1、總體方案設計
1.1鍋爐儀表改造的技術要求和指標確定
原蒸汽鍋爐儀表采用的是模擬儀表，使用時間較長，經常出現故障，影響鍋爐的運行。在本次儀表改造中采用先進的DCS系統作為控制的核心，再配備壓力、溫度、流量變送器和電動調節閥，實現鍋爐系統運行參數的監測和調節。原有的鼓、引風量采用風檔板調節，時常燒毀電機，損壞機械零部件，浪費很多能源。在改造過程中采用交流變頻技術對鼓、引風電機轉速進行無級調節，做到用多少風量，就送多少風量，同時利用變頻器對電機實施過載保護。鍋爐需要控制的參數是鍋爐汽包的液位，按照一定的控制算法，通過對電動調節閥開度的調節，實現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，燃煤量主要依靠調節爐排電機轉速來實現，為此，爐排電機也采用了交流變頻技術進行調速，富通新能源銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒木屑顆粒機壓制的木屑生物質顆粒燃料。
鍋爐運行參數在DCS系統的工藝流程畫面上給予顯示，其中重要的工藝參數要求同時在智能儀表上也給予顯示。電動調節閥的調節信號和開度反饋信號在DCS系統和智能儀表上同時進行顯示，并且在DCS出現問題時，利用智能儀表進行調節。汽包液位關系到鍋爐運行的安全，設計中采用浮球液位計、電節點液位計和差壓變送器3種測量儀器進行監測，其中差壓變送器4～20 mA信號送入到DCS系統中，作為液位調節的反饋信號。變頻器采用艾默生網絡能源有限公司的產品。將變頻器上的故障反饋、頻率反饋信號引入到DCS中，在DCS的工藝流程畫面上可以實時顯示電機轉速、拖動系統故障。電機轉速調節、啟停控制均由DCS實現。現場操作由變頻器上的面板按鍵實現。鍋爐總體控制方案結構如圖1。
1.2鍋爐監測點的確定
蒸汽鍋爐原有儀表是模擬儀表，監測點和控制回路都比較少。根據控制與監測要求，確定一臺鍋爐的監測點如表1。
1.3 電機變頻拖動系統設計
目前很多鍋爐的鼓、引風電機采用普通交流電機拖動，降壓啟動，以額定轉速運轉。這樣一是浪費了能源，二是電機經常出現故障，增加了運行維護費用。實際上鍋爐在很多時候不需要設計上的最大鼓、引風量。因此，要依靠風道檔板開度的大小來調節風量。由于變頻驅動技術成熟與普及，在鍋爐改造中鼓、引風及爐排電機均采用了變頻器驅動。在比較了若干種品牌的變頻器后，鼓、引風電機采用了艾默生TD2000系列風機、水泵用變頻器，爐排電機采用了TD1000普通變頻器。電機的啟停、升降速利用DCS可以遠程控制，現場通過操作面板控制。電機轉速和變頻器故障在DCS上給予顯示。TD2000系列變頻器為風機、水泵類專用，其遠程控制原理如圖2所示。
將變頻器上的控制端子通過金屬網屏蔽電纜與DCS系統的AI、AO、DI、DO板卡相連，實現變頻器的計算機遠程控制。其中FWD - COM控制電機的啟停，CCI- GND控制電機轉速，FM - GND顯示電機轉速，TA - TC顯示變頻器故障。
1.4汽包液位測量與報警
為保證鍋爐系統的安全可靠運行和蒸汽品質，汽包液位監測與控制是一個十分重要的因素。本次鍋爐儀表系統改造設計中，采用了差壓變送器、浮球液位計和電結點液位計3種液位測量報警裝置。
1.5顯示／手操柜設計
由于任何DCS控制系統都不可能做到零故障率，因此在鍋爐儀表控制系統設計時必須考慮到DCS系統出現故障后，如何保障鍋爐的繼續運行。其解決方案是：一旦DCS系統出現問題后，鍋爐運行轉換到手動操作，操作者根據電結點上顯示的汽包液位，及時地對給水調節閥進行調節，保證液位在一個合理的范圍內變化。當DCS系統故障排除后，再恢復到自動運行狀態。為此在DCS與調節閥之間設置了一個手操器。爐膛溫度是鍋爐運行重要參數之一，溫度值在DCS上和手操柜上同時顯示。
2、DCS系統和一次儀表的確定
2.1 DCS系統比較與選擇
目前在我國市場上有許多品牌的DCS控制系統，既有國外公司的產品，又有國內公司的產品，其功能、可靠性相差不大。在選擇DCS系統時主要考慮的是價格、售后服務方面的因素。經過比較選擇了浙大中控的SUPCON JX-300X系統。
2.2 主要一次儀表選型
鍋爐屬于重要的動力設備，國家對其管理有嚴格的規定和要求。為保證鍋爐系統的可靠運行，作為鍋爐監測用的一次儀表，必須有高的可靠性和穩定性。因此，在儀表的選擇上要以國內外知名公司的產品為主。差壓變送器選用了香港虹潤公司的產品，壓力變送器選擇了廣州森納士公司的產品，測溫用的熱電偶和熱電阻選擇了沈陽儀表研究所的產品，流量計是中德合資一北京瑞普三元的渦街流量計。經過現場5個月的使用，儀表沒有出現問題，這些儀表的選擇是正確的。
3、汽包液位控制方案及調節參數整定
不同使用場合對蒸汽的品質要求是不同的。本次改造的蒸汽鍋爐主要用于廠區采暖，對蒸汽無特殊要求。蒸汽鍋爐控制包括燃燒控制和汽包液位控制。燃燒控制依靠調節鼓、引風和爐排電機轉速，實現風量與給煤量的匹配。汽包液位控制采用三沖量串級前饋控制原理，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環反饋量，汽包液位作為外環反饋量，蒸汽流量作為前饋量，DCS系統按照一定算法實現汽包液位控制。該種控制算法以水蒸發量=蒸汽流量為主要依據，再將汽包液位實際測量值作為輔助量，實現汽包液位的控制，它能夠克服汽包的“假水位”現象。經過現場對內、外環PID參數的整定，達到了±5 mm的控制精。內環PID整定參數為：P-195、D - 0.01、J=0.0；外環PID整定參數為：P- 350、D -0.05.1=0.0。
鍋爐燃燒控制系統是一個多輸入、多輸出的復雜系統，影響因素很多，實現自動燃燒控制難度很大，效果甚至不如人工手動調節，同時考慮到總體改造費用和日后維護費用，本次儀表改造中未設置氧化鎬傳感器，無法檢測鍋爐煙氣中的含氧量，未能實現自動燃燒。鍋爐燃燒要根據實際情況，人工調節鼓、引風量和送煤量，做到一個較好的燃燒效果。
4、經濟效益分析
本次對4臺20 t蒸汽鍋爐進行了儀表改造，收到了十分明顯的經濟效益。主要體現在兩個方面：一是鼓、引風及爐排電機全部采用了變頻調速技術，節約了電能；二是由于變頻器自動保護作用，實現了對電機的有效保護，減少了維護費用。電機節能率如表2所示。
5、結束語
哈爾濱第一機器制造有限公司蒸汽鍋爐儀表自動化改造后取得了明顯的經濟效益和社會效益。據廠家計算，一個采暖期電機節能為35萬元左右，減少維修費用4～5萬元，兩項合計40萬元左右，預計2.5個采暖期就可收回投資。另外由于采用了較先進的技術，提高了工廠的管理水平，保證了工廠冬季采暖，為企業生產創造了良好的條件。
