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1、引言
    20t鏈排鍋爐的原設(shè)計(jì)模式較為落后，不能滿足生產(chǎn)中的控制要求，經(jīng)過對(duì)原設(shè)計(jì)圖紙認(rèn)真分析，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：1）在自控部分原設(shè)計(jì)雖遵循了鍋爐常規(guī)儀表控制的模式，設(shè)備選型按照廠家要求選用一套DCS系統(tǒng)，但在回路控制功能上僅設(shè)計(jì)了汽包水位控制回路和除氧器壓力控制回路，其余的鍋爐控制功能均以操作工手動(dòng)調(diào)節(jié)完成。故原設(shè)計(jì)從完成功能上看遠(yuǎn)未發(fā)揮其功效；2）原設(shè)計(jì)中的電氣控制部分電控元件選型陳舊，風(fēng)機(jī)變頻器聯(lián)鎖設(shè)計(jì)及上煤系統(tǒng)控制聯(lián)鎖設(shè)計(jì)較瑣碎且使用分離的繼電器邏輯控制，可靠性較低，缺少故障提示，不利于系統(tǒng)維護(hù)。
    根據(jù)以上分析，為了更好地完成控制功能，重新進(jìn)行了20t鏈排鍋爐的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
2、系統(tǒng)的構(gòu)成及控制功能
    根據(jù)20t鏈排鍋爐的生產(chǎn)工藝和控制要求，控制系統(tǒng)采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)。
2.1  現(xiàn)場一次儀表和執(zhí)行器
    1)溫度信號(hào)檢測。鍋爐有10余處溫度檢測點(diǎn)，根據(jù)各檢測點(diǎn)的情況分別使用了熱電阻和熱電偶。
    2)壓力、差壓類變送器。鍋爐系統(tǒng)涉及多處壓力和差壓信號(hào)的檢測。變送器均采用進(jìn)口產(chǎn)品。對(duì)于爐膛負(fù)壓、汽包液位等要求較高的關(guān)鍵檢測點(diǎn)，選用日本橫河公司的EJA變送器；對(duì)于其它用于觀測和作一般控制的檢測點(diǎn)，選用價(jià)格較低、性能穩(wěn)定的美國賽倫斯的變送器，富通新能源銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的木屑生物質(zhì)顆粒燃料。
    3)流量變送器。鍋爐系統(tǒng)有主蒸汽流量、給水流量和減溫水流量等需要檢測。選用孔板流量計(jì)進(jìn)行流量信號(hào)變送。主蒸汽流量、給水流量是系統(tǒng)中的關(guān)鍵檢測點(diǎn)，流量計(jì)配套的差壓變送器選用日本橫河公司的EJA變送器，減溫水流量檢測配套的差壓變送器選用美國賽倫斯變送器。
    4)調(diào)節(jié)閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。引風(fēng)風(fēng)門執(zhí)行機(jī)構(gòu)，給水、減溫水、除氧器壓力、除氧器液位調(diào)節(jié)閥門使用川儀的ZKJ電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和ZKZM系列電動(dòng)套筒閥。
    5)變頻器。變頻器在工業(yè)鍋爐調(diào)速控制系統(tǒng)中，主要應(yīng)用于鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、供水系統(tǒng)及除渣系統(tǒng)。其最主要的目的在于節(jié)約能源。采用變頻調(diào)速方法節(jié)能的原理是基于流量、壓力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。這些參數(shù)之間的關(guān)系是：流量oc轉(zhuǎn)速，壓力cc轉(zhuǎn)矩cc轉(zhuǎn)速的平方，功率oc轄速的3次方。即：風(fēng)機(jī)或水泵流量與轉(zhuǎn)速的1次方成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的2次方成正比，而軸功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比。因而，理想情況下系統(tǒng)各參數(shù)之間的關(guān)系如表1所示。
