關(guān)鍵詞： 鍋爐 SIMATIC PLC DCS
Control System of Coal gas Firing and Hot Water Boiler based on DCS
WANG Zhi-ming
Abstract: This paper introduces the hardware configuration and the software achievement of gas firing and hot water boiler monitoring and control system based on DCS. In view of the features of the combustion control system, water level control system and flux control system, corresponding algorithms are adopted. The results of operation prove that this system has realized the technical request of the better combustion and economizing energy reducing wastage and worked steadily.
Key words: Boiler SIMATIC PLC DCS
1 工藝介紹
本鍋爐系統(tǒng)主要通過燃燒高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣為某鋼鐵公司1000M3高爐提供動力,并季節(jié)性提供工業(yè)用暖。鍋爐主要包括煤氣（高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣）系統(tǒng)、爐體部分、對流受熱面（汽包及冷卻壁，I、II過熱器，I、II省煤器，I、II空氣預(yù)熱器）、點(diǎn)火器、送引風(fēng)設(shè)備等組成。
按照各部分的功能大致分為汽水系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、減溫減壓及公用系統(tǒng)幾個子系統(tǒng)。
本控制系統(tǒng)主要控制鍋爐及相關(guān)輔助設(shè)備的生產(chǎn)過程，使其符合工藝所要求達(dá)到的蒸汽溫度（450℃）、壓力（3.82MPa）、流量（130t/h）、純度（過熱蒸汽）。
1.1 汽水系統(tǒng)
汽水系統(tǒng)是供給鍋爐保護(hù)和產(chǎn)生蒸汽的除氧水，生成載熱的過熱蒸汽送到汽機(jī)膨脹做功或者經(jīng)過減溫減壓后供熱。來自除氧給水系統(tǒng)的除氧水經(jīng)過調(diào)節(jié)后送到I、II省煤器預(yù)熱，然后送到鍋爐汽包和與汽包相連的鍋爐冷卻壁中，經(jīng)過鍋爐燃燒生成的高溫?zé)煔獾募訜嵘刹伙柡驼羝?，不飽和蒸汽?jīng)過I級過熱器、I級過熱器蒸汽集箱，經(jīng)過噴水減溫器減溫處理后，再經(jīng)過II級過熱器、II級過熱器蒸汽集箱后生成飽和的過熱蒸汽，然后送到蒸汽母管,一部分送到汽機(jī)膨脹做功，一部分進(jìn)入減溫減壓系統(tǒng), 一部分提供除氧汽動給水泵做功給水。
1.2 風(fēng)煙系統(tǒng)
空氣（冷風(fēng)）經(jīng)過凈化后通過1#、2#送風(fēng)機(jī)送到I、II空氣預(yù)熱器中進(jìn)行預(yù)熱成為熱風(fēng)，熱風(fēng)送到熱風(fēng)燒嘴和煤氣混合燃燒;高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣通過高爐煤氣管道和焦?fàn)t煤氣管道送到燃燒噴嘴和熱風(fēng)混合燃燒，生成高溫?zé)煔?，加熱鍋爐汽包中的除氧水使之成為不飽和蒸汽，然后高溫?zé)煔庖来瓮ㄟ^I過熱器、II過熱器、II省煤器、II空氣預(yù)熱器、I省煤器、I空氣預(yù)熱器將不飽和蒸汽加熱成為高溫高壓的飽和蒸汽，并預(yù)熱送到鍋爐汽包中的除氧水和送到鍋爐爐膛中的空氣，最后通過引風(fēng)機(jī)引至煙囪中排放。
1.3 燃燒系統(tǒng)
高爐煤氣由外部接入，分為4路，分別進(jìn)入鍋爐的4個角（每角4個燃燒噴嘴），參與燃燒;進(jìn)入鍋爐和高爐煤氣混合燃燒的熱風(fēng)分別進(jìn)入鍋爐的4個角（每角4個燃燒噴嘴），參與燃燒;焦?fàn)t煤氣由外部接入，分為4路，分別進(jìn)入鍋爐的4個角（每角2個燃燒噴嘴），參與燃燒。正常情況下，燃料為高爐煤氣，焦?fàn)t煤氣只是在點(diǎn)火的時候用到，平時只是作為保安氣（作為鍋爐燃燒過程中的爐膛溫度低時保護(hù)氣）。
燃燒過程中通過熱電偶和火焰觀測器來檢測爐膛溫度變化。通過調(diào)節(jié)高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、風(fēng)的配比來調(diào)節(jié)鍋爐爐膛溫度（燃料配比一般為100%高爐煤氣，另外也有80%——90%高爐煤氣加20%——10%焦?fàn)t煤氣或者50%焦?fàn)t煤氣）。整個燃燒過程中爐膛溫度控制在1100±10℃左右。
