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(jì)要點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)鍋爐和一臺(tái)汽輪機(jī)——發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備的自動(dòng)控制和集中監(jiān)控。文中還對(duì)循環(huán)流化床鍋爐重要回路的控制策略做了詳細(xì)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(jī)的配置，即一臺(tái)75噸前置式循環(huán)流化床補(bǔ)燃鍋爐和一臺(tái)4噸余熱鍋爐，以及由一臺(tái)抽汽凝汽式汽輪機(jī)和一臺(tái)發(fā)電機(jī)組成的汽輪機(jī)——發(fā)電機(jī)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(diǎn)，但同時(shí)也具有燃燒控制復(fù)雜，易結(jié)焦、磨損嚴(yán)重的缺點(diǎn)。根據(jù)該系統(tǒng)的特點(diǎn)和目前汽輪發(fā)電機(jī)的控制水平，該系統(tǒng)采用集散型控制系統(tǒng)（DCS），實(shí)現(xiàn)對(duì)兩爐一機(jī)的自動(dòng)控制和生產(chǎn)管理。DCS由工程師站和三個(gè)操作員站及兩個(gè)過程控制站組成。兩個(gè)過程控制站分別控制鍋爐和汽機(jī)，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(tái)和商用機(jī)三臺(tái)，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(tái)，配有16通道數(shù)字量輸入模塊10個(gè)，16通道數(shù)字量輸出模塊12個(gè)，16通道模擬量輸入模塊8個(gè)，4通道模擬量輸出模塊4個(gè)，6通道熱電偶輸入模塊10個(gè)，8通道熱電偶輸入模塊6個(gè)。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(cè)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(cè)量溫度在500OC以下的需集中監(jiān)控的溫度測(cè)點(diǎn)，熱電偶用于測(cè)量500OC以上的需集中監(jiān)控的溫度測(cè)點(diǎn)，采用鍋爐專用型。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥及變頻器等。 3．控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　備用操作盤由鍋爐操作盤和汽機(jī)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(bào)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(jī)組主要模擬量的控制系統(tǒng)，主輔機(jī)的聯(lián)鎖保護(hù)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(shí)現(xiàn)二爐一機(jī)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(biāo)，對(duì)主、輔機(jī)設(shè)備進(jìn)行啟停，對(duì)各調(diào)節(jié)回路進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)控制。在手動(dòng)方式下，通過備用操作盤啟停設(shè)備和用手操器對(duì)調(diào)節(jié)回路進(jìn)行控制。系統(tǒng)主要運(yùn)行在集控方式，只有控制系統(tǒng)故障時(shí)才在單機(jī)方式下運(yùn)行。 　　集控方式下控制的設(shè)備有：引風(fēng)機(jī)，一、二次風(fēng)機(jī)，喂煤電子秤，喂煤拉鏈機(jī)，給水泵，凝結(jié)水泵，疏水泵，射水泵，循環(huán)水泵，電動(dòng)主油泵，齒輪油泵，直流油泵，各種電動(dòng)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(fù)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(diǎn)：循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)是一個(gè)大滯后、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，各個(gè)變量之間相互影響，有的被調(diào)參數(shù)同時(shí)受到幾個(gè)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(fēng)量、返料量及排閘量等多個(gè)參數(shù)控制。同時(shí)有的調(diào)節(jié)參數(shù)又影響多個(gè)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(shí)，只有抓住主要因素，同時(shí)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(fēng)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(jìn)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(fēng)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(shí)需要控制一定的床層厚度，而床層厚度由排渣系統(tǒng)進(jìn)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(fēng)控制系統(tǒng)，二次風(fēng)控制系統(tǒng)，主汽溫度控制系統(tǒng)和引風(fēng)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(shí)，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(yùn)行時(shí)床溫可以在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，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(jī)組的負(fù)荷變化，故在主汽壓力控制方案中把主蒸汽流量信號(hào)經(jīng)過函數(shù)運(yùn)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。控制方框圖如圖二所示。 [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(jī)組運(yùn)行情況的一個(gè)重要參數(shù)，如果主汽溫度偏高，過汽器及汽機(jī)將要在惡劣環(huán)境下運(yùn)行，材料的使用壽命將會(huì)縮短，相反的情況將會(huì)使汽機(jī)達(dá)不到預(yù)定的運(yùn)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(jí)控制系統(tǒng)。