威盛DCS系统在热电机组控制中的应用———12000kW热电机组控制方

1、 循环流化床锅炉特点
        循环流化床锅炉（Circulating Fluidized Bed Boiler）(以下简称CFB）是一种高效率、低污染、清洁燃烧锅炉，其主要特点是通过炉内强烈的喘流运动，使燃料和脱硫剂经过多次循环，反复地进行低温分段燃烧和脱硫反应，从而达到约90%的脱硫效果，燃烧效率接近煤粉炉。CFB不但燃烧完全，Nox的排放量低，而且燃料适应性广，可以烧劣质煤、废料、垃圾等。CFB锅炉由布风装置、密相区、稀相区、炉内受热面、气固物料分离装置、返料装置、尾部受热面及床外热交换器等部分组成。
         CFB比起其它类型锅炉，其燃烧过程比较复杂，不但需要控制的参数多，而且参数之间相互关联，使得操作难度加大。如果操作不当，非但不能发挥CFB的优点，反而会造成锅炉结焦、熄火和停产等不良后果。因此如何采取先进的控制方案对CFB运行的重要参数如床温、一次风、二次风、给煤量和返料量协调控制，是CFB成功运行的关键。
        多年来，我们一起致力于CFB燃烧模型的研究，同时吸取了我们在沸腾炉和35t/h CFB控制的成功经验，设计了75T/h CFB自控系统方案，并在行业内得到成功应用。该装置由数据采集系统DAS，模拟量调节系统，顺序控制系统SCS，炉膛安全监控系统FSSS等组成。

  2、自控系统方案说明
2.1数据采集系统DAS
DAS系统连续采集机组的模拟量、开关量等信息，将运行参数、输入输出状态、操作信息和异常情况等数据实时地提供给运行人员，指导他们安全可靠地操作，同时还进行数据记录和储存，供事故分析。
2.1.1信号处理
由FB-2000NS 现场控制站实现所有I/O信号的采样、滤波、工程单位换算、累积等。本系统可处理包括4～20mA（含两线制变送配电器）、0～5Vac、热电阻、热电偶等模拟信号和有源（包括直流和交流）触点和无源触点信号。
2.1.2显示
ControlX HMI软件基于Windown NT/2000。该软件采用了最先进的软件设计技术，具有丰富的动画功能和图形库，采用ControlX HMI作图软件可画出直观的工艺流程图、棒图、控制回路图、趋势图等。用户可在画面中任意定义和绘制操作按钮，画面中每个按钮都可定义相应的热键，可通过鼠标点击式键盘热键操作，每个操作按钮都可定义其操作权限。可通过打开新画面、弹出式嵌入新窗口来调显不同画面，可对画面进行缩放和改变各种风格。操作员可通过各种风格的按钮、滑动杆、旋转指针等进行直观的参数修改操作。
ControlX HMI是基于OPC标准的客户端软件，画面中可显示任何支持OPC标准的设备的动态数据。
2.1.3报警事件指示和管理
ControlX HMI报警事件管理软件是基于OPC报警事件标准的客户端应用软件，可对任何来自OPC报警事件服务器的报警、事件进行管理。
FB-2000NS报警事件服务器提供各种类型的报警和事件监视，提供多达1000个的报警优先级，可将系统分成任意区域构成，各监控操作站可按报警事件类型、优先级、报警点或区域等有选择进行筛选和响应。
报警事件管理软件提供灵活的检索、筛选和打印等功能。同时可按不同的报警点和/或不同优先级设置不同声音文件，通过操作计算机配置的多媒体音响进行语音报警。
2.1.4历史数据存取、显示
ControlX HMI历史服务器也是OPC的客户端软件，可实现数据的周期采集记录，定时采集记录和事件触发记录等。
2.2模拟量调节系统
循环流化床锅炉控制部分的控制框图如图1。

2.2.1 几个主要的控制回路
2.2.1.1 锅炉主控
锅炉主控的调节框图如图2。

图中符号说明如下:
Pr:锅炉压力给定值;
Gc:反馈调节器的传递函数;
Gf:扰动通道的传递函数;
Gd:前馈补偿装置的传递函数;
Go:控制通道的传递函数;
λ(x):锅炉主控的扰动函数;
Y:复合调节系统的输出函数;
由控制框图可知,循环流化床锅炉的主控采用前馈加反馈的控制方式(复合调节系统)。在反馈调节系统中加入对于主要扰动λ(x)的前馈调节,构成了前馈-反馈调节系统,当扰动λ(x)发生后,前馈调节的作用是及时地补偿扰动对被调量的影响,而反馈调节的作用则是保证调节量的偏差在允许的约定范围内,这样,系统即使在大而频繁的扰动下,依然可以获得优良的控制品质。
2.2.1.2 燃煤主控
燃煤主控的调节框图如图3。

