关于DCS系统在循环流化床锅炉控制中的应用探讨

关于DCS系统在循环流化床锅炉控制中的应用探讨

明廷贵

明廷贵（临涣焦化股份有限公司）

摘要：文章简要介绍了循环流化床锅炉存在的问题，然后结合实例来探讨了DCS系统在循环流化床锅炉控制中的应用，包括工艺要求、控制系统的设计、设备选型、软件组态和控制系统的运行等内容。

关键词：DCS系统循环流化床锅炉过热蒸汽温度控制

1循环流化床锅炉概述

循环流化床锅炉是一项新型燃烧技术，我国仍在对其设计制造技术和热工控制策略进行不断探索。与普通锅炉一样，循环流化床锅炉也有多参数、非线性、多变量紧密耦合等特点，其输入输出变量甚至更多，耦合关系也更为复杂。一旦锅炉负荷或任一输入量发生变化，所有输出量都会发生变化。所以对循环流化床锅炉应采用多回路的控制系统，以保证各调节量在系统受到扰动时能同时协调动作。由于给水流量与其他变量间的耦合关系较弱，因而可将给水系统单独独立出来进行设计，并且兼顾与其他子系统之间的协调。通常可将整个大的循环流化床锅炉系统分为给水控制系统、燃烧控制系统、过热蒸汽温度控制系统和主汽压力控制系统等几个相对独立的控制子系统。

其中过热蒸汽温度控制是电站锅炉的一项重要控制任务，它对电厂的安全经济运行有着重要的影响。应保护过热器，并维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内，管壁温度也不超过允许的控制温度。温度过高，可能造成过热器和蒸汽管道等处的损坏；温度过低，会降低热效率并影响汽轮机的正常运行。目前多采用喷水减温器来对循环流化床锅炉的汽温进行控制，而这种方法通常存在滞后性。而且过热汽温的扰动因素较多，如减温水温度、减温水流量、烟气温度等都会对其产生影响，所以气温的调节也比较困难。锅炉主蒸汽温度控制系统可有效解决这一问题，它是由主调节器和副调节器组成，二者组成一个串级控制系统，前者接受主蒸汽温度信号并通过比较运算输出至后者，后者接受信号时，还接受减温水流量反馈信号，从而实现对主蒸汽温度的校正，保证了主汽温度的准确性。

锅炉汽包水位调节也很重要，其主要目的是使给水量与锅炉蒸发量相平衡。如果锅炉汽包水位过低，会损坏锅炉，甚至引起爆炸；汽包水位过高，则会使蒸汽带液，损坏汽轮机叶片。

基于上述理论，本文将结合实例探讨DCS系统在循环流化床锅炉控制中的应用。

2循环流化床锅炉工艺要求

在某公司电站DCS系统项目中，其电站由三个锅炉和两台汽轮机构成，锅炉是一种自然循环的水管锅炉。燃烧系统由高温旋风分离器、返料器、流化床、膜式壁组成，过热器分Ⅲ级布置，尾部设三级省煤器和一、二次风预热器，中间设I级喷水减温器。

系统的工艺参数为：额定蒸汽温度450℃，额定蒸发量75t/h，额定蒸汽压力5.29MPa，给水温度104℃，一、二次风预热温度均为200℃，适用燃料为无烟煤、烟煤、贫煤、褐煤，热效率86-90.52％，燃料的颗粒度要求<13mm。温度控制在450±10℃以内，在动态时汽包液位控制10％以内。本文将设计DCS系统来满足该工艺要求。

3控制系统的设计

3.1制定控制策略采用减温水流量做副调回路来控制循环流化床锅炉的过热器温度，其效果较好，并且采用单冲量调节系统来应付给水控制子系统的低负荷状况。当出现“虚假水位"现象时，为保证主蒸汽压力稳定，可通过自动或手动的方式将给水控制系统切换到三冲量调节系统。实验发现，当负荷大于30％时，可用由汽包水位、蒸汽流量和给水流量组成的三冲量串级调节系统来调节给水阀，从而有效控制使汽包水位，使其达到机组运行的要求。其中经汽包压力补偿后的汽包水位信号作为主调的输入，而给水流量信号与经过温度、压力修正后的蒸汽流量信号一起作为副调的反馈输入。为了保证给水控制系统的有效工作，在异常情况下，系统会自动切换到手动操作。

3.2控制系统的设备选型目前国内外都有很多DCS厂商，国外产品质量好，但造价较高。本设计中采用浙江中控集团ECS-100系列DCS系统。该系列突破了传统控制系统的层次模型，采用了新型的WEB化体系结构，实现了多种异构系统综合集成的“网络化控制系统”，如各种国内外各种DCS，PLC等控制设备和智能化仪表均能用于该系统中，它们不仅能共享系统中成员的过程信息，也可相互独立地工作。

