鍋爐自動(dòng)控制水平的高低不僅關(guān)系到所提供的蒸汽品質(zhì)，而且還關(guān)系到鍋爐自身運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。鍋爐控制模擬儀表己逐步被以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)所取代。DCS作為先進(jìn)的控制系統(tǒng)在連續(xù)工藝流程中得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)哈爾濱第一機(jī)器制造集團(tuán)有限公司蒸汽鍋爐儀表自動(dòng)化改造具體要求，從總體改造設(shè)計(jì)方案、DCS系統(tǒng)選擇和儀表選型等方面進(jìn)行了全面的論述。
1、總體方案設(shè)計(jì)
1.1鍋爐儀表改造的技術(shù)要求和指標(biāo)確定
原蒸汽鍋爐儀表采用的是模擬儀表，使用時(shí)間較長(zhǎng)，經(jīng)常出現(xiàn)故障，影響鍋爐的運(yùn)行。在本次儀表改造中采用先進(jìn)的DCS系統(tǒng)作為控制的核心，再配備壓力、溫度、流量變送器和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)。原有的鼓、引風(fēng)量采用風(fēng)檔板調(diào)節(jié)，時(shí)常燒毀電機(jī)，損壞機(jī)械零部件，浪費(fèi)很多能源。在改造過程中采用交流變頻技術(shù)對(duì)鼓、引風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)，做到用多少風(fēng)量，就送多少風(fēng)量，同時(shí)利用變頻器對(duì)電機(jī)實(shí)施過載保護(hù)。鍋爐需要控制的參數(shù)是鍋爐汽包的液位，按照一定的控制算法，通過對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)鍋爐汽包液位的控制，控制精度為±50mm。在煤層厚度一定的前提下，燃煤量主要依靠調(diào)節(jié)爐排電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，為此，爐排電機(jī)也采用了交流變頻技術(shù)進(jìn)行調(diào)速，富通新能源銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的木屑生物質(zhì)顆粒燃料。
鍋爐運(yùn)行參數(shù)在DCS系統(tǒng)的工藝流程畫面上給予顯示，其中重要的工藝參數(shù)要求同時(shí)在智能儀表上也給予顯示。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)信號(hào)和開度反饋信號(hào)在DCS系統(tǒng)和智能儀表上同時(shí)進(jìn)行顯示，并且在DCS出現(xiàn)問題時(shí)，利用智能儀表進(jìn)行調(diào)節(jié)。汽包液位關(guān)系到鍋爐運(yùn)行的安全，設(shè)計(jì)中采用浮球液位計(jì)、電節(jié)點(diǎn)液位計(jì)和差壓變送器3種測(cè)量?jī)x器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中差壓變送器4～20 mA信號(hào)送入到DCS系統(tǒng)中，作為液位調(diào)節(jié)的反饋信號(hào)。
變頻器采用艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司的產(chǎn)品。將變頻器上的故障反饋、頻率反饋信號(hào)引入到DCS中，在DCS的工藝流程畫面上可以實(shí)時(shí)顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速、拖動(dòng)系統(tǒng)故障。電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、啟停控制均由DCS實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)場(chǎng)操作由變頻器上的面板按鍵實(shí)現(xiàn)。鍋爐總體控制方案結(jié)構(gòu)如圖1。
1.2鍋爐監(jiān)測(cè)點(diǎn)的確定
蒸汽鍋爐原有儀表是模擬儀表，監(jiān)測(cè)點(diǎn)和控制回路都比較少。根據(jù)控制與監(jiān)測(cè)要求，確定一臺(tái)鍋爐的監(jiān)測(cè)點(diǎn)如表1。
1.3 電機(jī)變頻拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
目前很多鍋爐的鼓、引風(fēng)電機(jī)采用普通交流電機(jī)拖動(dòng)，降壓?jiǎn)?dòng)，以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣一是浪費(fèi)了能源，二是電機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)故障，增加了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。實(shí)際上鍋爐在很多時(shí)候不需要設(shè)計(jì)上的最大鼓、引風(fēng)量。因此，要依靠風(fēng)道檔板開度的大小來調(diào)節(jié)風(fēng)量。由于變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)成熟與普及，在鍋爐改造中鼓、引風(fēng)及爐排電機(jī)均采用了變頻器驅(qū)動(dòng)。在比較了若干種品牌的變頻器后，鼓、引風(fēng)電機(jī)采用了艾默生TD2000系列風(fēng)機(jī)、水泵用變頻器，爐排電機(jī)采用了TD1000普通變頻器。電機(jī)的啟停、升降速利用DCS可以遠(yuǎn)程控制，現(xiàn)場(chǎng)通過操作面板控制。電機(jī)轉(zhuǎn)速和變頻器故障在DCS上給予顯示。TD2000系列變頻器為風(fēng)機(jī)、水泵類專用，其遠(yuǎn)程控制原理如圖2所示。
將變頻器上的控制端子通過金屬網(wǎng)屏蔽電纜與DCS系統(tǒng)的AI、AO、DI、DO板卡相連，實(shí)現(xiàn)變頻器的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制。其中FWD - COM控制電機(jī)的啟停，CCI- GND控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，F(xiàn)M - GND顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速，TA - TC顯示變頻器故障。
