燃煤锅炉燃烧过程和热效率监控系统设计

燃煤锅炉燃烧过程和热效率监控系统设计

摘 要

燃煤锅炉是采暖供热系统的核心设备，它的主要任务是安全可靠、经济有效地把燃料的化学能转化为热能，进而将热能传递给水，生产出满足需要的蒸汽或热水。

本文对燃煤锅炉控制系统进行了研究，燃煤锅炉在燃烧过程中会影响产生的热效率，在分析影响热效率的因素后，对燃煤锅炉燃烧系统进行了控制方案的设计，其中包括蒸气压力动态特性与燃料控制系统设计、送风控制系统设计、炉膛负压控制系统设计、硬件结构、系统主要功能、软件设计原则、主程序流程等。燃煤锅炉燃烧控制系统不仅仅要控制稳定的出水温度、保持经济燃烧、维持炉膛负压在一定范围内，更主要的是要节煤，即如何要把燃烧过程控制在热损失最小，热效率最高，对环境污染最小的所谓最佳燃烧状态。因此提高锅炉燃烧过程中的热效率是燃煤锅炉经济运行的主要方法。

本设计采用DCS对锅炉设备控制，DCS是集散控制系统，集中管理，分散控制。并进行组态，实现操作画面设计、流程图绘制、控制方案编写等操作对燃煤锅炉进行监控，从而使锅炉安全可靠的经济运行。

关键词：燃煤锅炉；燃烧过程；热效率；DCS

I

Design of Control System for Coal-fired Boiler

Combustion Process and Thermal

Abstract

Coal-fired boiler heating system is the core of the heating equipment, its main task is to safe, reliable, cost-effective way to fuel chemical energy into heat, thus the heat transfer water to produce steam or hot water to meet the needs.

In this paper, coal-fired boiler control system is studied, coal-fired boiler in the combustion process affects the thermal efficiency of the analysis of the factors affecting the thermal efficiency of coal-fired boiler combustion system to control the design, including the dynamic vapor pressure Characteristics and fuel control system design, supply air control system design, furnace pressure control system design, hardware structure, the main function of the system, software design principles, the main program processes. Coal-fired boiler combustion control system not only to control the stability of water temperature and keep the economy burns, to maintain the furnace negative pressure within a certain range, but the main thing is to save coal, namely, how to control the combustion process should minimize heat loss, the maximum thermal efficiency , the smallest of the so-called environmental best burning. Therefore, the process of improving combustion efficiency of coal-fired boilers heat the main method of economic operation.

II

The design of the boiler equipment controlled by DCS, DCS is a distributed control system, centralized management and decentralized control. And the configuration, operation of the screen to achieve the design, flowcharting, and other control programs written to monitor the operation of the coal-fired boilers, so that the economic operation of the boiler safe and reliable.

Key words: coal-fired boiler; combustion process; thermal efficiency;DCS

III

目 录

摘 要 ............................................................... I ABSTRACT .......................................................... II 第1章 引 言 ........................................................ 1 1.1燃煤锅炉研究的背景 .............................................. 1 1.2 燃煤锅炉研究的现状 ............................................. 1 第2章 锅炉监控系统方案设计 .......................................... 3 2.1锅炉工艺流程简介 ................................................ 3 2.2燃煤锅炉控制中的控制参数 ........................................ 4 2.2.1燃煤锅炉中的主要控制参数 .................................... 4 2.2.2燃烧过程中参数之间的关系 .................................... 5 2.3燃煤锅炉设备的监控系统 .......................................... 5 2.3.1燃煤锅炉燃烧系统的控制 ...................................... 5 2.3.2燃烧系统中影响热效率的动态特性 .............................. 6 2.4燃烧过程控制系统的方案设计 ...................................... 8 2.4.1蒸汽压力与燃料控制系统对热效率的影响 ........................ 9 2.4.2送风控制系统对热效率的影响 ................................. 12 2.4.3炉膛负压控制系统对热效率的影响 ............................. 14 第3章 锅炉燃烧控制系统硬件选型 ..................................... 16 3.1锅炉燃烧系统仪表选型 ........................................... 16

IV

3.1.1测量仪表选型 ............................................... 16 3.1.2执行机构的选型 ............................................. 17 3.2 JX—300X DCS简介 .............................................. 18 3.3 JX—300X系统软件 .............................................. 20 第4章 锅炉监控系统的软件实现 ...................................... 22 4.1锅炉监控系统组态 ............................................... 22 4.2锅炉燃烧过程控制系统组态 ....................................... 29 4.3锅炉监控系统的组态运行过程 ..................................... 30 第5章 结论 ......................................................... 35 参考文献 ............................................................ 36 谢 辞 .............................................................. 37

