1、前 言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及數(shù)字測(cè)量技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)在電站鍋爐控制中的應(yīng)用，DCS（集散控制系統(tǒng)）在現(xiàn)代電力生產(chǎn)中所起到的作用也越來越大。DCS設(shè)計(jì)主要包括硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)2個(gè)部分。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括I/O點(diǎn)的確定，以及DCS硬件系統(tǒng)配置方案。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括各個(gè)系統(tǒng)的控制邏輯，主要包括：鍋爐調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱MCS)，鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱FSSS），順序控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱SCS），以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱DAS)。
2、鍋爐概況
600 MW超臨界鍋爐采用定 滑 定運(yùn)行方式，單爐膛、四角切向燃燒、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Ⅱ型鍋爐。制粉系統(tǒng)：采用中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)，每爐配6臺(tái)磨煤機(jī)（5臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用），給水調(diào)節(jié)：機(jī)組配置2×50%BMCR調(diào)速汽動(dòng)給水泵和1臺(tái)30%BMCR容量的電動(dòng)調(diào)速給水泵。富通新能源生產(chǎn)銷售
生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒
顆粒機(jī)、
木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料，同時(shí)我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
3、600 MW超臨界鍋爐控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
3.1硬件部分
3.1.1系統(tǒng)I/O點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)
技術(shù)人員通過鍋爐系統(tǒng)P＆ID圖對(duì)系統(tǒng)I/O點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)列表，I/O清單應(yīng)包括位置說明、信號(hào)類型、歸屬系統(tǒng)、用途、工作范圍，為軟件組態(tài)的實(shí)現(xiàn)提供條件。表1為600 MW超臨界鍋爐本體范圍內(nèi)的I/O點(diǎn)總數(shù)。
DCS系統(tǒng)I/O站采用按照工藝流程劃分的原則：主要考慮控制和物理分散、子回路相對(duì)對(duì)立、減少站間控制信息的引用，對(duì)于需要多點(diǎn)測(cè)量的重要信號(hào)要盡量分配在不同的模塊上，以保證高可靠性、及時(shí)性和安全性。系統(tǒng)主控單元、系統(tǒng)電源、通訊網(wǎng)絡(luò)及主要模塊均采用冗余配置。
3.1.2硬件配置
在本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案中，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)共分為2層，上層為管理網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)具體的鍋爐控制指令的設(shè)置和執(zhí)行，在本設(shè)計(jì)方案中主要是指鍋爐控制指令的組態(tài)及具體生產(chǎn)指令的設(shè)置；下層為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行上層網(wǎng)絡(luò)（管理網(wǎng)絡(luò)）發(fā)出的指令，2層之間通過網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)連接，具體見圖1：600 MW超臨界鍋爐DCS控制系統(tǒng)硬件配置圖。該系統(tǒng)的DCS包括了四大組成部分：控制器、操作員站、工程師站、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。
3.2軟件部分
3.2.1 600 MW超臨界鍋爐控制主要特點(diǎn)
