張 京，徐建國，王鑫磊，蔣海濱

（河北鋼鐵集團(tuán)承鋼能源事業(yè)部，河北 承德 067102）

NT6000DCS控制系統(tǒng)在承鋼150t燃?xì)忮仩t上的應(yīng)用

張 京，徐建國，王鑫磊，蔣海濱

（河北鋼鐵集團(tuán)承鋼能源事業(yè)部，河北 承德 067102）

燃?xì)忮仩t燃燒是一種高效率、清潔性的熱能設(shè)備，各個(gè)行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。文章在介紹NT6000DCS軟硬件的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析承鋼150t燃?xì)忮仩t控制的主要回路，探究NT6000DCS控制系統(tǒng)在燃?xì)忮仩t汽包水位和爐膛負(fù)壓以及過熱蒸汽溫度控制等重要控制回路上的應(yīng)用。項(xiàng)目在集散控制系統(tǒng)對解決國內(nèi)節(jié)能減排的問題、提高當(dāng)今燃?xì)忮仩t的自動(dòng)化水平、提高能源利用率的研究有一定的借鑒。

燃?xì)忮仩t；集散控制系統(tǒng)；汽包水位

集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System）又稱為分布式控制系統(tǒng)，它是以微處理器為基礎(chǔ)的集中監(jiān)控、操作、管理和分散控制生產(chǎn)過程的集中控制系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展不斷取得進(jìn)步。燃?xì)忮仩t的控制問題也是當(dāng)今非常重要的研究方向，有很多需要解決的問題。燃?xì)忮仩t是一個(gè)多參數(shù)輸入，多參數(shù)輸出，非線性多變量相互耦合的控制對象，它的控制過程十分復(fù)雜。文章在分析燃?xì)忮仩t發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，介紹承鋼公司150t燃?xì)忮仩t項(xiàng)目情況，著重分析南京科遠(yuǎn)NT6000系統(tǒng)軟硬件組成，組態(tài)方法以及在150t燃?xì)忮仩t上的應(yīng)用，最后在結(jié)論中探討了今后的工作方向。

1 承鋼150t/h燃?xì)忮仩t項(xiàng)目

1.1 燃?xì)忮仩t現(xiàn)狀

鋼鐵企業(yè)燃?xì)忮仩t使用的燃料主要來自于煉鋼煉鐵以及煉焦生產(chǎn)中產(chǎn)生的各種煤氣副產(chǎn)品。在使用過程中，相比于燃煤鍋爐，燃?xì)忮仩t產(chǎn)生的污染水平更低，其主要原因是各類煤氣在燃燒過程中更加完全，而不易于產(chǎn)生不完全氧化的物質(zhì)，效率更高。因此不管從社會(huì)效益考慮或是經(jīng)濟(jì)角度而言，燃?xì)忮仩t的應(yīng)用在未來都具有十分廣闊前景。

1.2 承鋼150t/h燃?xì)忮仩t概況

工程主要建（構(gòu)）筑物包括：150t/h高溫高壓燃?xì)忮仩t一臺(tái)、配套40MW純凝式汽輪發(fā)電機(jī)組一套、減溫減壓器一套、一座循環(huán)水泵站、水處理系統(tǒng)、升壓站、外網(wǎng)管道及配套廠房。包含工程范圍內(nèi)的煤氣（高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、混合煤氣）、采暖熱水、氮?dú)?、消防水、外送蒸汽、生產(chǎn)水等動(dòng)力介質(zhì)的接入及生產(chǎn)廢水的外排等。新建鍋爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)要求如表1所示。

表1 新建鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

控制系統(tǒng)是分散控制系統(tǒng)（DCS）及DEH：選用南京科遠(yuǎn)公司NT6000系列產(chǎn)品。DCS和DEH各采用兩臺(tái)全功能站，互為備用，實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)和控制終端的冗余。

