1、35th循环流化床锅炉燃烧子系统集散控制设计与实现 CBF程序设计摘 要随着人们对能源需求量的日益扩大以及对环境质量要求的不断提高，作为近年来国际上发展起来的新一代高效、低污染的清洁燃烧锅炉，循环流化床锅炉得到了迅速的推广。由于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，而这就需要通过集散控制系统（DCS）来完成对循环流化床锅炉系统的自动控制。本课题控制系统选用ABB公司的AC800F控制器及相关卡件为硬件结构，运用Control Build F软件对循环流化床锅炉电机的起停、连锁控制、故障报警、锅炉出口烟气含氧量、锅炉床温等主要控制点及其它辅助控制点实现集散
2、控制。该项目的成功实施为企业带来明显的经济效益和社会效益，有着巨大的现实意义。关键词： 循环流化床锅炉；集散控制系统；AC800F；Control Build FABSTRACTAs people growing demand for energy as well as continuously improve the environmental quality requirements, circulating fluidized bed boiler which is the new generation of high efficient and low pollution has ma
3、ke a rapid promotion in recent years. The circulating fluidized bed boiler combustion system is a large time delay and strong coupling of the nonlinear system which is the interaction between the variable parameters. As a result It is necessary to complete the automatic circulating fluidized bed boi
4、ler system control by distributed control system (DCS).The subject selected ABBs control system of AC800F and some cards of it as the hardware. Meanwhile we use software of Control Build F to achieve distributed control for irculating fluidized bed boiler motor starting, stopping and chain control,
5、fault alarm, the boiler exit flue gas oxygen content, the boiler bed temperature and other major control points and other auxiliary control point.The successful implementation of the project has brought significant economic benefits for the business and social benefits, and it has great practical si
6、gnificance.Key words：circulating fluidized bed boiler ；distribute control system；AC800F；Control Build F1 前言1.1 循环流化床锅炉简介循环流化床锅炉( circulating fluidized bed boiler，简称CFBB)是在流化床锅炉基础上改进和发展起来的一种新型锅炉。其保留了流化床锅炉的全部优点，而避免和消除了流化床锅炉存在的热效率低、埋管受热面磨损严重和脱硫剂石灰石利用不充分、消耗量大和难于大型化等缺点。具有燃料适应性广、燃烧效率高、氮氧化物排放低、负荷调节比大和负荷调节快
7、等突出优点。循环流化床锅炉在结构及燃烧方式上均与普通煤粉炉不同，因此其调节要求及调节方案与普通煤粉炉也有一定差异。循环流化床锅炉采用布风板上床层流化燃烧方式，其燃烧调节方案与煤粉炉完全不一样。循环流化床锅炉作为环保锅炉，在炉内加人石灰石进行脱硫，故流化床锅炉必须增加石灰石给料调节系统。另外，循环流化床锅炉烟气中的未燃粒子经过旋风分离器后，要由返料装置送回炉床继续燃烧，所以循环流化床锅炉亦必须具有返料调节系统。循环流化床锅炉正常燃烧时需要调节一定的床层厚度，床层厚度由排渣系统与返料系统进行调节，因此循环流化床锅炉必须具有排渣调节床层厚度调节系统。循环流化床锅炉燃烧系统是一个大滞后、强耦合的非线性
