摘 要：本文介紹了余熱電站集散型控制系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計要點。該系統(tǒng)由監(jiān)控層和過程控制層并配以少量現(xiàn)場儀表和控制設(shè)備構(gòu)成，可實現(xiàn)對兩臺鍋爐和一臺汽輪機——發(fā)電機組及其輔助設(shè)備的自動控制和集中監(jiān)控。文中還對循環(huán)流化床鍋爐重要回路的控制策略做了詳細的描述。 關(guān)鍵詞：集散型控制系統(tǒng) 監(jiān)控層 過程控制層 余熱電站 1.引言 　　余熱電站是近年來國內(nèi)普遍采用的一種環(huán)保節(jié)能措施。本系統(tǒng)中余熱電站采用兩爐一機的配置，即一臺75噸前置式循環(huán)流化床補燃鍋爐和一臺4噸余熱鍋爐，以及由一臺抽汽凝汽式汽輪機和一臺發(fā)電機組成的汽輪機——發(fā)電機組。循環(huán)流化床鍋爐是一種環(huán)保型工業(yè)鍋爐，具有燃燒效率高，適應(yīng)煤種寬，氮氧化物排放量低的優(yōu)點，但同時也具有燃燒控制復(fù)雜，易結(jié)焦、磨損嚴重的缺點。根據(jù)該系統(tǒng)的特點和目前汽輪發(fā)電機的控制水平，該系統(tǒng)采用集散型控制系統(tǒng)（DCS），實現(xiàn)對兩爐一機的自動控制和生產(chǎn)管理。DCS由工程師站和三個操作員站及兩個過程控制站組成。兩個過程控制站分別控制鍋爐和汽機，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。 2.DCS硬件體系結(jié)構(gòu) 　　DCS硬件由三部分組成：操作員及工程師站、過程控制站和現(xiàn)場儀表及繼電器柜、備用操作盤。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用100/10M以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。操作員站選用DELL服務(wù)器一臺和商用機三臺，過程控制站采用美國通用電氣公司的GE90-30系統(tǒng)的IC693CPU364可編程控制器兩臺，配有16通道數(shù)字量輸入模塊10個，16通道數(shù)字量輸出模塊12個，16通道模擬量輸入模塊8個，4通道模擬量輸出模塊4個，6通道熱電偶輸入模塊10個，8通道熱電偶輸入模塊6個。系統(tǒng)的過程控制網(wǎng)采用了符合IEEE802.3協(xié)議的以太網(wǎng)，控制站內(nèi)部通訊采用了符合IEEE802.4協(xié)議的冗余令牌總線。DCS結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 DCS結(jié)構(gòu)框圖[/align] 　　來自現(xiàn)場的檢測儀表主要有壓力變送器、差壓變送器、氧化鋯氧化分析儀、鉑熱電阻和熱電偶。氧化鋯氧化分析儀用于燃燒系統(tǒng)的煙氣含量分析，鉑熱電阻用于測量溫度在500OC以下的需集中監(jiān)控的溫度測點，熱電偶用于測量500OC以上的需集中監(jiān)控的溫度測點，采用鍋爐專用型。執(zhí)行機構(gòu)采用電動調(diào)節(jié)閥及變頻器等。 3．控制系統(tǒng)設(shè)計 　　備用操作盤由鍋爐操作盤和汽機操作盤組成，操作盤上配有備用手操器、關(guān)鍵參數(shù)顯示儀表、報警音響指示器、聯(lián)絡(luò)指示燈及按紐、事故急停按紐等。 　　集散型控制系統(tǒng)基本功能包括：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，機組主要模擬量的控制系統(tǒng)，主輔機的聯(lián)鎖保護系統(tǒng)。采用DCS后，將以CRT和鍵盤操作做為監(jiān)督和控制中心的主要操作設(shè)備，并配置少量必要的常規(guī)儀表和控制設(shè)備，以實現(xiàn)二爐一機的集中管理和分散控制。集控方式下可以通過操作員站的鍵盤和鼠標，對主、輔機設(shè)備進行啟停，對各調(diào)節(jié)回路進行手動和自動控制。在手動方式下，通過備用操作盤啟停設(shè)備和用手操器對調(diào)節(jié)回路進行控制。系統(tǒng)主要運行在集控方式，只有控制系統(tǒng)故障時才在單機方式下運行。 　　集控方式下控制的設(shè)備有：引風機，一、二次風機，喂煤電子秤，喂煤拉鏈機，給水泵，凝結(jié)水泵，疏水泵，射水泵，循環(huán)水泵，電動主油泵，齒輪油泵，直流油泵，各種電動閘閥和調(diào)節(jié)閥等。 　　集控方式下的調(diào)節(jié)回路有：鍋爐喂煤調(diào)節(jié)，爐膛負壓調(diào)節(jié)，汽包水位調(diào)節(jié)，主蒸汽溫度、壓力調(diào)節(jié)，高壓加熱器水位調(diào)節(jié)，除氧器溫度調(diào)節(jié)，除氧器水位調(diào)節(jié)等。 4.循環(huán)流化床鍋爐控制方案 　　4.1.循環(huán)流化床鍋爐的燃燒特點：循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)是一個大滯后、強耦合的非線性系統(tǒng)，各個變量之間相互影響，有的被調(diào)參數(shù)同時受到幾個調(diào)節(jié)參數(shù)的共同影響，如床層溫度要受到給煤量、石灰石供給量、一次風量、返料量及排閘量等多個參數(shù)控制。