600 MW超臨界鍋爐采用內(nèi)置擴(kuò)容疏水式啟動(dòng)系統(tǒng)，鍋爐啟動(dòng)初期通過電動(dòng)給水泵保持省煤器進(jìn)口給水流量為30 %BMCR，給水通過螺旋水冷壁以及垂直水冷壁加熱蒸發(fā)，由于蒸汽干度<1，在啟動(dòng)分離器中汽水分離，蒸汽去爐頂集箱，分離出的水通過分離器連接貯水箱分為3路，1路去除氧器，另外2路去大氣擴(kuò)容器，每1路通過1只液動(dòng)調(diào)節(jié)閥來控制分離器水位，3只液動(dòng)閥控制采用開環(huán)控制，通過有先后次序的打開和關(guān)閉，保證分離器水位保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。隨著燃料量的增加，分離器分離出的蒸汽量逐步增加，水量逐步減少，分離器入口濕蒸汽的焓值增加。當(dāng)鍋爐負(fù)荷達(dá)到30%BMCR時(shí)，分離器入口蒸汽干度為1，分離器無水分離。保持給水不變，繼續(xù)增加燃燒率，分離器出口蒸汽達(dá)到一定的過熱度，鍋爐正式轉(zhuǎn)入干態(tài)運(yùn)行，此時(shí)通過煤水比控制分離器出口蒸汽溫度和過熱蒸汽溫度。
過熱蒸汽溫度通過煤水比控制為主，噴水減溫為輔，一級(jí)噴水減溫控制二級(jí)減溫器進(jìn)出口溫差，并且采用分離器出口蒸汽壓力作為蒸汽過熱度保護(hù)。再熱蒸汽溫度控制采用燃燒器擺動(dòng)，噴水減溫為輔。
燃燒系統(tǒng)采用低NO，同軸燃燒系統(tǒng)(LNCFS)，引入緊湊燃盡風(fēng)(CCOFA)、分離燃盡風(fēng)(SOFA)、預(yù)置水平偏角的輔助風(fēng)(CFS)。通過給煤機(jī)轉(zhuǎn)速函數(shù)控制燃料風(fēng)擋板開度；通過總測(cè)量風(fēng)量函數(shù)控制燃盡風(fēng)擋板開度；通過爐膛大風(fēng)箱于爐膛出口壓差函數(shù)控制輔助風(fēng)擋板；通過分級(jí)配風(fēng)有效減少NO，生成。
3.2.2數(shù)據(jù)采集、處理和顯示系統(tǒng)DAS( DataAcquisition System)
數(shù)據(jù)采集及處理，是對(duì)機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（各種過程參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)）進(jìn)行檢測(cè)采集，經(jīng)后續(xù)處理再經(jīng)人機(jī)接口進(jìn)行顯示、打印、報(bào)警及存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)采集是由DCS系統(tǒng)的I/O模塊通過現(xiàn)場(chǎng)的一次儀表、信號(hào)裝置采集工藝過程的參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)，如溫度、壓力、流量、位移等模擬量和設(shè)備狀態(tài)開關(guān)量信號(hào)，使現(xiàn)場(chǎng)信息匯集到DCS內(nèi)部變?yōu)閿?shù)字信息進(jìn)行預(yù)處理。
數(shù)據(jù)計(jì)算處理是對(duì)經(jīng)過預(yù)處理的信息進(jìn)行再加工處理，得到DCS的二次參數(shù)，主要的處理方法如下所述：
(1) -次計(jì)算，這類數(shù)據(jù)處理主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息的補(bǔ)償和修正，一般現(xiàn)場(chǎng)需要補(bǔ)償?shù)男畔⒂校毫髁垦a(bǔ)償，一般采用計(jì)算公式補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ?br />
(2)二次計(jì)算，對(duì)測(cè)點(diǎn)求和、求差、信號(hào)選擇、累計(jì)及平均值、最大值等數(shù)據(jù)計(jì)算；
(3)性能計(jì)算，鍋爐熱效率、汽機(jī)熱效率、電廠總效率及各個(gè)生產(chǎn)班組運(yùn)行考核等計(jì)算指標(biāo)；
顯示部分包括分級(jí)報(bào)警顯示。報(bào)警系統(tǒng)就是將被檢測(cè)的對(duì)象及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出來，并提醒操作人員注意，以防止異常情況進(jìn)一步惡化。
3.2.3模擬量調(diào)節(jié)系統(tǒng)MCS( Modulating Con-trol System)
在超臨界鍋爐中，由于蒸發(fā)與過熱受熱面之間沒有固定的分界線，當(dāng)給水量或燃料量變化時(shí)都會(huì)引起蒸發(fā)量、汽溫和汽壓的同步變化，相互有牽制，關(guān)系密切，這樣給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整增加了靈活性，也增添了復(fù)雜性。隨著超臨界機(jī)組蒸汽壓力的升高，鍋爐中間點(diǎn)汽溫和過熱器出口汽溫控制點(diǎn)的溫度變動(dòng)慣性增加（亦即比熱增加），時(shí)間常數(shù)和延遲時(shí)間相應(yīng)增大，在燃料或給水量擾動(dòng)時(shí)，超臨界鍋爐的蒸汽溫度變化具有更大慣性。
在超臨界機(jī)組啟動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行期間，必須投入啟動(dòng)系統(tǒng)，因此也增加了鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)對(duì)控制的要求。
