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1、炉膛压力控制系统组态设计 摘 要炉膛压力是反映燃烧工况稳定与否的重要参数，是运行中要控制和监视的重要参数之一。炉内燃烧工况一旦发生变化，炉膛负压随即发生相应变化。因此，监视和控制炉膛负压对于保证炉内燃烧工况的稳定、分析炉内燃烧工况、烟道运行工况、分析某些事故的原因均有极其重要的意义。本设计就是从锅炉引风机方面进行炉膛负压的研究。目前国内火力发电厂锅炉风机大部分采用拖动电动机，其中95左右为交流异步电动机直接拖动，恒速运行。随着电力经济的发展等，使电厂中的锅炉风机在运行中出现了裕量较大的问题，另外根据电网调峰的需要，机组长时间处于低负荷运行状态，使锅炉的送、吸风机长期处于低参数下运行，对厂用电率
2、造成一定影响。目前国内直属发电厂锅炉风机配备的电动机以1 MW左右居多，大部分都是采用恒速运行，造成很大的浪费。根据节能工作的要求，其中有个别发电厂已考虑或试用风机调速运行，解决目前风机运行中出现裕量过大的问题。风机调速有几种方案，其中，应用最多的是变频器技术，或加装液力偶合器装置。本设计对防城港#2机组进行分析、研究，了解其炉膛压力和送、引风机之间的关系并对其控制系统进行分析。关键词 炉膛压力,变频调速,液力耦合器调速 AbstractParameters stability, control and surveillance is in operation to one of the im
3、portant parameters。The situation changed once the heater combustion, chamber pressure corresponding changes occur immediately. When the boiler combustion system failure or unusual, the first negative, will be reflected in the chamber, then is the fire location, such as changes in flames and secondly
4、 is the steam parameters change. Therefore, surveillance and control of combustion chamber pressure to ensure that the status of the heater stability, the situation analysis of the heater combustion, flue-operation status, analysis of certain causes of accidents are extremely important. From the boi
5、ler air-compressors designed for chamber pressure research.Most of the current domestic power boilers air-compressors used Mercedes electric motors, which exchanges asynchronous motor for about 95% of direct fees, Hengsu operation. With the power of economic development, single units increased capac
6、ity and the development of science and technology, enterprise management improvements, the promotion of technological transformation equipment, the plants boilers air-compressors in operation emerged Yu larger volume, and according to the needs of power plants, generating prolonged low load operatio
7、n, boilers send, smoking in a low long-term parameters of the operation of air-compressors, electricity rates have an impact on the plant. . Current domestic air-compressors with the immediate power plant boilers to electric motors are around 1 MW, mostly used Hengsu operation, causing great waste.