1.4 減溫減壓及公用系統(tǒng)
本鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽大部分送到汽機(jī)做功給高爐供風(fēng)，其余的一部分送到中溫中壓聯(lián)絡(luò)管，另一部分送到1#、2#減溫減壓器經(jīng)過工業(yè)水的減溫減壓后變?yōu)榈蜏氐蛪赫羝?，一部分送到廠區(qū)供熱，另一部分通過加熱蒸汽母管送到除氧器，一部分提供除氧汽動給水泵做功給水。
2.系統(tǒng)配置
2.1 DCS系統(tǒng)
計算機(jī)集散控制系統(tǒng)（DCS）由上位系統(tǒng)和下位系統(tǒng)組成。上位系統(tǒng)采用工業(yè)控制計算機(jī)，用Siemens組態(tài)軟件WinCC完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示、存儲、報警處理、打印及控制參數(shù)設(shè)定。下位系統(tǒng)由Siemens PLC構(gòu)成，與現(xiàn)場設(shè)備相連。上位系統(tǒng)和下位系統(tǒng)之間的通訊采用Ethernet方式，其最高傳輸速率可達(dá)10-100Mbit/s，完全滿足對數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控的要求。自動控制系統(tǒng)采用S7 400 系列PLC硬件組成基礎(chǔ)自動化系統(tǒng), 采用WINCC V6.0監(jiān)控軟件，編程軟件采用STEP 7 V5.3，Windows 2000作為系統(tǒng)平臺界面，組成計算機(jī)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)通訊。
2.2 系統(tǒng)配置圖
圖1 DCS系統(tǒng)組成
3 控制功能
3.1 燃燒控制
鍋爐運(yùn)行供汽是為了滿足汽輪機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷要求，同時滿足鼓風(fēng)機(jī)站提供低壓蒸汽的需要。汽輪機(jī)和外供汽的負(fù)荷變化，會影響鍋爐蒸汽壓力的變化。只要滿足蒸汽壓力的穩(wěn)定，必然滿足蒸汽量的要求。因此，鍋爐燃燒自動控制的目的就是通過自動燃燒達(dá)到穩(wěn)定蒸汽母管的壓力，來滿足汽輪機(jī)及外供汽對蒸汽的要求。
由于鍋爐的燃燒系統(tǒng)到供汽系統(tǒng)是一個較復(fù)雜的熱力過程，在運(yùn)行中將受到：汽輪機(jī)工況變化所引起的蒸汽負(fù)荷的變化及外供汽對蒸汽負(fù)荷的變化（稱外擾）;燃料熱值、燃料種類等鍋爐內(nèi)部熱負(fù)荷的變化所引起的蒸汽量的變化（稱內(nèi)擾）;從燃料變化開始到爐內(nèi)建立熱負(fù)荷的時間（稱燃燒設(shè)備的慣性）;在鍋爐受到外擾時，燃燒工況未變時而具有的吸熱和放熱能力（稱鍋爐的蓄熱能力）。因此，自動燃燒程序應(yīng)具有抗干擾的能力，以達(dá)到平穩(wěn)地自動調(diào)節(jié)。
為使鍋爐達(dá)到經(jīng)濟(jì)的燃燒，在燃料或負(fù)荷調(diào)節(jié)的同時，應(yīng)改變送風(fēng)和引風(fēng)量。鍋爐使用燃料可能有如下的配比：100%高爐煤氣（正常運(yùn)行使用此種配比）、80～90%高爐煤氣加20～10%的焦?fàn)t煤氣、50%高爐煤氣加50%焦?fàn)t煤氣。鍋爐增減負(fù)荷量較大時，可以采用停開某一層或者數(shù)層高爐煤氣燃燒器煤氣管道上的電動調(diào)節(jié)閥和熱風(fēng)管道上的電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。
3.2 汽包水位控制
采用三沖量調(diào)節(jié)，即根據(jù)給水流量、汽包液位和蒸汽流量調(diào)節(jié)主給水閥，保證鍋爐汽包水位的穩(wěn)定，是前饋—反饋串級調(diào)節(jié)回路，框圖如下：鍋爐給水系統(tǒng)中，由鍋爐提供兩個給水調(diào)節(jié)閥，其中DN150調(diào)節(jié)閥是主調(diào)節(jié)閥，在正常負(fù)荷和高負(fù)荷運(yùn)行時使用;旁通管設(shè)一個DN100的調(diào)節(jié)閥，在低負(fù)荷時使用，同時也作為主調(diào)節(jié)閥的備用閥。在自動給水狀態(tài)下，只允許其中之一自動調(diào)節(jié)給水，此時，另一調(diào)節(jié)閥可畫面手動給水;在程序投入之前，操作人員需要事先選定哪一個調(diào)節(jié)閥自動投入。如果此次未能設(shè)定，將按照上一次的設(shè)定執(zhí)行。
圖2 汽包水位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
將液位進(jìn)行PID1調(diào)節(jié)后輸出，和蒸汽流量進(jìn)行加法運(yùn)算，其結(jié)果作為PID2的設(shè)定點(diǎn)，PID2將此設(shè)定點(diǎn)與給水流量的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)給水閥。
