燃油燃气锅炉群控系统的设计与应用

牛壮(上海市安装工程集团有限公司，上海 200085)

0 引言

锅炉的群控技术，主要目的在于保证锅炉安全运行、水的温度稳定达到所需标准的条件下，使锅炉运行的经济效率最大化。而目前对于锅炉控制系统的设计，大多是通过压力、温度[1-2]、风量[3-5]、给煤量[6]等影响锅炉燃烧性能的某一个或几个环境变量的方法，提高锅炉的燃烧性能，以及通过汽包水位，控制水泵的启停，以使锅炉安全运行[7]，而对于项目整个锅炉控制系统的总结研究不多。

本文针对大中里综合发展项目的燃油燃气锅炉群控系统，将西门子PCL及全中文工控组态软件作为核心部件对多台锅炉进行控制，主要通过对锅炉的单控和群控、锅炉及水泵的排序以及锅炉所处状态进行控制，在安全运行的基础上，使锅炉运行效率达到最大化，并在此基础上，对锅炉系统中的一次循环泵及各种阀门所处状态开启、关闭时间进行一定的控制，以避免对设备造成不可逆转的破坏。

1 系统设计依据

大中里综合发展项目40号地块T1、T2及商业部分空调热源采用燃气燃油(燃油备用)两用承压热水锅炉，锅炉房位于B2F，设置有6台富尔顿FBD型承压型热水锅炉，其中4台5 600 kW，2台2 800 kW，4台5 600 kW锅炉和2台2 800 kW锅炉分别自成独立的子系统，并通过共同的供水总管和回水总管联接成为一个总系统。根据设计要求，采暖季节时开启运行4台5 600 kW锅炉，非采暖季节时则开启运行2台2 800 kW锅炉。

本燃油燃气锅炉群控系统根据操作规程及控制要求设计，系统采用德国西门子PLC或工业控制计算机作为数据处理和控制核心，使用全中文工控组态软件进行上位控制，运行情况集中在监控室中显示，并提供记录和分析，同时还可以实现故障报警、排查等实际有效的功能。项目采用10英寸的液晶触摸屏或19寸的液晶显示器作为系统的监视平台，同时根据需求预留了标准的通讯接口，可实现总控室的远程监控，如图1所示。

图1 锅炉群控系统的原理图

2 系统功能介绍

本锅炉群控系统采用工控触摸屏+工控计算机+西门子PLC+组态软件的监控方式与锅炉本机专业锅炉控制器相结合的双路控制系统。可实现群控功能，同时也可实现由专业锅炉控制器控制单台锅炉自动运行[2]。群控时，由PLC控制器根据监测到的热水系统温度变化等参数来控制锅炉启停台数和锅炉负荷输出。当群控系统不能工作时，独立的锅炉本机专业控制器可自行控制锅炉单机自动运行，并调节锅炉的负荷输出避免因PLC故障导致用户停炉。

控制系统支持开放的通信协议，支持MODBUS RTU通信协议的技术要求，并带有开放协议的BA接口和留有标准的计算机RS232或RS485通讯接口，可实现远程监视。控制台采用人机对话界面，有高清图形画面显示(配备显示器)，如图，具有可靠性高、自动化程度高、使用方便、操作简单、功能丰富、控制灵活、外形优美、可实现无人操作、专人使用开机密码专人操作等优点。

整个锅炉控制系统设计了PLC控制及强电手动操作两部分，控制系统、报警系统与联锁保护系统相对独立，具备了较完善功能。在PLC控制或强电手动控制的情况下，燃烧器可以实现以下功能：(1)具有炉膛自动吹扫程序，并具有炉膛火焰自动检测功能；(2)具有燃烧自动点火程序，点火失败可以自动进入联锁保护并报警的功能；(3)具有燃烧的安全运行联锁保护功能；(4)具有停电再来电锅炉处于待机状态保护功能；(5)具有故障待机保护功能；(6)燃烧器故障报警，并能自动停机，需手动复位；(7)燃气压力高/低自动检测，超高超低均进入联锁保护；(8)风压低联锁保护功能，并能自动停机；(9)燃烧器空气/燃料自动全程比例调节。

2.1 PLC控制

可编程逻辑控制器PLC自控系统可以自动识别故障，在出现以下故障时锅炉PLC自控系统会实现自动停机，并声光报警。

锅炉温度超高保护：系统运行过程中，当热水锅炉温度超出设定的高限工作温度时，“电脑屏幕”上“热水温度超温故障”指示灯闪烁，中文显示：“热水温度超温故障”，自动停机，并声光报警指示，需手动复位。

