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20t链排锅炉计算机控制系统的设计与应用
发布时间：2013-10-19 08:54 来源：未知
1、引言
20t链排锅炉的原设计模式较为落后，不能满足生产中的控制要求，经过对原设计图纸认真分析，发现存在以下问题：1）在自控部分原设计虽遵循了锅炉常规仪表控制的模式，设备选型按照厂家要求选用一套DCS系统，但在回路控制功能上仅设计了汽包水位控制回路和除氧器压力控制回路，其余的锅炉控制功能均以操作工手动调节完成。故原设计从完成功能上看远未发挥其功效；2）原设计中的电气控制部分电控元件选型陈旧，风机变频器联锁设计及上煤系统控制联锁设计较琐碎且使用分离的继电器逻辑控制，可靠性较低，缺少故障提示，不利于系统维护。
根据以上分析，为了更好地完成控制功能，重新进行了20t链排锅炉的控制系统设计。
2、系统的构成及控制功能
根据20t链排锅炉的生产工艺和控制要求，控制系统采用如图1所示的结构。
2.1 现场一次仪表和执行器
1)温度信号检测。锅炉有10余处温度检测点，根据各检测点的情况分别使用了热电阻和热电偶。
2)压力、差压类变送器。锅炉系统涉及多处压力和差压信号的检测。变送器均采用进口产品。对于炉膛负压、汽包液位等要求较高的关键检测点，选用日本横河公司的EJA变送器；对于其它用于观测和作一般控制的检测点，选用价格较低、性能稳定的美国赛伦斯的变送器，富通新能源销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧木屑颗粒机压制的木屑生物质颗粒燃料。
3)流量变送器。锅炉系统有主蒸汽流量、给水流量和减温水流量等需要检测。选用孔板流量计进行流量信号变送。主蒸汽流量、给水流量是系统中的关键检测点，流量计配套的差压变送器选用日本横河公司的EJA变送器，减温水流量检测配套的差压变送器选用美国赛伦斯变送器。
4)调节阀和执行机构。引风风门执行机构，给水、减温水、除氧器压力、除氧器液位调节阀门使用川仪的ZKJ电动执行机构和ZKZM系列电动套筒阀。
5)变频器。变频器在工业锅炉调速控制系统中，主要应用于鼓风机、引风机、供水系统及除渣系统。其最主要的目的在于节约能源。采用变频调速方法节能的原理是基于流量、压力、转速、转矩之间的关系。这些参数之间的关系是：流量oc转速，压力cc转矩cc转速的平方，功率oc辖速的3次方。即：风机或水泵流量与转速的1次方成正比，压力与转速的2次方成正比，而轴功率与转速的3次方成正比。因而，理想情况下系统各参数之间的关系如表1所示。
由表1可见，当需求流量下降时，调节转速可以节约大量能源。例如：当流量需求减少一半时，如通过变频调速，则理论上讲，仅需额定功率的12. 5%，即可节约87. 5%的能源。如采用传统的挡板方式调节风量，虽然也可相应降低能源消耗，但节约效果与变频相比，则有天壤之别。
变频器在锅炉控制系统中起到的作用为：①鼓、引风机控制。鼓、引风机采用变频控制，这是锅炉系统中变频应用的主要部分。既是节电最显著的部分，同时也是变频投资最大的部分。这主要是由于鼓、引风机功率相对较大，而锅炉运行中，随着负荷的增减，鼓、引风机调节的幅度相对也较大。在鼓、引风机采用变频控制时，需要注意鼓、引风机的风量裕度问题。如果原设计或由于其它原因造成风阻加大，裕度较小时，应适当加大一档变频器容量，以使变频器可以适当提高频率(大于50 Hz)，即提高转速运行，以保证锅炉系统有足够的风量。否则，极易造成原系统大负荷时风量够用（但裕度�。褂帽淦岛�，大负荷时风量不够的尴尬局面。其原因在于变频本身也消耗一部分功率，其输出功率比标称功率略小的缘故。②恒压供水。在锅炉供水系统中，采用变频控制，既能节约大量能源，又能稳定供水系统的压力，保障锅炉系统的安全运行，是非常有实际意义的。并且供水系统的电动机相对鼓、引风机而言容量较小，投资不大。因此，非常值得推广采用。
