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鍋爐行業(yè)自動化控制典型解決方案

生物質(zhì)鍋爐DCS控制系統(tǒng)方案

一、項目簡介

生物質(zhì)鍋爐以生物質(zhì)能源做為燃料,燃料被螺旋給料機送入爐膛，在此處由于高溫煙氣和一次風(fēng)的作用逐步預(yù)熱，干燥、著火、燃燒，此過程中析出大量揮發(fā)分，燃燒劇烈。產(chǎn)生的高溫煙氣沖刷鍋爐的主要受熱面后，進入鍋爐尾部受熱面省煤器和空氣預(yù)熱器，再進除塵器，最后經(jīng)煙囪排入大氣。未氣化的燃料邊向爐排后部運動，直至燃盡，最后剩下的少量灰渣落入爐排后面的除渣口。本方案中采用DCS控制系統(tǒng)，以人機對話方式與鍋爐用戶交換信息，實現(xiàn)鍋爐全自動操作運行。

生物質(zhì)鍋爐房DCS控制系統(tǒng)是將整個鍋爐房主、輔機系統(tǒng)作為一個完整的控制對象，從各參數(shù)檢測、連續(xù)調(diào)節(jié)、聯(lián)鎖保護、邏輯控制、顯示報警、監(jiān)控管理到數(shù)據(jù)通訊上均將其作為一個整體進行控制。在智能負荷智能協(xié)調(diào)控制策略的基礎(chǔ)上通過前饋/反饋控制、連續(xù)/斷續(xù)控制、非線性控制、方向性控制等控制機理的有機結(jié)合來協(xié)調(diào)控制鍋爐出力和出水溫度，保持質(zhì)和量之間的平衡。協(xié)調(diào)出力熱網(wǎng)負荷需求與鍋爐實際出力、鍋爐燃燒控制與循環(huán)水流量以及鍋爐房各子控制回路間的平衡。在保證鍋爐房具備快速熱網(wǎng)負荷需求響應(yīng)能力的同時，維持鍋爐主要運行參數(shù)的穩(wěn)定。

一般生物質(zhì)鍋爐房DCS至少包括如下控制回路：

. 主汽壓力調(diào)節(jié)自動控制

. 減溫水自動控制

. 汽包水位調(diào)節(jié)回路

. 主汽溫度調(diào)節(jié)回路

. 送風(fēng)量調(diào)節(jié)控制回路

. 母管制燃燒控制符合分配方案

. 燃燒自動調(diào)節(jié)回路

. 爐膛負壓自動調(diào)節(jié)回路

. 外網(wǎng)出口供回水壓差自動調(diào)節(jié)

除以上各具體控制回路以外，DCS系統(tǒng)還具備以下一般性功能：

. 運行人員確認，故障切換，故障閉鎖等措施

. 聯(lián)鎖保護，方向閉鎖等安全設(shè)計

. 對于多輸出系統(tǒng)設(shè)計有多路平衡原則（MOCS），保證手/自動切 換無擾

. 設(shè)計有鍋爐房輔助設(shè)備故障時的Runback和防止誤操作設(shè)計

. 系統(tǒng)掉電后安全設(shè)計

. SOE功能、事故追憶功能

. 控制范圍符合實際，符合鍋爐設(shè)備許可運行能力

二、控制方案設(shè)計

1、網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

2、控制點數(shù)清單

名稱	AI(4-20mA)	熱電阻(PT100)	熱電偶(K)	A0	DI	DO	MODbus	合計
實際點數(shù)	112	48	4	30	92	34	4	324

3、控制系統(tǒng)功能設(shè)計

3.1主汽壓力調(diào)節(jié)自動控制

主蒸汽壓力自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)是鍋爐主要的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)之一，它通過燃燒控制系統(tǒng)直接承擔著鍋爐負荷調(diào)整任務(wù)，它的投用及調(diào)節(jié)效果的好壞，將直接影響鍋爐汽包水位，主汽溫等參數(shù)的調(diào)節(jié)。鍋爐燃燒主蒸汽壓力自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)是以反映鍋爐熱量供求平衡的主汽壓力信號作為控制參數(shù)，通過改變鍋爐燃燒量與配風(fēng)量來改變鍋爐的燃燒狀況。根據(jù)主汽壓力參數(shù)高、低，調(diào)整鍋爐給料機轉(zhuǎn)速以改變?nèi)剂狭�，從而實現(xiàn)主汽壓力參數(shù)的校正。

在鍋爐的燃料調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，采用“熱量－燃料”調(diào)節(jié)方式，熱量信號由蒸汽信號和汽包壓力的微分所組成，是一種間接測量燃料量的方法。

