ABB 800xA在220t/h在循環硫化床鍋爐上的應用

重慶川儀控制系統有限公司 袁孝志

循環流化床鍋爐(CFBB)是一種利用循環流化床燃燒礦物燃料生產蒸汽的裝置，它具有煤粉爐無法比擬的優點：燃燒適應性廣、低污染燃燒、脫硫效率高、燃燒熱強度大、爐膛體積小、床內傳熱系數高、負荷調節性能好、灰渣可綜合利用等。所以自問世以來，在國內外得到了迅速的推廣與發展，但由于循環硫化床鍋爐自身的特點，在運行操作時不同于煤粉爐，如果運行中不能快速準確地對其燃燒進行控制，極易釀成事故。因此為了更好提升鍋爐效率和減少排放污染，選用優秀的控制系統提升工作穩定性和提高自動化程度，是實現鍋爐安全高效生產的重中之重。

1 工程概述

印度尼西亞金光集團江碧紙業LPPPI位于印度尼西亞蘇門答臘島（北）的Lontar Papyrus漿紙廠，是一家致力于制漿、造紙、化工等行業的公司。該廠一共有2臺堿回收鍋爐(RB)，其蒸汽能力分別是440t/h和175t/h，2臺160t/h多燃料鍋爐（MB），1臺 110t/h粉煤鍋爐(PCB) ，5臺透平式汽輪發電機，2臺GT (Gas Turbine)，應急柴油發電機7臺，由于該廠汽電不平衡，所以急需擴建一座220t/h循環流化床鍋爐及配套30MW空冷汽輪發電機組來解決這個問題，用以滿足全廠生產、生活用電和生產用汽問題。該項目由四川東方鍋爐工業鍋爐集團有限公司總承包，重慶川儀控制系統有限公司負責提供ABB 800xA的DCS系統，并完成DCS的設計組態和現場調試工作。

2 800xA的系統特點

工業信息技術（IndustrialIT）是ABB公司的專利概念，該理念旨在以一種開放式控制系統來表征其特性，將產品、服務以及產品運行、維修和維護所需的信息融為一體。800xA系統(ControlIT/OperateIT)是一種具世界領先水平的全能綜合型開放控制系統，該系統融傳統的DCS和PLC優點于一體并支持多種國際現場總線標準。它既具備DCS的復雜模擬回路調節能力、友好的人機界面(HMI)及方便的工程軟件，又同時具有與高檔PLC指標相當的高速邏輯和順序控制性能。系統既可連接常規I/O，又可連接Profibus、FF、CAN、Modbus等各種現場總線設備。系統具備高度的靈活性和極好的擴展性，無論是小型生產裝置的控制，還是超大規模的全廠一體化控制，甚至對于跨廠的管理控制應用，系統都能應付自如。

3 系統配置

該項目過程級配置了3對PM861冗余控制器，一對用于爐膛安全監控系統FSSS及除氧公共部分，一對用于數據采集系統DAS、模擬量控制系統MCS、順序控制系統SCS部分，一對用于汽機部分的監視及控制部分。DCS控制系統與其它系統的通訊，如全廠實時監控信息系統（SIS）、自動發電控制系統（AGC）、汽機安全監視系統（TSI）、汽機電液控制系統（DEH）、汽機危急遮斷系統（ETS）及其它輔助設備PLC控制系統等采用MODBUS的通訊方式。該項目一共有1820個IO點，配置了28個S800 I/O站，15個2200×800×600的控制機柜。

該項目數據采集采用服務器與客戶端的方式，配置2臺數據連接服務器CS，2臺域服務器DS，2臺屬性服務器AS， 4臺操作員OS站，1臺工程師站ES站，該項目所用的服務器均為Dell公司的機架式PowerEdge R710系列，配置為：CPU主頻：Xeon 5500系列處理器，內存：4G 硬盤：300G 磁盤陣列：PERC6/i 或 SAS6/iRR1 DVD，帶8M顯存的集成顯卡，22”高分辨率SVGA彩色顯示器。在項目實施過程中，Dell公司的商用計算機表現出了優異的性能。

