基于DCS下的锅炉自动控制应用

基于DCS下的锅炉自动控制应用

 刘燕 ,张晋海 ,潘何 ,付联 ,何平

西南油气田公司川西北气矿  四川省江油市  621700

摘要：DCS是当今工业发展中一个重要组成部分，是一个以通讯网络为纽带的多层计算机系统，其主要包括工艺控制层和工艺监视层，DCS的基本控制理念为“分散控制、集中管理”，在此基础上，系统按照一个特定目标，建立多个子系统，将各个子系统分解后，再由中心处理器进行数据的交流与共享，最后由控制系统对各个子系统进行采集，并将其经过处理后传输到中央控制室，由操作人员进行集中控制、监控和操作。

关键词：DCS；锅炉；自动控制；应用

1系统概况

某电厂一期工程1号和2号630MW超临界燃煤发电机组于2007年9月和2008年1月相继投产，三大主机分别由东方锅炉厂、东方汽轮机厂、东方电机厂提供，机组DCS智能控制系统采用ABBSymphony系统。电厂二期工程3号和4号660MW超超临界燃煤发电机组分别于2016年11月和12月投产，三大主机分别由东方锅炉厂、东方汽轮机厂、东方电机厂提供，机组DCS智能控制系统采用ABBSymphonyPlus系统。

目前，电厂DCS智能控制系统主要存在以下问题：（1）机组调频响应时滞长，存在调节时间延迟；（2）机组调频过程中爬坡速率低，不能准确跟踪电网调度指令；（3）机组调频存在调节偏差和调节反向问题；（4）机组调频脱硝控制需要优化。

2DCS系统的构成

DCS的控制结构可划分为上位系统与下位系统，其主要算法主要以模糊PID控制算法为主。上位系统与总系统之间相互连接，主要负责对数据信息的残采集、储存、处理等工作，其能够对DCS上位机加以全方位控制，同时通过配套软件功能设定与调解控制参数，能够同时监测整个系统的工作情况，一旦发现系统有任何异常，便会立刻发出警报，对上位系统关键在于对其进行监测。下位机主要通过PLC进行控制，PLC与现场各有关设备相连，以达到DCS与现场设备的通信，通过与下位机联机，能够实现对整个系统的动态监测。目前，在DCS系统中，S7-300系列PLC是常见自动控制系统，本系统是以WINCCV6.0为基础，以SIEP7V5.3为开发平台，其系统接口均为Windows。

3基于DCS下的锅炉自动控制应用

3.1对锅炉汽包水位进行控制

锅炉能否安全运行的重要参数便是汽包水位的正常性。在锅炉电气自动控制系统中，有两个调节水阀，主调节阀主要是在正常负荷以及高负荷时应用的，而备用调节阀则是应用于低负荷中，同时也可将备用调节阀作为主调节阀的备用选项。汽包液位出现上升时，液位调节输出量将减小，加法器的输出量也将随之减小，借助DCS控制系统对锅炉汽包给水的控制，将汽包水位设定在允许范围内，以确保锅炉的稳定运行。

其中，SP-h代表汽包水位给定值;h代表汽包水位;SP-Dgs代表内环给水量给定;Dgs代表给水流量;Dq代表主汽流量;fbo代表主汽流量前馈系数;PI1代表主调节器;PI2代表副调节器;G1代表给水们特性函数;G2代表汽包特性函数。

3.2采用外挂控制系统实现优化控制

采用外挂控制系统不需要修改原DCS智能控制系统，仅需增加通信接口和控制指令的切换功能，可以随时无扰切换回原DCS智能控制系统进行控制。外挂控制系统和原DCS智能控制系统在功能上互为备用，在接口逻辑设计完善的情况下，外挂控制系统的异常和故障不会对机组安全产生影响。外挂控制系统发生故障时，仅仅失去外挂的优化控制功能，并不会影响机组的安全运行。另外，外挂控制系统的控制策略和逻辑随时可以修改，不影响机组的正常运行。因此，采用外挂控制系统比直接修改DCS智能控制系统更加安全和方便。在外挂控制系统中使用的是高性能、高可靠性的专用控制硬件和系统（PLC或适用现场控制的专用计算机系统），以及各种高级控制算法，可以优化机组控制效果，从而提高机组的控制品质。

因此，电厂改造决定采用外挂控制系统，在外挂控制系统中采用模型预测控制（MPC）、广义预测控制（GPC）、自抗扰先进控制（ADRC）、大延迟大惯性专用控制（APC-PID）和常规DCS智能控制算法（外挂控制系统中也有常规DCS智能控制系统算法模块），实现机炉协调控制和温度控制。

