工业锅炉

第一章 绪 论

1.1选题背景及意义

由于我国总的能源特征是“富煤、少油、有气”，拥有丰富的煤炭资源，到 2000年已探明的煤炭储量达1145亿吨。煤炭因其储量大和价格相对稳定,在本世纪50年内，在我国的一次能源构成中仍将占主导地位。由此可见，在未来相当长的一段时期内，燃煤工业锅炉仍将是我国工业锅炉的主导产品。这与目前国外的情况相差很大。如：日本燃煤工业锅炉仅占总数的1%，美国和西欧国家约占l%～3%（石油危机后燃煤工业锅炉略有增加），俄罗斯燃煤工业锅炉较多，约占40%。

工业锅炉是我国主要的热能动力设备，使用面广，需求量大，在工业生产和 军民生活中扮演重要角色。据不完全统计，我国现有中、小锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的三分之一以上，堪称大耗能动力设备。随着国民经济的不断发展和人民生活的不断改善，锅炉台数还在不断增加。作为能源转换的重要设备，其工作情况的好坏直接关系到能源的利用率高低。目前我国中、小型锅炉以燃煤链条锅炉为主，燃料主要是煤炭，而且锅炉房管理水平不高，一直沿用间断运行方式，锅炉技术含量低，锅炉的自动化控制技术落后，处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态，尤其是燃煤排放的CO2气体所引起的温室效应， 早己引起国际关注。为了将我国建设成资源节约型、环境友好型社会，工业锅炉 的节能降耗、减少污染物生成和排放具有重大意义。近几年随着加入世贸组织以 及中国经济的飞速发展，如何提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，改善环境 是每个部门乃至每个公民关心的大事。为此对工业锅炉推广应用各种新技术、新 工艺、新管理是实现节能降耗、减少污染的重要途径。其中实现锅炉的自动化控 制不仅可大大节约能源，促进环保，而且可以提高生产自动化水平。 具体来讲,实现锅炉自动化控制的意义在于: (1)提高锅炉运行的安全性; (2)提高锅炉运行的经济性; (3)改善劳动条件;

(4)减少运行人员,提高劳动生产率\

今后，随着工业锅炉市场技术竞争的日趋激烈，锅炉自动控制系统的好坏己

成为决定锅炉性能的重要祛码。研究与开发功能完备、性能可靠的锅炉自动控制 系统，是适应锅炉生产发展需要，具有广阔的发展前景与研究价值。

1.2锅炉控制技术的研究现状及发展

1.2.1国内外研究现状

工业锅炉是一个比较复杂的工业设备，有几十个测量参数，控制参数和扰动 参数，它们之间相互作用，相互影响，存在明显的或不明显的复杂因果关系，而 且测控参数也经常变化，存在一定的非线性特性，这一切都为锅炉的控制增加了 难度。过去，我国工业锅炉(特别是燃煤锅炉)产品设计和制造往往是重锅炉本 体而轻燃烧和控制设备，很多锅炉所配置的运行监测仪表不全，尤其缺少显示锅 炉经济运行参数的仪表。因此，运行人员在调整锅炉时，往往由于缺少数据，不 能对锅炉的运行状况随时做出准确判断并实行相应的运行调整，使锅炉处于最佳 工况运行。控制水平很低，很多锅炉仍为位式或开环控制，没有实现连续闭环控 制，不能根据外界变化调节锅炉运行状态，无法使锅炉运行较快地适应工况的变 动和处于持续稳定状态，锅炉运行效率的保证和提高受到了限制。80年代中后期，随着先进的控制技术引入我国的锅炉控制以来，锅炉的计算机控制得到了很大的发展。至90年代，锅炉的自动化控制已成为一个热门领域，利用单片机、可编程序控制器、工业计算机以及引进的国外控制设备开发的各种控制系统，己逐渐用于对原有锅炉的技术改造中,并向新建炉体配套的方向发展,许多新的控制方法，诸如最优控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制等自动控制的最新成果也在锅炉自动控制中得到了尝试和应用。但由于控制技术单一，或控制算法的建模往往不能反映真实的锅炉状况，导致在工程实践中并不怎么成功，不能产生很好的经济效益，挫伤了用户在工业锅炉上用计算机进行控制的积极性。因此提高锅炉控制技术水平成为提高锅炉效率的重要手段之一。 如今在国外，锅炉的控制己基本实现了计算机自动控制，在控制方法上大都 采用了现代控制理论中的最优控制、多变量频域、模糊控制等方法，因此，锅 炉的热效率较高、锅炉运行平稳，而且减少了对环境的污染。