8、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、石灰石供给量等多个参数控制1 2 3。1.2 DCS简介 DCS -Distribute Control System集中管理分散控制系统，简称集散控制系统。 DCS是计算机（Computer）、通信(Communication)、CRT显示、控制（Control）技术（简称4C技术）发展的产物。采用危险分散、控制分散、而操作和管理集中的基本设计思想，多层分级、合作自治的结构形式，适应现代化的生产和管理要求。它解决了原有集中控制系统危险集中和常规仪表控制功能单一的局限性。 目前DCS有两个发展方向，
9、一是向现场深入，二是向高层发展，使得面向控制过程的DCS和面向生产管理与调度的管理信息系统MIS可以互相传递信息，出现了将DCS与MIS集成在一起的计算机集成制造系统CIMS和计算机集成过程控制系统CIPS。 实现这一目标的关键是各个子系统之间的网络通讯接口：以太网通信标准、TCP/IP标准、SQL、ODBC、OPC、DDE。DCS的基本组成部分为三点一线。一线是指DCS骨架计算机网络。三点是面向过程的现场站（PS），面向操作人员的操作站（OS），面向DCS监督管理人员的工程师站（ES）4。1.3 国内外研究现状随着人们对能源需求量的日益扩大以及对环境质量要求的不断提高，作为近年来国际上发展起
10、来的新一代高效、低污染的清洁燃烧锅炉，循环流化床锅炉得到了迅速的推广。自循环流化床燃烧技术出现以来，循环流化床锅炉已在世界范围内得到广泛的应用，大容量的循环流化床电站锅炉已被发电行业所接受。世界上最大容量的 250MW循环流化床锅炉已在1997年运投，多台200250MW大容量循环流化床锅炉已投产。我国从60年代开始对循环流化床锅炉进行研究，并在90年代以后和外国公司联合研究并取得了较大有发展，现在循环流化床锅炉已发展成熟并在全国广泛应用，已成为世界上大型流化床循环流化床锅炉总台数最多，总装机功率最大的国家。我国集中于中型CFB的研制与开发，目前已完全商业化。到1998年底，我国已投运及订货的
11、35t/ h以下的循环流化床锅炉共计约600台，已开始走向电力市场，并且开始大型CFB的研制工作。在西欧、北美和日本，循环流化床燃烧技术的开发受到高度重重视，许多有关的高等院校，科研机构一直在开展研究工作，经常举行各种国际性学术会议研讨循环流化床锅炉发展技术。现在国外一些电力公司正在考虑设计制造新一代的、更大的容量的循环流化床锅炉。为了开发、完善循环流化床燃烧技术，世界上各工业国家在技术、人力、财力等各方面都做了大量投入，而走在世界前列的仍然是几个比较发达的资本主义工业国家。目前国外主要开发研制单位和生产厂家有德国鲁奇(Lurgi)公司、芬兰奥斯龙(Ahlstrom)公司、美国巴特尔(Batt
12、le)研究中心、美国福斯特惠勒(Foster Wheeler)公司，德国巴布科克和斯坦缪勒公司、瑞典斯图特斯维公司美国的燃烧工程公司和法国斯坦因公司引进德国鲁奇公司的技术，也是当今世界上循环流化床锅炉生产能力较强的厂家3 5。1.4 选题的目的及意义本选题是DCS在工业控制领域比较典型的应用案例。随着社会经济的飞速发展，企业也在不断的改造设备提高企业的竞争能力。在循环流化床锅炉控制系统中，电机的顺序控制，烟气含氧量，床温等模拟量的实时控制及整个系统的故障报警和连锁保护都是至关重要的，而这就需要通过DCS控制来完成对循环流化床锅炉系统的自动控制，从而取代以往各种的大型继电器设备，不仅能大大降低了
13、该设备的生产成本，减小设备的体积重量，节省人力，提高工效，更重要的是大大提高了控制精度和安全系数，具有很高的实用价值4 6。循环流化床锅炉的低温、分段燃烧可以满足环保的要求，减少废气的排放；稳定的燃烧源、高速度、高浓度的循环硫态化技术是劣质煤燃烧的要求得到提高，同时又可以实现灰渣的再利用，提高生产效率，满足政府政策的要求。通过本选题使我了解了国外对循环流化床锅炉系统研究的成果和发展方向，找到了国内企业与国外在这方面的差距，明确在本次毕业设计中的课题的难点和重点以及自己在设计中应该努力的方向、查找的参考资料、注意的问题。通过对循环流化床锅炉控制系统的学习，进一步了解自动化控制中一些复杂系统的检测
