300 MW循環(huán)流化床機(jī)組DCS系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

龐文燕

（哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150081）

0 引 言

我國(guó)以煤炭為主要能源。煤在生產(chǎn)和利用過(guò)程中，產(chǎn)生大量的SOx、NOx細(xì)顆粒物、重金屬和CO2，是導(dǎo)致大氣煙塵、酸雨、全球變暖和臭氧層破壞的主要原因。因此，潔凈高效的利用煤炭資源顯得至關(guān)重要。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)由于具備廣泛的燃料適應(yīng)性、排放的污染物易控制等特點(diǎn)，在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用[1]。

循化流化床的控制屬于工業(yè)過(guò)程控制中的流程工業(yè)，是工業(yè)過(guò)程的一種。它的主要任務(wù)是解決連續(xù)控制的可靠性問(wèn)題。本文依托大唐武安發(fā)電項(xiàng)目，通過(guò)研究解耦控制設(shè)計(jì)DCS控制策略，制定300 MW循環(huán)流化床機(jī)組控制策略，并對(duì)控制設(shè)備進(jìn)行選型。

1 解耦方法研究

對(duì)復(fù)雜設(shè)備和裝置來(lái)說(shuō)，控制量和被控制量之間相互影響、相互關(guān)聯(lián)。一個(gè)控制量的變化，將會(huì)同時(shí)引起多個(gè)輸出量的變化，即耦合。因此，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方法，將多變量系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為多個(gè)獨(dú)立的單變量系統(tǒng)，即解除各個(gè)變量之間的耦合。

1.1 傳統(tǒng)解耦方法

對(duì)于多輸入多輸出系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)解耦的前提是輸入變量的個(gè)數(shù)和輸出變量的個(gè)數(shù)相同，即m = n。對(duì)大多數(shù)的多變量系統(tǒng)，將多變量系統(tǒng)解耦為單變量系統(tǒng)來(lái)控制，可以較好地解決耦合問(wèn)題。對(duì)于確定的線性多變量耦合系統(tǒng)，可采用對(duì)角矩陣法、相對(duì)增益分析法、反Nyquist曲線法、特征曲線分析法、狀態(tài)變量法和序列回差法等傳統(tǒng)解耦方法進(jìn)行控制。

在線性定常多變量系統(tǒng)中，傳統(tǒng)解耦方法應(yīng)用較多。它的主要采用時(shí)域或頻域方法解耦。兩種方法的比較見(jiàn)表1。

表1 時(shí)域、頻域方法比較表

1.2 解耦方法研究

1.2.1 串聯(lián)補(bǔ)償解耦法

串聯(lián)補(bǔ)償解耦法設(shè)計(jì)中，設(shè)耦合系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣為Gp(s)，要設(shè)計(jì)一個(gè)傳遞函數(shù)矩位Gc(s)的串聯(lián)補(bǔ)償器，使用反饋矩陣H實(shí)現(xiàn)圖1所示的閉環(huán)系統(tǒng)為解耦系統(tǒng)。

圖1 含串聯(lián)補(bǔ)償器的解耦系統(tǒng)方框圖

該解耦系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣為：

矩陣中，G(s)=Gp(s)Gc(s)為前向通道的傳遞函數(shù)矩陣，進(jìn)而可以得到串聯(lián)補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)矩陣Gc(s)為：

對(duì)于單位反饋矩陣，有H=I。

因?yàn)榻怦钕到y(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Φ(s)為對(duì)角矩陣，所以可以推導(dǎo)獲知單位反饋解耦系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞矩陣G(s)也為對(duì)角矩陣。

若Gp(s)為非奇異矩陣，則串聯(lián)補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)矩陣Gc(s)=Gp-1(s)G(s)。該方法對(duì)低階靜態(tài)系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，卻較難應(yīng)用于高階系統(tǒng)。