系統打印機為4臺：工程師站配置2臺佳能A3幅面雙色激光打印機LBP9100CBN；操作員站記錄打印機LQ-1600K3、報警事件打印機佳能1980。其所有的打印機都具有網絡接口功能。

本控制系統網絡結構如圖1所示。

圖1 本控制系統網絡結構圖

該項目的現場總線采用Profibus-DP通訊協議，其最大通訊速率為12MB/S。Pro fi bus-DP電纜通過每個S800 I/O 站上的CI840A通訊模件與控制器上的CI854通訊模件連接，用以滿足現場信號的采集、處理和控制器的通訊。數據采集和監控采用TCP/IP協議以太網，其通訊速率為100MB/S。服務器、操作員站、工程師站和現場過程站通過以太網相連接，滿足服務器、操作員站、工程師站對現場設備的監視、控制和管理，實現數據共享。

4 控制系統主要功能

4.1 數據采集系統DAS

DAS是DCS的一重要部分，需要對過程變量進行采集和處理。數據采集系統能按掃描周期連續地定時采集、處理整個控制系統的所有過程輸入輸出、中間計算值和狀態以及運行操作和異常報警等信息，并以實時的方式提供給運行人員。數據采集系統還通過歷史數據、報表記錄、性能計算和統計分析等軟件完成過程數據的存儲和處理。數據采集系統還為整個800xA 系統提供了一套綜合的監控界面，能通過CRT和鼠標等人機交互設備以自動或手動的方式對工廠過程的各個受控參數和受控設備進行監視、控制和處理，以保證該鍋爐以最佳的狀態安全可靠地運行。

整個數據采集系統的功能包括：

信號處理；

顯示功能；

模擬圖；

成組顯示；

棒圖顯示；

曲線顯示；

報警事件顯示和響應；

歷史數據顯示；

其它顯示；

記錄報表；

系統自診斷；

性能計算。

4.2 模擬量控制系統MCS

循環流化床鍋爐采用DCS的主要原因之一就是要解決運行控制復雜性的問題。相對優秀的模擬量調節控制回路的設計可以有效地控制現場執行機構的調節動作，從而安全高效地控制鍋爐燃燒系統的運作。

循環流化床鍋爐是一個多參數、多變量、強關聯、干擾多的控制對象，其自動控制系統既是獨立的，又是相互關聯的，可謂是“牽一發而動全身”。當一個系統進行調節之后，其它的調節系統也要有相應變化。本鍋爐的調節控制系統涉及負壓調節、水位調節、給煤調節及配風調節等多個方面，充分滿足了該循環流化床的運行控制要求。

汽包水位調節（即給水自動）是循環流化床中除燃燒自動外最為重要的一個調節回路，也是整個控制系統中必須投入自動的調節回路之一。給水調節系統的目的是通過控制鍋爐的上水流量從而實現保持鍋爐汽包內水位的穩定性，使其在某一設定值上下輕微浮動，有效地減輕了由操作人員手動控制水位所產生的繁重工作。本循環流化床鍋爐的給水控制系統由主給水調節和給水旁路調節二套自動調節系統組成。其中給水旁路調節控制系統采用單沖量調節方式，通過汽包水位實際值與設定值之間的偏差控制給水旁路調節閥的輸出，該自動系統一般在鍋爐負荷小于30%的情況下投入使用；主給水調節則分為單沖量調節和三沖量調節二種控制方式，其單沖量調節和三沖量調節的控制切換通過系統對鍋爐運行情況進行判斷后自行實現，不需要人為干預，該自動系統一般在鍋爐高負荷時使用（即負荷大于30%）。三沖量給水調節通過汽包水位、給水流量、蒸汽流量三個信號來調節給水調節閥，維持汽包水位，此系統的水位調節品質比較好。蒸汽流量和給水流量的差值送入三沖量調節器的前饋輸入端，構成具有比例調節作用的副調節回路，副調節回路能快速消除給水內擾，并且給水流量能快速跟鍋爐負荷（蒸汽流量）同步變化，使汽包水位基本不變。主調節回路采用比例-積分調節，當汽包水位偏離其設定值時改變給水流量，使汽包水位回到其設定值。

