給煤機控制系統(tǒng)DCS化改造

周麗鋒，王競杉，周 驥

（江蘇利電能源集團，江蘇無錫 214444)

鍋爐燃燒過程自動控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是使燃料燃燒提供的熱量適應(yīng)鍋爐蒸汽負(fù)荷的需要，同時還要保證經(jīng)濟燃燒和安全運行。給煤機是其中的重要組成部分。

帶微機控制系統(tǒng)電子稱重式給煤機的系統(tǒng)具有封閉性特點，導(dǎo)致無法看到多數(shù)控制過程量，報警信息也需要到現(xiàn)場查看錯誤碼才能確認(rèn)。當(dāng)前的電廠集控趨勢是少人值守、智能化，分散獨立的控制設(shè)備需要并入機組DCS 控制系統(tǒng)才能更好地實現(xiàn)控制一體化。給煤機是將煤送入磨煤機和送入鍋爐不同層面的最后一道關(guān)，進行煤耗計量需要定期校驗才能確保其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但每次校驗需要開倉蓋貼反光紙，不僅操作過程時間長、需要大量的人力，還會造成煤粉污染。通過控制系統(tǒng)改造不僅將給煤機一次測量設(shè)備直接接入DCS 系統(tǒng)，可以為機組智慧監(jiān)盤提供最直觀的測量數(shù)據(jù)，還優(yōu)化了給煤機的校驗。在實現(xiàn)給煤機原有模式啟停、控制轉(zhuǎn)速、報警跳閘等功能的基礎(chǔ)上，增加了設(shè)備的報警信息、設(shè)備連鎖，并實現(xiàn)了自動校驗和遠(yuǎn)程校驗功能。

1 給煤機控制校驗現(xiàn)狀

利港電廠三、四期600 MW 機組都采用STOCK公司的帶微機控制系統(tǒng)電子稱重式給煤機。此類給煤機具有電子稱重和微處理機控制系統(tǒng)，可以自動控制給煤機的運行，自動控制和計量給煤機的給煤量。

給煤機由機體、輸煤皮帶、電動機驅(qū)動裝置、清掃裝置、控制箱、稱重裝置、皮帶堵煤及斷煤報警裝置、取樣裝置及工作燈等組成。大致分為給煤機機體、皮帶與驅(qū)動裝置、清掃輸送裝置、微處理機控制裝置、給煤率測量與控制電路等幾大系統(tǒng)部件。

其中微處理機控制裝置及相關(guān)元器件安裝在給煤機上的控制柜內(nèi)，主要包括電源、CPU 板、鍵盤/顯示器部件、電機速度控制裝置、給煤機皮帶驅(qū)動電機的啟動器和過載裝置繼電器、清掃鏈電機的啟動器和過載裝置繼電器、變壓器、啟動繼電器、給煤機運行繼電器、皮帶有煤開關(guān)、出口堵煤開關(guān)、變頻器、反饋信號變送器等。通過這套系統(tǒng)可實現(xiàn)輸入信號的接收、給煤機啟停的控制、電機轉(zhuǎn)速控制、稱重計算等功能。

其中，現(xiàn)場元器件受現(xiàn)場粉塵、溫度等影響，壽命易縮短；現(xiàn)有控制系統(tǒng)在給煤機旁，發(fā)生故障時需要人員達到現(xiàn)場進行處理，增加了工作量；給煤機控制異常時會切至切容積模式，或者發(fā)生其他異常狀況時監(jiān)盤無法直觀看到給煤機的狀況，只能看到一個報警，拖延了對給煤機異常的處理時間，可能會加劇故障狀態(tài)擴大；原控制裝置也不能很好地避開電壓瞬時波動，不符合現(xiàn)在給煤機動力/控制電源穿越的要求。

于是急需一種基于DCS 平臺的給煤機給煤率控制改造，以實現(xiàn)簡化控制程序，減少現(xiàn)場控制影響，給煤機各項中間變量、參數(shù)及報警更直觀，降低維護成本，以及提高給煤機控制可靠性的目的。

2 給煤機控制接入DCS的優(yōu)勢

2.1 統(tǒng)一的硬件

給煤機接入DCS 后，IO 卡件使用的硬件與DCS統(tǒng)一，輸入、輸出信號由DCS 卡件直接處理，工程量直觀顯示，維護更方便。備品備件與DCS 統(tǒng)一，減少運營成本。