1.2.2 狀態(tài)反饋解耦法

對(duì)多輸入多輸出連續(xù)時(shí)間線性時(shí)不變系統(tǒng)，有：

傳遞函數(shù)為：

采用包含輸入變換的狀態(tài)反饋u，其系統(tǒng)方框圖如圖2所示。

圖2 狀態(tài)反饋解耦法的系統(tǒng)框圖

則閉環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：

閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

利用狀態(tài)反饋進(jìn)行系統(tǒng)解耦的目的，是通過(guò)狀態(tài)反饋使閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)Φ(s)變?yōu)椋?/p>

di為解耦指數(shù)，定義為：

設(shè)ci為系統(tǒng)輸出矩陣C中的第i行變量，根據(jù)di定義下列矩陣：

若系統(tǒng)是狀態(tài)反饋可以解耦的，則該解耦系統(tǒng)是一個(gè)積分型解耦系統(tǒng)。它的狀態(tài)反饋矩陣為F=-E-1L，輸入變換矩陣為H=E-1。

1.2.3 自適應(yīng)解耦控制

由于線性多變量系統(tǒng)具有精確的數(shù)學(xué)模型，在其控制方案中，傳統(tǒng)的解耦方法應(yīng)用較多，對(duì)于時(shí)變的、非線性的被控對(duì)象則不適合。一個(gè)解耦補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)如果是線性的、定常的，適應(yīng)性則較差。當(dāng)被控過(guò)程發(fā)生工作點(diǎn)變化時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定[2]。

參數(shù)未知的線性多變量系統(tǒng)和隨機(jī)多變量系統(tǒng)是自適應(yīng)解耦控制研究的對(duì)象。該控制系統(tǒng)為時(shí)變的非線性系統(tǒng)或時(shí)變的非線性隨機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖3所示。自適應(yīng)解耦控制是將參數(shù)估計(jì)、系統(tǒng)的控制和解耦設(shè)計(jì)方法相結(jié)合來(lái)改善系統(tǒng)的性能。

圖3 自適應(yīng)解耦控制系統(tǒng)

常見(jiàn)的自適應(yīng)解耦控制算法有極點(diǎn)配置自適應(yīng)解耦控制、基于廣義最小方差的多變量自適應(yīng)開(kāi)環(huán)解耦控制、基于前饋控制的自適應(yīng)閉環(huán)解耦控制和基于廣義預(yù)測(cè)控制的多變量自適應(yīng)解耦控制。

2 控制策略設(shè)計(jì)

通過(guò)研究解耦控制設(shè)計(jì)DCS控制策略，將300 MW循環(huán)流化床機(jī)組的控制系統(tǒng)劃分為過(guò)熱蒸汽溫度控制、主汽壓力控制、燃燒控制和給水控制系統(tǒng)四個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)。燃燒控制和給水控制是其中比較重要且具有代表性的控制系統(tǒng)，將作為本文的重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行研究。

2.1 總體控制策略設(shè)計(jì)

循環(huán)流化床鍋爐DCS系統(tǒng)構(gòu)成，如圖4所示。系統(tǒng)提供可擴(kuò)展接口，能夠與其他品牌控制系統(tǒng)和設(shè)備通信，以實(shí)現(xiàn)通過(guò)同一總線傳遞信息和數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和指揮。

圖4 DCS系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了確保生產(chǎn)安全，保證優(yōu)質(zhì)蒸汽的供應(yīng)，需要特別關(guān)注鍋爐汽包水位這一重要變量[3]。如何保持給水量與鍋爐蒸發(fā)量的平衡，是汽包水位控制中的核心問(wèn)題。

汽包水位的動(dòng)態(tài)特性指引起水位變化的各種擾動(dòng)與汽包水位值之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。煤粉爐的給水量、蒸汽量、汽包壓力和爐膛負(fù)荷等會(huì)影響汽包水位的擾動(dòng)。而循環(huán)流化床鍋爐除上述因素外，一次風(fēng)對(duì)蒸汽流量的作用也影響汽包水位的動(dòng)態(tài)過(guò)程。鍋爐汽包的水位值不僅能反映汽包中的蓄水容積，也能反映水面下的氣泡容積，而鍋爐負(fù)荷和蒸汽壓力又影響水面下的氣泡容積。因此，蒸汽負(fù)荷的變化、燃料量的變化、汽包壓力的變化和給水?dāng)_動(dòng)（含母管壓力變化和給水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度變化）四方面，都是汽包水位的影響因素。