图中符号说明如下:
BTU:BTU补偿器;
Gc:反馈调节器的传递函数;
由控制框图可知燃煤主控是一个典型的反馈调节回路,由于调节系统是按被调量与给定值的偏差进行调节的,因此,在调节对象受到扰动作用时,只有在被调量出现偏差后才开始调节,调节只为尽快地消除偏差。
另外,在燃烧控制中,为了提高循环流花床锅炉燃烧效率,在燃烧控制策略中运用了双交叉燃烧控制和氧量修正调节相结合的控制方法。
双交叉燃烧控制
双交叉燃烧控制系统是根据主蒸汽负荷对锅炉的燃烧系统进行调节，以达到稳定蒸汽母管压力的目的。具体包括燃料调节和风量调节两个控制部分，这两部分分别由各自的调节器及高低选择器组成并以流量为基准信号。
燃料调节控制：
自风量主控系统的总风量需求与锅炉炉主控的燃料量指令经过低选与BTU补偿后燃料量通过PID运算去控制所有锅炉燃料设备。其中最主要的是两台给煤机，通过控制给煤机的传动速度来调节给煤量。而经过低选的燃料控制需求量与炉燃料指令的偏差假如其值小于1%，则去限制氧量修正调节器，设置氧量修正调节器PID的偏差为0，使调节器维持原来的状态。如果大于1%，则燃料控制系统的限制功能就不起作用。这个具体的限制值可以根据实际的工况和要求自己设定。氧量调节系统控制站的结果就进一步去调节风主控，控制总风量。其工作的基本原理如下：

风量调节控制
燃料主控系统的总燃料需求量与锅炉炉主控的风量指令经过高选，与经氧量修正调节系统解耦后的需求量，通过PID调节控制风量主控。而经高选后的值与炉主控指令的偏差如果小于0%，则去限制氧量修正调节器，使其维持原状，不起作用。假如大于0%，氧量调节器就去控制二次风调节风门，间接的控制总风量。其工作的基本原理如下：

炉主控的燃料指令、风量指令都是经过对主蒸汽压力与主蒸汽流量函数调节运算后得出的，然后直接与燃料主控、风主控相连，调节通道短。但是由于燃料主控控制的设备相对较多，反应的时间就相对较长。所以从风量控制系统、燃料控制系统工作原理可看出，当负荷增加时，首先提高风量主控的给定值。风量流量增加，然后燃料流量调节器的给定值才随着上升；当负荷下降时，燃料流量的设定值首先下降，流量减小，尔后风主控流量的设定值随之下降。同时燃料、风量进一步控制的氧量修正系统反过来又控制风主控系统，层层相扣。正是通过锅炉主蒸汽压力与流量相互交叉作用燃料、流量控制部分的。
交叉控制系统自动的投入也是如此，首先必须投入风主控自动，然后是燃料主控，最后才是炉主控。当发生故障，使得风主控撤出自动，炉主控、燃料主控随之撤出自动。
双交叉控制的好处在于：即使负荷不稳定，燃料流量信号干扰大，燃烧仍能维护在无黑烟状态，同时提高了系统的负载响应。因此双交叉燃料控制系统无论在负荷上升或下降时，能满足“负荷增加时，先增加风量，后增加燃料量；负荷减少时先减少燃料量，后减少空气量”的工艺要求。
双交叉燃烧控制系统是根据主蒸汽负荷对锅炉的燃烧系统进行调节，以达到稳定蒸汽母管压力的目的。它具体又分为双交叉燃料调节和双交叉风量调节两个控制部分。
从双交叉燃料和风量调节框图我们可以看出采用双交叉控制的好处在于:即使负荷不稳定,燃料流量信号干扰大,燃烧仍能维护在无黑烟状态，同时提高了系统的负载响应。因此双交叉燃料控制系统无论在负荷上升或下降时，能满足“负荷增加时，先增加风量，后增加燃料量；负荷减少时先减少燃料量，后减少空气量”的工艺要求。而循环流化床锅炉控制策略中运用氧量修正调节是为了能够更平稳的控制燃烧系统,使控制更加精确,而且使锅炉的风燃比一直保持在一定的范围,保证了燃料燃烧的更彻底。
氧量修正调节：
燃烧控制系统中，增加的氧量修正调节系统为了能够更平稳的控制燃烧系统，使控制更加精确，而且使锅炉的风燃比一直保持在一定的范围，保证了燃料燃烧的更彻底。
从引风机送往大气的烟气中，检测出氧量大小，O2量过大，说明风量过剩，会导致能量不必要的损失，造成床温过低；氧量过小，会引起燃料不完全燃烧，严重的引起锅炉熄火。所以O2溶度的高低是衡量锅炉热效率的重要指标之一，而且通过对O2溶度的检测和控制是实现节能的主要手段。
从锅炉的燃烧过程来看，空气进入炉膛与燃料一起燃烧后，经过炉膛、对流层、过热器和空气预热器后，再经烟道由烟囱排入大气。
当空气流量出现扰动后，需经过较长的滞后时间才能反映在O2溶度分析仪上，其特征是：纯滞后时间长，调节通道长而干扰通道短。对于这种特征的控制对象，若采用常规PID进行调节，易波动，达不到平稳控制的工艺要求。为此，采用直接插入型氧化锆O2溶度分析仪和采用采样PI控制的方式及实行燃料、风量相互交叉限制氧量调节器。
氧量控制采用采样PI控制方法可以克服纯滞后对系统调节品质的影响，采用PI控制法是指在每一个采样周期内，控制作用只在周期开始时的短时间内动作的一种控制方式，采样值PI的动作如图2。