8、According to the energy conservation requirements, including individual power plants have considered or tested air-compressors governor operation, a solution to the current air-compressors operation Yu remained problems. Air-compressors governor several programmes, including most of the transducer t
9、echnology applications, coupled with the installation of hydraulic devices. The design of the above two programmes comparative study, a number of plant-transformation can provide some recommendations.Keywords furnace pressure, frequency conversion mechanics, hydraulic coupling device governor目 录摘要.I
10、Abstract.II目录.III1 引言.1 1.1 炉膛压力控制的背景.1 1.2 炉膛压力控制的目的和意义.12 炉膛压力控制系统及燃烧控制系统介绍.2 2.1 火电厂发电工艺.2 2.2 锅炉燃烧情况以及对于炉膛压力的影响.4 2.3 锅炉燃烧系统的风机介绍.43 防城港DCS炉膛压力控制系统.6 3.1 DCS系统的概念.6 3.1.1 用DCS实现大型火电机组自动化的主要优点.6 3.2 SYMPHONY分散控制系统.7 3.2.1 HCU结构.7 3.2.2 HCU的通信模件对.8 3.2.3 SYMPHONY系统网络结构.8 3.2.4 SYMPHONY系统主要软硬件及其功能介
11、绍.94 防城港电厂#2机组炉膛压力控制系统设计.11 4.1 炉膛压力控制系统.11 4.1.1 炉膛压力控制系统设计特点.11 4.1.2 引风量调节.12 4.2 防城港电厂#2机组组态图设计主要功能码介绍.125 防城港电厂#2机组炉膛压力控制系统分析过程.145.1 炉膛风控制系统分析.14 5.1.1 风控系统在火电厂中的应用.145.1.2 引风机控制回路分析.15 5.2 防城港电厂#2机组炉膛压力控制系统的组态图分析过程.16 5.2.1 PID自动控制的实现.16 5.2.2 M/A手自动切换实现.16 5.2.3炉膛压力的报警实现.17 5.2.4送风机手动/自动切换.1
12、8 5.2.5 MFT动作时的超持控制.195.2.6 增闭锁和减闭锁.205.2.7 其它异常工况的控制方式.205.2.8 低炉膛压力保护.205.3 引风机常见问题及处理方法.21 5.3.1 引风机的常见事故.215.3.2 引风机常见故障处理.21结论.22 致谢.23 参考文献.24附录.25A1.1.26A1.2.27A1.3.28A1.4.29.- 29 - 炉膛压力控制系统组态设计 1 引 言1.1 本次设计的背景炉膛压力控制系统的设计过程主要通过控制引风机动叶、挡板开度、引风机的转速来实现炉膛负压的控制过程。引风控制系统的任务是保持炉膛负压在一定的范围内。锅炉运行时，如果机
13、组要求的负荷指令改变，则进入炉膛的燃烧量和送风量将跟着改变，燃料在炉膛中燃烧后产生的烟气量也随之改变，这时，为了维持炉膛内的正常压力，必须对引风量进行相应的调节。对于负压燃烧锅炉，如果炉膛压力接近大气压力，则炉烟往外冒，影响设备与工作人员的安全；反之，如果炉膛压力太低，又会使大量的冷空气流进炉膛，降低了炉膛里的温度，增大了引风机的负荷，和烟气带走的热量损失，一般的炉膛压力维持在比大气压力低20-50帕左右。1.2 本次设计目的和意义随着电力经济的发展、单台机组容量的增大，以及科学技术的发展、企业管理水平的提高、设备技术改造的推广等，使电厂中的锅炉风机在运行中出现了裕量较大的问题，另外根据电网调
