《600MW直流锅炉DCS控制系统分析与研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《600MW直流锅炉DCS控制系统分析与研究（57页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、引 言随着单机发电容量的增大和电网容量的迅速扩大，我国已进入大电网、大机组、高参数、高度自动化的时代。并且由于300MW、600MW及以上大容量、高参数机组的新技术发展迅速，装机数量日益增多，机组对热工自动化水平的要求越来越高。另外由于微电子技术的迅猛发展，大型自动化装备的现代化程度快速提高，促使大型火力发电厂现代热工自功化技术发展迅猛。20 世纪 70 年代中期，以计算机技术（Computer）、通信技术(Communication)、控制技术(Control)和显示技术为基础的计算机分散控制系统（DCSDistributed Control System）的问世和其技术的日臻完善，分散控制
2、系统广泛应用于大型发电机组的自动控制中，并将热工自动化水平推上了崭新的台阶，取得了十分显著的经济效益和社会效益。我国建国以来，随着机组容量的增大，参数的提高，对于机组安全经济运行的要求越来越高。火电厂的自动化系统迅速发展，其功能已从单台辅机和局部热力系统发展到整个单元机组的监测与控制，并且随着整个单元机组自动化的不断完善以及电网发展的要求，火电厂热工自动化的功能正和电网调度自动化相协调，以实现电网的自动化。由于DCS具有可靠性高、系统配置灵活、使用维护方便等特点，新建大机组均采用分散控制系统，这不但保障了设备安全、提高了机组经济性、减轻了劳动强度、改善了劳动条件，而且为先进控制方法在热工过程控
3、制中的应用提供了便利的条件。DCS的结构按纵向划分，可分为过程控制级、过程管理级、生产管理级和经营管理级。随着可编程控制器（PLC）性能不断完善，其在DCS中得到了广泛的应用。近期又发展了新的全开放、全分散、可操作的系统现场总线控制系统（FCS），已开始应用于DCS的过程控制层。目前DCS的功能不断向上、下2个方向延伸,向上延伸到SIS，向下延伸到FCS,使DCS彻底分散。由于开放式结构、集成技术以及工业控制出现的大统一趋势，极大地影响并推进了分散控制系统的发展。因此分散控制系统的发展趋势是： (1)系统概念进一步拓宽分散控制系统的概念进一步拓宽，既包括传统分散控制系统厂家推出的新一代系统，也
4、包括由PLC、通用网络构成的系统。(2)朝开放化、控制与管理一体化方向发展工厂自动化要求各种设备(包括计算机、分散控制系统、PLC和单回路调节器等)之间相互通信，以形成个人系统。这就要求分散控制系统的通信向开放化和标准化方向发展，即采用为世界各国所接受的标准化协议。无法与其它系统通信的分散控制系统将很难具有生命力。开放化与标准化使得面向控制的分散控制系统与面向生产调度与管理的管理信息系统MIS可以互相传递信息，出现了将分散控制系统与管理信息系统集成在起的计算机集成制造系统CIMS和计算机集成过程控制系统CIPS，这些系统使工厂自动化水平大大提高、形成现代工厂的计算机控制与管理一体化。(3)现场
5、总线技术的应用，使体系结构进一步分散化 智能仪器、智能电子设备的大量采用，现场总线技术的逐步成熟，将使分散控制系统的体系结构进一步分散化，直接数字控制将深入到每一个控制回路、现场设备。(4)发展集成分散控制系统 近年来，计算机控制系统出现了系统集成的新概念。即将不同厂家生产的、具有标准化通信协议的各类工作站、CRT操作站、计算机等都作为以微处理器为基础的数字设备，用标准化的网络，按系统优化及价格效能原则构成能完成特定控制和管理任务的集成分散控制系统。PC机功能越来越强，价格越来越低，致使分散控制系统厂家纷纷采用PC机构建系统。PC机在分散控制系统中的应用，极大地提高了系统的功能和性能，尤其是软