1.4汽包液位測(cè)量與報(bào)警
為保證鍋爐系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行和蒸汽品質(zhì)，汽包液位監(jiān)測(cè)與控制是一個(gè)十分重要的因素。本次鍋爐儀表系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)中，采用了差壓變送器、浮球液位計(jì)和電結(jié)點(diǎn)液位計(jì)3種液位測(cè)量報(bào)警裝置。
1.5顯示／手操柜設(shè)計(jì)
由于任何DCS控制系統(tǒng)都不可能做到零故障率，因此在鍋爐儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到DCS系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，如何保障鍋爐的繼續(xù)運(yùn)行。其解決方案是：一旦DCS系統(tǒng)出現(xiàn)問題后，鍋爐運(yùn)行轉(zhuǎn)換到手動(dòng)操作，操作者根據(jù)電結(jié)點(diǎn)上顯示的汽包液位，及時(shí)地對(duì)給水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證液位在一個(gè)合理的范圍內(nèi)變化。當(dāng)DCS系統(tǒng)故障排除后，再恢復(fù)到自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。為此在DCS與調(diào)節(jié)閥之間設(shè)置了一個(gè)手操器。爐膛溫度是鍋爐運(yùn)行重要參數(shù)之一，溫度值在DCS上和手操柜上同時(shí)顯示。
2、DCS系統(tǒng)和一次儀表的確定
2.1 DCS系統(tǒng)比較與選擇
目前在我國(guó)市場(chǎng)上有許多品牌的DCS控制系統(tǒng)，既有國(guó)外公司的產(chǎn)品，又有國(guó)內(nèi)公司的產(chǎn)品，其功能、可靠性相差不大。在選擇DCS系統(tǒng)時(shí)主要考慮的是價(jià)格、售后服務(wù)方面的因素。經(jīng)過比較選擇了浙大中控的SUPCON JX-300X系統(tǒng)。
2.2 主要一次儀表選型
鍋爐屬于重要的動(dòng)力設(shè)備，國(guó)家對(duì)其管理有嚴(yán)格的規(guī)定和要求。為保證鍋爐系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，作為鍋爐監(jiān)測(cè)用的一次儀表，必須有高的可靠性和穩(wěn)定性。因此，在儀表的選擇上要以國(guó)內(nèi)外知名公司的產(chǎn)品為主。差壓變送器選用了香港虹潤(rùn)公司的產(chǎn)品，壓力變送器選擇了廣州森納士公司的產(chǎn)品，測(cè)溫用的熱電偶和熱電阻選擇了沈陽儀表研究所的產(chǎn)品，流量計(jì)是中德合資一北京瑞普三元的渦街流量計(jì)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)5個(gè)月的使用，儀表沒有出現(xiàn)問題，這些儀表的選擇是正確的。
3、汽包液位控制方案及調(diào)節(jié)參數(shù)整定
不同使用場(chǎng)合對(duì)蒸汽的品質(zhì)要求是不同的。本次改造的蒸汽鍋爐主要用于廠區(qū)采暖，對(duì)蒸汽無特殊要求。蒸汽鍋爐控制包括燃燒控制和汽包液位控制。燃燒控制依靠調(diào)節(jié)鼓、引風(fēng)和爐排電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量與給煤量的匹配。汽包液位控制采用三沖量串級(jí)前饋控制原理，控制框圖如圖3所示。
鍋爐汽包液位采用三沖量控制。給水管道的流量作為內(nèi)環(huán)反饋量，汽包液位作為外環(huán)反饋量，蒸汽流量作為前饋量，DCS系統(tǒng)按照一定算法實(shí)現(xiàn)汽包液位控制。該種控制算法以水蒸發(fā)量=蒸汽流量為主要依據(jù)，再將汽包液位實(shí)際測(cè)量值作為輔助量，實(shí)現(xiàn)汽包液位的控制，它能夠克服汽包的“假水位”現(xiàn)象。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)內(nèi)、外環(huán)PID參數(shù)的整定，達(dá)到了±5 mm的控制精。內(nèi)環(huán)PID整定參數(shù)為：P-195、D - 0.01、J=0.0；外環(huán)PID整定參數(shù)為：P- 350、D -0.05.1=0.0。
鍋爐燃燒控制系統(tǒng)是一個(gè)多輸入、多輸出的復(fù)雜系統(tǒng)，影響因素很多，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)燃燒控制難度很大，效果甚至不如人工手動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)考慮到總體改造費(fèi)用和日后維護(hù)費(fèi)用，本次儀表改造中未設(shè)置氧化鎬傳感器，無法檢測(cè)鍋爐煙氣中的含氧量，未能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)燃燒。鍋爐燃燒要根據(jù)實(shí)際情況，人工調(diào)節(jié)鼓、引風(fēng)量和送煤量，做到一個(gè)較好的燃燒效果。
4、經(jīng)濟(jì)效益分析
本次對(duì)4臺(tái)20 t蒸汽鍋爐進(jìn)行了儀表改造，收到了十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是鼓、引風(fēng)及爐排電機(jī)全部采用了變頻調(diào)速技術(shù)，節(jié)約了電能；二是由于變頻器自動(dòng)保護(hù)作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的有效保護(hù)，減少了維護(hù)費(fèi)用。電機(jī)節(jié)能率如表2所示。
5、結(jié)束語
哈爾濱第一機(jī)器制造有限公司蒸汽鍋爐儀表自動(dòng)化改造后取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。據(jù)廠家計(jì)算，一個(gè)采暖期電機(jī)節(jié)能為35萬元左右，減少維修費(fèi)用4～5萬元，兩項(xiàng)合計(jì)40萬元左右，預(yù)計(jì)2.5個(gè)采暖期就可收回投資。另外由于采用了較先進(jìn)的技術(shù)，提高了工廠的管理水平，保證了工廠冬季采暖，為企業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的條件。
