基于DCS的燃?xì)鉄崽幚頎t自動(dòng)控制系統(tǒng)

1 工藝介紹

　　本鍋爐系統(tǒng)主要通過燃燒高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣為某鋼鐵公司1000M3高爐提供動(dòng)力,并季節(jié)性提供工業(yè)用暖。鍋爐主要包括煤氣（高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣）系統(tǒng)、爐體部分、對流受熱面（汽包及冷卻壁，I、II過熱器，I、II省煤器，I、II空氣預(yù)熱器）、點(diǎn)火器、送引風(fēng)設(shè)備等組成。

　　按照各部分的功能大致分為汽水系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、減溫減壓及公用系統(tǒng)幾個(gè)子系統(tǒng)。
　　本控制系統(tǒng)主要控制鍋爐及相關(guān)輔助設(shè)備的生產(chǎn)過程，使其符合工藝所要求達(dá)到的蒸汽溫度（450℃）、壓力（3.82MPa）、流量（130t/h）、純度（過熱蒸汽）。
　　1.1 汽水系統(tǒng)

　　汽水系統(tǒng)是供給鍋爐保護(hù)和產(chǎn)生蒸汽的除氧水，生成載熱的過熱蒸汽送到汽機(jī)膨脹做功或者經(jīng)過減溫減壓后供熱。來自除氧給水系統(tǒng)的除氧水經(jīng)過調(diào)節(jié)后送到I、II省煤器預(yù)熱，然后送到鍋爐汽包和與汽包相連的鍋爐冷卻壁中，經(jīng)過鍋爐燃燒生成的高溫?zé)煔獾募訜嵘刹伙柡驼羝?，不飽和蒸汽?jīng)過I級過熱器、I級過熱器蒸汽集箱，經(jīng)過噴水減溫器減溫處理后，再經(jīng)過II級過熱器、II級過熱器蒸汽集箱后生成飽和的過熱蒸汽，然后送到蒸汽母管,一部分送到汽機(jī)膨脹做功，一部分進(jìn)入減溫減壓系統(tǒng), 一部分提供除氧汽動(dòng)給水泵做功給水。

　　1.2 風(fēng)煙系統(tǒng)

　　空氣（冷風(fēng)）經(jīng)過凈化后通過1#、2#送風(fēng)機(jī)送到I、II空氣預(yù)熱器中進(jìn)行預(yù)熱成為熱風(fēng)，熱風(fēng)送到熱風(fēng)燒嘴和煤氣混合燃燒;高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣通過高爐煤氣管道和焦?fàn)t煤氣管道送到燃燒噴嘴和熱風(fēng)混合燃燒，生成高溫?zé)煔?，加熱鍋爐汽包中的除氧水使之成為不飽和蒸汽，然后高溫?zé)煔庖来瓮ㄟ^I過熱器、II過熱器、II省煤器、II空氣預(yù)熱器、I省煤器、I空氣預(yù)熱器將不飽和蒸汽加熱成為高溫高壓的飽和蒸汽，并預(yù)熱送到鍋爐汽包中的除氧水和送到鍋爐爐膛中的空氣，最后通過引風(fēng)機(jī)引至煙囪中排放。

　　1.3 燃燒系統(tǒng)

　　高爐煤氣由外部接入，分為4路，分別進(jìn)入鍋爐的4個(gè)角（每角4個(gè)燃燒噴嘴），參與燃燒;進(jìn)入鍋爐和高爐煤氣混合燃燒的熱風(fēng)分別進(jìn)入鍋爐的4個(gè)角（每角4個(gè)燃燒噴嘴），參與燃燒;焦?fàn)t煤氣由外部接入，分為4路，分別進(jìn)入鍋爐的4個(gè)角（每角2個(gè)燃燒噴嘴），參與燃燒。正常情況下，燃料為高爐煤氣，焦?fàn)t煤氣只是在點(diǎn)火的時(shí)候用到，平時(shí)只是作為保安氣（作為鍋爐燃燒過程中的爐膛溫度低時(shí)保護(hù)氣）。

　　燃燒過程中通過熱電偶和火焰觀測器來檢測爐膛溫度變化。通過調(diào)節(jié)高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、風(fēng)的配比來調(diào)節(jié)鍋爐爐膛溫度（燃料配比一般為100%高爐煤氣，另外也有80%——90%高爐煤氣加20%——10%焦?fàn)t煤氣或者50%焦?fàn)t煤氣）。整個(gè)燃燒過程中爐膛溫度控制在1100±10℃左右。
　　1.4 減溫減壓及公用系統(tǒng)