2.2 友好的人機交互軟件

組態(tài)軟件使用DCS 直接進行組態(tài)，界面友好，使用方便。利用原有的DCS 維護工程師進行給煤機組態(tài)的維護修改更加專業(yè)。

2.3 豐富的診斷信息

共享DCS 的歷史收集、趨勢、報警功能，故障查找更為便利，更有利于設(shè)備故障的分析診斷。

2.4 可靠的電源

由DCS 系統(tǒng)直接供電，DCS 的雙冗余電源使給煤機控制可靠性得到了極大的提高，避免了控制裝置的低電壓穿越問題。

2.5 實時監(jiān)測

稱重探頭的實時數(shù)據(jù)進入DCS，可以在畫面上呈現(xiàn)，有助于查看最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。改造后增加了從動輪轉(zhuǎn)速檢測模塊，可實現(xiàn)皮帶轉(zhuǎn)速的在線監(jiān)測，同時可以邏輯判斷皮帶打滑并預(yù)警。

2.6 自動化校驗

改造后可利用從動輪轉(zhuǎn)速檢測和新增的掛碼電機實現(xiàn)給煤機得不開蓋校驗、遠(yuǎn)程校驗及無人校驗。

3 改造過程

3.1 現(xiàn)場電氣回路改造

將稱重探頭的信號0～30 mV 通過信號轉(zhuǎn)換隔離器轉(zhuǎn)換為4～20 mA 信號送入DCS 系統(tǒng)（圖1）。堵煤、斷煤電機轉(zhuǎn)速等反饋信號和指令信號直接接入磨組所在的控制器備用通道或新增DCS 卡件上，信號由DCS 進行處理，并由DCS 發(fā)出指令，實現(xiàn)給煤機的遠(yuǎn)程控制。這樣可以僅保留現(xiàn)場的測量元件、部分電氣回路和變頻器，其余的檢測設(shè)備可以去除，極大地減少了中間接線端子。同時還取消了電氣自保持繼電器，改為DCS 啟動長指令和使用變頻器的自保持功能實現(xiàn)給煤機的穩(wěn)定運行，有效解決了低電壓穿越隱患。

如圖1所示，閉環(huán)部分根據(jù)給煤機皮帶和給煤率的實時稱重，計算出對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速要求，并結(jié)合實時給煤機電機轉(zhuǎn)速，通過PID 調(diào)節(jié)向現(xiàn)場輸出正確的電機轉(zhuǎn)速指令，現(xiàn)場給煤機電氣回路只需要接受轉(zhuǎn)速指令和給出轉(zhuǎn)速反饋，其余均可在DCS 側(cè)完成，實現(xiàn)煤量的調(diào)整。

新控制系統(tǒng)還保留有變頻器的正反轉(zhuǎn)模式切換和給煤機緊急停止的硬操作按鈕，使用了雙按鈕，在確保能就地緊急停運的同時防止誤操作。

給煤機的模式切換和操作都遷移到DCS 品臺進行操作，包括就地/遠(yuǎn)方切換、就地啟停、JOG 點動、報警復(fù)位、跳閘首出復(fù)位、就地轉(zhuǎn)速設(shè)定、容積模式切換、定度模式選擇、手動校驗、走碼校驗及最大最小煤量等參數(shù)的設(shè)定，控制畫面如圖2所示。檢驗畫面上可以呈現(xiàn)豐富的參數(shù)信息，如圖3所示。

圖3 給煤機校驗畫面

3.2 給煤量測量

給煤機給煤量可表示為：

式中，G為單位時間給煤重量，kg/s；g為單位皮帶長度煤重量，kg/cm；U為皮帶速度，cm/s。

皮帶單位長度煤重量g 可表示為：

式中，W1為左側(cè)稱重傳感器感受重量，kg；W2為右側(cè)稱重傳感器感受重量，kg；W3為皮帶、稱重托輥等自重，由給煤機校正CAL1時確定，kg；L為皮帶稱重段長度，cm；Kg為校正系數(shù)。

為了簡便，把常數(shù)2/L納入校正系數(shù)Kg，則g=Kg（W1+W2-W3）。校正系數(shù)Kg由給煤機校正CAL2時確定。

皮帶運行速度的信號U計算如下：

式中，Kv為速度校正系數(shù)；fn為交流轉(zhuǎn)速表輸出頻率，Hz。

校正系數(shù)Kv在給煤機校正時CAL1確定。所以CAL1校驗確定皮重系數(shù)W3和速度系數(shù)Kv；加碼后CAL2校驗確定校正系數(shù)Kg。

