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米东区集中供热项目锅炉DCS自动控制技术

来源:用户上传      作者: 赵蓓

  【摘要】: 从工控机计算机的软硬件的组成和特点,介绍了锅炉自控系统的组成,锅炉计算机分散集散控制―DCS系统;集中供热锅炉计算机监控系统调节,常用控制策略:智能室温―水温串级自动控制、炉膛负压控制、自寻优经济燃烧控制、模糊控制、模糊+PID控制、容错控制等;蒸汽锅炉计算机自动控制;燃气燃烧自动控制;系统软件组态及调试运行。
  Control from the work the soft hardware of the machine calculator constitute with the characteristics, introducing the boiler from control the system constitute, the boiler calculator scatters about to gather to spread to control the system of ― DCS;Concentrates to provide the hot boiler calculator supervise and control the system regulates, in common use control strategy:Intelligence indoor temperature ― water temperature string class automatic control, the takes to press the control, from look for the excellent economy burn the control, misty control, misty+ PID control, permit mistake control etc.;Automatic control in calculator in boiler in steam;Thespirit burns auto control;System software aand adjust to try the movement.
  
  【关键词】:锅炉自控技术
   BoilerFrom control Technique
  
  一、概述
  2001年米东区广汇集中供热工程建设4×29MW锅炉,2007年扩建1×58MW锅炉,在工程建设中,运用锅炉计算机监控技术,它是以计算机为核心的工业控制系统,它是由锅炉本体、一次仪表、计算机、手动自动切换操作器、执行机构等组成,涉及到锅炉、计算机、热工自动化、仪表等,包括了温度、压力、流量、速度等参数。
  只要我们选择质量稳定的传感器、变送器、执行机构等一次仪表,并改善锅炉房的运行环境,加强对这些仪表的检验和修理,对仪表检修操作人员加强技术培训,锅炉计算机监控系统就能自动的安全可靠地运行。
  集中供热锅炉计算机自动控制系统的任务有:1、自动跟踪室外温度的变化,自动调节锅炉出水温度,维持供暖要求的室内温度,2、自动跟踪燃烧调节过程中的炉膛负压,维持锅炉燃烧的最佳状态和经济性,维持炉膛负压在一定范围内,优化燃烧达到最佳热效率,3、将采集到的锅炉、热网的温度压力流量速度等信号,将锅炉运行的各项参数在工艺规定的范围内,制作成各种报表、趋势分析,4、准确将锅炉运行中的重要数据发出超限报警,确保锅炉的安全运行。
  二、软硬件和工控机
  ㈠计算机系统
  包括硬件和软件,
  硬件包括:⒈主机⑴CPU控制器、运算器⑵存储器RAM、ROM⑶输入/输出接口⑷系统总线⒉辅助电源及电路⒊输入/输出设备⑴键盘⑵打印机⑶CRT显示屏⑷外存储器,
  软件包括:⒈系统软件:操作系统、各种语言⒉应用软件。
  ㈡工业控制计算机―工控机的特点
  ⒈满足锅炉运行实时性要求,实时地采集和处理锅炉运行过程中的各种参数,并进行及时的分层次的操作。
  ⒉高可靠性。工控机直接控制着锅炉运行的生产过程,要求能在锅炉房这种工业环境连续稳定地工作。
  ⒊必须具有锅炉供暖现场的信号输入与控制信号输出的能力。
  ⒋可维护性,要求工控机系统的结构便于维修,软硬件故障诊断功能强,以便于快速查找故障。
  三、锅炉自动控制系统的组成
  锅炉计算机自动控制系统可分成三部分:①眼鼻感觉部分:传感检测变送部分②心脑核心部分:主计算机软硬件部分,计算判断直至输出调节信号和报警信号③手脚动作部分:执行机构部分,将计算机输出的调节信号,去调节风机、炉排等。该系统可实现多台热水锅炉的监视、控制、报警、记录、统计分析和各种图形报表的存档、打印。该系统主要由调度管理计算机、操作员站/工程师站、过程控制站、实时控制网络、I/O接口单元和后备仪表操作台组成。附图1-锅炉自控系统组成图
  ㈠工控机PLC、PC、DCS的特点
  ⒈PLC可编程控制器:结构紧凑,体积小,具有高度可靠性,功能完善,易于维修。
  ⒉各种总线结构工业控制机PC:CPU采用单板式结构;具有一个高性能抗振防尘、防电磁干扰的内部正压送风散热的密封机箱;
  ⒊分散集散式工业控制计算机DCS:控制功能多样化,操作简便,系统便于扩展,可靠性高,便于与其他计算机联用。如STEC2000、CS1000、MAX1000等。
  ㈡、锅炉计算机分散集散控制―DCS系统
  ⒈系统配置:包括DI、DO、AI、AO,以及回路配置、控制方案组态,利用软件提供的算法,实现多回路的控制算法,并根据需要,进行特殊的设置控制及优化算法。
  ⒉基本功能有:⑴模拟流程图⑵棒状图⑶参数图⑷系统自诊断、报警、事件检测和管理功能⑸高级的趋势记录显示功能⑹历史数据采集功能⑺燃烧分析⑻系统组态⑼显示画面及打印⑽系统安全性⑾联网特性⑿良好的人机界面⒀可靠的联锁保护
  ⒊系统有三个主要元件:工作站、远程处理单元和一条光纤数据高速公路。通过CRT操作人员可监视操作处理并调节控制系统参数。远程处理单元和输入/输出硬件的机柜,并有到现场装置的仪器接口。数据高速公路是一个单层通讯网络,能连接所有的设备。
  ⒋主要技术指标
  ①环境参数:环境温度-10℃~±50℃,相对湿度:≤90%,电源:~220V±15% 50Hz±2
  ②炉膛负压稳态偏差:≤±15Pa
  ③烟气含氧量稳态偏差:≤±2%
  ④模拟量输入:32路带光隔;模拟量卡接受4~20mA信号;
  ⑤模拟量输出:8路带光隔;0~10mA 4~20 mA0~5V
  ⑥开关量输入、输出:32路带光隔(输入16路、输出16路)
  ⑦采样周期:≤1秒
  ⑧检测精度:显示精度:0.1%
  ㈢计算机监控功能图 见附图2
  计算机监控系统图 见附图3
  四、锅炉基本自控调节系统
  ㈠集中供热锅炉计算机自控调节系统
  常用控制策略有:智能室温―水温串级自动控制、炉膛负压控制、自寻优经济燃烧控制、模糊控制、模糊+PID控制、容错控制等,在燃烧系统中水温控制、经济燃烧控制、负压控制之间耦合关联较大,常常组合使用,以达到理想效果。
  集中供热锅炉特点:1、锅炉、供热运行的滞缓性,锅炉改变风、煤的燃用量来改变出水温度,时间需要数分钟;而要改变用户室内温度,时间需要数小时,2、煤种的差异性,每批煤的发热值都有差异,3、室外温度的多变性,一个采暖期在变化,一天24小时在变化,4、锅炉运行有较高的安全性、锅炉燃烧的经济性,室内温度的恒定性。这些特点要求锅炉计算机监控系统调节要确保锅炉安全、经济地运行。

