發(fā)電廠1025t/h循環(huán)流化床鍋爐集散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉濤

摘要：解決了1025t/h循環(huán)流化床鍋爐集散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，以和利時(shí)MACS V6.5.2 DCS系統(tǒng)軟件為平臺(tái)進(jìn)行控制系統(tǒng)組態(tài)與網(wǎng)絡(luò)硬件組態(tài)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)采用單沖量與三沖量無(wú)擾切換的給水系統(tǒng)控制方式，提出建立發(fā)電負(fù)荷對(duì)應(yīng)給煤量與風(fēng)量的折線函數(shù)對(duì)鍋爐主控壓力和總風(fēng)量設(shè)定值進(jìn)行在線實(shí)時(shí)修正的控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)1025t/h循環(huán)流化床鍋爐的自動(dòng)控制。機(jī)組升降負(fù)荷調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能在快速跟蹤發(fā)電負(fù)荷指令的同時(shí)，保證鍋爐主汽壓力、溫度以及鍋爐汽包水位的平穩(wěn)運(yùn)行，實(shí)際運(yùn)行效果證明此控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是循環(huán)流化床鍋爐平穩(wěn)、高效、可靠運(yùn)行的新方法。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐；集散控制系統(tǒng)；系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；組態(tài)設(shè)計(jì)；控制邏輯

中圖分類號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shù)[1]，是解決燃煤鍋爐燃燒過(guò)程中產(chǎn)生污染問(wèn)題的主要方法之一，對(duì)我國(guó)今后能源的發(fā)展和環(huán)境保護(hù)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(jìn)，但它是多輸入多輸出[4]、大滯后[2]、強(qiáng)耦合[3]復(fù)雜的被控對(duì)象[7]。在發(fā)電廠生產(chǎn)過(guò)程中AGC功能的投入，使機(jī)組負(fù)荷控制指令要跟隨AGC指令的響應(yīng)要求，但循環(huán)流化床鍋爐的大滯后和強(qiáng)耦合性，使鍋爐的主蒸汽壓力和溫度不能及時(shí)跟蹤鍋爐主控指令，導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)慢、主蒸汽壓力和溫度擺動(dòng)大進(jìn)而影響鍋爐的平穩(wěn)運(yùn)行[5-6]。本文以撫順熱電廠2×300MW熱電機(jī)組項(xiàng)目中1025t/h循環(huán)流化床鍋爐為研究對(duì)象，以和利時(shí)MACS V6.5.2 DCS系統(tǒng)為平臺(tái)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)鍋爐DCS控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)設(shè)計(jì)，以及對(duì)鍋爐的給水系統(tǒng)、一二風(fēng)系統(tǒng)、主汽系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)控制方式的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)1025t/h循環(huán)流化床鍋爐的控制，投產(chǎn)運(yùn)行后各控制參數(shù)平穩(wěn)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的可行性與有效性。

1 工藝流程簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目采用哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的亞臨界參數(shù)，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(yīng)用流態(tài)化的燃燒方式，燃料（燃煤、煤矸石）經(jīng)粗碎、細(xì)碎機(jī)破碎后通過(guò)皮帶機(jī)、中心給料機(jī)、返料器進(jìn)入循環(huán)流化床鍋爐膛內(nèi)，爐床溫度在850℃，進(jìn)入的燃料在鍋爐一次風(fēng)、二次風(fēng)的作用下處于流化狀態(tài)并在此過(guò)程中燃燒傳熱給鍋爐水冷壁，水冷壁加熱來(lái)自鍋爐省煤器的除鹽水，加熱后的汽水混合物經(jīng)過(guò)汽包、低中溫過(guò)熱器、高溫過(guò)熱器后變?yōu)闇囟?40℃、壓力16.67MPa的飽和蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸做功發(fā)電，做功后的蒸汽被再次被引入鍋爐內(nèi)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(jìn)入汽輪機(jī)中壓缸繼續(xù)做功發(fā)電，燃燒后的煙氣經(jīng)過(guò)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(jìn)入爐膛內(nèi)燃燒，煤灰則隨煙氣經(jīng)過(guò)靜電除塵器時(shí)被清除，煙氣則經(jīng)過(guò)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(tǒng)配置