主蒸汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制參數(shù)的整定主要體現(xiàn)在鍋爐熱量信號的改變上。當鍋爐燃燒狀況改變時，鍋爐熱量信號也會相應(yīng)的發(fā)生變化。而當鍋爐主蒸汽流量改變時，只要進入爐膛的燃料量不變化，熱量信號就不應(yīng)該變化，即鍋爐主蒸汽流量的變化與鍋爐汽壓的變化存在一定的耦合關(guān)系。因此整定熱量信號時應(yīng)該考慮，當存在內(nèi)擾時，熱量信號相應(yīng)的發(fā)生變化；當存在外擾時，熱量信號不能變化。由DCS實現(xiàn)的鍋爐主蒸汽壓力作為主控制信號，以主蒸汽流量信號作為副調(diào)信號的串級控制系統(tǒng)。

3.2一級減溫水自動控制

主蒸汽溫控制為減溫水控制，其中減溫水為粗調(diào)，其減溫水流量為0～20t/h。鍋爐減溫水兩側(cè)主蒸汽溫度控制系統(tǒng)均需要投入自動，減溫控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是保持集汽集箱前后的溫差與鍋爐負荷成一種函數(shù)關(guān)系。因此一級減溫水控制與二級減溫水控制在主汽溫度控制系統(tǒng)中是必須保持一種相互協(xié)調(diào)關(guān)系。其中減溫水控制系統(tǒng)的作用是對主蒸汽溫度以快速消除影響主汽溫度較大的擾動（比如鏈條秸稈不均勻、秸稈熱量不夠等）。如果減溫水控制不投入自動，當較大的主汽溫度擾動出現(xiàn)時，那么只能由操作工根據(jù)運行經(jīng)驗調(diào)整一級減溫水給水量。這不但使操作工增加了操作強度，而且增加了人工干預(yù)減溫水而出現(xiàn)的主汽溫度擾動，更加不利于主汽溫的穩(wěn)定。減溫水投入自動后可以直接起到保護屏式過熱器并保證其溫度的穩(wěn)定。

3.3母管制燃燒控制負荷分配方案

針對生物質(zhì)發(fā)電的特點，我方做出方案設(shè)計的思路是保證鍋爐在最經(jīng)濟工況下運行，以能量平衡燃燒控制算法為基礎(chǔ)，對每臺正運行的鍋爐進行合理負荷分配。具體方法是：

第一步，將正在運行的鍋爐分成兩類，一類為帶額定負荷的鍋爐，一類為參與調(diào)峰的鍋爐。

第二步，將母管壓力信號轉(zhuǎn)化為流量需求信號，轉(zhuǎn)化方法在燃燒控制算法中已經(jīng)做了詳細說明。

第三步，將流量需求信號首先分配給帶額定負荷的鍋爐，讓其在最經(jīng)濟條件下運行，然后將余下的流量分配給參與調(diào)峰的鍋爐。

第四步，每臺鍋爐根據(jù)分配來的流量負荷計算出當前鍋爐的給料量。

3.4 MCS基本方案

MCS由以下主要調(diào)節(jié)子系統(tǒng)：

（1）給水調(diào)節(jié)

汽包水位調(diào)節(jié)采用分程調(diào)節(jié)，啟動時用小閥調(diào)節(jié)（單沖量），當汽機系統(tǒng)正常運行時用主給水閥調(diào)節(jié)（三沖量）。

（2）主汽溫度調(diào)節(jié)（減溫水調(diào)節(jié)）

循環(huán)流化床鍋爐正常運行時不僅要求主汽壓力穩(wěn)定，而且要求主汽溫度穩(wěn)定。主汽溫度是反映機組運行情況的一個重要參數(shù)。如果主汽溫度偏高，過熱器及汽機將在更加惡劣的環(huán)境下運行，材料的使用壽命將會縮短。相反，如果主汽溫度偏低，則汽機達不到預(yù)定的運行效率。因此，機組正常運行時要求主汽溫度穩(wěn)定。

主汽溫度調(diào)節(jié)采用串級控制方式，取噴水后汽溫為導(dǎo)前信號，主汽溫度為設(shè)定值，若鍋爐的負荷增加，主汽溫度降低不能調(diào)整至設(shè)定值時，需啟動燃燒調(diào)節(jié)回路。

