循环硫化床锅炉自动控制的设计及实现方法.doc

循环硫化床锅炉自动控制的设计及实现方法 循环硫化床锅炉自动控制的设计及实现方法四川电力建设三公司热工处 蒯泽洲摘 要 介绍了循环硫化床锅炉集散型控制系统中相关调节控制项目的设计方案及具体实现方法。关键词 控制 锅炉控制 集散型控制系统1. 简介1.1循环硫化床锅炉发展背景1.1.1能源问题：随着采煤总量的不断增加，煤质越来越差，普通锅炉很难适应劣质煤的燃烧；1.1.2 环保要求：环保问题引起高度重视，对锅炉的排放要求不断提高（粉尘、NOx、SO2、CO等物质的排放含量）；1.1.3 循环硫化床燃烧、传热技术：低温、分段燃烧（满足环保要求）；稳定燃烧源；高速度、高浓度的循环硫化技术（满足劣质煤燃烧要求）；高强度的热量传递；1.1.4 灰渣的再利用；1.1.5 政府政策要求；1.2 循环硫化床锅炉主要工艺过程1.2.1 物料系统：新燃料（煤）、脱硫剂（石灰石）不断加入到炉膛燃烧室的料层中，床层底料在风的作用下开始硫化，被烟风带出燃烧室的粉尘分离器分离捕捉，由返料设备再返回到燃烧室中，形成了循环硫化的过程。1.2.2 风烟系统：循环硫化床的一次风（大约60%总风量）从炉膛床层底部吹入，推动床层硫化，并且形成还原燃烧气氛；在一定高度加入二次风，二次风完成燃料的充分燃烧；高压风是完成循环返料返回燃烧室；为了煤、石灰石给入，需要加入播煤风、密封风。1.2.3 汽水系统：给水经过省煤器、汽包、水冷壁、过热器，向外提供合格的蒸汽（此系统与煤粉炉相似）。 1 循环硫化床循锅炉集散控制对于循环硫化床锅炉（CFBB）集散控制系统来说，其作用主要分为监视和操作两部分。2.1 监视部分 DCS的监视部分包括数据处理和数据显示两部分。2.1.1 数据处理2.1.1.1 数据采集：是指DCS完成一次数据（过程参数、设备状态）的获得，如温度、压力、流量、物位等模拟量信号和设备状态等开关量信号，从现场模件信号电缆直接到DCS内部端子。一次参数的模拟量要经过滤波、放大倍数设置、采样周期设置、断线报警、线性变换、非线性变换、信号转换及热电偶补偿等预处理。一次参数的开关量要经过防抖、报警设置等预处理。2.1.1.2 数据计算处理：对DCS数据采集的一次数据进行加工处理，得到DCS的二次数据。数据处理主要方法有：（1） 一次计算：主要完成对现场测点的补偿，如流量补偿、汽包水位补偿等，一般采用计算公式补偿的方法来实现，得到一次计算结果。（2） 二次计算：主要对现场测点求和、求差、信号选择、累计、平均值、最大值等数据计算，得到二次计算结果。（3） 性能计算：主要对锅炉热效率、汽机热效率、电厂总效率、各个生产班组运行考核指标等计算，得到效率、效益计算结果。2.1.2 数据显示部分数据显示部分包括分级报警显示、参数成组显示、DCS画面显示。2.1.2.1 分级报警显示 报警系统是将被检测对象的异常情况及时准确地检测出来，并提醒操作人员注意，以防异常情况的进一步恶化。在DCS中数据可分为普通与重要的级别，报警要采用分级制。 报警方式一般采用声光报警或弹出报警提示窗口及报警自动打印。DCS提供事故记录、事故追忆工作，还提供事故的相关记录（事故时间、事故条件），便于事故分析。（1） 普通报警：提示操作人员对异常情况引起注意，主要包括普通参数的报警、重要参数的一级报警。（2） 次级报警：提示操作人员必须立即采取相应措施或DCS联锁动作，否则可能引起故障，主要包括重要参数的二级报警。（3） 紧级报警：指示运行已处于十分危险的状态，要立即采取停止运行的保护措施，这类报警主要有主燃料跳闸（MFT）等。（4）SOE：这是一类特殊的高分辨率报警，其作用是给操作人员提供联动设备动作的先后动作顺序，以便分析事故起源。此类还包括首次跳闸的记录功能。首次跳闸一般是指事故发生的直接原因。（5）调节、控制报警处理及提示：因为运行工况参数的变化、运行设备状态的变化都可能使模拟量调节系统或开关量控制系统产生切换、联动等动作。当模拟量调节系统或开关量控制系统产生切换、联动等动作时，同时产生这类报警，提示操作人员进行相关报警、操作及可能产生后果。（6）报警处理：在机组启停过程中，自动采用闭锁报警方式，以免在启停过程中频繁报警，扰乱操作人员的正常工作，同时设置报警限以及报警死区。对于较重要的报警要有闪光提示，且要有声响，只有通过操作人员确认后，声音消失，闪光变为平光；平光只有在报警信号消失后，才变为原来正常状态。