锅炉缺水故障保护：系统运行过程中，当锅炉缺水时，“电脑屏幕”上“低水位故障”指示灯闪烁，中文显示：“低水位故障”，自动停机联锁，并声光报警显示，需手动复位。

断电故障保护：系统运行过程中，出现供电系统突然断电，自动停机，再次供电时，可编程逻辑控制器“PLC”使锅炉处于停机状态，确保系统安全可靠运行。

燃烧熄火故障保护：燃烧器如因各种原因不能正确点火或燃烧过程中出现熄火，“电脑屏幕”上“熄火故障”指示灯闪烁，中文显示：“熄火故障”联锁关闭燃烧器，需手动复位。

燃气压力异常保护：当供气压力超出燃烧器正常工作压力范围时，“电脑屏幕”上“燃气压力低或高”指示灯闪烁，中文显示：“燃气压力低或高”，声光报警指示，连锁关闭燃烧器，需手动复位。

传感器故障识别与保护：系统运行过程中，当温度传感器发生断路事故时，“电脑屏幕”上的“温度传感器故障”指示灯闪烁，中文显示：“温度传感器故障”且声光报警，并同时停止运行燃烧器设备。

电机负荷保护：通过自动空气断路器，三相交流接触器，过载保护热继电器，保护线路、对电机设备在运行过程中的短路、缺相、过载、过流、欠压、失压等起良好的保护。

控制系统与消防系统沟通，当有气体泄漏或锅炉房及生火警时，控制系统停止机组运行。

2.2 强手动控制

紧急停止开关；主电源指示灯；锅炉启动/停止控制开关及锅炉运行状态指示灯；燃烧器负荷调节控制开关及大小火变化指示灯；锅炉高/极低水位指示灯(热水锅炉无高水位指示灯)；熄火故障指示灯；故障报警器及消音按钮；燃烧管理程控器手动复位按钮。

2.3 燃烧设备控制

启停控制：当满足所有锅炉启动条件及锅炉热水温度又低于设定的热水温度下限时，启动燃烧管理程控器，使燃烧器处于运行状态；当锅炉燃烧器处于运行状态且热水温度达到设定的热水温度上限时，关闭燃烧管理程控器，使燃烧设备处于停止状态。

燃烧负荷调节：控制系统启动燃烧管理程控器，燃烧管理程控器启动燃烧点火程序，当锅炉正常燃烧后，进入燃烧负荷调节状态，此时，由燃烧器自己根据热水温度直接调节燃烧负荷量。燃烧器负荷调节为全程比例式，由燃烧器自己根据热水温度按比例直接调节燃烧负荷量。

当热水温度达到设定的热水温度上限时，进入停止燃烧过程，关闭燃烧器。

2.4 群控系统

根据运行的负荷量设定投入运行的锅炉台数，分别可以设定蒸汽锅炉和热水锅炉群控运行。群控系统可以实现自动判断并决定投入响应的运行的锅炉设备台数，根据每台锅炉设备累计运行的时间自动进行平衡。

2.5 控制柜其他主要功能

(1)通讯功能：本系统具有标准RS-485，RS232，通讯接口，具有与上位计算机连接以实现远程监控或与“DCS”“FCS”系统连网，上传锅炉运行工况参数。

(2)帮助功能：系统具有中文帮助功能窗口，窗口内可以实现全中文显示操作方法、使用方式、维护方式、故障排除等相关信息，便于使用者在初期更快的熟悉掌握计算机监控系统的操作应用。

(3)密码认证：相关权限的密码只能进入相应的功能模块。操作员经密码验证可进入开/关机、及手动操作，管理员经密码验证可进入参数设置，工程师级经密码验证可进入以上所有功能模块。

(4)信息记录与查询功能：控制系统在正常工作时，会定期记录锅炉运行工况数据，包括燃烧设备、给水泵等设备累计运行工作的时间、设备运行工作的状况等其他多项工况参数。

当系统发生故障时，系统将及时记录相关的故障信息，同时，系统电脑屏幕可存储大量的时间信息，并可以自动生成相关的工作报表及故障信息表格，存储的信息可通过查询键在电脑屏幕上查询，也可打印输出。

3 系统设计与应用

3.1 系统控制逻辑设计

锅炉群控系统可实现对各台锅炉的单独控制以及对整个系统的群体控制功能，因此可以实现系统的节能。同时，可以平衡每台锅炉设备的运行时间，自动(也可以远程手动)切换启、停各台锅炉设备，以增加设备的利用率。而锅炉启、停的控制序列可根据项目的控制需求通过软件事先设定。在采暖季和非采暖季，由锅炉群控PLC控制柜依据各锅炉子系统的总管供水温度，对锅炉进行群控，并自动调整每台锅炉设备的开启运行。

锅炉设备的运行负荷问题是项目中存在多台锅炉时必须考虑的一个问题，而本项目可以在系统软件中通过统计锅炉启停次数和每台锅炉的累计工作时间，通过软件自身的排序功能，平均分配每台锅炉的运行负荷。锅炉群控系统采用开放式通讯协议，可以与热力监控系统或者能源中心数据站建立通讯，使两个系统之间完成数据交互，当通讯正常，可以在热力监控系统画面或能源中心数据站画面上直接设定锅炉群控的启停顺序，也可以直接控制锅炉的启动/停止(需要在热力监控系统画面或则能源中心数据站画面上设定权限，防止误操作)。

