胡海廣 王勇軍 河南永銀化工實(shí)業(yè)有限公司，河南 漯河 462400

DCS系統(tǒng)在流化床鍋爐中的應(yīng)用

胡海廣 王勇軍 河南永銀化工實(shí)業(yè)有限公司，河南 漯河 462400

針對(duì)一種全新在流化床鍋爐生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行監(jiān)視、操作、管理和分散控制的分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)—集散控制系統(tǒng)（DCS）的應(yīng)用情況，主要分析了DCS在鍋爐系統(tǒng)中的特點(diǎn)、配置、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能運(yùn)用。鍋爐DCS系統(tǒng)投運(yùn)后，運(yùn)行良好，各項(xiàng)功能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

鍋爐；集散控制系統(tǒng)（DCS）；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；模擬量控制系統(tǒng)

boiler ；dcs；network；modulating control system

引言

集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）,又稱分布式控制系統(tǒng)，是七十年代以來(lái)出現(xiàn)的一種新型控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)以微處理器為基礎(chǔ)，應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、過(guò)程控制技術(shù)以及CRT技術(shù)，采用了先進(jìn)的控制功能分散、操作管理集中的特點(diǎn)，能適應(yīng)不同的應(yīng)用規(guī)模和要求，便于設(shè)計(jì)、維護(hù)和集中使用。因此得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

近年來(lái)，循環(huán)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(duì)煤種適應(yīng)范圍廣的特點(diǎn)[1]。由于鍋爐系統(tǒng)復(fù)雜，自動(dòng)化水平要求高，為保證安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高工業(yè)鍋爐的熱效率、降低耗煤量、降低耗電量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，河南永銀化工實(shí)業(yè)有限公司新建的一臺(tái)75t/h循環(huán)流化床鍋爐，采用杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司的“HOLLIAS電廠自動(dòng)化控制MACS V分布式DCS控制系統(tǒng)”。

1 工藝流程

鍋爐系統(tǒng)主要包括：給水系統(tǒng)、給煤系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)、排污系統(tǒng)等。

燃料煤經(jīng)皮帶落到煤斗中，經(jīng)爐前給煤機(jī)、播煤風(fēng)將燃料煤送入爐膛中，燃料燃燒所需要的空氣由鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)風(fēng)室送入爐膛，風(fēng)量和燃料量成正比（風(fēng)煤比），以便進(jìn)行充分燃燒，形成高溫?zé)煔?。燃燒剩下的灰渣在爐膛內(nèi)下落到冷渣機(jī)，經(jīng)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(guò)熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器等，燃料燃燒時(shí)的高溫?zé)煔馐芤L(fēng)機(jī)的引力向爐膛上方、鍋爐尾部流動(dòng)，高溫?zé)煔馀c水冷壁、過(guò)熱器、省煤器進(jìn)行強(qiáng)烈的輻射換熱和對(duì)流換熱，將熱量傳遞給管內(nèi)的水流，經(jīng)過(guò)熱交換后的煙氣和空氣預(yù)熱器進(jìn)一步交換后，較低溫度的煙氣經(jīng)過(guò)除塵器除塵，經(jīng)引風(fēng)機(jī)、煙囪排出。省煤器的作用是給水預(yù)熱，空氣預(yù)熱器的作用是給低溫空氣預(yù)熱，以降低排煙溫度，提高鍋爐燃燒風(fēng)溫，從而節(jié)省燃燒。

2 DCS系統(tǒng)配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為保證鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)及合理的運(yùn)行，鍋爐以DCS作為主要監(jiān)視控制系統(tǒng)，輔以必要的獨(dú)立保護(hù)和控制裝置構(gòu)成對(duì)整個(gè)監(jiān)視控制系統(tǒng)。

整個(gè)系統(tǒng)從功能上包括以下各個(gè)子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS），模擬量控制系統(tǒng)（MCS）,順序控制系統(tǒng)（SCS）,鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）和電氣控制系統(tǒng)（ECS）。

2.1 DCS系統(tǒng)配置

全場(chǎng)設(shè)置機(jī)、爐、電集中控制室，控制室設(shè)在主廠房7米運(yùn)轉(zhuǎn)層鍋爐電子操作間， 鍋爐共設(shè)2面控制柜，并配備專門鍋爐DCS電源柜，1臺(tái)工程師站(ENS),2臺(tái)操作員站（OPS），1臺(tái)打印機(jī)，4面操作臺(tái)，在操作臺(tái)上設(shè)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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)冗余配置，現(xiàn)場(chǎng)控制站的電源、主控單元1: 1冗余配置。

