摘要：為保證機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)，采用DCS對電廠自動控制回路進(jìn)行優(yōu)化是目前電力行業(yè)發(fā)展的趨勢。本文主要介紹了UW500分散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，及其在山西七一華富生物質(zhì)2*15MW機(jī)組上的應(yīng)用實(shí)踐。重點(diǎn)針對了部分控制回路的控制策略做了詳細(xì)的闡述。
一. 概述
由上海電氣總包承建的山西七一華富生物發(fā)電有限公司2×15MW秸稈發(fā)電項目，是山西省新能源重點(diǎn)工程。七一華富生物發(fā)電有限公司廠址位于山西省長治市襄垣縣虒亭鎮(zhèn)史家?guī)X村，工程建設(shè)2×15MW機(jī)組。
該機(jī)組自2014年DCS系統(tǒng)成功改造投運(yùn)以來，機(jī)組及系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定；運(yùn)行操作方便快捷，報警聯(lián)鎖及時可靠；自動回路都成功投運(yùn)，取得了很好的調(diào)節(jié)效果，全面保證了機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
二. UW500 DCS控制系統(tǒng)簡介
UW500 控制系統(tǒng)采用新型的DCS體系結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的層次模型，實(shí)現(xiàn)了多種總線兼容和異構(gòu)系統(tǒng)綜合集成的“網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)”。UW500是由上海電氣、浙江大學(xué)、杭州優(yōu)穩(wěn)自動化系統(tǒng)有限公司等單位經(jīng)過多年的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)研發(fā)的新一代分散控制系統(tǒng)產(chǎn)品。它使工業(yè)自動化系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化、智能化、數(shù)字化，突破了傳統(tǒng)DCS、PLC等控制系統(tǒng)的概念和功能，也使企業(yè)內(nèi)過程控制、設(shè)備管理得到合理的統(tǒng)一。UW500控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所示。
圖1 UW600 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：
（1）開放性UW500分散控制系統(tǒng)軟件具有良好的開放性能，融合了各種標(biāo)準(zhǔn)化的軟、硬件接口，設(shè)計靈活、應(yīng)用性強(qiáng)，能夠滿足電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)的需要，同時系統(tǒng)應(yīng)用軟件能夠方便的嵌入現(xiàn)場總線設(shè)備與第三方集散控制系統(tǒng)，即滿足用戶的操作要求，又便于維護(hù)和使用。
（2）兼容性符合現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號和傳統(tǒng)的模擬信號在系統(tǒng)中并存。使企業(yè)現(xiàn)行的工業(yè)自動化方案和現(xiàn)場總線技術(shù)的實(shí)施變得簡單易行。
（3）安全性系統(tǒng)安全性和抗干擾性符合工業(yè)使用環(huán)境下的各類國際標(biāo)準(zhǔn)。
（4）故障診斷具有模件、通道以及變送器或傳感器故障診斷功能，智能化程度高，輕松排除斷線等故障。
（5）遠(yuǎn)程服務(wù)能夠通過遠(yuǎn)程通信媒體實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷、系統(tǒng)維護(hù)、操作指導(dǎo)、系統(tǒng)升級等。
（6）實(shí)時仿真系統(tǒng)具有離線的實(shí)時調(diào)試和仿真功能，縮短系統(tǒng)在現(xiàn)場的調(diào)試周期并降低了方案實(shí)施的風(fēng)險。
（7）信號精度I/O卡件采用國際上新推出的高精度A/D采樣技術(shù)（∑-△A/D，22位精度），先進(jìn)的信號隔離技術(shù)，嚴(yán)格測試下的帶電插拔技術(shù)，以及多層板和貼片技術(shù)。使信號的采集精度更高，卡件的穩(wěn)定性更好。
