基于DCS的空预器吹灰顺序控制系统改造

摘要： 本文针对大唐湘潭发电有限责任公司吹灰顺序控制系统全部由PLC控制的现状，提出了一种基于DCS的控制方式。综合分析空预器吹灰控制系统的控制要求，详细介绍了DCS实现空预器吹灰系统的过程。运用于实际的结果证明，此次改造提升了空预器吹灰顺序控制系统的安全性、稳定性、可操作性等。

Abstract： The current blowing order control system of Datang Xiangtan Power Generation Company is controlled by PLC. This paper proposes a control method based on DCS. This paper comprehensively analyzed the control requirements of air pre-heater blowing control system， and introduced the realization process of air pre-heater blowing system by DCS. The application results show that the reformation has improved the security， stability and maneuverability of air pre-heater blowing order control system.

关键词： 吹灰系统；空预器；DCS；PLC

Key words： blowing system；air pre-heater；DCS；PLC

中图分类号：TM621.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）03-0100-04

1 吹灰系统改造背景

大唐湘潭发电有限责任公司#2机组为四角切圆式锅炉，额定负荷330MW，配备的空预器为三分仓容克式空气预热器，设计空预器出口一次风温度为342℃，出口二次风温度为349℃，排烟温度为130℃。每台空预器配备2台伸缩式蒸汽吹灰器，分别布置在冷端和热端。因为脱销项目改造的要求，原有的空预器不满足系统设计要求，对空预器进行了配套更换。

#2机组现有的吹灰系统是由PLC进行控制，运行时间比较长，PLC老化严重，控制回路故障频繁，近几年运行中故障明显增多。PLC控制系统的不人性化和控制程序的隐蔽性给维护人员带来了很多的不便，导致工作效率大大降低。

#2机组DCS系统使用的是Baily公司的Infi-90控制系统。现有DCS系统相比小型PLC系统拥有无法比拟的诸多优势，经过综合考虑，从现场设备的实际情况出发，以能满足现场工艺要求，保证安全运行为前提，综合考虑成本因素，更利于运行操作，维护方便等要求，最终决定基于DCS完成吹灰系统改造。

2 DCS实现空预器吹灰顺序控制的合理性

2.1 减少设备降低成本

PLC吹灰监控系统一般由上位工控计算机，吹灰设备接口单元，动力驱动单元组成。而采用DCS控制，只需在DCS系统环路增加一个节点，通过工程师站、操作员站进行统一管理。采用DCS进行控制，一方面减少了设备，另一方面降低了设备的成本。

2.2 满足系统控制功能

一般小型的PLC系统侧重于存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和运算等操作，在过程控制方面功能比较弱。而DCS系统对现场单元的过程控制、闭环控制有其先天的优势， PID参数的调试也更加方便。

原有的蒸汽压力调节为基地式调节仪控制，设备运行时间过长，内部部件严重老化，调节品质差，蒸汽吹灰自动控制已无法正常投入。针对这种情况对基地式调节仪进行改造， 由DCS系统完成压力调节的自动控制，输出4-20mA标准信号至现场调节型执行机构。

2.3 保证系统安全运行

根据现场实际，吹灰系统设备相对来说不是很多，一个小型的PLC就能满足控制系统需求，而此类控制器不具备冗余功能或者实现成本比较高；而现有DCS系统不需要增加新设备，在原有控制器进行逻辑组态；并且现有的控制器具备在线冗余功能，当主控制器出现故障也能安全无扰切至备用控制器运行，从而保证系统的安全运行。

2.4 完善系统辅助功能

PLC程序隐蔽，设计复杂，同时无法实现过程参数的存储，这给事故的调查和分析造成很大困难。而DCS有其强大的辅助功能，利用专门组态软件进行组态设计，并从工程师站可以很方便完成参数在线监视、修改、组态优化；另外人机接口软件还能存储历史数据和事故报警记录，人性化界面有利于运行人员的监视，还一定程度上防止误操作等等。

3 空预器蒸汽吹灰顺序控制系统

3.1 吹灰系统的设备组成

空预器吹灰系统设备包括：两台吹灰蒸汽电动门KYM1、KYM2，一台辅助蒸汽气动门FQM，一台疏水气动门DV7，一台吹灰蒸汽减温减压调节阀CV（原基地式调节仪），四台空预器吹灰器AL1、AL2、AL3、AL4以及用于汽源品质检测的压力变送器和测温元件。