14、峰的需要，机组长时间处于低负荷运行状态，使锅炉的送、吸风机长期处于低参数下运行，对厂用电率造成一定影响。本次设计是对防城港#2机组进分析，对其炉膛压力控制和燃烧控制系统进行研究，还对炉膛爆炸的预防进行一些研究。2 炉膛压力控制系统及燃烧控制系统介绍2.1 火电厂发电工艺 图 2.1 火电厂发电工艺图发电厂是把各种动力能源的能量转变成电能的工厂。根据所利用的能源形式可分为火力发电厂、水利发电厂、原子能发电厂、地热发电厂、风力发电厂等。火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气等燃料的化学能产生出电能的工厂。按其功用可分为两类，即凝汽式电厂和热电厂。前者仅向用户供应电能，而热电厂除供给用户电量外
15、，还向热用户供应蒸汽和热水，即所谓的“热电联合生产”。火电厂的容量大小各异，具体形式也不尽相同，但就其生产过程来说却是相似的。上图是凝汽式燃煤电厂的生产过程示意图。燃煤，用输煤皮带从煤场运至煤斗中。大型火电厂为提高燃煤效率都是燃烧煤 粉。因此，煤斗中的原煤要先送至磨煤机内磨成煤粉。磨碎的煤粉由热空气携带经排粉风机送入锅炉的炉膛内燃烧。煤粉燃烧后形成的热烟气沿锅炉的水平烟道和尾部烟道流动，放出热量，最后进入除尘器，将燃烧后的煤灰分离出来。洁净的烟气在引风机的作用下通过烟囱排入大气。助燃用的空气由送风机送入装设在尾部烟道上的空气预热器内，利用热烟气加热空气。这样，一方面除使进入锅炉的空气温度提高，
16、易于煤粉的着火和燃烧外，另一方面也可以降低排烟温度，提高热能的利用率。从空气预热器排出的热空气分为两股：一股去磨煤机干燥和输送煤粉，另一股直接送入炉膛助燃。燃煤燃尽的灰渣落入炉膛下面的渣斗内，与从除尘器分离出的细灰一起用水冲至灰浆泵房内，再由灰浆泵送至灰场。在除氧器水箱内的水经过给水泵升压后通过高压加热器送入省煤器。在省煤器内，水受到热烟气的加热，然后进入锅炉顶部的汽包内。在锅炉炉膛四周密布着水管，称为水冷壁。水冷壁水管的上下两端均通过联箱与汽包连通，汽包内的水经由水冷壁不断循环，吸收着煤爱燃烧过程中放出的热量。部分水在冷壁中被加热沸腾后汽化成水蒸汽，这些饱和蒸汽由汽包上部流出进入过热器中。饱
17、和蒸汽在过热器中继续吸热，成为过热蒸汽。过热蒸汽有很高的压力和温度，因此有很大的热势能。具有热势能的过热蒸汽经管道引入汽轮机后，便将热势能转变成动能。高速流动的蒸汽推动汽轮机转子转动，形成机械能。汽轮机的转子与发电机的转子通过连轴器联在一起。当汽轮机转子转动时便带动发电机转子转动。在发电机转子的另一端带着一太小直流发电机，叫励磁机。励磁机发出的直流电送至发电机的转子线圈中，使转子成为电磁铁，周围产生磁场。当发电机转子旋转时，磁场也是旋转的，发电机定子内的导线就会切割磁力线感应产生电流。这样，发电机便把汽轮机的机械能转变为电能。电能经变压器将电压升压后，由输电线送至电用户。释放出热势能的蒸汽从汽
18、轮机下部的排汽口排出，称为乏汽。乏汽在凝汽器内被循环水泵送入凝汽器的冷却水冷却，从新凝结成水，此水成为凝结水。凝结水由凝结水泵送入低压加热器并最终回到除氧器内，完成一个循环。在循环过程中难免有汽水的泄露，即汽水损失，因此要适量地向循环系统内补给一些水，以保证循环的正常进行。高、底压加热器是为提高循环的热效率所采用的装置，除氧器是为了除去水含的氧气以减少对设备及管道的腐蚀。以上分析虽然较为繁杂，但从能量转换的角度看却很简单，即燃料的化学能蒸汽的热势能机械能电能。在锅炉中，燃料的化学能转变为蒸汽的热能；在汽轮机中，蒸汽的热能转变为轮子旋转的机械能；在发电机中机械能转变为电能。炉、机、电是火电厂中的
19、主要设备，亦称三大主机。与三大主机相辅工作的设备成为辅助设备或称辅机。主机与辅机及其相连的管道、线路等称为系统。火电厂的主要系统有燃烧系统、汽水系统、电气系统等。2.2 锅炉燃烧情况以及对于炉膛压力的影响 锅炉燃烧系统中有两个最佳，即最佳过量空气系数与最佳煤粉细度。最佳空气系数是指锅炉的排烟损失与不完全燃烧热损失之和最小的过量空气系数。它与煤种锅炉的燃烧特性以及锅炉密封程度有关系。最佳煤粉细度是指锅炉的制粉损耗与锅炉的不完全燃烧热损失之和最小的煤粉细度，它与煤的可磨性设备特性以及煤的燃烧特性锅炉的燃烧特性有关。实现稳定的燃烧必须：供给适当的空气量；维持足够高的炉膛温度，炉温必须在燃料的着火温度
20、以上；一次风速不能太高，合理送入二次风，合理组织炉内动力工况，使燃料与空气混合良好；选择适当的煤粉细度；低负荷运行或燃烧不稳定时要投油助燃。锅炉正压燃烧就是锅炉在使用过程中炉膛中烟气压力大于大气压力。多年的锅炉检中发现，一些小型工业锅炉在使用中有不同程度的正压燃烧现象，而且非常普遍约占锅炉的四分之一，可见这个问题没有引起有关人员足够的重视。其实正压燃烧对锅炉的安全运行是非常有害的。 2.3 锅炉燃烧系统的风机介绍2.3.1风机为了使燃料在炉内的燃烧正常进行，必须不断的向炉膛内送入燃料燃烧所需要的空气，并随时排出燃烧后所产生的烟气。电厂锅炉的送风量和引风量非常大，导致阻力更大，单靠一个烟囱所产生
