热电联电企业DCS应用链条炉.docx
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热电联电企业DCS应用链条炉
热电联产企业DCS应用解决方案（链条炉部分）
1、前言
由于链条炉有结构简单、操作方便、运行维护简单、投资少、负荷可调范围大、适合经常启停的场合应用等众多优点，目前在我国取得了广泛的应用，虽然在35t/h以上的应用中受到循环流化床锅炉的挑战，但在65t/h以下的锅炉中，其保有量依然占据优势，目前城市供热和厂矿自备电厂应用中仍然较多。
浙大中控从成立之始就开始了链条炉自动控制的研究，通过近百个工程实际工程应用的总结和积累，今天已经完全突破了链条炉控制的难点，实现了链条炉自动的控制，本文着重阐述当今较为流行炉型的控制特点和浙大中控现有的一些自控解决方案。
2、工艺介绍
2.1简介
链条炉区别于其它形式锅炉的最大特点它的燃烧系统，它有一个横贯炉膛底部的炉排，炉排上方是燃烧的火床，下部是风室。
煤在水平运动的炉排上燃烧，空气从炉排下方自下而上引入，炉排上部是炉膛，炉膛壁中布满了水冷壁。
煤从煤斗落到炉排上，经过炉闸门时被刮成一定的厚度，随后进入炉膛，在炉排上分段燃烧成渣，炉渣随着炉排的转动排出，炉膛产生热量为炉膛受热面吸收。
工艺简图如下（以正转过热蒸汽链条炉为例）：
从上图可以看出，链条炉同其它类型的锅炉一样也采用Π形结构，但由于链条炉燃烧属于层燃，燃料燃烧区高度只有10～30厘米，燃烧区域大，因此链条炉炉膛部分较粗大，整个炉体与循环流化床等锅炉比较矮，成为一个压扁的Π形。
链条炉是层燃形式，整个燃烧比较平稳，不存在爆燃造成事故、容易熄火结焦等问题，整个锅炉的可控性好，负荷调节能力也较强；对操作人员的要求较低，操作人员经过简单培训即可胜任锅炉的操作工作；自动控制实现容易。
整个锅炉系统结构简单，维护费用低，起炉、压火容易，对于经常需要起、停的应用场合意义更大。
2.2链条炉分类
2.2.1根据链条炉产生的产品的不同分为：
热水炉：
产品为热水，主要用于供暖，多见于北方的供热中心，规格通常以供热能力表示。
如：
29MW链条炉。
饱和蒸汽炉：
产品为饱和蒸汽，主要用于生产用蒸汽和供热，多见于厂矿企业的动力车间和北方的供热中心。
过热蒸汽炉：
产品为过热蒸汽，主要用于推动汽轮发电机组发电和通过减温减压后供热，普遍应用于厂矿企业的自备热电厂。
2.2根据链条炉炉排运行的不同分为：
正转链条炉：
炉排转动方向与进煤方向一致，煤自然落下到炉排，炉排转动将煤燃尽后的灰渣带到远端，目前应用最广。
反转链条炉（抛煤炉）：
煤抛的方向与炉排转动的方向相反，落渣口位于锅炉前方，煤从炉前落渣口正上方的抛煤口从空中抛向炉排的远端，炉排反向（从炉后方向带动煤向炉前方向）转动的链条炉，应用范围较小。
两种炉型的控制基本一致，没有太大区别。
2.3链条炉特点
●结构简单
●运行稳定、安全，可操作性好
●运行维护简单，自控投运率高
●投资少
●负荷可调范围大
●适合经常起停
●煤质要求较高，环保效果差
●热效率较低
2.4运行方式
对于热电联产企业及纯供热的锅炉，其运行方式不同于火力发电厂采用的单元制运行方式，通常采用的是母管制运行方式。
母管制是指多台锅炉的供水和蒸汽管道公用同一母管的运行方式；对于母管制运行，由于锅炉的出力不仅受外部热负荷变化的影响，而且受在同一母管上的其它锅炉的影响，因此存在热负荷分配的问题，通常的解决方法是，一台锅炉调负荷，其它锅炉定负荷运行；反应母管制锅炉负荷情况的重要参数是汽包压力。
2.5工艺设备介绍
由于链条炉种类较多，不同种类的锅炉所包含的工艺设备内容也有所不同；其中以过热蒸汽炉包含的工艺设备内容最为全面，本节以过热蒸汽锅炉为主，对链条炉进行介绍，同时对不同种类链条炉进行穿插说明。
