新区异地技改锅炉控制系统设计
新区易地技改锅炉自动化控制
系统设计
系统组成方案及拓朴结构
本系统采用计算机集散控制系统方案，将“实时控制功能”与“操作管理功能”分离，按上、下层结构分别承担，一方面把分秒不能稍停的控制功能分散到多台高可靠的冗余控制站分担，另一方面，采用计算机通信技术，将上层监视操作计算机与下层控制站联结成计算机局域网络，使系统中所有测控信息都能在上层计算机上集中显示和记录。这种集散控制方案最能发挥数字技术的优势，既能保证系统的长期安全运行，又能实现对系统监视、操作、管理的高度集中，是当前大中型生产过程控制系统的优选方案。
本系统采用的集散控制系统基本框架结构如图1所示。图中，按招标书要求，配置五个独立的冗余控制站，其中四个分别控制1、2、3、4号锅炉，另一个控制供水等公用部分设备。在系统的上层，配置五个监视操作站，其中四个分别操作1、2、3、4号锅炉，另一个作为公用设备的操作站；除此之外，还有一个工程师站，一个OPC应用站，一个监视浏览站。系统可通过以太网，向上与动力能源管理中心及全厂管理网络通信。
监视操作层
控制层
现场仪表
图1 锅炉集散控制系统的基本组成结构
集散控制系统与现场仪表的连接：检测仪表主要通过现场总线
FF(Fundation Fieldbus)与控制站相接。采用现场总线连接的优点除通信信息量大，精度高之外，这可以实现远程调校和故障诊断，节省安装材料和工时。在执行器方面，根据招标要求，为确保安全可靠，对重要控制回路，如锅炉给水调节阀、减温水调节阀等，除在DCS中采用双重化冗余的D/A输出卡件外，还需配置后备的手动操作器，为此，本系统对调节阀采用4-20mA DC的电流信号控制。
1.DCS设备选型及其性能、特点
本系统选用日本横河电机(YOKOGAWA)的综合生产控制管理系统CS-3000，这是一个功能丰富、可靠性特别高的管控一体化系统，在国内外享有盛誉。仅在我国就有几百套在大、中型企业应用的成功业绩。
CS-3000的设计面向计算机集成制造系统(CIMS)和计算机集成过程系统(CIPS)，可以集成综合自动化中三大部分：企业资源规划系统ERP、生产调度执行系统MES、以及过程控制系统PCS。实现系统的无缝连接。
CS-3000的基本结构如图2所示。在控制功能方面有连续反馈控制，断续顺序控制，丰富的计算功能及操作功能；在管理功能方面，可实现设备管理，生产管理，安全管理。与现场仪表的连接上，CS-3000既提供4-20mA模拟信号或模数混合(HART通信)传递方式，也提供FF/Profibus等全数字通信方式，可根据工艺要求，选用不同类型的现场仪表，组成传统的DCS或现场总线控制系统FCS，或者几种方式兼有的混合控制系统，满足不同客户的使用要求。
CS3000 的安全可靠性具有如下特点：
●可采取全方位的冗余措施，包括控制站电源/CPU/通信总线/I/O卡的冗余。
全球第一家采用控制站四个CPU的成对热备，冗余容错，无扰切换。
●具有超强的抗干扰能力，允许接地电阻不大于100Ω。(注意：一般DCS要
求接地电阻小于5Ω！)
●故障自动诊断和隔离，支持卡件在线插拔，在线维护
●系统可用率、可靠性指标特别高：
CS3000系统平均无故障时间MTBF=4925478 Hours=562年
可用率A=平均无故障时间/（平均无故障时间+平均修复时间）CS3000系统的可用率达到99.99999％
图2 CS-3000综合控制与管理系统
燃烧自动控制解决方案
控制系统的硬件是开发软件的平台和保证系统可靠工作的基础，但在数字化的时代，系统的功能越来越决定于软件技术，在相同的硬件平台上，不同的集成商采用不同的软件可以产生完全不同的效果，软件在系统中起到核心和灵魂的作用。
只谈硬件配置，不谈软件的功能和效果，把控制系统的招标蜕变为单纯的设备采购，其结果是对控制效果验收无据可依，造成绝大多数链条炉虽然采用了顶级的DCS设备，但除水位控制外，所有的控制回路只能手动操作，无法投入自动控制的可悲局面。显然，靠人工操作要长期实现高效节能、安全环保是很难的。
