1、引言
    20t鏈排鍋爐的原設(shè)計模式較為落后，不能滿足生產(chǎn)中的控制要求，經(jīng)過對原設(shè)計圖紙認真分析，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：1）在自控部分原設(shè)計雖遵循了鍋爐常規(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調(diào)節(jié)完成。故原設(shè)計從完成功能上看遠未發(fā)揮其功效；2）原設(shè)計中的電氣控制部分電控元件選型陳舊，風(fēng)機變頻器聯(lián)鎖設(shè)計及上煤系統(tǒng)控制聯(lián)鎖設(shè)計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。
    根據(jù)以上分析，為了更好地完成控制功能，重新進行了20t鏈排鍋爐的控制系統(tǒng)設(shè)計。
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)溫度信號檢測。鍋爐有10余處溫度檢測點，根據(jù)各檢測點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的檢測。變送器均采用進口產(chǎn)品。對于爐膛負壓、汽包液位等要求較高的關(guān)鍵檢測點，選用日本橫河公司的EJA變送器；對于其它用于觀測和作一般控制的檢測點，選用價格較低、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。選用孔板流量計進行流量信號變送。主蒸汽流量、給水流量是系統(tǒng)中的關(guān)鍵檢測點，流量計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)行機構(gòu)。引風(fēng)風(fēng)門執(zhí)行機構(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電動執(zhí)行機構(gòu)和ZKZM系列電動套筒閥。
    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、引風(fēng)機、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，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，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)機控制。鼓、引風(fēng)機采用變頻控制，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，同時也是變頻投資最大的部分。這主要是由于鼓、引風(fēng)機功率相對較大，而鍋爐運行中，隨著負荷的增減，鼓、引風(fēng)機調(diào)節(jié)的幅度相對也較大。在鼓、引風(fēng)機采用變頻控制時，需要注意鼓、引風(fēng)機的風(fēng)量裕度問題。如果原設(shè)計或由于其它原因造成風(fēng)阻加大，裕度較小時，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)大負荷時風(fēng)量夠用（但裕度�。�，使用變頻后，大負荷時風(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)的安全運行，是非常有實際意義的。并且供水系統(tǒng)的電動機相對鼓、引風(fēng)機而言容量較小，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)一般采用多臺電動機，并聯(lián)母管式供水，沒有必要對每臺電動機都采用變頻。既經(jīng)濟又可靠的方法是只有2臺電動機由變頻自動控制，且這2臺電動機為一用一備方式工作。主要是利于電動機檢修。其它供水電動機仍采用常規(guī)控制方法，其原因有兩點：一是在并聯(lián)母管式供水下，全自動控制供水方式不實用，無實際意義。主要原因是每臺水泵的單向逆止閥泄漏問題和更換問題。全自動控制供水時，單向逆止閥前后的截止閥必須始終保持打開狀態(tài)，才能保證自動控制電動機啟動后，水能夠自動流出。但隨著鍋爐負荷的增減，水泵電動機不會全部運行。這樣，不運行的水泵電動機，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機的反轉(zhuǎn)。而當(dāng)需要停止的水泵運行時，電動機由反轉(zhuǎn)變?yōu)檎�轉(zhuǎn)的過程中，電動機就會產(chǎn)生超負荷大電流，必然造成控制電路超負荷跳閘。此時解決的方法是：采用半自動控制，設(shè)定供水壓力上、下限報警。上限報警時，通知操作人員關(guān)掉1臺水泵。下限報警時，通知操作人員啟動1臺水泵。而變頻控制的水泵則保證在可調(diào)范圍內(nèi)的恒壓供水。二是每臺水泵電動機均采用變頻控制，投資太大，且由于上述原因，也不實用。故在系統(tǒng)設(shè)計時，將變頻器應(yīng)用在鼓、引風(fēng)機控制和給水泵使用變頻控制。由于鼓、引風(fēng)機是鍋爐系統(tǒng)的關(guān)鍵控制點，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，由于電動機功率很小，變頻節(jié)能的比例不大，且爐排長期處于低速運行，使用普通電機散熱就會出問題，若使用變頻器，就需用變頻專用電機，費用較高，故爐排電機調(diào)速使用變頻器意義不大。爐排電機采用了南京調(diào)速電機廠生產(chǎn)的滑差電機和調(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。
    整個鍋爐的控制結(jié)構(gòu)采用了數(shù)字儀表和工業(yè)計算機的模式。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
    整個系統(tǒng)設(shè)計了鍋爐系統(tǒng)的給水自動調(diào)節(jié)、燃燒過程自動調(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。現(xiàn)按各回路分析如下。
