NT6000DCS控制系统在承钢150t燃气锅炉上的应用

2016-02-11徐建国王鑫磊蒋海滨

工程技术研究 2016年12期

关键词：燃气锅炉汽包水流量

张京，徐建国，王鑫磊，蒋海滨

（河北钢铁集团承钢能源事业部，河北承德 067102）

NT6000DCS控制系统在承钢150t燃气锅炉上的应用

张京，徐建国，王鑫磊，蒋海滨

（河北钢铁集团承钢能源事业部，河北承德 067102）

燃气锅炉燃烧是一种高效率、清洁性的热能设备，各个行业应用十分广泛。文章在介绍NT6000DCS软硬件的基础上，重点分析承钢150t燃气锅炉控制的主要回路，探究NT6000DCS控制系统在燃气锅炉汽包水位和炉膛负压以及过热蒸汽温度控制等重要控制回路上的应用。项目在集散控制系统对解决国内节能减排的问题、提高当今燃气锅炉的自动化水平、提高能源利用率的研究有一定的借鉴。

燃气锅炉；集散控制系统；汽包水位

集散控制系统（Distributed Control System）又称为分布式控制系统，它是以微处理器为基础的集中监控、操作、管理和分散控制生产过程的集中控制系统。随着计算机技术的发展，分布式控制系统的发展不断取得进步。燃气锅炉的控制问题也是当今非常重要的研究方向，有很多需要解决的问题。燃气锅炉是一个多参数输入，多参数输出，非线性多变量相互耦合的控制对象，它的控制过程十分复杂。文章在分析燃气锅炉发展现状的基础上，介绍承钢公司150t燃气锅炉项目情况，着重分析南京科远NT6000系统软硬件组成，组态方法以及在150t燃气锅炉上的应用，最后在结论中探讨了今后的工作方向。

1 承钢150t/h燃气锅炉项目

1.1 燃气锅炉现状

钢铁企业燃气锅炉使用的燃料主要来自于炼钢炼铁以及炼焦生产中产生的各种煤气副产品。在使用过程中，相比于燃煤锅炉，燃气锅炉产生的污染水平更低，其主要原因是各类煤气在燃烧过程中更加完全，而不易于产生不完全氧化的物质，效率更高。因此不管从社会效益考虑或是经济角度而言，燃气锅炉的应用在未来都具有十分广阔前景。

1.2 承钢150t/h燃气锅炉概况

工程主要建（构）筑物包括：150t/h高温高压燃气锅炉一台、配套40MW纯凝式汽轮发电机组一套、减温减压器一套、一座循环水泵站、水处理系统、升压站、外网管道及配套厂房。包含工程范围内的煤气（高炉煤气、转炉煤气、混合煤气）、采暖热水、氮气、消防水、外送蒸汽、生产水等动力介质的接入及生产废水的外排等。新建锅炉系统设计参数要求如表1所示。

表1 新建锅炉设计参数

控制系统是分散控制系统（DCS）及DEH：选用南京科远公司NT6000系列产品。DCS和DEH各采用两台全功能站，互为备用，实现控制网络和控制终端的冗余。

2 NT6000DCS控制系统软硬件介绍

2.1 NT6000硬件介绍

NT6000硬件系统是科远公司基于现场总线技术而设计，以可靠、易用、先进的三大设计理念作为指导，通过多方合作、严格检验、精心创新的研制过程，开发出的具有高度可靠性、适合多种工业应用习惯的，拥有灵活适应性、多种高级控制算法平台。它是拥有现场总线解决方案的能够面向未来的、达到国际水平的产品。NT6000整个硬件系统的各部分结构如图1所示，分别由工程师站、操作员站、多种控制机柜、现场控制器、输入输出模件以及两级通讯网络等组成。

图1 NT6000硬件系统各部分结构

2.2 软件系统概述

NT6000DCS系统能够提供一个互相通用的系统组态和操作控制平台，能通过工程师站对软件各种功能进行组态，将整个系统提供的各个功能单元按一定的逻辑和顺序连接起来，形成一个完整的能完成各种工艺要求的控制系统。系统组态将完成系统配置、控制程序、流程监控、系统诊断、报警显示、历史数据查询以及各类生产管理报表等。实际上，控制系统组态的整个过程，可以在各子系统组态编辑时并行开展。

