劉濤

摘要：解決了1025t/h循環(huán)流化床鍋爐集散控制系統設計問題，以和利時MACS V6.5.2 DCS系統軟件為平臺進行控制系統組態(tài)與網絡硬件組態(tài)設計，設計采用單沖量與三沖量無擾切換的給水系統控制方式，提出建立發(fā)電負荷對應給煤量與風量的折線函數對鍋爐主控壓力和總風量設定值進行在線實時修正的控制策略，實現對1025t/h循環(huán)流化床鍋爐的自動控制。機組升降負荷調節(jié)實驗結果表明，該控制系統能在快速跟蹤發(fā)電負荷指令的同時，保證鍋爐主汽壓力、溫度以及鍋爐汽包水位的平穩(wěn)運行，實際運行效果證明此控制系統設計方案是循環(huán)流化床鍋爐平穩(wěn)、高效、可靠運行的新方法。

關鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐；集散控制系統；系統網絡；組態(tài)設計；控制邏輯

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）01-0008-03

0 引言

循環(huán)流化床鍋爐作為一種新型清潔高效的燃燒技術[1]，是解決燃煤鍋爐燃燒過程中產生污染問題的主要方法之一，對我國今后能源的發(fā)展和環(huán)境保護起著重要作用。雖然循環(huán)流化床鍋爐較其它類型的燃煤鍋爐更為先進，但它是多輸入多輸出[4]、大滯后[2]、強耦合[3]復雜的被控對象[7]。在發(fā)電廠生產過程中AGC功能的投入，使機組負荷控制指令要跟隨AGC指令的響應要求，但循環(huán)流化床鍋爐的大滯后和強耦合性，使鍋爐的主蒸汽壓力和溫度不能及時跟蹤鍋爐主控指令，導致機組負荷響應慢、主蒸汽壓力和溫度擺動大進而影響鍋爐的平穩(wěn)運行[5-6]。本文以撫順熱電廠2×300MW熱電機組項目中1025t/h循環(huán)流化床鍋爐為研究對象，以和利時MACS V6.5.2 DCS系統為平臺進行控制系統設計，通過對鍋爐DCS控制系統的硬件組態(tài)設計，以及對鍋爐的給水系統、一二風系統、主汽系統、燃料系統控制方式的設計，最終實現1025t/h循環(huán)流化床鍋爐的控制，投產運行后各控制參數平穩(wěn)、動態(tài)響應快，實際應用結果表明該控制系統設計方法的可行性與有效性。

1 工藝流程簡介

本項目采用哈爾濱鍋爐廠生產的亞臨界參數，一次中間再熱單爐膛循環(huán)流化床鍋爐，鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量為1025t/h。該循環(huán)流化床鍋爐應用流態(tài)化的燃燒方式，燃料（燃煤、煤矸石）經粗碎、細碎機破碎后通過皮帶機、中心給料機、返料器進入循環(huán)流化床鍋爐膛內，爐床溫度在850℃，進入的燃料在鍋爐一次風、二次風的作用下處于流化狀態(tài)并在此過程中燃燒傳熱給鍋爐水冷壁，水冷壁加熱來自鍋爐省煤器的除鹽水，加熱后的汽水混合物經過汽包、低中溫過熱器、高溫過熱器后變?yōu)闇囟?40℃、壓力16.67MPa的飽和蒸汽進入汽輪機高壓缸做功發(fā)電，做功后的蒸汽被再次被引入鍋爐內的低溫再熱器、高溫再熱器加熱為溫度540℃、壓力3.85MPa的飽和蒸汽進入汽輪機中壓缸繼續(xù)做功發(fā)電，燃燒后的煙氣經過氣冷分離器將未充分燃燒的顆粒與煤灰分離，顆粒部分再次進入爐膛內燃燒，煤灰則隨煙氣經過靜電除塵器時被清除，煙氣則經過SCR脫硝、除塵器除塵、脫硫塔脫硫后由煙囪排入大氣。

2 集散控制系統配置

2.1 系統網絡架構

和利時MACS V6.5.2 DCS系統是通過工業(yè)通信網絡，將分布在工業(yè)現場的工程師站、操作員站、歷史站、現場控制站連接起來，完成對現場生產設備的分散控制和集中管理。本項目設計采用冗余的128網段、129網段的雙網絡結構，該網絡結構分為兩層：（1）系統網絡層（SNET），該層網絡包括：工程師站、操作員站、歷史站、現場控制站、交換機等設備、其中歷史站和交換機采用冗余配置以保證現場數據通訊的可靠性，系統網絡負責網絡站間的數據傳遞。（2）控制網絡層（CNET），該層網絡包括：DPU主控模塊、I/O模塊等設備，其中DPU主控模塊采用冗余配置，DPU主控模塊通過Profibus-DP現場總線協議與 I/O模塊進行通信并讀取現場生產數據，DPU主控模塊按照預先的控制邏輯對生產數據進行計算處理，并將需要的數據上傳給系統網絡層用于上位機顯示，同時生成控制指令通過AO/DO模塊傳遞給現場執(zhí)行器等設備，具體的網絡架構見圖1。

2.2 系統硬件配置

撫順熱電廠2×300MW熱電機組項目采用和利時SM系列硬件以及MACS V 6.5.2火電版本組態(tài)軟件。該項目#1鍋爐控制系統設計工程師站1臺、操作員站5臺、歷史站2臺、現場控制站11個；項目鍋爐I/O點共計2759個，其中包括：模擬量輸入點1020個、模擬量輸出點85個、數字量輸入點1103個、數字量輸出點551個，具體硬件配置見表1。