系统相关的设备包括：一台屏过至吹灰电动隔离总门MV1，屏过至燃油雾化电动隔离门MV2，两台屏过至脱销蒸汽吹灰隔离门。

3.2 吹灰器控制回路

空预器吹灰器采用上海克莱德贝尔格曼机械有限公司生产的吹灰器，每台空预器分别安装两台吹灰器，上下两层布置。每台吹灰器分别接受“就地”和“远程”控制，就地操作时吹灰器接受“就地启动”、“就地停止”信号；远程控制时吹灰器接受“DCS推进”、“DCS退出”指令，并提供“进到位”、“退到位”、“过载”三对常开触点信号送至DCS。

吹灰器控制回路不带自保持功能，只接收长指令信号。就地控制时：按“就地启动”按钮，吹灰器推进，松开按钮吹灰器停止；按“就地停止”按钮，吹灰器退回，松开按钮吹灰器停止。DCS远程控制时，接收DCS“推进”指令，吹灰器推进，“推进”指令消失，吹灰器停止；接收“退出”指令，吹灰器自动退回原位。

3.3 吹灰器控制流程

根据工艺要求，设计了两种吹灰方式：主蒸汽吹灰和辅助蒸汽吹灰。主蒸汽吹灰方式是在锅炉正常运行，单元机组负荷大于180MW时进行；辅助蒸汽吹灰是在机组启动过程中进行连续吹灰或者是在单元机组负荷小于120MW时进行。吹灰程序沿着烟气流向先吹空预器热端AL1、AL2，再吹冷端AL3、AL4。两种不同的吹灰方式，其具体流程也不一样。

具体流程如图1。

空预器吹灰对蒸汽压力、温度、干湿度都有严格的要求。如果蒸汽品质达不到要求，很有可能造成空预器堵灰，对空预器传热元件造成腐蚀，并且会间接造成空预器进出口差压大，排烟温度高，引风机动叶开度加大及电流增大等等。为了提高空预器吹灰蒸汽品质，在启动吹灰器之前需加入限制条件：主蒸汽方式下同时判断“疏水时间达到延时3min”和 “疏水温度大于280摄氏度”自动进行下一步，而辅助蒸汽方式下只需要判断“疏水时间达到延时3min”自动进行下一步。

3.4 吹灰顺序控制系统功能

吹灰系统控制主要任务的是实现顺控功能和连锁保护功能。顺序控制以现场设备为基础，逻辑力求简练；连锁和保护功能设计越周到、越实用、越安全可靠，操作人员对现场设备的控制能力就越强。综合分析，对整个吹灰过程进行顺序控制和状态监控，系统具备以下功能：

启动：投入程控方式时，按下启动按钮，吹灰程控自动执行。

报警：当任意一台吹灰器过载、故障时进行报警，并触发声光报警。

跳步：在程控方式，当吹灰器跳步置位，跳过当前吹灰器运行，自动执行下一步。

紧急停：手动按下紧急停按钮、有MFT信号存在或吹灰蒸汽压力坏质量时所有吹灰器退回原位。

状态复位：吹灰程控结束，复位所有设备为初始状态。

汽源选择：选择主蒸汽或者辅助蒸汽进行空预器吹灰。

次数设定：设置连续吹灰次数，规定一组吹灰器吹灰次数只有都达到预设吹灰次数才进行下一步。

吹灰方式选择：蒸汽吹灰系统和高压水系统不能同时运行，置位才能允许蒸汽吹灰。

中断/继续：在程控方式，按下“中断”按钮，吹灰器退回原位；按“继续”按钮，吹灰器接上一步继续运行。

手动/自动方式选择：手动方式时，吹灰器之间没有连锁关系，可以手动操作吹灰器进行吹灰；自动方式时，程控按照预定的程序一步一步执行。

画面显示如图2。

4 组态设计

4.1 设备驱动

分析吹灰器的控制原理，是一个很典型的电机马达控制。吹灰器接受DCS发出的“推进”、“退出”指令。当吹灰器接受DCS指令时，吹灰器的动作方式为：吹灰器在初始位置，DCS发“推进”指令，吹灰器启动3S（DCS只用在推进指令中给出3S脉冲），吹灰器脱离初始位置 “退到位”消失，吹灰器停止该位置60S（空预器旋转一周所用时间）；此时DCS再启动前进脉冲1S（步进时间），吹灰器再停止60S，重复步进循环，直到吹灰器前进至前限位； DCS 发“退出”指令，吹灰器开始后退，直到“退到位”行程开关动作。吹灰器完成一次完整吹扫。远控操作时，吹灰器设计超时报警功能，需要对单个吹灰器动作进行正常进行监视，即“DCS启动”指令后，超过一个时间值，“退到位”信号没消失，“进到位”脉冲没有检测到，吹灰器发出报警。

