DCS在循環(huán)流化床鍋爐的應(yīng)用

1 引言

　　循環(huán)流化床鍋爐以其低消耗、高效率、適應(yīng)煤質(zhì)廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)點(diǎn)為眾多熱電廠所采用。但要保證這些優(yōu)點(diǎn)除了應(yīng)具備一套好的循環(huán)流化床鍋爐和配套的輔機(jī)設(shè)備外，還必須配備性能優(yōu)良的集散控制系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)各廠家生產(chǎn)的循環(huán)流化床鍋爐及輔機(jī)在性能上都已達(dá)到規(guī)定的要求，但所采用的控制系統(tǒng)卻參差不齊，甚至仍然有一部分采用常規(guī)儀表控制。常規(guī)儀表用來控制鏈條爐還能夠滿足要求，但要控制循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行就顯得有些“力不從心”了。這是由于以下原因引起的：1）循環(huán)流化床鍋爐的控制參數(shù)多，若采用常規(guī)儀表控制將造成控制儀表過多，易給操作人員造成混亂，不利于快捷操作控制；2）循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制原理復(fù)雜，若采用常規(guī)儀表控制將造成操作人員工作強(qiáng)度大、責(zé)任大，導(dǎo)致鍋爐的燃燒控制協(xié)調(diào)不易掌握，增加了出現(xiàn)故障的幾率，易導(dǎo)致因控制不好而結(jié)焦以致停爐，給電廠造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。國(guó)內(nèi)的DCS生產(chǎn)廠家為了適應(yīng)電廠控制的需要，在不斷地吸收和借鑒先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，有效地提升了循環(huán)流化床的DCS控制理論，充分體現(xiàn)了DCS控制系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性和精確性等優(yōu)點(diǎn)。

2 工程設(shè)備概況

　　永煤集團(tuán)熱電廠鍋爐改造工程通過招標(biāo)用湖南省節(jié)能設(shè)計(jì)公司改造杭州鍋爐廠生產(chǎn)的鍋爐，型號(hào)為YM130-3.8/450-M型,130噸中溫中壓循環(huán)流化床鍋爐。該鍋爐為單汽包，自然循環(huán)蒸汽鍋爐，主要用于發(fā)電及市區(qū)生活供熱。鍋爐的燃燒系統(tǒng)由爐膛、旋風(fēng)分離器、返料器和尾部對(duì)流煙道組成。采用水冷布風(fēng)板，布風(fēng)板截面均勻布置風(fēng)帽，一次熱風(fēng)進(jìn)入水冷風(fēng)室后經(jīng)這些風(fēng)帽均勻進(jìn)入爐膛。燃煤經(jīng)設(shè)在爐前的4臺(tái)給煤機(jī)送入燃燒室和輸送煤泥通過爐頂進(jìn)入爐膛。按照燃料燃燒的流向劃分，鍋爐的結(jié)構(gòu)可分為4個(gè)組成部分，即燃燒室、高溫旋風(fēng)分離器、返料密封裝置和尾部對(duì)流煙道。尾部對(duì)流煙道內(nèi)沿?zé)煔饬鞒桃来尾贾糜懈邷剡^熱器和低溫過熱器，高溫過熱器分為高溫冷段和熱段，中間設(shè)有噴水減溫器。下部依次布有省煤器和空氣預(yù)熱器，用于加熱一次風(fēng)。鍋爐配置2臺(tái)引風(fēng)機(jī)、1臺(tái)一次風(fēng)機(jī)。鍋爐采用床上木炭點(diǎn)火。經(jīng)濟(jì)、節(jié)約點(diǎn)火費(fèi)用。

3 DCS 系統(tǒng)配置

　　控制系統(tǒng)采用開放式結(jié)構(gòu)及高度模塊化技術(shù)的分散型系統(tǒng)，由高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)接口站和分散處理單元三大部分組成，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、過程控制、順序控制、高級(jí)控制、報(bào)警檢測(cè)、監(jiān)視、操作，同時(shí)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)、顯示打印等處理。高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)DCS控制系統(tǒng)中起著重要的作用，它連接著人機(jī)接口站和分散處理單元，完成各種控制信息在網(wǎng)絡(luò)上的傳送功能。該項(xiàng)目中的DCS控制系統(tǒng)配置如圖所示。