目前，锅炉控制的难点主要集中在汽包水位控制和燃烧过程控制，而锅炉各 种控制策略的研究工作也主要围绕这两个方面展开。虽然国内外控制科学与工程 领域的学者对工业锅炉的控制策略作出了深入的研究，取得了一些成果，但仍存

在一些问题。

锅炉系统是一个多参数、多回路、非线性、大滞后、强藕合的控制系统，加 上其蒸汽负荷变化的随机性，用传统的控制方法不能达到理想的控制效果。但是 一些熟练的操作人员、锅炉领域专家却能得心应手的进行手动控制，这就给基于 知识规则的模糊控制的应用提供了广阔的空间，因为模糊控制是一种模拟人的思 维的控制方法，它不要求受控对象的数学模型，能解决大量常规控制难以解决的 控制难题。因此，将模糊控制应用于锅炉的控制系统，具有较强的理论与实践意 义。

1.2.2控制技术的发展趋势

现代过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂， 对生态环境的影响也日益突出，这些都对控制提出了越来越高的要求。不仅如此， 生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重 要指标。因此，仅用常规仪表己不能满足现代化企业的控制要求。由于计算机具 有运算速度快、精度高、存储量大、编程灵活以及有很强的通信能力等特点，已 在过程控制中得到十分广泛的应用。锅炉作为一种典型的生产过程，其自动控制 水平己随着过程计算机系统的发展而发展。

从目前的趋势看，在大型企业中，过程控制计算机正成为一种把控制和管理 融为一体的综合自动化系统。它是在自动化技术，信息技术和各种工业生产技术 的基础上，通过计算机和网络系统将整个单位全部生产活动所需的信息和各种分 散的自动化系统有机的集成起来，形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求 多变性总体最优的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统，现已成为当前控制 领域的一个重要研究方向。现在，欧美大中型企业的过程控制领域中，集散控 制DCS（Distribute Control System)系统占有统治地位。DCS系统被广泛应用于冶金、电力、钢铁、化工等连续过程控制的工业领域，系统从几百个点到上万个点的规模不等。而国内的许多企业也开始纷纷采用DCS系统进行控制，摆脱了过去依靠人力在仪表盘前监控、操作的落后手段，应用DCS系统对提高国内工业自动化水平有着非常积极的意义。在控制技术方面，近年来，为了获得更好的控制性能，把基于数学模型的控制技术和基于经验知识的控制技术相结合的集成控制技术受到了重视，获得了广泛的研究。

因此，锅炉的自动控制当前正朝着多学科结合的计算机技术的应用，管理控 制一体化的趋势发展。

1.3论文研究的内容和意义

1.3.1论文研究的内容

纵观目前对工业锅炉控制策略的研究及缺点和现有工业锅炉运行状况，本文的目的在于探讨一种简单实用，易于调整，收效高的锅炉控制方案，主要手段是 采用模糊智能控制方法，将人的经验与推理相结合，形成一种新的对锅炉控制实 用的算法。首先收集并分析相关技术资料，综合考虑Profibus、工业以太网技术发展和工业燃煤锅炉控制系统特点的基础上，提出整体性技术解决方案，为系统研发做好必要的准备工作。该系统将PLC、组态软件与工控机相结合，并应用模糊自适应PID和模糊自寻优算法，以实现锅炉汽包水位、燃烧过程自动控制，以达到节能增效，促进企业生产管理的信息化建设，提高企业竞争力的目的。 论文的研究内容主要包括：

(l)本课题的研究背景、意义和工业燃煤锅炉控制系统发展现状。 (2)对锅炉产生扰动的主要因素及调节原理进行分析，依据控制对象特性 是比较复杂的、不确定性的非线性系统并且具有时滞性，将模糊自适应PID控制 算法应用于汽包水位控制中，以达到良好的控制效果；根据锅炉燃烧的动态特性， 从提高热效率入手，探索风煤比自寻优方法，提出锅炉燃烧过程的控制算法。 (3)控制系统整体构成是以DCS集散控制系统形式为基础的网络结构，从 生产过程管理和控制两个方面综合考虑实现总体目标最优化出发，系统采用 Profibus一Dp现场总线和工业以太网(Industrial Ethernet)分散式集中控制系统(DCS)进行热工监视与控制，并配以少量二次显示与操作仪表,使系统构成更完善、更合理。

(4)运用WinCC组态监控功能，实现生产现场的动态监控，使其具有良好 的人机界面、清晰直观的组态图形，使得操作人员通过计算机屏幕对现场情况变 化一目了然。

(5)在工业控制系统的设计中，如何有效的实现智能控制算法，一直是工 业自动化控制领域普遍关心的问题。本文将从PLC编程、组态软件和OPC技术作 为研究切入点，对提出的智能控制算法在锅炉控制系统中的实现方法进行探索。