3 控制系統方案設計

3.1 鍋爐給水系統

循環(huán)流化床鍋爐給水系統對汽包水位的調節(jié)要求很高，既要克服虛假水位對鍋爐穩(wěn)定運行的不利影響，又要防止因汽包水位的波動使蒸汽帶液造成葉片汽蝕損壞汽輪機。給水系統設計采用根據實際發(fā)電負荷自動切換的控制方式，機組負荷在30%額定負荷以下采用單沖量控制；在30%額定負荷以上采用三沖量控制。在自動控制方式切換時，設計采用控制器輸出互為跟蹤的方式，實現兩控制器間的無擾切換。在三沖量控制方式時，引入主蒸汽流量值乘以前饋系數對汽包水位設定值進行修正與補償。

3.2 鍋爐風系統

鍋爐風系統主要是起對燃料的循環(huán)流化和助燃的作用，為使一二次總風量的設定值在發(fā)電負荷變化時，速度調整到滿足當前負荷的風量值上來，鍋爐風系統設計采用建立發(fā)電負荷對應一次風量與二次風量的分段折線函數，同時引入鍋爐床溫和煙氣氧含量對總風量指令進行修正與補償來提高燃料的燃燒效率，具體負荷對應風總量值的折線函數見表2，控制邏輯見圖2。

3.3 主汽系統

鍋爐穩(wěn)定運行的首要指標是主蒸汽溫度和壓力的平穩(wěn)，主汽系統設計采用兩級減溫水系統來調節(jié)主汽溫度，兩級噴水減溫器分別布置在低中溫過熱器間和中高溫過熱器間，每一級噴水減溫器均設計采用串級控制方式來調節(jié)該級過熱器出口蒸汽的溫度以滿足工況要求，采用串級控制是利用副回路快速調節(jié)的特點，及時克服蒸汽流量、燃燒工況、給水溫度和流量帶來的干擾，從而使主蒸汽溫度快速跟蹤溫度的設定值以滿足發(fā)電負荷的要求。

3.4 燃料系統

燃料系統的主要任務是控制進入鍋爐爐膛的燃料量，以滿足機組負荷的要求。本項目燃料系統設計采用在協調控制方式下的串級前饋控制方式，即在協調控制方式時，主蒸汽壓力指令響應機組負荷的變化。如圖3所示，建立負荷對應給煤量的折線函數作為機組實際負荷前饋指令，并與直接能量平衡（DEB）、鍋爐床溫的微分計算出的給煤量值三者相加來修正主蒸汽壓力指令，協調控制器輸出的鍋爐主控指令作為燃料控制器的設定值來控制鍋爐的實際給煤量。表3為發(fā)電負荷對應給煤量的分段函數值表。

4 鍋爐運行工況與分析

機組投產并網后鍋爐運行參數平穩(wěn)，發(fā)電負荷在190MW～220MW之間做負荷升降調節(jié)實驗，如圖4所示機組負荷指令從190MW上升至220MW，機組的實際負荷能迅速的跟蹤負荷指令的變化，主蒸汽壓力（機側主汽壓力平均）能快速平穩(wěn)達到主汽壓力設定值，機組負荷穩(wěn)定在220MW時主蒸汽壓力為12.17MPa其余差在4%以內，鍋爐汽包水位運行在133mm范圍內平穩(wěn)且波動?。粚C組進行減負荷實驗如圖5所示，負荷指令從220MW下降至205MW，實際發(fā)電負荷平穩(wěn)跟蹤負荷指令，鍋爐汽包水位維持在138mm范圍內，主汽溫度平穩(wěn)運行在為531℃，發(fā)電負荷穩(wěn)定在205MW時主蒸汽壓力為14.92MPa，余差在3%以內。機組并網升降負荷試驗結果表明，該控制系統對負荷指令響應迅速，控制精度高，鍋爐主要運行參數指標達到生產的要求。

5 結語

本文以撫順熱電廠1025t/h循環(huán)流化床鍋爐為研究對象，以和利時MACS V6.5.2 DCS系統為平臺進行控制系統、網絡與硬件的組態(tài)設計，通過建立發(fā)電負荷對應給煤量與風量的折線函數，分別對鍋爐主氣壓力和總風量的設定值進行在線實時修正來提高鍋爐的動態(tài)響應速度；引入主蒸汽流量前饋系數對鍋爐水位的設定值進行補償的控制方案，最終實現1025t/h循環(huán)流化床鍋爐的控制，投產運行后各控制參數平穩(wěn)，對機組進行并網升降負荷實驗測試結果表明，該控制系統能在迅速跟蹤負荷指令的同時，保證鍋爐主汽壓力、溫度以及鍋爐汽包水位在設定值的范圍內，其他各項指標均達到生產要求，實際應用效果證明該控制系統設計方法的可行性與有效性。

參考文獻

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Abstract：The design problem of distributed control system for 1025 t/h circulating fluidized bed boiler had been solved. The control system configuration and the network hardware configuration were designed based on Hollysys MACS V6.5.2 DCS system software. The non-disturbance switching water supply control system of single-impulse and three-impulse were designed. The polyline function of coal supply and Air volume were established under the generation load. The polyline function values were used to modify the set point of steam pressure system and coal feeding system and then realized the automatic control of 1025 t/h CFB Boiler. The generation load experiment results were showed that the control system can track the power load instructions quickly and ensure the steady operation of the main steam pressure， temperature and the water level of the CFB boiler drum. The system actual operating results were showed that the design scheme of control system was the new methods of the CFB boiler in stable， efficient and reliable operation.

Key words：CFB boiler； distributed control system； system network； configuration design； control logic