給煤機(jī)控制系統(tǒng)DCS化改造

周麗鋒，王競(jìng)杉，周 驥

（江蘇利電能源集團(tuán)，江蘇無(wú)錫 214444)

鍋爐燃燒過程自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是使燃料燃燒提供的熱量適應(yīng)鍋爐蒸汽負(fù)荷的需要，同時(shí)還要保證經(jīng)濟(jì)燃燒和安全運(yùn)行。給煤機(jī)是其中的重要組成部分。

帶微機(jī)控制系統(tǒng)電子稱重式給煤機(jī)的系統(tǒng)具有封閉性特點(diǎn)，導(dǎo)致無(wú)法看到多數(shù)控制過程量，報(bào)警信息也需要到現(xiàn)場(chǎng)查看錯(cuò)誤碼才能確認(rèn)。當(dāng)前的電廠集控趨勢(shì)是少人值守、智能化，分散獨(dú)立的控制設(shè)備需要并入機(jī)組DCS 控制系統(tǒng)才能更好地實(shí)現(xiàn)控制一體化。給煤機(jī)是將煤送入磨煤機(jī)和送入鍋爐不同層面的最后一道關(guān)，進(jìn)行煤耗計(jì)量需要定期校驗(yàn)才能確保其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但每次校驗(yàn)需要開倉(cāng)蓋貼反光紙，不僅操作過程時(shí)間長(zhǎng)、需要大量的人力，還會(huì)造成煤粉污染。通過控制系統(tǒng)改造不僅將給煤機(jī)一次測(cè)量設(shè)備直接接入DCS 系統(tǒng)，可以為機(jī)組智慧監(jiān)盤提供最直觀的測(cè)量數(shù)據(jù)，還優(yōu)化了給煤機(jī)的校驗(yàn)。在實(shí)現(xiàn)給煤機(jī)原有模式啟停、控制轉(zhuǎn)速、報(bào)警跳閘等功能的基礎(chǔ)上，增加了設(shè)備的報(bào)警信息、設(shè)備連鎖，并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)校驗(yàn)和遠(yuǎn)程校驗(yàn)功能。

1 給煤機(jī)控制校驗(yàn)現(xiàn)狀

利港電廠三、四期600 MW 機(jī)組都采用STOCK公司的帶微機(jī)控制系統(tǒng)電子稱重式給煤機(jī)。此類給煤機(jī)具有電子稱重和微處理機(jī)控制系統(tǒng)，可以自動(dòng)控制給煤機(jī)的運(yùn)行，自動(dòng)控制和計(jì)量給煤機(jī)的給煤量。

給煤機(jī)由機(jī)體、輸煤皮帶、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、清掃裝置、控制箱、稱重裝置、皮帶堵煤及斷煤報(bào)警裝置、取樣裝置及工作燈等組成。大致分為給煤機(jī)機(jī)體、皮帶與驅(qū)動(dòng)裝置、清掃輸送裝置、微處理機(jī)控制裝置、給煤率測(cè)量與控制電路等幾大系統(tǒng)部件。

其中微處理機(jī)控制裝置及相關(guān)元器件安裝在給煤機(jī)上的控制柜內(nèi)，主要包括電源、CPU 板、鍵盤/顯示器部件、電機(jī)速度控制裝置、給煤機(jī)皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)器和過載裝置繼電器、清掃鏈電機(jī)的啟動(dòng)器和過載裝置繼電器、變壓器、啟動(dòng)繼電器、給煤機(jī)運(yùn)行繼電器、皮帶有煤開關(guān)、出口堵煤開關(guān)、變頻器、反饋信號(hào)變送器等。通過這套系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的接收、給煤機(jī)啟停的控制、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、稱重計(jì)算等功能。

其中，現(xiàn)場(chǎng)元器件受現(xiàn)場(chǎng)粉塵、溫度等影響，壽命易縮短；現(xiàn)有控制系統(tǒng)在給煤機(jī)旁，發(fā)生故障時(shí)需要人員達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理，增加了工作量；給煤機(jī)控制異常時(shí)會(huì)切至切容積模式，或者發(fā)生其他異常狀況時(shí)監(jiān)盤無(wú)法直觀看到給煤機(jī)的狀況，只能看到一個(gè)報(bào)警，拖延了對(duì)給煤機(jī)異常的處理時(shí)間，可能會(huì)加劇故障狀態(tài)擴(kuò)大；原控制裝置也不能很好地避開電壓瞬時(shí)波動(dòng)，不符合現(xiàn)在給煤機(jī)動(dòng)力/控制電源穿越的要求。

