基于PLC的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)

燃燒控制系統(tǒng)是電廠鍋爐的主控系統(tǒng),主要包括燃料控制系統(tǒng)、風(fēng)量控制系統(tǒng)、爐膛壓力控制系統(tǒng)。目前大部分電廠的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)仍然采用PID控制。燃燒控制系統(tǒng)由主蒸汽壓力控制和燃燒率控制組成串級(jí)控制系統(tǒng)，其中燃燒率控制由燃料量控制、送風(fēng)量控制、引風(fēng)量控制構(gòu)成,各個(gè)子控制系統(tǒng)分別通過不同的測(cè)量、控制手段來保證經(jīng)濟(jì)燃燒和安全燃燒。如圖1所示。

圖1 燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 控制方案

鍋爐燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是使燃料燃燒所提供的熱量適應(yīng)外界對(duì)鍋爐輸出的蒸汽負(fù)荷的要求，同時(shí)還要保證鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。一臺(tái)鍋爐的燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量三者的控制任務(wù)是不可分開的，可以用三個(gè)控制器控制這三個(gè)控制變量，但彼此之間應(yīng)互相協(xié)調(diào)，才能可靠工作。對(duì)給定出水溫度的情況，則需要調(diào)節(jié)鼓風(fēng)量與給煤量的比例，使鍋爐運(yùn)行在最佳燃燒狀態(tài)。同時(shí)應(yīng)使?fàn)t膛內(nèi)存在一定的負(fù)壓，以維持鍋爐熱效率、避免爐膛過熱向外噴火，保證了人員的安全和環(huán)境衛(wèi)生。

2.1 控制系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

燃燒過程自動(dòng)控制系統(tǒng)的方案，與鍋爐設(shè)備的類型、運(yùn)行方式及控制要求有關(guān)，對(duì)不同的情況與要求，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案不一樣。將單元機(jī)組燃燒過程被控對(duì)象看作是一個(gè)多變量系統(tǒng)，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，充分考慮工程實(shí)際問題，既保證符合運(yùn)行人員的操作習(xí)慣，又要最大限度的實(shí)施燃燒優(yōu)化控制?？刂葡到y(tǒng)的總體框架如圖2所示。

圖2 單元機(jī)組燃燒過程控制原理圖

P為機(jī)組負(fù)荷熱量信號(hào)為D+dPb/dt?？刂葡到y(tǒng)包括：滑壓運(yùn)行主汽壓力設(shè)定值計(jì)算模塊（由熱力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)，再擬合成可用DCS折線功能塊實(shí)現(xiàn)的曲線）、負(fù)荷—送風(fēng)量模糊計(jì)算模塊、主蒸汽壓力控制系統(tǒng)和送、引風(fēng)控制系統(tǒng)等。主蒸汽壓力控制系統(tǒng)采用常規(guī)串級(jí)PID控制結(jié)構(gòu)。

2.2 燃料量控制系統(tǒng)

當(dāng)外界對(duì)鍋爐蒸汽負(fù)荷的要求變化時(shí)，必須相應(yīng)的改變鍋爐燃燒的燃料量。燃料量控制是鍋爐控制中最基本也是最主要的一個(gè)系統(tǒng)。因?yàn)榻o煤量的多少既影響主汽壓力,也影響送、引風(fēng)量的控制,還影響到汽包中蒸汽蒸發(fā)量及汽溫等參數(shù),所以燃料量控制對(duì)鍋爐運(yùn)行有重大影響。燃料控制可用圖3簡(jiǎn)單表示。

圖3 燃料量控制策略

其中：NB為鍋爐負(fù)荷要求；B為燃料量；F(x)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

設(shè)置燃料量控制子系統(tǒng)的目的之一就是利用它來消除燃料側(cè)內(nèi)部的自發(fā)擾動(dòng)，改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。另外，由于大型機(jī)組容量大，各部分之間聯(lián)系密切，相互影響不可忽略。特別是燃料品種的變化、投入的燃料供給裝置的臺(tái)數(shù)不同等因素都會(huì)給控制系統(tǒng)帶來影響。燃料量控制子系統(tǒng)的設(shè)置也為解決這些問題提供了手段。