（8）控制系統(tǒng)控制組態(tài)增加了符合IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)的組態(tài)工具FBD、LD、SFC、ST等，使DCS與PLC的控制功能得到統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了局部控制區(qū)域內(nèi)的實(shí)時過程信息的共享。
（9）數(shù)據(jù)管理收集并管理數(shù)據(jù)、儲存歷史數(shù)據(jù)并將之傳到公共數(shù)據(jù)庫，也可以將數(shù)據(jù)分散到不同的報表中，從而保證過程在一個最佳的狀態(tài)運(yùn)行。
（10）報警采用分布式報警管理系統(tǒng)?？梢怨芾頍o限報警區(qū)域的報警、基于事件的報警、報警優(yōu)先權(quán)、報警過濾以及通過撥號輸入/輸出管理設(shè)備的遠(yuǎn)程報警。
（11）易于使用操作員站設(shè)計的各種功能，運(yùn)行人員經(jīng)短期培訓(xùn)就能全面掌握，操作畫面簡單明了，設(shè)置操作提示，對運(yùn)行操作人員進(jìn)行了指導(dǎo)性操作，減少了運(yùn)行人員誤操作可能。工程師站的組態(tài)軟件，應(yīng)用過程中程序化強(qiáng)，便于熱控人員貫通掌握、提高檢修技術(shù)水平。
三. 控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案
3.1 系統(tǒng)概述
在七一華富生物質(zhì)發(fā)電工程項目中，主要為機(jī)爐集控部分，涵蓋有DAS（數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)）、SCS（順序控制系統(tǒng)）、MCS（模擬量控制系統(tǒng)）、FSSS（爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)）、ETS（汽輪機(jī)緊急跳閘保護(hù)系統(tǒng)）以及R-IO（遠(yuǎn)程輸入輸出）和SOE（事件順序記錄系統(tǒng)）[1]。同時將UW600 DCS系統(tǒng)信息網(wǎng)與廠用MIS（信息管理系統(tǒng)）網(wǎng)通過防火墻進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，達(dá)到了實(shí)時監(jiān)視與管理的目的。
在該項目中有安全門自動保護(hù)回路4套，汽包水位保護(hù)1套，共計5套自動保護(hù)系統(tǒng)，同時在該項目中兩臺單元機(jī)組母管制控制方式。
3.2 部分重要控制回路介紹
3.2.1 主汽壓力調(diào)節(jié)自動控制
項目鍋爐設(shè)備額定蒸發(fā)量為75/h，額定壓力3.85MPa。鍋爐為單爐膛∏型布置、固態(tài)排渣方式。它設(shè)置有雙鏈條式，其固態(tài)黃桿秸稈為燃料，過熱器調(diào)節(jié)采用一級噴水減溫方式[1]。自動控制涉及的主要參數(shù)如表1所示。
表1自動控制涉及的主要參數(shù)表
|
項目 |
參數(shù) |
|
額定蒸發(fā)量 |
75 t/h |
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額定蒸汽壓力 |
5.3 MPa |
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額定蒸汽溫度 |
485℃ |
|
給水溫度 |
110℃ |
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鍋爐本體 |
1183㎡ |
主蒸汽壓力自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)是鍋爐主要的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)之一，它通過燃燒控制系統(tǒng)直接承擔(dān)著鍋爐負(fù)荷調(diào)整任務(wù)，它的投用及調(diào)節(jié)效果的好壞，將直接影響鍋爐汽包水位，主汽溫等參數(shù)的調(diào)節(jié)。鍋爐燃燒主蒸汽壓力自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)是以反映鍋爐熱量供求平衡的主汽壓力信號作為控制參數(shù)，通過改變鍋爐燃燒量與配風(fēng)量來改變鍋爐的燃燒狀況。根據(jù)主汽壓力參數(shù)高、低，調(diào)整鍋爐給料機(jī)轉(zhuǎn)速以改變?nèi)剂狭浚瑥亩鴮?shí)現(xiàn)主汽壓力參數(shù)的校正。
在鍋爐的燃料調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，采用“熱量－燃料”調(diào)節(jié)方式，熱量信號由蒸汽信號和汽包壓力的微分所組成，是一種間接測量燃料量的方法。