V

第1章 引 言

1.1燃煤锅炉研究的背景

工业锅炉是工业生产中普遍使用的动力没备，是能源转换的重要设备之一。目前，全国在工业锅炉有50多万台，约180万蒸吨/小时。其中燃煤锅炉约占工业锅炉总数的85%左右，平均容量约为3.4蒸吨/小时。链条锅炉约占工业锅炉总台数的65%，往复炉排锅炉占20%，固定炉排占10%，循环流化床锅炉约占4%，其他锅炉占1%。每年排放烟尘约200万吨，SO2 约700万吨，CO2 近10亿吨，对环境造成了严重污染。随着对生产自动化要求渐高的趋势，改变工业锅炉运行中传统的手动、半自动操作方式已势在必行尤其是近年来我国北方各大城市承受着持续低温天气和煤炭价格大幅度上涨的压力，还要面对供热标准[1]。

工业供暖锅炉的安全运行显的越来越是重要，那么这就要我们用一些方法来控制锅炉的运行，从而控制燃烧过程热效率的损失。并且在出现异常的情况下能够马上显示出来，这样以便于我们进行整修。所以为了供暖锅炉能够安全有效的运行，我们必须对它进行控制，这就是我们经常说的燃煤锅炉燃烧过程和热效率控制系统[2]。

1.2 燃煤锅炉研究的现状

工业锅炉的节能和正常运行与锅炉设计和燃烧控制有直接的关系。锅炉热效

1

率是锅炉设计和运行中关键的技术指标。影响锅炉热效率的因素包括：排烟热损失、化学不完全燃烧热损失、机械不完全燃烧热损失、散热损失以及其它热损失。对于中小型工业燃煤锅炉排烟热损失和机械不完全燃烧热损失在各项损失中比例较大。提高燃煤锅炉燃烧过程的热效率是非常重要的环节。

锅炉微计算机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软、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30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的 1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作[3] 。

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。采用微计算机控制，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能。

锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、微机、手自动切换操作、执行机构及阀、滑差电机等部分组成，一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机，手自动切换操作部分，手动时由操作人员手动控制，用操作器控制滑差电机以及阀等，自动时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，这是必不可少的，以免锅炉发生重大事故[4]。

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第2章 锅炉监控系统方案设计

2.1锅炉工艺流程简介

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。常见的锅炉设备的主要工艺流程如图2.1所示。燃料和空气按照一定的比例进入燃烧室燃烧，燃烧释放的热量通过蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过过热器，形成一定气温的过热蒸汽，汇集至蒸汽母管。具有一定压力的过热蒸汽，经负荷设备控制，供给负荷设备用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变为过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气[5]。

图2.1 锅炉设备主要工艺流程图

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2.2燃煤锅炉控制中的控制参数

2.2.1燃煤锅炉中的主要控制参数

锅炉是一个比较复杂的控制过程，为保证提供合格的蒸汽适应负荷的需要以及锅炉的运行安全，各个环节的工艺参数必须严格控制。锅炉系统主要的被控参数有汽包水位、过热蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、燃-空配比；主要的控制变量有：锅炉给水、燃料量、减温水流量、送风量和引风量等。

锅炉对象简图如图2.2所示：

图2.2锅炉对象

4

2.2.2燃烧过程中参数之间的关系

锅炉的这些被控变量和控制变量之间相互影响的关系相当复杂。例如燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、送风量和炉膛负压参数等 ；如果过热蒸汽流量发生变化，必将会引起汽包水位，蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化；给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力，过热蒸汽温度也有影响；减温水的变化会导致过热蒸汽温度，蒸汽压力，汽包水位等的变化。所以锅炉设备是一个多输入多输出且相互关联的被控对象[6]。

2.3燃煤锅炉设备的监控系统

锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。由于锅炉设备是一个多输入，多输出的且相互关联的被控对象，工程上将锅炉的控制划分为若干控制系统，主要的控制系统可分为锅炉汽包水位控制，锅炉燃烧系统控制，过热蒸汽温度的控制。本文主要介绍燃煤锅炉燃烧系统控制。 2.3.1燃煤锅炉燃烧系统的控制

锅炉燃烧控制系统的控制的目的是使燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要(常以蒸汽压力为被控变量）；使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证经济燃烧（常以烟气成分为被控变量），提高锅炉的燃烧效率；要让引风量和送风量相适应，以保持炉膛负压在一定范围内。为了达到上述三个控制目的，控制手段也

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有三个，即燃料量，送风量和引风量。

锅炉燃烧控制系统的基本任务是使燃料所产生的热量能够适应锅炉的需要，同时还要保证锅炉安全经济的运行。燃烧控制的具体内容及控制系统设计因燃料种类，制粉系统，燃烧设备以及锅炉的运行方式不同而有所区别，但是大体上看来都要完成以下几个方面的任务:

