热载体锅炉控制系统的设计与应用

热载体锅炉控制系统设计的特点与实例谭仁玺王曦宁亓庆宪热载体锅炉具有高温低压和温度控制精度较高等特点，被广泛应用于工业领域。在工业生产过程中，它作为供热设备，能够提供比较稳定的高温热源。热载体锅炉的控制在温度控制或加热控制上与热水锅炉控制非常相似，但是由于它被用于工业生产及工业环境，在系统控制和系统可靠性方面有着其明显的独特性。下面根据我们的实践，谈一谈热载体锅炉控制系统设计的一些体会和应用实例。一．国内热载体锅炉控制的几种类型目前，国内热载体锅炉的控制系统大至分以下几类：1、温控表+强电逻辑控制此类控制系统使用传统的强电元件进行简单的逻辑控制，用温度控制仪表控制出口温度。其优点是价格较低，缺点是体积大、显示和控制功能弱、可靠性差。一般用于中小型热载体锅炉的简单控制和低档场合。2、专用电脑控制器。专用热载体锅炉电脑控制器，采用集成电路，替代了前者粗大并带机械触点的强电元件，提高了可靠性。用电脑软件实现智能化控制，用薄膜开关、LED显示或液晶显示等现代人机界面，替代了前者传统庞大的按钮和指示灯。该控制器可以实现前者所有的功能，还可以实现前者难以实现的定时、故障记忆、较复杂的控制。例如，我公司的燃煤热载体锅炉电脑控制器，可以对鼓风、引风、炉排、出渣等设备进行自动启动延时和顺序控制，自动停止延时和顺序控制，还可以在手动控制鼓风和引风时，带有延时控制。该控制器适用于中小型热载体锅炉控制的较为复杂和中高档的场合，是温控表+强电逻辑控制的替代形式。该控制器还具有通讯联网功能，可以作为DCS控制系统中的下位机。3、PLC可编程控制器。PLC具有很强的模块扩展能力，因此常用在大型热载体锅炉的复杂控制和多参数监控上。PLC可以用触摸屏作人机界面，锅炉的工作情况用图形或中文来显示，并可进行触摸操作。该控制器适用于高档的使用场合。PLC也具有通讯联网功能，可作DCS系统中的下位机，也可作为功能简单的上位机。在环境条件较恶劣的使用现场和可靠性要求较高的场合，应选用PLC作下位机。PLC是专为工业控制设计的，与其他下位机相比，可靠性最高，运行和维修最方便，性能价格比最高。4、工业控制计算机。工业控制计算机（工控机）具有强大的数据记录、存储、分析和处理、复杂显示、打印输出能力，可以用在热载体锅炉的任何复杂的控制和监测场合。一般用作DCS系统中的上位机。由于工控机的价格已经不高，也可作为下位机使用。工控机用作下位机时，其可靠性要比PLC低得多，原因之一是容易死机，死机后必须关机，造成系统停止；原因之二是突然停电会造成开机困难。5、DCS集散控制系统。DCS控制系统是当今工业控制的主流。它用专用总线将系统中的节点联接起来，由若干上位机（工程师站、操作员站）和若干个下位机（测量控制）组成。下位机负责对现场控制对象（锅炉）进行过程控制，并接受上位机的系统监控指令。上位机不参与下位机的过程控制，只对各个下位机的数据进行处理，并发出系统监控指令。任务分明，相对独立，当上位机或某一下位机出现故障时，不会影响整个系统的正常工作。高档的DCS系统由大型的DCS控制站组成。热载体锅炉的系统较小，一般用多台PLC或电脑控制器，与工控机组成小型廉价的DCS系统。二、热载体锅炉控制系统设计的2个原则热载体锅炉及其控制系统用于工业领域，其工作环境要比民用环境要恶劣较多，系统不允许突然停止运行，否则会造成重大经济损失（如熔盐锅炉系统）。因此，热载体锅炉控制系统的设计，必须遵照工业控制设计的下述原则：1、高可靠性A、必须满足工业级电磁兼容性标准，能抵抗各种电磁干扰。B、必须满足工业级运行环境标准，能耐受高温、低温、高湿、粉尘、振动、冲击等恶劣环境，甚至还能在可燃气体环境中工作（防爆）。例如，我公司为克拉玛依石化公司提供的热载体锅炉下位机控制系统，就是工作在露天和可燃气体环境中，防爆，防雨淋，可在低温-40℃和高温+70℃极端环境温度中工作。2、高安全性A、传感器、执行器、信号传输等故障，不影响系统安全。B、意外失电，不影响系统安全。C、操作失误，不影响系统安全。D、操作方式变换，不影响系统安全。E、信号传输干扰出错，连线错误（断线），传感器和执行器出错，不影响系统正常运行或系统安全。三、7MW燃气导热油炉DCS控制实例以下是2台7MW燃气导热油炉DCS控制系统的实例，该系统现已用于克拉玛依石化公司。