1、总体方案设计
1.1锅炉仪表改造的技术要求和指标确定
原蒸汽锅炉仪表采用的是模拟仪表，使用时间较长，经常出现故障，影响锅炉的运行。在本次仪表改造中采用先进的DCS系统作为控制的核心，再配备压力、温度、流量变送器和电动调节阀，实现锅炉系统运行参数的监测和调节。原有的鼓、引风量采用风档板调节，时常烧毁电机，损坏机械零部件，浪费很多能源。在改造过程中采用交流变频技术对鼓、引风电机转速进行无级调节，做到用多少风量，就送多少风量，同时利用变频器对电机实施过载保护。锅炉需要控制的参数是锅炉汽包的液位，按照一定的控制算法，通过对电动调节阀开度的调节，实现锅炉汽包液位的控制，控制精度为±50mm。在煤层厚度一定的前提下，燃煤量主要依靠调节炉排电机转速来实现，为此，炉排电机也采用了交流变频技术进行调速，30码期期必中销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧木屑颗粒机压制的木屑生物质颗粒燃料。
锅炉运行参数在DCS系统的工艺流程画面上给予显示，其中重要的工艺参数要求同时在智能仪表上也给予显示。电动调节阀的调节信号和开度反馈信号在DCS系统和智能仪表上同时进行显示，并且在DCS出现问题时，利用智能仪表进行调节。汽包液位关系到锅炉运行的安全，设计中采用浮球液位计、电节点液位计和差压变送器3种测量仪器进行监测，其中差压变送器4～20 mA信号送入到DCS系统中，作为液位调节的反馈信号。变频器采用艾默生网络能源有限公司的产品。将变频器上的故障反馈、频率反馈信号引入到DCS中，在DCS的工艺流程画面上可以实时显示电机转速、拖动系统故障。电机转速调节、启停控制均由DCS实现。现场操作由变频器上的面板按键实现。锅炉总体控制方案结构如图1。
1.2锅炉监测点的确定
蒸汽锅炉原有仪表是模拟仪表，监测点和控制回路都比较少。根据控制与监测要求，确定一台锅炉的监测点如表1。
1.3 电机变频拖动系统设计
目前很多锅炉的鼓、引风电机采用普通交流电机拖动，降压启动，以额定转速运转。这样一是浪费了能源，二是电机经常出现故障，增加了运行维护费用。实际上锅炉在很多时候不需要设计上的最大鼓、引风量。因此，要依靠风道档板开度的大小来调节风量。由于变频驱动技术成熟与普及，在锅炉改造中鼓、引风及炉排电机均采用了变频器驱动。在比较了若干种品牌的变频器后，鼓、引风电机采用了艾默生TD2000系列风机、水泵用变频器，炉排电机采用了TD1000普通变频器。电机的启停、升降速利用DCS可以远程控制，现场通过操作面板控制。电机转速和变频器故障在DCS上给予显示。TD2000系列变频器为风机、水泵类专用，其远程控制原理如图2所示。
将变频器上的控制端子通过金属网屏蔽电缆与DCS系统的AI、AO、DI、DO板卡相连，实现变频器的计算机远程控制。其中FWD - COM控制电机的启停，CCI- GND控制电机转速，FM - GND显示电机转速，TA - TC显示变频器故障。
1.4汽包液位测量与报警
为保证锅炉系统的安全可靠运行和蒸汽品质，汽包液位监测与控制是一个十分重要的因素。本次锅炉仪表系统改造设计中，采用了差压变送器、浮球液位计和电结点液位计3种液位测量报警装置。
1.5显示／手操柜设计
由于任何DCS控制系统都不可能做到零故障率，因此在锅炉仪表控制系统设计时必须考虑到DCS系统出现故障后，如何保障锅炉的继续运行。其解决方案是：一旦DCS系统出现问题后，锅炉运行转换到手动操作，操作者根据电结点上显示的汽包液位，及时地对给水调节阀进行调节，保证液位在一个合理的范围内变化。当DCS系统故障排除后，再恢复到自动运行状态。为此在DCS与调节阀之间设置了一个手操器。炉膛温度是锅炉运行重要参数之一，温度值在DCS上和手操柜上同时显示。
2、DCS系统和一次仪表的确定
2.1 DCS系统比较与选择
目前在我国市场上有许多品牌的DCS控制系统，既有国外公司的产品，又有国内公司的产品，其功能、可靠性相差不大。在选择DCS系统时主要考虑的是价格、售后服务方面的因素。经过比较选择了浙大中控的SUPCON JX-300X系统。
2.2 主要一次仪表选型
锅炉属于重要的动力设备，国家对其管理有严格的规定和要求。为保证锅炉系统的可靠运行，作为锅炉监测用的一次仪表，必须有高的可靠性和稳定性。因此，在仪表的选择上要以国内外知名公司的产品为主。差压变送器选用了香港虹润公司的产品，压力变送器选择了广州森纳士公司的产品，测温用的热电偶和热电阻选择了沈阳仪表研究所的产品，流量计是中德合资一北京瑞普三元的涡街流量计。经过现场5个月的使用，仪表没有出现问题，这些仪表的选择是正确的。
3、汽包液位控制方案及调节参数整定
不同使用场合对蒸汽的品质要求是不同的。本次改造的蒸汽锅炉主要用于厂区采暖，对蒸汽无特殊要求。蒸汽锅炉控制包括燃烧控制和汽包液位控制。燃烧控制依靠调节鼓、引风和炉排电机转速，实现风量与给煤量的匹配。汽包液位控制采用三冲量串级前馈控制原理，控制框图如图3所示。
锅炉汽包液位采用三冲量控制。给水管道的流量作为内环反馈量，汽包液位作为外环反馈量，蒸汽流量作为前馈量，DCS系统按照一定算法实现汽包液位控制。该种控制算法以水蒸发量=蒸汽流量为主要依据，再将汽包液位实际测量值作为辅助量，实现汽包液位的控制，它能够克服汽包的“假水位”现象。经过现场对内、外环PID参数的整定，达到了±5 mm的控制精。内环PID整定参数为：P-195、D - 0.01、J=0.0；外环PID整定参数为：P- 350、D -0.05.1=0.0。
锅炉燃烧控制系统是一个多输入、多输出的复杂系统，影响因素很多，实现自动燃烧控制难度很大，效果甚至不如人工手动调节，同时考虑到总体改造费用和日后维护费用，本次仪表改造中未设置氧化镐传感器，无法检测锅炉烟气中的含氧量，未能实现自动燃烧。锅炉燃烧要根据实际情况，人工调节鼓、引风量和送煤量，做到一个较好的燃烧效果。
4、经济效益分析
本次对4台20 t蒸汽锅炉进行了仪表改造，收到了十分明显的经济效益。主要体现在两个方面：一是鼓、引风及炉排电机全部采用了变频调速技术，节约了电能；二是由于变频器自动保护作用，实现了对电机的有效保护，减少了维护费用。电机节能率如表2所示。
5、结束语
哈尔滨第一机器制造有限公司蒸汽锅炉仪表自动化改造后取得了明显的经济效益和社会效益。据厂家计算，一个采暖期电机节能为35万元左右，减少维修费用4～5万元，两项合计40万元左右，预计2.5个采暖期就可收回投资。另外由于采用了较先进的技术，提高了工厂的管理水平，保证了工厂冬季采暖，为企业生产创造了良好的条件。
