DCS在開工鍋爐中的應(yīng)用

孫彥軍,郭 亮,辛 祎,丁劉濤

(1.寧夏寶塔石化集團(tuán)設(shè)計院(有限公司),銀川 750002; 2.寧夏寶塔能源化工有限公司,寧夏靈武 751400)

1 工藝概述

寧夏寶塔石化35 t/h開工鍋爐(以下簡稱:開工鍋爐)由以下五部分組成。

a)除氧給水系統(tǒng)。除氧采用大氣式熱力除氧器,除氧能力qV=40 m3/h。由管道泵(qV=50～60 m3/h)送至除氧器除氧。除氧器由外界蒸汽加熱(外界加熱蒸汽壓力p=0.6 MPa,流量 qV= 4 500～6 500 kg/h),除氧器的輔助加熱蒸汽來自連續(xù)排污膨脹器產(chǎn)生的閃蒸汽Z′。除氧脫鹽水由鍋爐給水泵(qV=40 m3/h)一路經(jīng)鍋爐給水調(diào)節(jié)閥進(jìn)混合器,另一路進(jìn)面式減溫器后回水進(jìn)入混合器和第一路鍋爐給水混合后進(jìn)入省煤器進(jìn)行加熱到規(guī)定的溫度后進(jìn)入循環(huán)硫化床鍋爐。

b)汽水系統(tǒng)[1]。系統(tǒng)由除氧給水泵,鍋爐給水泵,鍋爐給水調(diào)節(jié)閥、省煤器、汽包(上下鍋筒)、面式減溫器和過熱器組成,流程如圖1所示[2],燃燒系統(tǒng)由干氣和空氣按一定比例在爐膛內(nèi)燃燒,產(chǎn)生的熱量使汽包內(nèi)的水汽化,產(chǎn)生的飽和蒸汽進(jìn)入過熱器進(jìn)一步加熱成為過熱蒸汽至蒸汽母管,進(jìn)入減溫減壓器降低過熱蒸汽溫度直到工業(yè)上需要的蒸汽(注:鍋爐主要以燃燒干氣為主)。

c)送風(fēng)系統(tǒng)。主鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)門主要是通過爐內(nèi)的燃燒工況和煙氣的含氧量的多少來啟動風(fēng)門手柄驅(qū)動裝置實現(xiàn)風(fēng)門開關(guān)程度大小控制。為了減少噪音,主鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口是從室外的一個進(jìn)風(fēng)筒中進(jìn)風(fēng),主鼓風(fēng)機(jī)的出口處與空氣預(yù)熱器的進(jìn)風(fēng)彎頭采用柔性連接,一是為了防止鼓風(fēng)機(jī)振動傳遞給預(yù)熱器;二是防止空氣預(yù)熱器熱脹推力傳遞給鼓風(fēng)機(jī)。空氣預(yù)熱器的出口與主燃燒室采用剛性連接,進(jìn)風(fēng)筒的上端與主燃燒室連接采用焊接,下端采用螺栓固定。副鼓風(fēng)機(jī)不預(yù)熱,風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口有兩個:從室外進(jìn)新風(fēng)和從鍋爐的排煙中用風(fēng)管抽取排煙。兩進(jìn)風(fēng)口相互聯(lián)系,又彼此獨立,在進(jìn)新風(fēng)管上安裝電動通風(fēng)碟閥,在進(jìn)排煙管上安裝電動斜板塵氣碟閥。副風(fēng)機(jī)與副燃燒室的連接也采用進(jìn)風(fēng)筒,上端與副燃燒室相焊接,下端座用螺栓固定。

圖1 鍋爐汽水系統(tǒng)流程示意

d)減溫減壓系統(tǒng)。減溫減壓系統(tǒng)是過熱蒸汽通過減溫減壓器與除氧水進(jìn)行熱交換,使其過熱蒸汽的溫度、壓力降低,變成用戶所需蒸汽的過程。

e)聯(lián)鎖和保護(hù)系統(tǒng)。開工鍋爐的聯(lián)鎖和保護(hù)系統(tǒng)針對汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng),主要是對過熱蒸汽溫度、流量、壓力進(jìn)行檢測,并同時檢測軸向位移、各軸承溫度,當(dāng)汽機(jī)處于異常工況時,可通過聲音、屏幕報警等手段提醒操作員,對異常情況進(jìn)行處理。主要包括以下內(nèi)容:

1)汽機(jī)保護(hù)停機(jī)——通過磁力斷路油門將自動主汽門和調(diào)速汽門關(guān)閉。當(dāng)以下參數(shù)異常時,汽機(jī)停機(jī):軸位移大于 0.7mm;真空度大于0.04 MPa;油壓小于0.03 MPa;推力瓦溫度大于100℃;汽機(jī)超速;發(fā)電機(jī)停機(jī);用電負(fù)荷不正常;保護(hù)電源消失以及設(shè)有緊急手動停機(jī)按鈕等。

