基于Hollysys软件的CFB锅炉水位监控系统设计

刘涛 张爽

摘要：研究了循环流化床锅炉（CFB）汽包水位监控系统的设计问题，以Hollysys DCS软件为监控平台完成锅炉水位监控系统的网络与硬件组态设计，设计采用根据锅炉负荷（发电功率）自动完成单冲量与三冲量无扰切换的控制策略对汽包水位进行监控，通过Simulink的仿真平臺对汽包水位控制方案进行随机扰动测试，测试结果表明该控制系统能迅速的克服锅炉蒸汽与给水流量的随机扰动，保证锅炉汽包水位的平稳运行，实验结果证明此锅炉水位控制系统设计方案的可行性与有效性，为循环流化床锅炉水位平稳、高效、可靠运行提供了的新设计方法。

关键词：循环流化床锅炉;控制系统;系统网络;组态设计;控制逻辑

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）07-0007-03

0 引言

循环流化床锅炉（CFB）则是一种新型清洁高效的燃煤燃烧技术[1]，同时也是石化和电力企业生产过程中的主要的动力设备和能量来源。锅炉汽包水位是锅炉运行的重要参数，它反映了锅炉蒸汽量与给水流量之间的动态平衡关系，汽包水位过高会导致蒸汽带液，对后续生产过程的转动设备产生汽蚀影响;水位过低则会破坏锅炉自身的水循环影响运行效率，严重时会带来干锅和锅炉爆炸的危险[2]，因此必须对锅炉汽包水位控制在运行合理的范围内，对锅炉汽包水位影响的主要干扰因素为蒸汽流量和给水流量。

本文针对电厂CFB锅炉多输入多输出[3]、大滞后[4]、强耦合[5]的特点，采用基于Hollysys DCS系统软件平台对CFB锅炉水位控制系统进行硬件和控制逻辑组态设计，设计根据发电功率自动无扰切换的水位控制策略对汽包水位进行控制，通过Simulink的仿真实验验证该控制系统对抗扰动的快速性与有效性。

1 控制系统的网络与硬件设计

本设计采用Hollysys DCS系统平台对CFB锅炉水位控制系统进行网络组态，为保证控制网络的可靠性，网络配置采用互为冗余的128、129双网络结构，控制网络分为系统网络层（SNET）和控制网络层（CNET），结构如图1所示。

（1）系统网络层设计包括：工程师站1台、操作员站1台、历史站2台、现场控制站2个、交换机等设备，其中历史站、交换机采用冗余配置以确保现场锅炉汽包水位监控数据及控制指令传递的及时性和可靠性。

（2）控制网络层硬件设计包括：SM920电源模块、SM220主控模块、SM512/510模拟量输入/输出模块、SM610/711开关量输入/输出模块，其中现场控制站的电源模块和主控模块设计采用冗余的硬件配置，主控模块通过Profibus-DP现场总线协议与 I/O数据模块通信并读取现场锅炉汽包水位、蒸汽流量与给水流量运行的工况参数，监控系统按照预先设计的控制逻辑进行操作与控制以保证锅炉汽包水位的稳定与安全。

2 控制系统的监控方案设计

2.1 控制方案设计

锅炉汽包水位是一个典型的非自衡系统，锅炉在生产运行时汽包内充满了含有大量蒸汽汽泡的水，并且蒸汽汽泡的量会随着汽包内的压力和炉膛温度的变化而变化，当锅炉负荷增加时蒸汽用量上升，会造成汽包内压力下降致使汽包内水沸腾加剧，此时汽包的水位因在其内汽泡体积增大而升高形成虚假水位。给水流量的增加对汽包水位的影响不是立刻上升的，由于给水温度和汽包内水温度存在温差，使一部分蒸汽汽泡消失使总体积变小，所以汽包水位不会马上增加会表现出一定的惯性和滞后。

针对以上蒸汽流量和给水流量对锅炉汽包水位影响的特点，本文设计采用根据发电负荷来实现单冲量水位控制与三冲量水位控制自动无扰切换的控制策略，即负荷在30%额定负荷以下采用单冲量控制;在30%额定负荷以上采用三冲量控制，在自动控制方式切换时，设计采用单冲量控制器与三冲量控制器输出互为跟踪的方式，实现两控制器间的无扰切换，即在三冲量给水控制方式时，单冲量控制器的设定值（SP）等于锅炉汽包水位的测量值（PV）、单冲量控制器的输出值（AV）跟踪三冲量控制器输出指令，在三冲量控制方式时，引入主蒸汽流量值乘以前馈系数对三冲量汽包水位控制器的设定值进行修正与补偿;在单冲量控制方式时，三冲量给水流量控制器的设定值（SP）等于锅炉给水流量的测量值（PV）、给水流量控制器的输出值（AV）跟踪单冲量控制器输出指令;三冲量给汽包水位控制器的设定值（SP）等于汽包水位的测量值（PV）、水位控制器的的输出值（AV）跟踪锅炉给水流量的测量值（PV），具体锅炉水位控制逻辑组态见图2所示。

