锅炉炉膛负压控制系统的设计(附件)
火力发电厂是我国重点能源工业之一，在我国电力工业中占有主要地位。炉膛负压控制系统对火力发电厂而言又是非常重要的控制子系统，为了保证锅炉安全运行，必须保证稳定的炉膛压力。炉膛负压控制是指在锅炉燃烧过程中自动控制炉膛压力，使其在允许的范围内变化，保证锅炉运行安全。
本文首先分析了炉膛负压控制对象运行特性，在此基础上对炉膛负压控制系统进行深入分析；然后介绍了常见的控制方案，并进行了比较，分析解决了工程应用中遇到的实际问题。该控制系统通过改变引风机调节阀的开度调节引风量，用前馈反馈负荷控制系统控制炉膛压力。该系统可实现不同负荷条件下不同调节方式控制炉膛负压的无扰切换。最后，本论文还详细的给出了该控制系统的工程实现。
关键词 锅炉，炉膛负压，引风量，前馈-反馈控制系统
目 录
1 绪论 5
1.1 课题的背景及目的 5
1.2 国内炉膛负压控制系统研究状况 5
1.3研究的内容及要求 6
2 锅炉炉膛负压控制系统的结构及其特性 6
2.1 锅炉燃烧系统的介绍 6
2.2 锅炉炉膛负压控制SAMA系统 7
2.3 锅炉炉膛负压的动态特性分析 8
2.4 锅炉炉膛压力的测量 9
3 DCS系统的介绍 10
3.1 DCS系统概要 10
3.2 DCS系统结构 11
3.3 DCS系统的特点与发展前景 12
4 控制策略原理与控制方案设计 13
4.1 PID控制原理 13
4.2 炉膛负压控制系统的控制方式 14
5 工程实现 16
5.1 工程所用软件横河CENTUM VP系统的介绍 16
5.2 FCS组 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
态 19
5.3 HIS组态 35
6 虚拟测试 40
6.1 虚拟测试的介绍 40
6.2 工程实际测试结果 40
结 论 42
致 谢 43
参 考 文 献 44
1 绪论
近年来，随着信息技术的发展和工业4.0时代的来临，我国各行各业对先进技术水平的要求越来越高。自动控制技术作为先进技术的重要组成部分，如今，在石化、电力、水利、制药等行业，自动控制技术的运用愈加成熟。随着我国先进科技水平的不断提高，生产过程的自动控制已经成为降低成本投入，提高工作效率的重要手段，其在国民经济中占有非常重要的地位。
自动化技术并不能直接为企业创造利润，但是它精简了企业的生产过程：
（1）提高了生产过程的安全性；
（2）提高了生产效率；
（3）提高了产品质量；
（4）减少了产品的原材料和产品对于能源的损耗。
1．1 课题的背景及目的
锅炉是发电、炼油、化工等工业部门的重要能源、热源动力设备[1]。锅炉一般由锅炉燃烧系统和蒸汽发生系统两大部分组成。炉膛负压控制系统属于锅炉的燃烧系统，它是为了保护锅炉安全，防止机组在运行过程中，发生异常情况，导致炉膛内爆（炉膛负压过大，炉膛或烟风道被大气压力压瘪）的一个重要保护措施。炉膛内的负压大是锅炉灭火的前馈信号，正确判断炉膛内部的压力变化，并作出相应的、超前的保护联锁动作，使机组安全地停运，对避免造成炉膛损坏事故起着积极重要的作用[2]。
本文中主要研究的是燃煤锅炉炉膛负压控制系统。通过完成该课题，我在使用横河CENTUM VP分散控制系统进行复杂控制系统的设计、组态和调试方面得到训练，为以后从事相关工作打下良好的基础。
1．2 国内炉膛负压控制系统研究状况
随着经济发展的和对电力的需求，火电厂锅炉引风机裕量大，除了必要的电网调峰，机组长时间处于低负荷运行状态，锅炉的引风机长期运行于低参数下，降低了用电率，造成了能源的浪费[3]。此外，由于在火电厂的锅炉燃烧过程中出现的非线性和大滞后现象也使得火电厂的锅炉炉膛负压控制系统的控制对象更加的复杂和多变，这样也就更加难以建立起精准的数学模型。根据大型火电机组实际情况，炉膛负压控制系统是指系统的启动、停止、运行等过程中，系统能够实现自动调节。如果中途出现紧急故障，系统能够立即报警并请求人工手动控制。所以现在大多数火电厂的锅炉燃烧控制系统一般都选择先进的DCS控制系统，因为运用DCS控制系统能够实现火电厂对锅炉燃烧过程的完全自控。近年来，随着DCS运用越来越灵活，加上工作人员素质也越来越高，我国火力发电厂的自动化水平有了大幅度的提高。如今，我国的经济水平也不断提高，过去一些较为落后的设备或被淘汰或被整修、改造，如今使用的仪表设备都较为先进。因此，过去无法实现的全程控制，而今在各大火力发电厂普遍应用。