于是急需一種基于DCS 平臺(tái)的給煤機(jī)給煤率控制改造，以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化控制程序，減少現(xiàn)場(chǎng)控制影響，給煤機(jī)各項(xiàng)中間變量、參數(shù)及報(bào)警更直觀，降低維護(hù)成本，以及提高給煤機(jī)控制可靠性的目的。

2 給煤機(jī)控制接入DCS的優(yōu)勢(shì)

2.1 統(tǒng)一的硬件

給煤機(jī)接入DCS 后，IO 卡件使用的硬件與DCS統(tǒng)一，輸入、輸出信號(hào)由DCS 卡件直接處理，工程量直觀顯示，維護(hù)更方便。備品備件與DCS 統(tǒng)一，減少運(yùn)營(yíng)成本。

2.2 友好的人機(jī)交互軟件

組態(tài)軟件使用DCS 直接進(jìn)行組態(tài)，界面友好，使用方便。利用原有的DCS 維護(hù)工程師進(jìn)行給煤機(jī)組態(tài)的維護(hù)修改更加專業(yè)。

2.3 豐富的診斷信息

共享DCS 的歷史收集、趨勢(shì)、報(bào)警功能，故障查找更為便利，更有利于設(shè)備故障的分析診斷。

2.4 可靠的電源

由DCS 系統(tǒng)直接供電，DCS 的雙冗余電源使給煤機(jī)控制可靠性得到了極大的提高，避免了控制裝置的低電壓穿越問題。

2.5 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

稱重探頭的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)入DCS，可以在畫面上呈現(xiàn)，有助于查看最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。改造后增加了從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊，可實(shí)現(xiàn)皮帶轉(zhuǎn)速的在線監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以邏輯判斷皮帶打滑并預(yù)警。

2.6 自動(dòng)化校驗(yàn)

改造后可利用從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)和新增的掛碼電機(jī)實(shí)現(xiàn)給煤機(jī)得不開蓋校驗(yàn)、遠(yuǎn)程校驗(yàn)及無(wú)人校驗(yàn)。

3 改造過程

3.1 現(xiàn)場(chǎng)電氣回路改造

將稱重探頭的信號(hào)0～30 mV 通過信號(hào)轉(zhuǎn)換隔離器轉(zhuǎn)換為4～20 mA 信號(hào)送入DCS 系統(tǒng)（圖1）。堵煤、斷煤電機(jī)轉(zhuǎn)速等反饋信號(hào)和指令信號(hào)直接接入磨組所在的控制器備用通道或新增DCS 卡件上，信號(hào)由DCS 進(jìn)行處理，并由DCS 發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)給煤機(jī)的遠(yuǎn)程控制。這樣可以僅保留現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量元件、部分電氣回路和變頻器，其余的檢測(cè)設(shè)備可以去除，極大地減少了中間接線端子。同時(shí)還取消了電氣自保持繼電器，改為DCS 啟動(dòng)長(zhǎng)指令和使用變頻器的自保持功能實(shí)現(xiàn)給煤機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，有效解決了低電壓穿越隱患。

如圖1所示，閉環(huán)部分根據(jù)給煤機(jī)皮帶和給煤率的實(shí)時(shí)稱重，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速要求，并結(jié)合實(shí)時(shí)給煤機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過PID 調(diào)節(jié)向現(xiàn)場(chǎng)輸出正確的電機(jī)轉(zhuǎn)速指令，現(xiàn)場(chǎng)給煤機(jī)電氣回路只需要接受轉(zhuǎn)速指令和給出轉(zhuǎn)速反饋，其余均可在DCS 側(cè)完成，實(shí)現(xiàn)煤量的調(diào)整。

新控制系統(tǒng)還保留有變頻器的正反轉(zhuǎn)模式切換和給煤機(jī)緊急停止的硬操作按鈕，使用了雙按鈕，在確保能就地緊急停運(yùn)的同時(shí)防止誤操作。