同時有的調(diào)節(jié)參數(shù)又影響多個被調(diào)參數(shù)，如給煤量不僅影響主汽壓力，還影響床溫、爐膛溫度、過熱空氣系統(tǒng)及二氧化硫含量等參數(shù)。因此，在構(gòu)造循環(huán)流化床鍋爐控制方案時，只有抓住主要因素，同時兼顧其它因素才能構(gòu)造出滿足控制系統(tǒng)要求的控制策略。 　　循環(huán)流化床鍋爐采用布風板上床層流化燃燒方式，其燃燒控制方案與煤粉爐完全不一樣。流化床鍋爐要在爐內(nèi)進行石灰石脫硫，故必須增加石灰石給料控制系統(tǒng)。另外循環(huán)流化床鍋爐煙氣中的未燃粒子經(jīng)過旋風分離器后要由返料裝置送回爐床繼續(xù)燃燒，所以必須具有返料控制系統(tǒng)。循環(huán)流化床鍋爐燃燒時需要控制一定的床層厚度，而床層厚度由排渣系統(tǒng)進行控制，因此還要具有排渣控制系統(tǒng)。除此之外，循環(huán)流化床鍋爐的其它控制系統(tǒng)與常規(guī)煤粉爐的控制要求及控制方案基本相同，包括給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，一次風控制系統(tǒng)，二次風控制系統(tǒng)，主汽溫度控制系統(tǒng)和引風控制系統(tǒng)等。 　　4.2.主汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)：由燃料的加入量來控制主汽壓力恒定。通過調(diào)節(jié)給煤量來控制主蒸汽壓力。由于給煤量是影響床溫的重要因素之一，故在構(gòu)造主汽壓力控制方案時，把床溫的影響也需納入控制方案中。床溫增加應(yīng)減少給煤量，床溫降低則增大給煤量。由于循環(huán)流化床鍋爐運行時床溫可以在一定范圍內(nèi)波動，故在主汽壓力控制方案中設(shè)置不調(diào)溫死區(qū)，即床溫在該死區(qū)內(nèi)不改變給煤量。由于主蒸汽流量變化直接反映了機組的負荷變化，故在主汽壓力控制方案中把主蒸汽流量信號經(jīng)過函數(shù)運算后直接加到控制輸出上，通過前饋形式提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度?？刂品娇驁D如圖二所示。 [align=center] 圖2 主汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖[/align] 　　4.3.主汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)：主汽溫度是反映機組運行情況的一個重要參數(shù)，如果主汽溫度偏高，過汽器及汽機將要在惡劣環(huán)境下運行，材料的使用壽命將會縮短，相反的情況將會使汽機達不到預(yù)定的運行效率。主汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用由主汽溫度、噴水減溫器出口溫度及主汽流量等參數(shù)組成的串級控制系統(tǒng)。主汽溫度測量值作為主調(diào)的反饋輸入值，與主汽溫度值進行PID運算后送入副調(diào)中與減溫器出口汽溫進行控制運算，其結(jié)果經(jīng)限幅后由手操器輸出至執(zhí)行機構(gòu)，調(diào)節(jié)噴水減溫控制閥。由于過熱蒸汽系統(tǒng)具有典型的大滯后特點，在常規(guī)控制中引入了Smith預(yù)估器進行補償，同時可以將前減溫出口溫度和后減溫出口溫度做為前饋控制信號引入。主汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖如圖三所示。 [align=center] 圖3 主汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖[/align] 　　4.4爐膛壓力控制：因為爐膛壓力主要是由引風量和送風量間的平衡關(guān)系決定的，采用前饋控制方法可以有效地改善控制效果，所以將送風量作為前饋量引入爐膛壓力調(diào)節(jié)回路與爐膛壓力調(diào)節(jié)器一同調(diào)節(jié)引風機作用，以實現(xiàn)控制爐膛壓力的目的。其調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖如圖四所示。 [align=center] 圖4 爐膛壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖[/align] 　　4.5.汽包液位控制：循環(huán)流化床鍋爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)低負荷時采用單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，高負荷時采用三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。構(gòu)成給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的三沖量是汽包水位、主蒸汽流量及給水流量。