DCS系統在流化床鍋爐中的應用

胡海廣 王勇軍 河南永銀化工實業有限公司，河南 漯河 462400

DCS系統在流化床鍋爐中的應用

胡海廣 王勇軍 河南永銀化工實業有限公司，河南 漯河 462400

針對一種全新在流化床鍋爐生產過程中進行監視、操作、管理和分散控制的分布式計算機控制系統—集散控制系統（DCS）的應用情況，主要分析了DCS在鍋爐系統中的特點、配置、網絡結構和功能運用。鍋爐DCS系統投運后，運行良好，各項功能達到設計要求。

鍋爐；集散控制系統（DCS）；網絡結構；模擬量控制系統

boiler ；dcs；network；modulating control system

引言

集散控制系統DCS（Distributed Control System）,又稱分布式控制系統，是七十年代以來出現的一種新型控制系統。這種系統以微處理器為基礎，應用了網絡通訊技術、計算機技術、過程控制技術以及CRT技術，采用了先進的控制功能分散、操作管理集中的特點，能適應不同的應用規模和要求，便于設計、維護和集中使用。因此得到了迅速發展和廣泛應用。

近年來，循環流化床鍋爐作為常見的電廠燃煤爐之一，具有燃燒效率高、污染物排放低、對煤種適應范圍廣的特點[1]。由于鍋爐系統復雜，自動化水平要求高，為保證安全穩定運行，提高工業鍋爐的熱效率、降低耗煤量、降低耗電量，降低勞動強度，河南永銀化工實業有限公司新建的一臺75t/h循環流化床鍋爐，采用杭州和利時自動化有限公司的“HOLLIAS電廠自動化控制MACS V分布式DCS控制系統”。

1 工藝流程

鍋爐系統主要包括：給水系統、給煤系統、燃燒系統、汽水系統、排污系統等。

燃料煤經皮帶落到煤斗中，經爐前給煤機、播煤風將燃料煤送入爐膛中，燃料燃燒所需要的空氣由鼓風機經風室送入爐膛，風量和燃料量成正比（風煤比），以便進行充分燃燒，形成高溫煙氣。燃燒剩下的灰渣在爐膛內下落到冷渣機，經冷卻后外排。在爐膛周圍墻面上都布置著一排水冷壁，鍋爐爐膛出口布置有過熱器、省煤器和空氣預熱器等，燃料燃燒時的高溫煙氣受引風機的引力向爐膛上方、鍋爐尾部流動，高溫煙氣與水冷壁、過熱器、省煤器進行強烈的輻射換熱和對流換熱，將熱量傳遞給管內的水流，經過熱交換后的煙氣和空氣預熱器進一步交換后，較低溫度的煙氣經過除塵器除塵，經引風機、煙囪排出。省煤器的作用是給水預熱，空氣預熱器的作用是給低溫空氣預熱，以降低排煙溫度，提高鍋爐燃燒風溫，從而節省燃燒。

2 DCS系統配置和網絡結構

為保證鍋爐的安全經濟及合理的運行，鍋爐以DCS作為主要監視控制系統，輔以必要的獨立保護和控制裝置構成對整個監視控制系統。

整個系統從功能上包括以下各個子系統：數據采集系統（DAS），模擬量控制系統（MCS）,順序控制系統（SCS）,鍋爐爐膛安全監控系統（FSSS）和電氣控制系統（ECS）。

2.1 DCS系統配置

全場設置機、爐、電集中控制室，控制室設在主廠房7米運轉層鍋爐電子操作間， 鍋爐共設2面控制柜，并配備專門鍋爐DCS電源柜，1臺工程師站(ENS),2臺操作員站（OPS），1臺打印機，4面操作臺，在操作臺上設有緊急停爐、緊急放水等控制按鈕。

其中工程師站、操作員站可互為備用，操作員站之間互為冗余，系統網絡冗余配置，現場控制站的電源、主控單元1: 1冗余配置。

2.2 系統規模

永銀化工DCS I/O點表（含20%備用）[2]如圖1

圖1 DCS點表Fig1 DCS point table

2.3 網絡結構

和利時MACS V系統的網絡結構由上到下分為監控網絡、系統網絡和控制網絡三個層次，中央節點為服務器。網絡采用可靠性高的雙冗余結構，保證在單網絡失效的情況下而不影響系統通信[3]。鍋爐DCS網絡圖如圖2。

2.3.1 監控網絡

監控網絡(MNET)由100M高速冗余以太網絡構成，用于系統服務器與工程師站、操作員站、通訊站、高級計算站的連接，完成工程師站的數據下裝，操作員站、高級計算站的在線數據通訊。

2.3.2 系統網絡

系統網絡(SNET)由100M高速冗余以太網絡構成，用于系統服務器與現場控制站、通信控制站的連接，完成現場控制站、通信控制站的數據下裝，服務器與現場控制站、通信控制站之間的實時數據通訊。

