发电厂1025t/h循环流化床锅炉集散控制系统设计

刘涛

摘要：解决了1025t/h循环流化床锅炉集散控制系统设计问题，以和利时MACS V6.5.2 DCS系统软件为平台进行控制系统组态与网络硬件组态设计，设计采用单冲量与三冲量无扰切换的给水系统控制方式，提出建立发电负荷对应给煤量与风量的折线函数对锅炉主控压力和总风量设定值进行在线实时修正的控制策略，实现对1025t/h循环流化床锅炉的自动控制。机组升降负荷调节实验结果表明，该控制系统能在快速跟踪发电负荷指令的同时，保证锅炉主汽压力、温度以及锅炉汽包水位的平稳运行，实际运行效果证明此控制系统设计方案是循环流化床锅炉平稳、高效、可靠运行的新方法。

关键词：循环流化床锅炉；集散控制系统；系统网络；组态设计；控制逻辑

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）01-0008-03

0 引言

循环流化床锅炉作为一种新型清洁高效的燃烧技术[1]，是解决燃煤锅炉燃烧过程中产生污染问题的主要方法之一，对我国今后能源的发展和环境保护起着重要作用。虽然循环流化床锅炉较其它类型的燃煤锅炉更为先进，但它是多输入多输出[4]、大滞后[2]、强耦合[3]复杂的被控对象[7]。在发电厂生产过程中AGC功能的投入，使机组负荷控制指令要跟随AGC指令的响应要求，但循环流化床锅炉的大滞后和强耦合性，使锅炉的主蒸汽压力和温度不能及时跟踪锅炉主控指令，导致机组负荷响应慢、主蒸汽压力和温度摆动大进而影响锅炉的平稳运行[5-6]。本文以抚顺热电厂2×300MW热电机组项目中1025t/h循环流化床锅炉为研究对象，以和利时MACS V6.5.2 DCS系统为平台进行控制系统设计，通过对锅炉DCS控制系统的硬件组态设计，以及对锅炉的给水系统、一二风系统、主汽系统、燃料系统控制方式的设计，最终实现1025t/h循环流化床锅炉的控制，投产运行后各控制参数平稳、动态响应快，实际应用结果表明该控制系统设计方法的可行性与有效性。

1 工艺流程简介

本项目采用哈尔滨锅炉厂生产的亚临界参数，一次中间再热单炉膛循环流化床锅炉，锅炉的最大连续蒸发量为1025t/h。该循环流化床锅炉应用流态化的燃烧方式，燃料（燃煤、煤矸石）经粗碎、细碎机破碎后通过皮带机、中心给料机、返料器进入循环流化床锅炉膛内，炉床温度在850℃，进入的燃料在锅炉一次风、二次风的作用下处于流化状态并在此过程中燃烧传热给锅炉水冷壁，水冷壁加热来自锅炉省煤器的除盐水，加热后的汽水混合物经过汽包、低中温过热器、高温过热器后变为温度540℃、压力16.67MPa的饱和蒸汽进入汽轮机高压缸做功发电，做功后的蒸汽被再次被引入锅炉内的低温再热器、高温再热器加热为温度540℃、压力3.85MPa的饱和蒸汽进入汽轮机中压缸继续做功发电，燃烧后的烟气经过气冷分离器将未充分燃烧的颗粒与煤灰分离，颗粒部分再次进入炉膛内燃烧，煤灰则随烟气经过静电除尘器时被清除，烟气则经过SCR脱硝、除尘器除尘、脱硫塔脱硫后由烟囱排入大气。

2 集散控制系统配置

2.1 系统网络架构

和利时MACS V6.5.2 DCS系统是通过工业通信网络，将分布在工业现场的工程师站、操作员站、历史站、现场控制站连接起来，完成对现场生产设备的分散控制和集中管理。本项目设计采用冗余的128网段、129网段的双网络结构，该网络结构分为两层：（1）系统网络层（SNET），该层网络包括：工程师站、操作员站、历史站、现场控制站、交换机等设备、其中历史站和交换机采用冗余配置以保证现场数据通讯的可靠性，系统网络负责网络站间的数据传递。（2）控制网络层（CNET），该层网络包括：DPU主控模块、I/O模块等设备，其中DPU主控模块采用冗余配置，DPU主控模块通过Profibus-DP现场总线协议与 I/O模块进行通信并读取现场生产数据，DPU主控模块按照预先的控制逻辑对生产数据进行计算处理，并将需要的数据上传给系统网络层用于上位机显示，同时生成控制指令通过AO/DO模块传递给现场执行器等設备，具体的网络架构见图1。

2.2 系统硬件配置

抚顺热电厂2×300MW热电机组项目采用和利时SM系列硬件以及MACS V 6.5.2火电版本组态软件。该项目#1锅炉控制系统设计工程师站1台、操作员站5台、历史站2台、现场控制站11个；项目锅炉I/O点共计2759个，其中包括：模拟量输入点1020个、模拟量输出点85个、数字量输入点1103个、数字量输出点551个，具体硬件配置见表1。

