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小型熱電廠DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用與改進(jìn)
發(fā)布者：管理員 　 發(fā)布時(shí)間：2013-01-03 20:01:12　瀏覽次數(shù)：

分散控制系統(tǒng)（DCS）是計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的綜合產(chǎn)物。它基于控制分散、危險(xiǎn)分散、操作和管理集中的設(shè)計(jì)思想，采用多層分級(jí)、合作自治的結(jié)構(gòu)形式，適應(yīng)了現(xiàn)代化生產(chǎn)和企業(yè)管理的要求。由于DCS融人了最新的現(xiàn)場(chǎng)總線、嵌人式軟件、先進(jìn)控制、報(bào)表技術(shù)、CRT以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，使得其能夠整體解決小至一臺(tái)大型設(shè)備（鍋爐）、大至一個(gè)現(xiàn)代化工廠整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的全方位控制，并為工廠全程信息化管理提供基礎(chǔ)平臺(tái)。

 　　隨著我國(guó)生產(chǎn)力的不斷發(fā)展以及我國(guó)在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化方面科技水平的不斷提高，目前我國(guó)新建的火電廠普遍都采用了DCS控制系統(tǒng)，以前采用常規(guī)控制的火力發(fā)電廠也基本進(jìn)行了DCS改造。隨著DCS控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，性能不斷提高價(jià)格逐年下降，DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍將越來(lái)越廣。DCS也逐步開始在小型電廠廣泛應(yīng)用。在我國(guó)，小型火力發(fā)電廠基本上為供熱機(jī)組，主要用于冶金、石化、化工、紡織等行業(yè)大型企業(yè)的自備電廠及城市供熱，大部分屬于電力系統(tǒng)外的電廠。典型的主設(shè)備選型多為循環(huán)流化床鍋爐配抽汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，一般為二爐一機(jī)或三爐二機(jī)，熱力系統(tǒng)為母管制。保定石油化工廠熱電站即為典型的企業(yè)自備熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。其DCS系統(tǒng)的應(yīng)用和改進(jìn)，可為我國(guó)為數(shù)眾多的小型電力企業(yè)同行提供一些思路和借鑒。

1 DCS系統(tǒng)的應(yīng)用

DCS系統(tǒng)組成

由操作員站、工程師站和現(xiàn)場(chǎng)控制站三種類型。這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，所有節(jié)點(diǎn)之問(wèn)的數(shù)據(jù)和信息傳遞都南系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)完成。操作員站由可靠性高的工業(yè)微機(jī)配以外設(shè)組成。

1．2 鍋爐系統(tǒng)控制方案

1．2．1 改造原則

　根據(jù)實(shí)際情況，該廠于2003年首先對(duì)兩臺(tái)35t／h中溫中壓鏈條鍋爐進(jìn)行DCS改造，在采用DCS控制后還保留了鍋爐的緊急停止及重要輔機(jī)的硬手操，汽輪機(jī)暫時(shí)保留PLC控制，輔助車問(wèn)仍由常規(guī)儀表控制。 

1．2．2 鍋爐運(yùn)行控制任務(wù)

 　?、?自動(dòng)檢測(cè)：用檢測(cè)元件和顯示儀表，對(duì)鍋爐的熱工參數(shù)（壓力、溫度、流量等）進(jìn)行連續(xù)測(cè)量和顯示，并為自動(dòng)調(diào)節(jié)和安全保護(hù)提供檢測(cè)信號(hào)。

 　?、?自動(dòng)調(diào)節(jié)：對(duì)鍋爐運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，以適應(yīng)外界負(fù)荷和工質(zhì)參數(shù)的要求，并使鍋爐保持在較經(jīng)濟(jì)的工況下運(yùn)行。

 　　③程序控制：使鍋爐的啟、停及運(yùn)行等一系列操作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。如系統(tǒng)啟動(dòng)按照引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、爐排的啟動(dòng)順序進(jìn)行。

 　?、鼙Ｗo(hù)連鎖：系統(tǒng)必須具有超壓、水位過(guò)高、水位過(guò)低聲光報(bào)警以及超壓停爐和水位過(guò)低停爐熱工聯(lián)鎖保護(hù)等功能。電氣聯(lián)鎖保護(hù)是為防止設(shè)備在啟、停過(guò)程中由于操作錯(cuò)誤而造成事故。

 1．2.3 控制參數(shù) 