    由表1可見，當(dāng)需求流量下降時(shí)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可以節(jié)約大量能源。例如：當(dāng)流量需求減少一半時(shí)，如通過變頻調(diào)速，則理論上講，僅需額定功率的12. 5%，即可節(jié)約87. 5%的能源。如采用傳統(tǒng)的擋板方式調(diào)節(jié)風(fēng)量，雖然也可相應(yīng)降低能源消耗，但節(jié)約效果與變頻相比，則有天壤之別。
    變頻器在鍋爐控制系統(tǒng)中起到的作用為：①鼓、引風(fēng)機(jī)控制。鼓、引風(fēng)機(jī)采用變頻控制，這是鍋爐系統(tǒng)中變頻應(yīng)用的主要部分。既是節(jié)電最顯著的部分，同時(shí)也是變頻投資最大的部分。這主要是由于鼓、引風(fēng)機(jī)功率相對(duì)較大，而鍋爐運(yùn)行中，隨著負(fù)荷的增減，鼓、引風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)的幅度相對(duì)也較大。在鼓、引風(fēng)機(jī)采用變頻控制時(shí)，需要注意鼓、引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量裕度問題。如果原設(shè)計(jì)或由于其它原因造成風(fēng)阻加大，裕度較小時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大一檔變頻器容量，以使變頻器可以適當(dāng)提高頻率(大于50 Hz)，即提高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，以保證鍋爐系統(tǒng)有足夠的風(fēng)量。否則，極易造成原系統(tǒng)大負(fù)荷時(shí)風(fēng)量夠用（但裕度�。�，使用變頻后，大負(fù)荷時(shí)風(fēng)量不夠的尷尬局面。其原因在于變頻本身也消耗一部分功率，其輸出功率比標(biāo)稱功率略小的緣故。②恒壓供水。在鍋爐供水系統(tǒng)中，采用變頻控制，既能節(jié)約大量能源，又能穩(wěn)定供水系統(tǒng)的壓力，保障鍋爐系統(tǒng)的安全運(yùn)行，是非常有實(shí)際意義的。并且供水系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)相對(duì)鼓、引風(fēng)機(jī)而言容量較小，投資不大。因此，非常值得推廣采用。
    供水系統(tǒng)變頻應(yīng)用的特殊性為：鍋爐供水系統(tǒng)一般采用多臺(tái)電動(dòng)機(jī)，并聯(lián)母管式供水，沒有必要對(duì)每臺(tái)電動(dòng)機(jī)都采用變頻。既經(jīng)濟(jì)又可靠的方法是只有2臺(tái)電動(dòng)機(jī)由變頻自動(dòng)控制，且這2臺(tái)電動(dòng)機(jī)為一用一備方式工作。主要是利于電動(dòng)機(jī)檢修。其它供水電動(dòng)機(jī)仍采用常規(guī)控制方法，其原因有兩點(diǎn)：一是在并聯(lián)母管式供水下，全自動(dòng)控制供水方式不實(shí)用，無實(shí)際意義。主要原因是每臺(tái)水泵的單向逆止閥泄漏問題和更換問題。全自動(dòng)控制供水時(shí)，單向逆止閥前后的截止閥必須始終保持打開狀態(tài)，才能保證自動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，水能夠自動(dòng)流出。但隨著鍋爐負(fù)荷的增減，水泵電動(dòng)機(jī)不會(huì)全部運(yùn)行。這樣，不運(yùn)行的水泵電動(dòng)機(jī)，由于單向逆止閥在水壓的作用下，極易發(fā)生泄漏，造成水的回流及電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)。而當(dāng)需要停止的水泵運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)由反轉(zhuǎn)變?yōu)檎�轉(zhuǎn)的過程中，電動(dòng)機(jī)就會(huì)產(chǎn)生超負(fù)荷大電流，必然造成控制電路超負(fù)荷跳閘。此時(shí)解決的方法是：采用半自動(dòng)控制，設(shè)定供水壓力上、下限報(bào)警。上限報(bào)警時(shí)，通知操作人員關(guān)掉1臺(tái)水泵。下限報(bào)警時(shí)，通知操作人員啟動(dòng)1臺(tái)水泵。