3 控制系统方案设计

3.1 锅炉给水系统

循环流化床锅炉给水系统对汽包水位的调节要求很高，既要克服虚假水位对锅炉稳定运行的不利影响，又要防止因汽包水位的波动使蒸汽带液造成叶片汽蚀损坏汽轮机。给水系统设计采用根据实际发电负荷自动切换的控制方式，机组负荷在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，设计采用控制器输出互为跟踪的方式，实现两控制器间的无扰切换。在三冲量控制方式时，引入主蒸汽流量值乘以前馈系数对汽包水位设定值进行修正与补偿。

3.2 锅炉风系统

锅炉风系统主要是起对燃料的循环流化和助燃的作用，为使一二次总风量的设定值在发电负荷变化时，速度调整到满足当前负荷的风量值上来，锅炉风系统设计采用建立发电负荷对应一次风量与二次风量的分段折线函数，同时引入锅炉床温和烟气氧含量对总风量指令进行修正与补偿来提高燃料的燃烧效率，具体负荷对应风总量值的折线函数见表2，控制逻辑见图2。

3.3 主汽系统

锅炉稳定运行的首要指标是主蒸汽温度和压力的平稳，主汽系统设计采用两级减温水系统来调节主汽温度，两级喷水减温器分别布置在低中温过热器间和中高温过热器间，每一级喷水减温器均设计采用串级控制方式来调节该级过热器出口蒸汽的温度以满足工况要求，采用串级控制是利用副回路快速调节的特点，及时克服蒸汽流量、燃烧工况、给水温度和流量带来的干扰，从而使主蒸汽温度快速跟踪温度的设定值以满足发电负荷的要求。

3.4 燃料系統

燃料系统的主要任务是控制进入锅炉炉膛的燃料量，以满足机组负荷的要求。本项目燃料系统设计采用在协调控制方式下的串级前馈控制方式，即在协调控制方式时，主蒸汽压力指令响应机组负荷的变化。如图3所示，建立负荷对应给煤量的折线函数作为机组实际负荷前馈指令，并与直接能量平衡（DEB）、锅炉床温的微分计算出的给煤量值三者相加来修正主蒸汽压力指令，协调控制器输出的锅炉主控指令作为燃料控制器的设定值来控制锅炉的实际给煤量。表3为发电负荷对应给煤量的分段函数值表。

4 锅炉运行工况与分析

机组投产并网后锅炉运行参数平稳，发电负荷在190MW～220MW之间做负荷升降调节实验，如图4所示机组负荷指令从190MW上升至220MW，机组的实际负荷能迅速的跟踪负荷指令的变化，主蒸汽压力（机侧主汽压力平均）能快速平稳达到主汽压力设定值，机组负荷稳定在220MW时主蒸汽压力为12.17MPa其余差在4%以内，锅炉汽包水位运行在133mm范围内平稳且波动小；对机组进行减负荷实验如图5所示，负荷指令从220MW下降至205MW，实际发电负荷平稳跟踪负荷指令，锅炉汽包水位维持在138mm范围内，主汽温度平稳运行在为531℃，发电负荷稳定在205MW时主蒸汽压力为14.92MPa，余差在3%以内。机组并网升降负荷试验结果表明，该控制系统对负荷指令响应迅速，控制精度高，锅炉主要运行参数指标达到生产的要求。

5 结语

本文以抚顺热电厂1025t/h循环流化床锅炉为研究对象，以和利时MACS V6.5.2 DCS系统为平台进行控制系统、网络与硬件的组态设计，通过建立发电负荷对应给煤量与风量的折线函数，分别对锅炉主气压力和总风量的设定值进行在线实时修正来提高锅炉的动态响应速度；引入主蒸汽流量前馈系数对锅炉水位的设定值进行补偿的控制方案，最终实现1025t/h循环流化床锅炉的控制，投产运行后各控制参数平稳，对机组进行并网升降负荷实验测试结果表明，该控制系统能在迅速跟踪负荷指令的同时，保证锅炉主汽压力、温度以及锅炉汽包水位在设定值的范围内，其他各项指标均达到生产要求，实际应用效果证明该控制系统设计方法的可行性与有效性。

参考文献

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[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.

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[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.

[6] 朱红霞，沈炯，李益国.循环流化床锅炉床温的预估滑模控制[J].动力工程学报，2016，36（5）：365-366.

[7] 张燕秦，徐向东.循环流化床锅炉控制系统设计研究[J].电站系统工程，2003，9（5）：50-52.

Abstract：The design problem of distributed control system for 1025 t/h circulating fluidized bed boiler had been solved. The control system configuration and the network hardware configuration were designed based on Hollysys MACS V6.5.2 DCS system software. The non-disturbance switching water supply control system of single-impulse and three-impulse were designed. The polyline function of coal supply and Air volume were established under the generation load. The polyline function values were used to modify the set point of steam pressure system and coal feeding system and then realized the automatic control of 1025 t/h CFB Boiler. The generation load experiment results were showed that the control system can track the power load instructions quickly and ensure the steady operation of the main steam pressure， temperature and the water level of the CFB boiler drum. The system actual operating results were showed that the design scheme of control system was the new methods of the CFB boiler in stable， efficient and reliable operation.

Key words：CFB boiler； distributed control system； system network； configuration design； control logic