忆到所有停机时间及故障原因。上位机组态软件设有实时在线帮助功能,帮助功能包括所有操作和注意事项、最佳设定参考值等帮助信息,使用方式具有和常规软件相同操作。
    热交换站控制技术方案
    1.1 基本功能
    1)参数检测:主要完成管网现场过程的模拟量(如温度、压力、热量等)、状态量(如泵的状态、温度等)及脉冲量的测量。
    2)数据存储:由于热网运行的大惰性,和控制系统的非实时性,要求现场控制设备能按指定的时间间隔进行参数存储,一般情况下这些参数通过通讯网络定期传输到监控中心的服务器中。
    3)通讯:现场控制设备必须能够在主动或被动方式下与监控中心通过某种通讯网络进行数据通信,以便监控中心能了解系统的整个运行状况,做到系统协调优化运行。
    4)显示操作功能:如有条件,现场控制设备应具备液晶显示和操作界面,以方便运行人员在现场对运行状况一目了然,同时可以人工直接控制调节系统运行工况。
    1.2 二次网供水温度控制
    二次网供水温度的控制方式大致分为以下几种,管理人员可在现场通过液晶键盘或通过上位机软件选择不同的控制方式。
    1) 经验调节
    在各个控制器输入二次供水温度调节曲线,系统通过检测二次网供水温度和室外温度,自动调节一次网的阀门开度从而达到二次网的设定供水温度值,实现换热站的质调节。管理人员可以在现场通过液晶键盘或通过上位机软件对此曲线进行修改。曲线如图:


    2) 固定供水温度
    用户可任意设定供水温度值,系统将自动调节一次网的流量从而使二次网出水温度稳定在此设定值。管理人员可以在现场通过液晶键盘或通过上位机软件对此设定值进行修改。
    3) 分时段修正运行
    本方式支持在不同的时间段修正固定的供水温度设定值(经验调节曲线或固定供水温度),这样可生成一条更经济的运行曲线。管理人员可以在现场通过液晶键盘或通过上位机软件对此曲线进行修改。下图例示固定供水温度运行(红色)+分时段修正运行时的实际供水温度(黑色)曲线:


    4) 手动调节
    管理人员可以在现场通过液晶键盘或通过上位机软件手动给定调节阀门的开度,从而调节一次网流量。此控制方式下,阀门的开度保持设定值不变,不受二次网供水温度影响。
    1.3 二次网供水压力控制
    二次网供水压力的控制方式大致分为以下几种,管理人员可以在现场通过液晶键盘或通过上位机软件选择不同的控制方式。
    1) 定压力控制
    系统可以根据二次网供水压力设定值自动调整循环泵变频器输出频率,从而保证二次网供水压力保持在设定值。
    2) 定压差控制
    系统可以根据二次网压差设定值自动调整循环泵变频器输出频率,从而保证二次网供回水压差保持在设定值。
    3) 手动给定频率运行
    用户可以手动给定循环泵变频器的运行频率,控制器将算出相应的输出信号,保证循环泵的输出频率始终维持在设定值运行。
    1.4 二次网回水压力控制
    1)定压力控制
    系统可以根据二次网回水压力设定值自动调整补水泵变频器输出频率,从而保证二次网回水压力保持在设定值。
    2)手动给定频率运行
    用户可以手动给定补水泵变频器的运行频率,控制器将算出相应的输出信号,保证补水泵变频器的输出频率始终维持在设定值运行。
    1.5 故障报警
    系统可以设置参数报警,如,二次供水温度过高,二次供水压力过高,二次供水压力过低,二次回水压力过低,补水箱液位过高、过低报警,循环泵故障报警,补水泵故障报警,一次网除污器堵塞报警,二次网除污器堵塞报警等。
    报警发生时系统将自动上传报警信息,如果上位机收到信息将给控制器下发一个收到的确认信息,如果上位机没有收到报警信息,控制器将不断重复发送,同时在现场的液晶的报警信息栏显示报警信息。控制器还输出一个报警接点,用于控制带蜂鸣的报警指示灯。
    1.6 保护功能
    1)二次供水温度超高保护
    当二次供水温度超高时,系统将自动停止运行。关闭一次网阀门,停止循环泵,停止补水泵。同时向上位机报警。
    2)二次回水压力超高保护
    当二次回水压力超高时,自动打开泄水电磁阀。系统二次回水压力达到正常后,自动关闭泄水电磁阀。
    3)二次回水压力超低保护
    当二次网回水压力超低时,系统将自动停止运行。关闭一次网阀门,停止循环泵,同时向上位机报警。压力恢复正常后,自动启动系统。
    4)补水箱液位过低保护
    当补水箱液位过低时,自动停止补水泵,同时向上位机报警。液位恢复正常一段时间后,自动启动补水泵。
    1.7 历史数据存储功能
    STEC2000控制器通过组态软件可以对所要存储的参数组态。选择存储产生和设置每次存储的时间间隔,在热交换系统中,我们一般存储时间间隔设置为5分钟。系统存储的历史数据不会因为系统掉电而丢失。
    1.8 手自动切换功能
    系统对阀门、循环泵、补水泵的控制均可通过键盘或上位机软件改变运行方式,或进行手自动运行的切换。 

           联系人:赵海燕        电话:1312  1312  416

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