1、2130th 循环流化床锅炉机组分散控制系统卫国，武维善（西安建筑科技大学计算机控制研究所，陕西西安 710055） 摘 要 文中给出了 2130th 循环流化床锅炉机组分散控制系统的组成、特点及基本功能，介绍了 CFB 锅炉燃烧控制系统。关键词 DCS；循环流化床；锅炉；现场总线1 引 言 循环流化床锅炉（Circulating Fluidized Bed Boiler，简称 CFBB）是二十世纪八十年代国际上发展起来的新一代高效、低污染清洁燃烧锅炉，具有燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣综合利用等优点，近年来在工业生产中得到了越来越广泛的应用。某热电厂扩建工程的热控系统采用 PlantSc
2、apeProcess 分散控制系统，实现2130th 循环流化床锅炉、225MW 汽轮发电机组的监视、控制和联锁保护。文中介绍了该分散控制系统的组成及特点、系统实现的基本功能和燃烧控制系统。2 系统组成及特点21 系统组成DCS 系统配置：PlantScape Process 控制系统配置如图 21 所示。211 监控操作级设备过程服务器：由 Dell Optiplex GX200MT 台式机和 PlantScape 主从过程服务器软件组成。服务器冗余配置，1 台主服务器，1 台从服务器。当主服务器工作出现故障时，从服务器自动切换为主服务器，提供和控制器的通信、数据采集的功能，并且为其它操作站
3、提供服务。主服务器自动传送所有数据库到从服务器，以确保主从服务器的完全同步。服务器冗余支持维护时服务器暂时退出，当服务器恢复时用按键方式数据库能重新同步。冗余服务器切换时间最小 10 s。过程操作站：由 Dell Optiplex GX110MT 台式机和 PlantScape 过程操作站软件组成。系统共设 7 个操作员站，其中每台锅炉 2 个操作员站，每台汽机 1 个操作员站，公用系统 1 个操作员站。操作站是过程的人机界面，操作员通过它实现对过程的监视和操作。PlantScape 系统操作站提供 2 种类型的显示画面：标准系统画面和用户自定义面画。数据交换客户机：由 Dell GX110
4、台式机和自行开发的应用软件组成。通过它实现 PlantScape 控制系统与管理信息网络的数据交换，构成管控一体化 J3265A 打印服务器和 6 台打印机。212 过程控制级设备过程控制站：由冗余非冗余的 C200 混合控制器、远程 IO 机架和 IO 模件为核心组成。根据控制过程的不同要求，配置不同类型和数量的 IO 模件。系统中有 2 个锅炉控制站、2 个汽机控制站和 1 个公用系统控制站。除 2 个汽机控制站外，其它控制站的 C200 控制器均冗余配置。锅炉控制站包括 1 对 C200 控制器和 3 个 IO 机架，安装在 3 台 DCS 机柜中。IO 点配置为：AI：汽机控制站包括
5、1 个 C200 控制器和 1 个 IO 机架，安装在 2 台 DCS 机柜中。IO 点配置为：AI：64；TC：30；RTD：42；AO：6；DI：160；DO：96。公用系统控制站包括 1 对 C200 控制器和 2 个 IO 机架，安装在 2 个 DCS 机柜中。IO 点配置为：213 现场控制级设备安装在现场的温度、压力、流量、液位等检测仪表和执行仪表，以及现场电控箱等。22 系统网络结构（1）监控操作级通信网络：PlantScape 系统服务器以上部分采用工业标准Ethernet 网通信，服务器与基于 NT 的操作员工程师站的通信采用冗余Ethernet 网，网络拓扑结构为星形。Et