21、的自然通风力远远不能满足要求，因此必须采用机械通风。火电厂所使用的风机有：送风机，其作用是提供燃料在炉膛内燃烧所需要的空气；引风机，其作用是及时排出燃料在炉膛内燃烧是所产生的烟气；一次风机，其作用是将磨好的煤粉送至炉膛；密封风机，其作用是防止磨煤机正压运行时的煤粉外漏。在本次设计中将着重介绍和炉膛压力有关的送风机和引风机。2.3.2风机分类 风机按工作原理可以分为离心式和轴流式两大类。（1）离心式风机：离心式风机结构主要由叶轮、外壳、进气箱、集流器、轴和轴承等组成。离心式风机的工作原理是，当离心式风机的叶轮被电动机带动旋转式，充满于叶轮之间的的气体随同叶轮一起转动，在离心力的作用下从叶片间的槽
22、道甩出，由外壳上的排气口排出。因为气体的外流造成叶轮进气口空间的真空，外界气体会自动吸进叶轮。离心式风机产生的压头的高低，主要与叶轮直径和转速有关。叶轮直径越大，转速越快，气体在风机中获得的离心力就越大，产生的压头就越高。（2）轴流式风机轴流式风机的结构主要由叶轮、外壳、集流器、扩压器、导叶、整流罩等组成。轴流式风机的工作原理是当叶在电动机带动下旋转时，叶片在气体中运动，给气体一个作用力，使气体沿着风机轴的方向不断由进口流向出口。气流的进、出口方向都是轴向的。轴流式风机产生的风压较低，通常用作流量大的、风压低的引风机。例如，我国300MW和600MW机组上，采用动叶可调轴流式风机。600MW机
23、组的一次风机，为了获得较高的风压，采用了动叶可调双级轴流式风机。 3 防城港DCS炉膛压力控制系统3.1 DCS系统的概念 分散控制系统DCS(distributed control system的简称)是以微处理器及微型计算机为基础,融汇 算机技术、数据通信技术、CRT屏幕显示技术和自动控制技术为一体的计算机控制系统,它对生产过程进行集中操作管理和分散控制。即分布于生产过程各部分的以微处理器为核心的过程控制站,分别对各部分工艺流程进行控制，通过数据通信系统与中央控制室的各监控操作站联网,因此也称集散控制系统(TDCS)。作员通过监控站CRT终端,可以对全部生产过程的工况进行监视和操作,网络中
24、的专业计算机用于数学模型或先进控制策略的运算,适时地给各过程站发出控制信息、调整运行工况。分散控制系统可以是分级系统，通常可分为过程级、监控级和管理级、分散控制系统由具有自治功能的多种工作站组成,如数据采集站、过程控制站、工程师(操作员)操作站、运行远操作站等。这些工作站可独立或配合完成数据采集与处理、控制、计算等功能，便于实现功能、地理位置和负载上的分散。且当个别工作站故障时仅使系统功能略有下降，不会影响整个系统的运行，因此是危险分散。各种类型分散控制系统的构成基本相同，都由通信网络和工作站(节点)两大部分组成。分散控制系统可以组成发电厂单元机组的数据采集系统（DAS)、自动控制系统(ACS
25、)、顺序控制系统(SCS)及安全保护等,实现计算机过程控制。 发电厂使用的DCS主要有：贝利公司的N-90、INFI-90、SYMPHONY，FOXBORO公司的I/A，EMERSON（原WESTINGHOUSE）公司的WDPF和OVATION，SIEMENS公司的TETEPERM-XP，日立公司的5000M，L&N公司的MAX-1000等。3.1.1用DCS实现大型火电机组自动化的主要优点 （1）连续控制、继续控制、逻辑控制和监控等功能集中于统一的系统中，可由品种不多的硬件,凭借丰富的软件和通信功能来实现综合控制,既节省投资,又提高了系统的可靠性、可操作性和维修性。（2）可按工艺、控制功能、
26、可靠性要求由功能和地理位置不同的各个工作站组成控制系统,系统结构灵活,且大大节省电缆。 （3）一个站的故障不会影响其它站的正常运行，系统可靠性高。 （4）各种监视控制功能均采用软件模块来完成，以修改方便,易于实现高级控制。3.2 SYMPHONY分散控制系统防城港#2机组的DCS控制系统是infi-90的升级版SYMPHONY，ymphony 是贝利公司20世纪90年代中期推出的融过程控制和企业管理为一体的新一代分散控制系统。为适应多种控制规模和现场条件，其通信系统采用多层通信网络，可分为：层相互独立的标准总线和环形网络。Symphony通信网络的最上层为总线结构，称为Onet(Operati
27、on Network)，遵守以太网协议( IEEE802.3)。Onet通过通信介质与多种类型的计算机连接，构成企业需要的有关生产、财务、人事、培训、备件及市场管理等多种管理功能。Symphony系统通信网络的另一层为组合网络结构,称为Cnet(ControlNetwork)。Cnet主要用来进行现场数据采集、过程控制操作、系统报警等过程数据交换的工作。在Cnet中包括：环形网络，用来连接现场控制单元HCU，人- 系统接口Conductor ,系统工程工具Com2poser等类型的节点，实现控制信息的传送功能。HCU内的控制通道ControlWay，用来连接本节点内的智能模件，实现智能模件之间