2 NT6000DCS控制系統(tǒng)軟硬件介紹

2.1 NT6000硬件介紹

NT6000硬件系統(tǒng)是科遠(yuǎn)公司基于現(xiàn)場總線技術(shù)而設(shè)計(jì)，以可靠、易用、先進(jìn)的三大設(shè)計(jì)理念作為指導(dǎo)，通過多方合作、嚴(yán)格檢驗(yàn)、精心創(chuàng)新的研制過程，開發(fā)出的具有高度可靠性、適合多種工業(yè)應(yīng)用習(xí)慣的，擁有靈活適應(yīng)性、多種高級控制算法平臺(tái)。它是擁有現(xiàn)場總線解決方案的能夠面向未來的、達(dá)到國際水平的產(chǎn)品。NT6000整個(gè)硬件系統(tǒng)的各部分結(jié)構(gòu)如圖1所示，分別由工程師站、操作員站、多種控制機(jī)柜、現(xiàn)場控制器、輸入輸出模件以及兩級通訊網(wǎng)絡(luò)等組成。

圖1 NT6000硬件系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)

2.2 軟件系統(tǒng)概述

NT6000DCS系統(tǒng)能夠提供一個(gè)互相通用的系統(tǒng)組態(tài)和操作控制平臺(tái)，能通過工程師站對軟件各種功能進(jìn)行組態(tài)，將整個(gè)系統(tǒng)提供的各個(gè)功能單元按一定的邏輯和順序連接起來，形成一個(gè)完整的能完成各種工藝要求的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)組態(tài)將完成系統(tǒng)配置、控制程序、流程監(jiān)控、系統(tǒng)診斷、報(bào)警顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢以及各類生產(chǎn)管理報(bào)表等。實(shí)際上，控制系統(tǒng)組態(tài)的整個(gè)過程，可以在各子系統(tǒng)組態(tài)編輯時(shí)并行開展。

算法組態(tài)軟件ControlX軟件是南京科遠(yuǎn)DCS系統(tǒng)軟件中核心控制算法組態(tài)軟件，其中包括各種常用的功能模塊，編程人員可以將軟件中的各種功能塊相互連線，完成各種功能組態(tài)。安裝軟件包括能夠提供標(biāo)準(zhǔn)的OPC服務(wù)器，接口組件報(bào)警控件以及報(bào)警服務(wù)器。

3 承鋼150t燃?xì)忮仩t主要控制回路設(shè)計(jì)

3.1 燃?xì)忮仩t的特點(diǎn)

燃?xì)忮仩t為一種極為復(fù)雜的控制對象，主要的輸入變量包括鍋爐給水量、爐膛送風(fēng)量、減溫水流量、燃料量以及引風(fēng)量等；主要輸出變量包括汽包水位、過熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓以及蒸汽壓力等，諸多輸入變量以及輸出變量之間存在了很大的相互關(guān)聯(lián)性。因此燃?xì)忮仩t設(shè)備就是一種由多輸入、多輸出變量組成且相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜控制對象。

3.2 汽包水位控制

對于鍋爐汽包水位的自動(dòng)控制而言，其關(guān)鍵任務(wù)是實(shí)現(xiàn)給水量與鍋爐蒸發(fā)量的一致。除此之外，還需要將汽包水位控制在允許的范圍以內(nèi)。無論是燃?xì)忮仩t還是燃煤的鍋爐，對于現(xiàn)代鍋爐的運(yùn)行而言，汽包水位都是一個(gè)極其關(guān)鍵的被控參數(shù)。在整個(gè)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中，操作變量為給水流量，汽包水位是被控變量。假設(shè)汽包水位太高，那么就會(huì)對汽水分離效果產(chǎn)生影響，還會(huì)造成蒸汽水分含量增大，進(jìn)而引起出口蒸汽帶水、帶鹽的問題，使得汽輪機(jī)葉片受到嚴(yán)重腐蝕，甚至可能出現(xiàn)葉片損壞出現(xiàn)事故；另外還會(huì)出現(xiàn)過熱蒸汽溫度降低的問題。假設(shè)汽包水位太低，那么會(huì)使得鍋爐內(nèi)汽水循環(huán)受到影響，出現(xiàn)水冷壁過熱而損壞等情況。在負(fù)荷較大的情況下，水汽化速度增大，可能出現(xiàn)鍋爐燒壞甚至爆炸。所以對于整個(gè)鍋爐安全運(yùn)行而言，鍋爐汽包水位控制回路是一個(gè)極其關(guān)鍵的控制回路。