算法组态软件ControlX软件是南京科远DCS系统软件中核心控制算法组态软件，其中包括各种常用的功能模块，编程人员可以将软件中的各种功能块相互连线，完成各种功能组态。安装软件包括能够提供标准的OPC服务器，接口组件报警控件以及报警服务器。

3 承钢150t燃气锅炉主要控制回路设计

3.1 燃气锅炉的特点

燃气锅炉为一种极为复杂的控制对象，主要的输入变量包括锅炉给水量、炉膛送风量、减温水流量、燃料量以及引风量等；主要输出变量包括汽包水位、过热蒸汽温度、炉膛负压以及蒸汽压力等，诸多输入变量以及输出变量之间存在了很大的相互关联性。因此燃气锅炉设备就是一种由多输入、多输出变量组成且相互关联的复杂控制对象。

3.2 汽包水位控制

对于锅炉汽包水位的自动控制而言，其关键任务是实现给水量与锅炉蒸发量的一致。除此之外，还需要将汽包水位控制在允许的范围以内。无论是燃气锅炉还是燃煤的锅炉，对于现代锅炉的运行而言，汽包水位都是一个极其关键的被控参数。在整个锅炉汽包水位控制系统中，操作变量为给水流量，汽包水位是被控变量。假设汽包水位太高，那么就会对汽水分离效果产生影响，还会造成蒸汽水分含量增大，进而引起出口蒸汽带水、带盐的问题，使得汽轮机叶片受到严重腐蚀，甚至可能出现叶片损坏出现事故；另外还会出现过热蒸汽温度降低的问题。假设汽包水位太低，那么会使得锅炉内汽水循环受到影响，出现水冷壁过热而损坏等情况。在负荷较大的情况下，水汽化速度增大，可能出现锅炉烧坏甚至爆炸。所以对于整个锅炉安全运行而言，锅炉汽包水位控制回路是一个极其关键的控制回路。

在实际情况下出现“虚假水位”主要是由于在锅炉蒸汽负荷突然增大的情况下，锅筒蒸发量无法在很短时间内增大到对应值，使得汽包内的蒸汽压力降低。这就会使汽包中水温由负荷变化之前的压力对应的饱和温度降低到汽包压力降低之后对应的饱和温度。这种情况下，大量热量的释放使得锅筒内水以很快的速度蒸发，形成很多气泡，汽水混合物容积增大，水位上升。所以可以看出，汽包水位控制不能仅仅依据水位高低判断给水流量大小，在设计水位控制的程序过程中需要充分考虑到“虚假水位”等影响，实现对给水量的准确调节。

在实际系统运行过程中，为了避免“虚假水位”对给水控制带来的不良影响，可以在给水流量满足以及蒸汽参数稳定时，选择手动或者自动的方式采用三冲量调节系统。锅炉汽包三冲量液位控制系统是在双冲量控制系统的基础上发展形成，其中增加了蒸汽流量信号，充分利用水位、给水流量以及蒸汽流量实现液位控制。主冲量信号是汽包水位，辅助冲量信号为给水流量以及蒸汽流量。从根本上来说，三冲量控制系统就是前馈加反馈控制系统，蒸汽流量信号是前馈量，可以将其划分为两种类型，分别是单级控制系统与串级控制系统。在蒸汽流量增大的情况下，调节器马上动作，使得给水流量增加，采取这种方式能够避免由于“虚假液位”导致的误动作。由于给水流量调节器输出控制信号和蒸汽流量信号存在着一致的变化趋势，因此主蒸汽流量信号的方向选择为正极性。在给水流量发生扰动的情况下，调节器会马上动作，实现对给水流量的调节，最终保持汽包水位维持不变。从上面的分析可以看出，系统中的反馈信号是给水流量信号，利用其可以消除给水侧扰动。在汽包水位上升的情况下，通过调节器控制给水流量，使得给水流量降低，保持水位不变，反过来也是一样，所以调节器入口水位测量信号与蒸汽流量信号相反是负极性的。

