PDF《循环流化床锅炉集散控制系统》

循环流化床锅炉集散控制系统 和秋鹏 ,喻寿益 (中南大学信息科学与工程学院, 湖南 长沙 410083) 摘要:依据循环流化床锅炉动态模型,提出模糊控制思想.

采用先进的 DCS 锅炉控制系统,结合实际说明 DCS 在线投运、无扰切换等具体解决方案. 关键词:循环流化床;

DCS;

模糊控制 ;

锅炉控制 中图分类号: TP273 文献标识码:B 文章编号: The Research Of Circulating Fluidized Bed Boiler Control Technology He Qiu-Peng YU Shou-yi (School of Information Sciense and Engineering ,Central South University, Changsha

410083 ,China) Abstract: The dynamic propertics of the circulating fluidized bed boiler were analyzed to develop a new control system based on fuzzy control theory.The boiler control system adopts advanced DCS.The article discusses the design of automatic control system of boiler ,and describes the running of the DCS and transforming of uninterferes. Keywords: circulating fluidized bed boiler;

DCS;

fuzzy control;

boiler control 循环流化床锅炉(简称 CFBB)技术是七十年 代发展起来的新技术,以其燃料适应性广、燃烧 效率高、低污染、负荷调节范围宽等优点而得到 广泛应用.CFB 不同于一般锅炉,其动态过程复 杂,影响因素多且燃烧系统与汽水系统具有强耦 合关系,故此常规控制方法很难实现锅炉参数的 稳定控制. 目前的循环流化床的 DCS 控制大多采用传统 的PID 控制方式或者手动控制方式.实际运行情 况表明,锅炉控制主要依赖于运行人员的操作经 验.根据这一基础,将运行人员的宝贵经验归纳 成模糊推理规则,采用模糊控制,使自动控制系 统按照运行人员的经验进行控制,降低运行人员 的劳动强度, 提高系统运行的稳定性和经济性[1] .

1 CFBB 控制对象特性及工作原理 CFBB 与常规锅炉控制对象相比, 其汽水控制 系统与常规锅炉无异,主要不同点在于燃烧子系 统,其主要特点为: (1)燃料颗粒大,燃烧速度 慢、时间长,具有较大滞后性. (2)为达到较好 的脱硫效果,需把床温控制在 8500~900℃.燃 料量、石灰石量一次风和二次风等都对床温控制 有影响;

此外床温传感器受到大颗粒燃料介质流 动影响,易受损,测量不准确;

床温高低还决定 着炉内结焦和灭火与否,所以床温控制在 CFBB 中至关重要. (3)影响床温的多变量强耦合,动 一个变量同时影响几个变量,增加了控制难度. (4)CFBB 启停方式、顺序和炉膛内安全监视控 制系统都有别与常规锅炉,有特殊的要求. 控制系统包括两大系统:汽水控制和燃烧控 制系统.汽水系统分为三个子系统:汽包水位调 节系统、主蒸汽温度调节系统和主汽压力调节系 统.燃烧控制系统包括:床温调节系统、播煤风 调节系统、引风量调节系统、床层厚度调节系统 和返料调节系统等五个子系统. 控制系统见下图. 图1控制系统控制原理图 调节给水流量 调节减温水量 调节给煤量 调节一次风量 调节返料量 调节排渣量 调节播煤风量 汽水控 制系统 燃烧控 制系统 循环流化床锅炉汽包水位给定 主汽温度给定 主汽压力给定 炉膛负压给定 风室压力给定 分离器底压给定 床层温度给定

2 鉴于以上控制难点,所以在设计控制系统时 必须考虑内部的耦合性,同时还要克服大滞后的 影响,避免出现系统振荡.此外还要深入分析各 回路的过程特点, 抓住主要矛盾, 忽略次要矛盾, 以提高系统的实用性[2] .

2 控制思路分析 模糊控制因其可以模仿人类的控制经验,鲁 棒性好而非常适用于 CFBB 这种大滞后、 非线性的 控制对象,因此各控制回路均采用模糊控制器. 2.1 模糊控制器 模糊控制系统的核心是模糊控制器,如下图 虚线所示.误差 e 和误差的变化 ec 作为控制器 的输入 ,输出变量采用控制量 u.首先根据系统 采样得到系统输出值,计算模糊控制器所需要的 输入值,将输入变量的精确值模糊化为模糊量;

然后根据输入变量(模糊量)和模糊控制规则,按 模糊推理规则计算输出量;

最后模糊输出量经反 模糊化计算出精确控制量,经数模转换后送给执 行机构. 图2模糊控制系统 2.1.1 主蒸汽压力控制回路 在循环流化床中,改变给煤量会影响床温和 主蒸汽压力, 但是床温允许在较大的范围内变化, 而且还可以采用改变给风量等方法控制,因此调 节给煤量主要控制的是主蒸汽压力.一方面,主 蒸汽压控制系统保证控制平稳和快速;