在蒸汽發(fā)生過(guò)程中，汽包內(nèi)部可以看為由蒸汽容積和水容積組成。忽略燃料量這個(gè)因傳送滯后、容量滯后而影響緩慢的因素，再將壓力的變化并入蒸汽負(fù)荷中，經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)、整理得出汽包水位動(dòng)態(tài)特性方程式如式（12）所示，其中各字母含義見(jiàn)表2。

表2 汽包水位動(dòng)態(tài)特性方程式字母含義表

給水流量受到階躍擾動(dòng)后，進(jìn)入汽包的給水流量大于鍋爐蒸發(fā)量，汽包水位上升。由于原飽和水中部分熱量被給水流量吸收，水面以下的氣泡容積會(huì)減小。因此，在擾動(dòng)初期，水位不會(huì)立即升高。當(dāng)水面下汽泡容積的變化漸趨平衡后，氣泡水位才呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。把汽包和給水看作單容量無(wú)平衡過(guò)程，汽包水位在給水流量擾動(dòng)下的階躍響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 給水流量擾動(dòng)下水位的階躍響應(yīng)曲線

用下列傳遞函數(shù)近似表示給水流量擾動(dòng)下汽包水位的動(dòng)態(tài)特性：

其中，ε指響應(yīng)速度，含義是當(dāng)給水流量變化單位流量時(shí)水位的變化速度。ε與鍋爐的汽包水位和蒸發(fā)量有關(guān)。

汽輪發(fā)電機(jī)組負(fù)荷變化引起外部擾動(dòng)，即蒸汽流量D。理論上，蒸汽流量增大，水位H會(huì)按積分規(guī)律下降。事實(shí)上，當(dāng)鍋爐蒸發(fā)量突然增加時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“虛假水位”現(xiàn)象[3]。這是因?yàn)殄仩t蒸發(fā)強(qiáng)度增加導(dǎo)致汽泡容積迅速增大，水位升高。蒸汽流量擾動(dòng)下水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6 蒸汽流量擾動(dòng)下水位的階躍響應(yīng)曲線

本設(shè)計(jì)采用狀態(tài)反饋解耦法和三沖量調(diào)節(jié)方式。其中，反饋信號(hào)是液位信號(hào)，前饋信號(hào)是蒸汽流量，串級(jí)副調(diào)節(jié)變量是給水流量信號(hào)。現(xiàn)有汽包水位調(diào)節(jié)方式采用三沖量、單沖量和雙沖量方式。該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、品質(zhì)好，是前饋-串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。它的控制框圖如圖7所示。

圖7 三沖量控制框圖

本項(xiàng)目中，采用冗余方式檢測(cè)汽包水位。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)或主蒸汽流量低于20%時(shí)，選用旁路給水閥給水，此時(shí)采用單沖量調(diào)節(jié)方式。系統(tǒng)設(shè)有主給水調(diào)節(jié)閥，正常運(yùn)行后，主蒸汽流量大于20%時(shí)選用主給水閥給水，采用三沖量調(diào)節(jié)方式。

2.3 燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主蒸汽壓力控制、床溫控制、煙氣含氧量控制和爐膛負(fù)壓控制，是循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的主要被控變量。被控對(duì)象有燃料量、一次風(fēng)量、二次風(fēng)量和引風(fēng)量[4]。根據(jù)控制任務(wù)，主要進(jìn)行以下調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)燃料量使進(jìn)入爐膛燃燒所產(chǎn)生的能量與鍋爐外部負(fù)荷的需求相適應(yīng)；調(diào)節(jié)送風(fēng)量，燃料量改變時(shí)，送風(fēng)量也相應(yīng)改變，從而使燃料的完全燃燒和排煙熱損失最小；為保證鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)行送風(fēng)量的調(diào)節(jié)；為保證燃燒過(guò)程穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)引風(fēng)量，使之與送風(fēng)量互相適應(yīng)，從而確保爐膛壓力的正確范圍[5]；由于被控對(duì)象的強(qiáng)耦合作用，進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用自適應(yīng)解耦控制方法進(jìn)行解耦。根據(jù)以上策略，繪制鍋爐燃燒控制方框圖如圖8所示。

