燃煤动力锅炉气力除灰控制系统的设计与实现
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
燃煤电厂是我国电力产业的支柱，其数量比水电、风电等其他类型电厂要多，产能在我国总发电量中也占到了 80%以上。可是在带来巨大经济效益、加速经济发展的同时，对环境造成的污染也日趋严重。燃煤火力发电厂在发电的过程中，许多设备如循环流化床锅炉等会产生大量的飞灰或粉煤灰，如 SO2、NOx等有害粉尘，不但会对人体产生危害，使人诱发呼吸道疾病，还对建筑物有腐蚀作用，这些污染物对环境的影响也是十分恶劣的，其对环境的危害相当巨大。因此如何处理粉煤灰，关系到环境保护、能源资源的节约与综合利用等很多方面。
近十几年来，国内外科研技术人员在对粉煤灰二次利用的研究和实践中取得了长足的进步。干粉煤灰在烧结砖瓦、水泥添加剂、公路建设等方面都有了很大的用途。随着对粉煤灰二次利用的研究，许多行业对其需求量也日益增大，因此也为粉煤灰开辟了前所未有的的市场。这样，除灰系统的投入就并非除灰那么简易了，还能创造可观的经济效益。因此如何快速并大量地将粉煤灰从电厂运出，还要以保证燃煤机组能够安全稳定运行为前提，成为了十分关键的环节。于是，如何将粉煤灰高效地从电厂运输，如何尽量好地回收粉煤灰就成了一门课题。粉煤灰的衍生价值不仅使其变废为宝，其安全排放对人类自然环境的保护也做出了突出的贡献。目前，大容量机组燃煤电厂正大规模地在我国兴建，对环境保护这一问题也就提出了更加严峻的挑战，电站脱硫、除尘、除灰、化学水处理工艺也面临了技术升级改造的新局面。
粉煤灰有三种主要的排放方式，一种叫做湿法除灰，一种是人工干除灰，另外一种叫做气力除灰。湿法除灰是过去比较通用的手段，这种方式有很多不足之处，首先它的耗水量大，其次需要占用大量的面积来囤积灰堆，因此，无论从除灰效率还是成本方面都不是一种行之有效的办法，对环境污染也过高。因此，湿法除灰方式已渐渐被排除。人工干除灰方式，顾名思义，就是用人力来将灰运走，这种方式会导致操作人员工作强度大，对其身体也造成了隐患，而且动用的人力也多，除灰效率很低。因此，这种除灰方式也不可取。
1.2 国外研究现状与应用
1.2.1 德国 Mller 双套管系统
上个世纪80年代中期，Mller公司设计了一种输送系统，称作气力紊流双套管系统，顾名思义，双套管就是在输送管道内部嵌入一个内管，即大管套小管;，设计此款系统的初衷就是防止管道内的粉煤灰堆积堵塞，因为当管道堵塞时，会严重影响系统工作效率，而且处理管道堵塞的工作量也很大，过程繁琐，费时费力，此双套管稳流系统能有效地避免管道堵塞的情况发生，保证系统运行效率。该系统的原理是：物料团在管道内移动时，由于内部套管的作用，会降低其运动速度，迫使其进入到内管中，接着物料团从内管的开口处出来，形成了一个紊流，这个紊流能迫使物料不堆积，从而防止管道堵塞的情况发生。
飞灰经过电除尘器除尘后，直接落入压力罐中，这种压力罐通常由一个或者几个连在一起形成一个输送单元，共用一根输灰管道，再由多个单元组成系统，这样做的好处是可以使密封部件尽可能多，从而阀门需求量大大减小。压力罐的数量可以由实际需要进行选取，数量可以达到50个或更多。粉煤灰输送时，每个压力罐先满载，然后通过共用的双套管紊流系统来运输，运输距离较长，可不需要分级输送。该系统的输送原理和一般的气力输送系统类似，也是通过高速高压的压缩空气将物料团带动并传输。
在国外这种系统运用的较为广泛，国内将这套系统引进之后在多个省市的电厂运行，效果很好，比国内常用的密相;系统在运行上更加的稳定、可靠。
第2章 气力除灰控制系统方案总体设计
2.1 气力除灰系统工艺
气力除灰系统主要包涵电除尘器（通常含有若干电场）、灰斗（连接锅炉烟道）、仓泵（储灰装置）、灰斗气化管路（使飞灰气化保温）、仓泵进气管路（压缩空气）、输灰管路（运送粉煤灰）这六大部分，工艺流程如图 2-1 所示。从图中可以轻易看出，系统有 2 台锅炉，每台锅炉落下的灰都要经过 3 个电除尘器来除尘，每个电除尘器下方连接 1 个灰斗，每个灰斗下方连接 l 台仓泵。煤燃烧后的灰通过各级电场除尘后落入灰斗，灰斗与仓泵之间有阀门以保障输灰过程的密封性，输灰开始后阀门关闭，粉煤灰经由输灰管路在压缩空气的带动下进入到灰库中，过剩的空气会经布袋除尘器返回大气。
图 2-2 所示为气力除灰系统流程框图。图中所示的三条管路分别叫做灰斗气化管路、进气管路以及输灰管路，灰斗气化管路是将热压缩空气送进仓泵内使粉煤灰气化并保持一定温度，防止其遇冷结块，影响除灰效果；进气管路是输送压缩空气的管路，作为气力输送的动力源，它与输灰管路相通；输灰管路就是输送粉煤灰的管路，它与灰库相连，当粉煤灰经由输灰管路到达灰库顶端时，库顶卸料阀打开，粉煤灰即落入灰库中。