在實(shí)際情況下出現(xiàn)“虛假水位”主要是由于在鍋爐蒸汽負(fù)荷突然增大的情況下，鍋筒蒸發(fā)量無法在很短時(shí)間內(nèi)增大到對應(yīng)值，使得汽包內(nèi)的蒸汽壓力降低。這就會(huì)使汽包中水溫由負(fù)荷變化之前的壓力對應(yīng)的飽和溫度降低到汽包壓力降低之后對應(yīng)的飽和溫度。這種情況下，大量熱量的釋放使得鍋筒內(nèi)水以很快的速度蒸發(fā)，形成很多氣泡，汽水混合物容積增大，水位上升。所以可以看出，汽包水位控制不能僅僅依據(jù)水位高低判斷給水流量大小，在設(shè)計(jì)水位控制的程序過程中需要充分考慮到“虛假水位”等影響，實(shí)現(xiàn)對給水量的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。

在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行過程中，為了避免“虛假水位”對給水控制帶來的不良影響，可以在給水流量滿足以及蒸汽參數(shù)穩(wěn)定時(shí)，選擇手動(dòng)或者自動(dòng)的方式采用三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。鍋爐汽包三沖量液位控制系統(tǒng)是在雙沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展形成，其中增加了蒸汽流量信號，充分利用水位、給水流量以及蒸汽流量實(shí)現(xiàn)液位控制。主沖量信號是汽包水位，輔助沖量信號為給水流量以及蒸汽流量。從根本上來說，三沖量控制系統(tǒng)就是前饋加反饋控制系統(tǒng)，蒸汽流量信號是前饋量，可以將其劃分為兩種類型，分別是單級控制系統(tǒng)與串級控制系統(tǒng)。在蒸汽流量增大的情況下，調(diào)節(jié)器馬上動(dòng)作，使得給水流量增加，采取這種方式能夠避免由于“虛假液位”導(dǎo)致的誤動(dòng)作。由于給水流量調(diào)節(jié)器輸出控制信號和蒸汽流量信號存在著一致的變化趨勢，因此主蒸汽流量信號的方向選擇為正極性。在給水流量發(fā)生擾動(dòng)的情況下，調(diào)節(jié)器會(huì)馬上動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對給水流量的調(diào)節(jié)，最終保持汽包水位維持不變。從上面的分析可以看出，系統(tǒng)中的反饋信號是給水流量信號，利用其可以消除給水側(cè)擾動(dòng)。在汽包水位上升的情況下，通過調(diào)節(jié)器控制給水流量，使得給水流量降低，保持水位不變，反過來也是一樣，所以調(diào)節(jié)器入口水位測量信號與蒸汽流量信號相反是負(fù)極性的。