  ⒈智能室温―水温串级自动控制
  可以在三种方式下运行:第一种:根据室外温度的实际变化情况,将室内温度与给定值比较后,自动寻找满足热网运行要求的设定值,即出水温度值满足温度负荷曲线的要求;根据偏差进行P(比较)、I(积分)、D(微分)调节输出值,经基准值变换后,作为出水温度的给定值。当出水温度瞬时值与该给定值比较后,产生偏差,进行PID调节后,与其他前馈扰动量,如二次回水温度、煤层厚度、炉膛温度等合成后输出,调节给煤量。第二种:根据时间的变化,自动寻找满足热网运行要求的设定值,即出水温度值满足时间负荷曲线的要求;第三种,根据供、回水温度的实际需要,直接修改出水温度的设定值满足热网运行的要求。
  该控制回路,将炉膛温度作为内回路,与出水温度回路串联运行,保证了系统的及时性;引入回水温度值作为前馈,解决了回水温度的变化对回路的影响。
  ⒉炉膛负压调节
  炉膛负压控制主要是通过调节引风机速度来完成的。其中,采用鼓风机速度为前馈,当鼓风量增加时,同时增加引风机的转速,保证维持炉膛始终负压30~50Pa。以风煤比值为前馈,以烟道残氧量为反馈的前―反馈调节系统,调节鼓风量。以鼓、引风比值为前馈,以炉膛负压为反馈的前馈―反馈调节系统,调节引风量。
  ⒊模糊控制:
  它是针对系统的精确性和复杂性的矛盾提出来的。对于一个复杂的系统,在建立数字模型的过程中要利用大量的理论和经验信息,其中在很多经验信息只是定性的描述。锅炉正是这样一个系统,在其运行过程中,操作人员的经验十分重要,而传统的控制方法是无法准确利用这些经验,也无法使系统的运行自动寻优。利用模糊理论和控制方法,可以将现场操作人员的操作经验总结成模糊规则,运用模糊逻辑推理的方法,构造出一套模糊控制策略,使系统在运行中,自动寻优找影响燃烧效率各因素的最佳结合点,使得锅炉在运行中工况变化较大时,具有快速跟踪、快速趋向稳定的能力,从而达到最好的控制效果。
  ⒋自寻优经济燃烧控制
  以系统的时均热效率为指标,通过调整风煤比/含氧量观察热效率的变化趋势,找到一个对应最高时均效率的风煤比/含氧量,并保持此值燃烧,用氧量做校正,直至热效率减少到预定的值再重新寻找最佳值;其中,以含氧量作指标时,考虑含氧量参数的不稳定性,输出有限幅,并仅作校正。
  ⒌模糊+PID控制
  锅炉的控制是一个典型的纯滞后、慢时变、多耦合的系统,仅靠传统的PID控制很难满足精度的要求。因此,采用模糊控制和PID相结合的办法。模糊控制能解决大滞后和快速响应问题,但偏差较大;PID控制精度高响应速度快,但易超调;二者结合,大偏差时模糊控制起作用保证快速性,小偏差时PID起作用,满足精度的要求。
  