現場控制站服務器與現場控制站的以太網線連接。

2.3.3 控制網絡

控制網絡（CENT）由PROFIBUS-DP總線構成，用來實現構成I/O模塊與現場控制站主控單元的通信，完成實時輸入、輸出數據的傳送。

2.3.4 系統網絡連接

各站的節點號設置完成后，即可通過標準以太網的交換機和網絡線把各站點連接起來。連接方法采用標準以太網的連接方法。

3.監控系統的畫面和功能設計

圖2 DCS網絡結構圖Fig2 DCS network graph

控制界面采用MACS V開發，其功能有：對現場鍋爐及管網的模擬量如溫度、壓力、流量、液位、含氧量等進行采集、處理并上傳主控進行監控；對電動機、高壓變頻器及低壓變頻器的運行狀態（包括啟動、停止、運行、故障、電流、頻率等）信號進行采集、處理并上傳主控，操作員通過對系統狀態的判斷進行相應操作；工程師站、操作員站中要求有運行數據的實時顯示、現場工藝畫面、報表（要求每天早上6:30自動打印前一天每一小時數據），還要求有趨勢圖、報警記錄、棒圖、PID參數設定，順序控制等功能，同時要求按照鍋爐系統的運行工藝對現場各個系統實現全部控制[4]。DCS主畫面如圖3：

4 DCS功能應用

鍋爐燃燒系統是一個大滯后、強耦合的非線性系統。針對中小型火電特點，本文將重點對母管制鍋爐的模擬量控制系統（MCS）進行分析[5]。

4.1 母管壓力調節系統

母管制機組須考慮負荷分組，將主蒸汽母管壓力作為負荷調節的反饋信號，與母管壓力、汽包壓力和給水調節系統的主汽流量給定值進行PID運算，其結果乘以相應系數作為鍋爐的負荷指令，從而得到各臺鍋爐的負荷指令、給煤指令和風量指令。如圖4：

4.2 主汽溫度調節系統

在主汽溫度調節系統中，通過調節減溫水流量和減溫器后汽溫來調節主汽溫度，由于一般減溫水控制容易滯后很大，采用前饋消除干擾，運用串級控制系統，在PID中與多組調節參數進行運算，以維持主汽溫度穩定，防止主汽溫度偏高或偏低。如圖5：

圖5 ：主汽溫度調節系統Fig5 main steam temperature regulate system

4.3 燃料量調節系統

燃料量調節系統指令即為燃料量指令，總燃料量指令與總風量進行交叉限制后作為調節系統的給定值，在PID中與燃料量測量值進行運算，結果分別作為煤量調節系統和石灰石調節系統的給定指令。如圖6：

圖6 燃料量調節系統Fig6 fuel quantity regulate system

4.4 總風量調節控制回路

主蒸汽調節系統中發出的風量指令即為總風量指令，總風量中主要為一、二

次風，同時一、二次風直接影響鍋爐的運行及燃燒工況，所以總風量調節系統通過改變一、二次風量的指令來保證鍋爐所需配風。鍋爐主控系統得到的總風量指令與燃料量測定值進行交叉限制后作為總風量調節系統的給定值，以保證負荷增加時先加風后加燃料，負荷減少時先減燃料后減風的要求，從而保證一定量的過?？諝庀禂岛痛矞?，總風量調節系統的給定值在PID中與總風量測量值進行計算后，送往點火風，一、二次風調節。如圖7：

圖7 總風量調節系統Fig7 total air quantity regulate system

4.5 床溫調節系統

床溫調節較為復雜，因為影響床溫的因素較多，如給煤量，石灰石供應，排渣量，一、二次風量返料量和返料溫度等，床溫調節系統中床溫給定值是在綜合考慮負荷指令、給煤量、一、二次風量等物理量后得到的結果。如圖8：

圖8 床溫調節系統Fig8 bed temperature regulate system

4.6爐膛壓力調節系統

爐膛出口壓力測點測量值經過慣性延滯處理后與給定值一起送入PID中進行運算，運算結果對引風機進行調節，從而調節爐膛壓力滿足機組運行要求，由于一次和二次風量發生變換時，需經過一段時間爐膛負壓才發生變化，因此在上述調節方案中直接把總風量作為前饋信號送入PID調節輸出中，以提高一、二次風量變化時調節系統響應的快速性。如圖9：

圖9 爐膛壓力調節系統Fig9 furnace press regulate system

5 結論

河南永銀化工實業有限公司新建75t/ h流化床鍋爐，采用DCS系統實現自控系統具有軟硬件類型少，編程工作量少，工程實施快捷方便的特點，并在2011年3月完成72+24小時聯合試運行，各項設計達到要求，運行良好。

[1]岑可法.循環流化床鍋爐理論設計與運行 [M].中國電力出版社.1998

[2]王常力.集散型控制系統選型與應用[M].清華大學出版社.1996

[3]HOLLias-macs應用系統技術手冊[M].杭州和利時自動化有限公司.2008

[4]周艷惠.DCS在電氣系統控制中的應用[J].工業技術.2010年3期

[5] 劉捷.DCS、FCS控制系統在鍋爐控制中的應用[J].沈陽：大連民族學院學報. 2004年5月，第六卷第3期

Application of DCS in Fluidized Bed Boiler

Hu Hai—guang,Wang Yong—jun (HeNan YongYin Chemical Industry Co.,Ltd,HeNan LuoHe,462400)

To aim at a new distributed control system(DCS), which is application in fluidized bed boiler to monitor, operate,manage and distributed control.Main analyze it’s characteristic,configuration,network and function. System is running better from commissioning ,every function reaches the design requestions.

TP 273

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.18.043

胡海廣（1982.4—），男，漢，河南舞陽人，助理工程師，就職河南永銀化工實業有限公司，主要研究方向電氣DCS、PLC應用與維護。