的确，链条锅炉的燃烧系统是一个大滞后、大惯性、多变量、变参数的控制对象，其控制难度远远大于燃气、燃油，和电厂的煤粉锅炉。采用常规控制仪表和传统的PID算法不可能达到优化燃烧的效果，某些公司自称能实现燃烧自动控制，但最多只是在负荷不变的情况下作短暂的自动运行（例如半小时），在负荷突变下必须切到手动操作。
为此，采用模糊控制、专家系统等最先进的智能控制技术，实现全自动燃烧控制，稳定运行时间可长达几个月。当蒸汽负荷变化、煤种热值变化、煤的含水量不同时，能始终自动调节进煤速度及鼓引风量，实现经济燃烧，并实现多台并联锅炉的负荷的自动调度。
如上所述，链条锅炉的燃烧控制是多年来困扰国内外锅炉控制技术的一个难题，是衡量锅炉控制水平高低的试金石。本系统选用了独创的优化燃烧控制软件包工作原理如图3所示。
图3 优化燃烧控制系统方框图
其基本工作流程是，首先根据各锅炉的蒸汽流量Qi以及管网总的蒸汽负荷量，按预先确定的各锅炉负荷分配方案，计算出各台锅炉应该承担的蒸汽流量，再根据蒸汽总管压力设定值P0与各台锅炉汽包压力测量值Pi ，以及炉膛温度Ti ，综合考虑能量平衡与物质平衡关系，采用模糊控制和专家系统控制技术，通过智能给煤软件包，决定最佳的给煤速度，并利用风/煤比算法模块，给出初步的参考鼓风量，分别输往炉排变频器及优化鼓风控制算法模块。
智能给煤软件包在决策过程中必须考虑炉膛温度Ti，当炉况不好时，急剧增加给煤速度和鼓风量很难保证煤炭的充分燃烧。此外，还要考虑升火时，应该先加风，后加煤；降火时，要先减煤，后减风。只有这样，才能防止烟囱冒黑烟，保证燃料的充分燃烧，减少有害气体的排放。
图3优化鼓风控制算法中，采取了用烟气分析仪实现最佳空燃比的闭环控制方案，当实测烟气氧含量高于或低于设定值时（此设定值与负荷大小有关，小火时氧含量可稍高，满负荷时较低），对鼓风量进行自动修正，使鼓风量既能保证燃料充分燃烧，又不因风量太多而降低炉膛温度，从而在节能、环保的前提下获得最高的热效率，实现稳定的蒸汽压力输出和蒸汽流量供应，满足用户需求。
以上技术在1997年首先在蚌埠卷烟厂的三台25t/h蒸汽锅炉DCS控制系统中开发成功，投入实际使用，可以连续几个月始终运行在给煤及鼓引风自动控制状态，受到用户的好评。随后，该技术应用到昆明卷烟厂二台35t/h、二台20t/h 蒸汽锅炉的DCS控制系统中，取得了成功。
锅炉节能减排解决方案及在线燃烧优化控制
节能减排、保护生态是我国的基本国策。上节锅炉自动燃烧控制的主导思想就是通过按需给煤，合理供风，实现燃料的最佳利用，节能减排。
图4 锅炉燃烧的节能减排原理
燃烧节能减排的原理如图4所示。风/煤比过小，助燃空气不足，燃烧不
充分，烟囱冒黑烟，浪费能源，污染环境。风/煤比过大，不仅会增加排热损失，降低热效率，而且高温下的过氧燃烧会增加一氧化氮、二氧化氮等污染物排放，造成酸雨，破坏生态环境。
锅炉节能减排的核心是优化燃烧，是控制风/煤比。目前常用的办法是通过烟气分析仪，测量烟气中的剩余氧含量，并组成闭环调节系统，控制鼓(引)风量，把风/煤比控制在较好的水平。
但是进一步研究就可发现，烟气含氧量的最佳值是随燃烧状况改变的，它与燃料、炉况、负荷等诸多因素有关。不同的煤质、不同的粒度、不同的炉膛温度、不同的负荷强度，要求的过剩空气系数是不同的。此外，如果炉子有漏风，那么测得的烟气含氧量很难反映炉排上的实际风/煤比。所以死板地把烟气氧含量控制一个预定的数值，难以取得最佳的效果，必须根据实际情况进行在线优化。
因为烟气氧含量控制的终极目标是节能减排，取得最好的燃烧效率，为此，我公司尽可能在线采集更多的数据(例如烟气分析仪的CO测量值等)，结合对运行数据的归纳总结，综合分折锅炉的运行工况，通过在线自动寻优，及时修正烟气最佳含氧量的设定值，取得最好的节能减排效果。
多台并联锅炉负荷自动分配控制方案
并联锅炉的蒸汽流量决定于各炉汽包压力与分汽缸压力之差，哪台锅炉的压力高，输出流量就大。如果某台锅炉的汽包压力与分汽缸压力刚好相等，则在连接汽包与分汽缸之间的管道两端压差为零，流量也为零。
因此，并联锅炉的蒸汽流量只能通过火力的大小来控制，在燃烧自动控制算法中，必须增添回路协调控制功能。在各炉实现优化燃烧的同时，既要控制汽包压力，满足分汽缸压力恒定的要求，又要满足蒸汽流量要求。在蒸汽负荷改变时，要照顾左邻右舍，协调行动。当负荷增加时，各炉按比例一起增加，负荷减小时，一起减少。