汽包液位是主被調(diào)量，給水量是副被調(diào)量，蒸汽流量是前饋量。當(dāng)汽包液位上升時，PID1的輸出減小，則加法器的輸出也減小，給水閥關(guān)小，就減小了給水量。當(dāng)汽包負(fù)荷變大時，即蒸汽流量增加，加法器的輸出就增大，給水閥開大，就增大了給水量。
當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然增加，而出現(xiàn)“假液位”時，由于PID1是反作用，PID1的輸出就減小，即加法器里的X1就減小;由于負(fù)荷增加，加法器里的X2就增加，這樣，加法器的輸出基本變化不大。經(jīng)過短時間后汽包內(nèi)壓力恢復(fù)平衡，“假液位”消除，此時液位因蒸發(fā)量增加而開始下降，PID1的輸出就增加，則給水量增加，直至汽包液位恢復(fù)到給定位置。
3.3 爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)
爐膛負(fù)壓自動控制是通過調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)入口風(fēng)門開度，保持爐膛負(fù)壓在-20——10 Pa的微負(fù)壓狀態(tài)，保證鍋爐安全燃燒。當(dāng)兩臺引風(fēng)機(jī)同時運(yùn)行時，應(yīng)并列或者固定其中的一個對另一個進(jìn)行調(diào)節(jié)，可在畫面上選擇并列還是固1調(diào)2（1為固1調(diào)2，0為固2調(diào)1）。爐膛負(fù)壓設(shè)高、低報警。
3.4 鍋爐送風(fēng)自動控制
送風(fēng)自動控制目的：使鍋爐所投入的燃料在爐膛中燃燒時，自動投入合適的風(fēng)量，以保證鍋爐的經(jīng)濟(jì)燃燒。主要控制的參數(shù)為煤氣壓力及送風(fēng)壓力, 進(jìn)而達(dá)到最高的的鍋爐熱效率, 煙氣含氧量作為總風(fēng)量的修正量。通過調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)的擋板開度來調(diào)節(jié)送風(fēng)壓力;當(dāng)兩臺送風(fēng)機(jī)同時運(yùn)行時，應(yīng)并列（或者固定其中之一，對另一個進(jìn)行）調(diào)節(jié)入口風(fēng)門，可在畫面上選擇并列還是固1調(diào)2（1為固1調(diào)2，0為固2調(diào)1）。
3.5 鍋爐過熱蒸汽溫度自動調(diào)節(jié)（減溫水自動調(diào)節(jié)）
鍋爐過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)采用自制冷凝水噴水減溫裝置，鍋爐過熱蒸汽溫度自動調(diào)節(jié)是根據(jù)集器集箱和減溫器出口蒸汽溫度自動調(diào)節(jié)減溫水調(diào)節(jié)閥開度，控制減溫水量，以保證集汽集箱中蒸汽溫度控制在430——450℃范圍內(nèi)。當(dāng)集汽集箱出口蒸汽溫度降低時，汽溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動減少減溫水量，隨著汽溫升高，減溫水量增加，保證集汽集箱出口蒸汽溫度穩(wěn)定，反之則減小減溫水量，避免汽溫產(chǎn)生較大波動。噴水減溫系統(tǒng)中，由鍋爐提供兩個給水調(diào)節(jié)閥，其中DN50調(diào)節(jié)閥是主調(diào)節(jié)閥，在正常運(yùn)行時使用;旁通管設(shè)一個DN50的調(diào)節(jié)閥，作為主調(diào)節(jié)閥的備用閥。在自動給水狀態(tài)下，只允許其中之一自動調(diào)節(jié)給水，另一調(diào)節(jié)閥備用;在程序投入之前，操作人員需要事先選定哪一個調(diào)節(jié)閥自動投入。如果此次未能設(shè)定，將按照上一次的設(shè)定執(zhí)行。在主給水調(diào)節(jié)閥后設(shè)DN150的調(diào)節(jié)閥，根據(jù)所需要的冷凝水量調(diào)節(jié)該調(diào)節(jié)閥的開度。采用串級調(diào)節(jié)，蒸汽出口溫度經(jīng)PID1調(diào)節(jié)輸出后，作為PID2（減溫器出口溫度調(diào)節(jié)）的設(shè)定點(diǎn)，PID2對此設(shè)定點(diǎn)和減溫器出口溫度的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)減溫水調(diào)節(jié)閥。
當(dāng)測得集汽集箱出口蒸汽溫度高時，PID1的輸出增大，則減溫水調(diào)節(jié)閥開大，增加減溫水量;反之，則減小閥門開度，減少減溫水量。
當(dāng)有擾動時（主要擾動有煙氣流量和溫度的變化引起的擾動，減溫器入口蒸汽流量和溫度引起的擾動，減溫水壓力變化引起的擾動）首先反映在減溫器出口的蒸汽溫度變化，溫度一高，則要求增加減溫水量，調(diào)節(jié)就比較迅速，而對集汽集箱出口的蒸汽溫度的影響就比較小，提高了調(diào)節(jié)品質(zhì)?？驁D如下：