28、的信息传送功能。HCU 内的子总线SlaveBus，用来连接智能模件和I/O子模件，实现数据采集和控制功能。环形网络使用存储转发协议，控制通道使用自由竞争式协议。Symphony系统使用了两种有效的通信技术：例外报告和信息打包技术。例外报告的特点是只反映某一时间间隔内发生显著变化的信息，而对没有发生显著变化的信息不产生报告。该技术可根据过程数据的特点减少不必要的信息传输，保证通信传输的畅通。信息打包技术就是把去同一地址的所有信息压缩在一起，使用一个标题帧把信息发送出去的专用技术。通过这一技术，可提高信息的传输效率。现场控制单元（HCU）是SYMPHONY实现过程控制的主要现场设备，其核心是桥控
29、制器（BRC），BRC插在HCU的模件安装单元（MMU）内，就能完成过程控制中的回路控制、顺序控制、数据采集和优化控制操作。3.2.1 HCU结构HCU主要包括四大部分，即机械结构、通信结构、模件结构和链接结构。机械结构HCU是一个柜式的现场设备，主要有金属外壳和模件安装单元注成。通信结构是在每一个HCU中，主要有控制通道I/O扩展总线等两层通信网络。通信介质为印刷电路板，安装与MMU的后部。模件可以直接、可靠的链接到通信通道上以获得相应信息。HCU中包括四种模件，即通信模件、控制模件、I/O、铜套子模件和电源模件。通过以上四种模件的合理选配，就能组成满足多种控制要求的控制总线。链接结构I/O
30、通道子模件通过专用KTU电缆与相应的端子单元链接，并且端子单元的端子还可与现场设备相连，组成现场I/O通道结构，以完成显影的过程控制。3.2.2 HCU的通信模件对分散控制系统中的现场控制站不是一个孤立的系统，它与其他的现场控制站以及处于上层的操作员站、工程师站等设备都是相互联系的，这就需要高一层的通信系统控制网络。其通信模件分别为支持环状结构的网络子模件（NIS）和网络处理模件（NPM）。现场控制单元接口由网络子模件和网络处理模件组成，它们必须成对使用。这个接口可用作网络中心环或子环上的一个节点，通过对这对接口可以同时访问控制网络和控制通道。3.2.3 SYMPHONY系统网络结构一般而言，
31、SYMPHONY系统控制网络结构由中心环（INFI-NETCentral Loop）、子环（INFI-NETSub Loop）、工厂环（INFI-NETPlant LOOP）、控制通道（Control Way）、I/O , 扩展总线（I/OEXPAND Bus）组成，它采用以一个环为中心，能同时接多个子环的组合结构。如图3.1 所示。远程子环 中心环子环站PCU柜厂MISHUB其他系统 图3.1 SYMPHONY系统控制网络结构我厂INFI-NET 结构中仅采用了一个中心环，下挂了17点，其中有P 个操作员站（功能相同、彼此一般而言独立）、一个工程师站、CPU（按其控制的功能分为：锅炉岛、汽机
32、岛、电气控制回路三大部分）。INFI-NET采用存贮 转发的环状通讯方式。其特点是可靠性高、纠错能力强，可采用冗余的双网络配置。通讯速度为10M波特率。目前ABB贝利已推出了光纤通讯电缆及接口。在我厂DCS通讯网络结构中没有用到子环和工厂环，中心环网通讯介质为同轴电缆。3.2.4 SYMPHONY系统主要软硬件及其功能介绍过程控制单元：过程控制单元( PCU)是用来监视和控制过程设备的计算机系统。它是负责现场过程信号的采集和处理的独立整体,由多功能处理器MFT、通讯接口模件、各种输入输出I/O子模件及插件式的模块化电源和端子单元组成。每一个PCU作为一个单独的节点使用C - NET进行通讯。每
33、个PCU可以容纳多对多功能处理器模件MFP。MFP是一个执行多回路模拟、顺序、批量和先进控制的控制器，也是一个执行数据采集和参数计算的处理器,是过程控制单元的基础，通过运行具有标准功能码库的专用语言编制的程序来实现控制方案；并通过子模件总线对I/O子模件进行扫描，从输入/ 输出I/O子模件获得过程测量信息或通过子模件输出各种控制信号，在端子单元上与现场I/O接线联接,传输到现场完成过程控制。MFP可以冗余配置，以保证实时过程控制的安全性,尤其是它的高度模件化结构，使系统可以用简单的配置方法，实现复杂的过程控制。它在PCU内只占用一个I/O模件插槽，而且可以和I/O模件一样带电插拔。I/O子模件是PCU经过端子单元，与现场直接相连接的唯一通道。子模件包括:模拟输入类、模拟输出类、数字输入类、数字输出类等四大类型的子模件及具有特定功能的子模件。Symphony系统继承了INFI - 90系统子模件类型少的特点，一种卡件可以实现多数据采集功能，通过模件板上的选择开关或跳线器，可以对模件进行组态，结合工程师站，可以对子模件进行更加灵活的组态选择。卡件类型少，