目的是只要操作人员认可（知道）后，报警信息才消失，否则应一直提示操作人员。2.1.2.2 参数成组显示其主要是把相关、相互联系的参数、状态等放在一起，便于运行检测、运行操作、历史数据相关分析和经济分析。（1）相关系统历史库（曲线）：由与操作画面的重要参数、重要设备相关系统测点组成，以便于操作分析、事故分析及经济分析。（2）操作参数成组：相关操作参数的成组参数列表、相关棒图、成组参数实时趋势显示，为操作人员提供便利的操作依据。（3）报表打印：满足现场报表记录、报表归档、生产数据资料保存的需要。（4）锅炉启停曲线：由设备启停的重要参数组成：温度差、时间范围、升降温度（压力）范围、升降温度（压力）速率的显示、报警提示，同时要有不同启停状态的多组曲线选择。2.1.2.3 DCS画面显示在DCS运行中，监视、操作画面非常重要，也是非常直观的。画面的好坏直接关系到项目的形象。DCS监视、操作画面大致分为三大类：工艺系统图、局部窗口、设备状态图标。（1） 工艺系统图工艺图：汽水、燃料、风烟、点火、锅炉保护等子工艺系统图（最好以工艺过程顺序为依据）。集控图：模拟量调节（MCS）、开关量控制（SCS）、报警光字牌。测试图：MCS、CSC、通道测试，可加在工程师站，为测试依据。（2）工艺系统图样板标准图工艺流程图名称、相应工艺图报警提示框，如汽水、燃烧、物料、风烟、点火、锅炉保护等工艺系统及其相应的报警提示框。主要参数显示框（重要参数简单说明、重要参数、单位）：床层温度、负压平均值、含氧量平均值、汽包压力平均值、主汽流量、主汽温度、主汽压力等运行重要工艺参数。光字牌按钮（带报警提示框）：由此按钮进入光字牌底图。此底图包括重要热工信号报警提示（参数报警为红色；新来报警为报警色闪烁），在此底图确认后，变为平光；报警消失后，为浅灰色。报警提示框在来报警时给予提示功能。重要设备按钮（带报警提示框）；由此按钮进入主要设备底图。此底图包括重要设备状态、报警提示（设备报警为黄色；新来报警为报警色闪烁），在此底图确认后，变为平光，报警消失后，为浅灰色。MCS按钮（带报警提示框）：由此按钮进入软手操集控底图。此底图包括与相关调节有关的数据曲线、给定值、实现手动自动切换的软手操、回路报警提示逻辑、软手操状态提示。可以按工艺系统分几幅图完成。联锁按钮（带报警提示框）：由此按钮进入联锁集控底图。此底图包括所有联锁设备的投入切除，投入切除应有弹出对话框，防止误操作。如果条件明确可以加入DCS自动投入切除联锁的逻辑，减少操作人员的劳动强度，但联锁投入切除及因投入切除造成的结果应有弹出窗口提示操作人员。SCS按钮（带报警提示框）：由此按钮进入软按钮集控底图。此底图包括相关设备启停操作条件、程控、保护。可以按工艺系统分几幅图完成。曲线按钮：由此按钮进入相关历史数据、实时趋势底图。(3) 局部窗口图主要应有参数列表窗口、参数棒图窗口、参数曲线窗口、报警提示窗口、操作窗口以及帮助指导窗口。2.2 DCS操作部分 DCS操作又分为手动操作和自动操作。自动操作包括摸拟量调节系统MCS和开关量控制系统SCS中的各项功能，把DCS的调节控制要求以功能组（function group）的形式来划分，以便完成系统协调、联锁，完成DCS的自动操作功能。2.2.1 手动操作部分手动操作部分就是人机接口（MMI）部分，操作人员通过DCS提供的界面实现现场设备的手动调节、控制。（） 电动机、电动门的远操；（） 对进入SCS中的设备联锁的投入切除操作；（） 调节门的手动操作；（） 对进入MCS的调节机构的自动手动操作。 对上述操作都有相应的操作界面，为人工手动操作提供快捷、有效的方式。并且提供操作条件提示，以及操作结果的显示，以便使操作人员理解与掌握。2.2.2自动操作部分 自动操作部分是按功能组来划分的，功能组包括风烟系统功能组、物料系统功能组、炉膛安全监测保护系统功能组、汽水系统功能组等。另外，还有点火功能组、吹灰功能组、定排功能组等辅助功能组。2.2.2.1风烟系统功能组风烟系统功能组所涉及的调节控制设备包括一次风机、二次风机、高压风机和引风机以及相应的调节风门挡板。当风机采取调速方式时（如采用变频器），可以通过调节风机转速来实现风量调节。风烟系统中以风烟系统管理器来完成此系统内部的协调控制CCS、顺序控制SCS联锁来实现系统本身的调节控制，并且通过接口建立与其他系统功能组之间的关系，从而确保整个锅炉系统的安全、稳定、经济的运行。