14、、调节、控制过程，对自己所学的课程有了系统的认识和进一步的学习，把DCS的设计步骤和方法，系统程序设计运用于实际。深入掌握CBF等软件的使用，达到熟练应用的程度以提高自己的专业能力。2.系统设计方案2.1生产工艺循环流化床锅炉主要工艺过程如图2.1所示： 图2.1 循环流化床锅炉工艺简图循环流化床锅炉主要由燃烧系统、气固分离循环系统、对流烟道三部分组成。其中燃烧系统包括风室、燃烧室、炉膛、给煤系统等几部分；气固分离循环系统包括物料分离装置和返料装置两部分；对流烟道包括过热器、省煤器、空气预热器等几部分。本论文主要研究燃烧子系统的设计。燃烧子系统主要分为2部分-物料系统和风烟系统。（1）物料系统
15、：新燃料(煤) 、脱硫剂(石灰石) 不断加入到炉膛燃烧室的料层中，床层底料在风的作用下开始硫化，被烟风带出燃烧室的粉尘被分离器分离捕捉，由返料设备再返回到燃烧室中，形成了循环硫化的过程。（2）风烟系统：循环硫化床的一次风( 大约60 %总风量) 从炉膛床层底部吹入，推动床层硫化，并且形成还原燃烧气氛；在一定高度加入二次风，二次风完成燃料的充分燃烧；高压风是完成循环返料返回燃烧室；为了煤、石灰石给入，需要加入播煤风、石灰石给料风 7。2.2 设计内容 针对2.1所提到的生产工艺，本论文主要设计内容如下：按照DCS规范书的规定和适用的工业标准，配置完整的自动控制系统；按照工艺流程图、初步I/O清单
16、和控制要求，提出相应的设计图纸，完成I/O接口布置图；实现集散系统电机启停、连锁等数字量控制，以及炉膛负压等模拟量调节设计；按照锅炉工艺流程设计DCS的监控画面。包括工艺流程，回路控制、顺序控制，趋势等显示；利用CBF组态软件及仿真器，对设备备妥、驱动等信号及连锁关系进行仿真；利用DIGIVIS对锅炉燃烧环节各设备OS显示进行仿真。2.3 控制方案及主要研究手段本课题结合我们循环流化床锅炉生产的现状，来设计35t/h循环流化床锅炉燃烧子系统集散控制，采用以太网结构来实现循环流化床锅炉燃烧子系统的全线自动控制，应用先进的计算机技术和控制技术，来研制一套低造价、高性能的集散控制系统。本设计硬件采用
17、ABB AC800F控制器及I/O模块。采用CBF软件对系统编程，完成工艺流程显示、趋势显示、超限报警、工艺参数及采集数据存储等功能。系统结构简图见图2.2。图2.2 系统结构简图本设计研究手段主要采用收集阅读资料与上机实验结合的方式。利用互联网及图书馆查阅有关本设计的书籍和论文。并利用计算机来熟悉软件的使用并最终完成组态与编程。2.4 控制要求及主要控制要点对于循环流化床锅炉集散型控制系统来说，其作用主要分为监视和操作两部分。DCS 的监视部分又包括数据处理和数据显示两部分，DCS 操作又分为手动操作和自动操作。2.4.1 DCS监视部分DCS的监视部分分为数据处理和数据显示两部分。（1）数
18、据显示部分数据处理部分又分为数据采集和数据计算处理。数据采集：一次参数的模拟量要经过报警设置、信号转换及热偶补偿等预处理；一次参数的开关量要经过报警设置等预处理。数据计算处理：对DCS 数据采集的一次数据进行加工处理，得到DCS 的二次数据。（2）数据显示部分数据显示部分包括报警显示，趋势显示和主控界面显示。报警显示：报警系统是将被检测对象的异常情况及时准确地检测出来，并提醒操作人员注意，以防异常情况的进一步恶化。对于报警要有闪光提示，只有通过操作人员确认后，闪光变为平光；平光只有在报警信号消失后，才变为原来正常状态。目的是只有操作人员认可(知道) 后，报警信息才消失，否则应一直提示操作人员。
19、趋势显示：其主要是反映模拟量的变化状况，便于运行检测、运行操作和数据相关分析。主控界面显示：在DCS运行中，监视、操作画面非常重要，也是非常直观的。主控界面能够实时反映现场设备的运行状况，并且能够根据实际情况及时准确的对现场设备下达控制指令，因此，监控界面的好坏直接影响着整个系统运行状况8。2.4.2 DCS操作部分DCS操作部分分为手动操作部分和自动操作部分。（1）手动操作部分手动操作部分就是人机接口部分，操作人员通过DCS 提供的界面实现现场设备的手动调节、控制。（2）自动操作部分自动操作部分是按控制点来划分的，循环流化床锅炉燃烧系统的控制点主要包括电机的起停、连锁控制、故障报警、锅炉出口
20、烟气含氧量的调节、锅炉床温调节、锅炉炉膛负压调节、锅炉料床差压调节、一次风量调节。另外，还有排渣系统和返料系统等辅助控制点的调节。通过设备之间的联锁完成电机的顺序控制，电机完成备妥后才能启动，启动时顺序启动，停止时逆序停止。每个设备启/ 停操作都有一定条件，以保证设备安全启/ 停。在运行过程中，如果设备的运行条件失去或系统的运行条件失去，在确保设备运行安全的前提下，停止设备运行,甚至停止系统运行。在循环流化床锅炉燃烧系统中，风路（引风、一次风、二次风）控制关系到整个循环流化床锅炉安全稳定，起着至关重要的作用。引风最主要功能是保证炉膛维持一定的负压；一次风最主要作用建立起流化状态；二次风主要作用