2.2 系統(tǒng)規(guī)模

永銀化工DCS I/O點(diǎn)表（含20%備用）[2]如圖1

圖1 DCS點(diǎn)表Fig1 DCS point table

2.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

和利時(shí)MACS V系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由上到下分為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)三個(gè)層次，中央節(jié)點(diǎn)為服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)采用可靠性高的雙冗余結(jié)構(gòu)，保證在單網(wǎng)絡(luò)失效的情況下而不影響系統(tǒng)通信[3]。鍋爐DCS網(wǎng)絡(luò)圖如圖2。

2.3.1 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)(MNET)由100M高速冗余以太網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，用于系統(tǒng)服務(wù)器與工程師站、操作員站、通訊站、高級(jí)計(jì)算站的連接，完成工程師站的數(shù)據(jù)下裝，操作員站、高級(jí)計(jì)算站的在線數(shù)據(jù)通訊。

2.3.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(SNET)由100M高速冗余以太網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，用于系統(tǒng)服務(wù)器與現(xiàn)場(chǎng)控制站、通信控制站的連接，完成現(xiàn)場(chǎng)控制站、通信控制站的數(shù)據(jù)下裝，服務(wù)器與現(xiàn)場(chǎng)控制站、通信控制站之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊。

現(xiàn)場(chǎng)控制站服務(wù)器與現(xiàn)場(chǎng)控制站的以太網(wǎng)線連接。

2.3.3 控制網(wǎng)絡(luò)

控制網(wǎng)絡(luò)（CENT）由PROFIBUS-DP總線構(gòu)成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)構(gòu)成I/O模塊與現(xiàn)場(chǎng)控制站主控單元的通信，完成實(shí)時(shí)輸入、輸出數(shù)據(jù)的傳送。

2.3.4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接

各站的節(jié)點(diǎn)號(hào)設(shè)置完成后，即可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)線把各站點(diǎn)連接起來(lái)。連接方法采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的連接方法。

3.監(jiān)控系統(tǒng)的畫面和功能設(shè)計(jì)

圖2 DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig2 DCS network graph

控制界面采用MACS V開發(fā)，其功能有：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鍋爐及管網(wǎng)的模擬量如溫度、壓力、流量、液位、含氧量等進(jìn)行采集、處理并上傳主控進(jìn)行監(jiān)控；對(duì)電動(dòng)機(jī)、高壓變頻器及低壓變頻器的運(yùn)行狀態(tài)（包括啟動(dòng)、停止、運(yùn)行、故障、電流、頻率等）信號(hào)進(jìn)行采集、處理并上傳主控，操作員通過(guò)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的判斷進(jìn)行相應(yīng)操作；工程師站、操作員站中要求有運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、現(xiàn)場(chǎng)工藝畫面、報(bào)表（要求每天早上6:30自動(dòng)打印前一天每一小時(shí)數(shù)據(jù)），還要求有趨勢(shì)圖、報(bào)警記錄、棒圖、PID參數(shù)設(shè)定，順序控制等功能，同時(shí)要求按照鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行工藝對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全部控制[4]。DCS主畫面如圖3：

4 DCS功能應(yīng)用

鍋爐燃燒系統(tǒng)是一個(gè)大滯后、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)。針對(duì)中小型火電特點(diǎn)，本文將重點(diǎn)對(duì)母管制鍋爐的模擬量控制系統(tǒng)（MCS）進(jìn)行分析[5]。

4.1 母管壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

母管制機(jī)組須考慮負(fù)荷分組，將主蒸汽母管壓力作為負(fù)荷調(diào)節(jié)的反饋信號(hào)，與母管壓力、汽包壓力和給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主汽流量給定值進(jìn)行PID運(yùn)算，其結(jié)果乘以相應(yīng)系數(shù)作為鍋爐的負(fù)荷指令，從而得到各臺(tái)鍋爐的負(fù)荷指令、給煤指令和風(fēng)量指令。如圖4：