（1） 主蒸汽压力的变化反映了锅炉生产的蒸汽量和汽机消耗的蒸汽量相适应的

程度。为此必须设置蒸汽压力控制系统。当负荷变化时，通过控制燃料量使蒸汽压力稳定。

（2） 当燃料量改变时，必须相应地控制送风量，以保证燃烧过程的经济性。 （3） 炉膛压力的高低关系着锅炉的安全经济运行。燃烧控制系统必须要让引风

量（烟气量）与送风量相配合以保证炉膛压力为一定值[7]。 2.3.2燃烧系统中影响热效率的动态特性

（1）气压的动态特性

气压对象由一系列装置组成，它包括给煤机，炉膛，汽水系统，过热器，汽轮机进气阀和汽轮机。在燃料量和风量同时变化时对发气量基本上是一个纯滞后环节。汽包的压力对象，反映过热器的过热蒸汽压力对象都是一个积分环节。其它的都可以看做是一个比例环节。但是需要指出的是气压的动态特性是与汽轮机调速运行系统的运行情况有关的。当然主蒸汽压力的变化反映了锅炉生产的蒸汽量和汽轮机消耗的蒸汽量相适应的程度，为此我们要设置蒸汽压力控制系统，这也是有气压的动态特性决定的。这里所指的气压是燃料量扰动下的气压和负荷扰

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动下的气压[8]。 （2）炉膛压力对象特性

为了保证炉膛安全，一般要求炉膛压力略小于大气压力，所以炉膛压力一般称之为炉膛负压。炉膛负压放映了引风量与送风量之间的平衡关系。当送风量或引风量单独改变时，炉膛负压惯性变化很小，故可以将炉膛负压对象近似看成是一个时间常数很小的一阶惯性环节。 （3）关于经济燃烧

众所周知，对于燃烧过程应保持燃料量与空气量成比例。但是假若配置的是燃料量与空气量固定的比值控制系统，却因为以下原因，并不能保证在整个生产过程中始终保持经济燃烧。因为其一，在不同的负荷下，两流量的最优比值是不相同的；其二，燃料成分（如含水分，灰分的量）有可能变化；其三，流量测量的不准确。这些因素都不同程度的影响到燃料的不完全燃烧或空气的过量，造成炉子热效率下降。为了改进这一情况，最好有一个指标来闭环修正两流量的比值。目前常用的是烟气中的含氧量。

烟气中的各种成分，如O2,CO2,CO和未燃烧烃的含量，基本可以反映燃料燃烧的情况，最简便的方法是用烟气中的氧量A0来表示。根据燃烧反应方程式，可以计算出使燃料完全燃烧时所需要的氧量，从而可以得到所需的空气量，称为理想空气QT。但是实际上完全燃烧所需的空气量QP，要超过理论计算的量，即要有一定的过剩空气量。由于烟气的热损失占锅炉热损失的绝大部分，当过剩空气增多时，一方面使炉膛温度降低；另一方面使烟气热损失增多。因此过剩空气量对不同的燃料都有一个最优值，以满足经济燃烧的要求[9]。

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过剩空气量常用过剩空气系数?来表示，即实际空气量QP与理论空气量QT之比为：

? = QP/QT (2.1)

因此，?是衡量经济燃烧的一种指标。保证锅炉热效率最高的?值称为最佳?值，最佳?值与锅炉负荷有关，一般?在1.2-1.4之间。

?很难直接测量，但是可用烟气氧含量百分数A0来衡量。在完全燃烧情况下，

存在以下近似式

? = 21/(21-A0) (2.2) 当?=1.2-1.4时，相应A0为3.5-6（O2%）.最佳的氧量值与负荷关系为 A0 = 6-D/50 (2.3)

式中，D为负荷百分数。

2.4燃烧过程控制系统的方案设计

由于锅炉是一个复杂的控制对象，其中有很多环节，它们之间是相互联系的。本文针对锅炉燃烧过程对热效率影响进行研究和控制系统的设计。锅炉燃烧过程的控制与燃料种类、燃烧设备以及锅炉形式有密切关系。以燃煤锅炉来讨论燃烧过程的控制，要提高燃煤锅炉的热效率，需要做到强化燃烧，以减少不完全燃烧热损失；控制适当的空气过剩系数，减少锅炉排烟热损失及其它热损失；保证锅炉安全运行，保持炉膛一定的负压。下面就控制系统设计详细介绍。

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2.4.1蒸汽压力与燃料控制系统对热效率的影响

当锅炉燃料热量（燃料量或燃料发热量）增加时，炉膛热量增加，汽包压力增大，使蒸气流量D增加，进而使蒸气压力Pm增大，最后达到新的平衡。在燃料热量扰动Δu的作用下，蒸气流量D和蒸气压力Pm的阶跃响应如图2.3a、b所示。

图2.3锅炉燃料热量增加时蒸气流量D与过热蒸气压力Pm阶跃响应曲线

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从图2.3b可以看出，在其他条件不变时，蒸气压力变化反应了锅炉燃料量的变化；反过来，通过改变燃料量就可以控制蒸气压力Pm。

从蒸气压力的响应曲线可以看出，其动态特性近似为单容过程。从原理上讲，通过燃料量调节来实现对蒸气压力控制应该是比较容易的，但由于燃烧系统本身比较复杂，变量、参数之间相互影响很大，因此需要单独设计一套燃料控制系统。