給煤機(jī)的模式切換和操作都遷移到DCS 品臺(tái)進(jìn)行操作，包括就地/遠(yuǎn)方切換、就地啟停、JOG 點(diǎn)動(dòng)、報(bào)警復(fù)位、跳閘首出復(fù)位、就地轉(zhuǎn)速設(shè)定、容積模式切換、定度模式選擇、手動(dòng)校驗(yàn)、走碼校驗(yàn)及最大最小煤量等參數(shù)的設(shè)定，控制畫面如圖2所示。檢驗(yàn)畫面上可以呈現(xiàn)豐富的參數(shù)信息，如圖3所示。

圖3 給煤機(jī)校驗(yàn)畫面

3.2 給煤量測(cè)量

給煤機(jī)給煤量可表示為：

式中，G為單位時(shí)間給煤重量，kg/s；g為單位皮帶長(zhǎng)度煤重量，kg/cm；U為皮帶速度，cm/s。

皮帶單位長(zhǎng)度煤重量g 可表示為：

式中，W1為左側(cè)稱重傳感器感受重量，kg；W2為右側(cè)稱重傳感器感受重量，kg；W3為皮帶、稱重托輥等自重，由給煤機(jī)校正CAL1時(shí)確定，kg；L為皮帶稱重段長(zhǎng)度，cm；Kg為校正系數(shù)。

為了簡(jiǎn)便，把常數(shù)2/L納入校正系數(shù)Kg，則g=Kg（W1+W2-W3）。校正系數(shù)Kg由給煤機(jī)校正CAL2時(shí)確定。

皮帶運(yùn)行速度的信號(hào)U計(jì)算如下：

式中，Kv為速度校正系數(shù)；fn為交流轉(zhuǎn)速表輸出頻率，Hz。

校正系數(shù)Kv在給煤機(jī)校正時(shí)CAL1確定。所以CAL1校驗(yàn)確定皮重系數(shù)W3和速度系數(shù)Kv；加碼后CAL2校驗(yàn)確定校正系數(shù)Kg。

3.3 容積模式煤量測(cè)量

給煤機(jī)測(cè)量在稱重單個(gè)探頭故障或兩個(gè)探頭之間偏差大時(shí)，進(jìn)入容積模式。

當(dāng)給煤機(jī)在容積模式時(shí)，給煤量的計(jì)算式為：

式中，Gv為容積模式下的給煤率，kg/s；V為稱重托輥段煤的體積，cm3；ρ為煤的密度，kg/cm3；U為皮帶速度，cm/s。

每臺(tái)給煤機(jī)的V是一個(gè)定制常數(shù)，可以根據(jù)說明書計(jì)算出來。

ρ有個(gè)初始設(shè)置值，同時(shí)在給煤機(jī)有煤運(yùn)行3h 后，自動(dòng)修正密度回路，并將實(shí)時(shí)密度記錄下來用于容積模式煤量計(jì)算。這個(gè)密度值更加真實(shí)有效，減少了鍋爐的煤量控制誤差。

3.4 從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速測(cè)量

利用從動(dòng)輪與皮帶線速度的一致性，增加從動(dòng)輪測(cè)量皮帶速度。

在給煤機(jī)從動(dòng)輪的張緊機(jī)構(gòu)處安裝一磁感應(yīng)式探頭，測(cè)量從動(dòng)輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一周所需的時(shí)間，從而得出皮帶運(yùn)行速度Uc：

式中，D為從動(dòng)輪直徑，cm；d為皮帶厚度，cm；Tc為從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周所用的時(shí)間，s。

由于皮帶的本身具有一定的伸縮特性，故皮帶厚度d很難直接測(cè)量出來。這里利用反光紙校驗(yàn)與從動(dòng)輪校驗(yàn)的轉(zhuǎn)速比一致性計(jì)算得出一個(gè)補(bǔ)償值。

根據(jù)從動(dòng)輪的每周所需時(shí)間算出的皮帶轉(zhuǎn)速Uc與給煤機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)換算出的轉(zhuǎn)速U可以進(jìn)行對(duì)比，正常情況下Uc=U，結(jié)合稱重探頭判斷出皮帶打滑、電機(jī)斷軸等情況。

3.5 掛碼電機(jī)

