生物質鍋爐DCS控制系統方案

一、項目簡介

生物質鍋爐以生物質能源做為燃料,燃料被螺旋給料機送入爐膛，在此處由于高溫煙氣和一次風的作用逐步預熱，干燥、著火、燃燒，此過程中析出大量揮發分，燃燒劇烈。產生的高溫煙氣沖刷鍋爐的主要受熱面后，進入鍋爐尾部受熱面省煤器和空氣預熱器，再進除塵器，最后經煙囪排入大氣。未氣化的燃料邊向爐排后部運動，直至燃盡，最后剩下的少量灰渣落入爐排后面的除渣口。本方案中采用DCS控制系統，以人機對話方式與鍋爐用戶交換信息，實現鍋爐全自動操作運行。

生物質鍋爐房DCS控制系統是將整個鍋爐房主、輔機系統作為一個完整的控制對象，從各參數檢測、連續調節、聯鎖保護、邏輯控制、顯示報警、監控管理到數據通訊上均將其作為一個整體進行控制。在智能負荷智能協調控制策略的基礎上通過前饋/反饋控制、連續/斷續控制、非線性控制、方向性控制等控制機理的有機結合來協調控制鍋爐出力和出水溫度，保持質和量之間的平衡。協調出力熱網負荷需求與鍋爐實際出力、鍋爐燃燒控制與循環水流量以及鍋爐房各子控制回路間的平衡。在保證鍋爐房具備快速熱網負荷需求響應能力的同時，維持鍋爐主要運行參數的穩定。

一般生物質鍋爐房DCS至少包括如下控制回路：

. 主汽壓力調節自動控制

. 減溫水自動控制

. 汽包水位調節回路

. 主汽溫度調節回路

. 送風量調節控制回路

. 母管制燃燒控制符合分配方案

. 燃燒自動調節回路

. 爐膛負壓自動調節回路

. 外網出口供回水壓差自動調節

除以上各具體控制回路以外，DCS系統還具備以下一般性功能：

. 運行人員確認，故障切換，故障閉鎖等措施

. 聯鎖保護，方向閉鎖等安全設計

. 對于多輸出系統設計有多路平衡原則（MOCS），保證手/自動切 換無擾

. 設計有鍋爐房輔助設備故障時的Runback和防止誤操作設計

. 系統掉電后安全設計

. SOE功能、事故追憶功能

. 控制范圍符合實際，符合鍋爐設備許可運行能力

二、控制方案設計

1、網絡拓撲圖

2、控制點數清單

實際模塊配置保留15%點數余量。

3、控制系統功能設計

3.1主汽壓力調節自動控制

主蒸汽壓力自動調節系統是鍋爐主要的自動調節系統之一，它通過燃燒控制系統直接承擔著鍋爐負荷調整任務，它的投用及調節效果的好壞，將直接影響鍋爐汽包水位，主汽溫等參數的調節。鍋爐燃燒主蒸汽壓力自動調節系統是以反映鍋爐熱量供求平衡的主汽壓力信號作為控制參數，通過改變鍋爐燃燒量與配風量來改變鍋爐的燃燒狀況。根據主汽壓力參數高、低，調整鍋爐給料機轉速以改變燃料量，從而實現主汽壓力參數的校正。

在鍋爐的燃料調節系統中，采用“熱量－燃料”調節方式，熱量信號由蒸汽信號和汽包壓力的微分所組成，是一種間接測量燃料量的方法。

主蒸汽壓力調節系統的控制參數的整定主要體現在鍋爐熱量信號的改變上。當鍋爐燃燒狀況改變時，鍋爐熱量信號也會相應的發生變化。而當鍋爐主蒸汽流量改變時，只要進入爐膛的燃料量不變化，熱量信號就不應該變化，即鍋爐主蒸汽流量的變化與鍋爐汽壓的變化存在一定的耦合關系。因此整定熱量信號時應該考慮，當存在內擾時，熱量信號相應的發生變化；當存在外擾時，熱量信號不能變化。由DCS實現的鍋爐主蒸汽壓力作為主控制信號，以主蒸汽流量信號作為副調信號的串級控制系統。

3.2一級減溫水自動控制

主蒸汽溫控制為減溫水控制，其中減溫水為粗調，其減溫水流量為0～20t/h。鍋爐減溫水兩側主蒸汽溫度控制系統均需要投入自動，減溫控制系統的主要任務是保持集汽集箱前后的溫差與鍋爐負荷成一種函數關系。因此一級減溫水控制與二級減溫水控制在主汽溫度控制系統中是必須保持一種相互協調關系。其中減溫水控制系統的作用是對主蒸汽溫度以快速消除影響主汽溫度較大的擾動（比如鏈條秸稈不均勻、秸稈熱量不夠等）。如果減溫水控制不投入自動，當較大的主汽溫度擾動出現時，那么只能由操作工根據運行經驗調整一級減溫水給水量。這不但使操作工增加了操作強度，而且增加了人工干預減溫水而出現的主汽溫度擾動，更加不利于主汽溫的穩定。減溫水投入自動后可以直接起到保護屏式過熱器并保證其溫度的穩定。