过热蒸汽链条炉的工艺设备介绍：
1、炉排
炉排是链条炉的特征设备，由坦克履带状链条构成，带动燃料在其上水平移动燃烧，炉排转速是控制链条炉燃烧的重要手段，炉排转速加快，锅炉出力增强。
通常的控制手段是调节炉排电机的转速，实现炉排速度的控制，控制设备有滑差电机和变频器两种形式，由于滑差电机可控性、线性度、可靠性较差，目前已经基本不采用。
2、给煤滚筒和给煤挡板
用于控制煤层的厚度，与炉排联动运行，炉排快时，给煤滚筒转快和给煤挡板抬高，保证煤量和煤层厚度。
目前大多数的链条炉采用给煤滚筒的形式，此时控制系统需要考虑给煤滚与炉排同步联动，采用给煤挡板时由于给煤挡板无法实现自控，通常需要人工操作，此时燃烧无法完全投入自动。
3、高温过热器、低温过热器
高温过热器、低温过热器（只在过热蒸汽炉中有）是蒸汽与烟气换热的重要装置，高温过热器位于烟气流动正对方向的最前部，后面依次为低温过热器、省煤器（烟气与水的换热装置）、空气预热器（空气与烟气的换热装置）等换热设备。
4、减温器
减温器（只在过热蒸汽炉中有），位于蒸汽管道中高过与低过之间，有两种形式：
面式减温器和喷水减温器形式；面式减温器采用水与汽隔离换热的方式实现减温，对水质要求较低，滞后大，减温效果差，自动控制难度大，同时还增加了二次阀的协调控制；喷水减温器汽水在减温器中混合，减温水变成蒸汽，从而达到降低汽温的目的，对水质要求高，有的锅炉采用冷却蒸汽成水喷入减温器中。
喷水减温器的减温水管道细，流量小，对给水影响小；面式减温器的减温水管径大，对汽包水位控制影响大。
见下图：
5、送风机
用于给燃烧提供必要的空气，是燃烧控制的重要手段，通常送风量可以采用控制送风机变频器或送风挡板实现。
6、引风机
用户控制引风量实现炉膛负压控制，通常引风量可以采用控制引风机变频器或引风挡板实现。
7、饱和蒸汽炉
饱和蒸汽炉中，没有低温过热器、高温过热器、减温器等设备，汽水回路简单，给水经省煤器进入汽包，饱和蒸汽由汽包直接引出；自动控制回路中没有主蒸汽温度控制回路，汽水部分主要控制汽包水位，其他控制与过热蒸汽炉相同。
8、热水锅炉
产生的是热水，与饱和蒸汽炉相比，没有汽包，汽水系统更为简单，整个锅炉的控制主要有燃烧控制（通过给煤控制、送风控制控制出水温度）、炉膛负压控制和补水控制等。
2.5链条炉生产厂商介绍
主要生产厂有：
●无锡锅炉厂
●杭州锅炉厂，
●济南锅炉厂，
●上海锅炉厂，
链条炉由于结构简单，运行操作方便，目前广泛应用与工矿企业和热电联产企业中，目前蒸发量最大可以达到75t/h，常用规格有10、20、35、65t/h等几种规格。
本文将以热电联产企业应用为例介绍。
3、控制系统实施方案
3.1DCS主导型
整个锅炉系统采用DCS控制，只有少数几个重要参数、重要和停炉等操作有其它控制设备。
此方案是目前最常采用的方案，在该方案中DCS实现DAS、MCS、SCS等所有锅炉控制，锅炉部分的操作、监视也全部在DCS上实现，含锅炉部分的电动门、电机的操作和联锁。
除氧器、汽机、辅机部分的监视、控制、联锁功能也由DCS实现。
电气部分也进入DCS系统。
此方案，控制室明快、简洁，DCS功能发挥充分，用户维护工作少，DCS系统成为控制核心。
3.2DCS为主手操为辅型
锅炉系统采用DCS控制，锅炉所有的调节阀、控制等都有手操器，重要参数、重要和停炉等操作有其它控制设备。
此方案目前应用较多，主要表现为有手操盘，安装手操器和各种电气按钮。
此方案主要存在常规设备多，DCS与手操器等设备互相关联影响，维护工作量大，DCS功能发挥不充分。
此方案主要应用与用户水平一般的项目中。
提示：
采用手操器的调节阀需要如下信号进入DCS系统：
控制输出（AO）、阀位反馈（AI）、DCS控制/手操器控制状态切换（DI）、自动控制故障时强制手动输出（DO，非必须）。