三种外挂控制系统都能取得比较好的控制效果。其中，南网科技公司外挂控制系统的控制指标相对差一些，主要原因是该系统指标在机组参与调频并且调频综合值较高的条件下采集，而另外两个系统的指标在常规AGC变负荷条件下采集。西门子PROFI控制系统的控制性能最好，但是系统为进口产品，投资成本较高，单台机组的投资需要500万元左右，暂不考虑使用。并且西门子PROFI控制系统需要配合西门子DCS智能控制系统使用，目前还没有与ABBDCS智能控制系统配合使用的例子，可能导致建设周期比较长，系统优化控制效果可能随着时间的推移慢慢变差。综上，本次改造采用国产的南京英纳维特INFIT控制系统。

3.3汽包水位控制

在锅炉汽包水位控制中，经常会发生假水位现象，在汽包水位检测中，一般采用三冲量控制，其对锅炉汽包水位的控制有以下两个方面：一是能明显提高锅炉汽泡水位精度，在锅炉运行的过程中，经常会出现蒸气增加现象，此现象便是假水位引发原因之一，当水位迅速上升后，自动控制系统能及时发出警报，迅速控制积水量，避免汽包水位不平衡。第二，当耗气量增大时，可以在比例控制模式下通过调整结构提高水量，一旦虚假水位恢复正常，蒸汽和湿度便会重新回到正常状态，并且可以进行连续调整，保证锅炉运行稳定性。

3.4自动调节锅炉过热蒸汽温度

自制冷凝水喷射装置作用为调整锅炉过热蒸汽稳定状况，并根据减温器出口蒸汽温度和集气罐蒸汽温度测定结果，对减压阀开度进行适当调整，在减少水量的同时，对温度进行调整，以保证温度在430～450℃之间。在集气罐出口的蒸气温度呈现逐步升高趋势时，减温量会相应增大，反之减温量则会降低，从而保证蒸汽温度和稳定与相关要求标准相匹配。

3.5对锅炉炉膛负压进行调节

DCS控制系统下的炉膛负压自动控制系统是通过调整引风机来调整锅炉炉膛的负压，在此期间，需要确保炉膛负压值保持在-20～-10Pa，以确保锅炉在燃烧过程时运行状态的稳定性与安全性。

同时，在控制锅炉炉膛负压时，需要采取控制引风量大小的方法，并在鼓风量达到一定状态后，将鼓风量作为引风控制的前馈量。如果出现鼓风的op值增加的情况时，控制系统需要立刻增加引风op值;如果出现鼓风op值减少的情况时，控制系统则需要等待一段时间后，才能减少引风op值。

其中：SP-Ps代表炉膛负压给定值;e代表主调节器偏差;Ps代表炉膛负压;u代表主调节器控制输出;u∑代表总控制量输出值引风执行器TK代表主调节器控制周期;G(S)代表主回路传递函数;fb所代表的前馈增量;fb1代表排粉机出口压力前馈系数;fb2代表送风门开度前馈系数;ΔPpfj代表排粉机出口压力增量;ΔMsfm代表送风门开度增量。

3.6基于DCS系统的锅炉仪表控制系统

在锅炉自动化运行中，仪表控制是整个系统的关键部分，SLC500是当前DCS锅炉的主要自动化设备。SLC500系列包括就地控制装置、压力传感器、锅炉温度传感器，将水位感应器等装置连接起来，并对其进行采集。然后，根据采集到的信息进行分析，并进行相应的控制，采用工业以太网络监控锅炉，收集监测数据，综合利用系统的数据对锅炉进行系统的调节，对锅炉进行系统调节，实现检测、控制和调节的自动化控制，图3为设备控制锅炉装置，主要包括温度传感器、流量计、压力传感器和压力传感器等。将数据集中到DCS的上位机后，由上位机根据仪器的数据进行逻辑计算，然后发布命令。

结论

引入DCS技术建立连锁防护体系，保证了生产和运营绝对安全，使得自动化的无人值守得以切实实现，在日后工业发展中，自动化将会被大量使用，从而实现真正的现代化、智能化。

参考文献：

[1]周小凤.基于PLC的锅炉自动控制系统设计[J].包头职业技术学院学报，2020,21(3):8-10.

[2]肖望.自然循环锅炉控制系统的研究与设计[D].沈阳：东北大学，2015.