主汽溫度測(cè)量值作為主調(diào)的反饋輸入值，與主汽溫度值進(jìn)行PID運(yùn)算后送入副調(diào)中與減溫器出口汽溫進(jìn)行控制運(yùn)算，其結(jié)果經(jīng)限幅后由手操器輸出至執(zhí)行機(jī)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(diǎn)，在常規(guī)控制中引入了Smith預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)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(hào)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?yàn)闋t膛壓力主要是由引風(fēng)量和送風(fēng)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(fēng)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(fēng)機(jī)作用，以實(shí)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(fù)荷時(shí)采用單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，高負(fù)荷時(shí)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(hào)經(jīng)汽包壓力補(bǔ)償后作為主調(diào)的輸入，蒸汽流量信號(hào)經(jīng)溫度、壓力修正后與給水流量信號(hào)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(jì)要求的范圍之內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，給水量應(yīng)及時(shí)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(dá)到汽包水位相對(duì)恒定的目的。如果水位超出正常范圍，則發(fā)出聲光報(bào)警，當(dāng)水位超過極限時(shí)，則要采取停爐停機(jī)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(yùn)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(jī)設(shè)備順序控制 　　循環(huán)流化床機(jī)組配有大量的輔機(jī)設(shè)備，如引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、給煤機(jī)、給水泵、疏水泵等。在運(yùn)行時(shí)，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(duì)其設(shè)計(jì)程序啟動(dòng)、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(dòng)或程序停止過程中，可以人為中斷程序啟動(dòng)或程序停止過程。順控過程重新開始時(shí)，將從程序第一步開始執(zhí)行。順控部分的聯(lián)鎖和保護(hù)指令具有最高優(yōu)先級(jí)，手動(dòng)控制的優(yōu)先級(jí)次之，自動(dòng)控制指令的優(yōu)先級(jí)最低。 　　根據(jù)工藝系統(tǒng)運(yùn)行方式，順序控制被分成以輔機(jī)為單位的功能組，每一子功能組執(zhí)行某一特定功能，以實(shí)現(xiàn)成組操作和程序啟停，并具有聯(lián)鎖保護(hù)功能。 6.汽機(jī)安全保護(hù) 　　汽機(jī)保護(hù)是汽輪機(jī)——發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的重要保證，汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)保護(hù)測(cè)點(diǎn)大約有40個(gè)左右，采用計(jì)算機(jī)和繼電器雙重保護(hù)，并根據(jù)汽機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行情況，設(shè)有解鎖和聯(lián)鎖功能，保證汽機(jī)正常啟動(dòng)。 　　汽機(jī)主要保護(hù)有：汽機(jī)超速保護(hù)，緊急停機(jī)保護(hù)，發(fā)電機(jī)溫度保護(hù)，軸向位移超限保護(hù)，凝汽機(jī)真空保護(hù)，潤滑油路保護(hù)，汽機(jī)軸承溫度保護(hù)，發(fā)電機(jī)超負(fù)荷保護(hù)等。 7.DCS系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(bào)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(jì)，主要完成現(xiàn)場參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，控制運(yùn)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(bào)表生成以及過程趨勢(shì)和參數(shù)整定，并能與以太網(wǎng)連接。組態(tài)實(shí)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(bào)表生成軟件。⑤自定義鍵的定義。⑥主機(jī)及輔機(jī)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(jì)成各種方式的功能鍵。工程師和操作員可按不同級(jí)別對(duì)各類控制參數(shù)進(jìn)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(shì)畫面和歷史畫面。⑤報(bào)警一覽畫面。⑥數(shù)據(jù)一覽表。⑦生產(chǎn)報(bào)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(shí)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(jī)設(shè)備的啟停及聯(lián)鎖保護(hù)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(duì)新型環(huán)保循環(huán)流化床補(bǔ)燃鍋爐及余熱電站的控制方案的有益嘗試。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)不但對(duì)小型的余熱電站具有良好的性能價(jià)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(diǎn)，環(huán)保節(jié)能效益顯著。 參考文獻(xiàn)： 　　1. 孫秀全，《鍋爐和工業(yè)爐窯實(shí)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》，國防工業(yè)出版社，長沙，1993 　　2. 徐用懋，《微機(jī)在過程控制中應(yīng)用》，清華大學(xué)出版社，北京，1989