摘 要：介紹了小型熱電廠的DCS分散控制系統(tǒng)的應(yīng)用,，通過設(shè)置合理的模糊規(guī)則表參數(shù),，實(shí)現(xiàn)了工況穩(wěn)定時鍋爐系統(tǒng)的自動控制；針對DCS控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析,，提出相應(yīng)的改進(jìn)方案,，除能實(shí)現(xiàn)各種要求的控制功能外,，還擴(kuò)展到了汽輪機(jī)、給水泵等設(shè)備,；并對DCS在小型火力發(fā)電廠應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行了總結(jié),，希望為同行提供一些思路和借鑒。
關(guān)鍵詞：熱電廠,；DCS,；應(yīng)用；改進(jìn)
0 引言
分散控制系統(tǒng)（DCS）是計算機(jī),、自動控制技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的綜合產(chǎn)物,。它基于控制分散、危險分散,、操作和管理集中的設(shè)計思想,，采用多層分級、合作自治的結(jié)構(gòu)形式,，適應(yīng)了現(xiàn)代化生產(chǎn)和企業(yè)管理的要求,。由于DCS融人了最新的現(xiàn)場總線、嵌人式軟件,、先進(jìn)控制,、報表技術(shù)、CRT以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等,，使得其能夠整體解決小至一臺大型設(shè)備（鍋爐）,、大至一個現(xiàn)代化工廠整個生產(chǎn)過程的全方位控制，并為工廠全程信息化管理提供基礎(chǔ)平臺,。
隨著我國生產(chǎn)力的不斷發(fā)展以及我國在生產(chǎn)過程自動化方面科技水平的不斷提高,，目前我國新建的火電廠普遍都采用了DCS控制系統(tǒng)，以前采用常規(guī)控制的火力發(fā)電廠也基本進(jìn)行了DCS改造,。隨著DCS控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展,，性能不斷提高價格逐年下降，DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍將越來越廣,。DCS也逐步開始在小型電廠廣泛應(yīng)用,。在我國，小型火力發(fā)電廠基本上為供熱機(jī)組,，主要用于冶金,、石化、化工,、紡織等行業(yè)大型企業(yè)的自備電廠及城市供熱,，大部分屬于電力系統(tǒng)外的電廠。典型的主設(shè)備選型多為循環(huán)流化床鍋爐配抽汽式汽輪發(fā)電機(jī)組,，一般為二爐一機(jī)或三爐二機(jī),，熱力系統(tǒng)為母管制,。保定石油化工廠熱電站即為典型的企業(yè)自備熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。其DCS系統(tǒng)的應(yīng)用和改進(jìn),，可為我國為數(shù)眾多的小型電力企業(yè)同行提供一些思路和借鑒。
1 DCS系統(tǒng)的應(yīng)用
1．1 DCS系統(tǒng)組成
該廠2003年應(yīng)用北京和利時自動化工程有限公司研制的HS2000分散控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造,，該系統(tǒng)包括DAS和MCS兩部分,，其中DAS用于運(yùn)行參數(shù)實(shí)H寸監(jiān)測，MCS用于模擬量控制,。HS2000系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)從功能上分成操作員站,、工程師站和現(xiàn)場控制站三種類型。這些節(jié)點(diǎn)通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接在一起,，所有節(jié)點(diǎn)之問的數(shù)據(jù)和信息傳遞都南系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)完成,。操作員站由可靠性高的工業(yè)微機(jī)配以外設(shè)組成，站上運(yùn)行的軟件是HS2000系統(tǒng)專用的實(shí)時監(jiān)控軟件,。功能有：圖形顯示與會話,、報警顯示與管理、報表打印,、系統(tǒng)庫管理,、歷史庫管理、追憶庫管理等,。工程師站和操作員站使用同一臺微機(jī),，該站配以HS2000組態(tài)軟件包，供用戶實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的組態(tài) 現(xiàn)場控制站是DCS系統(tǒng)完成現(xiàn)場測拉的重要站點(diǎn),。HS2000系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站由主控模塊,、智能I／O模塊、電源模塊和專用機(jī)柜四部分組成,。該站主要完成兩項功能：信號的轉(zhuǎn)換與處理和控制運(yùn)算,。