　　根據(jù)鍋爐實(shí)際使用需要，確定了10個(gè)調(diào)節(jié)攢，分別是：① 除氧水位；② 除氧壓力；③ 主汽減壓；④ 分汽缸出口穩(wěn)壓；⑤ 爐膛負(fù)壓；⑥主汽溫度；⑦ 汽包水位；⑧ 爐排轉(zhuǎn)速；⑨ 鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速；④給煤機(jī)轉(zhuǎn)速（控制煤層厚度）等。其中汽包水位、主汽溫度是鍋爐系統(tǒng)控制的重點(diǎn)，燃燒自動(dòng)則是鍋爐系統(tǒng)控制的難點(diǎn)。

 1．2．4 常規(guī)控制回路

 　　除氧水位、除氧壓力、除氧氣減壓、分汽缸出口穩(wěn)壓、爐膛負(fù)壓等是常規(guī)的單回路調(diào)節(jié)。主汽溫度、汽包水位多采用單回路前饋或串級(jí)加前饋（：=三沖量）組成。常規(guī)回路及P、I、D參數(shù)調(diào)節(jié)參見表1。

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1．2．5 燃燒系統(tǒng)的控制 

　　鍋爐參數(shù)中，主汽壓力（或過(guò)熱蒸汽壓力）是衡量蒸汽量與外界負(fù)荷兩者是否適應(yīng)的指標(biāo)。引起主汽壓力變動(dòng)的擾動(dòng)來(lái)源有兩個(gè)：一是燃料量的擾動(dòng)，為基本擾動(dòng)；——是用汽量的擾動(dòng)。為負(fù)荷擾動(dòng)。基本擾動(dòng)可以通過(guò)自身的閉環(huán)來(lái)克服，負(fù)荷擾動(dòng)則不易做到。負(fù)荷變化時(shí)母管壓力出現(xiàn)瞬時(shí)改變，而調(diào)節(jié)通道的遲延較大，對(duì)象擾動(dòng)通道與調(diào)節(jié)通道的動(dòng)態(tài)甚為懸殊。調(diào)節(jié)很不利。根據(jù)司爐工經(jīng)驗(yàn)，煤從進(jìn)入爐膛到完全燃燒需要20min以上。常規(guī)的P、I、D調(diào)節(jié)跟隨性較差，無(wú)法完成這樣一個(gè)大滯后系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。采用基于模糊理論的專家系統(tǒng)[l]，可較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)的自動(dòng)控制。表2是基于專家系統(tǒng)的控制參數(shù)規(guī)則表。其中P論域表示模糊控制中鍋爐壓力的論域，AP論域表示兩個(gè)運(yùn)行周期鍋爐壓力變化差的論域。燃燒周期的自動(dòng)調(diào)整，加快了負(fù)荷大幅變化時(shí)燃燒控制的響應(yīng)速度。煤質(zhì)或爐況的不同對(duì)調(diào)節(jié)效果有一定的影響。由于隸屬度函數(shù)的曲線均相互交錯(cuò)重疊，岡此模糊控制算法對(duì)于參數(shù)變化的適應(yīng)性具有較強(qiáng)的魯棒性。實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證了這一特點(diǎn)。 

1．2．6 閥門的調(diào)節(jié)與限幅 

　　規(guī)則表參數(shù)中閥門變化值對(duì)應(yīng)于每個(gè)燃燒周期爐排轉(zhuǎn)速的變化鰱。爐排轉(zhuǎn)速控制給煤量，是保證鍋爐經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行的重要控制對(duì)象。根據(jù)操作工的經(jīng)驗(yàn)，在一定的爐況和煤質(zhì)條件下．爐排轉(zhuǎn)速達(dá)到一定限額厲將不再對(duì)汽包壓力起決定作用。 此必須對(duì)爐排轉(zhuǎn)速設(shè)置合理的上限以防燃燒不充分。污染環(huán)境。鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速與爐排轉(zhuǎn)速之問(wèn)應(yīng)根據(jù)一定的風(fēng)煤比互相協(xié)調(diào)，保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性。這個(gè)比例與具體的煤質(zhì)、爐況、變頻器轉(zhuǎn)速相關(guān)，在運(yùn)行中需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)調(diào)整。引風(fēng)轉(zhuǎn)速與鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速應(yīng)互相適應(yīng)，將爐膛負(fù)壓維持在一定范同內(nèi)，保證燃燒的安全性。燃燒控制規(guī)則表以及鍋爐各利一參數(shù)的設(shè)置如表2所示。為方便操作，將爐排轉(zhuǎn)速、鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速、引風(fēng)轉(zhuǎn)速限幅、燃燒周期等參數(shù)設(shè)置為操作員權(quán)限，井引至監(jiān)控界面以便司爐工在線修改。