另一方面, 由于循环流化床燃烧的是劣质煤, 煤质经常变化, 因此必须具有较好的鲁棒性.采用模糊控制器可 以较好的解决这个问题,其自学模糊控制可以在 线调整控制参数,从而适应煤质的变化. 由于给煤变化首先影响床温,再影响主汽压 力,为防止锅炉床温和高温过热器入口温度超出 范围,将床温信号和高温过热器入口温度信号引 入作为主汽压力主调节器的输出补偿信号,在这 两个温度过高时减少给煤机的转速,而温度过低 时增加转速.由于炉床温度只要调节在允许的范 围内即可,因此比例调节器采用阀值控制.将比 例调节器的输出作为主蒸汽压力控制回路的输出 补偿[3] . 图3主汽压控制回路 2.1.2 主蒸汽温度模糊控制器的设计 针对 CFB 锅炉主汽温度对象控制品质要求, 保证主蒸汽出口温度为 530-545℃. (1)输入输出变量的确定 该模糊控制器输入变量为

2 个,分别为误差 e 和误差的变化率 ec,输出变量为减温水阀门开 度的控制量 u.模糊语言变量分别为 E(温度偏 差),EC(温度偏差变化率)和U(减温水阀门开 度). (2)模糊化 模糊语言变量 E, EC 和U的论域均取为(-6, 6],相应的等级依次划分为 8,

7 和7个,则有模 糊子集: A i (i=1,...,8)= {NB,NM,NS, NE, PE, PS,PM,PB};

依次表示的实际物理意义为:主蒸 汽出口温度{很低、较低、稍低、正好、正好、稍高、较高、很高};

B i (i=1,...,7)= {NB,NM, NS, NE, PS, PM, PB};

依次表示的实际物理意义为:主蒸汽出口温 度变化{负的快速增加、 负的增加、 负的稍微增加、 不变、 正的稍微增加、 正的增加、 正的快速增加};

C i (i=1,...,7)= {NB, NM, NS, NE, PS, PM, PB};

依次表示的实际物理意义为:喷水减温 阀{全关、半关、稍微关小、不动、稍微开大、半开、全开}. (3)模糊规则的编辑 通过详细分析 CFB 锅炉主蒸汽实际运行情 况, 全面总结归纳专家的主汽温控制经验和知识, 可得到一套控制规则,有56 条,如: (a)如果出口温度很高, 且温度偏差朝升高的 方向快速增加,则喷水减温阀全开对应规则语 给煤调 节机构 燃烧系统 床温 P 自学习 模糊控制器 受热面 高温过热器 入口温度 给煤机转速 主汽力给定 + - + - 主蒸汽压力

3 言:if E=PB and EC=PB then U=PB. (b)如果出口温度正好, 且温度偏差朝升高的 方向快速增加,则喷水减温阀半开对应规则语 言:if E=PE and EC=PB then U=PM. (c)如果出口温度太低, 且温度偏差朝升高的 方向快速增加,则喷水减温阀不动对应规则语 言:if E=NB and EC=PB then U=ZE 等等. 由这些控制规则即可构造出下列模糊控制规 则表[4] . 图4控制量 U 的模糊规则表

3 DCS 系统的现场投运 由于本系统的监控对象为新建 75t/h CFB 锅炉,为提高锅炉监控与管理水平, CFB 锅炉自动 控制系统采用集散控制系统,利用计算机技术对 生产过程进行集中监视、 操作、 管理和分散控制. 3.1 系统硬件组成 系统在硬件上分为上位机和下位机两部分, 其中上位机主要完成人机界面协调控制等工作, 下位机完成数据采集和过程控制工作.为提高系 统的可靠性,上位机采用冗余系统,选择四台配 置相同的计算机,形成 C/S 结构,Modbus 通信协 议.两台操作员站(Station),两台工程师站 (Server),两站之间通过以太网进行通讯. 在正常工作状态下,司炉工在操作员站进行 操作监视, 并控制 CFB 锅炉的正常运行;

工程师站 可以监视锅炉运行,同时可根据需要设定不同的 权限进行修改数据.工程师站的数据与操作员站 的数据通过网络同步,主要提供历史数据存盘、 量程修改等管理功能.一台工程师站出现故障, 另一台自动无扰切换,保证不影响正常生产.同时,上位机提供与厂级 MIS 的通讯接口,为系统 扩充做准备,如图

6 所示 [4] . 图5实时监控与管理系统硬件结构 3.2 系统功能 (1) 现场控制层 现场控制层包括过程控制站、输入输出卡件、 各种传感器、变送器和执行器等.主要完成数据 的采集、存储、计算和回路控制、逻辑控制等. 过程控制站通过网络向操作运转层的计算机传送 数据,是整个监控系统的核心. 现场控制站采用美国 Honeywell 公司的 HC900 控制器.将CPU 卡、电源卡、通讯卡和 各种 I/O 卡件集成在控制柜内,控制器和 I/O 卡 件均支持带电热插拔. 为提高系统稳定性, CPU、 电源和通讯卡全部........