20t鏈排鍋爐的原設計模式較為落后，不能滿足生產中的控制要求，經過對原設計圖紙認真分析，發現存在以下問題：1）在自控部分原設計雖遵循了鍋爐常規儀表控制的模式，設備選型按照廠家要求選用一套DCS系統，但在回路控制功能上僅設計了汽包水位控制回路和除氧器壓力控制回路，其余的鍋爐控制功能均以操作工手動調節完成。故原設計從完成功能上看遠未發揮其功效；2）原設計中的電氣控制部分電控元件選型陳舊，風機變頻器聯鎖設計及上煤系統控制聯鎖設計較瑣碎且使用分離的繼電器邏輯控制，可靠性較低，缺少故障提示，不利于系統維護。
根據以上分析，為了更好地完成控制功能，重新進行了20t鏈排鍋爐的控制系統設計。
2、系統的構成及控制功能
根據20t鏈排鍋爐的生產工藝和控制要求，控制系統采用如圖1所示的結構。
2.1 現場一次儀表和執行器
1)溫度信號檢測。鍋爐有10余處溫度檢測點，根據各檢測點的情況分別使用了熱電阻和熱電偶。
2)壓力、差壓類變送器。鍋爐系統涉及多處壓力和差壓信號的檢測。變送器均采用進口產品。對于爐膛負壓、汽包液位等要求較高的關鍵檢測點，選用日本橫河公司的EJA變送器；對于其它用于觀測和作一般控制的檢測點，選用價格較低、性能穩定的美國賽倫斯的變送器，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。
3)流量變送器。鍋爐系統有主蒸汽流量、給水流量和減溫水流量等需要檢測。選用孔板流量計進行流量信號變送。主蒸汽流量、給水流量是系統中的關鍵檢測點，流量計配套的差壓變送器選用日本橫河公司的EJA變送器，減溫水流量檢測配套的差壓變送器選用美國賽倫斯變送器。
4)調節閥和執行機構。引風風門執行機構，給水、減溫水、除氧器壓力、除氧器液位調節閥門使用川儀的ZKJ電動執行機構和ZKZM系列電動套筒閥。
5)變頻器。變頻器在工業鍋爐調速控制系統中，主要應用于鼓風機、引風機、供水系統及除渣系統。其最主要的目的在于節約能源。采用變頻調速方法節能的原理是基于流量、壓力、轉速、轉矩之間的關系。這些參數之間的關系是：流量oc轉速，壓力cc轉矩cc轉速的平方，功率oc轄速的3次方。即：風機或水泵流量與轉速的1次方成正比，壓力與轉速的2次方成正比，而軸功率與轉速的3次方成正比。因而，理想情況下系統各參數之間的關系如表1所示。
由表1可見，當需求流量下降時，調節轉速可以節約大量能源。例如：當流量需求減少一半時，如通過變頻調速，則理論上講，僅需額定功率的12. 5%，即可節約87. 5%的能源。如采用傳統的擋板方式調節風量，雖然也可相應降低能源消耗，但節約效果與變頻相比，則有天壤之別。
變頻器在鍋爐控制系統中起到的作用為：①鼓、引風機控制。鼓、引風機采用變頻控制，這是鍋爐系統中變頻應用的主要部分。既是節電最顯著的部分，同時也是變頻投資最大的部分。這主要是由于鼓、引風機功率相對較大，而鍋爐運行中，隨著負荷的增減，鼓、引風機調節的幅度相對也較大。在鼓、引風機采用變頻控制時，需要注意鼓、引風機的風量裕度問題。如果原設計或由于其它原因造成風阻加大，裕度較小時，應適當加大一檔變頻器容量，以使變頻器可以適當提高頻率(大于50 Hz)，即提高轉速運行，以保證鍋爐系統有足夠的風量。否則，極易造成原系統大負荷時風量夠用（但裕度小），使用變頻后，大負荷時風量不夠的尷尬局面。其原因在于變頻本身也消耗一部分功率，其輸出功率比標稱功率略小的緣故。②恒壓供水。在鍋爐供水系統中，采用變頻控制，既能節約大量能源，又能穩定供水系統的壓力，保障鍋爐系統的安全運行，是非常有實際意義的。并且供水系統的電動機相對鼓、引風機而言容量較小，投資不大。因此，非常值得推廣采用。