这里对电动调节阀的形式和控制做一下介绍：
方案A：
AO卡+一体化电动调节阀
原理图如下：
特点：
1、方案成熟。
2、成型产品多，工程应用实例多。
3、线路结构简单，维护工作量小。
4、由于阀门特性生产厂商非常清楚，因此该方案可靠性高，选择厂商正确，基本不会有维护工作量。
5、该方案目前应用最广，最成熟。
方案B：
AO卡+饲服放大器
原理图如下：
特点：
1、产品、方案均成熟，可靠性高，应用实例广泛，工程应用广。
2、设备投资少，维护简单，线路结构简单。
3、AO卡、饲服放大器可靠性高。
方案C：
PAT卡+固态继电器
原理图如下：
特点：
1、方案新颖。
2、产品、方案均不很成熟，工程应用实例少。
3、线路结构复杂，需要多次转接。
4、设备投资大，维护量大;从目前应用看，由于阀门特性的不同，固态继电器的选择较困难，经常出现固态继电器被击穿的问题，由此造成维护工作量大。
5、固态继电器可靠性低。
3.3DCS和常规仪表1：
1冗余型
此方案出现DCS应用早期，目前已经不使用；主要问题是维护工作量大，DCS和常规仪表互相关联，系统整体可用差。
3.4工艺控制设备及控制方案
3.4.1锅炉
对于及有送引风控制即有挡板、又有变频器的系统，通常采用变频器实现自控，挡板作为手操。
表3.4.1单台链条炉DCS控制的设备列表
种类
设备名称
数量
控制说明
使用的控制模块
备注
电动门
主给水调节阀前给水电动门
1
MS_Control_PW
主蒸汽电动门
1
MS_Control_PW
紧急排汽电动门
1
MS_Control_PW
紧急放水电动门
1
MS_Control_PW
电机
引风机
1
MK_Control_PW
送风机
1
MK_Control_PW
炉排电机
1
MK_Control_PW
给煤滚筒
1
MK_Control_PW
调节阀
减温水流量控制调节阀
1
FB_VapTCon
给水流量控制调节阀
1
FB_BoiLCon
二次阀
1
只有面式减温器有
送风挡板
1
FB_Wind
引风挡板
FB_NegPCon
变频器
引风机
1
送风机
1
炉排电机
1
FB_CoalCon
给煤滚筒
1
3.4.2除氧器
除氧器主要用于给锅炉供除氧水，除氧原理是给水中通蒸汽，使水温保持在103℃，达到除氧的目的，控制除氧温度是通过控制进蒸汽流量实现除氧器压力的稳定来实现的；除氧器的主要控制有水位控制和压力控制。
多台除氧器，一般采用母管制运行，控制时互相影响较大。
表3.4.2除氧器DCS控制的设备列表
种类
设备名称
数量
控制说明
使用的控制模块
备注
电动机
1#给水泵
1
MK_Control_PW
2#给水泵
1
MK_Control_PW
1#回水泵
1
MK_Control_PW
2#回水泵
1
MK_Control_PW
调节阀
压力调节阀（进蒸汽量）
1
BSC
水位调节阀（进水）
1
BSC
3.4.3热网部分
1#称重式全封闭给煤机变频控制频率反馈信号
PK-101-1A、B
AI
4~20mA
1#称重式全封闭给煤机变频控制电流反馈信号
PK-101-1A、B
AI
4~20mA
1#称重式全封闭给煤机煤量输出信号
PK-101-1A、B
AI
4~20mA
4#称重式全封闭给煤机变频控制频率反馈信号
PK-101-4A、B
AI
4~20mA
4#称重式全封闭给煤机变频控制电流反馈信号
PK-101-4A、B
AI
4~20mA
4#称重式全封闭给煤机煤量输出信号
PK-101-4A、B
AI
4~20mA
一次风机进口风门挡板控制反馈信号
PZ-101-9A、B
AI
4~20mA
二次风机进口风门挡板控制反馈信号
PZ-101-12A、B
AI
4~20mA