從以上幾點(diǎn)可知，超臨界鍋爐更難于控制，情況更復(fù)雜。在規(guī)定的運(yùn)行工況下，必須維持某些比例常數(shù)，而在變工況下必須使這些比例按～定規(guī)律變化，在啟動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)，則要求更大幅度地改變這些比例，以得到寬范圍領(lǐng)域的自動(dòng)控制。
為此，必須設(shè)計(jì)更完善的閉環(huán)控制系統(tǒng)，在啟動(dòng)工況下更多地采用變參數(shù)、變定值技術(shù)，所有控制功能應(yīng)在前饋技術(shù)的基礎(chǔ)上完成，并連續(xù)地校正控制系統(tǒng)的增益。
MCS主要包括如下控制回路：
(1)啟動(dòng)方式選擇（冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)）；
(2)機(jī)組主控；
(3)磨煤機(jī)一次風(fēng)機(jī)流量和溫度控制；
(4)煤量控制；
(5)給水泵控制；
(6)熱一次風(fēng)壓差（△p）控制；
(7)暖爐油量和霧化介質(zhì)壓力控制；
(8)鍋爐風(fēng)量控制；
(9) SOFA擋板控制；
(10 )燃料／輔助風(fēng)擋板控制；
(11)二次風(fēng)量控制；
(12)爐膛壓力控制；
(13)給水指令；
(14)燃料／空氣量指令；
(15)分離器水位控制；
(16) -級(jí)噴水減溫控制；
(17)二級(jí)噴水減溫控制；
(18)再熱汽溫控制（噴水）；
(19)再熱汽溫控制（噴嘴擺動(dòng)）。
3.2.4順序控制系統(tǒng)SCS( Sequence ControlSystem)
由于機(jī)組的控制對(duì)象多，控制過程復(fù)雜，運(yùn)行方式多，所以，采用程序控制，不僅可以減少值班員的操作次數(shù)，減少控制盤臺(tái)操作尺寸、縮小監(jiān)視面。更重要的是還可以防止對(duì)象多及運(yùn)行方式多而引起的操作事故，有利于機(jī)組的安全運(yùn)行、防止設(shè)備損壞或是減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度等。
順序控制設(shè)計(jì)要滿足以下原則：
(1)1個(gè)功能組為某一工藝系統(tǒng)內(nèi)所有輔機(jī)及其所有的相關(guān)設(shè)備，如鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、空氣預(yù)熱器及相關(guān)輔助設(shè)備和風(fēng)門擋板等。1個(gè)子項(xiàng)組為某個(gè)設(shè)備組，如1臺(tái)風(fēng)機(jī)及其所有的相關(guān)設(shè)備。
(2)所設(shè)計(jì)的功能組和子項(xiàng)組順序控制自動(dòng)順序操作，并可接受機(jī)組級(jí)順控指令，目的是為了在機(jī)組啟、停時(shí)減少操作人員的常規(guī)操作。且各子項(xiàng)組的啟、停能夠獨(dú)立進(jìn)行。
(3)對(duì)于每一個(gè)子項(xiàng)組及其相關(guān)設(shè)備，他們的狀態(tài)、啟動(dòng)許可條件、操作順序和運(yùn)行方式，均可在CRT上顯示出來。
(4)在手動(dòng)順序控制下，可為操作員提供操作指導(dǎo)，這些操作指導(dǎo)以圖形方式顯示在CRT上，按照順序進(jìn)行，可顯示下一步被執(zhí)行的程序步驟，并根據(jù)設(shè)備狀態(tài)變化的反饋信號(hào)，在CRT上改變相應(yīng)的設(shè)備顏色。
(5)運(yùn)行人員通過手動(dòng)指令，可修改順序或者對(duì)執(zhí)行的順序跳步，但這種運(yùn)行方式必須滿足安全要求。
(6)順序控制中的每1步均應(yīng)通過手動(dòng)指令從設(shè)備的反饋信號(hào)得以確認(rèn)，每1步都應(yīng)監(jiān)視預(yù)定的時(shí)間。如順序未能在約定的時(shí)間完成，則應(yīng)發(fā)出警報(bào)，并禁止程序執(zhí)行下去。如果故障消除，在運(yùn)行人員再啟動(dòng)后，可使程序繼續(xù)進(jìn)行下去。
(7)在自動(dòng)順序執(zhí)行期間，出現(xiàn)任何故障或運(yùn)行人員發(fā)出中斷信號(hào)，可以使正在運(yùn)行的程序中斷并回到安全狀態(tài)，使程序中斷的故障或運(yùn)行人員的指令在CRT上顯示出來。當(dāng)故障排除后，順序控制在確認(rèn)無誤后再進(jìn)行啟動(dòng)。
(8)順序控制是按命令邏輯順序進(jìn)行的，每步都有檢查，在正常工作運(yùn)行時(shí)，程序一旦啟動(dòng)應(yīng)至結(jié)束。在順序過程中每1步都有指令，在此完成后自行熄滅，不同的程序應(yīng)有不同的終止指令以示區(qū)別。
(9)運(yùn)行人員可以在CRT上顯示每1個(gè)被控對(duì)象。一些重要的手動(dòng)設(shè)備操作應(yīng)有許可條件，以防止運(yùn)行人員誤操作。
(10)設(shè)備的聯(lián)鎖、保護(hù)指令具有最高優(yōu)先級(jí)；手動(dòng)指令則比此自動(dòng)指令優(yōu)先。被控設(shè)備的“啟動(dòng)”、“停止”或“開”、“關(guān)”指令相互閉鎖，且使被控設(shè)備向安全方向動(dòng)作。
