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鏈條鍋爐、汽機控制方案
浙江威盛自動化有限公司
一、前言
某熱電廠于2004年9月建成兩臺35T鏈條鍋爐和一臺6MW汽機，使用我們公司的DCS系統(tǒng)。
一、控制的基本特點
鍋爐作為能源動力轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，其整個運行狀況對于生產(chǎn)的安全，穩(wěn)定高效具有決定性的意義。對于鏈條爐，和其他類型的鍋爐相比較，它的主要特點是運行較為穩(wěn)定，負荷可以教大范圍的提升。但是其教大的滯后反應(yīng)，決定了在調(diào)節(jié)控制方面的難點。較多的燃料供給設(shè)備，風煙配比情況，順序啟動和緊急停爐的順控問題，一直是各應(yīng)用廠礦，科研單位，及自動化行業(yè)不斷優(yōu)化的主題。根據(jù)我們的長期現(xiàn)場實踐總結(jié)，對于中壓鏈條爐，我們開辟了獨到的整體控制模式應(yīng)用于現(xiàn)場，運行效果較為理想。
汽機做為發(fā)電機的動力設(shè)備，其運行穩(wěn)定具有非常重要的意義，所以保證其在額定轉(zhuǎn)速（3000RPM）下運行是極其重要的，超過3360RPM即會造成飛輪事故的產(chǎn)生，低于2700RPM便對并網(wǎng)發(fā)電造成影響，而它的潤滑油系統(tǒng)也是保證汽輪機正常運行的一個前提條件。
1、 工藝簡介
本生產(chǎn)裝置包含以下幾個工序：
鍋爐：鍋爐總貌、汽水系統(tǒng)、煙風系統(tǒng)。
汽機：汽機總貌、潤滑油系統(tǒng)、除氧給水系統(tǒng)、減溫減壓系統(tǒng)。
3、工藝對控制系統(tǒng)的要求
a、實現(xiàn)各個單元操作的集中監(jiān)控，包括：溫度、壓力、流量、液位等物理量的監(jiān)測與控制。動態(tài)參數(shù)檢測、控制必須準確、可靠。
b、必要的遙控措施,對突發(fā)事件如停電等，系統(tǒng)應(yīng)采取相應(yīng)的保護措施，確保在緊急情況下或需要的時候?qū)σ恍╆P(guān)鍵的控制點（閥門、馬達等）實施遙控。
c、配置必要的報警和聯(lián)鎖。
d、重要參數(shù)的記錄和方便地查閱其實時趨勢和歷史趨勢。
e、可隨時監(jiān)測有關(guān)單元的有關(guān)參數(shù)或重要設(shè)備的運行情況。
f、控制系統(tǒng)操作簡單，參數(shù)設(shè)置、調(diào)整方便，便于操作，人性化的操作界面。
g、操作員站顯示整個生產(chǎn)工藝流程，修改和打印各種有關(guān)參數(shù)。
二 系統(tǒng)組成
1、系統(tǒng)配置
本項目控制系統(tǒng)采用的是FB-2000NS DCS。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)控制、批量控制和邏輯控制等多種控制算法。根據(jù)帶控制點的工藝流程圖，與工藝技術(shù)人員認真細致地分析了生產(chǎn)工藝對控制的要求，合理地設(shè)計了方便于操作工監(jiān)視、操作的流程圖畫面。本工程采用2個控制站、2個操作站，操作站和控制站處于同一中控室內(nèi)，兩操作站是完全對等的，其中任意一臺操作站均可兼作工程師站。控制站與操作站之間由CNET雙重化冗余的過程控制網(wǎng)連接。我們從生產(chǎn)更為可靠和經(jīng)濟方面考慮，主控制器采用熱備冗余。其作用是當主板發(fā)生故障時，冗余板會自動投入工作，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行。其DCS的硬件配置為：
鍋爐： FB-2001NS2塊，F(xiàn)B-2005NS網(wǎng)卡2塊，
FB-2010NS-8塊，F(xiàn)B-SC14NS-8塊；
FB-2020NS-7塊，F(xiàn)B-SC20NS-7塊；
FB-2030NS-8塊，F(xiàn)B-SC30NS-8塊；
FB-2040NS-5塊，F(xiàn)B-SC43NS-5塊。
汽機： FB-2001NS2塊，F(xiàn)B-2005NS網(wǎng)卡2塊，
FB-2010NS-12塊，F(xiàn)B-SC14NS-12塊；
FB-2020NS-2塊，F(xiàn)B-SC20NS-2塊；
FB-2030NS-8塊，F(xiàn)B-SC30NS-8塊；
FB-2040NS-4塊，F(xiàn)B-SC43NS-4塊。
