DCS在采暖锅炉房中的应用

摘要：介绍了JX一300X DCS系统的组成、功能、特点以及热水锅炉主要控制方案及其在锅炉测控方面的应用。
关键词：DCS；采暖锅炉；检测；控制；过剩空气系数；排烟热损失

The Application of DCS in Heating Boiler
WUYan—hui

（Information and Control Institute，University of Petroleum ，Dongying Shandong 257061，China）
Abstract：In this paper’the application of JX一300X DCS system for measuring and controlling boiler was introduced．The system structure，functions，characters，and the main control scheme were presented．
Key words：DCS；heating boiler；measure；control；coefficient of overmuch air；heat losing of smoke vent
1 前言
目前全国各油田采用了大量的燃油锅炉采暖。锅炉控制属于手动控制，锅炉房自动化程度和管理水平较低，许多重要工艺参数没有检测手段，现有仪表原始落后、工况差（不准确或不能工作），采用人工记录、手抄报表，劳动强度大、易出错。加之供暖系统的工艺缺陷和设备老化等问题致使锅炉系统的运行过程达不到安全、高效、节能、降耗的要求，耗电量、耗油量较大。因此，如何使燃油锅炉经济可靠运行、安全生产、提高热效率是至关重要的事情。为此，我们采用浙大中控的JX一300X DCS系统对胜利油田的纯梁社区采暖锅炉房进行了自动化改造。
JX一300X DCS是浙大中控自动化有限公司在JX一100、JX一200、JX一300基础上，经不断完善、提高而全新设计的新一代全数字化DCS装置，是当今国内同类产品之佼佼者。
该系统具有以下特点：
（1）传统DCS控制运算功能和PLC联锁逻辑功能有机结合的开放、分散的体系结构；
（2）全数字化新型集散型控制系统，可作为向现场总线过渡的技术基础；
（3）双重化冗余工业以太网，10 M／100 M 冗余Ethernet（SCnet I）：
（4）工作站软件模块化，功能全面，可靠性高；
（5）基于Windows NT 软件体系的实时多任务控制软件；
（6）现场总线设备的联接；
（7）组态IEEEll31—3、高级控制算法C语言；
（8）控制站处理功能强大，控制算法容量大，工业级的嵌入式微处理器；
（9）卡件设计、使用更为灵活；
（10）顺序事件记录和事件分析软件功能强大；
（11）标准化设计。
2 系统组成
系统由一台上位机和一台下位机组成。上位机为工程师站／操作员站，下位机作控制站，上位机和下位机之间利用“过程控制网（SCnet I）”进行通讯，系统结构示意图如图1所示。