2.3 送風(fēng)量控制系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)燃燒，當(dāng)燃料量改變時(shí)，必須相應(yīng)的改變送風(fēng)量，使送風(fēng)量與燃料量相適應(yīng)。燃料量與送風(fēng)量的關(guān)系見圖4。

圖4 燃料量與送風(fēng)量關(guān)系

燃燒過程的經(jīng)濟(jì)與否可以通過剩余空氣系數(shù)是否合適來衡量，過?？諝庀禂?shù)通常用煙氣的含氧量來間接表示。實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)燃燒最基本的方法是使風(fēng)量與燃料量成一定的比例。

送風(fēng)量控制子系統(tǒng)的任務(wù)就是使鍋爐的送風(fēng)量與燃料量相協(xié)調(diào)，可以達(dá)到鍋爐的最高熱效率，保證機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，但由于鍋爐的熱效率不能直接測(cè)量，故通常通過一些間接的方法來達(dá)到目的。如圖5所示，以實(shí)測(cè)的燃料量B作為送風(fēng)量調(diào)節(jié)器的給定值，使送風(fēng)量V和燃料量B成一定的比例。

圖5 燃料量空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)可保證燃料量和送風(fēng)量間滿足

B=αvV

選擇αv使送風(fēng)量略大于B完全燃燒所需要的理論空氣量。這個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可以消除來自負(fù)荷側(cè)和燃料側(cè)的各種擾動(dòng)。

2.4 引風(fēng)量控制系統(tǒng)

為了保持爐膛壓力在要求的范圍內(nèi)，引風(fēng)量必須與送風(fēng)量相適應(yīng)。爐膛壓力的高低也關(guān)系著鍋爐的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。爐膛壓力過低會(huì)使大量的冷風(fēng)漏入爐膛，將會(huì)增大引風(fēng)機(jī)的負(fù)荷和排煙損失，爐膛壓力太低甚至?xí)饍?nèi)爆；反之爐膛壓力高且高出大氣壓力的時(shí)候，會(huì)使火焰和煙氣冒出，不僅影響環(huán)境衛(wèi)生，甚至可能影響設(shè)備和人生安全。引風(fēng)量控制子系統(tǒng)的任務(wù)是保證一定的爐膛負(fù)壓力，且爐膛負(fù)壓必須控制在允許范圍內(nèi)，一般在-20Pa左右。

控制爐膛負(fù)壓的手段是調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)的引風(fēng)量，其主要的外部擾動(dòng)是送風(fēng)量。作為調(diào)節(jié)對(duì)象，爐膛煙道的慣性很小，無論在內(nèi)擾和外擾下，都近似一個(gè)比例環(huán)節(jié)。一般采用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)并加以前饋的方法進(jìn)行控制，如圖6所示。

圖6 引風(fēng)量控制子系統(tǒng)

圖中rs為爐膛負(fù)壓給定值，S為實(shí)測(cè)的爐膛負(fù)壓，Q為引風(fēng)量，V為送風(fēng)量。由于爐膛負(fù)壓實(shí)際上決定于送風(fēng)量和引風(fēng)量的平衡，故利用送風(fēng)量作為前饋信號(hào)，以改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。另外，由于調(diào)節(jié)對(duì)象相當(dāng)于一個(gè)比例環(huán)節(jié)，被調(diào)量反應(yīng)過于靈敏，為了防止小幅度偏差引起引風(fēng)機(jī)擋板的頻繁動(dòng)作，可設(shè)置調(diào)節(jié)器的比例帶自動(dòng)修正環(huán)節(jié)，使得在小偏差時(shí)增大調(diào)節(jié)器的比例帶。對(duì)于負(fù)壓S的測(cè)量信號(hào)，也需進(jìn)行低通濾波，以抑制測(cè)量值的劇烈波動(dòng)。

