熱電廠DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用與改進(jìn)

0 引言

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(kāi)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

該系統(tǒng)包括DAS和MCS兩部分，其中DAS用于運(yùn)行參數(shù)實(shí)H寸監(jiān)測(cè)，MCS用于模擬量控制。HS2000系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)從功能上分成操作員站、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，站上運(yùn)行的軟件是HS2000系統(tǒng)專用的實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件。功能有：圖形顯示與會(huì)話、報(bào)警顯示與管理、報(bào)表打印、系統(tǒng)庫(kù)管理、歷史庫(kù)管理、追憶庫(kù)管理等。工程師站和操作員站使用同一臺(tái)微機(jī)，該站配以HS2000組態(tài)軟件包，供用戶實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的組態(tài) 現(xiàn)場(chǎng)控制站是DCS系統(tǒng)完成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)拉的重要站點(diǎn)。HS2000系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制站由主控模塊、智能I/O模塊、電源模塊和專用機(jī)柜四部分組成。該站主要完成兩項(xiàng)功能：信號(hào)的轉(zhuǎn)換與處理和控制運(yùn)算。

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，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)

① 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)。

② 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。

④保護(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(jiàn)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(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。