DCS系统在流化床锅炉中的应用

胡海广 王勇军 河南永银化工实业有限公司，河南 漯河 462400

DCS系统在流化床锅炉中的应用

胡海广 王勇军 河南永银化工实业有限公司，河南 漯河 462400

针对一种全新在流化床锅炉生产过程中进行监视、操作、管理和分散控制的分布式计算机控制系统—集散控制系统（DCS）的应用情况，主要分析了DCS在锅炉系统中的特点、配置、网络结构和功能运用。锅炉DCS系统投运后，运行良好，各项功能达到设计要求。

锅炉；集散控制系统（DCS）；网络结构；模拟量控制系统

boiler ；dcs；network；modulating control system

引言

集散控制系统DCS（Distributed Control System）,又称分布式控制系统，是七十年代以来出现的一种新型控制系统。这种系统以微处理器为基础，应用了网络通讯技术、计算机技术、过程控制技术以及CRT技术，采用了先进的控制功能分散、操作管理集中的特点，能适应不同的应用规模和要求，便于设计、维护和集中使用。因此得到了迅速发展和广泛应用。

近年来，循环流化床锅炉作为常见的电厂燃煤炉之一，具有燃烧效率高、污染物排放低、对煤种适应范围广的特点[1]。由于锅炉系统复杂，自动化水平要求高，为保证安全稳定运行，提高工业锅炉的热效率、降低耗煤量、降低耗电量，降低劳动强度，河南永银化工实业有限公司新建的一台75t/h循环流化床锅炉，采用杭州和利时自动化有限公司的“HOLLIAS电厂自动化控制MACS V分布式DCS控制系统”。

1 工艺流程

锅炉系统主要包括：给水系统、给煤系统、燃烧系统、汽水系统、排污系统等。

燃料煤经皮带落到煤斗中，经炉前给煤机、播煤风将燃料煤送入炉膛中，燃料燃烧所需要的空气由鼓风机经风室送入炉膛，风量和燃料量成正比（风煤比），以便进行充分燃烧，形成高温烟气。燃烧剩下的灰渣在炉膛内下落到冷渣机，经冷却后外排。在炉膛周围墙面上都布置着一排水冷壁，锅炉炉膛出口布置有过热器、省煤器和空气预热器等，燃料燃烧时的高温烟气受引风机的引力向炉膛上方、锅炉尾部流动，高温烟气与水冷壁、过热器、省煤器进行强烈的辐射换热和对流换热，将热量传递给管内的水流，经过热交换后的烟气和空气预热器进一步交换后，较低温度的烟气经过除尘器除尘，经引风机、烟囱排出。省煤器的作用是给水预热，空气预热器的作用是给低温空气预热，以降低排烟温度，提高锅炉燃烧风温，从而节省燃烧。

2 DCS系统配置和网络结构

为保证锅炉的安全经济及合理的运行，锅炉以DCS作为主要监视控制系统，辅以必要的独立保护和控制装置构成对整个监视控制系统。

整个系统从功能上包括以下各个子系统：数据采集系统（DAS），模拟量控制系统（MCS）,顺序控制系统（SCS）,锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）和电气控制系统（ECS）。

2.1 DCS系统配置

全场设置机、炉、电集中控制室，控制室设在主厂房7米运转层锅炉电子操作间， 锅炉共设2面控制柜，并配备专门锅炉DCS电源柜，1台工程师站(ENS),2台操作员站（OPS），1台打印机，4面操作台，在操作台上设有紧急停炉、紧急放水等控制按钮。

其中工程师站、操作员站可互为备用，操作员站之间互为冗余，系统网络冗余配置，现场控制站的电源、主控单元1: 1冗余配置。

2.2 系统规模

永银化工DCS I/O点表（含20%备用）[2]如图1

图1 DCS点表Fig1 DCS point table

2.3 网络结构

和利时MACS V系统的网络结构由上到下分为监控网络、系统网络和控制网络三个层次，中央节点为服务器。网络采用可靠性高的双冗余结构，保证在单网络失效的情况下而不影响系统通信[3]。锅炉DCS网络图如图2。

2.3.1 监控网络

监控网络(MNET)由100M高速冗余以太网络构成，用于系统服务器与工程师站、操作员站、通讯站、高级计算站的连接，完成工程师站的数据下装，操作员站、高级计算站的在线数据通讯。

2.3.2 系统网络

系统网络(SNET)由100M高速冗余以太网络构成，用于系统服务器与现场控制站、通信控制站的连接，完成现场控制站、通信控制站的数据下装，服务器与现场控制站、通信控制站之间的实时数据通讯。