承钢150t锅炉汽包液位控制采取的是三冲量控制，有效解决了单冲量和两冲量调节不足，克服了虚假水位的影响，保证了汽包液位的基本稳定。汽包液位给水调节回路具体控制原理：给水流量优选值和主蒸汽流量相减后，经过量程变换，与汽包水位优选值相加以后送到PID调节器输入，经过调节器计算后的值由调节器输出，送到手操器模块输入端，由手操模块输出去调节主给水执行器，确保汽包液位基本稳定。主给水执行器反馈电流信号送入DCS电流输入卡件。反馈电流由AI送入手操器模块输入跟踪值端。当给水流量、蒸汽流量、汽包液位发生严重故障时候，或者给水流量与主蒸汽流量偏差过大时候，手操器强制手动并输出报警，这属于一种程序上的保护设计（见图2）。

图2 汽包液位给水调节回路

3.3 蒸汽压力与送风控制

在实际锅炉运行过程中，需要利用蒸汽压力对蒸汽供需变化关系进行反映，蒸汽压力也是描述蒸汽的关键参数。假设蒸汽压力太高，那么就会使得金属材料蠕变加快；蒸汽压力太低表示蒸汽供需不平衡，各种设备消耗的蒸汽量比产出的蒸汽量大，这样就无法长时间稳定运行。所以，对于锅炉的安全稳定运行而言，保持蒸汽压力稳定是非常重要的。在实际运行过程中，燃料量、蒸汽流量、送风量、给水量、燃烧工况等各种因素都会对蒸汽压力产生影响。其中可以将主要扰动划分为内扰动以及外扰动，内扰动是燃料量的变化，外扰动为蒸汽流量的变化。需要通过对煤气量调节的方式完成对锅炉蒸汽压力的控制，也就是通过对煤气阀的调节完成控制目标。将煤气量调节阀开度调大，煤气燃烧产生的热量就会增加，蒸汽压力就会变大，反之就会使蒸汽压力降低。另外还需要实现煤气量与鼓风量之间的配合，在煤气量确定的情况下给出最优鼓风量。假设送风量不足，那么就无法实现完全燃烧，送风量过大就会带走大量热量。依据工艺要求，在负荷增大的情况下，首先增大鼓风量，然后增大煤气量；在负荷降低的情况下，首先降低煤气量，然后降低送风量。为了实现对蒸汽压力的有效控制，需要依据蒸汽压力变化的情况下对燃料量进行控制，使得满足负荷需求。此外在燃料量改变时也需要对送风量与引风量进行调整。需要指出的是，蒸汽压力控制为大惯性大滞后过程，通常采用PID控制。这主要是PID控制存在结构简单、实现方便等诸多优点，另外不需要构建精确的数学模型，能够对控制器进行在线调整。

承钢150t锅炉由于煤气压力受到生产单位影响较大，煤气压力变化较频繁，送风回路与燃烧等多个变量密切相关，目前控制炉膛煤气调节阀执行器控制煤气量，用送风机变频器和送风调节阀执行器去控制锅炉送风量，以实现锅炉燃烧控制和调节锅炉负荷操作。送风回路主要是为了让进入炉膛的煤气充分燃烧，达到最佳的空燃比，使锅炉达到设计的热效率。锅炉装有氧化锆氧量表，使操作人员能知道炉膛的含氧量，来调整送风量，实现炉膛的经济燃烧。进入炉膛的煤气分为高炉煤气和转炉煤气，通过煤气调节阀控制煤气的流量和压力（见图3）。