而變頻控制的水泵則保證在可調(diào)范圍內(nèi)的恒壓供水。二是每臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)均采用變頻控制，投資太大，且由于上述原因，也不實(shí)用。故在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，將變頻器應(yīng)用在鼓、引風(fēng)機(jī)控制和給水泵使用變頻控制。由于鼓、引風(fēng)機(jī)是鍋爐系統(tǒng)的關(guān)鍵控制點(diǎn)，故選用了三菱公司高可靠性的F500系列變頻器。另外，鍋爐的爐排亦需要調(diào)速控制，由于電動(dòng)機(jī)功率很小，變頻節(jié)能的比例不大，且爐排長期處于低速運(yùn)行，使用普通電機(jī)散熱就會(huì)出問題，若使用變頻器，就需用變頻專用電機(jī)，費(fèi)用較高，故爐排電機(jī)調(diào)速使用變頻器意義不大。爐排電機(jī)采用了南京調(diào)速電機(jī)廠生產(chǎn)的滑差電機(jī)和調(diào)速器。
2.2二次儀表和控制功能
    鍋爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
    整個(gè)鍋爐的控制結(jié)構(gòu)采用了數(shù)字儀表和工業(yè)計(jì)算機(jī)的模式。數(shù)字儀表部分根據(jù)要求使用了數(shù)字回路調(diào)節(jié)器、數(shù)字顯示儀表、流量積算儀表、狀態(tài)報(bào)警儀表。每一部分的具體使用如下所述。
2.2.1數(shù)字回路調(diào)節(jié)儀表
    整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了鍋爐系統(tǒng)的給水自動(dòng)調(diào)節(jié)、燃燒過程自動(dòng)調(diào)節(jié)、蒸汽溫度調(diào)節(jié)、除氧器壓力調(diào)節(jié)、除氧器水位調(diào)節(jié)5個(gè)回路。根據(jù)控制的要求不同，使用了日本yamatake HoneyWell公司的SDC40B和SDC31數(shù)字調(diào)節(jié)控制器�，F(xiàn)按各回路分析如下。
    1)給水自動(dòng)調(diào)節(jié)。鍋爐水位是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一，維持水位在一定范圍之內(nèi)是保證鍋爐安全運(yùn)行的必要條件。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)使用SDC40B數(shù)字調(diào)節(jié)器來完成三沖量給水自動(dòng)調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)器根據(jù)水位、蒸汽流量和給水流量3種信號(hào)來改變給水調(diào)節(jié)閥的開度。如圖3所示。三沖量自動(dòng)給水控制屬于連續(xù)給水系統(tǒng)，只要水位有微小變化，調(diào)節(jié)器就跟蹤進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)中引入了蒸汽壓力信號(hào)，這樣就可避免虛假水位帶來的誤差，大大減小汽包水位和給水量的波動(dòng)幅度；引入了給水流量信號(hào)，使調(diào)節(jié)器可對(duì)系統(tǒng)給水壓力變化產(chǎn)生的干擾迅速作出反應(yīng)，使汽包水位較小受到給水壓力的影響；給水流量信號(hào)同時(shí)也是調(diào)節(jié)器動(dòng)作后的反饋信號(hào)，使調(diào)節(jié)器及早知道調(diào)節(jié)效果，這樣可以避免調(diào)節(jié)器的超調(diào)動(dòng)作，保證自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工況的穩(wěn)定。
