DCS在热水锅炉自动控制中的应用

摘 要: 介绍DCS系统在热水锅炉自动控制中的应用,针对实际调试中程序控制方面的一些问题,提出解决方案,并在实际运行中取得成效。

关键词: 热水锅炉; DCS监控系统; 智能控制; 反量程处理

中图分类号: TP273文献标识码: A文章编号: 1009-8631(2010)03-0092-03

一、概述

DCS集散控制系统是一种以微处理器为基础的分散型综合控制系统,它综合了计算机技术、网络通讯技术、自动控制技术、冗余及自诊断技术等多门类学科,目前已成为工业过程控制的主流系统。在新建热水锅炉房时,我们考虑并实施以DCS作为热水锅炉主要监视控制系统,辅以必要的独立保护和控制装置构成对整个锅炉系统的监视控制系统,将水泵工作电流信号、备妥信号、运行中及运行否信号、故障信号、起停信号等送入DCS控制系统、并提供相关联锁及报警信号。在集中控制室内,运行人员以DCS的操作员站为主要监视和控制手段,辅以必要常规监控盘、DCS系统控制机柜、UPS电源柜及强电操作柜等。

二、DCS监控系统综述

1. 硬件系统

该DCS系统是一个综合的、集成的、标准化的过程控制和管理系统,网络是冗余双系统网络;所有模拟量输入I/O卡件采用全万能输入、单点隔离、全配电设计(现场变送器不需再另外配置DC24V电源)。

操作站具备不同级别的操作权限,操作权限由操作员密码方式限定,操作权限由管理人员设定和修改。操作站可以运行组态软件或用作工程师站的仿真终端,并配有工程师键盘使其能进入工程师组态环境,并可对网络上的设备进行诊断和维护。如图1

2. 监控系统软件功能

监控系统软件能完成实时数据监视、历史曲线分析、历史报表与实时报表生成、硬件检测、数据修正、控制曲线分析、实时控制、自动声光报替和报誓记录分析等功能。

参数设置页面:

在参数设置页面中,设置了锅炉出水温度、二次水循环系统出水压力和风煤比系数,并且可以显示锅炉设定出水温度曲线、实际出水温度曲线、实际回水温度曲线、二次水循环系统设定出水压力曲线和实际出水压力曲线。另外还显示实际锅炉出水流量、炉膛温度、炉膛负压、锅炉排烟温度。

供暖系统运行流程页面:

在该页面中可以控制各个设备的运行,同时可以显示供暖系统的整个运行流程画面及各个设备的工作状态画面。当锅炉点火后,该页面上会出现锅炉燃烧的画面;当循环水泵、鼓风机、引风机和炉排电机运转后,该页面上会出现电机转动的画面;并且在画面中的每个设备旁同时还显示该设备的相关数据。

历史曲线页面

在历史曲线页面中可以显示一定时间内的锅炉出水温度、出水压力、出水流量、锅炉回水温度、炉膛温度、炉膛负压、锅炉排烟温度、二次循环水泵出水压力等曲线。

3. 数据采集的运行情况

系统通过DCS实现现场温度(热电阻、热电偶);压力(压变);给水流量、耗煤量、循环泵给水流量、电机运行参数采集显示。同时系统并行安装数显仪实现对锅炉进出口水压、水温及炉膛负压的数据采集显示。

现场测量参数,经计算机数据采集系统进行处理,通过流程画面提供给运行人员,监视设备运行,同时又给控制系统提供调节依据。参数显示方式有数字、曲线、棒状图、参数表及动画等;显示多样、切换灵活、实时监测、动态变换。系统投入至今,检测率始终保证在98%以上,数据转换精度优于0.1%,软、硬件故障率(仪表因素除外)为零,存盘记录的准确率为100%。