3.4 炉膛负压控制

引风调节系统的主要任务是控制炉膛负压。假设炉膛负压太大，那么就会导致炉膛温度降低，燃料量消耗增大，漏风量增大，此外还会使得引风机电耗以及烟气带走热量进一步增加，甚至还会出现锅炉灭火的情况；假设炉膛负压过低，那么就会出现向外喷火的情况，不但会带来污染环境的问题，而且危及人员与设备安全。因为引风调节对象存在测量方便、动态响应快等诸多优点，因此只需要在引风测量系统中采用炉膛负压作为被调量。炉膛负压主要会受到引风量与鼓风量两个因素的影响，通常需要利用引风量实现对炉膛负压的控制。在研究的过程中就需要将炉膛负压作为被控对象，引风量则为控制对象，这都需要保持鼓风量不变。在鼓风量改变情况下，引风量也需要改变，一般需要将选取鼓风量为引风控制过程中的前馈量。这都要求鼓风量增大的情况下需要加大引风量，鼓风量降低需要一段时间后降低引风量。

承钢150t锅炉炉膛负压控制主要采用单回路闭环控制，将炉膛出口压力优选后送到PID控制器输入端，输出值送入手操模块输入端去控制引风机变频器，实现炉膛负压控制。期中设计了一些保护回路，如果负压过低，转为强制手动控制（见图4）。

图3 送风机控制回路

图4 炉膛负压控制回路

3.5 过热蒸汽温度控制

在整个蒸汽过热系统中有一级过热器、减温器、二级过热器、减温器。为了使得过热器出口温度保持在规定范围内，需要利用两级减温水控制对过热蒸汽的温度进行自动控制，另外该系统需要保证过热器管壁温度稳定在规定过的工作范围内。假设过热蒸汽温度过高，那么会导致过热器损坏，另外还会出现汽轮机热膨胀问题，使锅炉的安全运行受到影响；假设过热蒸汽温度太低，那么就会导致汽轮机等设备工作效率不足，此外还会使汽轮机蒸汽湿度过大，页片受损。因此要求对过热蒸汽的温度进行严格的控制，保持其在规定的范围内。其中，蒸汽流量、燃烧工况、烟气温度、流速等诸多因素都会对过热蒸汽温度产生影响。当前普遍选取减温水为操作变量，而被控变量选取过热器出口温度，从而形成单回路控制系统。然而由于控制通道时间常数以及时滞都比较大，采用单回路通常不能满足系统需要，所以需要在系统中选取减温器出口温度作为副被控变量，形成串级控制系统。

承钢150t锅炉过热蒸汽温度控制回路的控制主要采取两级减温水调节，第一级减温水采用单级控制回路进行粗调节（见图5），第二级减温水采用串级控制进行细调节（见图6），达到严格控制过热蒸汽温度的目的。主蒸汽温度调节系统可以通过两级减温水调节阀进行调节，一级过热器温度调节进行粗调，只采用单回路就可以满足要求。主汽温度二级过热器出口温度调节系统使用串级控制，主要参与控制参数包括集汽箱的出口温度、喷水减温器出口温度。主汽温度与设定温度经过主调节器计算输出后，作为副调节器的设定值与减温器出口温度进过副调节器计算后输出去控制减温水调节阀门。主汽温度测量值在该主汽温度调节系统下用于反馈输入，同已经设定好的主汽温度作PID运算，运算结果传递至副调，同减温器出口的温度经过主控制器运算后，获得的结果经过限幅处理后再经过手操器模块向执行机构传递，控制减温水阀门开度，系统出现故障时则切换为强制手动状态。

4 结束语

燃气锅炉目前已经在世界各国得到了大规模地应用，其优势主要包括便于调节负荷、可以很好地适应多种燃料。燃气锅炉的控制实现过程较为复杂，并且其控制参数表现出时变性、非线性、互相耦合的特征，所以要构建精准的数学模型来描述燃气锅炉控制过程并非易事。通过划分其获得若干个独立控制子系统，便于分析燃气锅炉工作机理，同时引进如今具有较强可靠性、经济性以及稳定性的集散控制系统——南京科远NT6000DCS系统，实现预期的控制功能。文章还发现部分有待解决的问题，在接下来的研究中将深入地进行分析与探究，例如熟知煤气变化压力的具体变化过程。优化控制参数与程序，全面完善协调控制策略，提高其燃烧利用的经济性，它们都是未来研究分析的重点内容。