DCS在循環流化床鍋爐的應用

1 引言

　　循環流化床鍋爐以其低消耗、高效率、適應煤質廣、負荷調節范圍大等優點為眾多熱電廠所采用。但要保證這些優點除了應具備一套好的循環流化床鍋爐和配套的輔機設備外，還必須配備性能優良的集散控制系統。目前國內各廠家生產的循環流化床鍋爐及輔機在性能上都已達到規定的要求，但所采用的控制系統卻參差不齊，甚至仍然有一部分采用常規儀表控制。常規儀表用來控制鏈條爐還能夠滿足要求，但要控制循環流化床鍋爐的運行就顯得有些“力不從心”了。這是由于以下原因引起的：1）循環流化床鍋爐的控制參數多，若采用常規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）循環流化床鍋爐燃燒控制原理復雜，若采用常規儀表控制將造成操作人員工作強度大、責任大，導致鍋爐的燃燒控制協調不易掌握，增加了出現故障的幾率，易導致因控制不好而結焦以致停爐，給電廠造成巨大的經濟損失。國內的DCS生產廠家為了適應電廠控制的需要，在不斷地吸收和借鑒先進經驗的基礎上，有效地提升了循環流化床的DCS控制理論，充分體現了DCS控制系統的可靠性、實時性和精確性等優點。

2 工程設備概況

　　永煤集團熱電廠鍋爐改造工程通過招標用湖南省節能設計公司改造杭州鍋爐廠生產的鍋爐，型號為YM130-3.8/450-M型,130噸中溫中壓循環流化床鍋爐。該鍋爐為單汽包，自然循環蒸汽鍋爐，主要用于發電及市區生活供熱。鍋爐的燃燒系統由爐膛、旋風分離器、返料器和尾部對流煙道組成。采用水冷布風板，布風板截面均勻布置風帽，一次熱風進入水冷風室后經這些風帽均勻進入爐膛。燃煤經設在爐前的4臺給煤機送入燃燒室和輸送煤泥通過爐頂進入爐膛。按照燃料燃燒的流向劃分，鍋爐的結構可分為4個組成部分，即燃燒室、高溫旋風分離器、返料密封裝置和尾部對流煙道。尾部對流煙道內沿煙氣流程依次布置有高溫過熱器和低溫過熱器，高溫過熱器分為高溫冷段和熱段，中間設有噴水減溫器。下部依次布有省煤器和空氣預熱器，用于加熱一次風。鍋爐配置2臺引風機、1臺一次風機。鍋爐采用床上木炭點火。經濟、節約點火費用。

3 DCS 系統配置

　　控制系統采用開放式結構及高度模塊化技術的分散型系統，由高速實時數據網絡、人機接口站和分散處理單元三大部分組成，可以實現實時數據采集、過程控制、順序控制、高級控制、報警檢測、監視、操作，同時可對數據進行記錄、統計、顯示打印等處理。高速實時數據通信網絡在整個DCS控制系統中起著重要的作用，它連接著人機接口站和分散處理單元，完成各種控制信息在網絡上的傳送功能。該項目中的DCS控制系統配置如圖所示。

　　整個DCS控制系統由1臺工程師站、幾臺操作員站和1個控制柜組成，同時工程師站還擔負著向全廠信息中心傳送鍋爐運行數據的功能。1個控制柜分別為2個分散處理單元柜、1個信號端子柜、電源柜和網絡通信。分散處理單元柜中采用冗余CPU 結構，并通過網絡通信處理模塊連接各種智能型I/O模板，確保整個監控系統數據的實時性。

　　電源柜的供電電源為從UPS輸出的雙路穩壓電源，經內部轉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。網絡通信中配置了冗余的交換機，確保實時數據通信網絡暢通無阻。

4 順序控制及聯鎖保護

　　鍋爐保護邏輯由MFT鍋爐跳閘保護邏輯、順序控制及聯鎖等幾部分組成。

　　1） 鍋爐跳閘保護邏輯

　　主燃料的跳閘保護條件即是依據鍋爐正常燃燒運行時多種控制條件綜合得出的鍋爐保護措施，其目的是確保鍋爐的床溫足夠高，使進入爐膛內的燃料能夠持續、穩定地燃燒。通常，在以下情況發生時，應緊急停爐，實行強制性主燃料跳閘動作。觸發鍋爐產生保護的條件如下：送風機跳閘、所有引風機跳閘、爐床溫度測點中任意3個超過1050℃、 爐膛壓力超低、汽包水位超高（水位值高于+200mm 且延時5s）、汽包水位超低（水位值高低于-200mm 且延時5s）時，按下MFT手動按鈕。