1．3 研究的内容及要求
炉膛负压控制系统的主要任务是控制炉膛内压力稍低于大气压，使之保持在一定范围内，防止锅炉炉膛内爆，损坏设备。对于负压燃烧的锅炉而言，如果炉膛内的压力接近大气压力或超过大气压力，那么炉膛中燃烧产生烟气将会往外冒，这样就会影响锅炉等设备与现场工作人员的安全；相反，如果炉内压力比大气压低很多，将使锅炉外的大量的冷空气进入炉膛，这会降低炉内温度，增加引风机的负荷，而且会损失大量热量，造成浪费。根据这些要求，我们应该做好以下几个方面：
1、针对炉膛负压控制系统提出的设计要求，设计出炉膛负压控制系统运行的总体方案，给出炉膛负压控制系统的SAMA图；
2、本课题要求应用DCS系统，我们选择的是横河CENTUM VP系统的软件，我们需要完成CENTUM VP系统的软件的组态；
3、实现该控制完成的流程图设计、联锁逻辑设计,组态和画面设计以及参数设置等；
4、利用CENTUM VP系统的软件完成炉膛负压控制系统虚拟测试，给出该控制系统的适时趋势图、调整过程，报警列表等。
2 锅炉炉膛负压控制系统的构成及其特性
2．1 锅炉燃烧系统的介绍
煤炭是火力发电厂的主要能源，锅炉系统的主要任务就是把燃烧中化学能转化为热能，产生的热能通过相应的辅助设备或转化为居民生活供暖或转化为工业所需动力。近年来，随着技术水平的提高和火电厂发电流程的改善，锅炉设备要求的自动化程度的规模也在增加。从图2-1可以看出，锅炉系统包括很多工艺，有燃烧发生系统，汽水循环系统，烟气处理系统等。
图2-1 火电厂燃烧系统
如图所示，燃烧系统的主要功能是控制炉膛的燃料和空气的输入量，即控制炉膛内燃料的燃烧率，以适应炉膛内负荷的变化。燃烧系统一般包括燃料控制、引风控制和鼓风控制三个子系统[4]。
其中引风控制子系统即炉膛负压控制系统的主要任务是通过调整锅炉引风量，确保锅炉负压波动维持在规定范围内。由于送风量是引起负压变化的主要原因，可将送风量作为前馈信号引入调节器，提高炉膛负压控制系统的稳定性，减小炉膛负压的动态偏差。对锅炉实现自控的首要任务是确保设备平稳运行，而保证锅炉安全运行的基本条件是保持炉膛负压波动在一个安全的范围内[5]。
2．2 锅炉炉膛负压控制系统SAMA图
图2-2 炉膛负压控制系统SAMA图
炉膛负压控制系统一般是通过控制引风量来调节炉膛内的压力波动。引风量如果调解不及时，就可能引起整个燃烧系统大的波动，造成炉膛内燃烧不稳定和不安全的后果。在这里我将锅炉出口处的蒸汽压力作为反馈信号，以鼓风量的多少为前馈信号，共同构成了锅炉炉膛负压前馈反馈复合控制系统。
1 绪论 5
1.1 课题的背景及目的 5
1.2 国内炉膛负压控制系统研究状况 5
1.3研究的内容及要求 6
2 锅炉炉膛负压控制系统的结构及其特性 6
2.1 锅炉燃烧系统的介绍 6
2.2 锅炉炉膛负压控制SAMA系统 7
2.3 锅炉炉膛负压的动态特性分析 8
2.4 锅炉炉膛压力的测量 9
3 DCS系统的介绍 10
3.1 DCS系统概要 10
3.2 DCS系统结构 11
3.3 DCS系统的特点与发展前景 12
4 控制策略原理与控制方案设计 13
4.1 PID控制原理 13
4.2 炉膛负压控制系统的控制方式 14
5 工程实现 16
5.1 工程所用软件横河CENTUM VP系统的介绍 16
5.2 FCS组 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
态 19
5.3 HIS组态 35
6 虚拟测试 40
6.1 虚拟测试的介绍 40
6.2 工程实际测试结果 40
结 论 42
致 谢 43
参 考 文 献 44
1 绪论
近年来，随着信息技术的发展和工业4.0时代的来临，我国各行各业对先进技术水平的要求越来越高。自动控制技术作为先进技术的重要组成部分，如今，在石化、电力、水利、制药等行业，自动控制技术的运用愈加成熟。随着我国先进科技水平的不断提高，生产过程的自动控制已经成为降低成本投入，提高工作效率的重要手段，其在国民经济中占有非常重要的地位。
自动化技术并不能直接为企业创造利润，但是它精简了企业的生产过程：
（1）提高了生产过程的安全性；
（2）提高了生产效率；
（3）提高了产品质量；
（4）减少了产品的原材料和产品对于能源的损耗。
1．1 课题的背景及目的
