余热电站集散型控制系统应用

摘 要：本文介绍了余热电站集散型控制系统的构成和设计要点。该系统由监控层和过程控制层并配以少量现场仪表和控制设备构成，可实现对两台锅炉和一台汽轮机——发电机组及其辅助设备的自动控制和集中监控。文中还对循环流化床锅炉重要回路的控制策略做了详细的描述。

关键词：集散型控制系统 监控层 过程控制层 余热电站

1.引言

　　余热电站是近年来国内普遍采用的一种环保节能措施。本系统中余热电站采用两炉一机的配置，即一台75吨前置式循环流化床补燃锅炉和一台4吨余热锅炉，以及由一台抽汽凝汽式汽轮机和一台发电机组成的汽轮机——发电机组。循环流化床锅炉是一种环保型工业锅炉，具有燃烧效率高，适应煤种宽，氮氧化物排放量低的优点，但同时也具有燃烧控制复杂，易结焦、磨损严重的缺点。根据该系统的特点和目前汽轮发电机的控制水平，该系统采用集散型控制系统（DCS），实现对两炉一机的自动控制和生产管理。DCS由工程师站和三个操作员站及两个过程控制站组成。两个过程控制站分别控制锅炉和汽机，网络系统采用以太网结构。

2.DCS硬件体系结构

　　DCS硬件由三部分组成：操作员及工程师站、过程控制站和现场仪表及继电器柜、备用操作盘。网络系统采用100/10M以太网结构。操作员站选用DELL服务器一台和商用机三台，过程控制站采用美国通用电气公司的GE90-30系统的IC693CPU364可编程控制器两台，配有16通道数字量输入模块10个，16通道数字量输出模块12个，16通道模拟量输入模块8个，4通道模拟量输出模块4个，6通道热电偶输入模块10个，8通道热电偶输入模块6个。系统的过程控制网采用了符合IEEE802.3协议的以太网，控制站内部通讯采用了符合IEEE802.4协议的冗余令牌总线。DCS结构框图如图1所示。

　　来自现场的检测仪表主要有压力变送器、差压变送器、氧化锆氧化分析仪、铂热电阻和热电偶。氧化锆氧化分析仪用于燃烧系统的烟气含量分析，铂热电阻用于测量温度在500OC以下的需集中监控的温度测点，热电偶用于测量500OC以上的需集中监控的温度测点，采用锅炉专用型。执行机构采用电动调节阀及变频器等。

3．控制系统设计

　　备用操作盘由锅炉操作盘和汽机操作盘组成，操作盘上配有备用手操器、关键参数显示仪表、报警音响指示器、联络指示灯及按纽、事故急停按纽等。

　　集散型控制系统基本功能包括：数据采集系统，机组主要模拟量的控制系统，主辅机的联锁保护系统。采用DCS后，将以CRT和键盘操作做为监督和控制中心的主要操作设备，并配置少量必要的常规仪表和控制设备，以实现二炉一机的集中管理和分散控制。集控方式下可以通过操作员站的键盘和鼠标，对主、辅机设备进行启停，对各调节回路进行手动和自动控制。在手动方式下，通过备用操作盘启停设备和用手操器对调节回路进行控制。系统主要运行在集控方式，只有控制系统故障时才在单机方式下运行。

　　集控方式下控制的设备有：引风机，一、二次风机，喂煤电子秤，喂煤拉链机，给水泵，凝结水泵，疏水泵，射水泵，循环水泵，电动主油泵，齿轮油泵，直流油泵，各种电动闸阀和调节阀等。

　　集控方式下的调节回路有：锅炉喂煤调节，炉膛负压调节，汽包水位调节，主蒸汽温度、压力调节，高压加热器水位调节，除氧器温度调节，除氧器水位调节等。

4.循环流化床锅炉控制方案

　　4.1.循环流化床锅炉的燃烧特点：循环流化床锅炉燃烧系统是一个大滞后、强耦合的非线性系统，各个变量之间相互影响，有的被调参数同时受到几个调节参数的共同影响，如床层温度要受到给煤量、石灰石供给量、一次风量、返料量及排闸量等多个参数控制。同时有的调节参数又影响多个被调参数，如给煤量不仅影响主汽压力，还影响床温、炉膛温度、过热空气系统及二氧化硫含量等参数。因此，在构造循环流化床锅炉控制方案时，只有抓住主要因素，同时兼顾其它因素才能构造出满足控制系统要求的控制策略。

　　循环流化床锅炉采用布风板上床层流化燃烧方式，其燃烧控制方案与煤粉炉完全不一样。流化床锅炉要在炉内进行石灰石脱硫，故必须增加石灰石给料控制系统。另外循环流化床锅炉烟气中的未燃粒子经过旋风分离器后要由返料装置送回炉床继续燃烧，所以必须具有返料控制系统。循环流化床锅炉燃烧时需要控制一定的床层厚度，而床层厚度由排渣系统进行控制，因此还要具有排渣控制系统。除此之外，循环流化床锅炉的其它控制系统与常规煤粉炉的控制要求及控制方案基本相同，包括给水调节系统，一次风控制系统，二次风控制系统，主汽温度控制系统和引风控制系统等。

　　4.2.主汽压力调节系统：由燃料的加入量来控制主汽压力恒定。通过调节给煤量来控制主蒸汽压力。由于给煤量是影响床温的重要因素之一，故在构造主汽压力控制方案时，把床温的影响也需纳入控制方案中。床温增加应减少给煤量，床温降低则增大给煤量。由于循环流化床锅炉运行时床温可以在一定范围内波动，故在主汽压力控制方案中设置不调温死区，即床温在该死区内不改变给煤量。由于主蒸汽流量变化直接反映了机组的负荷变化，故在主汽压力控制方案中把主蒸汽流量信号经过函数运算后直接加到控制输出上，通过前馈形式提高系统的响应速度。控制方框图如图二所示。