简化控制逻辑如图3。

4.2 主蒸汽气动调节阀

空预器主蒸汽气动调节阀是在原基地式调节仪基础上改造而来，从控制方式上它存在本质上的区别。基地式调节仪接收给定值SP信号，由就地的机械部件进行自动控制，调节阀门的开度。改造后的气动调节阀只接收标准4-20mA电流信号调节阀门的开度，控制全部由DCS完成。分析系统的控制要求，维持吹灰蒸汽压力在恒定值，设计一个的单回路调节系统就能很好的对压力进行控制：

DCS系统提供强大的过程控制功能码，并具有很完善的手动/自动切换功能。气动调节阀有三种控制方式：调节阀暖管、调节阀关闭、调节阀自动。

简化控制逻辑如图4。

5 系统调试

5.1 调试条件

所有现场设备安装完毕，设备电源投入，现场设备具备试运条件。程序设计完成，用仿真信号试运行单体设备和顺序程序流畅。

5.2 调试过程

第一步：进行单体的调试。由操作人员在操作员站操作相关设备，观察设备运行状态、画面显示是否正确，并模拟相关信号如：过载，故障，超时，紧急停等功能检验是否正确。

第二步：顺控程序调试。单体调试结束，将程序置自动方式，依次选择主蒸汽吹灰方式和辅助蒸汽吹灰方式，启动顺控程序执行步序，观察相关设备的联动情况，程序执行正确无误。测试相关功能实现情况：吹灰次数设定、跳步、紧急停、中断、继续等功能。

第三步：PID参数调整。首先手动方式开启电动隔离门，缓慢开启气动调节阀进行疏水，记录调节阀开度指令、开度反馈、吹灰蒸汽压力、疏水温度曲线。观察相应曲线情况初步确定PID参数，特别是确定PID输出高限设定，防止输出过大造成管道超压，然后投入自动。在PID参数整定过程中，首先分析工艺流程，确定调节系统的正反作用，分析蒸汽压力的过程控制，具备延迟性小，响应速度快的特点，基本确定P-I就能满足要求，进行Kp、Ki、Kd参数整定。另外在进行调试的过程中应适当加入阶跃响应，观察调整曲线，使系统都能快、准、稳的响应，以防止机组在运行中遇到扰动影响调节品质。

6 改造过程中遇到的问题

虽然在改造之前进行了充分的准备工作，但是在改造的过程中仍然遇到一些问题：

问题1：连续吹灰次数设计：按照最初设计，同一组吹灰器AL1、AL2进行第二次吹灰的条件是两台吹灰器同时退回原位；但是在具体的调试过程中发现AL1能按最初设想进行连续吹灰，而AL2退回原位就不动了。分析发现两台吹灰器不可能同时退回原位，这样造成了在程序执行过程中时序上出现问题。将启动条件修改为：单台吹灰器退回原位，并对同侧吹灰设计单独的顺控子程序，问题得到解决。

问题2：吹灰蒸汽压力调节：按照最初设计，吹灰程序压力调节阀自动调节时，同侧两支吹灰器同时推进；但在调试过程中发现，单个吹灰器蒸汽流量很大，吹灰器同时启动时吹灰蒸汽压力扰动过大，严重影响蒸汽品质参数；经过分析，将吹灰子程序启动时间进行修改，启动吹灰子程序时先启动AL1，间隔30S启动AL2，重新调整PID参数，吹灰蒸汽母管压力参数符合设计要求，问题得到解决。

7 总结

尽管在吹灰系统的改造过程中遇到过困难，但总体进行比较顺利，按计划圆满完成并投运。经过半年的运行观察，吹灰系统一直运行良好，达到了本次改造的预期要求。并且通过这次改造，还为将来锅炉本体吹灰进行DCS顺控改造积累了宝贵的经验。

参考文献：

[1]蔡昕.410t/h煤粉炉尾部吹灰改造[A].全国火电200MW级机组技术协作会第二十三届年会论文集[C].2005.

[2]王兴合，王长征，张文鹏，刘代利.#5炉对流受热面污染状况实验与吹灰优化[A].全国火电大机组（600MW级）竞赛第8届年会论文集[C].2004.

[3]唐克洪，周胜利.300MW“W”型火焰锅炉吹灰优化[A]. 2013年中国电机工程学会年会论文集[C].2013.