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1、南京化工职业技术学院自动控制系毕业论文设计（论文）11第一章第一章 绪论绪论1.11.1 课题研究的意义课题研究的意义近年来，我国经济迅速发展，生产力不断提高，电力作为经济发展的动力得到了迅速的发展。为了节省能源和保护环境，提高火力发电的经济性，大容量超临界机组因其能源利用率高、经济性能好而得到快速发展，已在世界发达国家广泛应用。随着科学技术的发展及计算机更新升级，先进的控制策略、专家系统、现场总线和智能变送器的广泛应用，将有利于节约投资，降低能耗，便于维护和提高火电厂安全、经济运行水平。热工自动化是火电厂不可缺少的组成部分，而热工自动化的水平又是现代火力发电技术和管理水平的综合体现。这主要有
2、两个因素推动，一个是 DCS，另一个是协调控制系统。DCS 在电厂的普及应用，为火电厂热工自动化技术的发展奠定了基础。而协调控制系统在单元机组普遍投入，使火电厂热工自动化达到前所未有的新高度。目前广泛采用以微机为核心的 DCS，其可靠性很高，可依赖性强，可以充分发挥自动化的功能，并取得了很好的安全和经济效益。在热工自动化系统采用开放的工业计算机系统和远程智能 I/O，有利于减少信号电缆，降低造价；应用先进的控制策略、专家系统、可充分发掘 DCS 的潜力，解决一些老大难问题，进一步提高电厂安全与经济运行。由于火电机组越来越大，对机组热工自动控制系统控制品质的要求也随之提高。为了保证单元机组的正常
3、运行以及高度的安全性、经济性，对单元机组的自动化水平提出了更高的要求。由于单元机组存在着大迟延、大惯性和严重的非线性及扰动频繁等特点，传统的控制方法已经不能满足电网对机组的要求，用先进的智能化控制策略取代常规控制策略成为火电厂过程控制发展的趋势。目前，由于现有的给水加药控制系统运行不稳定，加药方式多采用手动间歇控制或是采用传统 PID 算法的自动控制，工作费时费力，控制精度又不高。为提高系统的自动化水平有必要研究新型的控制系统和控制策略，提高加药控制系统的准确性、快速性和鲁棒性。1.21.2 国内外研究现状及趋势国内外研究现状及趋势近年来，美国等发达国家对火电厂水汽监控方面做了大量研究，提出最
4、佳的化学监控管理方案仍然是核心问题。自动化先进的发达国家拥有先进的设备和控制技术，其电厂监控自动化水平已经很高，但相对于快速发展的电力系统的要求来说，仍还有不足。南京化工职业技术学院自动控制系毕业论文设计（论文）12在我国大容量机组的发电厂热工系统发展迅速，而电气系统的整体控制水平则进展较慢，造成整个机组监控不协调，且在监控、管理技术上与国外水平有较大的差距。现场总线技术的发展和发电厂设备微机化程度的提高，为以数字通信方式建立电气监控管理系统提供了技术上的保证。发电厂电气监控管理系统是进一步提高电厂自动化水平，特别是电气运行管理水平的必然趋势，采用电气监控管理系统新建或改造发电厂DCS系统将节
5、省可观的投资。而且，目前我国发电厂在控制上往往采用简单的PID控制，这也使控制能力大大降低。自九十年代以来DCS系统在我国开始推广且不断走向成熟，为我国电厂自动化水平的提高做出了很大的贡献，同时也不断暴露出它的许多不足之处。以太网由于其开放性好，应用广泛以及价格低廉等特点，被工业控制系统都是采用以太网来统一管理层通信，而且各种现场总线也大多开发出以太网接口，因此可以说以太网已经成为工业控制领域的主要通信标准。现场总线控制系统(FCS)由于其彻底的开放性、分散性和完全互可操作性等特点，工业控制大量采用它做现场控制。总线技术和以太网通讯技术作为电厂DCS系统的补充，再加上先进的控制技术，将大大提高