从前面的分析可知，当蒸气流量D发生扰动或出现其他干扰，蒸气压力Pm将偏离设定值，可通过改变燃料量M使Pm回复并保持在设定值。为了保持燃烧的经济性，还要控制送风量F，以适应燃料量M的变化。

为了保证足够的送风量F使燃料充分燃烧，在蒸气流量D（负荷）增大时，应先增大送风量F，然后增加燃料量M；在负荷减小时，应先减小燃料量M，然后减小送风量F。必须对燃料与送风两个单回路控制系统（这里为双闭环比值控制系统）的基础上增加选择控制环节，实现燃烧过程交叉限幅协调控制方案，控制系统框图如图2.4所示，其工作原理如下。

在稳态时，燃料量和燃料设定值相等：M=M0，送风量与燃料量成最佳配比：F=βM。若负荷增加，燃料设定值M0增大。对送风控制回路而言，高选器的两个输入信号中M0>M，高选器输出M0输出乘以β后作为设定值βM。输入风量调节器，风量调节器通过增大送风调节风阀开度使送风量F增大；而对燃料控制回路来说，虽然M0增大，但在此瞬间，送风量F还未改变，固有M0>F/β不变，因而此时燃料流量仍维持M不变。随着送风量F增大，低选器输出F/β不断增大，燃料阀门开度增大使燃料流量M不断增加，最后在新的稳态达到平衡：M=M0，F=βM。

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图2.4 空燃比交叉限幅控制系统框图

当负荷减小时，燃料设定值M0减小。对燃料控制回路，由于送风量F还未来得及改变，因而有M0M0，高选器输出仍为M，随着燃料

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流量M不断减小，高选器输出减小，送风量F也不段减少，一直到新的稳态值F=βM0。这样就保证了再负荷变化的动态过程中，有足够的风量供给，以保证燃料的充分燃烧。

2.4.2送风控制系统对热效率的影响

通过前面的分析可知，为了使锅炉适应负荷的变化，必须同时改变送风量和燃料量，维持过热蒸气压力Pm稳定。送风控制系统的目的就是保证风量-燃料的最佳配比，使锅炉在高热效率状态运行。现在常用过量空气系数?衡量风量-燃料配比，最佳?值与锅炉负荷有关。由于煤粉流量不易测定，即使给粉量一定，煤质也会变化，发热量有高有低，不能保证燃料与空气的合理配比。如何控制过剩空气系数?，保证燃烧过程的经济性是比较困难的。而烟气中的O2含量与?之间有比较固定的关系，通过测量和控制锅炉烟气中的O2含量就可实现过量空气系数

?的测量和控制，也就实现了风量-燃料配比的控制。因此，可在图2.4空气-燃

料比交叉限幅控制系统的基础上，将送风控制系统设计成带有氧量调节的串级比值控制系统，控制系统简化框图如图2.5所示。

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图2.5 带氧量校正的串级送风控制系统框图

副回路实现送风量F与燃料量M的比值控制。M测量误差或煤质变化使氧含量

?出现的偏差，有氧含量调节器进行调节，使?等于氧含量设定值?0。而氧含量

设定值?0是由负荷D经过函数计算得出的。烟气中的O2含量本来就很小，如果在炉膛和取样点之间的烟道漏入空气，或测氧仪器取样管露入空气，就会造成很大的测量误差，为了保证测氧计的快速性还应满足一定要求，才能适应自动调节的要求。

另外，送风流量测量的准确性受到被测空气压力、温度的影响，因此在送风流量测量部分必须进行压力与温度的补偿校正，以保证送风流量检测的准确性。

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2.4.3炉膛负压控制系统对热效率的影响

炉膛负压控制系统通过调节烟道引风机的风量，将炉膛负压pf控制在设定值，以保证人身和设备的安全和锅炉的经济运行。引风控制过程的惯性很小，控制通道和干扰通道的动态特性都可以近似为比例环节。由于空气流量存在脉动，被调量反应太灵敏会出现激烈跳动，需要采用阻尼器进行滤波，滤除高频脉动，保持控制系统平稳。炉膛负压的主要扰动——送风量F进行前馈补偿，这样就构成如图2.6所示的炉膛负压前馈-反馈复合控制系统。

图2.6 炉膛负压前馈-复合控制系统框图

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锅炉燃烧控制系统由燃料量、送风量、炉膛负压三个密切联系、相互协调的控制子系统组成。燃烧控制系统接受蒸气压力调节器的信号，调节燃料及燃烧过程的其他参数，使锅炉的过热蒸气压力稳定在设定值。锅炉燃烧过程控制系统的简化框图如图2.7所示。其中燃料量控制子系统使锅炉跟踪外界负荷的变化，将过热蒸气压力Pm稳定在设定值；送风量控制子系统保证锅炉燃烧系统的高效率；炉膛负压控制子系统保持炉膛负压值稳定。这三个控制子系统组成了不可分割的整体，统称为锅炉燃烧控制系统，共同保证锅炉燃烧系统运行的安全性、经济性以及外界负荷变化的适应性[10]。