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2 運(yùn)行效果和問(wèn)題 

　　2003年DCS改造后，兩套鍋爐系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了爐況穩(wěn)定條件下的自動(dòng)控制。通過(guò)設(shè)置合適的爐排轉(zhuǎn)速、鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速、引風(fēng)轉(zhuǎn)速限幅值，基本保證了煤的充分燃燒，減少了環(huán)境污染．實(shí)現(xiàn)了工況穩(wěn)定時(shí)整個(gè)鍋爐系統(tǒng)的自動(dòng)控制。同時(shí)由于引入燃燒周期的自適應(yīng)調(diào)整’力Ⅱ快了負(fù)荷大幅變化時(shí)的響應(yīng)速度。提高了系統(tǒng)控制的自動(dòng)化程度。 　　但在運(yùn)行期問(wèn)，該廠發(fā)現(xiàn)該鍋爐在負(fù)荷變化較大的工況下，控制過(guò)程中存在以下幾個(gè)主要問(wèn)題：鍋爐汽包液位測(cè)量存在較大偏差；燃燒控制系統(tǒng)無(wú)法投自動(dòng)。 [b]3 問(wèn)題分析與改進(jìn) 3．1 汽包液位控制改進(jìn)[/b] 　　在鍋爐汽包液位測(cè)量中，由于汽包液位系統(tǒng)是一個(gè)沒有自平衡能力的被控對(duì)象。當(dāng)供水量突然降低或出口蒸汽流量增大時(shí)。由于此時(shí)鍋爐傳給汽包的熱量不變。致使液體大量汽化。造成汽包液位測(cè)量結(jié)果偏大；當(dāng)供水量突然增大或出口蒸汽流量減小時(shí)，情況相反，也就是我們常說(shuō)的“汽包虛假液位”。而該鍋爐在汽包液位檢測(cè)回路的原設(shè)計(jì)方案中忽視了這個(gè)問(wèn)題；直接影響了汽包液位控制的平穩(wěn)，為此，我們對(duì)汽包液位測(cè)量結(jié)果引入壓力補(bǔ)償，補(bǔ)償公式如下：

h=[△P+gH（ρ"-ρ）]／[g（ρ"-ρ‘）]

　　式中：h一補(bǔ)償后的汽包液位；△P-變送器測(cè)量的差壓值；g-重力；H一汽包高度；ρ-液體參考密度；ρ‘—水的密度；ρ"-蒸汽密度。汽包壓力與ρ‘、ρ"之間的關(guān)系曲線用折線近似后如表3所示。

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　　在HS2000DCS控制點(diǎn)的組態(tài)中。運(yùn)用RPV點(diǎn)中的表達(dá)式及折線化算法，很容易實(shí)現(xiàn)以上補(bǔ)償關(guān)系。原設(shè)計(jì)所給出的汽包液位三沖量控制方案如圖1所示。

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　　通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)器的輸人為：汽包液位設(shè)定值-汽包液位測(cè)量值+主蒸汽流量-給水流量。實(shí)際運(yùn)行中由于各種擾動(dòng)的影響。給水流域和主蒸汽流量幾乎不可能相等。該方案的控制結(jié)果將使汽包液位產(chǎn)生靜差。為此，采用在三沖量基礎(chǔ)上的串級(jí)控制方案。如圖2所示。由于主調(diào)節(jié)器的作用。該方案較好地消除了靜差。

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3．2 燃燒控制改進(jìn)

 　　原設(shè)計(jì)的燃燒控制用于氧含量測(cè)量的裝置改用700B氧含量分析儀。把控制方案改為氧含量控制引風(fēng)機(jī)出口擋板，爐膛負(fù)壓控制送風(fēng)機(jī)出口擋板的方案。并使氧含量控制的P、I作用弱一些。經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行，燃燒控制系統(tǒng)的滯后時(shí)間相對(duì)較小，證明改進(jìn)的控制方案可行。 