供水系統變頻應用的特殊性為：鍋爐供水系統一般采用多臺電動機，并聯母管式供水，沒有必要對每臺電動機都采用變頻。既經濟又可靠的方法是只有2臺電動機由變頻自動控制，且這2臺電動機為一用一備方式工作。主要是利于電動機檢修。其它供水電動機仍采用常規控制方法，其原因有兩點：一是在并聯母管式供水下，全自動控制供水方式不實用，無實際意義。主要原因是每臺水泵的單向逆止閥泄漏問題和更換問題。全自動控制供水時，單向逆止閥前后的截止閥必須始終保持打開狀態，才能保證自動控制電動機啟動后，水能夠自動流出。但隨著鍋爐負荷的增減，水泵電動機不會全部運行。這樣，不運行的水泵電動機，由于單向逆止閥在水壓的作用下，極易發生泄漏，造成水的回流及電動機的反轉。而當需要停止的水泵運行時，電動機由反轉變為正轉的過程中，電動機就會產生超負荷大電流，必然造成控制電路超負荷跳閘。此時解決的方法是：采用半自動控制，設定供水壓力上、下限報警。上限報警時，通知操作人員關掉1臺水泵。下限報警時，通知操作人員啟動1臺水泵。而變頻控制的水泵則保證在可調范圍內的恒壓供水。二是每臺水泵電動機均采用變頻控制，投資太大，且由于上述原因，也不實用。故在系統設計時，將變頻器應用在鼓、引風機控制和給水泵使用變頻控制。由于鼓、引風機是鍋爐系統的關鍵控制點，故選用了三菱公司高可靠性的F500系列變頻器。另外，鍋爐的爐排亦需要調速控制，由于電動機功率很小，變頻節能的比例不大，且爐排長期處于低速運行，使用普通電機散熱就會出問題，若使用變頻器，就需用變頻專用電機，費用較高，故爐排電機調速使用變頻器意義不大。爐排電機采用了南京調速電機廠生產的滑差電機和調速器。
2.2二次儀表和控制功能
鍋爐控制系統結構如圖2所示。
整個鍋爐的控制結構采用了數字儀表和工業計算機的模式。數字儀表部分根據要求使用了數字回路調節器、數字顯示儀表、流量積算儀表、狀態報警儀表。每一部分的具體使用如下所述。
2.2.1數字回路調節儀表
整個系統設計了鍋爐系統的給水自動調節、燃燒過程自動調節、蒸汽溫度調節、除氧器壓力調節、除氧器水位調節5個回路。根據控制的要求不同，使用了日本yamatake HoneyWell公司的SDC40B和SDC31數字調節控制器。現按各回路分析如下。
1)給水自動調節。鍋爐水位是鍋爐正常運行的主要指標之一，維持水位在一定范圍之內是保證鍋爐安全運行的必要條件。系統中設計使用SDC40B數字調節器來完成三沖量給水自動調節，即調節器根據水位、蒸汽流量和給水流量3種信號來改變給水調節閥的開度。如圖3所示。三沖量自動給水控制屬于連續給水系統，只要水位有微小變化，調節器就跟蹤進行調節。系統中引入了蒸汽壓力信號，這樣就可避免虛假水位帶來的誤差，大大減小汽包水位和給水量的波動幅度；引入了給水流量信號，使調節器可對系統給水壓力變化產生的干擾迅速作出反應，使汽包水位較小受到給水壓力的影響；給水流量信號同時也是調節器動作后的反饋信號，使調節器及早知道調節效果，這樣可以避免調節器的超調動作，保證自動調節系統工況的穩定。
2)鍋爐燃燒自動調節。鍋爐燃燒過程的自動控制是鍋爐控制系統的另一重要功能。燃燒自動調節控制需完成如下要求：在鍋爐蒸汽負荷穩定時，應使燃料量、送風量、引風量各自保持不變，及時補償燃料質量的變化；在蒸汽負荷發生變化時，應使燃料量、送風量、引風量成比例變化，既要適應負荷變化的要求，又要使蒸汽壓力、爐膛負壓、和燃燒經濟性指標保證在允許范圍內。蒸汽壓力是燃燒過程調節過程的主要被調量。在設計中以圖4所示的調節框圖完成鍋爐燃燒過程的自動控制。
