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

分散控制系統(tǒng)（DCS）是計算機、自動控制技術(shù)及網(wǎng)絡通訊技術(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)、CRT以及網(wǎng)絡技術(shù)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

由操作員站、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。

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，該廠于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。

 　?、鄢绦蚩刂疲菏瑰仩t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。

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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。基本擾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(guān)，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(quán)限，井引至監(jiān)控界面以便司爐工在線修改。

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2 運行效果和問題 

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

h=[△P+gH（ρ"-ρ）]／[g（ρ"-ρ‘）]

　　式中：h一補償后的汽包液位；△P-變送器測量的差壓值；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控制點的組態(tài)中。運用RPV點中的表達式及折線化算法，很容易實現(xiàn)以上補償關(guān)系。原設計所給出的汽包液位三沖量控制方案如圖1所示。

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　　通過分析發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)器的輸人為：汽包液位設定值-汽包液位測量值+主蒸汽流量-給水流量。實際運行中由于各種擾動的影響。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，采用在三沖量基礎上的串級控制方案。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

 　　原設計的燃燒控制用于氧含量測量的裝置改用700B氧含量分析儀。把控制方案改為氧含量控制引風機出口擋板，爐膛負壓控制送風機出口擋板的方案。并使氧含量控制的P、I作用弱一些。經(jīng)過實際運行，燃燒控制系統(tǒng)的滯后時間相對較小，證明改進的控制方案可行。 

3．3 功能擴展

 　　轉(zhuǎn)速是汽輪機運行的最主要的參數(shù)之一。對該參數(shù)實現(xiàn)實時監(jiān)測。增加了運行人員的監(jiān)測手段與途徑，提高了信號顯示精度，方便了運行人員的監(jiān)盤與操作控制。更重要的是總調(diào)值長可通過局域網(wǎng)監(jiān)測汽機轉(zhuǎn)速。在脫網(wǎng)事故狀態(tài)下仍可監(jiān)測到汽機轉(zhuǎn)速變化，從而可據(jù)此有效地進行事故處理。避免事故的進一步擴大；給水泵是為鍋爐供水的關(guān)鍵設備，因此在2004年該廠將原DCS系統(tǒng)進行擴展。將汽輪機轉(zhuǎn)速和三臺給水泵的變頻調(diào)節(jié)信號加入到了DCS系統(tǒng)中。

 4 結(jié)論 

綜合效果 

　　該廠DCS系統(tǒng)自安裝投運以來，軟、硬件運行基本可靠。經(jīng)過改進后達到了預期的技術(shù)指標。① 控制水位精度：±10 mm。汽壓：±0．03 MPa，汽溫：±5℃。負壓：±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)測試提高運行效率4％ 。實際節(jié)煤5％ ，一年耗煤量按40000噸計算，每噸煤按360元人民幣計算。僅節(jié)煤一項一年可節(jié)約72萬元。

 （2）DCS的進一步應用目標 

　　①進一步擴展DCS系統(tǒng)的功能范圍。實現(xiàn)一體化；采用先進的控制軟件，進一步發(fā)揮DCS的效能。為提高電廠管理的自動化水平，進一步擴大DCS的應用范圍。實現(xiàn)所謂的一體化，未來計劃汽輪機電液控制系統(tǒng)（DEH和MEH）、發(fā)電機、主變組和廠用電源系統(tǒng)的控制都將納入DCS。②進一步擴大DCS物理分散的應用。以減少電纜費用。③實現(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)電廠應用中存在的問題 

①國產(chǎn)DCS硬件的制造工藝及制造水平離國際水平有較大的差距，硬件的故障率較高；② 由于缺乏切實可行的測試方法和手段。有些DCS性能指標無法進行考核和驗收。許多性能指標沒有達到規(guī)范要求；③由于DCS市場競爭激烈，價格壓得很低。DCS供應商在工程設計及應用軟件的開發(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工程設計及應用軟件的開發(fā)水平也不高。先進的控制軟件及控制策略不能推廣應用。不利于電廠的經(jīng)濟安全運行；⑤國產(chǎn)檢測元件及執(zhí)行機構(gòu)的可靠性、準確性往往不能滿足DCS控制系統(tǒng)的要求。加大了系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)投入的難度。使得DCS的優(yōu)勢不能完全發(fā)揮出來，影響了機組的經(jīng)濟運行；⑥ 由于小機組的不規(guī)范性。一些輔助設備都自帶控制系統(tǒng)（箱）。較常用的方法是采用硬接線的方式，將這些設備的控制信號傳送至DCS并由DCS進行控制；各系統(tǒng)之問的聯(lián)接是工程中最麻煩的問題。能否解決這些問題又成了整個系統(tǒng)能否長期安全運行的關(guān)鍵；⑦控制策略一般由DCS廠家制定．1旦DCS廠家往往對生產(chǎn)過程的細節(jié)并不太了解?；蛘哒f對主設備的變化不太了解。因而?？刂撇呗酝行┎蛔恪１仨氃谕懂a(chǎn)后在有經(jīng)驗的運行人員的幫助下，根據(jù)實際情況不斷修改才能取得較好的效果。