并联锅炉实现负荷自动分配的前提是燃烧能真正做到全自动控制，在这一前提下，实现各台锅炉汽包压力的差异化控制，通过调节燃烧强度，便可使各锅炉的蒸汽流量自动按比例输出。
蓄热器运行优化调度方案
蓄热器的作用：一是以丰补歉，平抑负荷波动，提高用户的汽压稳定度；二是减轻负荷剧变对燃烧工况的冲击，保证锅炉的节能减排。
串联式蒸汽蓄热器工作原理如图5所示。当锅炉供汽量大于用汽量时，多余的蒸汽进入蓄热器，把水加热，储存多余的热量。当负荷突然增加，锅炉供汽量小于用汽量时，蓄热器内压力下降，闪蒸出蒸汽，补充不足。
蓄热器内能量的储存和释放取决于蓄热器内的压力。蓄热器功能的发挥的关健在于变压运行。如果压力恒定不变，蓄热器就成为一潭死水，毫无作用。压力的变化范围越大，热量的吞吐量越大。因此，蓄热器控制的关键技术首先在于充分、合理地利用允许的变压范围。此外，蓄热器内水位的控制也对蓄热功效有一定的影响。
图5 串联式蒸汽蓄热器工作原理
蓄热器在能源动力系统中的地位犹如战场上的预备队，何时投入、怎样使用预备队是司令员的指挥艺术，同理，蓄热器的使用也有一个优化调度的问题。由于蓄热器的尺寸有限，其能贮存的能量并不很大，以本项目中200立方米的蓄热
器为例，当压力变化幅度为0.5MPa时，据估算，在最好的调度下能闪蒸出 3 吨蒸汽，如果不作精心调度，只能闪蒸出 1.5 吨蒸汽。有些用户对蓄热器不加控制，使用效果大打折扣。
从蓄热器控制的实践中，可以体会到解决这一问题具有重要的学术价值和实用价值，为此进行了深入研究。蓄热器作为能源动力系统中一个缓冲环节，除了要控制好常态压力和常态水位，做好应对负荷急剧变化的准备预案外，还必须与燃烧控制系统密切配合，组成一个联动的多回路复合控制系统，采用优化调度算法，根据炉膛燃烧状况，以允许的速率释放蒸汽或贮存蒸汽，在负荷急剧变化时，既维持用户蒸汽压力恒定，又保证燃烧工况的平缓变化，最大程度地支持节能减排。在这样的解决思路下，蓄热器的优化控制方案可表示如图5所示。
保障锅炉安全运行的解决方案
为保征锅炉的安全运行，必须从以下方面入手：
1.选用硬件和软件可靠性高的、有良好使用实绩的先进控制系统。通过对
重要部分的冗余配置和后备应对手段，进一步提高运行可靠性。万一发
生意想不到的事件，也能借助后备手段，确保设备和人身安全。
2.在软件上采取措施，防止误操作的发生。把操作功能按职责分级，对操
作工、班组长、维护工程师分别赋予不同的权限，防止非授权人员进行
越权操作。此外，对重要的操作必须经过一次或多次确认方予执行，对
明显不合理的操作，软件经判断可以拒绝执行。
3.充分发挥仪表的自诊断功能，并配置一定的设备故障预测机制，以便及
时发现及提前预报可能发生的故障。
4.设置完善的越限报警和保护功能。例如汽包水位高低报警及极低水位保
护停炉；蒸汽压力高低报警及超高压力的连锁保护；炉膛温度和排烟温
度偏高报警；软水箱和除氧器水位偏低和偏高报警；输煤和排渣统故障
报警；炉膛负压超限报警；排污水含盐量超标报警；水泵及各种风机过载、缺相等故障报警等。
此外，为避免开停车过程中发生操作错误，还须设置必要的动作联锁功能，保证在起炉和停炉过程中的各种风机和水泵的顺序起停，例如：在锅炉启动时保证如下的开机顺序：先开除渣机，后开引风机、鼓风机，最后开炉排电机。在停车时要保证如下的停机顺序：先停炉排，再停鼓风机、引风机、最后停除渣机。
5.采取防雷电措施昆明属于雷电多发区，因此要从电源输入端起，分段
加装防浪涌抑制器，确保测控系统的安全。
6.抗干扰各种电磁干扰是造成计算机死机及测量数据失实、输出动作出
错的重要原因，为此，要选用抗干扰能力强的控制系统及仪表设备，施工中做好接地系统，处理好模拟地、数字地、功率地的分别接地。信号线采用屏蔽线，并尽量远离功率线。
7.做好操作运行人员的经常培训，减少误操作和临阵慌乱。随着自动化水
平的提高，操作人员的参与程度有所下降，必须加强定期培训和考核，为此可利用仿真培训系统进行仿真培训和考核。