21、补充一次风量不足，使煤实现富氧燃烧，同时抑制煤中氮与空气中的氧反应产生NOx，从而达到降低的NOx排放值10。因此，含氧量控制主要是通过调节二次风量来完成的，本设计采用含氧量-二次风量PID串级控制方案。通过调节二次风机转速来调节二次风量，通过调节二次风量来调节锅炉出口烟气含氧量，保证燃料在适当的空气过量系数下燃烧，烟气含氧量调节方框图如2.3所示； 图2.3 烟气含氧量调节方框图控制时把床温的影响也纳入控制方案中。床温增加减小燃料量，床温降低则增大燃料量。由于循环流化床锅炉运行时床温可以在一定范围内波动，故在控制方案中设置了不调温死区，即床温在该死区内时不改变燃料供给量。本设计采用床温-燃料
22、量PID串级控制方案，通过调节给煤机与石灰石给料机转速调节燃料量，通过燃料量调节床温，保证锅炉负荷满足系统要求，锅炉床温调节方框图如2.4所示；图2.4 锅炉床温调节方框图影响炉膛负压的因素很多，但影响最强烈的是引风。当锅炉的负荷发生变化时，就要相应的制引风使炉膛负压稳定。炉膛负压过高则炉烟外冒至喷火，危及人身和设备安全，并污染环境；负压过低，会有大量冷空气进入炉膛内，降低炉膛温度，增大引风负荷和排烟损失。因此，炉膛负压调节对循环流化床锅炉至关重要。本设计采用炉膛负压单回路PID控制，通过调节引风机转速调节炉膛负压，保证炉膛内在微负压或微正压的环境下燃烧，炉膛负压调节方框图如2.5所示；图2.
23、5 炉膛负压调节方框图料层差压控制也称为料层控制。由于料层高度与床压近似成比例关系，用差压大小推算床料高度。循环流化床锅炉的料层差压高低与床渣数量和返料量有关。若料层高、太厚则使布风板阻力加大，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。当负荷稳定时，床渣堆积量增加时料层差压明显升高，可通过底部灰渣的排放来降低料层差压；返料量不足时料层差压明显降低，可通过适当增加返料量来提高料层差压。因此，本循环流化床锅炉料层差压控制采用人工设定报警限，计算机报警提示人工就地排渣和加返料方式，料层差压调节方框图如2.6所示；
24、图2.6 料层差压调节方框图在循环流化床锅炉中，一次风量主要调整控制流化程度，但又随着负荷的大小变动而改变，并呈现出一定的阶跃性。因此，在本系统中采用人工根据参数的变化设定一次风量给定值方式的单回路PID调节。通过调节一次风机的转速,调节一次风的风量，实施安全、经济燃烧，一次风量调节方框图如2.7所示。图2.7 次风量调节方框图3.系统硬件设计3.1 检测原理本论文的模拟量检测包括流化床床料温度、锅炉风室温度等温度参数；锅炉炉膛上部压力、锅炉炉膛中部压力等压力参数；一次风量、二次风量、烟气含氧量等其它参数。本设计应用的测温元件有热电偶、热电阻传感器；测压元件为压电传感器；测风量元件为智能流量计
25、；测烟气的元件为气体分析仪。下面对这些元件进行一下简单的介绍。（1） 温度传感器本设计采用热电偶和热电阻传感器进行温度测量。热电偶的测温原理：两种不同材料的导体或半导体连接成闭合回路，将他们的两个接触点分别置于不同温度各为T及T的热源中，则在该回路内就会产生热电动势和温差电动势。则热电偶回路中产生的总电动势 EAB(T,T0)可写成： EAB(T,T0)=eAB(T)+eB(T,T0)-eAB(T0)-eA(T,T0) （3.1） 由于温差电动势比接触电动势小，又TT0,所以在总电动势EAB(T,T0)中，以导体A、B在T端的接触电动势eAB(T)所占的百分比最大，故总电动势EAB(T,T0)
26、的方向取决于eAB（T）的方向，因NANB，故A为为正极，B为负极。 热电阻传感器测温原理：热电阻传感器是利用电阻随温度变化的特性制成的传感器。经常使用电桥作为传感器的测量电路，标准或实验室用的铂电阻的引线采用四线制，既金属热电阻两端各焊两根引出线，其测量电路如图3.1所示。当引线电阻R1=R2=R3=R4时，A表的指示仍与引线电阻无关。此外，通过A表的各个支路的节点数为偶数，它们的接触电势恰好抵消，这样，图3.1所示线路不仅消除了连接引线电阻的影响，而且还可以消除测量电路中寄生电势引起的误差。图3.1 四线式结构，R1、R2、R3、R4为引线电阻（2）压力传感器本设计检测压力的传感器采用压电