　　整個(gè)DCS控制系統(tǒng)由1臺(tái)工程師站、幾臺(tái)操作員站和1個(gè)控制柜組成，同時(shí)工程師站還擔(dān)負(fù)著向全廠信息中心傳送鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)的功能。1個(gè)控制柜分別為2個(gè)分散處理單元柜、1個(gè)信號(hào)端子柜、電源柜和網(wǎng)絡(luò)通信。分散處理單元柜中采用冗余CPU 結(jié)構(gòu)，并通過網(wǎng)絡(luò)通信處理模塊連接各種智能型I/O模板，確保整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

　　電源柜的供電電源為從UPS輸出的雙路穩(wěn)壓電源，經(jīng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換后以雙路冗余的模式向其他控制柜輸出5V、24V和48V工作電源。網(wǎng)絡(luò)通信中配置了冗余的交換機(jī)，確保實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)暢通無阻。

4 順序控制及聯(lián)鎖保護(hù)

　　鍋爐保護(hù)邏輯由MFT鍋爐跳閘保護(hù)邏輯、順序控制及聯(lián)鎖等幾部分組成。

　　1） 鍋爐跳閘保護(hù)邏輯

　　主燃料的跳閘保護(hù)條件即是依據(jù)鍋爐正常燃燒運(yùn)行時(shí)多種控制條件綜合得出的鍋爐保護(hù)措施，其目的是確保鍋爐的床溫足夠高，使進(jìn)入爐膛內(nèi)的燃料能夠持續(xù)、穩(wěn)定地燃燒。通常，在以下情況發(fā)生時(shí)，應(yīng)緊急停爐，實(shí)行強(qiáng)制性主燃料跳閘動(dòng)作。觸發(fā)鍋爐產(chǎn)生保護(hù)的條件如下：送風(fēng)機(jī)跳閘、所有引風(fēng)機(jī)跳閘、爐床溫度測(cè)點(diǎn)中任意3個(gè)超過1050℃、 爐膛壓力超低、汽包水位超高（水位值高于+200mm 且延時(shí)5s）、汽包水位超低（水位值高低于-200mm 且延時(shí)5s）時(shí)，按下MFT手動(dòng)按鈕。

　　主燃料保護(hù)動(dòng)作后，指令發(fā)出自動(dòng)停止向爐膛內(nèi)部送煤、煤泥、送風(fēng)機(jī)，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況決定是否停引風(fēng)機(jī)及關(guān)閉減溫水閥門。在不停引風(fēng)機(jī)的情況下，應(yīng)慎重地控制進(jìn)入爐膛的引風(fēng)量，而不應(yīng)該盲目地立即減小引風(fēng)量。

　　2） 順序控制及聯(lián)鎖

　　鍋爐輔機(jī)設(shè)備的順序控制及聯(lián)鎖的基本目的是將正常運(yùn)行時(shí)由于鍋爐及輔機(jī)設(shè)備的工況原因?qū)υO(shè)備所產(chǎn)生的不良影響降至最低，以保障設(shè)備的長(zhǎng)久使用。其主要功能是在裝置不滿足運(yùn)行條件或正常運(yùn)行中接近不穩(wěn)定、不安全的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，依靠預(yù)先設(shè)定的保護(hù)動(dòng)作來限制該裝置的瞬間動(dòng)作方式，最終得以保證設(shè)備的安全。本臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐的DCS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多套順控及聯(lián)鎖控制回路，包括引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、給煤機(jī)、水系統(tǒng)的電動(dòng)門和蒸汽系統(tǒng)的電動(dòng)門及安全門。這些聯(lián)鎖邏輯的設(shè)置為鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了基本的保障，同時(shí)也為電廠的操作人員提供了相對(duì)規(guī)范的設(shè)備操作流程。