通常为了减小超调，希望采样周期ST取大一点，如果加于生产过程的主要干扰的最短周期小于采样周期ST时，则不能有效地抑制扰动，因此采样PI控制的限制条件是采样周期ST须小于主要干扰最短周期，具体限制值依实际运行情况而定。
锅炉维持在最佳燃烧状态，需一个合理的理论风燃比系数和最低的过剩空气率（μ）：
1KG燃料燃烧的实际空气量 21
过剩空气率（μ）= =
1KG燃料燃烧的理论空气量 21-[O2]

[O2]是指排烟中的O2含量

由上式可看出过剩空气率（μ）与[O2]有明确的函数关系，所以μ则由O2量调节器进行控制，通过对氧量调节器输出的修正，得到空气过剩率（μ），然后补正空气流量调节器的给定值即实际风量=理论风量+过剩风量。有了这个实际风量值，就能够确定一个相对恒定的风燃比。为了锅炉的安全运行在开环控制逻辑中，增加了风燃比低低引起MFT（主燃料跳闸）的保护。而且还设定了风燃比低报警信号，允许运行人员有2分钟的时间处理，避免引起MFT。通过氧量修正，对整个燃烧控制系统实行微调。
2.2.1.3 风量主控
风量控制调节框图如图6。

风量主控也是一个典型的反馈调节系统。在这个反馈调节系统中利用锅炉主控的输出指令作为给定值,用整个锅炉的风量作为反馈信号来进行调节,当锅炉负荷有增大时,锅炉主控输出也相应增大,因而,风量主控的偏差也增大,风量主控的输出也增大,导致锅炉的相关风门也开大,直到最后达到新的平衡点,反之依然。