1#冷渣排渣器变频控制频率反馈信号
PZ-123-1A、B
AI
4~20mA
1#冷渣排渣器变频控制电流反馈信号
PZ-123-1A、B
AI
4~20mA
2#轻柴油流量调节反馈信号
FK-112A、B
AI
4~20mA
2#轻柴油流量调节手/自动信号
FK-112A、B
DI
持久型
1#压缩空气流量
FIT-113A、B
AI
4~20mA
热网部分主要是一些电动门和减温减压器。
表3.4.3热网部分DCS控制的设备列表
种类
设备名称
数量
控制说明
使用的控制模块
备注
电动门
1#供热电动门
1
MS_Control_PW
调节阀
减温减压器压力控制
1
BSC
减温减压器温度控制
1
BSC
3.5DCS控制系统实施方案
1、供电要求DCS系统供电要求采用双路冗余供电；每个控制柜的两路供电，一路来自厂用电，另一路来自UPS；操作站的供电可以一部分采用UPS供电，一部分采用厂用电。
2、接地系统，一般采用我公司规定的一点接地原则；有些热电厂，厂里只有统一的电气接地网，无法找到独立地桩，DCS接地只能接到电气网上。
3、控制室布置、测点分配、机柜卡件布置和端子接线同一锅炉的信号安排在同一控制站中。
相同类型的信号放在一块。
对于重要信号，尽量分配在不同卡件上。
由于开关量输出通常都采用继电器隔离，在端子接线图上要注意信号的来源。
3.6仪表选型、继电器柜及其他外配设备
链条炉中，仪表选型无特殊要求：
温度测量：
热电企业没有太高要求，低于300℃选用Pt100，300～1200℃选用K型热电偶，大于1200℃选用S型热电偶；由于S型热电偶价格昂贵也有用户全部选用K型热电偶
流量测量：
对蒸汽流量测量和累积要求高，一般蒸汽和水的测量用孔板；风量测量，一般采用机翼测量装置；热电项目中所有的流量必须累积。
压力差压测量：
采用一般的压力和差压变送器；
氧含量：
锅炉经济燃烧的重要指标，氧含量高燃烧充分，但风速过快，热量损失大；氧含量低时燃烧不充分。
主要厂家有上海硅酸盐研究所（探头使用寿命8~12个月）、上海晓舟（探头使用寿命6个月）、北京原子能研究所（探头使用寿命6个月）
执行机构：
调节阀采用电动调节阀，一般采用直行程，也有项目采用角行程。
煤量测量：
采用专用的皮带秤，皮带秤的瞬时流量进入DCS实现显示和累积。
开关量输入（DI）：
通常为无源干输入可直接接入DCS的SP363；对于重要的联锁信号，可采用继电器隔离输入。
开关量输出（DO）：
通常为无源常开干触点输出，触点容量为AC220V5A；对于汽机部分的DO可能要求为常开干触点输出，触点容量为DC220V5A，此时应要求用户加直流继电器。
其他外配设备：
手操盘柜、电动门操作盘、其它。
3.7系统互联
1、与管理网连接，通常我们的做法是提供OPC-SERVER软件，用户自行编写程序获取数据；也可采用直接从操作站读文本文件的形式。
2、与其它PLC的通讯，对锅炉控制来说通常意义不大，建议不采用；如果有通讯，一定要符合公司SP244卡使用的有关规定。
3、有的用户提出的管理网的概念，其实际意思是将我们的操作站拉到办公室，以便领导能够了解生产情况。
4、控制方案
4.1简单回路控制
锅炉：
无简单回路控制。
除氧器：
压力、水位都可采用单回路BSC模块实现，但要注意母管制运行时对控制的影响。
热网：
减温减压器温度、压力控制都可采用单回路BSC模块实现。
4.2复杂回路控制
4.2.1汽包水位控制
被调参数为汽包水位，调节参数为给水流量。
汽包水位高度是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数。