　　4.3.主汽温度调节系统：主汽温度是反映机组运行情况的一个重要参数，如果主汽温度偏高，过汽器及汽机将要在恶劣环境下运行，材料的使用寿命将会缩短，相反的情况将会使汽机达不到预定的运行效率。主汽温度调节系统采用由主汽温度、喷水减温器出口温度及主汽流量等参数组成的串级控制系统。主汽温度测量值作为主调的反馈输入值，与主汽温度值进行PID运算后送入副调中与减温器出口汽温进行控制运算，其结果经限幅后由手操器输出至执行机构，调节喷水减温控制阀。由于过热蒸汽系统具有典型的大滞后特点，在常规控制中引入了Smith预估器进行补偿，同时可以将前减温出口温度和后减温出口温度做为前馈控制信号引入。主汽温度调节系统框图如图三所示。

　　4.4炉膛压力控制：因为炉膛压力主要是由引风量和送风量间的平衡关系决定的，采用前馈控制方法可以有效地改善控制效果，所以将送风量作为前馈量引入炉膛压力调节回路与炉膛压力调节器一同调节引风机作用，以实现控制炉膛压力的目的。其调节系统框图如图四所示。

　　4.5.汽包液位控制：循环流化床锅炉给水调节系统低负荷时采用单冲量调节系统，高负荷时采用三冲量调节系统。构成给水调节系统的三冲量是汽包水位、主蒸汽流量及给水流量。汽包水位信号经汽包压力补偿后作为主调的输入，蒸汽流量信号经温度、压力修正后与给水流量信号一起作为副调的反馈输入。汽包液位控制的目的是将汽包水位维持在工艺设计要求的范围之内。为实现这一目标，给水量应及时跟踪锅炉的蒸发量。采用三冲量调节后，基本上可以克服虚假水位现象，达到汽包水位相对恒定的目的。如果水位超出正常范围，则发出声光报警，当水位超过极限时，则要采取停炉停机的措施。汽包液位调节系统框图如图五所示。

　　4.6.除氧器液位控制：保持除氧器液位稳定是系统正常运行的要求，可采用单回路控制。通过调节给水阀或出水阀即可满足控制要求。液位控制调节回路如图六所示。

5.辅机设备顺序控制

　　循环流化床机组配有大量的辅机设备，如引风机、一次风机、二次风机、给煤机、给水泵、疏水泵等。在运行时，要求这些设备按一定的顺序启停及相互联锁，所以要对其设计程序启动、程序停止、手操等逻辑及与其他设备的联锁控制逻辑。程序启动或程序停止过程中，可以人为中断程序启动或程序停止过程。顺控过程重新开始时，将从程序第一步开始执行。顺控部分的联锁和保护指令具有最高优先级，手动控制的优先级次之，自动控制指令的优先级最低。

　　根据工艺系统运行方式，顺序控制被分成以辅机为单位的功能组，每一子功能组执行某一特定功能，以实现成组操作和程序启停，并具有联锁保护功能。

6.汽机安全保护

　　汽机保护是汽轮机——发电机组安全运行的重要保证，汽轮机和发电机保护测点大约有40个左右，采用计算机和继电器双重保护，并根据汽机启动运行情况，设有解锁和联锁功能，保证汽机正常启动。

　　汽机主要保护有：汽机超速保护，紧急停机保护，发电机温度保护，轴向位移超限保护，凝汽机真空保护，润滑油路保护，汽机轴承温度保护，发电机超负荷保护等。

7.DCS系统软件设计

　　系统软件设计分为监控层软件和过程控制层软件两大部分，监控层软件采用美国INTELLUTION公司的FIX组态软件，主要用于完成操作站和工程师站的画面显示，报表和参数整定及顺序控制方案的组态，过程控制层软件采用可编程控制器梯形图软件设计，主要完成现场参数的数据采集，控制运算和控制输出，并通过系统网络将数据和诊断传送到监控层。

　　监控层的工程师站软件组态主要是完成系统组态、画面制作、报表生成以及过程趋势和参数整定，并能与以太网连接。组态实用程序包括：①数据库组态。②控制回路组态。③画面生成软件。④报表生成软件。⑤自定义键的定义。⑥主机及辅机顺序控制组态。

　　监控层操作站的操作键盘可以根据操作需要设计成各种方式的功能键。工程师和操作员可按不同级别对各类控制参数进行修改。其画面显示概括为：①系统总貌画面。②调整画面。③系统工艺参数画面。④趋势画面和历史画面。⑤报警一览画面。⑥数据一览表。⑦生产报表画面。⑧故障诊断画面。⑨通讯故障诊断信息。

　　过程控制层软件是该系统控制功能实现的核心。它包括①各调节回路的闭环控制系统。②主辅机设备的启停及联锁保护系统。③重要参数传递系统。

8.结束语

　　DCS系统目前在我国石化、电力、建材行业已得到广泛的应用。该系统是对新型环保循环流化床补燃锅炉及余热电站的控制方案的有益尝试。实践证明，该系统不但对小型的余热电站具有良好的性能价格比，而且最大程度的满足了余热电站安全性要求高和控制复杂的特点，环保节能效益显著。

参考文献：

　　1. 孙秀全，《锅炉和工业炉窑实用计算机控制技术》，国防工业出版社，长沙，1993

　　2. 徐用懋，《微机在过程控制中应用》，清华大学出版社，北京，1989