主蒸汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制參數(shù)的整定主要體現(xiàn)在鍋爐熱量信號的改變上。當(dāng)鍋爐燃燒狀況改變時，鍋爐熱量信號也會相應(yīng)的發(fā)生變化。而當(dāng)鍋爐主蒸汽流量改變時，只要進(jìn)入爐膛的燃料量不變化，熱量信號就不應(yīng)該變化，即鍋爐主蒸汽流量的變化與鍋爐汽壓的變化存在一定的耦合關(guān)系。因此整定熱量信號時應(yīng)該考慮，當(dāng)存在內(nèi)擾時，熱量信號相應(yīng)的發(fā)生變化；當(dāng)存在外擾時，熱量信號不能變化。由DCS實(shí)現(xiàn)的鍋爐主蒸汽壓力作為主控制信號，以主蒸汽流量信號作為副調(diào)信號的串級控制系統(tǒng)。
3.2.2 一級減溫水自動控制
主蒸汽溫控制為減溫水控制，其中減溫水為粗調(diào)，其減溫水流量為0～20t/h。
鍋爐減溫水兩側(cè)主蒸汽溫度控制系統(tǒng)均投入了自動，減溫控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是保持集汽集箱前后的溫差與鍋爐負(fù)荷成一種函數(shù)關(guān)系。因此一級減溫水控制與二級減溫水控制在主汽溫度控制系統(tǒng)中是必須保持一種相互協(xié)調(diào)關(guān)系。減溫水調(diào)節(jié)如圖2所示。
其中減溫水控制系統(tǒng)的作用是對主蒸汽溫度以快速消除影響主汽溫度較大的擾動（比如鏈條秸稈不均勻、秸稈熱量不夠等）[1]。如果減溫水控制不投入自動，當(dāng)較大的主汽溫度擾動出現(xiàn)時，那么只能由操作工根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗調(diào)整一級減溫水給水量。這不但使操作工增加了操作強(qiáng)度，而且增加了人工干預(yù)減溫水而出現(xiàn)的主汽溫度擾動，更加不利于主汽溫的穩(wěn)定。減溫水投入自動后可以直接起到保護(hù)屏式過熱器并保證其溫度的穩(wěn)定。
圖2 減溫水調(diào)節(jié)圖
減溫水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)是以屏后集汽集箱汽溫為主調(diào)信號，以減溫器出口汽溫為副調(diào)信號的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在正常狀態(tài)下，該系統(tǒng)自動投入的最大障礙是屏式過熱器溫度的大滯后。從減溫水控制閥動作到屏后混箱汽溫反應(yīng)，滯后的時間有近20秒時間，因此由屏后混箱汽溫變化信號使調(diào)節(jié)系統(tǒng)動作，很容易產(chǎn)生過調(diào)的現(xiàn)象。
鍋爐運(yùn)行工況對主蒸汽溫度的影響很大，當(dāng)制粉系統(tǒng)工作狀態(tài)變化時，由于二次風(fēng)的影響，使汽溫的變化存在較大波動，而且在啟、停過程中，主蒸汽溫度的變化也很劇烈。如果僅通過主蒸汽溫度變化的偏差來進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，不能保證將主蒸汽溫度的變化控制在工藝要求的范圍內(nèi)。這就要求制粉系統(tǒng)在不同的工況時，一級減溫水的控制必須使一級減溫水保持在相對穩(wěn)定的值，這樣才能保證主蒸汽溫度的穩(wěn)定。同時要求在制粉系統(tǒng)的啟、停過程中，減溫水閥門的動作應(yīng)該超前于汽溫的變化，而這對于常規(guī)儀表是難以實(shí)現(xiàn)[1]。
為了使一級減溫器汽溫在70%負(fù)荷以上各種工況下都能穩(wěn)定投入自動，特別在制粉系統(tǒng)啟、停工況變化下能自動進(jìn)行調(diào)整，采取了變PID參數(shù)的自動控制方案。通過在參數(shù)整定過程在不同負(fù)荷下進(jìn)行兩套PID參數(shù)整定，在程序中根據(jù)不同的負(fù)荷對不同的PID參數(shù)進(jìn)行選擇。
3.3 SOE功能、事故追憶功能
UW600系統(tǒng)中SOE模件實(shí)現(xiàn)了SOE記錄功能。在發(fā)生事故引起一系列開關(guān)動作時，以相對時間（相對于記錄的第一個發(fā)生跳變點(diǎn)）為計錄內(nèi)容，將這些動作亦即事件按發(fā)生的先后順序記錄下來，以利于事故后的分析。它可以記錄產(chǎn)生間隔最小達(dá)1毫秒的開關(guān)事件。
UW600系統(tǒng)中采用事故追憶軟件來實(shí)現(xiàn)事故發(fā)生前后的數(shù)據(jù)記錄。例如當(dāng)鍋爐水位大于100mm或小于－100mm時確認(rèn)水位事故發(fā)生，電氣主站一次回路事故，風(fēng)機(jī)故障事故。發(fā)生這些事故時要啟動事故追憶，將事故發(fā)生前后的相關(guān)記錄數(shù)據(jù)顯示或打印輸出。事故發(fā)生前的相關(guān)記錄數(shù)據(jù)記錄間隔時間為1ms，事故發(fā)生后相關(guān)記錄數(shù)據(jù)記錄時間間隔為1ms。事故追憶數(shù)據(jù)可選擇列表或是曲線的查詢方式，為鍋爐滅火、水位超限、汽機(jī)跳閘等重大事故的原因分析提供了準(zhǔn)確、實(shí)時的第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料。