　　主燃料保護動作后，指令發出自動停止向爐膛內部送煤、煤泥、送風機，同時根據現場的情況決定是否停引風機及關閉減溫水閥門。在不停引風機的情況下，應慎重地控制進入爐膛的引風量，而不應該盲目地立即減小引風量。

　　2） 順序控制及聯鎖

　　鍋爐輔機設備的順序控制及聯鎖的基本目的是將正常運行時由于鍋爐及輔機設備的工況原因對設備所產生的不良影響降至最低，以保障設備的長久使用。其主要功能是在裝置不滿足運行條件或正常運行中接近不穩定、不安全的運行狀態時，依靠預先設定的保護動作來限制該裝置的瞬間動作方式，最終得以保證設備的安全。本臺循環流化床鍋爐的DCS控制系統設計了多套順控及聯鎖控制回路，包括引風機、送風機、給煤機、水系統的電動門和蒸汽系統的電動門及安全門。這些聯鎖邏輯的設置為鍋爐的安全穩定運行提供了基本的保障，同時也為電廠的操作人員提供了相對規范的設備操作流程。

5 自動調節控制系統

　　循環流化床鍋爐采用DCS的主要原因之一就是要解決運行控制復雜性的問題。相對優秀的模擬量調節控制回路的設計可以有效地控制現場執行機構的調節動作，從而安全高效地控制鍋爐燃燒系統的運作。循環流化床鍋爐是一個多參數、多變量、強關聯、干擾多的控制對象，其自動控制系統既是獨立的，又是相互關聯的，可謂是“牽一發而動全身”。當一個系統進行調節之后，其他的調節系統也要有相應變化。本鍋爐的調節控制系統設計了幾個自動調節回路，涉及汽溫調節、負壓調節、水位調節、給煤調節及燃燒調節等多個方面，充分滿足了該循環流化床的運行控制要求。

　　1） 給水調節系統

　　汽包水位調節（即給水自動）是循環流化床中最為重要的一個調節回路，也是整個控制系統中必須投入自動的調節回路之一。給水調節系統的目的是通過控制鍋爐的上水流量從而實現保持鍋爐汽包內水位的穩定性，使其在某一設定值上下輕微浮動，有效地減輕了由操作人員手動控制水位的所產生的繁重工作。本循環流化床鍋爐的給水控制系統由主給水調節和給水旁路調節二套自動調節系統組成。其中給水旁路調節控制系統采用單沖量調節方式，通過汽包水位實際值與設定值之間的偏差控制給水旁路調節閥的輸出，該自動系統一般在鍋爐負荷小于30%的情況下投入使用；主給水調節則分為單沖量調節和三沖量調節二種控制方式，其單沖量調節和三沖量調節的控制切換通過系統對鍋爐運行情況進行判斷后自行實現，不需要人為干預，該自動系統一般在鍋爐高負荷時使用（即負荷大于30%）。主給水調節控制原理如圖所示。

主給水調節控制原理

　　主給水調節系統通過調節鍋爐主給水閥門的開度來控制汽包水位的穩定。當鍋爐的負荷超過30%時主給水調節系統滿足投入自動運行的工況，這時操作人員可根據實際情況將主給水調節切換至自動控制。當主蒸汽流量及主給水流量的變送器正常工作時，主給水調節即為三沖量自動控制方式。此時單沖量調節處于跟蹤狀態，即跟蹤三沖量調節的輸出。若主蒸汽流量或主給水流量的變送器出現信號故障時給水調節自動切換至單沖量調節方式。

6 結束語

　　在永煤集團熱電廠的130噸循環流化床鍋爐項目的調試過程中，分散型控制系統的選用有效地保障了整個工程的設計、施工、調試、運行等階段的順利完成，并最大限度地縮短了整個控制系統的調試時間，確保了工程的按時投產運行。試運過程中，熱工系統給水自動、汽溫自動投入運行，調節控制系統投入穩定，調節品質優良，得到了廠領導及運行人員的肯定與好評。