图1 锅炉房DCS系统组成框图
2．1 上位机
如前所述，本系统由于只有一台上位机，所以上位机兼有工程师站和操作员站的双重功能，其主要功能如下：
（1）系统组态包括总体组态、控制站硬件组态（I／O 卡件组态、信号点组态）、控制方案组态（常规控制方案组态、特殊控制方案组态—— SC语言、图形化控制方案组态）、操作组态等；
（2）系统工艺流程显示 显示锅炉工艺的全运行过程，包含系统总貌及各主要工艺分画面，各画面工艺参数实时动态显示，工艺流程动画显示；
（3）系统参数总貌图表格式显示系统所有参数；
（4）报警综述相关报警参数的状态指示实时动态显示；
（5）系统重要参数历史曲线趋势图记录、显示；
（6）系统所有参数实时曲线趋势图记录、显示；
（7）控制参数设置按操作级别在线修改控制参数；
（8）打印可定时／即时打印生产报表、屏幕硬拷贝；
（9）故障诊断 以画面形式显示控制站上所有卡件的运行状态以及上位机和下位机之间的通讯情况；
（10）操作人员管理对不同人员设定不同的操作权限。
2．2 控制站
现场控制站安装在控制站机柜中，主要有以下特点：
（1）嵌入式微处理器和实时多任务的内核（完成多种控制任务）；
（2）支持图形化、C语言、大模块构造的控制程序；
（3）能完成顺控、连续、联锁控制；
（4）4M 的应用程序空间（FLASH 技术），4 M 的数据空间；
（5）全智能的I／0 卡件，具有高度自治性、任意冗余；
（6）通过10 M 的SCnet I网络接口与操作站交换信息；
（7）通过1 M 的SBUS总线与就地和远程分散I／0单元连接；
（8）完善的故障自诊断（I／0 通道、卡件、现场传感器）。
（9）抗干扰设计；
（10）硬件隔离设计（通信、I／0 通道、网络）；
（11）软件的避错和容错设计等；
（12）带电插拔维护，在线维修。
控制站主要完成以下功能：
（1）现场仪表输入信号调理与转换模拟输入信号有电压（0——-5 V）和电流（4～20 mA）两种；
（2）控制运算 可实现手操、单回路、串级、比值、前馈等多种常规控制，还可以用编程实现优化、专家控制、模糊控制等先进控制及特殊要求的控制，手／自动无扰切换；
（3）信号输出 根据控制算法得到的输出信号由信号输出卡输出，完成对调节阀和变频器的控制。
2．3 变送单元
变送单元输出4～20 mA或0-5 V 的信号，送入控制站中的信号输入卡。主要包括：
（1）压力变送器 测量炉膛压力、燃料油压力、总回水压力、总出口水压力、出口分支水压力等参数；
（2）温度变送器 测量炉膛温度、对流室烟温、锅炉入口水温、锅炉出口水温、锅炉入口燃油温度、烟温、总回水温度、分支回水温度、总出口水温度、燃料油罐温度、水罐温度、环境温度等；
（3）流量变送器 测量燃料油流量、水流量等；
（4）氧含量变送器 测量烟气氧含量；
（5）液位变送器 测量水罐液位、燃料油罐液位；
（6）火焰监视器 检测锅炉熄火。
3 系统控制方案
本系统采用PID控制算法，主要包括以下控制：
（1）出口水温控制 根据热负荷、出炉水温要求，控制燃料油流量。该系统为前馈加串级控制系统。
（2）风量控制 通过监测烟气温度和烟气中的氧含量，经过计算得到过剩空气系数 和排烟热损失q值，以此作为调节燃料／空气配比的依据，实现充分完全燃烧，达到降低燃料消耗、提高锅炉热效率、减少环境污染等目的。正常控制以过剩空气系数为主参数控制风机供风量，该控制系统采用变频器调整风机风量。其中考虑以下因素影响，进行修正。
（a）锅炉热负荷影响
锅炉的加热过程可用下列热平衡方程描述：

式中：△H—— 被加热介质带出与带入锅炉的焓差（即锅炉热负荷）；
—— 被加热介质的质量流量；
—— 被加热介质的比热；
△T—— 被加热介质出口与入口温差。
由于流量较稳定，锅炉的热负荷可以用锅炉出口与入口的温差计算。当锅炉热负荷接近额定负荷时，过剩空气系数为某一定值。当负荷减少时，为保证炉体运行效率，过剩空气系数给定值自动进行校正。
（b）由于烟道安装CX系列高效换热器，要求入口烟气温度≥210"C，该温度是靠锅炉提供的。必须提高鼓风量，才能提高其入口温度，风量提高会引起锅炉出口水温下降，由出口水温控制系统改变燃油量予以保证。
（c）前馈量为燃油量或燃油给定值选大取得，以保证油量加大时提高风量。
（3）燃料油预热温度控制 由CX系列高效换热器部分予以保证，它分两级控制，第一级为高温水预热，第二级采用电加热器加热，以保证燃料油温度恒定。


4 结束语
本系统在进行自动化改造的同时，根据锅炉原来排烟温度高的缺点，增加了CX系列高效换热器，有效地利用了余热。改造后，停运了锅炉房的蒸汽锅炉，大大降低了燃油消耗。
本系统于2001年l1月在胜利油田纯梁社区投入使用，运行表明：系统操作简便，运行平稳，达到了管理自动化、节约能源、节省劳动力、改善劳动条件、降低劳动强度等目的，得到了使用单位的好评。