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

和利時(shí)MACS V6.5.2 DCS系統(tǒng)是通過(guò)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，將分布在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工程師站、操作員站、歷史站、現(xiàn)場(chǎng)控制站連接起來(lái)，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備的分散控制和集中管理。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用冗余的128網(wǎng)段、129網(wǎng)段的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為兩層：（1）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層（SNET），該層網(wǎng)絡(luò)包括：工程師站、操作員站、歷史站、現(xiàn)場(chǎng)控制站、交換機(jī)等設(shè)備、其中歷史站和交換機(jī)采用冗余配置以保證現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通訊的可靠性，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)站間的數(shù)據(jù)傳遞。（2）控制網(wǎng)絡(luò)層（CNET），該層網(wǎng)絡(luò)包括：DPU主控模塊、I/O模塊等設(shè)備，其中DPU主控模塊采用冗余配置，DPU主控模塊通過(guò)Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議與 I/O模塊進(jìn)行通信并讀取現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，DPU主控模塊按照預(yù)先的控制邏輯對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，并將需要的數(shù)據(jù)上傳給系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層用于上位機(jī)顯示，同時(shí)生成控制指令通過(guò)AO/DO模塊傳遞給現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器等設(shè)備，具體的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

2.2 系統(tǒng)硬件配置

撫順熱電廠2×300MW熱電機(jī)組項(xiàng)目采用和利時(shí)SM系列硬件以及MACS V 6.5.2火電版本組態(tài)軟件。該項(xiàng)目#1鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師站1臺(tái)、操作員站5臺(tái)、歷史站2臺(tái)、現(xiàn)場(chǎng)控制站11個(gè)；項(xiàng)目鍋爐I/O點(diǎn)共計(jì)2759個(gè)，其中包括：模擬量輸入點(diǎn)1020個(gè)、模擬量輸出點(diǎn)85個(gè)、數(shù)字量輸入點(diǎn)1103個(gè)、數(shù)字量輸出點(diǎn)551個(gè)，具體硬件配置見(jiàn)表1。

3 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 鍋爐給水系統(tǒng)

循環(huán)流化床鍋爐給水系統(tǒng)對(duì)汽包水位的調(diào)節(jié)要求很高，既要克服虛假水位對(duì)鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的不利影響，又要防止因汽包水位的波動(dòng)使蒸汽帶液造成葉片汽蝕損壞汽輪機(jī)。給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用根據(jù)實(shí)際發(fā)電負(fù)荷自動(dòng)切換的控制方式，機(jī)組負(fù)荷在30%額定負(fù)荷以下采用單沖量控制；在30%額定負(fù)荷以上采用三沖量控制。在自動(dòng)控制方式切換時(shí)，設(shè)計(jì)采用控制器輸出互為跟蹤的方式，實(shí)現(xiàn)兩控制器間的無(wú)擾切換。在三沖量控制方式時(shí)，引入主蒸汽流量值乘以前饋系數(shù)對(duì)汽包水位設(shè)定值進(jìn)行修正與補(bǔ)償。

3.2 鍋爐風(fēng)系統(tǒng)

鍋爐風(fēng)系統(tǒng)主要是起對(duì)燃料的循環(huán)流化和助燃的作用，為使一二次總風(fēng)量的設(shè)定值在發(fā)電負(fù)荷變化時(shí)，速度調(diào)整到滿足當(dāng)前負(fù)荷的風(fēng)量值上來(lái)，鍋爐風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用建立發(fā)電負(fù)荷對(duì)應(yīng)一次風(fēng)量與二次風(fēng)量的分段折線函數(shù)，同時(shí)引入鍋爐床溫和煙氣氧含量對(duì)總風(fēng)量指令進(jìn)行修正與補(bǔ)償來(lái)提高燃料的燃燒效率，具體負(fù)荷對(duì)應(yīng)風(fēng)總量值的折線函數(shù)見(jiàn)表2，控制邏輯見(jiàn)圖2。

3.3 主汽系統(tǒng)

鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的首要指標(biāo)是主蒸汽溫度和壓力的平穩(wěn)，主汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用兩級(jí)減溫水系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)主汽溫度，兩級(jí)噴水減溫器分別布置在低中溫過(guò)熱器間和中高溫過(guò)熱器間，每一級(jí)噴水減溫器均設(shè)計(jì)采用串級(jí)控制方式來(lái)調(diào)節(jié)該級(jí)過(guò)熱器出口蒸汽的溫度以滿足工況要求，采用串級(jí)控制是利用副回路快速調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，及時(shí)克服蒸汽流量、燃燒工況、給水溫度和流量帶來(lái)的干擾，從而使主蒸汽溫度快速跟蹤溫度的設(shè)定值以滿足發(fā)電負(fù)荷的要求。

3.4 燃料系統(tǒng)