3.3 容積模式煤量測量

給煤機測量在稱重單個探頭故障或兩個探頭之間偏差大時，進入容積模式。

當(dāng)給煤機在容積模式時，給煤量的計算式為：

式中，Gv為容積模式下的給煤率，kg/s；V為稱重托輥段煤的體積，cm3；ρ為煤的密度，kg/cm3；U為皮帶速度，cm/s。

每臺給煤機的V是一個定制常數(shù)，可以根據(jù)說明書計算出來。

ρ有個初始設(shè)置值，同時在給煤機有煤運行3h 后，自動修正密度回路，并將實時密度記錄下來用于容積模式煤量計算。這個密度值更加真實有效，減少了鍋爐的煤量控制誤差。

3.4 從動輪轉(zhuǎn)速測量

利用從動輪與皮帶線速度的一致性，增加從動輪測量皮帶速度。

在給煤機從動輪的張緊機構(gòu)處安裝一磁感應(yīng)式探頭，測量從動輪每轉(zhuǎn)動一周所需的時間，從而得出皮帶運行速度Uc：

式中，D為從動輪直徑，cm；d為皮帶厚度，cm；Tc為從動輪轉(zhuǎn)動一周所用的時間，s。

由于皮帶的本身具有一定的伸縮特性，故皮帶厚度d很難直接測量出來。這里利用反光紙校驗與從動輪校驗的轉(zhuǎn)速比一致性計算得出一個補償值。

根據(jù)從動輪的每周所需時間算出的皮帶轉(zhuǎn)速Uc與給煤機驅(qū)動電機換算出的轉(zhuǎn)速U可以進行對比，正常情況下Uc=U，結(jié)合稱重探頭判斷出皮帶打滑、電機斷軸等情況。

3.5 掛碼電機

將原掛碼操縱桿拆除，新增兩個掛碼步進電機，實現(xiàn)加碼/卸碼的電動化，方便程控校驗時能實現(xiàn)自動加碼/卸碼。還設(shè)計了掛碼電機的自動校正功能，利用稱重的數(shù)值計算出電機轉(zhuǎn)動的步數(shù)，以及定位電機的加碼位和卸碼位。同時也設(shè)計了運行中掛碼電機閉鎖功能，防止運行中操作掛碼電機，影響給煤控制。

3.6 增加吹掃裝置

由于標(biāo)準(zhǔn)滾筒砝碼長期處于給煤機內(nèi)部，會有大量煤粉在滾筒上方形成錐形堆積，增加了砝碼重量，造成校驗誤差。故接入一根氣管采用廠用氣定期吹掃堆積在砝碼上的煤粉，保證自動校驗時的定量準(zhǔn)確。

3.7 自動校驗程控

反光紙校驗給煤機時需要通過廣電探頭測量張貼在皮帶上的反光紙，來測量皮帶的真實轉(zhuǎn)速，從而計算出電機和皮帶的轉(zhuǎn)速比，但每次都需要清理或重新貼紙，定度探頭也需要手動接入。新增從動輪轉(zhuǎn)速測量后，可以直接利用通過測量從動輪得出的皮帶轉(zhuǎn)速進行給煤機CAL1校驗，得出皮重系數(shù)W3和轉(zhuǎn)速系數(shù)KV。這可以省去打開給煤機倉蓋、重新貼反光紙的麻煩。

將給煤機切換到就地控制模式后，選擇從動輪校驗?zāi)Ｊ剑_始自動校驗。給煤機會走空皮帶一段時間，確保皮帶干凈無煤。為了使得校驗后使用的各項系數(shù)具有較高的準(zhǔn)確性，減少校驗誤差，程控自動校驗時分別執(zhí)行3次CAL1和CAL2。每次校驗系數(shù)與前次相比誤差小于0.2%才算校驗成功?？刂苹芈肥褂玫男Ｕ禂?shù)采用3次成功校驗的系數(shù)平均值。

為了方便操作，在自動校驗的基礎(chǔ)上，還設(shè)計了一鍵校驗功能，如操作程控開始后，給煤機自動切換到就地模式和從動輪校驗?zāi)Ｊ?，開始3次CAL1校驗，加碼后開始3次CAL2校驗，接著卸碼，切回遠(yuǎn)方遙控模式，給煤機恢復(fù)備用