6、hernet 网也是与工厂信息网（PIN）通信的媒介。（2）过程控制级通信网络：控制器到服务器的通信、控制器到控制器（点对点）的通信和控制器到 IO 机架的通信，采用高性能的开放式网络ControlNet（冗余）。机架内各模块通过 ICP（Integrated ControlProtocol）底板通信。（3）控制网络 ControlNet：归 ControlNet 国际基金会所有，已纳入IEC61158 现场总线标准。Contro1Net 是一种高速确定性网络，适用于对时间要求苛刻场合的信息传输。数据传输速率 5Mbps。传输介质 RG6 同轴电缆，可选冗余或非冗余传输介质。使用光纤中继器最远
7、可传输 10 km，使用同轴电缆和中继器，最远可传输 6 km。23 系统特点（1）电源冗余：整个 DCS 系统由来自 UPS 的两路交流单相电源供电。控制站内两台 24V 直流电源配置电源切换装置，构成冗余电源系统向信号隔离器供电，任一台电源故障都会报警，并实现两台电源的自动切换，确保任一台电源故障均不会影响系统的正常运行。（2）IO 机架分散安装：通常控制站由主机柜和几个端子柜组成。而本系统中根据 PlantScape Process 系统各机架间连接用 IOContro1Net 的特点，将各IO 机架分散安装在不同的机柜或同一机柜的不同安装板上，IO 模件连结器与同一机柜内的外部端子相连
8、，这样机柜间除网络线外无其它连线，节约了大量的柜间连接电缆。（3）信号隔离：两线制变送器全部通过 ICC301 双路隔离器（相当于配电器）与模入模件相连实现信号隔离；电流和电压输入信号也通过 ICC301 双路隔离器实现隔离。模出模件已采取了较好的隔离措施，所以模出模件输出信号不经隔离直接与执行器相连。开关量隔离全部采用带指示灯的端子式继电器，大大减小安装空间和连线。（4）可选控制器冗余：采用冗余模块可实现 2 台控制器的冗余。主从控制器的同步对用户来说是完全透明的，控制器的切换时间可以忽略不计。冗余（RM）模块之间通过冗余光缆连接，连接光缆可以在线更换而不破坏用户的过程控制。控制器冗余性能指
9、标：初始化同步时间 90 s；最大的初始化同步时间 120 s；最大的初始冗余切换时间 150 s。3 系统的基本功能 PlantScape Process 控制系统实现的基本功能包括：数据采集系统 DAS、锅炉协调控制系统 CCS 和辅机顺序控制系统 SCS。（1）数据采集系统 DAS：完成输入信号处理、数据屏幕显示、越限报警、报警和事件记录、报表打印、越限时间累计和参量累计、历史趋势显示和记录、工艺流程图显示和运行操作指导等。（2）锅炉协调控制系统 CCS：锅炉主负荷控制、总风量控制、一次风量控制、二次风量控制、燃料供给控制、炉膛床温控制、炉膛床压控制、石灰石量控制、炉膛压力控制、汽包水位
10、控制、冷渣器排渣温度控制、除氧器水位和压力控制、高低加热器水位控制、减温减压器温度和压力控制等。其中 CFB 锅炉的汽水系统与煤粉炉基本相同，控制系统也类似。燃烧较一般锅炉复杂，其控制系统也比一般锅炉复杂。（3）辅机顺序控制系统 SCS：一次风机联锁控制、二次风机联锁控制、引风机联锁控制、J 阀风机联锁控制、播煤风机联锁控制、点火风机联锁控制、给水泵功能组、汽机抽汽逆止门联锁控制、高低加热器解列控制等。4 CFB 锅炉的燃烧控制系统 CFB 锅炉是一个多参数、非线性、时变及多变量紧密耦合的复杂系统。目前，通常将燃烧系统分解为几个相对独立的调节对象，相应设置独立的调节系统。主要控制系统有负荷控制