整個控制過程由燃料調節器、負壓調節器、送風調節器等組成，每個調節部分均使用1臺山武·霍尼韋爾公司的SDC40B數字調節器。調節過程為：①系統以鍋爐出口壓力為被調節參數信號，在一定的煤層厚度下，對應不同的蒸汽負荷，自動調節爐排的速度，使蒸汽壓力穩定。②在調節爐排速度的同時，因燃煤量發生了變化，為提高燃燒的經濟性，必須調節送風量，以保持一定的風煤比，此時以燃料量和風量之比為被調參數信號。燃料量信號采用燃料調節器的輸出信號，風量信號采用空氣預熱器前后的壓差信號，這兩個信號按一定的比例輸入到送風調節器。送風調節器的輸出信號通過執行器，控制鼓風機變頻器和送風擋板開度，以得到與燃料相應的送風量。這里風量信號同時又是送風調節器的反饋信號，它可以提前反映調節器的調節效果。當送風系統有內部擾動時，送風調節器即根據風量信號及時調節風機的擋板開度，克服擾動，保持一定的風煤比。③送風量發生變化后，爐膛負壓也隨之變化，為保持爐膛有一定的負壓，必須調節引風機，此時以爐膛負壓為被調參數信號，此信號取之爐膛上部，通過差壓變送器送入負壓調節器，負壓調節器的輸出信號通過執行器控制引風機變頻器和引風擋板開度，從而得到與送風量相適應的引風量。以上燃料一空氣調節系統滿足常規蒸汽鍋爐對燃燒過程自動控制的要求。由于目前用于煙氣含氧量檢測的氧化鋯傳感器的性能不穩定且壽命較短，故系統中未使用。
3)過熱蒸汽溫度調節。生產過熱蒸汽的鍋爐，應嚴格控制過熱蒸汽的溫度，使之處于允許的范圍內。因為超溫會使過熱器金屬過熱而降低強度，對安全運行造成威脅；另外，溫度太低又會影響用汽設備的正常工作，甚至會損壞用汽設備。為了設備的正常運行，設計時使用一臺山武公司的SDC31數字調節器來完成回路調節。調節原理框圖如圖5所示。
4)除氧器壓力、液位調節。分別使用SDC31數字調節器來完成除氧器壓力、液位的回路調節。調節原理框圖如圖6所示。
2.2.2數字顯示儀表、流量積算儀表、狀態報警
儀表
使用數字儀表顯示重要的壓力、溫度檢測點；使用數字巡檢儀完成水風溫度、煙氣溫度、風壓、煙氣負壓的循環顯示；流量積算儀表完成主蒸汽流量、給水流量、減溫水流量的顯示和累計功能；使用狀態報警儀表完成危險工況的報警、聯鎖功能，有蒸汽超壓報警、蒸汽超壓聯鎖、汽包高液位報警、汽包低液位報警、汽包極低液位聯鎖等；數字顯示儀表、流量積算儀表、狀態報警儀表均選用某公司XM系列的數字儀表。XM系列的數字儀表都可選配RS485通訊單元，通過該公司的FCC5000通訊服務儀表與上位計算機系統連接。
3、鍋爐計算機監控、管理系統
系統使用高性能的工業計算機，配有顯示器和報表打印機。該工業計算機帶有2個RS485通訊接口，分別與SDC儀表和XM儀表進行通訊連接。監控軟件采用Citect工業組態軟件開發。為該工業計算機系統提供完整的監控畫面，使操作人員完成對整個系統的監控。其中，鍋爐系統模擬圖，形象地顯示鍋爐系統的工藝流程和各主要的模擬參數。有參數報警時，顯示報警提示；儀表盤式集中棒狀圖顯示畫面，可將10-15組參數用儀表盤式顯示方法集中在一幅畫面上，每個畫面用水位計顯示，同時顯示各回路的給定值、實測值、閥位反饋和手自動狀態；調節回路畫面，可在畫面上同時顯示各調節回路模擬棒狀圖、PID參數和控制曲線，操作工可在線修改和實時監控；綜觀畫面，在一幅畫面上可全面顯示一臺鍋爐的所有運行和控制參數；報警和事件記錄，記錄任意時刻發生的報警事件和操作人員的操作；豐富的趨勢數據，可查看所有參數記錄任意時刻的趨勢曲線，并可作8個數據的趨勢對比，以EXECL提供報表功能；數據管理功能，所有現場參數和累計產汽量、耗水量等數據，可按任意時段自動存儲，并形成記錄報表，實現部分能源管理功能。
4、結論
本文所述的鍋爐控制系統的總體設計能滿足使用廠家的需求，節省了大量的能源，經過實際使用，整套系統運行良好、畫面直觀，數據采集及顯示正常，能較好地滿足控制的各項要求，用戶比較滿意，投入運行幾年來，工作都比較正常，該項目的實施，對同類設備的技術改造具有一定的推廣價值。