就此基本實現(xiàn)了現(xiàn)場無人的給煤機全過程自動校驗，且校驗數(shù)據(jù)可通過DCS 平臺的歷史站進行保留。

3.8 增加報警和設(shè)備連鎖

將原有的給煤機報警都遷移至DCS 系統(tǒng)，設(shè)置專門的光字牌，以便在報警發(fā)生時及時發(fā)現(xiàn)報警的具體內(nèi)容。由于可以檢測到給煤機皮帶上的稱重數(shù)值，結(jié)合原有有煤開關(guān)判斷有煤無煤將更加準(zhǔn)確。

原有煤倉振打裝置的啟停也從就地遷移到DCS控制。給煤機運行中斷煤時，邏輯判斷煤倉落煤管堵煤，發(fā)出報警的同時，直接連鎖煤倉振打裝置，振打落煤，有效防止給煤機斷煤，減少鍋爐系統(tǒng)的擾動。

4 改造效果

4.1 給煤機校驗后的走碼驗證

改造后，保留給煤機反光紙校驗?zāi)Ｊ?，增加從動輪校驗?zāi)Ｊ剑瑑烧呖梢郧袚Q。實際測量數(shù)值見表1。由表1可知，反光紙校驗?zāi)Ｊ胶蛷膭虞喰ｒ災(zāi)Ｊ较碌男ｒ炏禂?shù)都小于0.2%，均在偏差允許范圍內(nèi)。校驗完成后，使用走碼模式來驗證校驗效果，走碼重量200 kg，走碼轉(zhuǎn)速200 r/min。計算得出，走碼累積重量為202 kg，誤差在1%左右。誤差的主要來源除了稱重系統(tǒng)和控制系統(tǒng)外，還有機械結(jié)構(gòu)。由于采用3次測量取平均來計算校驗系數(shù)，已經(jīng)基本消除了測量誤差。為了消除稱重和機械的系統(tǒng)誤差，在走碼成功后使用系統(tǒng)誤差系數(shù)Kz來消除總誤差。

表1 2種模式的檢驗數(shù)據(jù)比較

式中，Gc為走碼砝碼重量，kg；Gz為走碼計算重量，kg。

4.2 給煤機運行效果

經(jīng)過改造后的給煤機實際啟停中轉(zhuǎn)速控制平穩(wěn)，煤量指令進入給煤機控制PID 后轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速指令，響應(yīng)及時準(zhǔn)確。給煤機控制和停運過程趨勢如圖4所示。

圖4 給煤機控制和停運過程趨勢

4.3 給煤機落煤管堵煤時連鎖振打裝置

利港電廠最近需要燃燒大量的污泥和泥煤，雖然經(jīng)過了干化處理，但超市潮濕的污泥容易造成煤倉落煤管經(jīng)常發(fā)生堵塞。一旦發(fā)生堵煤，從發(fā)現(xiàn)到處理需要一段時間，嚴(yán)重影響了鍋爐的燃燒穩(wěn)定。改造后，不僅在煤倉上增加了吹掃防堵裝置，還通過此次給煤機DCS 控制改造，增加了斷煤堵煤判斷連鎖煤倉振打裝置，其使用效果良好，能有有效減少斷煤次數(shù)。

5 結(jié)束語

給煤機控制系統(tǒng)改造中取消了就地微處理控制器及部分相關(guān)的IO 處理單元，優(yōu)化了電氣控制回路，可提供更可靠的電源。簡化了控制流程，現(xiàn)場信號直接接入DCS 機柜并且控制指令直接由DCS 機柜發(fā)出，減少了信號轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，提高了設(shè)備的可靠性。DCS平臺的使用讓給煤機的采集參數(shù)和中間控制量更加直觀地呈現(xiàn)在系統(tǒng)畫面上，豐富詳細(xì)的報警信息有助于更加快捷地觀察設(shè)備和系統(tǒng)的工況。

新增給煤機從動輪測速和自動校驗功能，可以將原來每6個月進行一次的給煤機開倉校驗，延長到1 a甚至更長時間，或者在每次給煤機大修后進行一次反光紙校驗，以校正從動輪校驗參數(shù)。平時在某臺給煤機調(diào)停后，可以直接使用一鍵校驗功能進行給煤機校驗，方便快捷。不僅大大減少檢修人員的工作量，也減少了煤粉的外泄，保護了環(huán)境。后期結(jié)合機組的智慧監(jiān)盤系統(tǒng)，可以判斷給煤機的健康狀況，預(yù)測給煤機的校驗時間，提高設(shè)備可靠性的同時，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟性。