图2.7 锅炉燃烧过程控制系统的简化框图

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第3章 锅炉燃烧控制系统硬件选型

锅炉处于能耗高、浪费大、环境污染等因素，与燃烧有直接关系，从各种燃烧装置的实际运行都可知道：如果空气量不足，燃烧不充分，燃烧效率低；但空气过多也会使排烟带走的热量增加，锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，输入变量与输出变量之间存在着严重的相互关联。所以锅炉控制系统设计包括多方面因素。

3.1锅炉燃烧系统仪表选型

3.1.1测量仪表选型

锅炉控制系统中测量的选型参数如表3.1所示：

表3.1 锅炉控制系统中测量的选型参数

测量信号 燃料量 空气流量 排烟量 饱和蒸汽量 过热蒸汽压力 烟气含氧量 炉膛负压 过热蒸汽温度 减温后蒸汽温度

位号 FI-001 FI-002 FI-003 FI-004 PI-102 OI-001 PI-103 TI-101 TI-102 参数范围 3.50～3.95(MPa) 0.5～3.0(％) -80～-20(Pa) 435～460(℃) 280(T/h) 65(t/h) 400(℃) 16

? 负荷式压力计

负荷式压力计基于重力平衡原理。其主要型式为活塞式压力计。被测压力与活塞以及加于活塞上的砝码砝码的重量相平衡，将被测压力转换为平衡重物的重量来测量。这类压力计测量范围宽、精确度高（可达±0.01%）、性能稳定可靠，可以测量正压、负压和绝对压力，多用作压力校验仪表。单活塞压力范围计测量达0.04～2500MPa，此外还有测量低压和微压的其他类型的负荷式压力计。

在测量压力过程中，选择2个活塞式压力计。 ? 氧化锆分析器

氧化锆是一种氧化锆固体电解质作为敏感元件将氧气，这种分析器的优点是灵敏度高、稳定性好、响应快、测量范围宽，而且不需要复杂的采样和预处理系统，它的探头可以直接插入烟道中连续的分析烟气中的氧含量。

在测量烟气氧含量过程中，选择1个氧化锆氧分析器。 3.1.2执行机构的选型

执行器是自动控制系统中的操作环节，其作用是根据控制器送来的控制信号改变操作介质的大小，将被控变量维持在所要求的数值上，执行器按其操作的介质的不同有多种形式，如自动调节阀，电磁阀、电压调整装置、电流控制器件、控制电机等。

自动调节阀是能够按照所输入的控制信号自动改变开度的阀门，按其工作能源形式可分为气动、电动、液动三大类。

无论是气动执行器还是电动执行器，首先都需要接受来自调节器的输出信号，

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以作为执行器的输入信号即执行器动作依据；该输入信号送入信号转换单元，转换信号制式后与反馈的执行机构位置信号进行比较，其差值作为执行机构的输入，以确定执行机构的作用方向和大小；执行机构的输出结果再控制调节器的动作，以实现对被控介质的调节作用；其中执行机构的输出通过位置发生器可以产生其反馈控制所需的位置信号。

显然，执行机构的动作构成了负反馈控制回路，这是提高执行器调节精度，保证执行器工作稳定的重要手段。

此设计选用气动薄膜式执行机构，为了保证锅炉正常运行，进水管路上的调节阀，应选用气关阀，当信号中断后，阀自动打开，仍然向锅炉内送水，可避免锅炉烧坏。

3.2 JX—300X DCS简介

JX集散控制系统升级、网络扩展优化，通过在JX-300X的通讯网络上挂接总线变换单元(BCU)，可实现与JX-100、JX-200、JX-300系统的连接；在通讯网络上挂接通信接口单元(CIU)，可实现JX-300X与PLC等数字设备的连接。

JX—300X系统的硬件系统主要包括通信网络、控制站和操作站三部分。如图3.1所示。 (1) 通信网络

JX—300X DCS的通信网络分三层，第一层网络是信息管理网（用户可用），第二层网络是过程控制网，成为SCnetⅡ，第三层网络是控制站内部I/O控制总线，

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成为SBUS。 (2) 控制站

控制站是系统中直接与工业生产过程相连接的I/O处理单元，完成整个工业生产过程的实时监控功能。通过软件设置和硬件的不同配置可构成不同功能的控制结构。 (3) 操作站

JX—300X DCS操作站的硬件基本组成包括：工控PC机（IPC）、彩色显示器、鼠标、键盘、SCnetⅡ网卡、专用操作员键盘、操作台、打印机等，JX—300X DCS的工程师站的硬件配置与操作站的硬件配置基本一致，无特殊要求，而它们的区别在于系统软件的配置不同，工程师站除了安装有操作、监视等基本功能的软件外，还装有相应的系统组态、维护等工程师应用的工具软件。