1．2 鍋爐系統(tǒng)控制方案
1．2．1 改造原則
根據(jù)實(shí)際情況，該廠于2003年首先對兩臺35t／h中溫中壓鏈條鍋爐進(jìn)行DCS改造,，在采用DCS控制后還保留了鍋爐的緊急停止及重要輔機(jī)的硬手操,，汽輪機(jī)暫時保留PLC控制，輔助車問仍由常規(guī)儀表控制,。
1．2．2 鍋爐運(yùn)行控制任務(wù)
?、?自動檢測：用檢測元件和顯示儀表，對鍋爐的熱工參數(shù)（壓力,、溫度,、流量等）進(jìn)行連續(xù)測量和顯示，并為自動調(diào)節(jié)和安全保護(hù)提供檢測信號,。
?、?自動調(diào)節(jié)：對鍋爐運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行自動調(diào)整,，以適應(yīng)外界負(fù)荷和工質(zhì)參數(shù)的要求，并使鍋爐保持在較經(jīng)濟(jì)的工況下運(yùn)行,。
?、鄢绦蚩刂疲菏瑰仩t的啟、停及運(yùn)行等一系列操作實(shí)現(xiàn)自動化,。如系統(tǒng)啟動按照引風(fēng)機(jī),、鼓風(fēng)機(jī)、爐排的啟動順序進(jìn)行,。
?、鼙Ｗo(hù)連鎖：系統(tǒng)必須具有超壓、水位過高,、水位過低聲光報警以及超壓停爐和水位過低停爐熱工聯(lián)鎖保護(hù)等功能,。電氣聯(lián)鎖保護(hù)是為防止設(shè)備在啟、停過程中由于操作錯誤而造成事故,。
1．2.3 控制參數(shù)
根據(jù)鍋爐實(shí)際使用需要,，確定了10個調(diào)節(jié)攢，分別是：① 除氧水位,；② 除氧壓力,；③ 主汽減壓；④ 分汽缸出口穩(wěn)壓,；⑤ 爐膛負(fù)壓,；⑥主汽溫度；⑦ 汽包水位,；⑧ 爐排轉(zhuǎn)速,；⑨ 鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速；④給煤機(jī)轉(zhuǎn)速（控制煤層厚度）等,。其中汽包水位,、主汽溫度是鍋爐系統(tǒng)控制的重點(diǎn)，燃燒自動則是鍋爐系統(tǒng)控制的難點(diǎn),。
1．2．4 常規(guī)控制回路
除氧水位,、除氧壓力、除氧氣減壓,、分汽缸出口穩(wěn)壓,、爐膛負(fù)壓等是常規(guī)的單回路調(diào)節(jié)。主汽溫度,、汽包水位多采用單回路前饋或串級加前饋（：=三沖量）組成,。常規(guī)回路及P、I、D參數(shù)調(diào)節(jié)參見表1,。
1．2．5 燃燒系統(tǒng)的控制
鍋爐參數(shù)中,，主汽壓力（或過熱蒸汽壓力）是衡量蒸汽量與外界負(fù)荷兩者是否適應(yīng)的指標(biāo)。引起主汽壓力變動的擾動來源有兩個：一是燃料量的擾動,，為基本擾動,；——是用汽量的擾動。為負(fù)荷擾動,?；緮_動可以通過自身的閉環(huán)來克服，負(fù)荷擾動則不易做到,。負(fù)荷變化時母管壓力出現(xiàn)瞬時改變，而調(diào)節(jié)通道的遲延較大,，對象擾動通道與調(diào)節(jié)通道的動態(tài)甚為懸殊,。調(diào)節(jié)很不利。根據(jù)司爐工經(jīng)驗,，煤從進(jìn)入爐膛到完全燃燒需要20min以上,。常規(guī)的P、I,、D調(diào)節(jié)跟隨性較差,，無法完成這樣一個大滯后系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)。采用基于模糊理論的專家系統(tǒng)[l],，可較好地實(shí)現(xiàn)對鍋爐燃燒系統(tǒng)的自動控制,。表2是基于專家系統(tǒng)的控制參數(shù)規(guī)則表。其中P論域表示模糊控制中鍋爐壓力的論域,，AP論域表示兩個運(yùn)行周期鍋爐壓力變化差的論域,。燃燒周期的自動調(diào)整，加快了負(fù)荷大幅變化時燃燒控制的響應(yīng)速度,。煤質(zhì)或爐況的不同對調(diào)節(jié)效果有一定的影響,。由于隸屬度函數(shù)的曲線均相互交錯重疊，岡此模糊控制算法對于參數(shù)變化的適應(yīng)性具有較強(qiáng)的魯棒性,。實(shí)際運(yùn)行驗證了這一特點(diǎn),。
1．2．6 閥門的調(diào)節(jié)與限幅