2.2 气力除灰程控系统
图2-3为电气控制系统结构图。
从图中我们就可观察到，PLC 是现场设备与操作员之间的纽带，PLC 与现场设备之间通过电缆相连，通过变送器或开关量信号采集现场设备的信号，诸如温度，压力，阀门开断等情况，将信息反馈给主控计算机（操作员），然后PLC 通过采集到的信号来运行程序，按照程序响应结果再把指令发送到现场设备加以控制，这就是PLC的实际功能。本气力除灰控制系统中，PLC所控制的主要设备是输送风机、气化风机、仓泵、电加热器以及阀门。
第3章 气力除灰系统的实现 ................... 11
3.1 背景 ............ 11
3.2 控制系统组成 ................ 11
3.3 控制系统配置 ....................... 12
第4章 动态矩阵控制算法的研究 .................... 24
4.1 引言 ............... 24
4.2 动态矩阵控制(DMC)算法 ................ 24
第5章 动态矩阵控制算法PLC 实现 ......................... 40
5.1 气化风机系统 ................... 40
第5章 动态矩阵控制算法PLC实现
在上一章中，通过系统地研究动态矩阵控制算法，分析了该算法在控制功能上的特性，总结出动态矩阵控制算法适用的对象，尤其对带有滞后性对象效果良好，控制性能可满足本工程的需要。本章将该算法应用到控制气化风机系统电加热器出口温度的优化与实现上。
5.1 气化风机系统
气化风机系统本体画面如图5-1所示。
气化风机系统的核心装置是加热器，为什么呢，因为气化风机系统是给灰斗中的粉煤灰加热气化，防止粉煤灰集结成块的，加热器的温度至关重要，必须使其维持在一个恒定的范围内，一般为82℃至85℃之间。如果温度低于此范围，会造成粉煤灰集结成块，造成仓泵堵塞，输送过程当中会增大阻力，磨损输灰管道，时间长容易造成堵管，降低输送效率，增大成本；如果温度过高，会浪费电能，降低加热器的使用寿命。
结论
本文以老挝HONGSA 3X626MW燃煤电站工程为背景，根据实际需要，利用上位机与可编程控制器为平台，开发出了一套气力除灰系统。
本文的主要工作是设计并实现这个气力除灰系统，在此基础上，对该系统进行了控制功能上的优化，通过学习动态矩阵控制算法的关于理论，把算法在MATLAB 软件上仿真，对算法的每个重要参数都做了详细的讨论，并且得出的仿真曲线说明算法的控制效果很好。最后将这种算法应用到以PLC 为平台的气化风机温控系统中，将 DMC 算法写入下位程序中，最终解决了对于带有大时滞对象的控制问题。
本文主要完成了以下工作：
1．以奇艺公司生产的 RX7i 与 RX3i 控制器为核心，通过上位软件 IFIX4.0与下位程序PME以及系统需要的各种硬件设备，设计了一套气力除灰系统，经过现场实际运行调试，使系统能够稳定的运行，提升了电厂整体的自动化水平，并且在环境保护，节能方面有了较大提高。笔者也从了解工艺、设计图纸到下位组态、上位监控、现场调试方面有了更高的认识，掌握了很多知识，取得了很多宝贵的经验。
2．分析了动态矩阵控制 DMC 算法的基本原理，选取带有滞后性的模型，并在MATLAB下进行了仿真，给出了动态矩阵算法的M函数，得到动态系数向量 a、动态矩阵A 并对控制系统进行了优化，得出的仿真曲线说明算法控制效果很好。之后选取不同类型的模型分别用动态矩阵算法进行仿真，仿真结果标明针对不同模型，该算法都能对其进行有效的控制。还对控制算法的鲁棒性进行了分析，扰动因素主要体现在动态系数向量的偏差，通过对不同系数向量的仿真，说明该控制算法在系统模型失配时也能有效的进行控制。最后研究了算法参数的选取问题，通过仿真或者计算进行研究，给出了每一种参数整定的基本规则。
3．以奇异公司的 PLC 产品为平台，该产品功能强大，可靠性高，接口方便，设计方便灵活，性价比高，能够完成庞大的运算任务。针对气化风机系统电加热器出口温度这种复杂的带有大时滞且非线性的控制对象，以动态矩阵控制算法为手段，设计出适宜本系统的动态矩阵控制算法，并以PLC 为平台应用到温控系统上，取得了理想的控制效果。说明 DMC 算法适用于这种带有大时滞且响应慢的系统。
参考文献（略）