6、件资源、网络支持、图形处理能力方面。(5)采用人工智能技术人工智能特别是知识库和专家系统将广泛应用于分散控制系统：从直接控制级到工厂经营管理级,从而实现智能PID自整定控制，智能人机接口，智能实时数据采集，专家故障诊断，生产计划和调度专家系统，过程优化专家系统，控制系统LAD专家系统，仿真培训专家系统，智能在线维修等。第一章 火电厂热工自动化概况1.1 火电厂热工自动化简述火电厂热工自动化是指在无人直接参与的情况下,通过自动化仪表和自动控制装置(包括计算机和计算机网络)完成火电厂热力过程参数测量、信息处理、自动控制、自动报警和自动保护。它是保障设备安全、提高机组经济性、减轻劳动强度及改善劳动条
7、件的重要技术措施。由于微电子技术的迅猛发展，大型自动化装备的现代化程度快速提高，促使大型火力发电厂现代热工自功化技术发展迅猛。600MW及以上大容量机组的特点是监视点多、参数变化速度快和被控对象数量大，因此，大型发电机组必须采用完善的自动化系统。120 世纪 70 年代中期，以计算机技术（Computer）、通信技术(Communication) 、控制技术(Control)和显示技术为基础的计算机分散控制系统（DCSDistributed Control System）的问世和其技术的日臻完善，分散控制系统广泛应用于大型发电机组的自动控制中，并将热工自动化水平推上了个崭新的台阶，取得了十分显
8、著的经济效益和社会效益。随着我国经济的发展，能源形势日趋紧张，对于火力发电行业发展大容量、高参数的大型机组己经成为首选。现代化大型发电机组有下列一些特点: 2（1）热力系统庞大，生产过程复杂。单元机组的各个生产环节之间有着密切的联系，各局部生产过程之间的状态相互影响较大，而且各主要生产设备的动态特性之间存在着很大的差异，它们对负荷指令的响应速度是不一致的。（2）由于单机容量大，它的辅机和辅助设备数量多，容量大，结构也复杂。（3）生产工况变化多、操作频繁和复杂。大机组需要监视的测点数量相当多，特别是在机组的起停和事故处理过程中，机组处于不稳定的状态下工作。各种参数不断迅速变化，在同一瞬间需要同时
9、进行几个参数的监视和操作，甚至有时要求运行人员在几分钟内完成几十个操作动作，稍有贻误就容易造成重大事故。（4）大型机组的控制对象和参数多，控制机构多，各种扰动也多。一些参数之间是相互关联着的，一个控制机构动作，会影响很多被控参数变化。1.2 DCS控制系统在火电厂的应用概述随着单机发电容量的增大和电网容量的迅速扩大，我国已进入大电网、大机组、高参数、高度自动化的时代。由于300MW、600MW及以上大容量、高参数机组的新技术发展迅速，装机数量日益增多，机组对热工自动化水平的要求越来越高。国内300 MW及以上火电机组已普遍采用DCS（Distributed Control System,分散控
10、制系统）,提高了运行的安全性和经济性。分散控制系统（DCS）因能充分体现分散控制与集中操作管理的思想，并以先进的技术、丰富的控制功能、友好的人机界面和愈来愈可靠的工作性能等优势，近年来占据了大、中型火力发电机组机炉主控的自动化领域。单元火电机组集控运行，开始主要是DAS、MCS、SCS和吹灰程控，对于炉膛安全保护（FSSS）和汽轮机数字电液控制（DEH）等安全和快速性要求很高的系统，尚不能覆盖。随着DCS应用于火电厂各工艺过程及各系统的研究和实践不断深入，DCS硬件和系统软件得到不断的开发和升级，FSSS、DEH、SOE等才逐渐由DCS组态实现，使机、炉的主要设备和系统均处于DCS的统一监控管
11、理之下。对于电气系统，将其纳入DCS进行监控，有利于实现机、炉、电一体化控制而成为一种趋势。目前，除发电机保护以外的电气控制也已开始纳入了DCS。DCS的应用为电厂利用现场实时数据建立高层次的管理决策系统（MIS和SIS）提供了可能。320世纪80年代中期，我国开始随进口的大型火力发电机组引进具有国际先进水平的分散控制系统，如美国西尾公司WDPF，贝利公司的Network90和INFI90，日本日立公司的HIACS3000等。主要用于火电厂局部自动化系统的实现，如协调控制系统(CCS）、数据采集与处理系统（DAS）、汽轮机数字式电液控制系统（DEH）等。目前，DCS在大型火力发电机组中得到了普