　　本鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽大部分送到汽機(jī)做功給高爐供風(fēng)，其余的一部分送到中溫中壓聯(lián)絡(luò)管，另一部分送到1#、2#減溫減壓器經(jīng)過工業(yè)水的減溫減壓后變?yōu)榈蜏氐蛪赫羝?，一部分送到廠區(qū)供熱，另一部分通過加熱蒸汽母管送到除氧器，一部分提供除氧汽動(dòng)給水泵做功給水。
2.系統(tǒng)配置

　　2.1 DCS系統(tǒng)

　　計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)（DCS）由上位系統(tǒng)和下位系統(tǒng)組成。上位系統(tǒng)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，用Siemens組態(tài)軟件WinCC完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警處理、打印及控制參數(shù)設(shè)定。下位系統(tǒng)由Siemens PLC構(gòu)成，與現(xiàn)場設(shè)備相連。上位系統(tǒng)和下位系統(tǒng)之間的通訊采用Ethernet方式，其最高傳輸速率可達(dá)10-100Mbit/s，完全滿足對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。自動(dòng)控制系統(tǒng)采用S7 400 系列PLC硬件組成基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng), 采用WINCC V6.0監(jiān)控軟件，編程軟件采用STEP 7 V5.3，Windows 2000作為系統(tǒng)平臺(tái)界面，組成計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)通訊。

　　2.2 系統(tǒng)配置圖

圖1 DCS系統(tǒng)組成

3 控制功能

　　3.1 燃燒控制

　　鍋爐運(yùn)行供汽是為了滿足汽輪機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷要求，同時(shí)滿足鼓風(fēng)機(jī)站提供低壓蒸汽的需要。汽輪機(jī)和外供汽的負(fù)荷變化，會(huì)影響鍋爐蒸汽壓力的變化。只要滿足蒸汽壓力的穩(wěn)定，必然滿足蒸汽量的要求。因此，鍋爐燃燒自動(dòng)控制的目的就是通過自動(dòng)燃燒達(dá)到穩(wěn)定蒸汽母管的壓力，來滿足汽輪機(jī)及外供汽對蒸汽的要求。

　　由于鍋爐的燃燒系統(tǒng)到供汽系統(tǒng)是一個(gè)較復(fù)雜的熱力過程，在運(yùn)行中將受到：汽輪機(jī)工況變化所引起的蒸汽負(fù)荷的變化及外供汽對蒸汽負(fù)荷的變化（稱外擾）;燃料熱值、燃料種類等鍋爐內(nèi)部熱負(fù)荷的變化所引起的蒸汽量的變化（稱內(nèi)擾）;從燃料變化開始到爐內(nèi)建立熱負(fù)荷的時(shí)間（稱燃燒設(shè)備的慣性）;在鍋爐受到外擾時(shí)，燃燒工況未變時(shí)而具有的吸熱和放熱能力（稱鍋爐的蓄熱能力）。因此，自動(dòng)燃燒程序應(yīng)具有抗干擾的能力，以達(dá)到平穩(wěn)地自動(dòng)調(diào)節(jié)。

　　為使鍋爐達(dá)到經(jīng)濟(jì)的燃燒，在燃料或負(fù)荷調(diào)節(jié)的同時(shí)，應(yīng)改變送風(fēng)和引風(fēng)量。鍋爐使用燃料可能有如下的配比：100%高爐煤氣（正常運(yùn)行使用此種配比）、80～90%高爐煤氣加20～10%的焦?fàn)t煤氣、50%高爐煤氣加50%焦?fàn)t煤氣。鍋爐增減負(fù)荷量較大時(shí)，可以采用停開某一層或者數(shù)層高爐煤氣燃燒器煤氣管道上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和熱風(fēng)管道上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

　　3.2 汽包水位控制

　　采用三沖量調(diào)節(jié)，即根據(jù)給水流量、汽包液位和蒸汽流量調(diào)節(jié)主給水閥，保證鍋爐汽包水位的穩(wěn)定，是前饋—反饋串級調(diào)節(jié)回路，框圖如下：鍋爐給水系統(tǒng)中，由鍋爐提供兩個(gè)給水調(diào)節(jié)閥，其中DN150調(diào)節(jié)閥是主調(diào)節(jié)閥，在正常負(fù)荷和高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)使用;旁通管設(shè)一個(gè)DN100的調(diào)節(jié)閥，在低負(fù)荷時(shí)使用，同時(shí)也作為主調(diào)節(jié)閥的備用閥。在自動(dòng)給水狀態(tài)下，只允許其中之一自動(dòng)調(diào)節(jié)給水，此時(shí)，另一調(diào)節(jié)閥可畫面手動(dòng)給水;在程序投入之前，操作人員需要事先選定哪一個(gè)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)投入。如果此次未能設(shè)定，將按照上一次的設(shè)定執(zhí)行。