水位过高会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，冲击汽轮机叶片，引起轴封破损，叶片断损等故障；水位过低则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中的某些薄弱环节，以至局部水冷壁管烧坏，严重时造成爆炸。
汽包水位的优良控制有重大意义。
具体控制中，大型锅炉调节通道迟延大、飞升速度快、给水流量变化频繁，我们采用了前馈串级控制，把主汽流量作为前馈信号，实现扰动的快速补偿，减轻“假水位”对扰动的不良影响。
据经验内环即给水环操作频繁，给水需经常跟踪主汽流量变化而水位环操作次数少一点，但水位信号经常波动，要加以滤波。
在水位控制中，由于管路设计上的一些因素，去集箱的水与去减温器的水相互影响比较大，在负荷低时控制不好,可以采用前馈单回路控制，但要注意这种控制方法波动较大。
另外，在受到工艺条件约束，前馈串级控制无法实现的情况下，为取得好的控制效果，采用物质平衡专家控制，这种方法直接引入主汽流量，可以有效地消除“假水位”对扰动的不良影响，在实际运用中效果相当好，可以推广，但是，当平均负荷变化后，参数需重新整定，整定方法较整定P、I、D简单。
汽包水位控制是锅炉控制中的基本控制，经过多年工程经验的积累，我公司独创了汽包水位控制模块FB_BoiLCon，该模块中集成了3种控制方案：
基于直接物质平衡的专家控制、前馈单回路控制、前馈串级控制（三冲量控制）。
用户可以随时切换方案，控制模块框图如下：
每种控制方案的控制框图表示如下：
控制模块FB_BoiLCon（版本：
20020901）及辅助模块如下图：
模块的使用方法：
●给水流量与主蒸汽流量量程不一致时，采用量程大的为所有与流量量程有关的变量的量程范围，量程大的值可直接接入管脚，量程小的必须乘小量程比大量程的系数换算后接入管脚。
如：
给水流量（0～100t/h）与主蒸汽流量（0～80t/h），则所有与流量有关的管脚量程如下：
W_LErr为（0～100t/h）；主蒸汽流量引入Load管脚时必须×0.8，可采用MUL_SFLOAT模块实现。
●该模块使用时必须先在组态/变量/自定义回路中新建三个BSC回路，其中BSC_No_Sloop和BSC_No_Ex回路的量程为汽包水位的量程，BSC_No_In内环的量程为给水流量的量程。
●汽包水位的测量值有两个以上的变送器时，可采用SEL_SFLOAT模块实现汽包水位的选择。
●当调节阀有两个给水调节阀，互为备用运行时，可采用两个该模块实现控制。
●BoiLState、BoiLTrend、LoadState、LoadTrend可以采用模块FB_StateTrend产生。
●CycleON可以采用模块FB_Cycle产生，一般默认设为ON，也可将其设为OFF，周期定几秒，削除由于主蒸汽流量的波动引起的扰动。
●另外，如果汽水系统为双阀系统，即只有减温水阀和二次阀，用二次阀控制汽包水位的系统，建议用物质平衡的专家控制方案，需要注意的是此时的Load应该是主蒸汽流量与减温水流量的差值，同时要注意量程的转换和差值的限幅（通过系统模块MUL_SFLOAT、SUB_SFLOAT和LIM_SFLOAT实现）。
FB_BoiLCon（版本：
20020901）管脚说明
序号
管脚名称
数据类型
说明
缺省时管脚可设为
1
SwDCSCon
BOOL
ON时DCS控制，OFF时硬手操
ON
2
ConWay
INT
0单回路，1时基于物质平衡的专家控制,2时双回路
3
CycleON
BOOL
控制周期到，用于方案1
ON
4
BoiLState
INT
汽包水位状态，用于方案1；范围0~6
3
5
LoadState
INT
负荷状态，用于方案1；范围0~6
3
6
W_LErr:
SFLOAT
汽水固定偏差，0~1.0表示-1.0~1.0，用于方案1，量程为给水的负量程上限到正量程上限