4.2 主汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

在主汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，通過(guò)調(diào)節(jié)減溫水流量和減溫器后汽溫來(lái)調(diào)節(jié)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(yùn)用串級(jí)控制系統(tǒng)，在PID中與多組調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，以維持主汽溫度穩(wěn)定，防止主汽溫度偏高或偏低。如圖5：

圖5 ：主汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)Fig5 main steam temperature regulate system

4.3 燃料量調(diào)節(jié)系統(tǒng)

燃料量調(diào)節(jié)系統(tǒng)指令即為燃料量指令，總?cè)剂狭恐噶钆c總風(fēng)量進(jìn)行交叉限制后作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定值，在PID中與燃料量測(cè)量值進(jìn)行運(yùn)算，結(jié)果分別作為煤量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和石灰石調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定指令。如圖6：

圖6 燃料量調(diào)節(jié)系統(tǒng)Fig6 fuel quantity regulate system

4.4 總風(fēng)量調(diào)節(jié)控制回路

主蒸汽調(diào)節(jié)系統(tǒng)中發(fā)出的風(fēng)量指令即為總風(fēng)量指令，總風(fēng)量中主要為一、二

次風(fēng)，同時(shí)一、二次風(fēng)直接影響鍋爐的運(yùn)行及燃燒工況，所以總風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)改變一、二次風(fēng)量的指令來(lái)保證鍋爐所需配風(fēng)。鍋爐主控系統(tǒng)得到的總風(fēng)量指令與燃料量測(cè)定值進(jìn)行交叉限制后作為總風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定值，以保證負(fù)荷增加時(shí)先加風(fēng)后加燃料，負(fù)荷減少時(shí)先減燃料后減風(fēng)的要求，從而保證一定量的過(guò)?？諝庀禂?shù)和床溫，總風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定值在PID中與總風(fēng)量測(cè)量值進(jìn)行計(jì)算后，送往點(diǎn)火風(fēng)，一、二次風(fēng)調(diào)節(jié)。如圖7：

圖7 總風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)Fig7 total air quantity regulate system

4.5 床溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)

床溫調(diào)節(jié)較為復(fù)雜，因?yàn)橛绊懘矞氐囊蛩剌^多，如給煤量，石灰石供應(yīng)，排渣量，一、二次風(fēng)量返料量和返料溫度等，床溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)中床溫給定值是在綜合考慮負(fù)荷指令、給煤量、一、二次風(fēng)量等物理量后得到的結(jié)果。如圖8：

圖8 床溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)Fig8 bed temperature regulate system

4.6爐膛壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

爐膛出口壓力測(cè)點(diǎn)測(cè)量值經(jīng)過(guò)慣性延滯處理后與給定值一起送入PID中進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果對(duì)引風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)爐膛壓力滿足機(jī)組運(yùn)行要求，由于一次和二次風(fēng)量發(fā)生變換時(shí)，需經(jīng)過(guò)一段時(shí)間爐膛負(fù)壓才發(fā)生變化，因此在上述調(diào)節(jié)方案中直接把總風(fēng)量作為前饋信號(hào)送入PID調(diào)節(jié)輸出中，以提高一、二次風(fēng)量變化時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。如圖9：

圖9 爐膛壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)Fig9 furnace press regulate system

5 結(jié)論

河南永銀化工實(shí)業(yè)有限公司新建75t/ h流化床鍋爐，采用DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自控系統(tǒng)具有軟硬件類型少，編程工作量少，工程實(shí)施快捷方便的特點(diǎn)，并在2011年3月完成72+24小時(shí)聯(lián)合試運(yùn)行，各項(xiàng)設(shè)計(jì)達(dá)到要求，運(yùn)行良好。

[1]岑可法.循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計(jì)與運(yùn)行 [M].中國(guó)電力出版社.1998

[2]王常力.集散型控制系統(tǒng)選型與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社.1996

[3]HOLLias-macs應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)手冊(cè)[M].杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司.2008

[4]周艷惠.DCS在電氣系統(tǒng)控制中的應(yīng)用[J].工業(yè)技術(shù).2010年3期

[5] 劉捷.DCS、FCS控制系統(tǒng)在鍋爐控制中的應(yīng)用[J].沈陽(yáng)：大連民族學(xué)院學(xué)報(bào). 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(yáng)人，助理工程師，就職河南永銀化工實(shí)業(yè)有限公司，主要研究方向電氣DCS、PLC應(yīng)用與維護(hù)。