3.3母管制燃燒控制負荷分配方案

針對生物質發電的特點，我方做出方案設計的思路是保證鍋爐在最經濟工況下運行，以能量平衡燃燒控制算法為基礎，對每臺正運行的鍋爐進行合理負荷分配。具體方法是：

第一步，將正在運行的鍋爐分成兩類，一類為帶額定負荷的鍋爐，一類為參與調峰的鍋爐。

第二步，將母管壓力信號轉化為流量需求信號，轉化方法在燃燒控制算法中已經做了詳細說明。

第三步，將流量需求信號首先分配給帶額定負荷的鍋爐，讓其在最經濟條件下運行，然后將余下的流量分配給參與調峰的鍋爐。

第四步，每臺鍋爐根據分配來的流量負荷計算出當前鍋爐的給料量。

3.4 MCS基本方案

MCS由以下主要調節子系統：

（1）給水調節

汽包水位調節采用分程調節，啟動時用小閥調節（單沖量），當汽機系統正常運行時用主給水閥調節（三沖量）。

（2）主汽溫度調節（減溫水調節）

循環流化床鍋爐正常運行時不僅要求主汽壓力穩定，而且要求主汽溫度穩定。主汽溫度是反映機組運行情況的一個重要參數。如果主汽溫度偏高，過熱器及汽機將在更加惡劣的環境下運行，材料的使用壽命將會縮短。相反，如果主汽溫度偏低，則汽機達不到預定的運行效率。因此，機組正常運行時要求主汽溫度穩定。

主汽溫度調節采用串級控制方式，取噴水后汽溫為導前信號，主汽溫度為設定值，若鍋爐的負荷增加，主汽溫度降低不能調整至設定值時，需啟動燃燒調節回路。

（3）送風量調節（煙氣氧量調節）

主汽壓力控制系統發出的風量指令即為總風量指令。總風量中一、二次風所占比例最大，同時一次風和二次風直接影響鍋爐的運行及燃燒工況。所以，總風量調節系統通過改變一、二次風量的調節指令來保證鍋爐所需配風。鍋爐主控系統得到的總風量指令與燃料量測量值進行交叉限制后作為總風量控制系統的給定值，以保證負荷增加時先加風后加燃料、負荷減小時先減燃料后減風的要求，從而保證一定的過剩空氣系數。總風量控制系統的給定值在PID中與總風量測量值進行運算，運算結果經過函數處理后送往風道燃燒器點火風調節系統、一次風調節系統及二次風調節系統。

（4）引風量調節（爐膛負壓調節）

通過調節引風機擋板，使爐膛壓力穩定在設定值上。引風量調節系統設有前饋，把一次風量和二次風量之和作為前饋信號加到PID調節的輸出，以提高一、二次風量變化時，引風量調節系統的響應速度。

（5）主汽壓力控制系統

循環流化床鍋爐和煤粉鍋爐一樣，維持主汽壓力恒定都是最基本的控制要求。汽輪機或熱用戶的蒸汽用量發生變化時，主汽壓力就會產生波動。此時為了維持主汽壓力恒定，必須改變進入鍋爐的燃料量和助燃空氣量。無論是單元制機組還是母管制機組，都要從能量平衡的角度來構造鍋爐主控系統，即由燃料加入量維持主汽壓力恒定。

當機組按單元制運行時，采用主汽壓力控制系統進行鍋爐主控。在主汽壓力控制系統中，通過調節入爐燃料量來控制主蒸汽壓力，以滿足機組的運行要求。由于入爐燃料量是影響床溫的重要因素之一，故在構造主汽壓力控制方案時把床溫的影響也納入控制方案中。床溫增加減小燃料量，床溫降低則增大燃料量。由于循環流化床鍋爐運行時床溫可以在一定范圍內波動，故在上述控制方案中設置了不調溫死區，即床溫在該死區內時不改變燃料供給量。由于主蒸汽流量變化直接反映了機組的負荷變化，故在上述控制方案中把主蒸汽流量信號經過函數運算后直接加到控制輸出上，通過前饋形式提高系統的響應速度。

主汽壓力控制系統得到的燃料量指令和風量指令，分別送往燃料量控制系統和風量控制系統。

附：青島華凌科技有限公司在鍋爐行業部分工程業績：