生物质锅炉DCS控制系统方案

一、项目简介

生物质锅炉DCS控制系统以生物质能源做为燃料,燃料被螺旋给料机送入炉膛，在此处由于高温烟气和一次风的作用逐步预热，干燥、着火、燃烧，此过程中析出大量挥发分，燃烧剧烈。产生的高温烟气冲刷锅炉的主要受热面后，进入锅炉尾部受热面省煤器和空气预热器，再进除尘器，经烟囱排入大气。未气化的燃料边向炉排后部运动，直至燃尽，剩下的少量灰渣落入炉排后面的除渣口。本方案中采用DCS控制系统，以人机对话方式与锅炉用户交换信息，实现锅炉全自动操作运行。

生物质锅炉房DCS控制系统是将整个锅炉房主、辅机系统作为一个完整的控制对象，从各参数检测、连续调节、联锁保护、逻辑控制、显示报警、监控管理到数据通讯上均将其作为一个整体进行控制。在智能负荷智能协调控制策略的基础上通过前馈/反馈控制、连续/断续控制、非线性控制、方向性控制等控制机理的有机结合来协调控制锅炉出力和出水温度，保持质和量之间的平衡。协调出力热网负荷需求与锅炉实际出力、锅炉燃烧控制与循环水流量以及锅炉房各子控制回路间的平衡。在保证锅炉房具备快速热网负荷需求响应能力的同时，维持锅炉主要运行参数的稳定。

一般生物质锅炉房DCS至少包括如下控制回路：

. 主汽压力调节自动控制

. 减温水自动控制

. 汽包水位调节回路

. 主汽温度调节回路

. 送风量调节控制回路

. 母管制燃烧控制符合分配方案

. 燃烧自动调节回路

. 炉膛负压自动调节回路

. 外网出口供回水压差自动调节

除以上各具体控制回路以外，DCS系统还具备以下一般性功能：

. 运行人员确认，故障切换，故障闭锁等措施

. 联锁保护，方向闭锁等安全设计

. 对于多输出系统设计有多路平衡原则（MOCS），保证手/自动切 换无扰

. 设计有锅炉房辅助设备故障时的Runback和防止误操作设计

. 系统掉电后安全设计

. SOE功能、事故追忆功能

. 控制范围符合实际，符合锅炉设备许可运行能力

二、控制方案设计

1、网络拓扑图

2、控制点数清单

名称	AI(4-20mA)	热电阻(PT100)	热电偶(K)	A0	DI	DO	MODbus	合计
实际点数	112	48	4	30	92	34	4	324

3、控制系统功能设计

3.1主汽压力调节自动控制

  主蒸汽压力自动调节系统是锅炉主要的自动调节系统之一，它通过燃烧控制系统直接承担着锅炉负荷调整任务，它的投用及调节效果的好坏，将直接影响锅炉汽包水位，主汽温等参数的调节。锅炉燃烧主蒸汽压力自动调节系统是以反映锅炉热量供求平衡的主汽压力信号作为控制参数，通过改变锅炉燃烧量与配风量来改变锅炉的燃烧状况。根据主汽压力参数高、低，调整锅炉给料机转速以改变燃料量，从而实现主汽压力参数的校正。

在锅炉的燃料调节系统中，采用“热量－燃料”调节方式，热量信号由蒸汽信号和汽包压力的微分所组成，是一种间接测量燃料量的方法。

  主蒸汽压力调节系统的控制参数的整定主要体现在锅炉热量信号的改变上。当锅炉燃烧状况改变时，锅炉热量信号也会相应的发生变化。而当锅炉主蒸汽流量改变时，只要进入炉膛的燃料量不变化，热量信号就不应该变化，即锅炉主蒸汽流量的变化与锅炉汽压的变化存在一定的耦合关系。因此整定热量信号时应该考虑，当存在内扰时，热量信号相应的发生变化；当存在外扰时，热量信号不能变化。由DCS实现的锅炉主蒸汽压力作为主控制信号，以主蒸汽流量信号作为副调信号的串级控制系统。

3.2一级减温水自动控制

  主蒸汽温控制为减温水控制，其中减温水为粗调，其减温水流量为0～20t/h。锅炉减温水两侧主蒸汽温度控制系统均需要投入自动，减温控制系统的主要任务是保持集汽集箱前后的温差与锅炉负荷成一种函数关系。因此一级减温水控制与二级减温水控制在主汽温度控制系统中是必须保持一种相互协调关系。其中减温水控制系统的作用是对主蒸汽温度以快速消除影响主汽温度较大的扰动（比如链条秸秆不均匀、秸秆热量不够等）。如果减温水控制不投入自动，当较大的主汽温度扰动出现时，那么只能由操作工根据运行经验调整一级减温水给水量。这不但使操作工增加了操作强度，而且增加了人工干预减温水而出现的主汽温度扰动，更加不利于主汽温的稳定。减温水投入自动后可以直接起到保护屏式过热器并保证其温度的稳定。

