基于DCS的燃氣鍋爐自動控制系統(tǒng)
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本鍋爐系統(tǒng)主要通過燃燒高爐煤氣和焦爐煤氣為某鋼鐵公司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、焦爐煤氣）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空氣預熱器）、點火器、送引風設備等組成。
按照各部分的功能大致分為汽水系統(tǒng)、風煙系統(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輔助設備的生產(chǎn)過程，使其符合工藝所要求達到的蒸汽溫度（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)是供給鍋爐保護和產(chǎn)生蒸汽的除氧水，生成載熱的過熱蒸汽送到汽機膨脹做功或者經(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煙氣的加熱生成不飽和蒸汽，不飽和蒸汽經(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,一部分送到汽機膨脹做功，一部分進入減溫減壓系統(tǒng), 一部分提供除氧汽動給水泵做功給水。
1.2 風煙系統(tǒng)
空氣（冷風）經(jīng)過凈化后通過1#、2#送風機送到I、II空氣預熱器中進行預熱成為熱風，熱風送到熱風燒嘴和煤氣混合燃燒;高爐煤氣和焦爐煤氣通過高爐煤氣管道和焦爐煤氣管道送到燃燒噴嘴和熱風混合燃燒，生成高溫煙氣，加熱鍋爐汽包中的除氧水使之成為不飽和蒸汽，然后高溫煙氣依次通過I過熱器、II過熱器、II省煤器、II空氣預熱器、I省煤器、I空氣預熱器將不飽和蒸汽加熱成為高溫高壓的飽和蒸汽，并預熱送到鍋爐汽包中的除氧水和送到鍋爐爐膛中的空氣，最后通過引風機引至煙囪中排放。
1.3 燃燒系統(tǒng)
高爐煤氣由外部接入，分為4路，分別進入鍋爐的4個角（每角4個燃燒噴嘴），參與燃燒;進入鍋爐和高爐煤氣混合燃燒的熱風分別進入鍋爐的4個角（每角4個燃燒噴嘴），參與燃燒;焦爐煤氣由外部接入，分為4路，分別進入鍋爐的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，焦爐煤氣只是在點火的時候用到，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、焦爐煤氣、風的配比來調(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%焦爐煤氣或者50%焦爐煤氣）。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做功給高爐供風，其余的一部分送到中溫中壓聯(lián)絡管，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，用Siemens組態(tài)軟件WinCC完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲、報警處理、打印及控制參數(shù)設定。下位系統(tǒng)由Siemens PLC構成，與現(xiàn)場設備相連。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10-100Mbit/s，完全滿足對數(shù)據(jù)實時監(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，組成計算機操作系統(tǒng)，實現(xiàn)人機通訊。
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
鍋爐運行供汽是為了滿足汽輪機的運行負荷要求，同時滿足鼓風機站提供低壓蒸汽的需要。汽輪機和外供汽的負荷變化，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到穩(wěn)定蒸汽母管的壓力，來滿足汽輪機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)是一個較復雜的熱力過程，在運行中將受到：汽輪機工況變化所引起的蒸汽負荷的變化及外供汽對蒸汽負荷的變化（稱外擾）;燃料熱值、燃料種類等鍋爐內(nèi)部熱負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)建立熱負荷的時間（稱燃燒設備的慣性）;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，自動燃燒程序應具有抗干擾的能力，以達到平穩(wěn)地自動調(diào)節(jié)。
為使鍋爐達到經(jīng)濟的燃燒，在燃料或負荷調(diào)節(jié)的同時，應改變送風和引風量。鍋爐使用燃料可能有如下的配比：100%高爐煤氣（正常運行使用此種配比）、80～90%高爐煤氣加20～10%的焦爐煤氣、50%高爐煤氣加50%焦爐煤氣。鍋爐增減負荷量較大時，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)閥和熱風管道上的電動調(diào)節(jié)閥進行自動調(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，在正常負荷和高負荷運行時使用;旁通管設一個DN100的調(diào)節(jié)閥，在低負荷時使用，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。如果此次未能設定，將按照上一次的設定執(zhí)行。
圖2 汽包水位控制系統(tǒng)的結構圖
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