摘 要：本文介紹了余熱電站集散型控制系統的構成和設計要點。該系統由監控層和過程控制層并配以少量現場儀表和控制設備構成，可實現對兩臺鍋爐和一臺汽輪機——發電機組及其輔助設備的自動控制和集中監控。文中還對循環流化床鍋爐重要回路的控制策略做了詳細的描述。 關鍵詞：集散型控制系統 監控層 過程控制層 余熱電站 1.引言 　　余熱電站是近年來國內普遍采用的一種環保節能措施。本系統中余熱電站采用兩爐一機的配置，即一臺75噸前置式循環流化床補燃鍋爐和一臺4噸余熱鍋爐，以及由一臺抽汽凝汽式汽輪機和一臺發電機組成的汽輪機——發電機組。循環流化床鍋爐是一種環保型工業鍋爐，具有燃燒效率高，適應煤種寬，氮氧化物排放量低的優點，但同時也具有燃燒控制復雜，易結焦、磨損嚴重的缺點。根據該系統的特點和目前汽輪發電機的控制水平，該系統采用集散型控制系統（DCS），實現對兩爐一機的自動控制和生產管理。DCS由工程師站和三個操作員站及兩個過程控制站組成。兩個過程控制站分別控制鍋爐和汽機，網絡系統采用以太網結構。 2.DCS硬件體系結構 　　DCS硬件由三部分組成：操作員及工程師站、過程控制站和現場儀表及繼電器柜、備用操作盤。網絡系統采用100/10M以太網結構。操作員站選用DELL服務器一臺和商用機三臺，過程控制站采用美國通用電氣公司的GE90-30系統的IC693CPU364可編程控制器兩臺，配有16通道數字量輸入模塊10個，16通道數字量輸出模塊12個，16通道模擬量輸入模塊8個，4通道模擬量輸出模塊4個，6通道熱電偶輸入模塊10個，8通道熱電偶輸入模塊6個。系統的過程控制網采用了符合IEEE802.3協議的以太網，控制站內部通訊采用了符合IEEE802.4協議的冗余令牌總線。DCS結構框圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 DCS結構框圖[/align] 　　來自現場的檢測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的煙氣含量分析，鉑熱電阻用于測量溫度在500OC以下的需集中監控的溫度測點，熱電偶用于測量500OC以上的需集中監控的溫度測點，采用鍋爐專用型。執行機構采用電動調節閥及變頻器等。 3．控制系統設計 　　備用操作盤由鍋爐操作盤和汽機操作盤組成，操作盤上配有備用手操器、關鍵參數顯示儀表、報警音響指示器、聯絡指示燈及按紐、事故急停按紐等。 　　集散型控制系統基本功能包括：數據采集系統，機組主要模擬量的控制系統，主輔機的聯鎖保護系統。采用DCS后，將以CRT和鍵盤操作做為監督和控制中心的主要操作設備，并配置少量必要的常規儀表和控制設備，以實現二爐一機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，對主、輔機設備進行啟停，對各調節回路進行手動和自動控制。在手動方式下，通過備用操作盤啟停設備和用手操器對調節回路進行控制。系統主要運行在集控方式，只有控制系統故障時才在單機方式下運行。 　　集控方式下控制的設備有：引風機，一、二次風機，喂煤電子秤，喂煤拉鏈機，給水泵，凝結水泵，疏水泵，射水泵，循環水泵，電動主油泵，齒輪油泵，直流油泵，各種電動閘閥和調節閥等。 　　集控方式下的調節回路有：鍋爐喂煤調節，爐膛負壓調節，汽包水位調節，主蒸汽溫度、壓力調節，高壓加熱器水位調節，除氧器溫度調節，除氧器水位調節等。 4.循環流化床鍋爐控制方案 　　4.1.循環流化床鍋爐的燃燒特點：循環流化床鍋爐燃燒系統是一個大滯后、強耦合的非線性系統，各個變量之間相互影響，有的被調參數同時受到幾個調節參數的共同影響，如床層溫度要受到給煤量、石灰石供給量、一次風量、返料量及排閘量等多個參數控制。同時有的調節參數又影響多個被調參數，如給煤量不僅影響主汽壓力，還影響床溫、爐膛溫度、過熱空氣系統及二氧化硫含量等參數。因此，在構造循環流化床鍋爐控制方案時，只有抓住主要因素，同時兼顧其它因素才能構造出滿足控制系統要求的控制策略。 　　循環流化床鍋爐采用布風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進行石灰石脫硫，故必須增加石灰石給料控制系統。另外循環流化床鍋爐煙氣中的未燃粒子經過旋風分離器后要由返料裝置送回爐床繼續燃燒，所以必須具有返料控制系統。循環流化床鍋爐燃燒時需要控制一定的床層厚度，而床層厚度由排渣系統進行控制，因此還要具有排渣控制系統。除此之外，循環流化床鍋爐的其它控制系統與常規煤粉爐的控制要求及控制方案基本相同，包括給水調節系統，一次風控制系統，二次風控制系統，主汽溫度控制系統和引風控制系統等。 　　4.2.主汽壓力調節系統：由燃料的加入量來控制主汽壓力恒定。通過調節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，故在構造主汽壓力控制方案時，把床溫的影響也需納入控制方案中。床溫增加應減少給煤量，床溫降低則增大給煤量。由于循環流化床鍋爐運行時床溫可以在一定范圍內波動，故在主汽壓力控制方案中設置不調溫死區，即床溫在該死區內不改變給煤量。由于主蒸汽流量變化直接反映了機組的負荷變化，故在主汽壓力控制方案中把主蒸汽流量信號經過函數運算后直接加到控制輸出上，通過前饋形式提高系統的響應速度。