2.2 监控画面组态设计

锅炉水位控制系统监控画面以Hollysys MACS V6.5.2火电版本DCS组态软件为平台进行设计，由图3所示上位机操作员站设计实现对锅炉汽包水位、汽包压力及给水流量和蒸汽流量的监视，并根据当前发电负荷完成汽包水位三冲量与单冲量控制方式的切换，上位机画面设计有汽包水位设定值手操器和给水流量设定值手操器，负责汽包水位和给水流量的设定。监控画面设计有锅炉水位控制手动与自动按钮完成控制模式的切换。

3 控制方案的抗扰动仿真验证

为验证CFB锅炉汽包水位三冲量控制方案的可行性，在MATLAB软件平台上应用Simulink控件对锅炉汽包水位三冲量控制进行仿真模拟分析。

设蒸汽流量对汽包水位的扰动通道的传递函数为：

设给水流量对汽包水位的控制通道传递函数为：

蒸汽流量变送器参数为0.0667;给水流量检测变送器转换系数为1.0;液位变送器的转换系数1.0。如图4所示的为锅炉水位三冲量控制系统的Simulink连接图，在连接图中蒸汽流量和给水流量扰动为扰动变量。

对锅炉水位三冲量控制进行外加随机给水与蒸汽扰动测试：（1）在液位控制器控制参数为P=4.0、Ti=200、Td=10;流量控制器控制参数为P=3.0;给定值=20时，外加蒸汽随机扰动= -1.5到+1.5，流量随机扰动= -1.5到+1.5的仿真曲线，控制效果如图5所示。（2）在液位控制器P=4.0、Ti=200、Td=10;流量控制器P= 3.0;给定值=20;蒸汽随机扰动= -3.0到+3.0;流量随机扰动= -2.0到+2.0的仿真曲线，控制效果如图6所示。

从仿真曲线图5、图6的情况可以看出使用锅炉水位三冲量控制系统，能克服负荷（蒸汽量） 和给水流量随机扰动的干扰，及时消除汽包水位偏差，前馈控制又能根据蒸汽量的变化趋势实现超前控制快速地克服回路内的扰动，改善了系统的过程动态特性，使控制系统对生产负荷的变化具有一定的自适应能力，保证汽包水位的稳定，提高了锅炉水位控制系统的工作效率。

4 结语

本文以电厂CFB锅炉汽包水位为被控对象，研究实现了基于Hollysys软件的CFB锅炉水位监控系统的设计，控制方案设计采用根据发电功率自动无扰切换的水位控制策略，对汽包水位进行控制，控制系统监控画面以Hollysys MACS V6.5.2 DCS组态软件进行监控画面组态设计，完成对锅炉汽包水位的监控与控制模式的切换。通过对锅炉水位三冲量控制方案进行仿真分析，对控制系统外加蒸汽流量与给水流量随机扰动后，控制系统能根据扰动迅速动作，克服负荷（蒸汽量） 和给水流量的干扰，使锅炉汽包水位始终保持稳定的状态，仿真控制效果证明了此控制方案对锅炉汽包水控制的可行性与有效性。

参考文献

[1] 于希宁，王慧，王东风，等.模糊控制在循环流化床锅炉床温控制中的应用[J].华北电力大学学报，2005，32（3）：43-46.

[2] 云苏和.循环流化床锅炉控制系统先进控制技术应用[J].石油化工自动化，2018，54（2）：33-34.

[3] 王万召，王红阁，谭文.智能解耦控制器在循环流化床锅炉燃烧系统中的应用[J].动力工程，2009，29（8）：757-760.

[4] 席学军，姜学智，李东海，等.循环流化床锅炉燃烧系统的自抗扰控制[J].清华大学学报（自然科学版），2004，44（11）：1575-1579.

[5] 傅彩芬，谭文.循环流化床锅炉燃烧系统的控制研究[J].热能动力工程，2016，31（2）：66-67.