6、电厂控制自动化水平。对照国内外研究的情况，不难看出加药系统未来的发展方向：(1)进一步加强环境保护意识，真正确立“绿色”无公害的加药系统。(2)消灭化学原因的炉管漏爆事故，消灭汽轮机低压叶片、叶轮的腐蚀与积盐，取消锅炉化学清洗。(3)从配药到加药全面实现自动控制，真正实现全自动无人值班。(4)针对系统时滞的特点运用智能控制理论分析并建立智能控制系统。(5)充分挖掘加药系统的潜力，使加药系统的功能向灵活化、多元化发展，实现监测与控制的一体化、网络化和智能化。1.31.3 本文的主要研究内容本文的主要研究内容通过工作实践和调研，并阅读了大量的资料文献，了解到目前我国热电厂水汽采样和化学加药控制系统
7、存在着诸多问题，针对这些问题本文从硬件控制结构和控制算法两个方面提出了解决方案。系统分为上、下位机两部分。上位机部分采用工控机和组态软件进行监控，这部分要对计算机系统进行配置，编辑人机界面。友好的人机界面应能实现以下功能：实时显示现场信息；随时的历史数据库查询；定时打印和报警专家系统。计算机、组态软件和工业以太网作 DCS的子站的管理层。下位机选用西门子 S7-400H 的热备冗余系统，通过工业以太网与上位机和电厂的 DCS 通信，用 Profibus 总线扩展三个远方从站，控制现场的数据的采集和化学加南京化工职业技术学院自动控制系毕业论文设计（论文）13药。同时还要研究现场信号采集和传输、D
8、CS 中现场总线的通信问题和冗余系统的容错问题。针对化学加药系统的大时滞的特点，本文将模糊自适应 PID 控制应用于化学加药系统，代替手动加药系统和传统的 PID 控制，由于目前的各种先进的控制理论在电厂的化学加药系统中应用都处在研究阶段，本文将给出其仿真曲线说明其可行性。因此，本论文研究的是一种利用总线系统做现场控制，以以太网系统做监控管理，结合 DCS 系统再加上先进的模糊控制技术，由现场控制层、监控层和企业管理层组成的先进完整的电厂水质监控管理系统。南京化工职业技术学院自动控制系毕业论文设计（论文）14第二章第二章 电厂水汽监控系统介绍电厂水汽监控系统介绍2.12.1 电厂电厂 DCSD
9、CS 系统介绍系统介绍2.1.1DCS2.1.1DCS 系统系统简介简介DCS 是分散控制系统(Distributed Control System)的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等 4C 技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。DCS 的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控
10、制器构成。处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。2.1.22.1.2 电厂控制级功能简介：电厂控制级功能简介：厂级管理工作站的功能：管理全厂的运行自动化。即全厂经济管理(EDC)；自动发电控制(AGC)；自动电压控制(AVC)；事故分析及事故处理；历史数据保存及检索管理；系统授权管理；运行报表打印等。操作员工作站 操作员工作站是全厂集中监视和控制的中心及人机接口，用来实现热电厂的实时图形显示、各种事件的发布、各种报
11、表显示、报警和复归的显示、系统自诊断信息的显示、设备的实时控制操作和调节、系统配置等各种操作处理。操作员工作站还作为厂级管理工作站部分功能的备用。工程师工作站 工程师站除具有程序开发、调试以及培训仿真等功能外，并兼有操作员工作站的全部功能，还作为操作员工作站的冷备用。通讯处理站的 通信处理机站是电厂监控系统与其他系统的输入/输出接口 ，可与广域网连接，仅允许电厂计算机监控系统向生产管理系统单向传输数据和信息，通信介质为屏蔽电缆。电话语音报警处理站 电话语音报警处理站主要负责语音、电话报警。打印处理站 处理电厂控制级的文件打印任务。2.22.2 火电厂水汽系统火电厂水汽系统在火电厂的热力系统中，