承鋼150t鍋爐汽包液位控制采取的是三沖量控制，有效解決了單沖量和兩沖量調(diào)節(jié)不足，克服了虛假水位的影響，保證了汽包液位的基本穩(wěn)定。汽包液位給水調(diào)節(jié)回路具體控制原理：給水流量優(yōu)選值和主蒸汽流量相減后，經(jīng)過量程變換，與汽包水位優(yōu)選值相加以后送到PID調(diào)節(jié)器輸入，經(jīng)過調(diào)節(jié)器計(jì)算后的值由調(diào)節(jié)器輸出，送到手操器模塊輸入端，由手操模塊輸出去調(diào)節(jié)主給水執(zhí)行器，確保汽包液位基本穩(wěn)定。主給水執(zhí)行器反饋電流信號送入DCS電流輸入卡件。反饋電流由AI送入手操器模塊輸入跟蹤值端。當(dāng)給水流量、蒸汽流量、汽包液位發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)候，或者給水流量與主蒸汽流量偏差過大時(shí)候，手操器強(qiáng)制手動(dòng)并輸出報(bào)警，這屬于一種程序上的保護(hù)設(shè)計(jì)（見圖2）。

圖2 汽包液位給水調(diào)節(jié)回路

3.3 蒸汽壓力與送風(fēng)控制

在實(shí)際鍋爐運(yùn)行過程中，需要利用蒸汽壓力對蒸汽供需變化關(guān)系進(jìn)行反映，蒸汽壓力也是描述蒸汽的關(guān)鍵參數(shù)。假設(shè)蒸汽壓力太高，那么就會(huì)使得金屬材料蠕變加快；蒸汽壓力太低表示蒸汽供需不平衡，各種設(shè)備消耗的蒸汽量比產(chǎn)出的蒸汽量大，這樣就無法長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。所以，對于鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行而言，保持蒸汽壓力穩(wěn)定是非常重要的。在實(shí)際運(yùn)行過程中，燃料量、蒸汽流量、送風(fēng)量、給水量、燃燒工況等各種因素都會(huì)對蒸汽壓力產(chǎn)生影響。其中可以將主要擾動(dòng)劃分為內(nèi)擾動(dòng)以及外擾動(dòng)，內(nèi)擾動(dòng)是燃料量的變化，外擾動(dòng)為蒸汽流量的變化。需要通過對煤氣量調(diào)節(jié)的方式完成對鍋爐蒸汽壓力的控制，也就是通過對煤氣閥的調(diào)節(jié)完成控制目標(biāo)。將煤氣量調(diào)節(jié)閥開度調(diào)大，煤氣燃燒產(chǎn)生的熱量就會(huì)增加，蒸汽壓力就會(huì)變大，反之就會(huì)使蒸汽壓力降低。另外還需要實(shí)現(xiàn)煤氣量與鼓風(fēng)量之間的配合，在煤氣量確定的情況下給出最優(yōu)鼓風(fēng)量。假設(shè)送風(fēng)量不足，那么就無法實(shí)現(xiàn)完全燃燒，送風(fēng)量過大就會(huì)帶走大量熱量。依據(jù)工藝要求，在負(fù)荷增大的情況下，首先增大鼓風(fēng)量，然后增大煤氣量；在負(fù)荷降低的情況下，首先降低煤氣量，然后降低送風(fēng)量。為了實(shí)現(xiàn)對蒸汽壓力的有效控制，需要依據(jù)蒸汽壓力變化的情況下對燃料量進(jìn)行控制，使得滿足負(fù)荷需求。此外在燃料量改變時(shí)也需要對送風(fēng)量與引風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整。需要指出的是，蒸汽壓力控制為大慣性大滯后過程，通常采用PID控制。這主要是PID控制存在結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，另外不需要構(gòu)建精確的數(shù)學(xué)模型，能夠?qū)刂破鬟M(jìn)行在線調(diào)整。

承鋼150t鍋爐由于煤氣壓力受到生產(chǎn)單位影響較大，煤氣壓力變化較頻繁，送風(fēng)回路與燃燒等多個(gè)變量密切相關(guān)，目前控制爐膛煤氣調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器控制煤氣量，用送風(fēng)機(jī)變頻器和送風(fēng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器去控制鍋爐送風(fēng)量，以實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒控制和調(diào)節(jié)鍋爐負(fù)荷操作。送風(fēng)回路主要是為了讓進(jìn)入爐膛的煤氣充分燃燒，達(dá)到最佳的空燃比，使鍋爐達(dá)到設(shè)計(jì)的熱效率。鍋爐裝有氧化鋯氧量表，使操作人員能知道爐膛的含氧量，來調(diào)整送風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)爐膛的經(jīng)濟(jì)燃燒。進(jìn)入爐膛的煤氣分為高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣，通過煤氣調(diào)節(jié)閥控制煤氣的流量和壓力（見圖3）。