圖2 汽包水位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

　　將液位進(jìn)行PID1調(diào)節(jié)后輸出，和蒸汽流量進(jìn)行加法運(yùn)算，其結(jié)果作為PID2的設(shè)定點(diǎn)，PID2將此設(shè)定點(diǎn)與給水流量的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)給水閥。

　　汽包液位是主被調(diào)量，給水量是副被調(diào)量，蒸汽流量是前饋量。當(dāng)汽包液位上升時(shí)，PID1的輸出減小，則加法器的輸出也減小，給水閥關(guān)小，就減小了給水量。當(dāng)汽包負(fù)荷變大時(shí)，即蒸汽流量增加，加法器的輸出就增大，給水閥開大，就增大了給水量。

　　當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然增加，而出現(xiàn)“假液位”時(shí)，由于PID1是反作用，PID1的輸出就減小，即加法器里的X1就減小;由于負(fù)荷增加，加法器里的X2就增加，這樣，加法器的輸出基本變化不大。經(jīng)過短時(shí)間后汽包內(nèi)壓力恢復(fù)平衡，“假液位”消除，此時(shí)液位因蒸發(fā)量增加而開始下降，PID1的輸出就增加，則給水量增加，直至汽包液位恢復(fù)到給定位置。

　　3.3 爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)

　　爐膛負(fù)壓自動(dòng)控制是通過調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)入口風(fēng)門開度，保持爐膛負(fù)壓在-20——10 Pa的微負(fù)壓狀態(tài)，保證鍋爐安全燃燒。當(dāng)兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)并列或者固定其中的一個(gè)對另一個(gè)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可在畫面上選擇并列還是固1調(diào)2（1為固1調(diào)2，0為固2調(diào)1）。爐膛負(fù)壓設(shè)高、低報(bào)警。

　　3.4 鍋爐送風(fēng)自動(dòng)控制

　　送風(fēng)自動(dòng)控制目的：使鍋爐所投入的燃料在爐膛中燃燒時(shí)，自動(dòng)投入合適的風(fēng)量，以保證鍋爐的經(jīng)濟(jì)燃燒。主要控制的參數(shù)為煤氣壓力及送風(fēng)壓力, 進(jìn)而達(dá)到最高的的鍋爐熱效率, 煙氣含氧量作為總風(fēng)量的修正量。通過調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)的擋板開度來調(diào)節(jié)送風(fēng)壓力;當(dāng)兩臺(tái)送風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)并列（或者固定其中之一，對另一個(gè)進(jìn)行）調(diào)節(jié)入口風(fēng)門，可在畫面上選擇并列還是固1調(diào)2（1為固1調(diào)2，0為固2調(diào)1）。

　　3.5 鍋爐過熱蒸汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)（減溫水自動(dòng)調(diào)節(jié)）

　　鍋爐過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)采用自制冷凝水噴水減溫裝置，鍋爐過熱蒸汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)是根據(jù)集器集箱和減溫器出口蒸汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)減溫水調(diào)節(jié)閥開度，控制減溫水量，以保證集汽集箱中蒸汽溫度控制在430——450℃范圍內(nèi)。當(dāng)集汽集箱出口蒸汽溫度降低時(shí)，汽溫自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)減少減溫水量，隨著汽溫升高，減溫水量增加，保證集汽集箱出口蒸汽溫度穩(wěn)定，反之則減小減溫水量，避免汽溫產(chǎn)生較大波動(dòng)。噴水減溫系統(tǒng)中，由鍋爐提供兩個(gè)給水調(diào)節(jié)閥，其中DN50調(diào)節(jié)閥是主調(diào)節(jié)閥，在正常運(yùn)行時(shí)使用;旁通管設(shè)一個(gè)DN50的調(diào)節(jié)閥，作為主調(diào)節(jié)閥的備用閥。在自動(dòng)給水狀態(tài)下，只允許其中之一自動(dòng)調(diào)節(jié)給水，另一調(diào)節(jié)閥備用;在程序投入之前，操作人員需要事先選定哪一個(gè)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)投入。如果此次未能設(shè)定，將按照上一次的設(shè)定執(zhí)行。在主給水調(diào)節(jié)閥后設(shè)DN150的調(diào)節(jié)閥，根據(jù)所需要的冷凝水量調(diào)節(jié)該調(diào)節(jié)閥的開度。采用串級調(diào)節(jié)，蒸汽出口溫度經(jīng)PID1調(diào)節(jié)輸出后，作為PID2（減溫器出口溫度調(diào)節(jié)）的設(shè)定點(diǎn)，PID2對此設(shè)定點(diǎn)和減溫器出口溫度的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)減溫水調(diào)節(jié)閥。

　　當(dāng)測得集汽集箱出口蒸汽溫度高時(shí)，PID1的輸出增大，則減溫水調(diào)節(jié)閥開大，增加減溫水量;反之，則減小閥門開度，減少減溫水量。