這樣就構(gòu)成了一套分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。另外現(xiàn)場有一臺6KVA UPS在線式不間斷電源，所有模擬量信號通過隔離模塊后，進入輸入端子板，且所有模擬量輸出信號均通過隔離模塊，進入現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)�，F(xiàn)場控制站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如下：
2. DCS系統(tǒng)規(guī)模
鍋爐：AIN： 114個
AOU： 24個
DIN： 128個
DOUT：96個
汽機：AIN： 168個
AOU： 8個
DIN： 128個
DOUT：64個
二、控制方案
鏈條爐控制的實施方案
1．汽包水位控制
汽包水位的控制任務(wù)是：使給水流量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，以維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)保持給水穩(wěn)定；另外是抗擾動性及負荷變化的虛假水位。 汽包水位的控制方案采用三沖量給水串級控制系統(tǒng)和水位單沖量結(jié)合的方式。三沖量鍋爐汽包給水自動控制系統(tǒng)，是以汽包水位H為主控信號，蒸汽流量D為前饋控制信號，給水流量W為反饋控制信號組成的控制系統(tǒng)。它采用蒸汽流量信號對給水流量進行前饋控制，當蒸汽負荷突然發(fā)生變化，蒸汽流量信號使給水調(diào)節(jié)閥一開始就向正確方向移動，即蒸汽流量增加，給水調(diào)節(jié)閥開大，抵消了由于“虛假水位”引起的反向動作，因而減小了水位和給水流量的波動幅度。當由于水壓干擾使給水流量減少的信號，開大給水閥門，使給水量保持不變。另外，給水流量信號也是調(diào)節(jié)器動作后的反饋信號，能使調(diào)節(jié)器及早知道控制的效果，所以三沖量給水控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器動作快，還可以避免調(diào)節(jié)過頭，減少波動和失控。這樣，汽包水位很少受到影響。三沖量給水控制系統(tǒng)主回路簡化方塊如圖：
另外，當鍋爐處于低負荷運行時，水位控制系統(tǒng)可自動切換到單沖量調(diào)節(jié)。當發(fā)生負荷的突增、突降情況時，往往會引起較高的水位波動，這時單采用經(jīng)典的三沖量控制，難以克服干擾因素水位的大擾動，此時，可通過程序綜合儀表輸入的客觀信息，強行上拉或下拉給水閥位植，防止水位下降或上升過快。
單沖量汽包水位控制主要用于給水流量，主汽流量等儀表的損壞，檢修或者啟停時的控制。
2、爐膛負壓控制
爐膛負壓采用串級控制的方式，將一次風和二次風進行相加的總和作為主調(diào)節(jié)回路的測量值，以副回路爐膛負壓的調(diào)節(jié)輸出作為給定值，調(diào)節(jié)輸出到引風變頻輸入改變其轉(zhuǎn)速。達到改變引風量的目的，從而維持爐膛副壓的穩(wěn)定。其方框圖如下：
爐膛負壓串級調(diào)節(jié)框圖
3、過熱蒸汽汽溫控制
。過熱器蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)方塊圖：
說明：ｆ１ ：煙氣流量和溫度變化的擾動
ｆ２ ：入口蒸汽流量和溫度的擾動
�。�３ ：減溫水壓力變化的擾動
θ０ ：入口蒸汽溫度
θ１ ：出口蒸汽溫度
θ２ ：減溫器出口溫度
汽溫自動調(diào)節(jié)中，具有導前微分信號的雙沖量汽溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量已經(jīng)能滿足生產(chǎn)上的要求，得到了廣泛的應(yīng)用。如果因減溫器至被調(diào)量測溫點這段區(qū)域的遲延和慣性較大，要求進一步減小動態(tài)偏差時，可以采用串級汽溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器整定也具有較大的靈活性。
如圖所示串級汽溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)和雙沖量汽溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的區(qū)別是不用微分器，而多用了一個副調(diào)節(jié)器，減溫器后的導前溫度信號θ2送到副調(diào)節(jié)器，主汽溫信號θ1送至主調(diào)節(jié)器。副調(diào)節(jié)器的給定信號由主調(diào)節(jié)器來校正，副調(diào)節(jié)器直接控制電動執(zhí)行器以操縱減溫水調(diào)節(jié)閥。
