劉濤 張爽

摘要：研究了循環(huán)流化床鍋爐（CFB）汽包水位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計問題，以Hollysys DCS軟件為監(jiān)控平臺完成鍋爐水位監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)與硬件組態(tài)設(shè)計，設(shè)計采用根據(jù)鍋爐負(fù)荷（發(fā)電功率）自動完成單沖量與三沖量無擾切換的控制策略對汽包水位進(jìn)行監(jiān)控，通過Simulink的仿真平臺對汽包水位控制方案進(jìn)行隨機(jī)擾動測試，測試結(jié)果表明該控制系統(tǒng)能迅速的克服鍋爐蒸汽與給水流量的隨機(jī)擾動，保證鍋爐汽包水位的平穩(wěn)運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明此鍋爐水位控制系統(tǒng)設(shè)計方案的可行性與有效性，為循環(huán)流化床鍋爐水位平穩(wěn)、高效、可靠運(yùn)行提供了的新設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐;控制系統(tǒng);系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò);組態(tài)設(shè)計;控制邏輯

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）07-0007-03

0 引言

循環(huán)流化床鍋爐（CFB）則是一種新型清潔高效的燃煤燃燒技術(shù)[1]，同時也是石化和電力企業(yè)生產(chǎn)過程中的主要的動力設(shè)備和能量來源。鍋爐汽包水位是鍋爐運(yùn)行的重要參數(shù)，它反映了鍋爐蒸汽量與給水流量之間的動態(tài)平衡關(guān)系，汽包水位過高會導(dǎo)致蒸汽帶液，對后續(xù)生產(chǎn)過程的轉(zhuǎn)動設(shè)備產(chǎn)生汽蝕影響;水位過低則會破壞鍋爐自身的水循環(huán)影響運(yùn)行效率，嚴(yán)重時會帶來干鍋和鍋爐爆炸的危險[2]，因此必須對鍋爐汽包水位控制在運(yùn)行合理的范圍內(nèi)，對鍋爐汽包水位影響的主要干擾因素為蒸汽流量和給水流量。

本文針對電廠CFB鍋爐多輸入多輸出[3]、大滯后[4]、強(qiáng)耦合[5]的特點(diǎn)，采用基于Hollysys DCS系統(tǒng)軟件平臺對CFB鍋爐水位控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件和控制邏輯組態(tài)設(shè)計，設(shè)計根據(jù)發(fā)電功率自動無擾切換的水位控制策略對汽包水位進(jìn)行控制，通過Simulink的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該控制系統(tǒng)對抗擾動的快速性與有效性。

1 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)與硬件設(shè)計

本設(shè)計采用Hollysys DCS系統(tǒng)平臺對CFB鍋爐水位控制系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，為保證控制網(wǎng)絡(luò)的可靠性，網(wǎng)絡(luò)配置采用互為冗余的128、129雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，控制網(wǎng)絡(luò)分為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層（SNET）和控制網(wǎng)絡(luò)層（CNET），結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計包括：工程師站1臺、操作員站1臺、歷史站2臺、現(xiàn)場控制站2個、交換機(jī)等設(shè)備，其中歷史站、交換機(jī)采用冗余配置以確?，F(xiàn)場鍋爐汽包水位監(jiān)控數(shù)據(jù)及控制指令傳遞的及時性和可靠性。

（2）控制網(wǎng)絡(luò)層硬件設(shè)計包括：SM920電源模塊、SM220主控模塊、SM512/510模擬量輸入/輸出模塊、SM610/711開關(guān)量輸入/輸出模塊，其中現(xiàn)場控制站的電源模塊和主控模塊設(shè)計采用冗余的硬件配置，主控模塊通過Profibus-DP現(xiàn)場總線協(xié)議與 I/O數(shù)據(jù)模塊通信并讀取現(xiàn)場鍋爐汽包水位、蒸汽流量與給水流量運(yùn)行的工況參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)計的控制邏輯進(jìn)行操作與控制以保證鍋爐汽包水位的穩(wěn)定與安全。

2 控制系統(tǒng)的監(jiān)控方案設(shè)計

2.1 控制方案設(shè)計

鍋爐汽包水位是一個典型的非自衡系統(tǒng)，鍋爐在生產(chǎn)運(yùn)行時汽包內(nèi)充滿了含有大量蒸汽汽泡的水，并且蒸汽汽泡的量會隨著汽包內(nèi)的壓力和爐膛溫度的變化而變化，當(dāng)鍋爐負(fù)荷增加時蒸汽用量上升，會造成汽包內(nèi)壓力下降致使汽包內(nèi)水沸騰加劇，此時汽包的水位因在其內(nèi)汽泡體積增大而升高形成虛假水位。給水流量的增加對汽包水位的影響不是立刻上升的，由于給水溫度和汽包內(nèi)水溫度存在溫差，使一部分蒸汽汽泡消失使總體積變小，所以汽包水位不會馬上增加會表現(xiàn)出一定的慣性和滯后。