　　當(dāng)有擾動(dòng)時(shí)（主要擾動(dòng)有煙氣流量和溫度的變化引起的擾動(dòng)，減溫器入口蒸汽流量和溫度引起的擾動(dòng)，減溫水壓力變化引起的擾動(dòng)）首先反映在減溫器出口的蒸汽溫度變化，溫度一高，則要求增加減溫水量，調(diào)節(jié)就比較迅速，而對集汽集箱出口的蒸汽溫度的影響就比較小，提高了調(diào)節(jié)品質(zhì)。框圖如下：

圖3 過熱蒸汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

4 監(jiān)控功能

　　在畫面上可顯示鍋爐各部分時(shí)的溫度、壓力、流量分布狀況，采集的數(shù)據(jù)，歷史趨勢、報(bào)警閃爍畫面，完成各閥門、設(shè)備的開啟及操作，完成煤氣、助燃空氣的調(diào)節(jié)閥的操作及調(diào)節(jié)，各系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)與軟手動(dòng)調(diào)節(jié)、硬手動(dòng)調(diào)節(jié)的無擾自動(dòng)切換，各調(diào)節(jié)閥的操作及調(diào)節(jié)和保持各數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。主要畫面如下：

　　主菜單：完成系統(tǒng)登陸，選擇工作制度、切入主畫面。

　　主畫面：可顯示鍋爐爐的整個(gè)工藝生產(chǎn)流程及相關(guān)的主要參數(shù)值，報(bào)警閃爍，切入其他畫面的功能按鈕。分畫面：各調(diào)節(jié)系統(tǒng)的畫面，包括參數(shù)設(shè)定的功能鍵、棒狀圖、控制流程圖、報(bào)警紀(jì)錄，相關(guān)信息;歷史趨勢，相關(guān)的PID參數(shù)設(shè)定等。

　　報(bào)警畫面：按工藝要求，當(dāng)過程值超過報(bào)警上下限時(shí)，發(fā)出報(bào)警，并在報(bào)警畫面上顯示報(bào)警發(fā)生時(shí)間、報(bào)警值、報(bào)警等級、報(bào)警點(diǎn)，操作員在報(bào)警畫面中可以完成報(bào)警確認(rèn)、報(bào)警信息過濾等功能。
　　報(bào)表打?。嚎稍O(shè)置任意格式報(bào)表，可打印所有輸入輸出參數(shù)的報(bào)表。另外，對監(jiān)控站設(shè)有多個(gè)安全級進(jìn)行管理，每個(gè)安全級均由不同的權(quán)限，防止侵權(quán)或誤操作。

5 應(yīng)用效果

　　采用DCS系統(tǒng)及相關(guān)控制流程以后，首先使操作工操作方便，使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊即可，整個(gè)鍋爐的運(yùn)行狀況在計(jì)算機(jī)屏幕上一目了然。在實(shí)際應(yīng)用中，采用DCS及相關(guān)控制技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：提高能源利用率，保證系統(tǒng)能夠高效安全運(yùn)行;出水溫度穩(wěn)定，提高舒適度;升溫速度快。從控制性能看，調(diào)節(jié)比較及時(shí)，超調(diào)不大，上下波動(dòng)小，運(yùn)行穩(wěn)定。

　　從節(jié)能降耗看，該生產(chǎn)線使用了工業(yè)過程優(yōu)化自動(dòng)控制技術(shù)以后，提高了系統(tǒng)可靠性，與同種類型鍋爐相比, 每年減少故障停機(jī)時(shí)間約200小時(shí)，鍋爐功率為130噸/小時(shí)，蒸汽按70元/噸計(jì)，每年可節(jié)約資金180余萬人民幣, 給企業(yè)帶來可觀經(jīng)濟(jì)效益。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：提出了一種基于分布式煤氣燃燒鍋爐控制系統(tǒng)，既充分利用PC機(jī)豐富的軟硬件資源實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面，又通過工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)與PLC機(jī)進(jìn)行通信，對鍋爐現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和及時(shí)處理，達(dá)到了鍋爐燃燒工況良好、節(jié)能降耗的工藝要求;全面實(shí)現(xiàn)儀電合一，統(tǒng)一由PLC和DCS完成其控制功能，實(shí)現(xiàn)了全面EIC一體化的系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制思想較為先進(jìn)，運(yùn)行穩(wěn)定，安全，可靠，節(jié)能。采用SIMATIC S7-400系列可編程控制器進(jìn)行鍋爐控制,硬件可由軟件組態(tài)，軟件編程層次清楚，現(xiàn)場調(diào)試方便，利用其強(qiáng)大的通訊功能可組成各種分布式監(jiān)控管理系統(tǒng)。