供水系统变频应用的特殊性为：锅炉供水系统一般采用多台电动机，并联母管式供水，没有必要对每台电动机都采用变频。既经济又可靠的方法是只有2台电动机由变频自动控制，且这2台电动机为一用一备方式工作。主要是利于电动机检修。其它供水电动机仍采用常规控制方法，其原因有两点：一是在并联母管式供水下，全自动控制供水方式不实用，无实际意义。主要原因是每台水泵的单向逆止阀泄漏问题和更换问题。全自动控制供水时，单向逆止阀前后的截止阀必须始终保持打开状态，才能保证自动控制电动机启动后，水能够自动流出。但随着锅炉负荷的增减，水泵电动机不会全部运行。这样，不运行的水泵电动机，由于单向逆止阀在水压的作用下，极易发生泄漏，造成水的回流及电动机的反转。而当需要停止的水泵运行时，电动机由反转变为正转的过程中，电动机就会产生超负荷大电流，必然造成控制电路超负荷跳闸。此时解决的方法是：采用半自动控制，设定供水压力上、下限报警。上限报警时，通知操作人员关掉1台水泵。下限报警时，通知操作人员启动1台水泵。而变频控制的水泵则保证在可调范围内的恒压供水。二是每台水泵电动机均采用变频控制，投资太大，且由于上述原因，也不实用。故在系统设计时，将变频器应用在鼓、引风机控制和给水泵使用变频控制。由于鼓、引风机是锅炉系统的关键控制点，故选用了三菱公司高可靠性的F500系列变频器。另外，锅炉的炉排亦需要调速控制，由于电动机功率很小，变频节能的比例不大，且炉排长期处于低速运行，使用普通电机散热就会出问题，若使用变频器，就需用变频专用电机，费用较高，故炉排电机调速使用变频器意义不大。炉排电机采用了南京调速电机厂生产的滑差电机和调速器。
2.2二次仪表和控制功能
锅炉控制系统结构如图2所示。
整个锅炉的控制结构采用了数字仪表和工业计算机的模式。数字仪表部分根据要求使用了数字回路调节器、数字显示仪表、流量积算仪表、状态报警仪表。每一部分的具体使用如下所述。
2.2.1数字回路调节仪表
整个系统设计了锅炉系统的给水自动调节、燃烧过程自动调节、蒸汽温度调节、除氧器压力调节、除氧器水位调节5个回路。根据控制的要求不同，使用了日本yamatake HoneyWell公司的SDC40B和SDC31数字调节控制器。现按各回路分析如下。
1)给水自动调节。锅炉水位是锅炉正常运行的主要指标之一，维持水位在一定范围之内是保证锅炉安全运行的必要条件。系统中设计使用SDC40B数字调节器来完成三冲量给水自动调节，即调节器根据水位、蒸汽流量和给水流量3种信号来改变给水调节阀的开度。如图3所示。三冲量自动给水控制属于连续给水系统，只要水位有微小变化，调节器就跟踪进行调节。系统中引入了蒸汽压力信号，这样就可避免虚假水位带来的误差，大大减小汽包水位和给水量的波动幅度；引入了给水流量信号，使调节器可对系统给水压力变化产生的干扰迅速作出反应，使汽包水位较小受到给水压力的影响；给水流量信号同时也是调节器动作后的反馈信号，使调节器及早知道调节效果，这样可以避免调节器的超调动作，保证自动调节系统工况的稳定。
2)锅炉燃烧自动调节。锅炉燃烧过程的自动控制是锅炉控制系统的另一重要功能。燃烧自动调节控制需完成如下要求：在锅炉蒸汽负荷稳定时，应使燃料量、送风量、引风量各自保持不变，及时补偿燃料质量的变化；在蒸汽负荷发生变化时，应使燃料量、送风量、引风量成比例变化，既要适应负荷变化的要求，又要使蒸汽压力、炉膛负压、和燃烧经济性指标保证在允许范围内。蒸汽压力是燃烧过程调节过程的主要被调量。在设计中以图4所示的调节框图完成锅炉燃烧过程的自动控制。