3.3控制系统的主要功能本系统主要有以下功能：①显示功能，该系统能显示流程图画面、回路操作画面、重要参数的历史曲线及趋势、报警信号等信息。②块自诊断功能，能从画面检查模块状态。③手/自动切换功能，回路操作界面有手动、自动功能，以便根据需要来选择适当方法对现场执行机构进行调节。④报表功能，能自动对班报、日报、月报，报表进行定时、随时打印。⑤报警功能，能将报警信息集中反映在操作画面中并打印，甚至发出声光报警。⑥控制功能，能实现风量调节、炉床温度调节、主蒸汽温度调节、炉膛压力调节、床压调节、高低压加热器水位调节、起动燃烧器流量调节；对除氧器液位、压力调节、连排扩容器水位调节；还能对现场重要设备之间实现联锁保护功能，以保证生产的安全性。

4控制系统的结构

本文中的DCS系统上位机采用五台监控机，并用系统组态软件包作为人机界面应用软件。本DCS监控系统能对主要设备及工艺参数进行自动化控制，主要包括流程图、调节图、历史趋势等。

上位机通过TCP/IP协议、以太网连接，下位机控制器采用浙江中控FW243主控卡，它具有灵活的报警处理和信号质量码功能，并且可带多达128块I/O卡，可通过SBUS实现I/O功能。I/O卡件采用最新的高精度采样技术，所有卡件都具有独立的AD、DA转换器，使得各电路通道相互隔离。该系统采用双机冗余备份，以便实现CPU出现故障时的自动切换，使得系统的安全性更高。

ECS-100控制系统的网络结构可分为过程控制网络和I/O总线（SBUS）这两层，前者用高速冗余工业以太网SCENT，并直接连接操作员站、工程师站、接口单元。各通讯接口数据传输遵循TCP/IP协议，数据转发卡与I/O卡通过SBUS进行信息交换。

5上位机软件组态

5.1上位机监控画面的设计上位机监控画面的设计主要包括流程图的制作、报表的制作、趋势设置、总貌画面制作和一览画面制作等内容。流程图是控制系统中用于显示操作对象的整体流程和工作状况，是最重要的监控操作界面。

5.2监控画面操作①参数调整。各种回路参数，如手自动切换、PID调节参数、回路给定值SV、调节器正反作用设置、回路输出阀值等都可在参数设置操作界面上设置。②报警操作。报警监控方式包括声光报警、光字牌、报警一览、流程图动画报警等形式。③故障诊断。监控画面能完成主控卡诊断、数据转发卡诊断、I/O卡诊断和控制站基本信息诊断。

5.3安全管理为防止操作员随便操作，可通过安全组态设置不同的用户和密码。可设置操作员和工程师两种用户，操作员只能监控，不能进行修改和组态，而工程师可修改组态的内容和PID参数。

5.4组态的下载与传送从工程师站上将组态内容编译后下载到控制站，即为组态的下载。组态传送是从工程师站将编译后的、SCC控制信息文件、IDX编译索引文件、.SCO操作信息文件等通过网络传送给操作员站，然后由操作站完成组态的更新与监控的重调。组态传送时不影响操作站的运行。

6控制系统的运行

6.1系统投入运行前的准备系统投入运行前，要进行热工测量，并对控制和保护系统进行调试，使其达到点火要求；对一、二次风机、返料风机、引风机进行调试，DCS系统所有手动装置进行调试，对现场各种检测仪表和执行器进行测试，所有这些条件符合后方可启动锅炉。锅炉启动低负荷运行时，以手动方式控制；待各项工况比较稳定后，如待负荷稳定，给水流量稳定，主汽压力满足要求时，便可使汽包水位的自动调节系统投入自动运行。

6.2主要设备的特性要求控制系统中最主要的设备是调节阀，其特性（主要是相对开度和通过阀的相对流量之间的关系）对控制的效果影响极大。调节阀的特性数据一般由生产厂家提供，因为调节阀的试验对工况影响较大，在稳定运行期间无法完成。本系统阀门应满足这些要求：流量随位移的变化关系在有效行程内比较均匀；阀门全开时最大流量为锅炉额定负荷的1.1～1.2倍；改变流量的有效行程范围在全行程的70％以上。

6.3系统投运之前的检查控制系统上电之前，应将变送器的量程校准，查看调节阀动作是否正常，信号的测点位置是否准确，各个模块之间的接线是否符合要求，各节点是否接触良好。上电后，检查手/自动切换是否灵活，检查执行器动作方向和阀位指示是否正确。

6.4过热器温度自动系统投入将系统过热器温度控制在450±10℃，系统投入自动的过程包括主、副回路的调整。经多次试凑，外回路参数P=45％，I=8，内回路参数P=90％，I=5。随现场情况变化不断做出微调，以找到更优的控制参数。

6.5汽包水位自动系统投入汽包水位设定值为0mm，稳定区间为±10mm，死区为±5mm，系统投入自动的过程包括内、外环的参数整定，此过程需反复整定。由于现场工况可能发生变化，所以控制工程师还要根据现场的情况对PID参数进行微调。

4结束语

文章从循环流化床锅炉DCS控制系统的设计、硬件选型、软件组态到投入运行，介绍了DCS系统在循环流化床锅炉中的应用过程。本设计能满足主蒸汽温度及水位自动控制的要求，能有效的实现锅炉汽包水位和主蒸汽温度控制的自动调节，并且自动控制系统能保持锅炉系统的稳定运行，保证生产的安全。

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