    1)給水自動調(diào)節(jié)。鍋爐水位是鍋爐正常運行的主要指標(biāo)之一，維持水位在一定范圍之內(nèi)是保證鍋爐安全運行的必要條件。系統(tǒng)中設(shè)計使用SDC40B數(shù)字調(diào)節(jié)器來完成三沖量給水自動調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)器根據(jù)水位、蒸汽流量和給水流量3種信號來改變給水調(diào)節(jié)閥的開度。如圖3所示。三沖量自動給水控制屬于連續(xù)給水系統(tǒng)，只要水位有微小變化，調(diào)節(jié)器就跟蹤進行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)中引入了蒸汽壓力信號，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幅度；引入了給水流量信號，使調(diào)節(jié)器可對系統(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；給水流量信號同時也是調(diào)節(jié)器動作后的反饋信號，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)動作，保證自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)工況的穩(wěn)定。
    2)鍋爐燃燒自動調(diào)節(jié)。鍋爐燃燒過程的自動控制是鍋爐控制系統(tǒng)的另一重要功能。燃燒自動調(diào)節(jié)控制需完成如下要求：在鍋爐蒸汽負荷穩(wěn)定時，應(yīng)使燃料量、送風(fēng)量、引風(fēng)量各自保持不變，及時補償燃料質(zhì)量的變化；在蒸汽負荷發(fā)生變化時，應(yīng)使燃料量、送風(fēng)量、引風(fēng)量成比例變化，既要適應(yīng)負荷變化的要求，又要使蒸汽壓力、爐膛負壓、和燃燒經(jīng)濟性指標(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)計中以圖4所示的調(diào)節(jié)框圖完成鍋爐燃燒過程的自動控制。
    整個控制過程由燃料調(diào)節(jié)器、負壓調(diào)節(jié)器、送風(fēng)調(diào)節(jié)器等組成，每個調(diào)節(jié)部分均使用1臺山武·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，在一定的煤層厚度下，對應(yīng)不同的蒸汽負荷，自動調(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，因燃煤量發(fā)生了變化，為提高燃燒的經(jīng)濟性，必須調(diào)節(jié)送風(fēng)量，以保持一定的風(fēng)煤比，此時以燃料量和風(fēng)量之比為被調(diào)參數(shù)信號。燃料量信號采用燃料調(diào)節(jié)器的輸出信號，風(fēng)量信號采用空氣預(yù)熱器前后的壓差信號，這兩個信號按一定的比例輸入到送風(fēng)調(diào)節(jié)器。送風(fēng)調(diào)節(jié)器的輸出信號通過執(zhí)行器，控制鼓風(fēng)機變頻器和送風(fēng)擋板開度，以得到與燃料相應(yīng)的送風(fēng)量。這里風(fēng)量信號同時又是送風(fēng)調(diào)節(jié)器的反饋信號，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)部擾動時，送風(fēng)調(diào)節(jié)器即根據(jù)風(fēng)量信號及時調(diào)節(jié)風(fēng)機的擋板開度，克服擾動，保持一定的風(fēng)煤比。③送風(fēng)量發(fā)生變化后，爐膛負壓也隨之變化，為保持爐膛有一定的負壓，必須調(diào)節(jié)引風(fēng)機，此時以爐膛負壓為被調(diào)參數(shù)信號，此信號取之爐膛上部，通過差壓變送器送入負壓調(diào)節(jié)器，負壓調(diào)節(jié)器的輸出信號通過執(zhí)行器控制引風(fēng)機變頻器和引風(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)蒸汽鍋爐對燃燒過程自動控制的要求。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)。因為超溫會使過熱器金屬過熱而降低強度，對安全運行造成威脅；另外，溫度太低又會影響用汽設(shè)備的正常工作，甚至?xí)�損壞用汽設(shè)備。為了設(shè)備的正常運行，設(shè)計時使用一臺山武公司的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)報警
    儀表
    使用數(shù)字儀表顯示重要的壓力、溫度檢測點；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功能；使用狀態(tài)報警儀表完成危險工況的報警、聯(lián)鎖功能，有蒸汽超壓報警、蒸汽超壓聯(lián)鎖、汽包高液位報警、汽包低液位報警、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)儀表與上位計算機系統(tǒng)連接。
3、鍋爐計算機監(jiān)控、管理系統(tǒng)
    系統(tǒng)使用高性能的工業(yè)計算機，配有顯示器和報表打印機。該工業(yè)計算機帶有2個RS485通訊接口，分別與SDC儀表和XM儀表進行通訊連接。監(jiān)控軟件采用Citect工業(yè)組態(tài)軟件開發(fā)。為該工業(yè)計算機系統(tǒng)提供完整的監(jiān)控畫面，使操作人員完成對整個系統(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)報警時，顯示報警提示；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，每個畫面用水位計顯示，同時顯示各回路的給定值、實測值、閥位反饋和手自動狀態(tài)；調(diào)節(jié)回路畫面，可在畫面上同時顯示各調(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時監(jiān)控；綜觀畫面，在一幅畫面上可全面顯示一臺鍋爐的所有運行和控制參數(shù)；報警和事件記錄，記錄任意時刻發(fā)生的報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)記錄任意時刻的趨勢曲線，并可作8個數(shù)據(jù)的趨勢對比，以EXECL提供報表功能；數(shù)據(jù)管理功能，所有現(xiàn)場參數(shù)和累計產(chǎn)汽量、耗水量等數(shù)據(jù)，可按任意時段自動存儲，并形成記錄報表，實現(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)計能滿足使用廠家的需求，節(jié)省了大量的能源，經(jīng)過實際使用，整套系統(tǒng)運行良好、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要求，用戶比較滿意，投入運行幾年來，工作都比較正常，該項目的實施，對同類設(shè)備的技術(shù)改造具有一定的推廣價值。