    2)鍋爐燃燒自動(dòng)調(diào)節(jié)。鍋爐燃燒過程的自動(dòng)控制是鍋爐控制系統(tǒng)的另一重要功能。燃燒自動(dòng)調(diào)節(jié)控制需完成如下要求：在鍋爐蒸汽負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)使燃料量、送風(fēng)量、引風(fēng)量各自保持不變，及時(shí)補(bǔ)償燃料質(zhì)量的變化；在蒸汽負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)使燃料量、送風(fēng)量、引風(fēng)量成比例變化，既要適應(yīng)負(fù)荷變化的要求，又要使蒸汽壓力、爐膛負(fù)壓、和燃燒經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)保證在允許范圍內(nèi)。蒸汽壓力是燃燒過程調(diào)節(jié)過程的主要被調(diào)量。在設(shè)計(jì)中以圖4所示的調(diào)節(jié)框圖完成鍋爐燃燒過程的自動(dòng)控制。
    整個(gè)控制過程由燃料調(diào)節(jié)器、負(fù)壓調(diào)節(jié)器、送風(fēng)調(diào)節(jié)器等組成，每個(gè)調(diào)節(jié)部分均使用1臺(tái)山武·霍尼韋爾公司的SDC40B數(shù)字調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)過程為：①系統(tǒng)以鍋爐出口壓力為被調(diào)節(jié)參數(shù)信號(hào)，在一定的煤層厚度下，對(duì)應(yīng)不同的蒸汽負(fù)荷，自動(dòng)調(diào)節(jié)爐排的速度，使蒸汽壓力穩(wěn)定。②在調(diào)節(jié)爐排速度的同時(shí)，因燃煤量發(fā)生了變化，為提高燃燒的經(jīng)濟(jì)性，必須調(diào)節(jié)送風(fēng)量，以保持一定的風(fēng)煤比，此時(shí)以燃料量和風(fēng)量之比為被調(diào)參數(shù)信號(hào)。燃料量信號(hào)采用燃料調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，風(fēng)量信號(hào)采用空氣預(yù)熱器前后的壓差信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)按一定的比例輸入到送風(fēng)調(diào)節(jié)器。送風(fēng)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)通過執(zhí)行器，控制鼓風(fēng)機(jī)變頻器和送風(fēng)擋板開度，以得到與燃料相應(yīng)的送風(fēng)量。這里風(fēng)量信號(hào)同時(shí)又是送風(fēng)調(diào)節(jié)器的反饋信號(hào)，它可以提前反映調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)效果。當(dāng)送風(fēng)系統(tǒng)有內(nèi)部擾動(dòng)時(shí)，送風(fēng)調(diào)節(jié)器即根據(jù)風(fēng)量信號(hào)及時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的擋板開度，克服擾動(dòng)，保持一定的風(fēng)煤比。③送風(fēng)量發(fā)生變化后，爐膛負(fù)壓也隨之變化，為保持爐膛有一定的負(fù)壓，必須調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)，此時(shí)以爐膛負(fù)壓為被調(diào)參數(shù)信號(hào)，此信號(hào)取之爐膛上部，通過差壓變送器送入負(fù)壓調(diào)節(jié)器，負(fù)壓調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)通過執(zhí)行器控制引風(fēng)機(jī)變頻器和引風(fēng)擋板開度，從而得到與送風(fēng)量相適應(yīng)的引風(fēng)量。以上燃料一空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿足常規(guī)蒸汽鍋爐對(duì)燃燒過程自動(dòng)控制的要求。由于目前用于煙氣含氧量檢測的氧化鋯傳感器的性能不穩(wěn)定且壽命較短，故系統(tǒng)中未使用。