图3.1 JX—300X DCS系统网络结构示意图

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3.3 JX—300X系统软件

JX—300X系统软件（Adran Trol）基于中文Windows NT开发，所有命令都用形象直观的功能图标，只需用鼠标即可完成操作，在加上SP032操作员键盘的配合，控制系统设计实现和生产过程实时监控快捷方便。如图3.2所示JX—300X系统软件平台：

图3.2 JX—300X DCS系统软件

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JX—300X Adran Trol软件包括在一张CD内，软件主要由Adran Trol实时监控软件、SCKey系统组态软件、SCLang 语言编辑软件、SCControl图形组态软件、 SCDraw流程图制作软件和SCForm 报表制作软件组成。另外可选的还有SCSOE SOE设置和操作软件、 SCConnect OPC Server软件 SCViewer离线查看器软件、 SCNet Diag网络检查软件以及 SCSingnal信号调校软件。现对组态软件和监控软件分别进行介绍。 （1）组态软件

JX—300X系统组态软件包括基本组态软件SCKey，流程图制作软件SCDraw、报表制作软件SCForm；用于控制站编程语言SCLang、图形组态软件SCControl等。各功能软件之间通过对象链接与嵌入技术、动态地实现模块间各种数据、信息的通信、控制和管理。该软件包以SCKey系统组态软件核心，各模块彼此配合，相互协调、共同构成了一个全面支持JX—300X系统的工程师站上运行，在未设工程师站的系统中亦可在操作站上运行。 （2）实时监控软件

实时监控软件操作画面包括报警一览、系统总貌、控制分组、调整画面、趋势图、流程图、数据一览等。

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第4章 锅炉监控系统的软件实现

4.1锅炉监控系统组态

集散控制系统的组态功能已成为工业界很熟悉的内容，几乎所有的集散控制系统都在不同程度上支持组态功能，但是不同的集散控制系统的组态方法均不相同。

? 组态包括以下5部分：

(1) 基本组态：指完成对系统硬件构成的软件设置。 (2) 系统I/O组态：对某一控制站内部的硬件进行分层组态。 (3) 自定义变量。

(4) 系统控制方案组态：分为常规控制方案组态和自定义控制方案组态。此次软件设计除省煤器调节选用常规控制回路外，其余控制回路都根据实际需要确定有 效可行的控制方案，通过图形编程来实现。

(5) 操作组态：主要包括操作小组设置、标准画面组态、流程图登陆、报表登陆等。

? 利用JX—300X DCS检测功能：

(1) 温度：炉膛温度、锅炉出口温度、烟气温度、室外空气温度、锅炉进水温度、锅炉出水温度；

(2) 压力：炉膛负压、出口烟气压力、锅炉进水压力、锅炉出水压力等； (3) 流量：锅炉出水流量、锅炉系统补水流量、锅炉房水流量；

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(4) 其他：烟气氧含量。

利用JX—300X DCS实现本次设计，首先，配置I/O锅炉控制系统接口如表4.1所示：

表4.1 配置I/O锅炉控制系统接口

位号 FI-001 FI-002 FI-003 FI-004 PI-102 PI-103 TI-101 TI102 OI-001 FV-101 FV-102 FV-103 FV-104 TV-1011 PV-1011 OV-0011 KI-301 KO-302

描述 燃料量 空气流量 给水流量 饱和蒸汽量 过热蒸汽压力 炉膛负压 过热蒸汽温度 减温后蒸汽温度 烟气含氧量 燃料流量调节1 空气流量调节2 给水流量调节3 饱和蒸汽流量调4 减温器调节1 炉膛负压调节1 烟气含氧量调节1 泵开关指示 泵开关操作 量程 0-500M 3/h 3.50～3.95(MPa) -80～-20(Pa) 435～460(℃) 备注 4-20mA，要求配电 4-20mA，要求配电 4-20mA，要求配电 4-20mA，要求配电 4-20mA 4-20mA K型热电偶 K型热电偶 输出4-20mA 输出4-20mA 输出4-20mA 输出4-20mA 输出4-20mA 输出4-20mA 输出4-20mA 开关量输入（干触点） 开关量输出（干触点） 测点分类统计表如表4.2所示：

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表4.2 测点分类统计表

信号类型 热电阻 热电偶 4-20mA（配电） 4-20mA（不配电） AO 4-20mA DI 开入 DO 开出 AI 参与控制的信号点数 0 0 4 3 7 — — 不参与控制的信号点数 0 2 0 0 0 — — 0 2 4 3 7 1 1 测点中热电偶AI点共二点，其中K型热电偶二点，均不参与控制。热电偶信号由SP314卡件来采集，SP314卡件为四点卡，一块卡件采集四路信号，对于不同类型的热电偶信号，一般建议在有条件的情况下采集不同的卡件进行采集。对于K型热电偶AI点，需要一块SP314卡件，富余二个通道，所以总计需要一块SP314卡件。