11、系统、床温控制系统、床层床压控制系统、炉膛负压控制系统及二次返料量控制系统等。下面主要介绍 CFB 锅炉独有的燃料、风、床温及床压等控制系统。（1）燃烧给煤控制系统系统的主要作用是通过控制各给煤机的给煤量，与风量配合达到控制锅炉出口蒸汽压力的目的，总的给煤量通过机组负荷控制系统来确定，并加以床温校正，这样才能保证炉膛内燃料工况的稳定。（2）风量控制系统系统的主要作用是使锅炉总风量和负荷指令以及与负荷相匹配的燃料量相平衡。通过一次风、二次风和烟氧量的实际测量，结合锅炉设计对风量及配比的要求来产生控制一次风量、二次风量的信号。风量设定取负荷指令与燃料量两者之中的大者，以保证升负荷时先增风，后增燃料
12、；降负荷时防燃料富余。（3）一次风量控制系统系统的主要作用是控制一次风门挡板来控制一次风量。一次风量必须保证炉膛内物料能够沸腾循环，在对一次风量和总风量的测量计算时应该保持较高精度，在计算总风量时，应把锅炉的漏风量计算在内，一次风量通常不低于总风量的 60，同时，锅炉在起动时的总风量也不应低于 MCR 总风量的 25。（4）二次风量控制系统系统的主要作用是调节二次风的风门挡板，来控制二次风量，保证锅炉尾部烟道的烟气含氧量为当时机组负荷相对应的正常值，以达到最佳燃烧的目的。（5）石灰石量控制系统系统的主要作用是通过测量烟道出口烟气中 SO2 的含量，把此值与设计中所确定的 CaS 比，以及煤中含
13、硫量与 CaCO3 中的 Ca 综合在一起，进行计算后得出需要加入的石灰石量。石灰石量通过控制石灰石给料机来调节。由于 SO2 在线检测比较昂贵，本系统也可不使用在线 SO2 信号去校核计算石灰石给料控制，而只根据供煤量及不定时的煤质分析来设置一个合理的 CaS 比去控制石灰石投入量。（6）床温控制系统料床温度是一个直接影响锅炉能否安全连续运行的重要控制参数。同时也直接影响着锅炉运行中的脱硫效率及 NOx 的产生量，一般床温控制在 8595。料床温度过低不但使锅炉效率下降，而且使锅炉运行不稳定容易灭火；料床温度过高会使炉内脱硫效率下降。NOx 的产生量大大增加，同时容易造成炉膛料床的结焦，使循
14、环流化床锅炉无法循环流化燃烧。若发生结焦则必须停炉，可见床温控制是极为重要的。床温控制器输出经函数转换后，对一次风量、上部二次风量和下部二次风量控制器的设定值进行修正。（7）床压（炉膛排渣量）控制系统床压（床高）控制也与锅炉的安全连续运行密切相关。床高控制也就是控制床料的料层厚度。料层太厚，会把一次风的“风头”压住，使炉料不能达到完全流化状态；料层太薄首先不能满足带负荷的要求，其次会使一次风穿透料层吹灭炉火。本控制的主要作用是通过测量炉膛底部密相区与稀相区的差压值，从而确定炉膛料位高度，通过此料位高度来调节锅炉炉渣出口的排渣风量调节阀，达到控制排渣速度及排渣的目的，保证一个合适的炉膛料位高度。
15、（8）J 阀风量控制系统此系统通过测量 J 阀内的物料高度，来控制 J 阀各个送风管道的风量，在维持旋风筒立管内的物料在一定高度的基础上，保证物料能够顺利进入炉膛，使锅炉进行正常循环。由于本系统中锅炉的 J 形回料器具有自平衡的特点，各送风管风量调节阀位置在锅炉首次投运后即被确定，此后一般不再调整。（9）冷渣器排渣温度控制系统系统的主要作用是测量冷渣器内的渣温，通过控制冷渣器的 3 根冷热一次风管的风量，使得排渣温度被控制在要求值以下，保证冷渣器后端除渣系统的正常运行。5 结束语 该系统投入运行以来，性能稳定，运行情况良好，达到了系统设计要求，也为PlantScape Process 分散控制系统应用于较大规模的工业过程积累了经验。 参考文献1 徐天芳，熊兴宇IA 系列分散控制系统在大型循环流化床锅炉中的应用J，中国电力，1997（11）：48582 牛培峰，等循环流化床锅炉热工自动控制系统与展望J动力工程，1998，18（3）：39463 余国贞，等循环流化床锅炉控制技术进展J化工自动化及仪表，1997，24（4）：610工业仪表与自动化装置INDUSTRIAL INSTRUMENTATION & AUTOMATION2002 年 第 1 卷 第 6 期