在串級汽溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由減溫器、變送器2、副調(diào)節(jié)器、電動執(zhí)行器構(gòu)成快速副回路，它能盡可能地消除減溫水側(cè)的擾動，對過熱汽溫起粗調(diào)作用，副調(diào)節(jié)器一般采用比例或比例微分調(diào)節(jié)器；主調(diào)節(jié)器的作用是最后保持汽溫為給定值，對汽溫起細調(diào)作用，一般采用比例積分或比例積分微分調(diào)節(jié)器。因為一般對主汽溫的調(diào)節(jié)質(zhì)量有嚴格要求，對減溫器后的汽溫則無嚴格要求，允許有靜差。
當主汽溫θ1或?qū)捌麥卅?SUB>2升高時，要求減溫水調(diào)節(jié)閥開大，使調(diào)節(jié)的結(jié)果θ1和θ2恢復(fù)到給定值，反之亦然。形成的負反饋閉環(huán)系統(tǒng)如圖所示。主調(diào)節(jié)器輸入回路的“正—反”作用開關(guān)應(yīng)置于“反”方向；副調(diào)節(jié)器輸入回路的“正—反”作用開關(guān)應(yīng)置于“正”方向。
3．燃燒控制系統(tǒng)
燃燒部分的控制是整個設(shè)備控制的核心。影響整個設(shè)備改變的因素較多，而且整個過程是一個大滯后的調(diào)節(jié)，采用傳統(tǒng)的PID，串級控制等效果都不是很理想，會出現(xiàn)超調(diào)節(jié)，大波動的現(xiàn)象產(chǎn)生。根據(jù)現(xiàn)場的分析，我們采用了主蒸汽流量和壓力的聯(lián)合控制來實現(xiàn)整個燃燒系統(tǒng)的主輔式控制。
主要的控制策略原理為：我們需要設(shè)定一個目標的流量控制值，目標流量的計算是在當前流量的基礎(chǔ)上，通過對當前壓力的變化率的大小進行流量修正，即當壓力變小時，其變化率為正值（上次檢測值-當前檢測值），同時對其進行增益放大，計算后的數(shù)值與當前流量進行累加后進行控制中心點的自尋優(yōu)平衡態(tài)。根據(jù)整個工藝實際狀況，確定所需的燃料的中心量值，根據(jù)風煤的比率值確定所需鼓風的總量值。按照設(shè)計的一、二次風的分配比例進行運算，調(diào)整鼓風量的大�。ㄒ淮物L）。這是保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行的主線。
對于壓力的調(diào)節(jié)，采用對主線在燃料供給，風量供給的中心值進行修正的原則。 主汽壓力作為給煤修正的串級給定，通過爐膛溫度的串級主回路控制，有效的對壓力變化，媒質(zhì)變化所引起的運行波動給予消除。同時根據(jù)相同的比例幅度控制總風量的大小。
為了保證燃燒效果的最佳，采用根據(jù)排煙的含氧量大小，對二次風進行調(diào)整的方法，使燃燒始終處于較為經(jīng)濟的狀態(tài)。
具體的調(diào)節(jié)原理圖如下所示：
汽機控制的實施方案
1．減溫減壓控制
減溫減壓控制調(diào)節(jié)回路采用單沖量調(diào)節(jié)方式，較為經(jīng)典和簡單。原理方框圖如下：
減壓控制也為單回路調(diào)節(jié)，原理框圖與減溫相同。
2．除氧器的液位、壓力控制
除氧器的液位，壓力控制采用單回路控制模式。原理框圖略。
五、畫面構(gòu)成
1、 鍋爐工藝上有鍋爐總貌、汽水系統(tǒng)、煙風系統(tǒng)、參數(shù)表一起8個畫面（兩臺鍋爐）。
汽機工藝上有汽機總貌、潤滑油系統(tǒng)、除氧給水系統(tǒng)、減溫減壓系統(tǒng)、參數(shù)表1、參數(shù)表2、聯(lián)鎖邏輯、趨勢圖一起8個畫面。
2、 動態(tài)數(shù)據(jù)：在流程圖上相應(yīng)處顯示。
3、 動態(tài)畫面的鍵接：在每幅畫面上做按鈕，可相互切換。
4、 點擊工藝流程圖上相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥，既可彈出PID畫面，可在線修改給定值和輸出值。
六、報表
將102個參數(shù)按分組生成報表(鍋爐工藝40個，汽機工藝62個），8小時打印。
七、趨勢
根據(jù)用戶要求進行分組，鍋爐工藝的歷史趨勢畫面具備32個比較重要參數(shù)的歷史趨勢，汽機工藝的趨勢畫面上是有13個參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)趨勢，這些歷史數(shù)據(jù)以每一秒采集一次的周期顯示在歷史趨勢圖上
八、報警 根據(jù)客戶要求，采用聲音報警及畫面報警提示，一共是對138個信號參數(shù)進行了報警設(shè)置，其中鍋爐工藝站上是32個參數(shù)，汽機工藝站上是67個參數(shù)。
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