將原掛碼操縱桿拆除，新增兩個(gè)掛碼步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)加碼/卸碼的電動(dòng)化，方便程控校驗(yàn)時(shí)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加碼/卸碼。還設(shè)計(jì)了掛碼電機(jī)的自動(dòng)校正功能，利用稱重的數(shù)值計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)，以及定位電機(jī)的加碼位和卸碼位。同時(shí)也設(shè)計(jì)了運(yùn)行中掛碼電機(jī)閉鎖功能，防止運(yùn)行中操作掛碼電機(jī)，影響給煤控制。

3.6 增加吹掃裝置

由于標(biāo)準(zhǔn)滾筒砝碼長(zhǎng)期處于給煤機(jī)內(nèi)部，會(huì)有大量煤粉在滾筒上方形成錐形堆積，增加了砝碼重量，造成校驗(yàn)誤差。故接入一根氣管采用廠用氣定期吹掃堆積在砝碼上的煤粉，保證自動(dòng)校驗(yàn)時(shí)的定量準(zhǔn)確。

3.7 自動(dòng)校驗(yàn)程控

反光紙校驗(yàn)給煤機(jī)時(shí)需要通過廣電探頭測(cè)量張貼在皮帶上的反光紙，來測(cè)量皮帶的真實(shí)轉(zhuǎn)速，從而計(jì)算出電機(jī)和皮帶的轉(zhuǎn)速比，但每次都需要清理或重新貼紙，定度探頭也需要手動(dòng)接入。新增從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速測(cè)量后，可以直接利用通過測(cè)量從動(dòng)輪得出的皮帶轉(zhuǎn)速進(jìn)行給煤機(jī)CAL1校驗(yàn)，得出皮重系數(shù)W3和轉(zhuǎn)速系數(shù)KV。這可以省去打開給煤機(jī)倉(cāng)蓋、重新貼反光紙的麻煩。

將給煤機(jī)切換到就地控制模式后，選擇從動(dòng)輪校驗(yàn)?zāi)Ｊ剑_始自動(dòng)校驗(yàn)。給煤機(jī)會(huì)走空皮帶一段時(shí)間，確保皮帶干凈無(wú)煤。為了使得校驗(yàn)后使用的各項(xiàng)系數(shù)具有較高的準(zhǔn)確性，減少校驗(yàn)誤差，程控自動(dòng)校驗(yàn)時(shí)分別執(zhí)行3次CAL1和CAL2。每次校驗(yàn)系數(shù)與前次相比誤差小于0.2%才算校驗(yàn)成功。控制回路使用的校正系數(shù)采用3次成功校驗(yàn)的系數(shù)平均值。

為了方便操作，在自動(dòng)校驗(yàn)的基礎(chǔ)上，還設(shè)計(jì)了一鍵校驗(yàn)功能，如操作程控開始后，給煤機(jī)自動(dòng)切換到就地模式和從動(dòng)輪校驗(yàn)?zāi)Ｊ剑_始3次CAL1校驗(yàn)，加碼后開始3次CAL2校驗(yàn)，接著卸碼，切回遠(yuǎn)方遙控模式，給煤機(jī)恢復(fù)備用

就此基本實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人的給煤機(jī)全過程自動(dòng)校驗(yàn)，且校驗(yàn)數(shù)據(jù)可通過DCS 平臺(tái)的歷史站進(jìn)行保留。

3.8 增加報(bào)警和設(shè)備連鎖

將原有的給煤機(jī)報(bào)警都遷移至DCS 系統(tǒng)，設(shè)置專門的光字牌，以便在報(bào)警發(fā)生時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)報(bào)警的具體內(nèi)容。由于可以檢測(cè)到給煤機(jī)皮帶上的稱重?cái)?shù)值，結(jié)合原有有煤開關(guān)判斷有煤無(wú)煤將更加準(zhǔn)確。

原有煤倉(cāng)振打裝置的啟停也從就地遷移到DCS控制。給煤機(jī)運(yùn)行中斷煤時(shí)，邏輯判斷煤倉(cāng)落煤管堵煤，發(fā)出報(bào)警的同時(shí)，直接連鎖煤倉(cāng)振打裝置，振打落煤，有效防止給煤機(jī)斷煤，減少鍋爐系統(tǒng)的擾動(dòng)。