3.4 母管制燃燒控制負(fù)荷分配方案
本次項目為兩臺單元機(jī)組，使用的母管制的控制方式[2]，針對生物質(zhì)發(fā)電的特點(diǎn)，我方做出方案設(shè)計的思路是保證鍋爐在最經(jīng)濟(jì)工況下運(yùn)行，以能量平衡燃燒控制算法為基礎(chǔ)，對每臺正運(yùn)行的鍋爐進(jìn)行合理負(fù)荷分配。具體方法是：
第一步，將正在運(yùn)行的鍋爐分成兩類，一類為帶額定負(fù)荷的鍋爐，一類為參與調(diào)峰的鍋爐。
第二步，將母管壓力信號轉(zhuǎn)化為流量需求信號，轉(zhuǎn)化方法在燃燒控制算法中已經(jīng)做了詳細(xì)說明。
第三步，將流量需求信號首先分配給帶額定負(fù)荷的鍋爐，讓其在最經(jīng)濟(jì)條件下運(yùn)行，然后將余下的流量分配給參與調(diào)峰的鍋爐。
第四步，每臺鍋爐根據(jù)分配來的流量負(fù)荷計算出當(dāng)前鍋爐的給料量，計算方法燃燒控制算法中已經(jīng)做了詳細(xì)說明。
在投運(yùn)結(jié)果表明熱用戶負(fù)荷變化不大(不超過20%)時可以將全廠的負(fù)荷合理的分配到單臺鍋爐，將母管壓力控制在要求范圍內(nèi)，此負(fù)荷分配方案是可行有效的。
3.5 MCS基本方案
MCS由以下主要調(diào)節(jié)子系統(tǒng)[2]：
（1）給水調(diào)節(jié)
汽包水位調(diào)節(jié)采用分程調(diào)節(jié)，啟動時用小閥調(diào)節(jié)（單沖量），當(dāng)汽機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行時用主給水閥調(diào)節(jié)（三沖量）。
給水調(diào)節(jié)如圖3所示。
圖3 給水調(diào)節(jié)圖 圖4 主汽溫度調(diào)節(jié)圖
（2）主汽溫度調(diào)節(jié)（減溫水調(diào)節(jié)）
循環(huán)流化床鍋爐正常運(yùn)行時不僅要求主汽壓力穩(wěn)定，而且要求主汽溫度穩(wěn)定。主汽溫度是反映機(jī)組運(yùn)行情況的一個重要參數(shù)。如果主汽溫度偏高，過熱器及汽機(jī)將在更加惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，材料的使用壽命將會縮短。相反，如果主汽溫度偏低，則汽機(jī)達(dá)不到預(yù)定的運(yùn)行效率。因此，機(jī)組正常運(yùn)行時要求主汽溫度穩(wěn)定。
主汽溫度調(diào)節(jié)采用串級控制方式，取噴水后汽溫為導(dǎo)前信號，主汽溫度為設(shè)定值，若鍋爐的負(fù)荷增加，主汽溫度降低不能調(diào)整至設(shè)定值時，需啟動燃燒調(diào)節(jié)回路。
主汽溫度調(diào)節(jié)如圖4所示。
（3）送風(fēng)量調(diào)節(jié)（煙氣氧量調(diào)節(jié)）
主汽壓力控制系統(tǒng)發(fā)出的風(fēng)量指令即為總風(fēng)量指令?？傦L(fēng)量中一、二次風(fēng)所占比例最大，同時一次風(fēng)和二次風(fēng)直接影響鍋爐的運(yùn)行及燃燒工況。所以，總風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過改變一、二次風(fēng)量的調(diào)節(jié)指令來保證鍋爐所需配風(fēng)。鍋爐主控系統(tǒng)得到的總風(fēng)量指令與燃料量測量值進(jìn)行交叉限制后作為總風(fēng)量控制系統(tǒng)的給定值，以保證負(fù)荷增加時先加風(fēng)后加燃料、負(fù)荷減小時先減燃料后減風(fēng)的要求，從而保證一定的過剩空氣系數(shù)。總風(fēng)量控制系統(tǒng)的給定值在PID中與總風(fēng)量測量值進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果經(jīng)過函數(shù)處理后送往風(fēng)道燃燒器點(diǎn)火風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、一次風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)及二次風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
總風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖5所示。
圖5 總風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖 圖6 引風(fēng)量調(diào)節(jié)圖
