基于Hollysys軟件的CFB鍋爐水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jì)問題，以Hollysys DCS軟件為監(jiān)控平臺(tái)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(jì)，設(shè)計(jì)采用根據(jù)鍋爐負(fù)荷（發(fā)電功率）自動(dòng)完成單沖量與三沖量無擾切換的控制策略對(duì)汽包水位進(jìn)行監(jiān)控，通過Simulink的仿真平臺(tái)對(duì)汽包水位控制方案進(jìn)行隨機(jī)擾動(dòng)測(cè)試，測(cè)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(dòng)，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(jì)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(jì)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(jì);控制邏輯

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shí)也是石化和電力企業(yè)生產(chǎn)過程中的主要的動(dòng)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(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，汽包水位過高會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶液，對(duì)后續(xù)生產(chǎn)過程的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生汽蝕影響;水位過低則會(huì)破壞鍋爐自身的水循環(huán)影響運(yùn)行效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)帶來干鍋和鍋爐爆炸的危險(xiǎn)[2]，因此必須對(duì)鍋爐汽包水位控制在運(yùn)行合理的范圍內(nèi)，對(duì)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(duì)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(tái)對(duì)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(jì)，設(shè)計(jì)根據(jù)發(fā)電功率自動(dòng)無擾切換的水位控制策略對(duì)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(duì)抗擾動(dòng)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(jì)

本設(shè)計(jì)采用Hollysys DCS系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)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(jì)包括：工程師站1臺(tái)、操作員站1臺(tái)、歷史站2臺(tái)、現(xiàn)場(chǎng)控制站2個(gè)、交換機(jī)等設(shè)備，其中歷史站、交換機(jī)采用冗余配置以確保現(xiàn)場(chǎng)鍋爐汽包水位監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及控制指令傳遞的及時(shí)性和可靠性。

（2）控制網(wǎng)絡(luò)層硬件設(shè)計(jì)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(chǎng)控制站的電源模塊和主控模塊設(shè)計(jì)采用冗余的硬件配置，主控模塊通過Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議與 I/O數(shù)據(jù)模塊通信并讀取現(xiàn)場(chǎng)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(jì)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(jì)

2.1 控制方案設(shè)計(jì)

鍋爐汽包水位是一個(gè)典型的非自衡系統(tǒng)，鍋爐在生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)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(huì)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(shí)蒸汽用量上升，會(huì)造成汽包內(nèi)壓力下降致使汽包內(nèi)水沸騰加劇，此時(shí)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(duì)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(huì)馬上增加會(huì)表現(xiàn)出一定的慣性和滯后。

針對(duì)以上蒸汽流量和給水流量對(duì)鍋爐汽包水位影響的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)控制方式切換時(shí)，設(shè)計(jì)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(shí)，單沖量控制器的設(shè)定值（SP）等于鍋爐汽包水位的測(cè)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(shí)，引入主蒸汽流量值乘以前饋系數(shù)對(duì)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(shí)，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(cè)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(cè)量值（PV）、水位控制器的的輸出值（AV）跟蹤鍋爐給水流量的測(cè)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(jì)

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(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由圖3所示上位機(jī)操作員站設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)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(jì)有鍋爐水位控制手動(dòng)與自動(dòng)按鈕完成控制模式的切換。

3 控制方案的抗擾動(dòng)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(tái)上應(yīng)用Simulink控件對(duì)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(duì)汽包水位的擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)為：

設(shè)給水流量對(duì)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(cè)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(dòng)為擾動(dòng)變量。

對(duì)鍋爐水位三沖量控制進(jìn)行外加隨機(jī)給水與蒸汽擾動(dòng)測(cè)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(shí)，外加蒸汽隨機(jī)擾動(dòng)= -1.5到+1.5，流量隨機(jī)擾動(dòng)= -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(dòng)= -3.0到+3.0;流量隨機(jī)擾動(dòng)= -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(dòng)的干擾，及時(shí)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(shì)實(shí)現(xiàn)超前控制快速地克服回路內(nèi)的擾動(dòng)，改善了系統(tǒng)的過程動(dòng)態(tài)特性，使控制系統(tǒng)對(duì)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(duì)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(jì)，控制方案設(shè)計(jì)采用根據(jù)發(fā)電功率自動(dòng)無擾切換的水位控制策略，對(duì)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(jì)，完成對(duì)鍋爐汽包水位的監(jiān)控與控制模式的切換。通過對(duì)鍋爐水位三沖量控制方案進(jìn)行仿真分析，對(duì)控制系統(tǒng)外加蒸汽流量與給水流量隨機(jī)擾動(dòng)后，控制系統(tǒng)能根據(jù)擾動(dòng)迅速動(dòng)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(duì)鍋爐汽包水控制的可行性與有效性。

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