(11)保護(hù)和閉鎖功能是經(jīng)常有效的，設(shè)計(jì)成無法由控制室人工切除。
(12) SCS應(yīng)通過聯(lián)鎖，聯(lián)跳和保護(hù)跳閘功能來保護(hù)被控對(duì)象的安全。機(jī)組聯(lián)鎖及保護(hù)跳閘功能均采用硬接線連接。
(13)對(duì)于成對(duì)的控制設(shè)備，控制系統(tǒng)的組態(tài)應(yīng)該考慮采用不同的分散處理單元，防止系統(tǒng)故障時(shí)2個(gè)被控設(shè)備同時(shí)失去控制。
按照以上規(guī)則，本設(shè)計(jì)完成的主要功能組及子組級(jí)功能如下：
(1)空氣預(yù)熱器馬達(dá)（主馬達(dá)、輔助馬達(dá)、氣動(dòng)馬達(dá)）；
(2)空氣預(yù)熱器支撐軸承、導(dǎo)向軸承潤滑油泵；
(3)引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)（引風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)進(jìn)出口風(fēng)門擋板等）；
(4)一次風(fēng)系統(tǒng)（一次風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)進(jìn)出口擋板）；
(5)二次風(fēng)系統(tǒng)（二次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)進(jìn)出口擋板）；
(6)給煤機(jī)系統(tǒng)（給煤機(jī)、煤閘門擋板等）；
(7)給水系統(tǒng)；
(8)吹灰程控功能；
(9)啟動(dòng)系統(tǒng)（啟動(dòng)系統(tǒng)液動(dòng)調(diào)節(jié)閥前的電動(dòng)隔離閥）；
(10)暖管系統(tǒng)（暖管管路進(jìn)口、出口電動(dòng)截止閥）；
(11)汽溫控制系統(tǒng)（調(diào)節(jié)閥前的電動(dòng)截止閥）；
(12)省煤器出口放氣閥；
(13)后煙井下集箱疏水閥。
3.2.5鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS，F(xiàn)urnaceSafeguard Supervisory System)
隨著電站單元機(jī)組容量變得越來越大，鍋爐的安全和正常運(yùn)行所必須的監(jiān)控也變得越來越復(fù)雜。這就使得普通的操作人員很難準(zhǔn)確而迅速地處理許多危及鍋爐安全的異常現(xiàn)象，因?yàn)椴僮魅藛T處理突發(fā)事故的能力是受其精神狀態(tài)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和體能等許多因素的限制。要是操作人員能借助控制裝置對(duì)給定的輸入用預(yù)先編制的程序給予快速反應(yīng)使得復(fù)雜的安全聯(lián)鎖程序自動(dòng)進(jìn)行，就可更有效地提高鍋爐運(yùn)行的安全性，富通新能源生產(chǎn)銷售的生物質(zhì)鍋爐以及木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料是客戶們不錯(cuò)的選擇。
鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)，其英文名稱為Fur-nace Safeguard Supervisory Systemo FSSS是由燃料安全聯(lián)鎖系統(tǒng)( FSS)和燃燒器控制系統(tǒng)(BCS)二部分組成，它在防止運(yùn)行人員操作事故及設(shè)備故障引起鍋爐爐膛爆炸方面起著重要作用。
本FSSS系統(tǒng)的主要功能包括：
(1)爐膛吹掃；
(2)主燃料跳閘MFT (Main Fuel Trip)；
(3)發(fā)出跳閘原因顯示和記憶；
(4)爐膛正、負(fù)壓保護(hù)；
(5)燃油泄漏試驗(yàn)；
(6)燃油母管跳閘閥和循環(huán)閥的聯(lián)鎖控制；
(7)油燃燒器點(diǎn)火和熄火控制（中央順序點(diǎn)火和就地點(diǎn)火）；
(8)自動(dòng)順序啟、停油燃燒器；
(9)煤粉燃燒器的層投切控制自動(dòng)順序啟、停煤粉燃燒器；
(10)負(fù)荷的快速返回(RUN BACK)；
)爐膛滅火保護(hù)；
(12)火焰檢測(cè)；
(13)火檢探頭冷卻風(fēng)系統(tǒng)的管理；
(14)二次風(fēng)門檔板的開關(guān)控制；
(15)聯(lián)鎖和報(bào)警。
4、結(jié)束語
隨著電站鍋爐大型化，鍋爐控制系統(tǒng)的重要性也日益顯現(xiàn)出來，完善合理的硬件和控制策略對(duì)鍋爐安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行提供了保障。目前，鍋爐自動(dòng)化水平己趨成熟，擺在我們面前的問題是如何對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制優(yōu)化，這不僅需要先進(jìn)的控制策略，還需要對(duì)鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步解析。