控制方框圖如圖二所示。 [align=center] 圖2 主汽壓力調節系統框圖[/align] 　　4.3.主汽溫度調節系統：主汽溫度是反映機組運行情況的一個重要參數，如果主汽溫度偏高，過汽器及汽機將要在惡劣環境下運行，材料的使用壽命將會縮短，相反的情況將會使汽機達不到預定的運行效率。主汽溫度調節系統采用由主汽溫度、噴水減溫器出口溫度及主汽流量等參數組成的串級控制系統。主汽溫度測量值作為主調的反饋輸入值，與主汽溫度值進行PID運算后送入副調中與減溫器出口汽溫進行控制運算，其結果經限幅后由手操器輸出至執行機構，調節噴水減溫控制閥。由于過熱蒸汽系統具有典型的大滯后特點，在常規控制中引入了Smith預估器進行補償，同時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引入。主汽溫度調節系統框圖如圖三所示。 [align=center] 圖3 主汽溫度調節系統框圖[/align] 　　4.4爐膛壓力控制：因為爐膛壓力主要是由引風量和送風量間的平衡關系決定的，采用前饋控制方法可以有效地改善控制效果，所以將送風量作為前饋量引入爐膛壓力調節回路與爐膛壓力調節器一同調節引風機作用，以實現控制爐膛壓力的目的。其調節系統框圖如圖四所示。 [align=center] 圖4 爐膛壓力調節系統框圖[/align] 　　4.5.汽包液位控制：循環流化床鍋爐給水調節系統低負荷時采用單沖量調節系統，高負荷時采用三沖量調節系統。構成給水調節系統的三沖量是汽包水位、主蒸汽流量及給水流量。汽包水位信號經汽包壓力補償后作為主調的輸入，蒸汽流量信號經溫度、壓力修正后與給水流量信號一起作為副調的反饋輸入。汽包液位控制的目的是將汽包水位維持在工藝設計要求的范圍之內。為實現這一目標，給水量應及時跟蹤鍋爐的蒸發量。采用三沖量調節后，基本上可以克服虛假水位現象，達到汽包水位相對恒定的目的。如果水位超出正常范圍，則發出聲光報警，當水位超過極限時，則要采取停爐停機的措施。汽包液位調節系統框圖如圖五所示。 [align=center]　 圖5 汽包液位三沖量調節系統框圖[/align] 　　4.6.除氧器液位控制：保持除氧器液位穩定是系統正常運行的要求，可采用單回路控制。通過調節給水閥或出水閥即可滿足控制要求。液位控制調節回路如圖六所示。 5.輔機設備順序控制 　　循環流化床機組配有大量的輔機設備，如引風機、一次風機、二次風機、給煤機、給水泵、疏水泵等。在運行時，要求這些設備按一定的順序啟停及相互聯鎖，所以要對其設計程序啟動、程序停止、手操等邏輯及與其他設備的聯鎖控制邏輯。程序啟動或程序停止過程中，可以人為中斷程序啟動或程序停止過程。順控過程重新開始時，將從程序第一步開始執行。順控部分的聯鎖和保護指令具有最高優先級，手動控制的優先級次之，自動控制指令的優先級最低。 　　根據工藝系統運行方式，順序控制被分成以輔機為單位的功能組，每一子功能組執行某一特定功能，以實現成組操作和程序啟停，并具有聯鎖保護功能。 6.汽機安全保護 　　汽機保護是汽輪機——發電機組安全運行的重要保證，汽輪機和發電機保護測點大約有40個左右，采用計算機和繼電器雙重保護，并根據汽機啟動運行情況，設有解鎖和聯鎖功能，保證汽機正常啟動。 　　汽機主要保護有：汽機超速保護，緊急停機保護，發電機溫度保護，軸向位移超限保護，凝汽機真空保護，潤滑油路保護，汽機軸承溫度保護，發電機超負荷保護等。 7.DCS系統軟件設計 　　系統軟件設計分為監控層軟件和過程控制層軟件兩大部分，監控層軟件采用美國INTELLUTION公司的FIX組態軟件，主要用于完成操作站和工程師站的畫面顯示，報表和參數整定及順序控制方案的組態，過程控制層軟件采用可編程控制器梯形圖軟件設計，主要完成現場參數的數據采集，控制運算和控制輸出，并通過系統網絡將數據和診斷傳送到監控層。 　　監控層的工程師站軟件組態主要是完成系統組態、畫面制作、報表生成以及過程趨勢和參數整定，并能與以太網連接。組態實用程序包括：①數據庫組態。②控制回路組態。③畫面生成軟件。④報表生成軟件。⑤自定義鍵的定義。⑥主機及輔機順序控制組態。 　　監控層操作站的操作鍵盤可以根據操作需要設計成各種方式的功能鍵。工程師和操作員可按不同級別對各類控制參數進行修改。其畫面顯示概括為：①系統總貌畫面。②調整畫面。③系統工藝參數畫面。④趨勢畫面和歷史畫面。⑤報警一覽畫面。⑥數據一覽表。⑦生產報表畫面。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控制功能實現的核心。它包括①各調節回路的閉環控制系統。②主輔機設備的啟停及聯鎖保護系統。③重要參數傳遞系統。 8.結束語 　　DCS系統目前在我國石化、電力、建材行業已得到廣泛的應用。該系統是對新型環保循環流化床補燃鍋爐及余熱電站的控制方案的有益嘗試。實踐證明，該系統不但對小型的余熱電站具有良好的性能價格比，而且最大程度的滿足了余熱電站安全性要求高和控制復雜的特點，環保節能效益顯著。 參考文獻： 　　1. 孫秀全，《鍋爐和工業爐窯實用計算機控制技術》，國防工業出版社，長沙，1993 　　2. 徐用懋，《微機在過程控制中應用》，清華大學出版社，北京，1989