2.2.2 其它调节系统
2.2.2.1 给水和减温水调节系统
给水调节系统采用常规的串级三冲量调节系统,减温水系统也是采用常规的串级调节系统。

2.2.2.2石灰石调节系统
石灰石调节系统的框图如图7所示。

此调节系统的功能是为燃烧室提供足够的石灰石,以保持二氧化硫的排放量在允许的环境要求内,并提供床的物料。
此调节系统也是一个典型的负反馈调节系统,不同的只是给定值,它的给定值是用燃煤主控的输出乘以石灰石和煤的比率系数确定的。
2.2.3床温调节系统
2.2.3.1影响床温的主要因素及床温设定值
CFB锅炉的最佳运行床温为850℃--950℃。影响床温的主要因素是密相区燃料浓度和燃料的热值。由于燃料品质的不稳定性，在燃料量不变的情况下，也会引起床温变化。此外返料量的变化也直接影响床温。流化床锅炉在运行中随着床料的增加，在一次风风量不变的情况下，密相区浓度增加，床温因此会升高，所以方案中主要采用调节一次风风量和对燃料量进行校正来调节床温，同时根据负荷指令，在一定范围内修正床温给定值，使系统尽快达到平衡点。
2.2.4引风量调节系统
通过调节引风机挡板，使炉膛压力稳定在设定值上。引风量调节系统设有前馈，把一次风量和二次风量之和作为前馈信号加到PID调节的输出，以提高一、二次风量变化时，引风量调节系统的响应速度。
2.3顺序控制系统SCS
对锅炉的辅机及阀门等设备进行集中控制，实现辅机设备、阀门及其它辅助系统（除渣、吹灰、燃烧器点火等）的顺序启停，从而提高机组运行的可靠性，降低运行人员的劳动强度。
根据现场运行情况，对锅炉、汽机、除氧器等设备及其它辅助设备设计程序启动、停止和手动，以满足有关设备的起、停联锁逻辑。
顺序控制部分的联锁的保护指令具有最高优先级，手动控制指令的优先级次之，自动控制指令的优先级最低。对同一设备的开关指令之间设计成相互闭锁，不允许同时发出。为防止运行人员的误操作，重要的手操指令设有确认按钮。
2.4炉膛安全监控系统（FSSS）
执行点火程序，并对供风系统、引风系统、炉膛压力、汽包水位等进行监视，对出现的危险情况进行报警、执行相应的联锁程序，记录事故前后的相关数据。
2.4.1点火启动
点火启动步骤：
a.确认所有阀门、风机风门、锅炉门孔、锁气装置处于关闭状态；
b.燃油系统泄漏试验；
c.执行炉膛和烟道吹扫程序（吹扫风量为满负荷风量的25%，吹扫时间20分钟）；
d.煤仓上煤，给水管送水，打开汽包和过热器排汽阀；
e.将配好的底料填入流化床，底料静止高度300--400mm；
f.启动一次风机，投入联锁，并缓慢增大风量，使床层达到微流化状态；
g.启动点火油泵，执行点火程序；
h.待底料预热到400--500℃时，缓慢增大风量，使床层达到稳定流化状态；
i.当到600--700℃时，可往炉内投入少量引燃煤，增大风量，使床层充分流化；
j.当到800℃时，启动给煤/料机给料，当给料开始2分钟后确认膛氧浓度已下降，而床温度上升10℃以上，表明给料已着火。调整投料量和风量使床温稳定在设定值（850--950℃）上；
k.投入二次风机和返料机构，稳定工况；
l.对蒸汽母管进行暖管，准备锅炉并列。
2.4.2炉膛安全监控
锅炉起停和正常运行时，一旦检测到危及系统安全的条件时，立即进行MFT动作，切断主燃料，切断高温旋风分离器下的返料，指出首次跳闸原因，并给出声光报警信号，进行有关的联锁和顺控动作，以保证锅炉的安全。当出现以下情况时，燃烧系统停止。
a.燃烧用供风故障；
b.引风机故障或烟气通道阻塞；
c.炉膛压力过高或过低；
d.汽包水位低于下限；
e.过热器出口温度高于上限；
f.按下紧急按钮（MFT）。
2.5其它控制系统
2.5.1固体物料回送控制
通过调节返料风量，将分离器分离出来的高温固体颗粒稳定地送回炉膛燃烧室内，自动调节平衡返料流量，以适应锅炉运行工况变化的要求。
2.5.2排渣
为了控制床内存料和保持适当的料层厚度，防止大渣沉积，保持良好的流化条件，避免结焦，控制排渣时机和流量是很关键的。当料层差压过高时（一次风室压力过高），加大排渣，当料层差压过低时，减少排渣。
2.5.3 汽机联锁保护系统
对汽机轴向位移，凝汽器真空，润滑油压，推力瓦块温度，一级抽汽压力等，以及汽机超速、发电机停机、用电负荷保护动作和保护电源消失等信号进行监视，并实现联锁保护快速动作。
汽轮机紧急跳闸联锁保护：
·汽机超速
·润滑油压低
·轴向位移大
·推力瓦块温度高
·凝汽器真空低
·一级抽汽压力低
·轴承油温高
·发电机跳闸
·主蒸汽温度低保护
·手动紧急停车按钮
2.5.4辅助设备的控制
包括除氧器水位和压力调节回路、凝汽器水位调节回路、减温减压器温度、压力调节回路等。