测点中标准电流AI点（配电）共四点，参与控制。标准电流AI点（不配电）共三点，参与控制。标准电流信号由SP313卡件来采集，考虑到信号的质量，建议配电和不配电的信号分别采用不同的卡件采集，尽量不要集中在一块卡上。SP313卡件为四点卡，一块卡件采集四路信号，所以至少需要两块SP313卡件，一块正好填满，还有一块富余一个通道。考虑到参与控制的信号，所以至少需要两块SP313卡件，一块卡件正好，另一块卡件富余一个通道。考虑到参与控制的信号的安全性，采集冗余配置所需要四块相同的SP313卡件。

测点中AO共七点，参与控制，AO信号由SP322卡件来处理，SP322卡件为四

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点卡，一块卡件处理四路信号，所以至少需要二块SP322卡件，其中一块富余一个通道。考虑到参与控制的信号的安全性，建议采用冗余配置，所以需要四块相同的SP322卡件。

测点中DI点共一点，为干触点信号。该DI信号可由SP363卡件来处理，SP363卡件为七点卡，一块卡件处理七路信号，所以至少需要一块SP363卡件。另外，对于DI信号，我们采用端子板（系统型号SP590）或端子进行转接，所以我们还需要一块SP590端子板。

测点中干触点DO点共一点。该DO信号可由SP362卡件来处理，SP362卡件为七点卡，一块卡件七路信号，所以至少需要一块SP362卡件。对DO信号，需要考虑卡件的驱动能力以及与现场设备的隔离，因此，在这里还需要选购一只继电器（如RM2S-U）。

通过上面的分析，实现测点清单上的所有信号的采集和控制需要的I/O卡件为：SP314卡件1块、SP313卡件4块、SP322卡件4块、SP362卡件1块、SP363卡件1块，共计11块I/O卡。以上统计数据中，如果考虑到将来的系统扩展及备品备件要求，各种卡件还需要相应增加。

由此分析，得知，系统控制站规模不大，一个控制站（需一对冗余配置的主控制卡） 、一个 I/O 机笼（需一对冗余配置的数据转发卡）即可。一个 I/O 机笼中可以插放 16 块 I/O卡件，本例中只需要 11块卡件，剩余的 5 个空槽位需要配上空卡。相应的，硬件配置上需要配一个机柜、一个电源箱机笼、两只互为冗余的电源模块。

根据实际要求，系统至少需配置一台操作站（兼工程师站） 。

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系统硬件的配置基本上就完成了，具体配置表如表4.3所示：

表4.3系统硬件的配置表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 名称 I/O 机笼 数据转发卡 主控制卡 电源箱机笼 电源 电流信号输入卡 电压信号输入卡 热电阻信号输入卡 模拟量输出卡 触点型开关输入卡 晶体管触点开关量输出卡 开关量转接端子板 空卡 操作员键盘 型号 SP211 SP233 SP243X SP251 SP251-1 SP313 SP314 SP316 SP322 SP363 SP362 SP590 SP000 SP032 单位 个 块 块 个 个 块 块 块 块 块 块 块 块 个 数量 1 2 2 1 2 4 1 0 4 1 1 1 5 1 软件表如表4.4所示：

表4.4 软件表

序名称 号 1 AdvanTrol 软件（含工程师狗） 2 操作系统

型号规格 WIN 2000 单位 套 套 数量 1 1 26

其他配置如表4.5所示：

表4.5 其它配置器件表

序号 1 2 3 4 5 6 名称 机柜 Scnet 网卡 操作站主机 显示器 立式操作台 集线器 型号规格 SP202 SP023 DELL/GX-260 DELL,P1130 SP071 SP423 单位 个 块 台 台 台 个 数量 1 2 1 1 1 2 测点分配表如表4.6所示：

表4.6 测点分配表

序号 00 01 02 03 04 05 06 卡件型号 SP313 SP313 SP313 SP313 SP314 SP000 SP000 00 FI001 FI001 LI101 LI101 TI101 01 FI002 FI002 PI102 PI102 TI102 卡件通道 02 03 FI003 FI003 PI103 PI103 备用 FI004 FI004 备用 备用 备用 04 05 06 27

序卡件型号 号 07 SP000 08 09 10 11 12 13 14 15 SP322 SP322 00 01 卡件通道 02 03 04 05 06 FV101 FV101 FV102 FV102 FV103 FV103 FV104 FV104 备用 备用 备用 备用 备用 备用 SP322 TV1011 PV1011 OV0011 SP322 TV1011 PV1011 OV0011 SP362 SP000 SP000 SP363 KO302 备用 备用 SP363 备用 备用 备用 备用 备用 备用 4.2锅炉燃烧过程控制系统组态