2)報警信號(電鈴報警)有:主氣門關(guān)閉;抽氣閥關(guān)閉;發(fā)電機(jī)故障;用電負(fù)荷保護(hù);保護(hù)電源消失;主油箱液位;熱井液位;軸位移;凝氣器真空度;主蒸汽壓力;主蒸汽溫度;抽氣閥蒸汽壓力;潤滑油壓力;氣輪機(jī)轉(zhuǎn)速;推力瓦溫度;發(fā)電機(jī)軸承溫度。

3)聯(lián)鎖信號(蜂鳴器提示)有:汽機(jī)室至主控室(解除按鈕、注意、增加、減少、已合閘、已斷開、停機(jī)、更改命令、電話);主控室至汽機(jī)室(解除按鈕、注意、增加、減少、已合閘、已斷開、停機(jī)、更改命令、機(jī)器危險、電話);鍋爐保護(hù)聯(lián)鎖停爐(鍋爐設(shè)緊急停爐按鈕。停爐保護(hù)包括:汽包水位超高和超低,爐膛壓力超高,汽包壓力超高,煤氣壓力超低,爐膛熄火)。當(dāng)火焰檢測器開關(guān)閉合時,緊急關(guān)閉煤氣切斷閥。

2 DCS的配置及運行

該系統(tǒng)設(shè)監(jiān)控操作站2個,后備手操器控制臺1個,現(xiàn)場控制站1個,主控制器為熱備冗余控制站和通信處理單元[3]。其運行的方式是在通信網(wǎng)絡(luò)上掛接通信接口單元(CIU)可實現(xiàn)DCS與PLC等數(shù)字設(shè)備的連接;通過多功能計算站(MFS)和相應(yīng)的IEC 61131-3[4]組態(tài)軟件可實現(xiàn)與企業(yè)管理計算機(jī)網(wǎng)的信息交換,實現(xiàn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)(Intranet)環(huán)境下的實時數(shù)據(jù)采集、實時流程查看、實時趨勢瀏覽、報警記錄與查看、開關(guān)量變位記錄與查看、報表數(shù)據(jù)的存儲、歷史趨勢存儲與查看、生產(chǎn)過程報表生成與輸出等功能。通信網(wǎng)絡(luò)采用總線型或星型拓樸結(jié)構(gòu)[4],曼徹斯特編碼方式,遵循開放的 TCP/IP協(xié)議和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。采用1∶1冗余的工業(yè)以太網(wǎng)(Ethernet),TCP/IP的傳輸協(xié)議輔以實時的網(wǎng)絡(luò)故障診斷,其特點是可靠性高、糾錯能力強(qiáng)、通信效率高。

后備手操器控制臺上,有引送風(fēng)、給水泵和循環(huán)泵電流表;發(fā)電機(jī)功率和頻率表;電接點液位計(汽包液位);引送風(fēng)調(diào)節(jié)手操器,一次風(fēng)調(diào)節(jié)手操器,鍋爐給水調(diào)節(jié)手操器,減溫水調(diào)節(jié)手操器,混合集箱進(jìn)水調(diào)節(jié)手操器,煤、氣量調(diào)節(jié)手操器,除氧器壓力液位調(diào)節(jié)手操器。

3 控制方案

開工鍋爐的控制大部分采用單回路PID常規(guī)控制,在一些關(guān)鍵點且要求高的場合,發(fā)現(xiàn)僅僅用單回路PID常規(guī)控制很難達(dá)到理想的控制效果。如:開工鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽溫度采用單回路控制,特別是鍋爐的水蒸氣壓力或者水蒸氣本身的熱值有較大波動時,一方面容易燒壞爐管,減少鍋爐的使用壽命;另一方面不能保證過熱蒸汽的質(zhì)量,很難滿足后續(xù)工藝要求,為解決上述問題,將過熱蒸汽溫度單回路控制改用串級控制。汽包水位采用三沖量水位控制系統(tǒng)。

3.1 鍋爐本體主要控制回路

主要控制回路:設(shè)置爐膛溫度、壓力和火焰檢測;主給水流量、溫度和壓力檢測;過熱蒸汽的流量、溫度和壓力檢測;干氣的流量、溫度和壓力檢測;除氧器液位和溫度調(diào)節(jié)(單回路控制);過熱蒸汽溫度TIC(主回路)與減溫器進(jìn)水流量FIC(副回路)串級調(diào)節(jié);汽包水位LIC、過熱蒸汽出口流量FIC以及鍋爐給水流量FIC三沖量調(diào)節(jié)。