    3)過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)。生產(chǎn)過熱蒸汽的鍋爐，應(yīng)嚴(yán)格控制過熱蒸汽的溫度，使之處于允許的范圍內(nèi)。因?yàn)槌瑴貢?huì)使過熱器金屬過熱而降低強(qiáng)度，對(duì)安全運(yùn)行造成威脅；另外，溫度太低又會(huì)影響用汽設(shè)備的正常工作，甚至?xí)�損壞用汽設(shè)備。為了設(shè)備的正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)時(shí)使用一臺(tái)山武公司的SDC31數(shù)字調(diào)節(jié)器來完成回路調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)原理框圖如圖5所示。
    4)除氧器壓力、液位調(diào)節(jié)。分別使用SDC31數(shù)字調(diào)節(jié)器來完成除氧器壓力、液位的回路調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)原理框圖如圖6所示。
2.2.2數(shù)字顯示儀表、流量積算儀表、狀態(tài)報(bào)警
    儀表
    使用數(shù)字儀表顯示重要的壓力、溫度檢測點(diǎn)；使用數(shù)字巡檢儀完成水風(fēng)溫度、煙氣溫度、風(fēng)壓、煙氣負(fù)壓的循環(huán)顯示；流量積算儀表完成主蒸汽流量、給水流量、減溫水流量的顯示和累計(jì)功能；使用狀態(tài)報(bào)警儀表完成危險(xiǎn)工況的報(bào)警、聯(lián)鎖功能，有蒸汽超壓報(bào)警、蒸汽超壓聯(lián)鎖、汽包高液位報(bào)警、汽包低液位報(bào)警、汽包極低液位聯(lián)鎖等；數(shù)字顯示儀表、流量積算儀表、狀態(tài)報(bào)警儀表均選用某公司XM系列的數(shù)字儀表。XM系列的數(shù)字儀表都可選配RS485通訊單元，通過該公司的FCC5000通訊服務(wù)儀表與上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接。
3、鍋爐計(jì)算機(jī)監(jiān)控、管理系統(tǒng)
    系統(tǒng)使用高性能的工業(yè)計(jì)算機(jī)，配有顯示器和報(bào)表打印機(jī)。該工業(yè)計(jì)算機(jī)帶有2個(gè)RS485通訊接口，分別與SDC儀表和XM儀表進(jìn)行通訊連接。監(jiān)控軟件采用Citect工業(yè)組態(tài)軟件開發(fā)。為該工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供完整的監(jiān)控畫面，使操作人員完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控。其中，鍋爐系統(tǒng)模擬圖，形象地顯示鍋爐系統(tǒng)的工藝流程和各主要的模擬參數(shù)。有參數(shù)報(bào)警時(shí)，顯示報(bào)警提示；儀表盤式集中棒狀圖顯示畫面，可將10-15組參數(shù)用儀表盤式顯示方法集中在一幅畫面上，每個(gè)畫面用水位計(jì)顯示，同時(shí)顯示各回路的給定值、實(shí)測值、閥位反饋和手自動(dòng)狀態(tài)；調(diào)節(jié)回路畫面，可在畫面上同時(shí)顯示各調(diào)節(jié)回路模擬棒狀圖、PID參數(shù)和控制曲線，操作工可在線修改和實(shí)時(shí)監(jiān)控；綜觀畫面，在一幅畫面上可全面顯示一臺(tái)鍋爐的所有運(yùn)行和控制參數(shù)；報(bào)警和事件記錄，記錄任意時(shí)刻發(fā)生的報(bào)警事件和操作人員的操作；豐富的趨勢數(shù)據(jù)，可查看所有參數(shù)記錄任意時(shí)刻的趨勢曲線，并可作8個(gè)數(shù)據(jù)的趨勢對(duì)比，以EXECL提供報(bào)表功能；數(shù)據(jù)管理功能，所有現(xiàn)場參數(shù)和累計(jì)產(chǎn)汽量、耗水量等數(shù)據(jù)，可按任意時(shí)段自動(dòng)存儲(chǔ)，并形成記錄報(bào)表，實(shí)現(xiàn)部分能源管理功能。
4、結(jié)論
    本文所述的鍋爐控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)能滿足使用廠家的需求，節(jié)省了大量的能源，經(jīng)過實(shí)際使用，整套系統(tǒng)運(yùn)行良好、畫面直觀，數(shù)據(jù)采集及顯示正常，能較好地滿足控制的各項(xiàng)要求，用戶比較滿意，投入運(yùn)行幾年來，工作都比較正常，該項(xiàng)目的實(shí)施，對(duì)同類設(shè)備的技術(shù)改造具有一定的推廣價(jià)值。