5 自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

　　循環(huán)流化床鍋爐采用DCS的主要原因之一就是要解決運(yùn)行控制復(fù)雜性的問題。相對(duì)優(yōu)秀的模擬量調(diào)節(jié)控制回路的設(shè)計(jì)可以有效地控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)動(dòng)作，從而安全高效地控制鍋爐燃燒系統(tǒng)的運(yùn)作。循環(huán)流化床鍋爐是一個(gè)多參數(shù)、多變量、強(qiáng)關(guān)聯(lián)、干擾多的控制對(duì)象，其自動(dòng)控制系統(tǒng)既是獨(dú)立的，又是相互關(guān)聯(lián)的，可謂是“牽一發(fā)而動(dòng)全身”。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)之后，其他的調(diào)節(jié)系統(tǒng)也要有相應(yīng)變化。本鍋爐的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了幾個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)回路，涉及汽溫調(diào)節(jié)、負(fù)壓調(diào)節(jié)、水位調(diào)節(jié)、給煤調(diào)節(jié)及燃燒調(diào)節(jié)等多個(gè)方面，充分滿足了該循環(huán)流化床的運(yùn)行控制要求。

　　1） 給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)

　　汽包水位調(diào)節(jié)（即給水自動(dòng)）是循環(huán)流化床中最為重要的一個(gè)調(diào)節(jié)回路，也是整個(gè)控制系統(tǒng)中必須投入自動(dòng)的調(diào)節(jié)回路之一。給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的目的是通過控制鍋爐的上水流量從而實(shí)現(xiàn)保持鍋爐汽包內(nèi)水位的穩(wěn)定性，使其在某一設(shè)定值上下輕微浮動(dòng)，有效地減輕了由操作人員手動(dòng)控制水位的所產(chǎn)生的繁重工作。本循環(huán)流化床鍋爐的給水控制系統(tǒng)由主給水調(diào)節(jié)和給水旁路調(diào)節(jié)二套自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。其中給水旁路調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)采用單沖量調(diào)節(jié)方式，通過汽包水位實(shí)際值與設(shè)定值之間的偏差控制給水旁路調(diào)節(jié)閥的輸出，該自動(dòng)系統(tǒng)一般在鍋爐負(fù)荷小于30%的情況下投入使用；主給水調(diào)節(jié)則分為單沖量調(diào)節(jié)和三沖量調(diào)節(jié)二種控制方式，其單沖量調(diào)節(jié)和三沖量調(diào)節(jié)的控制切換通過系統(tǒng)對(duì)鍋爐運(yùn)行情況進(jìn)行判斷后自行實(shí)現(xiàn)，不需要人為干預(yù)，該自動(dòng)系統(tǒng)一般在鍋爐高負(fù)荷時(shí)使用（即負(fù)荷大于30%）。主給水調(diào)節(jié)控制原理如圖所示。

主給水調(diào)節(jié)控制原理

　　主給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)鍋爐主給水閥門的開度來控制汽包水位的穩(wěn)定。當(dāng)鍋爐的負(fù)荷超過30%時(shí)主給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿足投入自動(dòng)運(yùn)行的工況，這時(shí)操作人員可根據(jù)實(shí)際情況將主給水調(diào)節(jié)切換至自動(dòng)控制。當(dāng)主蒸汽流量及主給水流量的變送器正常工作時(shí)，主給水調(diào)節(jié)即為三沖量自動(dòng)控制方式。此時(shí)單沖量調(diào)節(jié)處于跟蹤狀態(tài)，即跟蹤三沖量調(diào)節(jié)的輸出。若主蒸汽流量或主給水流量的變送器出現(xiàn)信號(hào)故障時(shí)給水調(diào)節(jié)自動(dòng)切換至單沖量調(diào)節(jié)方式。

6 結(jié)束語

　　在永煤集團(tuán)熱電廠的130噸循環(huán)流化床鍋爐項(xiàng)目的調(diào)試過程中，分散型控制系統(tǒng)的選用有效地保障了整個(gè)工程的設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試、運(yùn)行等階段的順利完成，并最大限度地縮短了整個(gè)控制系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間，確保了工程的按時(shí)投產(chǎn)運(yùn)行。試運(yùn)過程中，熱工系統(tǒng)給水自動(dòng)、汽溫自動(dòng)投入運(yùn)行，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)投入穩(wěn)定，調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)良，得到了廠領(lǐng)導(dǎo)及運(yùn)行人員的肯定與好評(píng)。