3.4 爐膛負(fù)壓控制

引風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要任務(wù)是控制爐膛負(fù)壓。假設(shè)爐膛負(fù)壓太大，那么就會(huì)導(dǎo)致爐膛溫度降低，燃料量消耗增大，漏風(fēng)量增大，此外還會(huì)使得引風(fēng)機(jī)電耗以及煙氣帶走熱量進(jìn)一步增加，甚至還會(huì)出現(xiàn)鍋爐滅火的情況；假設(shè)爐膛負(fù)壓過低，那么就會(huì)出現(xiàn)向外噴火的情況，不但會(huì)帶來污染環(huán)境的問題，而且危及人員與設(shè)備安全。因?yàn)橐L(fēng)調(diào)節(jié)對象存在測量方便、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此只需要在引風(fēng)測量系統(tǒng)中采用爐膛負(fù)壓作為被調(diào)量。爐膛負(fù)壓主要會(huì)受到引風(fēng)量與鼓風(fēng)量兩個(gè)因素的影響，通常需要利用引風(fēng)量實(shí)現(xiàn)對爐膛負(fù)壓的控制。在研究的過程中就需要將爐膛負(fù)壓作為被控對象，引風(fēng)量則為控制對象，這都需要保持鼓風(fēng)量不變。在鼓風(fēng)量改變情況下，引風(fēng)量也需要改變，一般需要將選取鼓風(fēng)量為引風(fēng)控制過程中的前饋量。這都要求鼓風(fēng)量增大的情況下需要加大引風(fēng)量，鼓風(fēng)量降低需要一段時(shí)間后降低引風(fēng)量。

承鋼150t鍋爐爐膛負(fù)壓控制主要采用單回路閉環(huán)控制，將爐膛出口壓力優(yōu)選后送到PID控制器輸入端，輸出值送入手操模塊輸入端去控制引風(fēng)機(jī)變頻器，實(shí)現(xiàn)爐膛負(fù)壓控制。期中設(shè)計(jì)了一些保護(hù)回路，如果負(fù)壓過低，轉(zhuǎn)為強(qiáng)制手動(dòng)控制（見圖4）。

圖3 送風(fēng)機(jī)控制回路

圖4 爐膛負(fù)壓控制回路

3.5 過熱蒸汽溫度控制

在整個(gè)蒸汽過熱系統(tǒng)中有一級過熱器、減溫器、二級過熱器、減溫器。為了使得過熱器出口溫度保持在規(guī)定范圍內(nèi)，需要利用兩級減溫水控制對過熱蒸汽的溫度進(jìn)行自動(dòng)控制，另外該系統(tǒng)需要保證過熱器管壁溫度穩(wěn)定在規(guī)定過的工作范圍內(nèi)。假設(shè)過熱蒸汽溫度過高，那么會(huì)導(dǎo)致過熱器損壞，另外還會(huì)出現(xiàn)汽輪機(jī)熱膨脹問題，使鍋爐的安全運(yùn)行受到影響；假設(shè)過熱蒸汽溫度太低，那么就會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)等設(shè)備工作效率不足，此外還會(huì)使汽輪機(jī)蒸汽濕度過大，頁片受損。因此要求對過熱蒸汽的溫度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，保持其在規(guī)定的范圍內(nèi)。其中，蒸汽流量、燃燒工況、煙氣溫度、流速等諸多因素都會(huì)對過熱蒸汽溫度產(chǎn)生影響。當(dāng)前普遍選取減溫水為操作變量，而被控變量選取過熱器出口溫度，從而形成單回路控制系統(tǒng)。然而由于控制通道時(shí)間常數(shù)以及時(shí)滯都比較大，采用單回路通常不能滿足系統(tǒng)需要，所以需要在系統(tǒng)中選取減溫器出口溫度作為副被控變量，形成串級控制系統(tǒng)。