3.2 串級控制實現(xiàn)過熱蒸汽出口溫度控制

開工鍋爐過熱蒸汽出口溫度控制[5]采用兩套變送器和兩個調(diào)節(jié)器,前一個調(diào)節(jié)器(主調(diào)節(jié)器)的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器(副調(diào)節(jié)器)的設(shè)定,后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。整個系統(tǒng)包括主回路和副回路。其串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[6]如圖2所示。

圖2 過熱蒸汽出口溫度串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

用DCS串級控制模塊進(jìn)行組態(tài)后模擬運行,該控制方案很好地克服了工藝過程可控純滯后、工藝過程明顯的非線形特性、擾動劇烈且幅度大、控制性能要求高和參數(shù)之間存在重大的關(guān)聯(lián)等現(xiàn)象,并且改善了控制過程的動態(tài)特性,提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量,克服了進(jìn)入副回路的二次擾動,優(yōu)化了系統(tǒng)的工作頻率,使過熱蒸汽出口溫度維持在允許的范圍內(nèi),過熱器的保護(hù)起到了良好的作用。

3.3 汽包水位控制

鍋爐汽包水位控制是安全生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的保證。汽包水位過高,會影響汽包內(nèi)汽水分離,產(chǎn)生的飽和水蒸氣帶水過多,會使過熱器結(jié)垢而導(dǎo)致?lián)p壞,同時也會使過熱蒸汽溫度急劇下降,當(dāng)該蒸汽作為汽輪機(jī)動力時就會損壞汽輪機(jī)的葉片,造成重大事故的發(fā)生;水位過低,鍋爐的蒸發(fā)量增大,水的汽化速度加快,汽包內(nèi)水量迅速減少,如不及時控制,會使汽包內(nèi)的水全部汽化而導(dǎo)致干鍋,有引起鍋爐爆炸的危險。因此,鍋爐水位過高過低的后果極為嚴(yán)重,必須嚴(yán)格控制汽包水位。影響汽包水位的主要干擾有鍋爐給水量的變化、過熱蒸汽負(fù)荷量的變化以及爐膛熱負(fù)荷的變化。應(yīng)用DCS實現(xiàn)三沖量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

汽包水位控制其實質(zhì)是前饋-串級控制。因此,在三沖量控制系統(tǒng)中,其中汽包液位是被控變量,亦是串級控制系統(tǒng)中的主變量,是工藝的主要控制指標(biāo);給水量是串級控制系統(tǒng)中的副變量,引入這一變量的目的是為了副回路克服干擾的快速性來及時克服給水壓力變化對汽包液位的影響;蒸汽流量是作為前饋信號引入的,其目的是為了及時克服蒸汽負(fù)荷變化對液位的影響。該控制模式很好地克服了工藝過程中“假液位”現(xiàn)象,以及給水量變化的干擾,校正了工藝過程中給水調(diào)節(jié)閥明顯的非線性特性、擾動劇烈且幅度大、控制性能要求高和參數(shù)之間存在重大的關(guān)聯(lián)等現(xiàn)象,有效地做到了靜態(tài)補(bǔ)償,改善了控制過程給水量的變化、過熱蒸汽負(fù)荷量的變化以及爐膛熱負(fù)荷的變化所引起的動態(tài)特性。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)自2009年7月正式驗收以來,運行狀況穩(wěn)定,效果良好,完全適應(yīng)和滿足生產(chǎn)工藝的要求。整個生產(chǎn)過程的自動化控制率達(dá)92%以上,大大降低了操作工的勞動強(qiáng)度,改善了工作環(huán)境。利用DCS串級控制模塊實現(xiàn)了對鍋爐過熱蒸汽出口溫度控制;利用DCS三沖量控制模塊實現(xiàn)了對汽包液位的穩(wěn)定控制;利用DCS很好地克服了調(diào)節(jié)死區(qū)帶來的調(diào)節(jié)滯后的弊病,改進(jìn)了上鍋筒水位的判別條件。根據(jù)影響上鍋筒液位每個參數(shù)的變化趨勢做出相應(yīng)地調(diào)節(jié),大大提高控制的抗干擾能力,特別是來自過熱蒸汽波動及鍋爐給水的干擾;改進(jìn)了上鍋筒“假液位”現(xiàn)象的控制方法,既能及時地保護(hù)上鍋筒內(nèi)因液位過高造成飽和水蒸氣帶水過多,使過熱器結(jié)垢而損壞,同時也會使過熱蒸汽溫度急劇下降和因液位過低造成的蒸發(fā)量增大,水的汽化速度加快,汽包內(nèi)水量迅速減少而導(dǎo)致汽包內(nèi)的水全部汽化而干鍋,又能及時準(zhǔn)確地將液位控制在額定值范圍內(nèi)。

圖3 汽包水位三沖量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

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