4. 报警与联锁控制情况

本系统通过对锅炉及对整个热网内的各种设备运行工况实施监测,不但实现了锅炉水、煤、电、热等主要能源进行统计与分析功能。而且实现了以下连锁报警功能。

(1)供热系统补水定压自动调节(由变频装置内置PID宏实现)(2)巡回检测:对供热系统的各种温度、压力、流量、热量、转速、以及各种设备的启、停状态进行采样、巡检、显示、记录、累计、报警和打印。(3)联锁:依次起动顺序为循环水泵、重型板链、重型框链出渣机、炉排、引风机、鼓风机,停止时为反方向。(4)自动停炉:当锅炉出水压力低于0.4MPa或锅炉出水温度高于140℃时,自动依次停止炉排、鼓风机、引风机,为防止同时停止鼓、引风机引起炉膛正压,应设停鼓风机时延时停引风机功能。(5)声光报警;当锅筒压力低于0.6MPa、锅炉出水温度高于130℃时自动发出声光报警信号。

在系统中我们考虑了分优先报警和一般报警,提醒运行人员注意,采取相应措施及时调整,报警方式有颜色、表格、记录及声光,主要报警还实时显示在每幅操作画面的报警区,以体现其参数的重要性。如果参数报警未能及时处理与纠正,计算机则自动发出启动或停止相应运行设备的指令,从而保证正常生产,同时联锁内容通过CRT画面显示相关设备状态,并提供手动方式的操作指导,以做到人工干预的优先。

三、锅炉控制及调节中存在问题的解决方法

1. 锅炉燃烧系统存在问题的解决

锅炉的燃烧系统是一个多参数对象、多扰动,各参数交叉影响的系统。链条式锅炉存在较大的不确定性、复杂性、不稳定性,以及较大的容量滞后和较长的滞后时间。因此,采用常规的PID调节很难达到控制要求,甚至无法投入自动运行。分析现有许多锅炉自动控制系统和热水锅炉的运行情况,主要存在以下控制难点:

1.1 链条式热水锅炉从给煤量的变化到其燃烧产生的热量,并使锅炉出口水温度发生变化需要较长的时间,即锅炉出口水温度纯滞后时间长、容量滞后大,用简单的PID控制很难获得理想的效果。

1.2 煤质的变化,造成风-煤比的改变,采用一般的定值控制系统无法使系统始终运行在最佳或次最佳的燃烧状态。

1.3 燃烧过程机理复杂,影响燃烧工况的因素较多,对象变化较大,很难准确地建立单一的控制模型。

针对上述情况我们制定出以下控制方案

热水锅炉燃烧系统调节如图2所示:

(1)加入自寻优控制方案

锅炉燃烧系统调节的主要任务是保证水温的稳定,同时保证锅炉的安全运行。除此之外,关键在于如何保证经济燃烧,这也是热水锅炉节能降耗的关键所在,众所周知,经济燃烧问题,实质上就是进煤量和进风量的配比问题,如果能保证适当的风-煤比,就可以实现最高的燃烧效率,实现经济燃烧。如果空气量不足造成不完全燃烧,产生CO,这种情况除污染环境外还造成严重的热能损失;反之,当空气量过多时,一方面使炉膛温度低,另一方面也是最重要的是使烟气换热损失增加。由于现阶段的检测手段和检测设备尚不能方便地测得精确的进煤量和进风量,给整个风-煤比的自动控制造成一定的难度,但进煤量与炉排转速、煤层厚度存在着一一对应的函数关系,而进风量同样与鼓风机的转速存在同样的关系,这可以巧妙地避开这一难题。使风-煤比在整个运行过程中始终保持在最佳或次最佳状态,还存在另一个难题,由于煤质的变化同样会造成风-煤比比值的漂移,那么一个定值控制系统是无法适应煤质变化这一干扰的,所以在这里我们加入了自寻优控制方案,初次投运时,可根据经验和摸索初步设定调风-煤比的给定值,系统投入自动并稳定后,定时启动自寻优功能,根据炉膛温度的变化和烟气含氧量的变化自动微调风-煤比至最佳或次最佳,达到经济燃烧。