承鋼150t鍋爐過熱蒸汽溫度控制回路的控制主要采取兩級減溫水調(diào)節(jié)，第一級減溫水采用單級控制回路進(jìn)行粗調(diào)節(jié)（見圖5），第二級減溫水采用串級控制進(jìn)行細(xì)調(diào)節(jié)（見圖6），達(dá)到嚴(yán)格控制過熱蒸汽溫度的目的。主蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以通過兩級減溫水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，一級過熱器溫度調(diào)節(jié)進(jìn)行粗調(diào)，只采用單回路就可以滿足要求。主汽溫度二級過熱器出口溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)使用串級控制，主要參與控制參數(shù)包括集汽箱的出口溫度、噴水減溫器出口溫度。主汽溫度與設(shè)定溫度經(jīng)過主調(diào)節(jié)器計(jì)算輸出后，作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值與減溫器出口溫度進(jìn)過副調(diào)節(jié)器計(jì)算后輸出去控制減溫水調(diào)節(jié)閥門。主汽溫度測量值在該主汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)下用于反饋輸入，同已經(jīng)設(shè)定好的主汽溫度作PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果傳遞至副調(diào)，同減溫器出口的溫度經(jīng)過主控制器運(yùn)算后，獲得的結(jié)果經(jīng)過限幅處理后再經(jīng)過手操器模塊向執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳遞，控制減溫水閥門開度，系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)則切換為強(qiáng)制手動(dòng)狀態(tài)。

4 結(jié)束語

燃?xì)忮仩t目前已經(jīng)在世界各國得到了大規(guī)模地應(yīng)用，其優(yōu)勢主要包括便于調(diào)節(jié)負(fù)荷、可以很好地適應(yīng)多種燃料。燃?xì)忮仩t的控制實(shí)現(xiàn)過程較為復(fù)雜，并且其控制參數(shù)表現(xiàn)出時(shí)變性、非線性、互相耦合的特征，所以要構(gòu)建精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型來描述燃?xì)忮仩t控制過程并非易事。通過劃分其獲得若干個(gè)獨(dú)立控制子系統(tǒng)，便于分析燃?xì)忮仩t工作機(jī)理，同時(shí)引進(jìn)如今具有較強(qiáng)可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及穩(wěn)定性的集散控制系統(tǒng)——南京科遠(yuǎn)NT6000DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制功能。文章還發(fā)現(xiàn)部分有待解決的問題，在接下來的研究中將深入地進(jìn)行分析與探究，例如熟知煤氣變化壓力的具體變化過程。優(yōu)化控制參數(shù)與程序，全面完善協(xié)調(diào)控制策略，提高其燃燒利用的經(jīng)濟(jì)性，它們都是未來研究分析的重點(diǎn)內(nèi)容。

圖5 一級減溫水調(diào)節(jié)回路

圖6 二級減溫水調(diào)節(jié)回路

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[3]楊立智.冷凝式燃?xì)忮仩t的控制系統(tǒng)研究[D].天津大學(xué),2012.

[4]南京科遠(yuǎn)NT6000DCS系統(tǒng)培訓(xùn)教材[Z].南京科遠(yuǎn)自動(dòng)化公司.2015.

TK229.8

A

2096-2789（2016）12-0005-04

張京（1978-），男，遼寧沈陽人，燕山大學(xué)控制工程領(lǐng)域工程碩士畢業(yè)，研究方向：工業(yè)自動(dòng)化、過程控制、集散控制系統(tǒng)等。