锅炉燃烧的自动控制系统主要是对被控变量和操纵变量的控制。被控变量有蒸汽压力、烟气成分( 反映燃烧的经济性指标) 和炉膛负压 3 个；操纵变量有燃料量、引风量和送风量 3个。在实际控制中，我们将锅炉自动燃烧控制、炉膛负压控制、送风自动控制相结 合，通过 DCS系统合理的控制来满足燃料燃烧所产生 的热量适应蒸汽负荷的需要，将炉膛的负压保持在一 定 的范围内，保证燃烧的经济性和锅炉的安全性 。尤其在燃料控制方面选用单层自动和其他三层手动相结合的方式，此控制方式完全达到工艺要求，满足了实际工艺控制的需要。

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图4.1系统设置图

4.3锅炉监控系统的组态运行过程

在本系统中采用JX—300X DCS进行组态，为了更好地监视、分析和操作整个锅炉控制过程，共生成了系统总流程画面、锅炉水位流程画面、控制画面、报警画面、实时趋势和历史趋势画面等动态流程画面，如图4.2所示运行总貌。

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图4.2总貌画面设置图

（1）系统总流程

流程图的形式，通过图形符号的颜色变化，闪烁等方式，动态显示锅炉的运行状态，换作人员可通过此面直观了解锅炉的各工艺参。 （2）参数表画面

将DCS采集的各工艺参数与其对应的名称表格形式实时的显示出来。 （3）控制画面

系统各控制回路的运行状态和有参数以调节棒图的形式显示出来。操作人员利用键盘或鼠标方便地对各控制回路的控制参数（SV、P、I、D等）进行在线修正。也可对控制回路进行自动/手动切换，实现遥控操作。

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图4.3系统主控制画面

（4）报警画面

用于记录何时何处有何报警，以便有关人员查询。

图4.4报警窗口

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（5）历史趋势画面

用于记录系统主要工艺参数，一班或一天的数据，以曲线的形式显示出来。

图4.5历史趋势曲线图

（6）实时趋势曲线画面

实时趋势曲线画面是反映锅炉运行参数在短时间内的变化走势的画面，操作人员可根据参数变化趋势随时调整锅炉的控制参数以调整锅炉的工作状况，达到提高锅炉工作效率，节能减排的目的。

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图4.6实时趋势曲线

（7）报表画面

报表画面可从任意画面上方的报表按钮进入，报表中记录了三台锅炉的总体运行参数和公共部分的相关参数，操作人员可根据需要来查询相应的日期历史数据报表。方便操作人员对数据进行整理和分析，有效提高锅炉的工作效率。 （8）报警窗口及警铃

系统在运行中产生的报警都将在画面下方的报警窗口中进行显示，并记录报警产生的时间和日期。

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数据 通讯 与处 理功能 实时显示功能 历史查询功能 计算机监控系统 故障报警功能 系统设定功能 图4.4 实时监控系统功能模块

本系统共采用4台EF—4543控制器，其中3台锅炉对应3台控制器，另有1台控制公共部分，并且本系统锅炉及附件设施的控制由各自的控制系统完成，各控制系统之间相互独立，使系统具有较高的可靠性，因此，当某一装置需要维修或维护时，只须停掉该台装置，不影响系统中的其他设备。

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第5章 结论

锅炉控制系统是一个复杂的时变动态过程，具有很强的非线性、大滞后、强干扰，传统的控制算法很难使之达到理想的控制效果。因此对锅炉应用先进控制使其安全经济运行，达到节能和改善环境等目的，将具有深刻的意义。

本文对燃煤锅炉特性进行了研究。对燃煤锅炉工艺结构，动态特性进行了分析，设计出燃煤锅炉燃烧控制系统，包括燃料控制系统，送风控制系统，炉膛负压控制系统，并对锅炉进行远程监控。通过对燃煤锅炉燃烧控制系统的设计，能过熟练掌握以前所学过的过程控制理论、现在控制理论、技术检测仪表技术、控制系统仿真、及DCS等课程并理论联系实际。随着微型计算机技术的不断发展与完善，成本大幅度下降，可靠性不断提高，可以实现生产过程的快速、准确、平稳和可靠的操作，达到提高热效率、节约能源的目的；燃煤锅炉燃烧过程和热效率控制系统微型计算机控制，具有计算正确，执行速度快，逻辑判断功能强，体积小，价格便宜，安全可靠等优点，因此目前被广泛应用。

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参考文献

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谢 辞

在论文工作即将结束之际，在此向我的导师李书臣老师表示深深地感谢。在学习期间，能遇到这样学识渊博的好导师，我感到非常的幸运。在我做论文期间，李书臣老师给予了悉心指导，从论文的整体方向确定到具体步骤的实施，他都给予我细心的帮助，经常在百忙之中抽出时间为我指导，在理论上给我指明方向，在实践中为我解答疑问。尤其在平时的学习和工作中，李书臣老师严谨的治学态度，实事求是的工作作风，甘于奉献的高尚品德给我留下了深刻的印象，成为我终生学习的楷模。

最后，向在校期间的所有任课老师和给予我关怀和帮助的朋友们表示衷心的感谢！

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