(2)根据所需热量调节锅炉燃烧系统

上面的锅炉燃烧是在环境温度没有变化的理想状态下的调节,它所克服的干扰仅是风量的变化、煤质的变化,风的温度的变化及锅炉负荷小的变化。但是,我们的热水锅炉是用来冬季供热的,因此在整个冬季室外环境温度的差别是很大的。有的年份初冷期与深冷期的室外环境温度差可达到20℃。甚至一天24小时的温差也可达到10℃左右。这样就提出了锅炉必须按不同的环境温度提供不同的热量,同时在一天24小时根据不同的时间段提供相应的热量。锅炉供水热量公式为:

当锅炉回水温度变化被控制在很小时,我们如果改变锅炉供水温度,即使锅炉出口水温度随着室外环境温度的不同作相应调整变化,就可使热量达到所需热量。但人为的随意改动锅炉出口水温度的设定值,不仅缺乏依据和实时性,而且也会给系统带入较大的人为干扰,也不利于节能降耗。

根据实际情况,结合本地历年冬季室外环境温度数据和经验,我们制定出锅炉出口水温度随室外温度变化的曲线,使DCS自控系统根据室外温度的变化自动调整锅炉出口水温度的给定值,即做到了实时调整,又避免了人为修改给定值给系统带来的较大扰动,同时节约能源。另外,考虑到在冬季初冷期和深冷期,白天和晚上所需的的热量(负荷)不同,因此,我们考虑,可使DCS自控系统自动跟踪室外温度变化24小时时间变化来自动来自动无扰改变锅炉出口水温度的给定值,至使锅炉提供出的热量与所需热量保持一致其具体的控制方法如下:

将出水温度的设定值和室外温度及热量(负荷)的变化联系起来,以出水温度为调节信号,构成回路调节,调节输出控制炉排转速和鼓风风量,即改变燃煤量和风煤比,使锅炉燃烧参数随之改变,以达到出水温度和设定值的一致。

设定值随室外温度变化规律

设定值在一天当中随负荷的变化规律(8段分时控制曲线)

2. 炉膛负压控制

(1)负压测量的反量程处理:

负压在锅炉燃烧系统的控制中是很重要的参量,尤其是炉膛负压的测量结果,直接参与了燃烧控制过程。一般压力测量应该是随压力增大,变送器输出电流值相应增加,其图形曲线的斜率为正;而负压的测量却因变送器选型的不同而有差异。我们现在使用的Setra268型差压变送器来测量炉膛负压,该表型不能实现的量程迁移。测量时导压管接正压室,随压力的增大,变送器输出电流减小,以-200—0Pa为例,其测量曲线斜率为负,这样的结果不是我们所需要的,如果将其直接送入DCS系统中参与控制,可能引发不可预见的结果。

这时就需要对测量结果采取软件处理的方式,将变送器随负压变化所对应的输出电流值变化的对应关系相应处理,使计算机中对应的变送器量程向相反区域发生变化,我们将这个处理过程称为“反量程处理”。

为了使其变化趋势改变,又不改变其线性关系,我们在DCS软件中对测量值作这样的处理:(PI113—为一虚拟位号,PT113—为炉膛负压测量位号){PI113E｝=1.0-{PT113E｝

由于进入计算机的值不具有单位的百分量数值,可由图4看出,这样处理后,原K1线上的A点就变化到B点,将这样处理后的值连接后,就会形成新的K2线,其变化趋势为压力-200—0PA变大,电流值由4—20MA增加,与我们的要求吻合。这样就完成了负压测量上的反量程处理。

(2)炉膛内鼓风量和引风量两者的控制方案:

对于鼓风量,我们采用常规的PID控制,但是煤量的变化是鼓风控制的一个大的干扰,如果鼓风的调节滞后于煤量的变化,那么势必会造成冒黑烟现象,严重污染环境,我们采用的解决方法是把煤量作为鼓风控制的前馈量,这样可以实现当煤量变化后及时改变鼓风量进行调节,当煤量增加时,提前增加鼓风量这是应该的,但是当煤量减少时,却不能立即减少鼓风量,这样同样会因为鼓风不足,造成冒黑烟,因此必须做出一个判断,判断加煤量OP1值是增加还是减少,当加煤量OP1值增加那么立即增加鼓风量OP2值,当加煤量OP1值减少时,却要等待一段时间,然后在减少鼓风量OP2值。