27、传感器。 压电传感器工作原理：对于某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就会产生极化现象，同时在它的的比表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后有重新恢复不带点状态，这种现象称为压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为逆压电效应9。（3）智能流量计本设计采用智能涡街流量计来检测风量。智能涡街流量计检测原理：在流体中设置三角柱型旋涡发生体，则从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡门旋涡，旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。涡街流量计便是依据卡门旋涡原理进行封闭管道流体流量测量的新型流量
28、计。因其具有良好的介质适应能力，无需温度压力补偿即可直接测量蒸汽、空气、气体、水、液体的工况体积流量，配备温度、压力传感器可测量标况体积流量和质量流量，是节流式流量计的理想替代产品。（4）气体分析仪本设计采用热导式气体分析仪来检测氧气在烟气中的含量。热导式气体分析仪检测原理：热导式气体分析仪是一种物理类的气体分析仪表。它根据不同气体具有不同热传导能力的原理，通过测定混合气体导热系数来推算其中某些组分的含量。这种分析仪表简单可靠，适用的气体种类较多，是一种基本的分析仪表。但直接测量气体的导热系数比较困难，所以实际上常把气体导热系数的变化转换为电阻的变化，再用电桥来测定。热导式气体分析仪的热敏元件
29、主要有半导体敏感元件和金属电阻丝两类。半导体金属氧化物敏感元件吸附被测气体时，电导率和热导率即发生变化，元件的散热状态也随之变化。元件温度变化使铂线圈的电阻变化，电桥遂有一不平衡电压输出，据此可检测气体的浓度。3.2 DCS硬件设计DCS的硬件设计部分包括DCS的系统选型，输入/输出点的确定，DCS柜的箱面设计与端子排的接线设计。通过对DCS硬件的设计，使其与软件部分更好的结合起来，以此来达到最终的目的。3.2.1 DCS系统选型针对35t/h循环流化床锅炉的工艺特点，本课题控制系统选用ABB公司的IndustrialIT系统，使用AC800F控制器及相关卡件为硬件结构并辅以现场总线仪表实现集
30、散控制。该系统融传统的DCS和PLC优点于一体并支持多种国际现场总线标准。其优点如下：（1）系统分两级：操作管理级和过程控制级。在操作管理级上不仅实现传统的控制系统监控操作功能，而且完成系统硬件诊测及不同系统间数据交换等功能。过程控制级实现包括复杂控制在内的各种回路调节和高速逻辑控制、顺序控制等功能。（2）大众化的PC机和Windows操作系统在全世界已被广泛使用于各个领域，成为事实上的标准计算机平台。Industrial IT系统的操作站OS、工程师站ES及即采用了这一平台，从而确保了系统的通用性、开放性和易用性，并对将来的技术升级和维护带来很大方便。（3）整个系统的工程组态非常方便。组态语
31、言基于IEC61131_3工业标准，提供了功能块图(FBD)、梯形图(LAD)、指令表(IL)和顺序功能图(SFC)、ST(结构化文本)等图形化组态手段。系统还带有包含近190多个功能块的算法库和具有200多个图形符号的基本图库和内含大量3D图符的扩充图库。系统使用同一套组态工具软件完成过程级、操作级乃至现场总线仪表的组态以及调试，并使用同一个全局数据库。（4）AC800F 控制器通过多种现场总线标准与现场设备接口，它作为ABB工业IT标准控制器即可以覆盖传统DCS功能又可以实现面向未来的FCS控制功能10。鉴于上述诸多突出优点并且要保证锅炉的安全运行，所以本设计选用带有冗余的AC800F控制
32、器及S800系列I/O控制模件组成的DCS控制系统。其具体DCS硬件构架如图3.2所示。 图3.2 DCS硬件构架图图中网络分成两部分：系统网络和现场控制网络，具体功能如下：系统网络：实现操作员站、工程师站及现场过程站之间的数据通讯的计算机网络。采用标准TCP/IP协议以太网实现。传输介质为光纤，传输速率为100Mbit/s，抗干扰能力强，可完全满足系统要求。现场控制网络：实现现场过程站中控制器的现场总线MASTER插件与相应S800 I/O 站之间的通讯。控制器与各分布式I/O站之间采用标准PROFIBUS DP通讯电缆，传输速率最高可达12Mbps，抗干扰能力强，配置灵活，布线方便，极好地满足了系统的控制要求。这两层网络结构有效的沟通了现场管理层与操作管理层之间的数据通讯，覆盖了整个控制系统的所有自动控制设备。各层之间，以及各层内部各智能设备之间既相对独立又能有机的联系，完全达到了DCS