（3）送風(fēng)量調(diào)節(jié)（煙氣氧量調(diào)節(jié)）

主汽壓力控制系統(tǒng)發(fā)出的風(fēng)量指令即為總風(fēng)量指令�？傦L(fēng)量中一、二次風(fēng)所占比例最大，同時一次風(fēng)和二次風(fēng)直接影響鍋爐的運行及燃燒工況。所以，總風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過改變一、二次風(fēng)量的調(diào)節(jié)指令來保證鍋爐所需配風(fēng)。鍋爐主控系統(tǒng)得到的總風(fēng)量指令與燃料量測量值進行交叉限制后作為總風(fēng)量控制系統(tǒng)的給定值，以保證負荷增加時先加風(fēng)后加燃料、負荷減小時先減燃料后減風(fēng)的要求，從而保證一定的過剩空氣系數(shù)�？傦L(fēng)量控制系統(tǒng)的給定值在PID中與總風(fēng)量測量值進行運算，運算結(jié)果經(jīng)過函數(shù)處理后送往風(fēng)道燃燒器點火風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、一次風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)及二次風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

（4）引風(fēng)量調(diào)節(jié)（爐膛負壓調(diào)節(jié)）

通過調(diào)節(jié)引風(fēng)機擋板，使爐膛壓力穩(wěn)定在設(shè)定值上。引風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)有前饋，把一次風(fēng)量和二次風(fēng)量之和作為前饋信號加到PID調(diào)節(jié)的輸出，以提高一、二次風(fēng)量變化時，引風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

（5）主汽壓力控制系統(tǒng)

循環(huán)流化床鍋爐和煤粉鍋爐一樣，維持主汽壓力恒定都是最基本的控制要求。汽輪機或熱用戶的蒸汽用量發(fā)生變化時，主汽壓力就會產(chǎn)生波動。此時為了維持主汽壓力恒定，必須改變進入鍋爐的燃料量和助燃空氣量。無論是單元制機組還是母管制機組，都要從能量平衡的角度來構(gòu)造鍋爐主控系統(tǒng)，即由燃料加入量維持主汽壓力恒定。

當機組按單元制運行時，采用主汽壓力控制系統(tǒng)進行鍋爐主控。在主汽壓力控制系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)入爐燃料量來控制主蒸汽壓力，以滿足機組的運行要求。由于入爐燃料量是影響床溫的重要因素之一，故在構(gòu)造主汽壓力控制方案時把床溫的影響也納入控制方案中。床溫增加減小燃料量，床溫降低則增大燃料量。由于循環(huán)流化床鍋爐運行時床溫可以在一定范圍內(nèi)波動，故在上述控制方案中設(shè)置了不調(diào)溫死區(qū)，即床溫在該死區(qū)內(nèi)時不改變?nèi)剂瞎┙o量。由于主蒸汽流量變化直接反映了機組的負荷變化，故在上述控制方案中把主蒸汽流量信號經(jīng)過函數(shù)運算后直接加到控制輸出上，通過前饋形式提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

主汽壓力控制系統(tǒng)得到的燃料量指令和風(fēng)量指令，分別送往燃料量控制系統(tǒng)和風(fēng)量控制系統(tǒng)。

附：青島華凌科技有限公司在鍋爐行業(yè)部分工程業(yè)績：

序號	客戶名稱	項目名稱	執(zhí)行年份
1	吉林市源源熱電有限責任公司	1×25MW汽輪發(fā)電機組改造項目	2016年
2	魚臺聚源供熱有限責任公司	1×58MW循環(huán)流化床熱水鍋爐	2016年
3	莒南臨港有色金屬有限公司	汽輪機控制系統(tǒng)	2014年
4	中聯(lián)福石水泥有限公司	3000t/d熟料水泥生產(chǎn)線及配套9MW余熱發(fā)電工程	2015年
5	通河縣龍能資源再生利用有限公司	通河縣城市生活垃圾發(fā)電項目	2015年
6	常熟市王市熱能有限公司	2×4.5MW發(fā)電項目	2015年
7	山東中海精細化工有限公司	1×170t/h煤粉爐+1×25MW抽汽式汽輪機供熱中心項目	2016年
8	內(nèi)蒙古大地云天化工有限公司	120萬噸/年緩控釋肥項目熱電裝置（3×75t/h燃煤鍋爐系統(tǒng)+1×12MW汽輪機發(fā)電機組）	2014年
9	國電吉林熱電廠熱源改造工程	3×116MW循硫化床鍋爐DCS及UPS采購項目	2016年
10	新疆黑山煤化工有限公司	蘭炭尾氣發(fā)電工程2臺汽輪機發(fā)電、2臺蘭炭尾氣鍋爐熱工DCS控制系統(tǒng)	2015年