3.3母管制燃烧控制负荷分配方案

  针对生物质发电的特点，我方做出方案设计的思路是保证锅炉在经济工况下运行，以能量平衡燃烧控制算法为基础，对每台正运行的锅炉进行合理负荷分配。具体方法是：

  一，将正在运行的锅炉分成两类，一类为带额定负荷的锅炉，一类为参与调峰的锅炉。

  二，将母管压力信号转化为流量需求信号，转化方法在燃烧控制算法中已经做了详细说明。

  三，将流量需求信号首先分配给带额定负荷的锅炉，让其在经济条件下运行，然后将余下的流量分配给参与调峰的锅炉。

    四，每台锅炉根据分配来的流量负荷计算出当前锅炉的给料量。

3.4 MCS基本方案

MCS由以下主要调节子系统：

（1）给水调节

  汽包水位调节采用分程调节，启动时用小阀调节（单冲量），当汽机系统正常运行时用主给水阀调节（三冲量）。

（2）主汽温度调节（减温水调节）

  循环流化床锅炉正常运行时不仅要求主汽压力稳定，而且要求主汽温度稳定。主汽温度是反映机组运行情况的一个重要参数。如果主汽温度偏高，过热器及汽机将在更加恶劣的环境下运行，材料的使用寿命将会缩短。相反，如果主汽温度偏低，则汽机达不到预定的运行效率。因此，机组正常运行时要求主汽温度稳定。

  主汽温度调节采用串级控制方式，取喷水后汽温为导前信号，主汽温度为设定值，若锅炉的负荷增加，主汽温度降低不能调整至设定值时，需启动燃烧调节回路。

（3）送风量调节（烟气氧量调节）

  主汽压力控制系统发出的风量指令即为总风量指令。总风量中一、二次风所占比例最大，同时一次风和二次风直接影响锅炉的运行及燃烧工况。所以，总风量调节系统通过改变一、二次风量的调节指令来保证锅炉所需配风。锅炉主控系统得到的总风量指令与燃料量测量值进行交叉限制后作为总风量控制系统的给定值，以保证负荷增加时先加风后加燃料、负荷减小时先减燃料后减风的要求，从而保证一定的过剩空气系数。总风量控制系统的给定值在PID中与总风量测量值进行运算，运算结果经过函数处理后送往风道燃烧器点火风调节系统、一次风调节系统及二次风调节系统。

（4）引风量调节（炉膛负压调节）

  通过调节引风机挡板，使炉膛压力稳定在设定值上。引风量调节系统设有前馈，把一次风量和二次风量之和作为前馈信号加到PID调节的输出，以提高一、二次风量变化时，引风量调节系统的响应速度。

（5）主汽压力控制系统

  循环流化床锅炉和锅炉一样，维持主汽压力恒定都是基本的控制要求。汽轮机或热用户的蒸汽用量发生变化时，主汽压力就会产生波动。此时为了维持主汽压力恒定，必须改变进入锅炉的燃料量和助燃空气量。无论是单元制机组还是母管制机组，都要从能量平衡的角度来构造锅炉主控系统，即由燃料加入量维持主汽压力恒定。

当机组按单元制运行时，采用主汽压力控制系统进行锅炉主控。在主汽压力控制系统中，通过调节入炉燃料量来控制主蒸汽压力，以满足机组的运行要求。由于入炉燃料量是影响床温的重要因素之一，故在构造主汽压力控制方案时把床温的影响也纳入控制方案中。床温增加减小燃料量，床温降低则增大燃料量。由于循环流化床锅炉运行时床温可以在一定范围内波动，故在上述控制方案中设置了不调温死区，即床温在该死区内时不改变燃料供给量。由于主蒸汽流量变化直接反映了机组的负荷变化，故在上述控制方案中把主蒸汽流量信号经过函数运算后直接加到控制输出上，通过前馈形式提高系统的响应速度。

主汽压力控制系统得到的燃料量指令和风量指令，分别送往燃料量控制系统和风量控制系统。

附：青岛华凌科技有限公司在锅炉行业部分工程业绩：

序号	客户名称	项目名称	执行年份
1	吉林市源源热电有限责任公司	1×25MW汽轮发电机组改造项目	2016年
2	鱼台聚源供热有限责任公司	1×58MW循环流化床热水锅炉	2016年
3	莒南临港有色金属有限公司	汽轮机控制系统	2014年
4	中联福石水泥有限公司	3000t/d熟料水泥生产线及配套9MW余热发电工程	2015年
5	通河县龙能资源再生利用有限公司	通河县城市生活垃圾发电项目	2015年
6	常熟市王市热能有限公司	2×4.5MW发电项目	2015年
7	山东中海精细化工有限公司	1×170t/h炉+1×25MW抽汽式汽轮机供热中心项目	2016年
8	内蒙古大地云天化工有限公司	120万吨/年缓控释肥项目热电装置（3×75t/h燃煤锅炉系统+1×12MW汽轮机发电机组）	2014年
9	国电吉林热电厂热源改造工程	3×116MW循硫化床锅炉DCS及UPS采购项目	2016年
10	新疆黑山煤化工有限公司	兰炭尾气发电工程2台汽轮机发电、2台兰炭尾气锅炉热工DCS控制系统	2015年