3．3 功能擴(kuò)展

 　　轉(zhuǎn)速是汽輪機(jī)運(yùn)行的最主要的參數(shù)之一。對(duì)該參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。增加了運(yùn)行人員的監(jiān)測(cè)手段與途徑，提高了信號(hào)顯示精度，方便了運(yùn)行人員的監(jiān)盤與操作控制。更重要的是總調(diào)值長(zhǎng)可通過(guò)局域網(wǎng)監(jiān)測(cè)汽機(jī)轉(zhuǎn)速。在脫網(wǎng)事故狀態(tài)下仍可監(jiān)測(cè)到汽機(jī)轉(zhuǎn)速變化，從而可據(jù)此有效地進(jìn)行事故處理。避免事故的進(jìn)一步擴(kuò)大；給水泵是為鍋爐供水的關(guān)鍵設(shè)備，因此在2004年該廠將原DCS系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和三臺(tái)給水泵的變頻調(diào)節(jié)信號(hào)加入到了DCS系統(tǒng)中。

 4 結(jié)論 

綜合效果 

　　該廠DCS系統(tǒng)自安裝投運(yùn)以來(lái)，軟、硬件運(yùn)行基本可靠。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)。① 控制水位精度：±10 mm。汽壓：±0．03 MPa，汽溫：±5℃。負(fù)壓：±4 Pa；②節(jié)能效果顯著。煙氣含氧量和渣含碳量明顯降低。經(jīng)測(cè)試提高運(yùn)行效率4％ 。實(shí)際節(jié)煤5％ ，一年耗煤量按40000噸計(jì)算，每噸煤按360元人民幣計(jì)算。僅節(jié)煤一項(xiàng)一年可節(jié)約72萬(wàn)元。

 （2）DCS的進(jìn)一步應(yīng)用目標(biāo) 

　?、龠M(jìn)一步擴(kuò)展DCS系統(tǒng)的功能范圍。實(shí)現(xiàn)一體化；采用先進(jìn)的控制軟件，進(jìn)一步發(fā)揮DCS的效能。為提高電廠管理的自動(dòng)化水平，進(jìn)一步擴(kuò)大DCS的應(yīng)用范圍。實(shí)現(xiàn)所謂的一體化，未來(lái)計(jì)劃汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)（DEH和MEH）、發(fā)電機(jī)、主變組和廠用電源系統(tǒng)的控制都將納入DCS。②進(jìn)一步擴(kuò)大DCS物理分散的應(yīng)用。以減少電纜費(fèi)用。③實(shí)現(xiàn)全廠輔助車間的系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)和統(tǒng)一監(jiān)控。減少值班人員。 

（3）DCS在小型火力發(fā)電廠應(yīng)用中存在的問(wèn)題 

①國(guó)產(chǎn)DCS硬件的制造工藝及制造水平離國(guó)際水平有較大的差距，硬件的故障率較高；② 由于缺乏切實(shí)可行的測(cè)試方法和手段。有些DCS性能指標(biāo)無(wú)法進(jìn)行考核和驗(yàn)收。許多性能指標(biāo)沒有達(dá)到規(guī)范要求；③由于DCS市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，價(jià)格壓得很低。DCS供應(yīng)商在工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用軟件的開發(fā)上不可能有很大的投入。在硬件配置上往往并沒有體現(xiàn)DCS的分散控制原則。特別是在小型系統(tǒng)中。這種現(xiàn)象尤為明顯；④工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用軟件的開發(fā)水平也不高。先進(jìn)的控制軟件及控制策略不能推廣應(yīng)用。不利于電廠的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行；⑤國(guó)產(chǎn)檢測(cè)元件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性、準(zhǔn)確性往往不能滿足DCS控制系統(tǒng)的要求。加大了系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)投入的難度。使得DCS的優(yōu)勢(shì)不能完全發(fā)揮出來(lái)，影響了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；⑥ 由于小機(jī)組的不規(guī)范性。一些輔助設(shè)備都自帶控制系統(tǒng)（箱）。較常用的方法是采用硬接線的方式，將這些設(shè)備的控制信號(hào)傳送至DCS并由DCS進(jìn)行控制；各系統(tǒng)之問(wèn)的聯(lián)接是工程中最麻煩的問(wèn)題。能否解決這些問(wèn)題又成了整個(gè)系統(tǒng)能否長(zhǎng)期安全運(yùn)行的關(guān)鍵；⑦控制策略一般由DCS廠家制定．1旦DCS廠家往往對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的細(xì)節(jié)并不太了解。或者說(shuō)對(duì)主設(shè)備的變化不太了解。因而。控制策略往往有些不足。必須在投產(chǎn)后在有經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)行人員的幫助下，根據(jù)實(shí)際情況不斷修改才能取得較好的效果。