熱電廠DCS控制系統(tǒng)的應用與改進

0 引言

分散控制系統(tǒng)(DCS)是計算機、自動控制技術及網(wǎng)絡通訊技術的綜合產(chǎn)物。它基于控制分散、危險分散、操作和管理集中的設計思想，采用多層分級、合作自治的結構形式，適應了現(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)場總線、嵌人式軟件、先進控制、報表技術、CRT以及網(wǎng)絡技術等，使得其能夠整體解決小至一臺大型設備(鍋爐)、大至一個現(xiàn)代化工廠整個生產(chǎn)過程的全方位控制，并為工廠全程信息化管理提供基礎平臺。

隨著我國生產(chǎn)力的不斷發(fā)展以及我國在生產(chǎn)過程自動化方面科技水平的不斷提高，目前我國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，性能不斷提高價格逐年下降，DCS控制系統(tǒng)的應用范圍將越來越廣。DCS也逐步開始在小型電廠廣泛應用。在我國，小型火力發(fā)電廠基本上為供熱機組，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。典型的主設備選型多為循環(huán)流化床鍋爐配抽汽式汽輪發(fā)電機組，一般為二爐一機或三爐二機，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)機組。其DCS系統(tǒng)的應用和改進，可為我國為數(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)的應用

DCS系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)包括DAS和MCS兩部分，其中DAS用于運行參數(shù)實H寸監(jiān)測，MCS用于模擬量控制。HS2000系統(tǒng)的節(jié)點從功能上分成操作員站、工程師站和現(xiàn)場控制站三種類型。這些節(jié)點通過系統(tǒng)網(wǎng)絡連接在一起，所有節(jié)點之問的數(shù)據(jù)和信息傳遞都南系統(tǒng)網(wǎng)絡完成。操作員站由可靠性高的工業(yè)微機配以外設組成，站上運行的軟件是HS2000系統(tǒng)專用的實時監(jiān)控軟件。功能有：圖形顯示與會話、報警顯示與管理、報表打印、系統(tǒng)庫管理、歷史庫管理、追憶庫管理等。工程師站和操作員站使用同一臺微機，該站配以HS2000組態(tài)軟件包，供用戶實現(xiàn)應用系統(tǒng)的組態(tài) 現(xiàn)場控制站是DCS系統(tǒng)完成現(xiàn)場測拉的重要站點。HS2000系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站由主控模塊、智能I/O模塊、電源模塊和專用機柜四部分組成。該站主要完成兩項功能：信號的轉(zhuǎn)換與處理和控制運算。

1.2 鍋爐系統(tǒng)控制方案

1.2.1 改造原則

根據(jù)實際情況，于2003年首先對兩臺35t/h中溫中壓鏈條鍋爐進行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的硬手操，汽輪機暫時保留PLC控制，輔助車問仍由常規(guī)儀表控制。

1.2.2 鍋爐運行控制任務

① 自動檢測：用檢測元件和顯示儀表，對鍋爐的熱工參數(shù)(壓力、溫度、流量等)進行連續(xù)測量和顯示，并為自動調(diào)節(jié)和安全保護提供檢測信號。

② 自動調(diào)節(jié)：對鍋爐運行參數(shù)進行自動調(diào)整，以適應外界負荷和工質(zhì)參數(shù)的要求，并使鍋爐保持在較經(jīng)濟的工況下運行。

③程序控制：使鍋爐的啟、停及運行等一系列操作實現(xiàn)自動化。如系統(tǒng)啟動按照引風機、鼓風機、爐排的啟動順序進行。

④保護連鎖：系統(tǒng)必須具有超壓、水位過高、水位過低聲光報警以及超壓停爐和水位過低停爐熱工聯(lián)鎖保護等功能。電氣聯(lián)鎖保護是為防止設備在啟、停過程中由于操作錯誤而造成事故。

1.2.3 控制參數(shù)

根據(jù)鍋爐實際使用需要，確定了10個調(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 爐膛負壓;⑥主汽溫度;⑦ 汽包水位;⑧ 爐排轉(zhuǎn)速;⑨ 鼓風轉(zhuǎn)速;④給煤機轉(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，燃燒自動則是鍋爐系統(tǒng)控制的難點。

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.

1.2.5 燃燒系統(tǒng)的控制

鍋爐參數(shù)中，主汽壓力(或過熱蒸汽壓力)是衡量蒸汽量與外界負荷兩者是否適應的指標。引起主汽壓力變動的擾動來源有兩個：一是燃料量的擾動，為基本擾動;--是用汽量的擾動。為負荷擾動?；緮_動可以通過自身的閉環(huán)來克服，負荷擾動則不易做到。負荷變化時母管壓力出現(xiàn)瞬時改變，而調(diào)節(jié)通道的遲延較大，對象擾動通道與調(diào)節(jié)通道的動態(tài)甚為懸殊。調(diào)節(jié)很不利。根據(jù)司爐工經(jīng)驗，煤從進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，無法完成這樣一個大滯后系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)。采用基于模糊理論的專家系統(tǒng)[l],可較好地實現(xiàn)對鍋爐燃燒系統(tǒng)的自動控制。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論域表示兩個運行周期鍋爐壓力變化差的論域。燃燒周期的自動調(diào)整，加快了負荷大幅變化時燃燒控制的響應速度。煤質(zhì)或爐況的不同對調(diào)節(jié)效果有一定的影響。由于隸屬度函數(shù)的曲線均相互交錯重疊，岡此模糊控制算法對于參數(shù)變化的適應性具有較強的魯棒性。實際運行驗證了這一特點。

1.2.6 閥門的調(diào)節(jié)與限幅

規(guī)則表參數(shù)中閥門變化值對應于每個燃燒周期爐排轉(zhuǎn)速的變化鰱。爐排轉(zhuǎn)速控制給煤量，是保證鍋爐經(jīng)濟、安全運行的重要控制對象。根據(jù)操作工的經(jīng)驗，在一定的爐況和煤質(zhì)條件下。爐排轉(zhuǎn)速達到一定限額厲將不再對汽包壓力起決定作用。 此必須對爐排轉(zhuǎn)速設置合理的上限以防燃燒不充分。污染環(huán)境。鼓風轉(zhuǎn)速與爐排轉(zhuǎn)速之問應根據(jù)一定的風煤比互相協(xié)調(diào)，保證燃燒的經(jīng)濟性。這個比例與具體的煤質(zhì)、爐況、變頻器轉(zhuǎn)速相關，在運行中需根據(jù)現(xiàn)場情況及時調(diào)整。引風轉(zhuǎn)速與鼓風轉(zhuǎn)速應互相適應，將爐膛負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)的設置如表2所示。為方便操作，將爐排轉(zhuǎn)速、鼓風轉(zhuǎn)速、引風轉(zhuǎn)速限幅、燃燒周期等參數(shù)設置為操作員權限，井引至監(jiān)控界面以便司爐工在線修改。