關于DCS系統在循環流化床鍋爐控制中的應用探討

摘要:文章簡要介紹了循環流化床鍋爐存在的問題，然后結合實例來探討了DCS系統在循環流化床鍋爐控制中的應用，包括工藝要求、控制系統的設計、設備選型、軟件組態和控制系統的運行等內容。

關鍵詞:DCS系統 循環流化床鍋爐 過熱蒸汽溫度控制

1 循環流化床鍋爐概述

循環流化床鍋爐是一項新型燃燒技術，我國仍在對其設計制造技術和熱工控制策略進行不斷探索。與普通鍋爐一樣，循環流化床鍋爐也有多參數、非線性、多變量緊密耦合等特點，其輸入輸出變量甚至更多，耦合關系也更為復雜。一旦鍋爐負荷或任一輸入量發生變化，所有輸出量都會發生變化。所以對循環流化床鍋爐應采用多回路的控制系統，以保證各調節量在系統受到擾動時能同時協調動作。由于給水流量與其他變量間的耦合關系較弱，因而可將給水系統單獨獨立出來進行設計，并且兼顧與其他子系統之間的協調。通常可將整個大的循環流化床鍋爐系統分為給水控制系統、燃燒控制系統、過熱蒸汽溫度控制系統和主汽壓力控制系統等幾個相對獨立的控制子系統。

其中過熱蒸汽溫度控制是電站鍋爐的一項重要控制任務，它對電廠的安全經濟運行有著重要的影響。應保護過熱器，并維持過熱器出口蒸汽溫度在允許范圍內，管壁溫度也不超過允許的控制溫度。溫度過高，可能造成過熱器和蒸汽管道等處的損壞;溫度過低，會降低熱效率并影響汽輪機的正常運行。目前多采用噴水減溫器來對循環流化床鍋爐的汽溫進行控制，而這種方法通常存在滯后性。而且過熱汽溫的擾動因素較多，如減溫水溫度、減溫水流量、煙氣溫度等都會對其產生影響，所以氣溫的調節也比較困難。鍋爐主蒸汽溫度控制系統可有效解決這一問題，它是由主調節器和副調節器組成，二者組成一個串級控制系統，前者接受主蒸汽溫度信號并通過比較運算輸出至后者，后者接受信號時，還接受減溫水流量反饋信號，從而實現對主蒸汽溫度的校正，保證了主汽溫度的準確性。

鍋爐汽包水位調節也很重要，其主要目的是使給水量與鍋爐蒸發量相平衡。如果鍋爐汽包水位過低，會損壞鍋爐，甚至引起爆炸;汽包水位過高，則會使蒸汽帶液，損壞汽輪機葉片。

基于上述理論，本文將結合實例探討DCS系統在循環流化床鍋爐控制中的應用。

2 循環流化床鍋爐工藝要求

在某公司電站DCS系統項目中，其電站由三個鍋爐和兩臺汽輪機構成，鍋爐是一種自然循環的水管鍋爐。燃燒系統由高溫旋風分離器、返料器、流化床、膜式壁組成，過熱器分Ⅲ級布置，尾部設三級省煤器和一、二次風預熱器，中間設I級噴水減溫器。

系統的工藝參數為:額定蒸汽溫度450℃，額定蒸發量75t/h，額定蒸汽壓力5.29MPa，給水溫度104℃，一、二次風預熱溫度均為200℃，適用燃料為無煙煤、煙煤、貧煤、褐煤，熱效率86-90.52%，燃料的顆粒度要求<13mm。溫度控制在450±10℃以內，在動態時汽包液位控制10%以內。本文將設計DCS系統來滿足該工藝要求。

3 控制系統的設計

3.1 制定控制策略 采用減溫水流量做副調回路來控制循環流化床鍋爐的過熱器溫度，其效果較好，并且采用單沖量調節系統來應付給水控制子系統的低負荷狀況。當出現“虛假水位\"現象時，為保證主蒸汽壓力穩定，可通過自動或手動的方式將給水控制系統切換到三沖量調節系統。實驗發現，當負荷大于30%時，可用由汽包水位、蒸汽流量和給水流量組成的三沖量串級調節系統來調節給水閥，從而有效控制使汽包水位，使其達到機組運行的要求。其中經汽包壓力補償后的汽包水位信號作為主調的輸入，而給水流量信號與經過溫度、壓力修正后的蒸汽流量信號一起作為副調的反饋輸入。為了保證給水控制系統的有效工作，在異常情況下，系統會自動切換到手動操作。

3.2 控制系統的設備選型 目前國內外都有很多DCS廠商，國外產品質量好，但造價較高。本設計中采用浙江中控集團ECS-100系列DCS系統。該系列突破了傳統控制系統的層次模型，采用了新型的WEB化體系結構，實現了多種異構系統綜合集成的“網絡化控制系統”，如各種國內外各種DCS，PLC等控制設備和智能化儀表均能用于該系統中，它們不僅能共享系統中成員的過程信息，也可相互獨立地工作。