锅炉是发电、炼油、化工等工业部门的重要能源、热源动力设备[1]。锅炉一般由锅炉燃烧系统和蒸汽发生系统两大部分组成。炉膛负压控制系统属于锅炉的燃烧系统，它是为了保护锅炉安全，防止机组在运行过程中，发生异常情况，导致炉膛内爆（炉膛负压过大，炉膛或烟风道被大气压力压瘪）的一个重要保护措施。炉膛内的负压大是锅炉灭火的前馈信号，正确判断炉膛内部的压力变化，并作出相应的、超前的保护联锁动作，使机组安全地停运，对避免造成炉膛损坏事故起着积极重要的作用[2]。
本文中主要研究的是燃煤锅炉炉膛负压控制系统。通过完成该课题，我在使用横河CENTUM VP分散控制系统进行复杂控制系统的设计、组态和调试方面得到训练，为以后从事相关工作打下良好的基础。
1．2 国内炉膛负压控制系统研究状况
随着经济发展的和对电力的需求，火电厂锅炉引风机裕量大，除了必要的电网调峰，机组长时间处于低负荷运行状态，锅炉的引风机长期运行于低参数下，降低了用电率，造成了能源的浪费[3]。此外，由于在火电厂的锅炉燃烧过程中出现的非线性和大滞后现象也使得火电厂的锅炉炉膛负压控制系统的控制对象更加的复杂和多变，这样也就更加难以建立起精准的数学模型。根据大型火电机组实际情况，炉膛负压控制系统是指系统的启动、停止、运行等过程中，系统能够实现自动调节。如果中途出现紧急故障，系统能够立即报警并请求人工手动控制。所以现在大多数火电厂的锅炉燃烧控制系统一般都选择先进的DCS控制系统，因为运用DCS控制系统能够实现火电厂对锅炉燃烧过程的完全自控。近年来，随着DCS运用越来越灵活，加上工作人员素质也越来越高，我国火力发电厂的自动化水平有了大幅度的提高。如今，我国的经济水平也不断提高，过去一些较为落后的设备或被淘汰或被整修、改造，如今使用的仪表设备都较为先进。因此，过去无法实现的全程控制，而今在各大火力发电厂普遍应用。
1．3 研究的内容及要求
炉膛负压控制系统的主要任务是控制炉膛内压力稍低于大气压，使之保持在一定范围内，防止锅炉炉膛内爆，损坏设备。对于负压燃烧的锅炉而言，如果炉膛内的压力接近大气压力或超过大气压力，那么炉膛中燃烧产生烟气将会往外冒，这样就会影响锅炉等设备与现场工作人员的安全；相反，如果炉内压力比大气压低很多，将使锅炉外的大量的冷空气进入炉膛，这会降低炉内温度，增加引风机的负荷，而且会损失大量热量，造成浪费。根据这些要求，我们应该做好以下几个方面：
1、针对炉膛负压控制系统提出的设计要求，设计出炉膛负压控制系统运行的总体方案，给出炉膛负压控制系统的SAMA图；
2、本课题要求应用DCS系统，我们选择的是横河CENTUM VP系统的软件，我们需要完成CENTUM VP系统的软件的组态；
3、实现该控制完成的流程图设计、联锁逻辑设计,组态和画面设计以及参数设置等；
4、利用CENTUM VP系统的软件完成炉膛负压控制系统虚拟测试，给出该控制系统的适时趋势图、调整过程，报警列表等。
2 锅炉炉膛负压控制系统的构成及其特性
2．1 锅炉燃烧系统的介绍
煤炭是火力发电厂的主要能源，锅炉系统的主要任务就是把燃烧中化学能转化为热能，产生的热能通过相应的辅助设备或转化为居民生活供暖或转化为工业所需动力。近年来，随着技术水平的提高和火电厂发电流程的改善，锅炉设备要求的自动化程度的规模也在增加。从图2-1可以看出，锅炉系统包括很多工艺，有燃烧发生系统，汽水循环系统，烟气处理系统等。
图2-1 火电厂燃烧系统
如图所示，燃烧系统的主要功能是控制炉膛的燃料和空气的输入量，即控制炉膛内燃料的燃烧率，以适应炉膛内负荷的变化。燃烧系统一般包括燃料控制、引风控制和鼓风控制三个子系统[4]。
其中引风控制子系统即炉膛负压控制系统的主要任务是通过调整锅炉引风量，确保锅炉负压波动维持在规定范围内。由于送风量是引起负压变化的主要原因，可将送风量作为前馈信号引入调节器，提高炉膛负压控制系统的稳定性，减小炉膛负压的动态偏差。对锅炉实现自控的首要任务是确保设备平稳运行，而保证锅炉安全运行的基本条件是保持炉膛负压波动在一个安全的范围内[5]。
2．2 锅炉炉膛负压控制系统SAMA图
图2-2 炉膛负压控制系统SAMA图
炉膛负压控制系统一般是通过控制引风量来调节炉膛内的压力波动。引风量如果调解不及时，就可能引起整个燃烧系统大的波动，造成炉膛内燃烧不稳定和不安全的后果。在这里我将锅炉出口处的蒸汽压力作为反馈信号，以鼓风量的多少为前馈信号，共同构成了锅炉炉膛负压前馈反馈复合控制系统。
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