3.2 燃油燃气锅炉单控/群控设计

单控：当锅炉PLC控制柜切换到远程控制，锅炉无影响停机故障，通讯正常，可以在锅炉群控画面上直接启动/停止锅炉。

群控：当锅炉PLC控制柜切换到远程控制，锅炉无影响停机故障，通讯正常，根据锅炉的启停排列顺序自动控制锅炉的启动/停止。顺序方式加载启动设备，逆序方式减载停机设备。

3.3 燃油燃气锅炉和水泵的排序设计

锅炉排序可分为手动排序/自动排序两种。

手动排序：操作员手动设定锅炉的启动顺序；

自动排序：采用时间均衡法，采暖季时，仅运行4台5 600 kW锅炉子系统，对4台5 600 kW以及对应的5台水泵设定一个轮换比较时间(2～24 h)，群控启用后，PLC程序根据轮换比较时间，每隔(2～24 h)，自动计算每台锅炉(以及水泵)运行累积时间，运行时间越短，序号越小，运行时间越大，序号越大。比如 1号锅炉运行50 h，2号锅炉运行30 h，3号锅炉运行20 h，4号锅炉运行40 h，那么程序自动排列顺序是：1号锅炉序号为4，2号锅炉序号为3，3号锅炉序号为1,4号锅炉序号为2。非采暖季时，仅运行2台2 800 kW锅炉子系统，排序方法与4台相同，比如1号锅炉运行50 h，2号锅炉运行40 h，那么程序自动排列顺序是： 1号锅炉序号为2，2号锅炉序号为1。

3.4 燃油燃气锅炉加载/减载设计

根据锅炉总管出水温度来进行增机/减机控制。

增机控制：设定4台5 600 kW锅炉(采暖季)或2台2 800 kW锅炉(非采暖季)总管供水温度中心值，当总管供水温度测定值小于设定值时，说明需要增加负荷，此时自动开启未在运行的序号较小(即运行时间较短)的那台5 600 kW锅炉(采暖季)或2 800 kW锅炉(非采暖季)的出水电动阀，同时开启该子系统一台序号较小一次循环水泵，延时到设定时间自动增开该台锅炉。

减机控制：设定4台5 600 kW锅炉(采暖季)或2台2 800 kW锅炉(非采暖季)总管供水温度中心值，当总管供水温度测定值大于设定值时，说明需要减小负荷，此时立即自动关闭正在运行的序号较大(即运行时间较长)的那台锅炉，延时到设定时间自动关闭对应电动阀和正在运行的该子系统序号较大的一台一次循环水泵。

3.5 燃油燃气锅炉一次循环泵控制设计

锅炉一次循环泵控制可分为本地/远程控制。本地模式：控制权交由就地循环泵电气控制盘开关控制。PLC程序只监不控。远程模式：控制权交由PLC程序控制。

水泵的排序：水泵排序可分为手动排序/自动排序两种。手动排序：操作员手动设定水泵的启动顺序。自动排序：参见上述锅炉的自动排序方式

锅炉一次循环泵手动/自动控制。热水一次循环泵切换到远程模式后，在上位机上又可分为手动/自动控制。手动：热水一次循环泵无故障，操作员在上位机上可直接启动/停止。自动：每需要一台锅炉启动时，对应锅炉出水电动阀应先于锅炉开启，循环泵无故障，自动启动与该锅炉所在子系统的序号较小(即累计运行时间较短)的那台热水一次循环泵。延时到设定时间才能开启锅炉。程序未收到电动阀开启信号时，水泵停机并报警。

每有一台锅炉停止，对应锅炉的出水电动阀应延时到设定时间后才关闭，并在关闭电动阀同时停止一台序号较大(即运行时间较长)的热水一次循环泵。

如果关闭的是最后一台锅炉，出水电动阀及最后一台在运行的水泵则不应关闭，直到有一台需要锅炉开启为止，以保证媒介水系统的水流循环。

3.6 燃油燃气锅炉出水电动阀控制设计

手动：操作员在上位机上可直接开启/关闭锅炉出水电动阀。

自动：锅炉需要启动前，应先开启锅炉对应出水电动阀及1台序号最小水泵，延时到设定时间后锅炉才能开启，如程序未收到出水电动阀全开信号，一次循环水泵停机并报警。

锅炉停机后，延时到设定时间后停止序号最大的热水一次循环泵，同时自动关闭锅炉对应出水电动阀。如果关闭的是最后一台锅炉，出水电动阀及最后一台在运行的水泵则不应关闭，直到有一台需要锅炉开启为止，以保证媒介水系统的水流循环。

4 结语

本文对大中里项目的燃油燃气锅炉的群控系统的设计与应用进行总结，本项目通过PLC和上位机组成的控制系统，在系统软件中通过统计锅炉启停次数和每台锅炉的累计工作时间，通过软件自身的排序设计功能，平均分配每台锅炉的运行负荷，及其附属设备的运行起止时间，达到锅炉经济性能最大化的目的。