規(guī)則表參數(shù)中閥門變化值對應(yīng)于每個燃燒周期爐排轉(zhuǎn)速的變化鰱。爐排轉(zhuǎn)速控制給煤量,，是保證鍋爐經(jīng)濟(jì),、安全運(yùn)行的重要控制對象。根據(jù)操作工的經(jīng)驗,，在一定的爐況和煤質(zhì)條件下．爐排轉(zhuǎn)速達(dá)到一定限額厲將不再對汽包壓力起決定作用,。 此必須對爐排轉(zhuǎn)速設(shè)置合理的上限以防燃燒不充分。污染環(huán)境。鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速與爐排轉(zhuǎn)速之問應(yīng)根據(jù)一定的風(fēng)煤比互相協(xié)調(diào),，保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性,。這個比例與具體的煤質(zhì)、爐況,、變頻器轉(zhuǎn)速相關(guān),，在運(yùn)行中需根據(jù)現(xiàn)場情況及時調(diào)整。引風(fēng)轉(zhuǎn)速與鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速應(yīng)互相適應(yīng),，將爐膛負(fù)壓維持在一定范同內(nèi),，保證燃燒的安全性。燃燒控制規(guī)則表以及鍋爐各利一參數(shù)的設(shè)置如表2所示,。為方便操作,，將爐排轉(zhuǎn)速、鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速,、引風(fēng)轉(zhuǎn)速限幅,、燃燒周期等參數(shù)設(shè)置為操作員權(quán)限，井引至監(jiān)控界面以便司爐工在線修改,。
2 運(yùn)行效果和問題
2003年DCS改造后,，兩套鍋爐系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了爐況穩(wěn)定條件下的自動控制。通過設(shè)置合適的爐排轉(zhuǎn)速,、鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速,、引風(fēng)轉(zhuǎn)速限幅值，基本保證了煤的充分燃燒,，減少了環(huán)境污染．實(shí)現(xiàn)了工況穩(wěn)定時整個鍋爐系統(tǒng)的自動控制,。同時由于引入燃燒周期的自適應(yīng)調(diào)整’力Ⅱ快了負(fù)荷大幅變化時的響應(yīng)速度。提高了系統(tǒng)控制的自動化程度,。
但在運(yùn)行期問,，該廠發(fā)現(xiàn)該鍋爐在負(fù)荷變化較大的工況下，控制過程中存在以下幾個主要問題：鍋爐汽包液位測量存在較大偏差,；燃燒控制系統(tǒng)無法投自動,。
3 問題分析與改進(jìn)
3．1 汽包液位控制改進(jìn)
在鍋爐汽包液位測量中，由于汽包液位系統(tǒng)是一個沒有自平衡能力的被控對象,。當(dāng)供水量突然降低或出口蒸汽流量增大時,。由于此時鍋爐傳給汽包的熱量不變。致使液體大量汽化,。造成汽包液位測量結(jié)果偏大,；當(dāng)供水量突然增大或出口蒸汽流量減小時，情況相反,，也就是我們常說的“汽包虛假液位”,。而該鍋爐在汽包液位檢測回路的原設(shè)計方案中忽視了這個問題,；直接影響了汽包液位控制的平穩(wěn)，為此,，我們對汽包液位測量結(jié)果引入壓力補(bǔ)償,，補(bǔ)償公式如下：
h=[△P+gH（ρ"-ρ）]／[g（ρ"-ρ‘）]
式中：h一補(bǔ)償后的汽包液位；△P-變送器測量的差壓值,；g-重力,；H一汽包高度；ρ-液體參考密度,；ρ‘—水的密度,；ρ"-蒸汽密度。汽包壓力與ρ‘,、ρ"之間的關(guān)系曲線用折線近似后如表3所示,。
在HS2000DCS控制點(diǎn)的組態(tài)中。運(yùn)用RPV點(diǎn)中的表達(dá)式及折線化算法,，很容易實(shí)現(xiàn)以上補(bǔ)償關(guān)系,。原設(shè)計所給出的汽包液位三沖量控制方案如圖1所示。
通過分析發(fā)現(xiàn),，調(diào)節(jié)器的輸人為：汽包液位設(shè)定值-汽包液位測量值+主蒸汽流量-給水流量,。實(shí)際運(yùn)行中由于各種擾動的影響,。給水流域和主蒸汽流量幾乎不可能相等,。該方案的控制結(jié)果將使汽包液位產(chǎn)生靜差。為此,，采用在三沖量基礎(chǔ)上的串級控制方案,。如圖2所示。由于主調(diào)節(jié)器的作用,。該方案較好地消除了靜差,。
3．2 燃燒控制改進(jìn)
原設(shè)計的燃燒控制用于氧含量測量的裝置改用700B氧含量分析儀。把控制方案改為氧含量控制引風(fēng)機(jī)出口擋板,，爐膛負(fù)壓控制送風(fēng)機(jī)出口擋板的方案,。并使氧含量控制的P、I作用弱一些,。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行,，燃燒控制系統(tǒng)的滯后時間相對較小，證明改進(jìn)的控制方案可行,。
3．3 功能擴(kuò)展