圖3 過熱蒸汽溫度自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
4 監(jiān)控功能
在畫面上可顯示鍋爐各部分時的溫度、壓力、流量分布狀況，采集的數(shù)據(jù)，歷史趨勢、報警閃爍畫面，完成各閥門、設(shè)備的開啟及操作，完成煤氣、助燃空氣的調(diào)節(jié)閥的操作及調(diào)節(jié)，各系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)與軟手動調(diào)節(jié)、硬手動調(diào)節(jié)的無擾自動切換，各調(diào)節(jié)閥的操作及調(diào)節(jié)和保持各數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。主要畫面如下：
主菜單：完成系統(tǒng)登陸，選擇工作制度、切入主畫面。
主畫面：可顯示鍋爐爐的整個工藝生產(chǎn)流程及相關(guān)的主要參數(shù)值，報警閃爍，切入其他畫面的功能按鈕。分畫面：各調(diào)節(jié)系統(tǒng)的畫面，包括參數(shù)設(shè)定的功能鍵、棒狀圖、控制流程圖、報警紀(jì)錄，相關(guān)信息;歷史趨勢，相關(guān)的PID參數(shù)設(shè)定等。
報警畫面：按工藝要求，當(dāng)過程值超過報警上下限時，發(fā)出報警，并在報警畫面上顯示報警發(fā)生時間、報警值、報警等級、報警點(diǎn)，操作員在報警畫面中可以完成報警確認(rèn)、報警信息過濾等功能。
報表打印：可設(shè)置任意格式報表，可打印所有輸入輸出參數(shù)的報表。另外，對監(jiān)控站設(shè)有多個安全級進(jìn)行管理，每個安全級均由不同的權(quán)限，防止侵權(quán)或誤操作。
5 應(yīng)用效果
采用DCS系統(tǒng)及相關(guān)控制流程以后，首先使操作工操作方便，使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊即可，整個鍋爐的運(yùn)行狀況在計算機(jī)屏幕上一目了然。在實(shí)際應(yīng)用中，采用DCS及相關(guān)控制技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：提高能源利用率，保證系統(tǒng)能夠高效安全運(yùn)行;出水溫度穩(wěn)定，提高舒適度;升溫速度快。從控制性能看，調(diào)節(jié)比較及時，超調(diào)不大，上下波動小，運(yùn)行穩(wěn)定。
從節(jié)能降耗看，該生產(chǎn)線使用了工業(yè)過程優(yōu)化自動控制技術(shù)以后，提高了系統(tǒng)可靠性，與同種類型鍋爐相比, 每年減少故障停機(jī)時間約200小時，鍋爐功率為130噸/小時，蒸汽按70元/噸計，每年可節(jié)約資金180余萬人民幣, 給企業(yè)帶來可觀經(jīng)濟(jì)效益。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：提出了一種基于分布式煤氣燃燒鍋爐控制系統(tǒng)，既充分利用PC機(jī)豐富的軟硬件資源實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面，又通過工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)與PLC機(jī)進(jìn)行通信，對鍋爐現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和及時處理，達(dá)到了鍋爐燃燒工況良好、節(jié)能降耗的工藝要求;全面實(shí)現(xiàn)儀電合一，統(tǒng)一由PLC和DCS完成其控制功能，實(shí)現(xiàn)了全面EIC一體化的系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制思想較為先進(jìn)，運(yùn)行穩(wěn)定，安全，可靠，節(jié)能。采用SIMATIC S7-400系列可編程控制器進(jìn)行鍋爐控制,硬件可由軟件組態(tài)，軟件編程層次清楚，現(xiàn)場調(diào)試方便，利用其強(qiáng)大的通訊功能可組成各種分布式監(jiān)控管理系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)
[1]鹿世金.工業(yè)鍋爐節(jié)能的控制技術(shù)[M].兵器工業(yè)出版社.1993.
[2]吳振綱，陳虎.PLC的人機(jī)接口與編程[J].微計算機(jī)信息，2005，8-1：21-23。
[3]鄭金吳等.燃煤低壓熱水鍋爐測控技術(shù)設(shè)計與研究[J].工業(yè)控制計算機(jī).14卷第6期.2001.
[4]SIMATIC S7 STEP7 5.3編程手冊
（轉(zhuǎn)載）