4 改造效果

4.1 給煤機(jī)校驗(yàn)后的走碼驗(yàn)證

改造后，保留給煤機(jī)反光紙校驗(yàn)?zāi)Ｊ剑黾訌膭?dòng)輪校驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑑烧呖梢郧袚Q。實(shí)際測(cè)量數(shù)值見表1。由表1可知，反光紙校驗(yàn)?zāi)Ｊ胶蛷膭?dòng)輪校驗(yàn)?zāi)Ｊ较碌男ｒ?yàn)系數(shù)都小于0.2%，均在偏差允許范圍內(nèi)。校驗(yàn)完成后，使用走碼模式來驗(yàn)證校驗(yàn)效果，走碼重量200 kg，走碼轉(zhuǎn)速200 r/min。計(jì)算得出，走碼累積重量為202 kg，誤差在1%左右。誤差的主要來源除了稱重系統(tǒng)和控制系統(tǒng)外，還有機(jī)械結(jié)構(gòu)。由于采用3次測(cè)量取平均來計(jì)算校驗(yàn)系數(shù)，已經(jīng)基本消除了測(cè)量誤差。為了消除稱重和機(jī)械的系統(tǒng)誤差，在走碼成功后使用系統(tǒng)誤差系數(shù)Kz來消除總誤差。

表1 2種模式的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

式中，Gc為走碼砝碼重量，kg；Gz為走碼計(jì)算重量，kg。

4.2 給煤機(jī)運(yùn)行效果

經(jīng)過改造后的給煤機(jī)實(shí)際啟停中轉(zhuǎn)速控制平穩(wěn)，煤量指令進(jìn)入給煤機(jī)控制PID 后轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速指令，響應(yīng)及時(shí)準(zhǔn)確。給煤機(jī)控制和停運(yùn)過程趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 給煤機(jī)控制和停運(yùn)過程趨勢(shì)

4.3 給煤機(jī)落煤管堵煤時(shí)連鎖振打裝置

利港電廠最近需要燃燒大量的污泥和泥煤，雖然經(jīng)過了干化處理，但超市潮濕的污泥容易造成煤倉(cāng)落煤管經(jīng)常發(fā)生堵塞。一旦發(fā)生堵煤，從發(fā)現(xiàn)到處理需要一段時(shí)間，嚴(yán)重影響了鍋爐的燃燒穩(wěn)定。改造后，不僅在煤倉(cāng)上增加了吹掃防堵裝置，還通過此次給煤機(jī)DCS 控制改造，增加了斷煤堵煤判斷連鎖煤倉(cāng)振打裝置，其使用效果良好，能有有效減少斷煤次數(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

給煤機(jī)控制系統(tǒng)改造中取消了就地微處理控制器及部分相關(guān)的IO 處理單元，優(yōu)化了電氣控制回路，可提供更可靠的電源。簡(jiǎn)化了控制流程，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)直接接入DCS 機(jī)柜并且控制指令直接由DCS 機(jī)柜發(fā)出，減少了信號(hào)轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，提高了設(shè)備的可靠性。DCS平臺(tái)的使用讓給煤機(jī)的采集參數(shù)和中間控制量更加直觀地呈現(xiàn)在系統(tǒng)畫面上，豐富詳細(xì)的報(bào)警信息有助于更加快捷地觀察設(shè)備和系統(tǒng)的工況。

新增給煤機(jī)從動(dòng)輪測(cè)速和自動(dòng)校驗(yàn)功能，可以將原來每6個(gè)月進(jìn)行一次的給煤機(jī)開倉(cāng)校驗(yàn)，延長(zhǎng)到1 a甚至更長(zhǎng)時(shí)間，或者在每次給煤機(jī)大修后進(jìn)行一次反光紙校驗(yàn)，以校正從動(dòng)輪校驗(yàn)參數(shù)。平時(shí)在某臺(tái)給煤機(jī)調(diào)停后，可以直接使用一鍵校驗(yàn)功能進(jìn)行給煤機(jī)校驗(yàn)，方便快捷。不僅大大減少檢修人員的工作量，也減少了煤粉的外泄，保護(hù)了環(huán)境。后期結(jié)合機(jī)組的智慧監(jiān)盤系統(tǒng)，可以判斷給煤機(jī)的健康狀況，預(yù)測(cè)給煤機(jī)的校驗(yàn)時(shí)間，提高設(shè)備可靠性的同時(shí)，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)性。