(1) 风烟系统功能组功能要求；a. 使加入的燃料完全、经济地燃烧；b. 保证建立还原氧化燃烧环境，满足环保要求；c. 建立物料硫化态、烟风畅通的运行环境；d. 使分离器分离下来的返料返回燃烧室，建立灰平衡；e. 保持一定范围的床温，符合稳定燃烧要求，又满足最佳脱硫要求；f. 系统内设备的启/停操作条件；g. 系统内设备顺序启/停（手动/自动）；h. 系统内的保护动作（设备保护、系统保护）。(2) 风烟系统功能组功能实现a. 通过接受锅炉负荷、燃料量的信号，计算出增佳的风/煤比，保证燃料在适当的空气过量系数下燃烧，通过调节总风量来实现；b. 通过硫化态和还原氧化燃烧的信号，计算出一、二次风配比的关系式，调节一、二次风的风量，实施安全、经济燃烧；c. 通过引风量调节，保证炉膛内在微负压或微正压的环境下燃烧；d. 通过高压风量调节，确保循环返料的返料量；e. 负荷增减指令的闭锁和限制（run up,run down）从而保护锅炉辅机；f. 每个设备启停操作都有一定条件，以保证设备安全启停（如引风机的启动条件：进口调节风门开度 5 ，润滑油压力正常，设备正常，运行系统正常）；g. 通过设备之间的联锁Interlock完成系统内设备的顺序控制；h. 在运行过程中，如果设备的运行条件失去或系统的运行条件失去，在确保设备运行安全的前提下，利用超驰控制实现减少设备的负荷，或停止设备运行，甚至停止系统运行。（3）风烟系统功能组接口风烟系统管理器接受其它系统的RB与MFT 等的指令，利用超驰控制把这些指令加到此系统协调回路中，并且加到此系统的联锁回路中，这样此系统就成成为整个锅炉系统协调、联锁调节控制系统的一部分。风烟系统产生的RB（如2台风机中的1台跳闸）与MFT（如炉膛压力过高，过低或2台风机同时跳闸），这些指令也发送给其它系统。风量调节与燃料量、返料量联合调节硫化床床温，使其稳定在一定范围内。（4）风烟系统功能组体系结构通过风系统的系统管理器建立了自己的系统结构（见附图1），是时也产生了与其它系统进行指令交换的接口，便于整个系统的协调、联锁控制。2.2.2.2 物料系统功能组 物料系统功能组的设备包括给煤机、给料（石灰石）机、排渣机以及相应的调速装置，如采用变频器等实现物料（燃料、石灰石、炉渣）的调节。 物料系统中以物料系统管理器来管理该系统内部的协调控制CCS、顺序控制SCS，实现系统本身的调节、控制，并且建立与其它系统功能组之间的关联接口，确保整个锅炉的安全、稳定、经济运行。（） 物料系统功能组功能的要求a. 适应负荷要求，保证能量平衡；b. 实现石灰石脱硫，满足环保要求；c. 保持一定范围的床温，保证稳定燃烧的同时，有时又最佳脱硫；d. 保持一定范围的床层料高；e. 系统内设备的启停操作条件；f. 完成系统内设备顺序启停（手动自动）；g. 完成系统内的保护动作（设备保护、系统保护）。（） 物料系统功能组功能实现a. 通过接受锅炉负荷、风量的信号，计算出最佳的燃料加入量，满足锅炉负荷要求，可通过调节燃料量来实现；b. 通过燃料量中含硫量及床温条件下的最佳Ca/S比，计算出石灰石的加入量，实现高脱硫效率；c. 通过排渣机的调节，确保一定的床层料高；d. 燃料量与风量调节、返料量联合调节硫化床床温，使其稳定在一定范围内；e. 每个设备启停操作都有一定条件，以保证设备安全启停（如给煤机的启动条件：设备正常；运行系统正常）；f. 通过设备之间的连锁（Interlock）完成系统内设备的顺序控制；g. 其它系统的RB , MFT等的超驰控制，应加入物料系统调节、控制中，这样才能使锅炉整个系统安全、稳定、经济运行，同时物料系统产生的RB（如2台给煤机中的1台跳闸）、MFT（如床温过高、过低），这些指令也发送给其它系统，如负荷增减指令的闭锁和限制（run up,run Down）,从而保护锅炉辅机。（） 物料系统的体系结构物料系统的体系结构与风系统相似2.2.2.3 炉膛安全监测保护系统功能组 炉膛安全监测保护系统功能组的作用是监测事故，防止事故恶化，必要时采取切断 主燃料保护措施。炉膛安全监测保护系统包括主燃料跳闸MFT；紧急停炉。（） 主燃料跳闸MFT的条件a. 床温高、低；b. 炉膛压力高、低；c. 汽包水位高、低；d. 主汽温度高、低；e. 汽包压力高、低；（） 主燃料跳闸MFT动作a. 停止燃料，停给煤机；b. 停给料机；c. 放循环灰、底料；d. 风机由操作人员