針對以上蒸汽流量和給水流量對鍋爐汽包水位影響的特點(diǎn)，本文設(shè)計采用根據(jù)發(fā)電負(fù)荷來實(shí)現(xiàn)單沖量水位控制與三沖量水位控制自動無擾切換的控制策略，即負(fù)荷在30%額定負(fù)荷以下采用單沖量控制;在30%額定負(fù)荷以上采用三沖量控制，在自動控制方式切換時，設(shè)計采用單沖量控制器與三沖量控制器輸出互為跟蹤的方式，實(shí)現(xiàn)兩控制器間的無擾切換，即在三沖量給水控制方式時，單沖量控制器的設(shè)定值（SP）等于鍋爐汽包水位的測量值（PV）、單沖量控制器的輸出值（AV）跟蹤三沖量控制器輸出指令，在三沖量控制方式時，引入主蒸汽流量值乘以前饋系數(shù)對三沖量汽包水位控制器的設(shè)定值進(jìn)行修正與補(bǔ)償;在單沖量控制方式時，三沖量給水流量控制器的設(shè)定值（SP）等于鍋爐給水流量的測量值（PV）、給水流量控制器的輸出值（AV）跟蹤單沖量控制器輸出指令;三沖量給汽包水位控制器的設(shè)定值（SP）等于汽包水位的測量值（PV）、水位控制器的的輸出值（AV）跟蹤鍋爐給水流量的測量值（PV），具體鍋爐水位控制邏輯組態(tài)見圖2所示。

2.2 監(jiān)控畫面組態(tài)設(shè)計

鍋爐水位控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面以Hollysys MACS V6.5.2火電版本DCS組態(tài)軟件為平臺進(jìn)行設(shè)計，由圖3所示上位機(jī)操作員站設(shè)計實(shí)現(xiàn)對鍋爐汽包水位、汽包壓力及給水流量和蒸汽流量的監(jiān)視，并根據(jù)當(dāng)前發(fā)電負(fù)荷完成汽包水位三沖量與單沖量控制方式的切換，上位機(jī)畫面設(shè)計有汽包水位設(shè)定值手操器和給水流量設(shè)定值手操器，負(fù)責(zé)汽包水位和給水流量的設(shè)定。監(jiān)控畫面設(shè)計有鍋爐水位控制手動與自動按鈕完成控制模式的切換。

3 控制方案的抗擾動仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證CFB鍋爐汽包水位三沖量控制方案的可行性，在MATLAB軟件平臺上應(yīng)用Simulink控件對鍋爐汽包水位三沖量控制進(jìn)行仿真模擬分析。

設(shè)蒸汽流量對汽包水位的擾動通道的傳遞函數(shù)為：

設(shè)給水流量對汽包水位的控制通道傳遞函數(shù)為：

蒸汽流量變送器參數(shù)為0.0667;給水流量檢測變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)為1.0;液位變送器的轉(zhuǎn)換系數(shù)1.0。如圖4所示的為鍋爐水位三沖量控制系統(tǒng)的Simulink連接圖，在連接圖中蒸汽流量和給水流量擾動為擾動變量。

對鍋爐水位三沖量控制進(jìn)行外加隨機(jī)給水與蒸汽擾動測試：（1）在液位控制器控制參數(shù)為P=4.0、Ti=200、Td=10;流量控制器控制參數(shù)為P=3.0;給定值=20時，外加蒸汽隨機(jī)擾動= -1.5到+1.5，流量隨機(jī)擾動= -1.5到+1.5的仿真曲線，控制效果如圖5所示。（2）在液位控制器P=4.0、Ti=200、Td=10;流量控制器P= 3.0;給定值=20;蒸汽隨機(jī)擾動= -3.0到+3.0;流量隨機(jī)擾動= -2.0到+2.0的仿真曲線，控制效果如圖6所示。

從仿真曲線圖5、圖6的情況可以看出使用鍋爐水位三沖量控制系統(tǒng)，能克服負(fù)荷（蒸汽量） 和給水流量隨機(jī)擾動的干擾，及時消除汽包水位偏差，前饋控制又能根據(jù)蒸汽量的變化趨勢實(shí)現(xiàn)超前控制快速地克服回路內(nèi)的擾動，改善了系統(tǒng)的過程動態(tài)特性，使控制系統(tǒng)對生產(chǎn)負(fù)荷的變化具有一定的自適應(yīng)能力，保證汽包水位的穩(wěn)定，提高了鍋爐水位控制系統(tǒng)的工作效率。

4 結(jié)語

本文以電廠CFB鍋爐汽包水位為被控對象，研究實(shí)現(xiàn)了基于Hollysys軟件的CFB鍋爐水位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，控制方案設(shè)計采用根據(jù)發(fā)電功率自動無擾切換的水位控制策略，對汽包水位進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面以Hollysys MACS V6.5.2 DCS組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控畫面組態(tài)設(shè)計，完成對鍋爐汽包水位的監(jiān)控與控制模式的切換。通過對鍋爐水位三沖量控制方案進(jìn)行仿真分析，對控制系統(tǒng)外加蒸汽流量與給水流量隨機(jī)擾動后，控制系統(tǒng)能根據(jù)擾動迅速動作，克服負(fù)荷（蒸汽量） 和給水流量的干擾，使鍋爐汽包水位始終保持穩(wěn)定的狀態(tài)，仿真控制效果證明了此控制方案對鍋爐汽包水控制的可行性與有效性。

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