1.系统框图2.系统描述监控级过程级或现场级现场级器调节器1#油操作装置就地比例燃烧炉出口温度PLC导热AI(5路)DO(4路)DI(24路)设定温度系统1#烧器2#燃热油炉系统导2#设定温度调节器比例PLC就地操作装置出口温度DO(4路)DI(24路)AI(5路)上位机通讯通讯1#系统控制柜2#系统控制柜该系统采用了高可靠的DCS集散控制系统。2台7MW导热油炉安装在油田的露天环境，就地操作装置也在导热油炉附近的露天环境，以便就地手动操作和控制。上位机设在远处的中央控制室里。该系统的2个子系统控制柜（下位机）分别控制相应的导热油炉，互为备用，相对独立，又有系统联系，具有很高的系统可靠性，可以满足石化工业生产连续不能中断的要求。该系统的就地操作装置（如循环泵操作）就在受控设备现场，操作者能在现场直接观察到设备的实际状态。该子系统控制柜安装在锅炉现场，操作者也能直接了解锅炉现场的实际情况。这使子系统操作的可靠性得到很大提高。3.极苛刻的环境要求及其解决方案子系统控制柜要求装在油田的露天环境，最低温度-40℃，最高温度+70℃，要防雨淋，更要防爆，防爆等级为EXdIIBT5。解决方案是采用特制的防雨的防爆控制柜。控制柜内装有正压控制装置，使控制柜始终处于微正压状态，以有效阻止可燃气体进入柜内。柜面元件全部采用防爆元件。柜内还装有温度调节装置，以使柜内的温度保持在一般电气元件允许的0~50℃范围内。在有防爆要求的现场，防爆控制柜一般是不允许打开的。这就要求柜内的元件必须采用高可靠和高品质的，以保证能够长期使用。4.子系统控制柜子系统控制柜用于各台导热油炉的全部控制。由于该控制柜的可靠性要求很高，柜内的下位机采用了PLC可编程控制器。PLC对本锅炉进行程序控制和联锁保护，并把导热油炉的各种信号上传给上位机。这些信号有：导热油进/出炉温度、循环泵状态、燃烧器运行状态、燃烧器熄火、燃气泄漏、燃气压力高、风压过低、导热油进出炉压差过低、膨胀罐导热油液位低、导热油炉排烟温度超高等。导热油出炉温度的控制由专用比例调节器完成，控制温度的设定值可以在现场的比例调节器上设定，也可以在中央控制室里的上位机上进行调整。本系统的导热油出炉温度的实际控制精度在±2℃以内。本柜可以通过柜面的按钮对导热油炉进行手动控制。为了提高操作的可靠性，本柜的自动/手动切换采用了无扰切换技术。本柜与就地手动控制也实行了无扰切换。5.上位机上位机在系统中发挥重要作用，因此我们选择工控机作本系统的上位机。工控机适宜工业环境运行，可以接入来自现场的输入和输出信号。该工控机配有工业控制组态软件和我公司的系统控制软件，可以动画显示每台导热油炉的运行画面和温度曲线，可以进行报表显示和打印，进行报警显示、记录和打印，数据可以保存1年，可以修改控制参数和报警参数。该上位机还可以通过网络，与上级管理中心计算机联网，成为其中的一个子系统。四、7MW余热导热油炉控制实例热载体锅炉的加热方式一般有燃油、燃气、燃煤及余热、电热等5种。余热方式一般是利用工业生产的废料，经焚烧炉燃烧产生的热量对热载体进行加热。该方式使废料得到充分利用，既降低了生产成本，又保护了环境，因此余热热载体锅炉也有较大的市场需求。1、7MW余热导热油炉系统示意图。该图也是10”彩色触摸屏上显示的系统主画面。2、系统简介本例导热油炉控制的主要区别在加热部分，其他与一般导热油炉基本相同。本系统把木材加工的废料(木粉)送入焚烧炉，木粉焚烧产生的高温烟气成为导热油炉的加热源。因此，要控制导热油炉的出炉温度，就应该控制高温烟气的温度；要控制高温烟气的温度，就必须控制木粉焚烧炉的燃烧，即调节引风、鼓风、炉排和木粉输送量。由于该烟温系统用户正在完善中，第一期工程暂为烟温手动或仪表控制。系统的程序控制和联锁保护由PLC可编程控制器完成。本系统采用10”彩色大触摸屏作人机界面。其主画面显示整个系统图形，显示每个设备的状态。点触各个设备，就会进入该设备画面，即可进行自动或手动操作。结束语热载体锅炉是真正意义上的工业锅炉，其控制系统也应按照工业级要求进行设计和制造。随着当今科技的高速发展，各种新型的人机界面、软件平台和网络技术的不断涌现，给热载体锅炉控制系统的发展提供了动力。我们愿与业内同仁一道，促进热载体锅炉控制技术的不断发展。