3 系統(tǒng)硬件配置

在鍋爐燃燒過程中，用常規(guī)儀表進(jìn)行控制，存在滯后、間歇調(diào)節(jié)、煙氣中氧含量超過給定值、低負(fù)荷和煙氣溫度過低等問題。采用PLC對(duì)鍋爐進(jìn)行控制時(shí)，由于它的運(yùn)算速度快、精度高、準(zhǔn)確可靠，可適應(yīng)復(fù)雜的、難于處理的控制系統(tǒng)。因而，可以解決以上由常規(guī)儀表控制難以解決的問題。所選擇的PLC系統(tǒng)要求具有較強(qiáng)的兼容性，可用最小的投資使系統(tǒng)建成及運(yùn)轉(zhuǎn)；其次，當(dāng)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化系統(tǒng)要有所改變時(shí)，不需要重新編程，對(duì)輸入、輸出系統(tǒng)不需要再重新接線，不須重新培訓(xùn)人員，就可使PLC系統(tǒng)升級(jí)；最后，系統(tǒng)性能較高。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 硬件結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)系統(tǒng)的要求,選取西門子PLCS7-200 CPU226 作為控制核心，同時(shí)還擴(kuò)展了2個(gè)EM231模擬量輸入模塊和1個(gè)CP243-1以太網(wǎng)模塊。CPU226的I/O點(diǎn)數(shù)是24/16，這樣完全可以滿足系統(tǒng)的要求。同時(shí)，選用了EM231模塊，它是AD轉(zhuǎn)換模塊，具有4個(gè)模擬量輸入，12位AD，其采樣速度25μs，溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器以及含氧檢測(cè)傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過調(diào)理和放大處理后，成為0～5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),EM231模塊自動(dòng)完成AD轉(zhuǎn)換。

S7-200的PPI接口的物理特性為RS-485，可在PPI、MPI和自由通訊口方式下工作。為實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)的通訊提供了多種選擇。

為實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話功能，如系統(tǒng)狀態(tài)以及變量圖形顯示、參數(shù)修改等，還擴(kuò)展了一塊Eview500系列的觸摸顯示屏，操作控制簡(jiǎn)單、方便，可用于設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)， 顯示鍋爐溫度等。還有一個(gè)以太網(wǎng)模塊CP243-1，其作用是可以讓S7-200直接連入以太網(wǎng),通過以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離交換數(shù)據(jù)，與其他的S7-200進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通信基于TCP/IP，安裝方便、簡(jiǎn)單。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制程序采用STEP7-Micro/Win軟件以梯形圖方式編寫,其軟件框圖如圖8所示。

圖8 軟件主框圖

S7-200PLC給出了一條PID指令,這樣省去了復(fù)雜的PID算法編程過程,大大方便了用戶的使用。使用PID指令有以下要點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn):

（1）比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)的確定。應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值和反復(fù)調(diào)試確定。
（2）調(diào)節(jié)量、給定量、輸出量等參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)歸一化轉(zhuǎn)換。
（3）按正確順序填寫PID回路參數(shù)表（LOOP TABLE）,分配好各參數(shù)地址。

5 結(jié)束語(yǔ)

單元機(jī)組燃燒過程控制系統(tǒng)在某火電廠發(fā)電機(jī)組鍋爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中投入使用。實(shí)際運(yùn)行情況表明：由于引入負(fù)荷模糊前饋，使得鍋爐燃燒控制系統(tǒng)作為協(xié)調(diào)控制的子系統(tǒng)，跟隨機(jī)組負(fù)荷變化的能力顯著提高，風(fēng)煤比能夠在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)過程中保持一致；送、引風(fēng)控制系統(tǒng)在邏輯控制系統(tǒng)的配合下運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性提高，爐膛負(fù)壓波動(dòng)減小，滿足了運(yùn)行的要求；在機(jī)組負(fù)荷不變時(shí)，鍋爐燃燒穩(wěn)定，各被調(diào)參數(shù)動(dòng)態(tài)偏差顯著減少，實(shí)現(xiàn)了鍋爐的優(yōu)化燃燒；采用非線性PID調(diào)節(jié)方式，解決了引風(fēng)擋板的晃動(dòng)問題。

采用西門子的PLC控制，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，提高了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)也大幅地提高了燃燒能的熱效率。通過操作面板修改系統(tǒng)參數(shù)可以滿足不同的工況要求，機(jī)組的各種信息，如工作狀態(tài)、故障情況等可以聲光報(bào)警及文字形式表示出來，主要控制參數(shù)(溫度值)的實(shí)時(shí)變化情況以趨勢(shì)圖的形式記錄顯示, 方便了設(shè)備的操作和維護(hù)，該系統(tǒng)通用性好、擴(kuò)展性強(qiáng)，直觀易操作。