（4）引風(fēng)量調(diào)節(jié)（爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)）
通過調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)擋板，使?fàn)t膛壓力穩(wěn)定在設(shè)定值上。引風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)有前饋，把一次風(fēng)量和二次風(fēng)量之和作為前饋信號加到PID調(diào)節(jié)的輸出，以提高一、二次風(fēng)量變化時，引風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
引風(fēng)量調(diào)節(jié)如圖6所示。
（5）主汽壓力控制系統(tǒng)
循環(huán)流化床鍋爐和煤粉鍋爐一樣，維持主汽壓力恒定都是最基本的控制要求。汽輪機(jī)或熱用戶的蒸汽用量發(fā)生變化時，主汽壓力就會產(chǎn)生波動。此時為了維持主汽壓力恒定，必須改變進(jìn)入鍋爐的燃料量和助燃空氣量。無論是單元制機(jī)組還是母管制機(jī)組，都要從能量平衡的角度來構(gòu)造鍋爐主控系統(tǒng)，即由燃料加入量維持主汽壓力恒定。
當(dāng)機(jī)組按單元制運(yùn)行時，采用主汽壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行鍋爐主控。在主汽壓力控制系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)入爐燃料量來控制主蒸汽壓力，以滿足機(jī)組的運(yùn)行要求。由于入爐燃料量是影響床溫的重要因素之一，故在構(gòu)造主汽壓力控制方案時把床溫的影響也納入控制方案中。床溫增加減小燃料量，床溫降低則增大燃料量。由于循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行時床溫可以在一定范圍內(nèi)波動，故在上述控制方案中設(shè)置了不調(diào)溫死區(qū)，即床溫在該死區(qū)內(nèi)時不改變?nèi)剂瞎┙o量。由于主蒸汽流量變化直接反映了機(jī)組的負(fù)荷變化，故在上述控制方案中把主蒸汽流量信號經(jīng)過函數(shù)運(yùn)算后直接加到控制輸出上，通過前饋形式提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
主汽壓力控制系統(tǒng)得到的燃料量指令和風(fēng)量指令，分別送往燃料量控制系統(tǒng)和風(fēng)量控制系統(tǒng)。
主汽壓力控制系統(tǒng)如圖7所示。
圖7 主汽壓力控制系統(tǒng)圖
四. 實(shí)驗結(jié)果分析
UW500分散控制系統(tǒng)在30MW機(jī)組上的應(yīng)用，主要包括主汽壓力自動控制回路的投運(yùn)，減溫水控制的自動投運(yùn)，經(jīng)過七一華富生物質(zhì)發(fā)電工程項目的實(shí)際運(yùn)行，控制系統(tǒng)得到的主汽壓力和主汽溫度的實(shí)際數(shù)據(jù)如表2所示。
表2控制系統(tǒng)運(yùn)行得到的實(shí)際數(shù)據(jù)表
|
序號 |
時間 |
主蒸汽溫度/ ℃ |
主蒸汽壓力/ MPa |
主蒸汽流量/ t/h |
功率/ MW |
頻率/ HZ |
|
1 |
9：00 |
451 |
3.82 |
78 |
14.8 |
50 |
|
2 |
10:00 |
452 |
3.81 |
77 |
14.7 |
50 |
|
3 |
11:00 |
451 |
3.81 |
77 |
14.9 |
50 |
|
4 |
12:00 |
452 |
3.82 |
75 |
14.8 |
50 |
|
5 |
13:00 |
450 |
3.81 |
75 |
14.8 |
50 |
|
6 |
14:00 |
450 |
3.82 |
78 |
14.7 |
50 |
|
7 |
15:00 |
451 |
3.81 |
78 |
14.8 |
50 |
|
8 |
16:00 |
452 |
3.82 |
78 |
15.0 |
50 |
|
9 |
17:00 |
453 |
3.82 |
78 |
14.9 |
50 |
|
10 |
18:00 |
455 |
3.82 |
77 |
14.8 |
50 |
|
11 |
19:00 |
452 |
3.81 |
78 |
14.8 |
50 |
五. 總結(jié)
通過此UW500分散控制系統(tǒng)在30MW機(jī)組上得到成功的應(yīng)用。其中主汽壓力自動控制回路的投運(yùn)，減溫水控制的自動投運(yùn)起到了很好的控制效果，主汽壓力在±0.2MPa范圍波動，主汽溫度在±4℃范圍內(nèi)波動，提高了機(jī)組整體自動化水平。