圖8 鍋爐燃燒控制框圖

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目是綜合利用煤矸石的環(huán)保發(fā)電項(xiàng)目，有2臺(tái)1 100 t/h循環(huán)硫化床鍋爐，現(xiàn)場(chǎng)控制儀表多，控制回路復(fù)雜，采用DCS進(jìn)行控制。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研和對(duì)比分析，選擇北京和利時(shí)HOLLiAS MACS系統(tǒng)。

3.1 循環(huán)流化床機(jī)組DCS系統(tǒng)構(gòu)成

表3 域構(gòu)成一覽表

循環(huán)流化床機(jī)組DCS系統(tǒng)的域的構(gòu)成，如表3所示。

需要注意，每個(gè)操作員均可共用硬件平臺(tái)。實(shí)際配置過(guò)程中，主控單元不宜控制過(guò)多I/O點(diǎn)，以分散控制危險(xiǎn)。打印控制站可由操作員站兼做。通信控制站可支持RS-232、RS-422和RS-485等通信線路，也可支持以太網(wǎng)、令牌網(wǎng)等數(shù)據(jù)通信協(xié)議。

現(xiàn)場(chǎng)控制站基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)，所有模塊、卡件均具有防環(huán)境腐蝕能力，達(dá)到ANSI/ISA S71.04標(biāo)準(zhǔn)G3等級(jí)。在現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)柜中，需布置主控機(jī)籠、IO模塊和端子模塊等?，F(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)柜有在控制室中集中安裝和分散安裝兩種方式。SM機(jī)柜布置圖如圖9所示。

圖9 硬件布置圖示例

3.2 循環(huán)流化床機(jī)組DCS系統(tǒng)主控模塊及冗余設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用C/S結(jié)構(gòu)，以主控制器SM220為核心，基于開(kāi)放的Windows平臺(tái)，配置方便，界面友好。在現(xiàn)場(chǎng)控制站內(nèi)，SM220作為核心設(shè)備，為系統(tǒng)提供了冗余工業(yè)以太網(wǎng)接口，并把現(xiàn)場(chǎng)控制站采集的數(shù)據(jù)傳送至系統(tǒng)服務(wù)器。按照它的設(shè)計(jì)功能，還需要接收組態(tài)指令。

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)從不同方面多角度應(yīng)用了多種冗余技術(shù)，包括分布式均勻冗余電源設(shè)計(jì)、冗余的I/O模塊、冗余的控制網(wǎng)絡(luò)、冗余的主控單元、冗余的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、各個(gè)軟件功能模塊的服務(wù)冗余以及冗余的操作站，以保證系統(tǒng)硬件運(yùn)行的安全可靠。

系統(tǒng)的主控制器采用的是主備雙模冗余配置，配置了硬件冗余切換，還配置了故障自檢電路。系統(tǒng)配置兩個(gè)主控制器，運(yùn)行方式是主備同步運(yùn)算，保障無(wú)擾切換。當(dāng)工作主控出現(xiàn)故障時(shí)，備份主控自動(dòng)投入工作。在主控制器上設(shè)有看門(mén)狗電路，作用是監(jiān)視任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)。有異常出現(xiàn)時(shí)，看門(mén)狗動(dòng)作，然后故障工作主機(jī)變?yōu)閺臋C(jī)，而原備份機(jī)成為主機(jī)。工作原理如圖10所示。

圖10 主控制器冗余工作原理框圖

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)的DCS控制系統(tǒng)已運(yùn)行一年，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)合理，硬件選型經(jīng)濟(jì)，運(yùn)行較好，為同類(lèi)控制系統(tǒng)的解耦及硬件設(shè)計(jì)提供了可參考的方案。

[1] 趙偉杰.循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009：1-20.

[2] 任玉清，唐永哲，郝濤，等.自適應(yīng)解耦控制方法的研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2008，28（6）：33-38.

[3] 侯典來(lái).300MW機(jī)組汽包水位控制系統(tǒng)的構(gòu)成[C].第七屆工業(yè)儀表與自動(dòng)化學(xué)術(shù)會(huì)議，2006：233-237.

[4] 張雨飛，許立偉，陳 霈，等.循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的模糊控制[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，（S2）：308-313.

[5] 任國(guó)臣.循環(huán)流化床鍋爐的燃燒控制[J].電站系統(tǒng)工程，2010，（6）：21-27.