  ⒍容错控制
  在控制过程中,如不充分考虑部分部件的故障对系统影响,整个系统的投入率就不高,有时甚至造成危害。系统采用容错控制技术,靠系统的软硬件故障诊断,得到部件的故障信息,将故障部分报警指示,同时从控制回路中平滑切除,确保控制的稳定和系统的可靠。
  ㈡蒸汽锅炉计算机自动控制
  为了使蒸汽出力与外界负荷相适应,维持蒸汽压力稳定;保持较佳的空燃比,达到经济燃烧,炉膛负压维持在规定值范围内。采用三冲量调节系统。以汽包水位为主控信号,蒸汽流量和给水流量为辅助控制信号组成三冲量水位调节系统。
  ㈢燃气燃烧自动控制
  随着低污染高效燃料的广泛应用,为了提高设备运行的安全可靠性,使设备在最佳工况下运行,迫切要求燃气燃烧自动化。燃气燃烧自动控制
  可做到:①保证燃烧设备安全运行,如燃气熄火保护,燃气压力上、下限控制等。②保证加热的工艺参数,如加热温度、炉内气分,炉膛压力。③保证燃烧的经济性,如空/燃比的控制等。
  五、系统软件组态及调试运行
  ㈠显示组态
  包括:流程图、控制分组图、参数设定画面、趋势显示等。
  系统具有丰富形象的人机界面,极其简便的设置操作,多媒体操作提示、报警、紧急联锁功能;锅炉动态流程图、软收操、趋势图、诊断表、参数设定等图形画面;历史记录实现不同的采样周期,不同的记录时间反映主要参数记录,共显示、管理、故障检查及诊断使用,对于运行数据记录、报警记录等可进行制图或绘出曲线进行打印。
  ㈡运行调试
  组态完成后,要与现场设备进行联调,必须在实验室调试和冷态调试的基础上进行热态调试。联调可在锅炉正常运行时进行。开始运行手动和模拟仪表控制,之后投入计算机自动控制。联调能够完成:
  ⒈手动/自动无扰动切换;
  ⒉所有参数可在线修改,对重要参数具有专家调整系统。
  ⒊系统自我保护功能完善,防止因误操作而系统崩溃;
  ⒋计算机、仪表双报警系统,确保发生危险时联锁停炉;
  ⒌所有控制回路自动完成调整:自动控制运行调试,主要时PID参数的整定。计算机监控系统的软硬件开发、调试是许多人能做到的,但自动控制的参数整定,需要掌握各种控制回路参数的准确数据,锅炉控制软件有燃烧专家库,在大偏差时采用模糊算法,小偏差时采用参数限幅PID算法,即保证系统稳定性、可靠性、又保证控制精确性。
  ⒍确定热态运行时,重要参数报警上、下限。
  六 结束语
  通过乌鲁木齐米东区集中供热项目锅炉自动控制系统的实施,总结分析,可以理解为没有上自控的锅炉房单位面积年耗热量为0.46×(1-5%~8%)=0.437~0.423GJ/ (m2.a); 而上了自控的锅炉房单位面积年耗热量为0.363 GJ/ (m2.a),节约热量14.2%~16.9%,所以目前一般认为锅炉自控节能约为15%左右。
  每平方米供热面积锅炉自控的投入为1.5~2元/m2,热费为22元//m2,则投资回收年限约2年,即两个采暖期收回投资。有较好的经济效益、社会效益和环保节能效益。
  
  参考文献:
  1、《实用供热空调设计手册》陆耀庆 1997年2月
  2、《供热工程》贺平 孙刚 2003年6月
  3、《自动控制原理》鄢景华 哈尔滨工业大学 2001年7月


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