轉(zhuǎn)速是汽輪機(jī)運(yùn)行的最主要的參數(shù)之一,。對該參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測。增加了運(yùn)行人員的監(jiān)測手段與途徑,，提高了信號顯示精度,，方便了運(yùn)行人員的監(jiān)盤與操作控制。更重要的是總調(diào)值長可通過局域網(wǎng)監(jiān)測汽機(jī)轉(zhuǎn)速。在脫網(wǎng)事故狀態(tài)下仍可監(jiān)測到汽機(jī)轉(zhuǎn)速變化,，從而可據(jù)此有效地進(jìn)行事故處理,。避免事故的進(jìn)一步擴(kuò)大；給水泵是為鍋爐供水的關(guān)鍵設(shè)備,，因此在2004年該廠將原DCS系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展,。將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和三臺給水泵的變頻調(diào)節(jié)信號加入到了DCS系統(tǒng)中。
4 結(jié)論
（1）綜合效果
該廠DCS系統(tǒng)自安裝投運(yùn)以來,，軟,、硬件運(yùn)行基本可靠。經(jīng)過改進(jìn)后達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo),。① 控制水位精度：±10 mm,。汽壓：±0．03 MPa，汽溫：±5℃,。負(fù)壓：±4 Pa,；②節(jié)能效果顯著。煙氣含氧量和渣含碳量明顯降低,。經(jīng)測試提高運(yùn)行效率4％ ,。實(shí)際節(jié)煤5％ ，一年耗煤量按40000噸計算,，每噸煤按360元人民幣計算,。僅節(jié)煤一項一年可節(jié)約72萬元。
（2）DCS的進(jìn)一步應(yīng)用目標(biāo)
?、龠M(jìn)一步擴(kuò)展DCS系統(tǒng)的功能范圍,。實(shí)現(xiàn)一體化；采用先進(jìn)的控制軟件,，進(jìn)一步發(fā)揮DCS的效能,。為提高電廠管理的自動化水平，進(jìn)一步擴(kuò)大DCS的應(yīng)用范圍,。實(shí)現(xiàn)所謂的一體化,，未來計劃汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)（DEH和MEH）、發(fā)電機(jī),、主變組和廠用電源系統(tǒng)的控制都將納入DCS,。②進(jìn)一步擴(kuò)大DCS物理分散的應(yīng)用。以減少電纜費(fèi)用,。③實(shí)現(xiàn)全廠輔助車間的系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)和統(tǒng)一監(jiān)控,。減少值班人員。
（3）DCS在小型火力發(fā)電廠應(yīng)用中存在的問題
?、賴a(chǎn)DCS硬件的制造工藝及制造水平離國際水平有較大的差距,，硬件的故障率較高,；② 由于缺乏切實(shí)可行的測試方法和手段。有些DCS性能指標(biāo)無法進(jìn)行考核和驗收,。許多性能指標(biāo)沒有達(dá)到規(guī)范要求,；③由于DCS市場競爭激烈，價格壓得很低,。DCS供應(yīng)商在工程設(shè)計及應(yīng)用軟件的開發(fā)上不可能有很大的投入,。在硬件配置上往往并沒有體現(xiàn)DCS的分散控制原則。特別是在小型系統(tǒng)中,。這種現(xiàn)象尤為明顯,；④工程設(shè)計及應(yīng)用軟件的開發(fā)水平也不高。先進(jìn)的控制軟件及控制策略不能推廣應(yīng)用,。不利于電廠的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行,；⑤國產(chǎn)檢測元件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性、準(zhǔn)確性往往不能滿足DCS控制系統(tǒng)的要求,。加大了系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)投入的難度,。使得DCS的優(yōu)勢不能完全發(fā)揮出來，影響了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,；⑥ 由于小機(jī)組的不規(guī)范性,。一些輔助設(shè)備都自帶控制系統(tǒng)（箱）。較常用的方法是采用硬接線的方式,，將這些設(shè)備的控制信號傳送至DCS并由DCS進(jìn)行控制,；各系統(tǒng)之問的聯(lián)接是工程中最麻煩的問題。能否解決這些問題又成了整個系統(tǒng)能否長期安全運(yùn)行的關(guān)鍵,；⑦控制策略一般由DCS廠家制定．1旦DCS廠家往往對生產(chǎn)過程的細(xì)節(jié)并不太了解,?；蛘哒f對主設(shè)備的變化不太了解,。因而?？刂撇呗酝行┎蛔?。必須在投產(chǎn)后在有經(jīng)驗的運(yùn)行人員的幫助下，根據(jù)實(shí)際情況不斷修改才能取得較好的效果,。
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