12、水和蒸汽作为工作介质完成能量的传递与转换。水在火力发电过程中主要有两个循环系统:一是热力循环系统；二是冷却循环系统。在热南京化工职业技术学院自动控制系毕业论文设计（论文）15力循环系统中水在锅炉中吸收燃料燃烧产生的热能，变成高温高压蒸汽，蒸汽被传送到绝热汽轮机中，同时冷却循环水将汽轮机输出部分冷却，这样就形成了很大的压力差，蒸汽膨胀做功，推动汽轮机转动，将热能转换成机械能，带动发电机，将机械能转换为电能。做过功的低温低压蒸汽在凝汽器中冷凝为水，再与锅炉补充水一起重新送回锅炉。国产 600MW 超临界锅炉的典型水汽流程是：给水省煤气螺旋水冷壁垂直水冷壁汽水分离器顶棚和包覆过热器低温过热器屏式过热
13、器高温过热器集器联箱。水汽采样流程图如图 2-1 所示:图 2-1 大型机组的水汽循环系统水汽采样控制系统工艺如下：首先在取样点来的样水进入高温高压架，高温高压的样水经过冷却装置冷却进入取样架，取样架上温度巡检仪实时监测样水的温度，样水经过人工取样架到达人工取样盘（这里有恒温装置，保证样水检测时各参数稳定） ，传感器测试产生的 4-20mA 的标准信号传递给现场仪表显示数据，并将信号传递给数据采集模块。下位机通过管理网络将数据传送给上位机监控系统和电厂的 DCS 系统。采样完毕，将废液从排污口排放出去。热电厂水汽采样的功能与作用如下表 2-1 所示：南京化工职业技术学院自动控制系毕业论文设计（
14、论文）16表 2-1 大型机组的水汽系统化学监测点的设置采样点部位测定参数主要作用凝汽器热井阳离子电导监测凝汽器泄漏电导率或钠、二氧化硅监测凝汽器泄漏，监测水质溶氧监测热井氧气装置的运行和空气泄漏情况凝结水泵出口pH 值监测为降低凝汽器腐蚀而添加的氨或其它碱性添加剂的量凝结水处理设备出口电导率、钠、二氧化硅pH 值监视凝结水处理设备运行工况和出水水质除氧器入口电导率、pH 值和溶氧监测水质以及监测空气漏入凝结水除氧器出口溶氧监测除氧器的运行省煤器入口(高压加热器出口)电导率、pH 值、钠、二氧化硅、联氨监测给水水质和加氨量，间接指示转移到给水中的腐蚀产物电导率、钠监测炉水品质，决定排污二氧化硅
15、保证蒸汽品质汽包下部(炉水)pH 值和磷酸根控制炉水 pH 值，防腐蚀、硅酸盐水解及劣化蒸汽品质，监控加药量汽包上部电导率、钠、二氧化硅监督杂质携带和炉水起泡情况主蒸汽管电导率、钠、二氧化硅监督蒸汽品质，指示锅炉腐蚀速度低压加热器疏水出口电导率、钠、二氧化硅、pH监测水质发电机内冷水电导率监测水质污染循环冷却水pH 值监督硫酸或盐酸添加量除盐水箱出口电导率或钠、二氧化硅监测水质污染本系统的取样点及监测项目有：凝结水泵出口：阳电导率表、溶氧表、PH 表、比电导率表、钠表除氧器入口：PH 表、阳电导率表、比电导率表、溶氧表除氧器出口： 溶氧表省煤器入口： PH 表、阳电导率表、硅表、比电导率表、溶
16、氧表过热蒸汽(左、右侧)：阳电导率表、比电导率表、硅表、钠表、PH 表分离器贮水箱出口： 阳电导率表再热蒸汽(左、右侧)：阳电导率表疏水泵出口：阳电导率表高压加热器疏水：比电导率表南京化工职业技术学院自动控制系毕业论文设计（论文）17闭式除盐水：PH 表、比电导率表发电机内冷水：PH 表、比电导率表凝汽器补充水：比电导率表2.32.3 化学加药系统化学加药系统原理原理化学水处理是发电厂的重要环节，只有对水进行适当的净化处理和严格的监督汽水质量，才能防止造成热力设备的结垢、腐蚀，避免爆管事故；才能防止过热器和汽轮机的积盐，而这些问题必须通过对给水进行加药来解决。化学加药的方法很多，加不同的药剂用不同的控制方法，常见的有双泵单控和三泵双控，三泵双控控制比较复杂但是控制效果好，下面以三泵双控的控制方法为例介绍加药的工作原理。原理图如图 2-2 所示。母母管管母母管管阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀监监测测器器监监测测器器泵泵1泵泵2泵泵3阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀计计量量箱箱计计量量箱箱变变频频控控制制箱箱排排废废图 2-2 加药系统原理图加药