12、遍的应用，并覆盖了整个发电机组的所有自动化功能。DCS的应用大大提高了我国热工自动化的水平。近几年随着现场总线技术的兴起，DCS制造商也吸收采纳了现场总线技术。目前所有的第四代DCS都包含了各种形式的现场总线接口，可以支持多种标准的现场总线仪表、执行机构等。在国外大型火力发电厂己经应用了现场总线技术，最典型的应用是德国尼德豪森电厂2950MW机组的DCS系统。整个机组的DCS系统中由于采用了PROFIBUS现场总线技术，实现了现场设备智能化，设备状态和状态信息都能通过总线传输到OCS系统中，是目前全球范围智能化程度最高，采用总线技术最全面，装机容量最大的机组。在国内有极少数新建电厂在局部系统采
13、用了现场总线设备。可以预见，未来几年现场总线技术将大型火电机组中得到广泛应用。4第二章 直流锅炉简介直流炉中的工作介质是强制性一次流过的，所以蒸发受热面可以较自由地布置。蒸发受热面的不同布置方式是本生型、拉姆辛型和苏尔寿型三种直流炉炉型主要区别的标志之一。2.1 直流炉的工作原理5直流锅炉与汽包锅炉的区别在于汽水流程的不同。为了更清楚地说明直流炉的工作原理，先简单介绍一下汽包锅炉的工作原理。汽包锅炉的汽水流程如图2-1所示。给水由给水泵经省煤器进入汽包，是一次流过的。汽包中的水经下降管进入水冷壁(蒸发段)，加热后部分水蒸发，产生的汽水混合物上升到汽包，进行汽水分离。分离出的蒸汽经过加热器进一步
14、加热后，进入汽轮机做功；分离出来的水经下降管流回蒸发段再次吸热、蒸发；如此反复循环。汽包、下降管和水冷壁组成了炉水循环小回路。在这小回路里，炉水循环的动力并非来自给水泵，而是基于重力作用下下降管逐水的密度与水冷壁受热面里汽水混合物的密度差造成的压力差，即形成自然循环。图2-1 汽包锅炉汽水流程示意图汽包锅炉的循环倍率K用下式表示：K=W/D式中W进入水冷壁的水流量D水冷壁出口的蒸汽量汽包锅炉的循环倍率一般为1030，不同负荷时循环倍率也不同，负荷越低，循环倍率越大。汽包锅炉的蒸汽压力由燃烧率和汽轮机调节汽门来控制。汽包把整个锅炉的汽水流程分隔成三部分，即加热段(省煤器)、蒸发段(水冷壁) 和过
15、热段(过热器)。这三段受热面面积的大小是固定不变的。汽包除作为汽水的分离装置外，其中的存水和空间容积还作为燃水比失调的缓冲器。直流锅炉没有汽包，工质一次通过蒸发部分，给水泵强制一定流量的给水进入炉内，一次性流过加热段、蒸发段和过热段，然后去汽轮机。它的循环倍率始终为1，与负荷无关，如图2-2是其汽水流程示意图。 图 2-2 直流炉汽水流程示意图直流锅炉的特点是在省煤器、蒸发部分和过热器之间没有固定不变的分界点，水在受热蒸发面中全部转变为蒸汽，沿工质整个行程的流动阻力均由给水泵来克服。给水泵出口水压通过上述三段受热面里的工质，直接影响出口汽压。所以直流炉的汽压是由给水压力、燃料流量和汽轮机调节汽
16、门共同决定的。直流炉汽水流程中的三段受热面没有固定的分界线。在不同负荷时，由于给水温度变化等原因，使三段受热面的吸热量分配比例及与之有关的三段受热面面积之间的比例都发生了变化。2.2 直流锅炉的基本特点6直流锅炉的基本特点分为：本质特点，蒸发受热面中的工质流动过程特点，传热过程特点，热化学过程特点调节过程特点，启动过程特点，设计、制造、安装特点等。直流锅炉的本质特点是其没有汽包；工质一次通过，强迫流动；受热面无固定界限。蒸发受热面中的工质流动过程特点：首先是受热不均对流动过程的影响。自然循环锅炉具有自补偿能力，即受热强的管子，循环流速大，而强制锅炉没有自补偿能力，即受热强的管子，流动速度小；其次是水动力特性呈多值性。在热