现场控制站服务器与现场控制站的以太网线连接。

2.3.3 控制网络

控制网络（CENT）由PROFIBUS-DP总线构成，用来实现构成I/O模块与现场控制站主控单元的通信，完成实时输入、输出数据的传送。

2.3.4 系统网络连接

各站的节点号设置完成后，即可通过标准以太网的交换机和网络线把各站点连接起来。连接方法采用标准以太网的连接方法。

3.监控系统的画面和功能设计

图2 DCS网络结构图Fig2 DCS network graph

控制界面采用MACS V开发，其功能有：对现场锅炉及管网的模拟量如温度、压力、流量、液位、含氧量等进行采集、处理并上传主控进行监控；对电动机、高压变频器及低压变频器的运行状态（包括启动、停止、运行、故障、电流、频率等）信号进行采集、处理并上传主控，操作员通过对系统状态的判断进行相应操作；工程师站、操作员站中要求有运行数据的实时显示、现场工艺画面、报表（要求每天早上6:30自动打印前一天每一小时数据），还要求有趋势图、报警记录、棒图、PID参数设定，顺序控制等功能，同时要求按照锅炉系统的运行工艺对现场各个系统实现全部控制[4]。DCS主画面如图3：

4 DCS功能应用

锅炉燃烧系统是一个大滞后、强耦合的非线性系统。针对中小型火电特点，本文将重点对母管制锅炉的模拟量控制系统（MCS）进行分析[5]。

4.1 母管压力调节系统

母管制机组须考虑负荷分组，将主蒸汽母管压力作为负荷调节的反馈信号，与母管压力、汽包压力和给水调节系统的主汽流量给定值进行PID运算，其结果乘以相应系数作为锅炉的负荷指令，从而得到各台锅炉的负荷指令、给煤指令和风量指令。如图4：

4.2 主汽温度调节系统

在主汽温度调节系统中，通过调节减温水流量和减温器后汽温来调节主汽温度，由于一般减温水控制容易滞后很大，采用前馈消除干扰，运用串级控制系统，在PID中与多组调节参数进行运算，以维持主汽温度稳定，防止主汽温度偏高或偏低。如图5：

图5 ：主汽温度调节系统Fig5 main steam temperature regulate system

4.3 燃料量调节系统

燃料量调节系统指令即为燃料量指令，总燃料量指令与总风量进行交叉限制后作为调节系统的给定值，在PID中与燃料量测量值进行运算，结果分别作为煤量调节系统和石灰石调节系统的给定指令。如图6：

图6 燃料量调节系统Fig6 fuel quantity regulate system

4.4 总风量调节控制回路

主蒸汽调节系统中发出的风量指令即为总风量指令，总风量中主要为一、二

次风，同时一、二次风直接影响锅炉的运行及燃烧工况，所以总风量调节系统通过改变一、二次风量的指令来保证锅炉所需配风。锅炉主控系统得到的总风量指令与燃料量测定值进行交叉限制后作为总风量调节系统的给定值，以保证负荷增加时先加风后加燃料，负荷减少时先减燃料后减风的要求，从而保证一定量的过剩空气系数和床温，总风量调节系统的给定值在PID中与总风量测量值进行计算后，送往点火风，一、二次风调节。如图7：

图7 总风量调节系统Fig7 total air quantity regulate system

4.5 床温调节系统

床温调节较为复杂，因为影响床温的因素较多，如给煤量，石灰石供应，排渣量，一、二次风量返料量和返料温度等，床温调节系统中床温给定值是在综合考虑负荷指令、给煤量、一、二次风量等物理量后得到的结果。如图8：

图8 床温调节系统Fig8 bed temperature regulate system

4.6炉膛压力调节系统

炉膛出口压力测点测量值经过惯性延滞处理后与给定值一起送入PID中进行运算，运算结果对引风机进行调节，从而调节炉膛压力满足机组运行要求，由于一次和二次风量发生变换时，需经过一段时间炉膛负压才发生变化，因此在上述调节方案中直接把总风量作为前馈信号送入PID调节输出中，以提高一、二次风量变化时调节系统响应的快速性。如图9：

图9 炉膛压力调节系统Fig9 furnace press regulate system

5 结论

河南永银化工实业有限公司新建75t/ h流化床锅炉，采用DCS系统实现自控系统具有软硬件类型少，编程工作量少，工程实施快捷方便的特点，并在2011年3月完成72+24小时联合试运行，各项设计达到要求，运行良好。

[1]岑可法.循环流化床锅炉理论设计与运行 [M].中国电力出版社.1998

[2]王常力.集散型控制系统选型与应用[M].清华大学出版社.1996

[3]HOLLias-macs应用系统技术手册[M].杭州和利时自动化有限公司.2008

[4]周艳惠.DCS在电气系统控制中的应用[J].工业技术.2010年3期

[5] 刘捷.DCS、FCS控制系统在锅炉控制中的应用[J].沈阳：大连民族学院学报. 2004年5月，第六卷第3期

Application of DCS in Fluidized Bed Boiler

Hu Hai—guang,Wang Yong—jun (HeNan YongYin Chemical Industry Co.,Ltd,HeNan LuoHe,462400)

To aim at a new distributed control system(DCS), which is application in fluidized bed boiler to monitor, operate,manage and distributed control.Main analyze it’s characteristic,configuration,network and function. System is running better from commissioning ,every function reaches the design requestions.

TP 273

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.18.043

胡海广（1982.4—），男，汉，河南舞阳人，助理工程师，就职河南永银化工实业有限公司，主要研究方向电气DCS、PLC应用与维护。