3.3 控制系統的主要功能 本系統主要有以下功能:①顯示功能，該系統能顯示流程圖畫面、回路操作畫面、重要參數的歷史曲線及趨勢、報警信號等信息。②塊自診斷功能，能從畫面檢查模塊狀態。③手/自動切換功能，回路操作界面有手動、自動功能，以便根據需要來選擇適當方法對現場執行機構進行調節。④報表功能，能自動對班報、日報、月報，報表進行定時、隨時打印。⑤報警功能，能將報警信息集中反映在操作畫面中并打印，甚至發出聲光報警。⑥控制功能，能實現風量調節、爐床溫度調節、主蒸汽溫度調節、爐膛壓力調節、床壓調節、高低壓加熱器水位調節、起動燃燒器流量調節;對除氧器液位、壓力調節、連排擴容器水位調節;還能對現場重要設備之間實現聯鎖保護功能，以保證生產的安全性。

4 控制系統的結構

本文中的DCS系統上位機采用五臺監控機，并用系統組態軟件包作為人機界面應用軟件。本DCS監控系統能對主要設備及工藝參數進行自動化控制，主要包括流程圖、調節圖、歷史趨勢等。

上位機通過TCP/IP協議、以太網連接，下位機控制器采用浙江中控FW243主控卡，它具有靈活的報警處理和信號質量碼功能，并且可帶多達128塊I/O卡，可通過SBUS實現I/O功能。I/O卡件采用最新的高精度采樣技術，所有卡件都具有獨立的AD、DA轉換器，使得各電路通道相互隔離。該系統采用雙機冗余備份，以便實現CPU出現故障時的自動切換，使得系統的安全性更高。

ECS-100控制系統的網絡結構可分為過程控制網絡和I/O總線(SBUS)這兩層，前者用高速冗余工業以太網SCENT，并直接連接操作員站、工程師站、接口單元。各通訊接口數據傳輸遵循TCP/IP協議，數據轉發卡與I/O卡通過SBUS進行信息交換。

5 上位機軟件組態

5.1 上位機監控畫面的設計 上位機監控畫面的設計主要包括流程圖的制作、報表的制作、趨勢設置、總貌畫面制作和一覽畫面制作等內容。流程圖是控制系統中用于顯示操作對象的整體流程和工作狀況，是最重要的監控操作界面。

5.2 監控畫面操作 ①參數調整。各種回路參數，如手自動切換、PID調節參數、回路給定值SV、調節器正反作用設置、回路輸出閥值等都可在參數設置操作界面上設置。②報警操作。報警監控方式包括聲光報警、光字牌、報警一覽、流程圖動畫報警等形式。③故障診斷。監控畫面能完成主控卡診斷、數據轉發卡診斷、I/O卡診斷和控制站基本信息診斷。

5.3 安全管理 為防止操作員隨便操作，可通過安全組態設置不同的用戶和密碼。可設置操作員和工程師兩種用戶，操作員只能監控，不能進行修改和組態，而工程師可修改組態的內容和PID參數。

5.4 組態的下載與傳送 從工程師站上將組態內容編譯后下載到控制站，即為組態的下載。組態傳送是從工程師站將編譯后的、SCC控制信息文件、IDX編譯索引文件、.SCO操作信息文件等通過網絡傳送給操作員站，然后由操作站完成組態的更新與監控的重調。組態傳送時不影響操作站的運行。

6 控制系統的運行

6.1 系統投入運行前的準備 系統投入運行前，要進行熱工測量，并對控制和保護系統進行調試，使其達到點火要求;對一、二次風機、返料風機、引風機進行調試，DCS系統所有手動裝置進行調試，對現場各種檢測儀表和執行器進行測試，所有這些條件符合后方可啟動鍋爐。鍋爐啟動低負荷運行時，以手動方式控制;待各項工況比較穩定后，如待負荷穩定，給水流量穩定，主汽壓力滿足要求時，便可使汽包水位的自動調節系統投入自動運行。

6.2 主要設備的特性要求 控制系統中最主要的設備是調節閥，其特性(主要是相對開度和通過閥的相對流量之間的關系)對控制的效果影響極大。調節閥的特性數據一般由生產廠家提供，因為調節閥的試驗對工況影響較大，在穩定運行期間無法完成。本系統閥門應滿足這些要求:流量隨位移的變化關系在有效行程內比較均勻;閥門全開時最大流量為鍋爐額定負荷的1.1～1.2倍;改變流量的有效行程范圍在全行程的70%以上。

6.3 系統投運之前的檢查 控制系統上電之前，應將變送器的量程校準，查看調節閥動作是否正常，信號的測點位置是否準確，各個模塊之間的接線是否符合要求，各節點是否接觸良好。上電后，檢查手/自動切換是否靈活，檢查執行器動作方向和閥位指示是否正確。

6.4 過熱器溫度自動系統投入 將系統過熱器溫度控制在450±10℃，系統投入自動的過程包括主、副回路的調整。經多次試湊，外回路參數P=45%，I=8，內回路參數P=90%，I=5。隨現場情況變化不斷做出微調，以找到更優的控制參數。

6.5 汽包水位自動系統投入 汽包水位設定值為0mm，穩定區間為±10mm，死區為±5mm，系統投入自動的過程包括內、外環的參數整定，此過程需反復整定。由于現場工況可能發生變化，所以控制工程師還要根據現場的情況對PID參數進行微調。

4 結束語

文章從循環流化床鍋爐DCS控制系統的設計、硬件選型、軟件組態到投入運行，介紹了DCS系統在循環流化床鍋爐中的應用過程。本設計能滿足主蒸汽溫度及水位自動控制的要求，能有效的實現鍋爐汽包水位和主蒸汽溫度控制的自動調節，并且自動控制系統能保持鍋爐系統的穩定運行，保證生產的安全。

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