汽包水位信號經(jīng)汽包壓力補償后作為主調(diào)的輸入，蒸汽流量信號經(jīng)溫度、壓力修正后與給水流量信號一起作為副調(diào)的反饋輸入。汽包液位控制的目的是將汽包水位維持在工藝設(shè)計要求的范圍之內(nèi)。為實現(xiàn)這一目標，給水量應(yīng)及時跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量。采用三沖量調(diào)節(jié)后，基本上可以克服虛假水位現(xiàn)象，達到汽包水位相對恒定的目的。如果水位超出正常范圍，則發(fā)出聲光報警，當水位超過極限時，則要采取停爐停機的措施。汽包液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖如圖五所示。 [align=center]　 圖5 汽包液位三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖[/align] 　　4.6.除氧器液位控制：保持除氧器液位穩(wěn)定是系統(tǒng)正常運行的要求，可采用單回路控制。通過調(diào)節(jié)給水閥或出水閥即可滿足控制要求。液位控制調(diào)節(jié)回路如圖六所示。 5.輔機設(shè)備順序控制 　　循環(huán)流化床機組配有大量的輔機設(shè)備，如引風機、一次風機、二次風機、給煤機、給水泵、疏水泵等。在運行時，要求這些設(shè)備按一定的順序啟停及相互聯(lián)鎖，所以要對其設(shè)計程序啟動、程序停止、手操等邏輯及與其他設(shè)備的聯(lián)鎖控制邏輯。程序啟動或程序停止過程中，可以人為中斷程序啟動或程序停止過程。順控過程重新開始時，將從程序第一步開始執(zhí)行。順控部分的聯(lián)鎖和保護指令具有最高優(yōu)先級，手動控制的優(yōu)先級次之，自動控制指令的優(yōu)先級最低。 　　根據(jù)工藝系統(tǒng)運行方式，順序控制被分成以輔機為單位的功能組，每一子功能組執(zhí)行某一特定功能，以實現(xiàn)成組操作和程序啟停，并具有聯(lián)鎖保護功能。 6.汽機安全保護 　　汽機保護是汽輪機——發(fā)電機組安全運行的重要保證，汽輪機和發(fā)電機保護測點大約有40個左右，采用計算機和繼電器雙重保護，并根據(jù)汽機啟動運行情況，設(shè)有解鎖和聯(lián)鎖功能，保證汽機正常啟動。 　　汽機主要保護有：汽機超速保護，緊急停機保護，發(fā)電機溫度保護，軸向位移超限保護，凝汽機真空保護，潤滑油路保護，汽機軸承溫度保護，發(fā)電機超負荷保護等。 7.DCS系統(tǒng)軟件設(shè)計 　　系統(tǒng)軟件設(shè)計分為監(jiān)控層軟件和過程控制層軟件兩大部分，監(jiān)控層軟件采用美國INTELLUTION公司的FIX組態(tài)軟件，主要用于完成操作站和工程師站的畫面顯示，報表和參數(shù)整定及順序控制方案的組態(tài)，過程控制層軟件采用可編程控制器梯形圖軟件設(shè)計，主要完成現(xiàn)場參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，控制運算和控制輸出，并通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)和診斷傳送到監(jiān)控層。 　　監(jiān)控層的工程師站軟件組態(tài)主要是完成系統(tǒng)組態(tài)、畫面制作、報表生成以及過程趨勢和參數(shù)整定，并能與以太網(wǎng)連接。組態(tài)實用程序包括：①數(shù)據(jù)庫組態(tài)。②控制回路組態(tài)。③畫面生成軟件。④報表生成軟件。⑤自定義鍵的定義。⑥主機及輔機順序控制組態(tài)。 　　監(jiān)控層操作站的操作鍵盤可以根據(jù)操作需要設(shè)計成各種方式的功能鍵。工程師和操作員可按不同級別對各類控制參數(shù)進行修改。其畫面顯示概括為：①系統(tǒng)總貌畫面。②調(diào)整畫面。③系統(tǒng)工藝參數(shù)畫面。④趨勢畫面和歷史畫面。⑤報警一覽畫面。⑥數(shù)據(jù)一覽表。⑦生產(chǎn)報表畫面。⑧故障診斷畫面。⑨通訊故障診斷信息。 　　過程控制層軟件是該系統(tǒng)控制功能實現(xiàn)的核心。它包括①各調(diào)節(jié)回路的閉環(huán)控制系統(tǒng)。②主輔機設(shè)備的啟停及聯(lián)鎖保護系統(tǒng)。③重要參數(shù)傳遞系統(tǒng)。 8.結(jié)束語 　　DCS系統(tǒng)目前在我國石化、電力、建材行業(yè)已得到廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)是對新型環(huán)保循環(huán)流化床補燃鍋爐及余熱電站的控制方案的有益嘗試。實踐證明，該系統(tǒng)不但對小型的余熱電站具有良好的性能價格比，而且最大程度的滿足了余熱電站安全性要求高和控制復(fù)雜的特點，環(huán)保節(jié)能效益顯著。 參考文獻： 　　1. 孫秀全，《鍋爐和工業(yè)爐窯實用計算機控制技術(shù)》，國防工業(yè)出版社，長沙，1993 　　2. 徐用懋，《微機在過程控制中應(yīng)用》，清華大學(xué)出版社，北京，1989