整个控制过程由燃料调节器、负压调节器、送风调节器等组成，每个调节部分均使用1台山武·霍尼韦尔公司的SDC40B数字调节器。调节过程为：①系统以锅炉出口压力为被调节参数信号，在一定的煤层厚度下，对应不同的蒸汽负荷，自动调节炉排的速度，使蒸汽压力稳定。②在调节炉排速度的同时，因燃煤量发生了变化，为提高燃烧的经济性，必须调节送风量，以保持一定的风煤比，此时以燃料量和风量之比为被调参数信号。燃料量信号采用燃料调节器的输出信号，风量信号采用空气预热器前后的压差信号，这两个信号按一定的比例输入到送风调节器。送风调节器的输出信号通过执行器，控制鼓风机变频器和送风挡板开度，以得到与燃料相应的送风量。这里风量信号同时又是送风调节器的反馈信号，它可以提前反映调节器的调节效果。当送风系统有内部扰动时，送风调节器即根据风量信号及时调节风机的挡板开度，克服扰动，保持一定的风煤比。③送风量发生变化后，炉膛负压也随之变化，为保持炉膛有一定的负压，必须调节引风机，此时以炉膛负压为被调参数信号，此信号取之炉膛上部，通过差压变送器送入负压调节器，负压调节器的输出信号通过执行器控制引风机变频器和引风挡板开度，从而得到与送风量相适应的引风量。以上燃料一空气调节系统满足常规蒸汽锅炉对燃烧过程自动控制的要求。由于目前用于烟气含氧量检测的氧化锆传感器的性能不稳定且寿命较短，故系统中未使用。
3)过热蒸汽温度调节。生产过热蒸汽的锅炉，应严格控制过热蒸汽的温度，使之处于允许的范围内。因为超温会使过热器金属过热而降低强度，对安全运行造成威胁；另外，温度太低又会影响用汽设备的正常工作，甚至会损坏用汽设备。为了设备的正常运行，设计时使用一台山武公司的SDC31数字调节器来完成回路调节。调节原理框图如图5所示。
4)除氧器压力、液位调节。分别使用SDC31数字调节器来完成除氧器压力、液位的回路调节。调节原理框图如图6所示。
2.2.2数字显示仪表、流量积算仪表、状态报警
仪表
使用数字仪表显示重要的压力、温度检测点；使用数字巡检仪完成水风温度、烟气温度、风压、烟气负压的循环显示；流量积算仪表完成主蒸汽流量、给水流量、减温水流量的显示和累计功能；使用状态报警仪表完成危险工况的报警、联锁功能，有蒸汽超压报警、蒸汽超压联锁、汽包高液位报警、汽包低液位报警、汽包极低液位联锁等；数字显示仪表、流量积算仪表、状态报警仪表均选用某公司XM系列的数字仪表。XM系列的数字仪表都可选配RS485通讯单元，通过该公司的FCC5000通讯服务仪表与上位计算机系统连接。
3、锅炉计算机监控、管理系统
系统使用高性能的工业计算机，配有显示器和报表打印机。该工业计算机带有2个RS485通讯接口，分别与SDC仪表和XM仪表进行通讯连接。监控软件采用Citect工业组态软件开发。为该工业计算机系统提供完整的监控画面，使操作人员完成对整个系统的监控。其中，锅炉系统模拟图，形象地显示锅炉系统的工艺流程和各主要的模拟参数。有参数报警时，显示报警提示；仪表盘式集中棒状图显示画面，可将10-15组参数用仪表盘式显示方法集中在一幅画面上，每个画面用水位计显示，同时显示各回路的给定值、实测值、阀位反馈和手自动状态；调节回路画面，可在画面上同时显示各调节回路模拟棒状图、PID参数和控制曲线，操作工可在线修改和实时监控；综观画面，在一幅画面上可全面显示一台锅炉的所有运行和控制参数；报警和事件记录，记录任意时刻发生的报警事件和操作人员的操作；丰富的趋势数据，可查看所有参数记录任意时刻的趋势曲线，并可作8个数据的趋势对比，以EXECL提供报表功能；数据管理功能，所有现场参数和累计产汽量、耗水量等数据，可按任意时段自动存储，并形成记录报表，实现部分能源管理功能。
4、结论
本文所述的锅炉控制系统的总体设计能满足使用厂家的需求，节省了大量的能源，经过实际使用，整套系统运行良好、画面直观，数据采集及显示正常，能较好地满足控制的各项要求，用户比较满意，投入运行几年来，工作都比较正常，该项目的实施，对同类设备的技术改造具有一定的推广价值。