燃料系統(tǒng)的主要任務(wù)是控制進(jìn)入鍋爐爐膛的燃料量，以滿足機(jī)組負(fù)荷的要求。本項(xiàng)目燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用在協(xié)調(diào)控制方式下的串級(jí)前饋控制方式，即在協(xié)調(diào)控制方式時(shí)，主蒸汽壓力指令響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷的變化。如圖3所示，建立負(fù)荷對(duì)應(yīng)給煤量的折線函數(shù)作為機(jī)組實(shí)際負(fù)荷前饋指令，并與直接能量平衡（DEB）、鍋爐床溫的微分計(jì)算出的給煤量值三者相加來(lái)修正主蒸汽壓力指令，協(xié)調(diào)控制器輸出的鍋爐主控指令作為燃料控制器的設(shè)定值來(lái)控制鍋爐的實(shí)際給煤量。表3為發(fā)電負(fù)荷對(duì)應(yīng)給煤量的分段函數(shù)值表。

4 鍋爐運(yùn)行工況與分析

機(jī)組投產(chǎn)并網(wǎng)后鍋爐運(yùn)行參數(shù)平穩(wěn)，發(fā)電負(fù)荷在190MW～220MW之間做負(fù)荷升降調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)，如圖4所示機(jī)組負(fù)荷指令從190MW上升至220MW，機(jī)組的實(shí)際負(fù)荷能迅速的跟蹤負(fù)荷指令的變化，主蒸汽壓力（機(jī)側(cè)主汽壓力平均）能快速平穩(wěn)達(dá)到主汽壓力設(shè)定值，機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在220MW時(shí)主蒸汽壓力為12.17MPa其余差在4%以內(nèi)，鍋爐汽包水位運(yùn)行在133mm范圍內(nèi)平穩(wěn)且波動(dòng)小；對(duì)機(jī)組進(jìn)行減負(fù)荷實(shí)驗(yàn)如圖5所示，負(fù)荷指令從220MW下降至205MW，實(shí)際發(fā)電負(fù)荷平穩(wěn)跟蹤負(fù)荷指令，鍋爐汽包水位維持在138mm范圍內(nèi)，主汽溫度平穩(wěn)運(yùn)行在為531℃，發(fā)電負(fù)荷穩(wěn)定在205MW時(shí)主蒸汽壓力為14.92MPa，余差在3%以內(nèi)。機(jī)組并網(wǎng)升降負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷指令響應(yīng)迅速，控制精度高，鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)指標(biāo)達(dá)到生產(chǎn)的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以撫順熱電廠1025t/h循環(huán)流化床鍋爐為研究對(duì)象，以和利時(shí)MACS V6.5.2 DCS系統(tǒng)為平臺(tái)進(jìn)行控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與硬件的組態(tài)設(shè)計(jì)，通過(guò)建立發(fā)電負(fù)荷對(duì)應(yīng)給煤量與風(fēng)量的折線函數(shù)，分別對(duì)鍋爐主氣壓力和總風(fēng)量的設(shè)定值進(jìn)行在線實(shí)時(shí)修正來(lái)提高鍋爐的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；引入主蒸汽流量前饋系數(shù)對(duì)鍋爐水位的設(shè)定值進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目刂品桨?，最終實(shí)現(xiàn)1025t/h循環(huán)流化床鍋爐的控制，投產(chǎn)運(yùn)行后各控制參數(shù)平穩(wěn)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)升降負(fù)荷實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能在迅速跟蹤負(fù)荷指令的同時(shí)，保證鍋爐主汽壓力、溫度以及鍋爐汽包水位在設(shè)定值的范圍內(nèi)，其他各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到生產(chǎn)要求，實(shí)際應(yīng)用效果證明該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的可行性與有效性。

參考文獻(xiàn)

[1] 于希寧，王慧，王東風(fēng)等.模糊控制在循環(huán)流化床鍋爐床溫控制中的應(yīng)用[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，32（3）：43-46.

[2] 云蘇和.循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化，2018，54（2）：33-34.

[3] 王萬(wàn)召，王紅閣，譚文.智能解耦控制器在循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].動(dòng)力工程，2009，29（8）：757-760.

[4] 席學(xué)軍，姜學(xué)智，李東海等.循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的自抗擾控制[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，44（11）：1575-1579.

[5] 傅彩芬，譚文.循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制研究[J].熱能動(dòng)力工程，2016，31（2）：66-67.

[6] 朱紅霞，沈炯，李益國(guó).循環(huán)流化床鍋爐床溫的預(yù)估滑?？刂芠J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2016，36（5）：365-366.

[7] 張燕秦，徐向東.循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].電站系統(tǒng)工程，2003，9（5）：50-52.

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