0.0
7
SwSV
BOOL
ON为外给定，OFF内给定,用于0、2控制情况
ON
8
BoiLSet
SFLOAT
汽包水位给定值
9
FF
SFLOAT
前馈系数，用于方案0、2；量程0～200％
0.5（相当于100％）
10
BoiL
SFLOAT
汽包水位
11
WaterFlow
SFLOAT
给水流量
12
Load
SFLOAT
主蒸汽流量,与WaterFlow量程必须一致，不一致，必须取一致
13
MVFeedback
SFLOAT
阀位反馈
0.5
14
BSC_No_In
INT
自定义串级模块内环回路序号
15
BSC_No_Ex
INT
自定义串级模块外环回路序号
16
BSC_No_SLoop
INT
自定义单回路模块回路序号
17
SwOperator
BOOL
操作方式，ON内环自动时外环直接自动，OFF外环需要手工切自动,用于方案2
ON
1
WaterOut
SFLOAT
输出，接给水调节阀位号
2
VerOut
ULONG
版本输出
20020901
汽包水位控制模块结构实例：
物质平衡的专家控制参数实例表如下（内环P、I、D值可重新设定也可与串级时保持一致）：
当现场负荷很小时，流量计测量不准，或流量计故障时可切入单回路控制。
4.2.2主蒸汽温度控制
主汽温度自动调节的任务是维持过热器出口汽温在允许范围内，以确保机组运行的安全性和经济性。
过热汽温过高，则过热器易损坏，也会使汽轮机内部引起过度的热膨胀，严重影响运行的安全；过热汽温低，则设备的效率低，一般汽温每降低5～10℃，效率约降低1%同时会使通过汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损。
造成过热器出口温度变化扰动因素归纳起来有三种，第一是蒸汽流量（负荷）的变化，第二是减温水流量的变动，第三是烟气方面的热量变化。
鉴于目前锅炉设计中考虑到使系统结构简单，易于实现，大多采用减温水量作为扰动量，改变水量来控制主汽温度。
但这样调节通道迟延和惯性都比较大，动态特性不好，这时就引被调参数的双回路系统──串级来提高调节品质。
被调参数是热器出口蒸汽温度。
主蒸汽温度位控制是锅炉控制中的基本控制，经过多年工程经验的积累，我公司独创了主蒸汽温度控制模块FB_VapTCon，该模块中集成了2种控制方案：
前馈单回路控制、前馈串级控制（三冲量控制）。
用户可以随时切换方案，控制模块框图如下：
每种控制方案的控制框图表示如下：
控制模块FB_VapTCon（版本：
20020901）模块如下图：
模块的使用方法：
●该模块使用时必须先在组态/变量/自定义回路中新建三个BSC回路，其中BSC_No_Sloop和BSC_No_Ex回路的量程为主蒸汽温度的量程，BSC_No_In内环的量程为减温水流量的量程。
●不管是面式减温器还是喷水减温器都可用模块FB_VapTCon来实现。
当实际中有两个减温器的时候，要根据减温器的位置来定两个减温模块的输入引脚是否完全相同，如果两减温器并列则相同，如果两减温器前后串则不同，第一级粗调减温器后出汽温度，第二级精调主蒸汽温度。
FB_VapTCon（版本：
20020901）管脚说明
序号
管脚名称
数据类型
说明
缺省时管脚可设为
1
SwDCSCon
BOOL
ON时DCS控制，OFF时硬手操
ON
2
ConWay
INT
ON时单回路，OFF时时双回路
3
SwSV
BOOL
ON为外给定，OFF内给定,
ON
4
VapTSet
SFLOAT
主蒸汽温度给定值
5
FF
SFLOAT
前馈系数；量程0～200％
6
VapT
SFLOAT
主蒸汽温度测量值
7
VapTFlow
SFLOAT
减温水流量测量值
8
升级会员 