控制炉膛负压我们主要控制引风量的大小,在这里炉膛负压作为被控对象,当然这是在鼓风量一定的状态,那么当鼓风量发生变化的时候,对于引风量的控制同样可以参照鼓风控制的方案,在这里是把鼓风量作为引风控制的前馈量,当鼓风OP值增加时立即增加引风OP值,但当鼓风OP减少时,却要等待一段时间,然后再减少引风OP值的大小。

炉膛压力自动调节框图如图5所示

3. 锅炉温度回路的控制

从控制理论的角度分析热水锅炉,它是一个多变量、非线性、分布参数的和带时延的复杂对象,它有多个被控变量(温度、炉膛负压等)和调节变量(煤量,鼓风量和引风量等)相互之间存在交叉影响,还有媒质,环境温度和水流量等诸多因数,不难分析燃烧对象具有大的纯滞后,特别是回水温度回路,其滞后时间与PID时间常数相比更大,在控制回路中,其中有三个重要的参量:SP(被控量的设定值),PV(被控量的实际值),OP(PID的操作操作输出),一般根据SP和PV的偏差E通过PID运算得到OP输出,进而控制现场的相应设备来调节温度,使其逼近SP值,当设定回水SP后,由于回水温度回路滞后时间较长,其起作用的效果至少要等1个小时才能得到(这主要取决于小区供热面积),这样大的滞后必然会带来系统大的超调,甚至造成系统的不稳定,这样我们采用控制锅炉的出水温度,但是为了保证锅炉回水温度达到要求,出水温度的SP值要受到回水的控制,在这里我们采纳智能控制的思想,通过我们给出的工艺参数实现对出水温度SP值的设定。回水SP根据供暖要求一般由供暖曲线给出,即根据室外温度按曲线给出回水温度的SP预定值,然后将其和回水的实际值PV相比较,如果其绝对值大于偏差上限值,那么如果其值大于0,则把出水的SP值设为SP的最小值,否则设为最大值,如果不大于偏差上限△max,那么如果其值大于0,则把出水SP设定为当前值减去一个偏移量,否则加上偏移量。通过这样设定出水SP,不仅可以避免系统的超调太大,而且大大缩短了调节时间。

4. 定压补水控制系统

补水泵控制是保证正常、稳定供热的重要环节,补水泵泵控制均采用定值调节。根据定压点的压力,通过变频器调节补水泵转速,及时补充水量,防止系统缺水,保证系统安全运行。通过水泵调节,保持系统供回水压力稳定,为系统正常供热提供保障。

一次定压补水水泵一用一备,当锅炉间集水器压力大于0.5Mpa,DCS自动停锅炉循环泵;当锅炉间集水器压力小于0.3Mpa,DCS自动启动锅炉补水泵,系统水压由变频恒压控制。

系统恒压补水回路,其构成框图如图所示.

四、结语

综上所述,该控制系统根据锅炉的负荷要求,实时调节给水量、给煤量、鼓风量和引风量,使锅炉经常处于良好的运行状态,将原来的手工控制造成全自动控制,对于负荷变化大、变化频繁的锅炉节能效果很好,一般可达到10%左右;可以在保持足够温度的前提下,实时调节输出热量,达到节能、环保的目的;实现自动控制,节能效果明显,可使锅炉节约20%左右燃煤;提高了设备的可靠性,减小了设备维护工作量,减轻了操作者的劳动强度,由于变频供电时电机起动电流较小,因而使电机所受的电气冲击和机械冲击大降低,提高了设备的使用寿命,另外,该系统具有完善的监测保护功能,使安全性得到了大提高。

参考文献:

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