圖2為主給水調節控制原理：

圖2 主給水調節控制原理圖

為更充分地使用DCS資源，提高控制系統的安全可靠性。本系統除具有常規三沖量液位調節系統的基本功能外，還具備以下功能：

（1）單沖量/三沖量自動切換功能

在液位、給水、蒸汽三個信號均正常時，調節器處于三沖量調節狀態。當給水或蒸汽兩信號中任意一個異常時，DCS自動地從三沖量調節狀態切換到單沖量調節狀態。以防止鍋爐缺水/滿鍋。并發出聲光報警，提醒操作員注意調節器目前的工作狀態。

（2）自動/手動自動切換功能

當液位信號異常時，DCS自動地從單沖量或三沖量切換到手動狀態。調節器輸出保持前一周期的輸出，并發出聲光報警，提醒操作員注意調節器目前的工作狀態。

（3）汽包液位補償

由于飽和水及飽和蒸汽的重度隨著蒸汽壓力的變化而變化，當用差壓變送器測量汽包液位時，在同樣的液位而不同的蒸汽壓力下，其變送器輸出所指示的液位也不同，其原因是飽和水和飽和蒸汽的重度的影響，誤差為10%～15%。為克服飽和水及飽和蒸汽的重度的影響，特增設汽包液位補償功能，以減少測量誤差。

4.3 順序控制系統（SCS）

鍋爐輔機設備的順序控制及聯鎖的基本目的是將正常運行時由于鍋爐及輔機設備的工況原因對設備所產生的不良影響降至最低，以保障設備的長久使用。其主要功能是在裝置不滿足運行條件或正常運行中接近不穩定、不安全的運行狀態時，依靠預先設定的保護動作來限制該裝置的瞬間動作方式，最終得以保證設備的安全。本臺循環流化床鍋爐的DCS控制系統設計了多套順控及聯鎖控制回路，包括引風機、一次風機、二次風機、高壓風機、石灰石風機、給煤機、循環水泵、冷渣器以及水系統的電動門和蒸汽系統的電動門及安全門。

4.4 爐膛安全監控系統(FSSS)

采用ABB 800xA系統實現的爐膛安全監控系統的主要功能是在鍋爐啟動、停止該正常運行等各種方式下，連續監視燃燒系統的各種參數與狀態，根據順序邏輯程序和安全聯鎖條件控制各種聯鎖裝置和燃燒系統中的相關設備，完成必要的設備操作或事故處理，防止爆炸性的燃料和空氣混合物在鍋爐的任何部位積聚，避免鍋爐爆炸等未遂事故的發生，保障鍋爐的運行安全。

FSSS系統的主要功能包括爐膛吹掃、MFT、風道燃燒器和啟動燃燒器啟停、給煤機啟停等。

在鍋爐每次冷態啟動或當總給料跳閘（床溫低于600℃且無任何燃燒器在運行），必須對爐膛進行通風吹掃。所有吹掃允許條件都在CRT畫面上有自己的狀態顯示，當所有條件都滿足時，“吹掃準備”燈亮，此時運行人員可按“啟動吹掃”按鈕，開始通風吹掃。

如果在啟動吹掃后的規定時間內，上述條件繼續保持滿足，則到達規定時間后系統將自動發出“吹掃完成”信號，“吹掃完成”燈亮，自動復位軟邏輯主燃料跳閘存貯器，或由運行人員案FSSS軟操盤上的MFT RESET鍵，即可復位“手動跳爐”或DCS兩路電源均喪失引起的硬邏輯MFT。MFT信號復位后，鍋爐進入準備點火階段。

如果在規定時間內任一條件喪失，則發出“吹掃中斷”信號，這時必須等待所有條件重新滿足后，再從頭進行一次完整的吹掃過程。

MFT是FSSS中安全措施的最高形式。當出現任何危及鍋爐安全運行的情況時，將發出MFT動作指令，快速切斷所有進入爐膛的燃料和物料，并將MFT信號送至其它系統。其中，第一個直接引起MFT的信號就是首出跳閘原因。首出跳閘原因將記憶并在CRT上顯示，直到啟動前吹掃開始后或者吹掃結束時才清除。

5 結語

本項目從合同生效至調試完畢，歷時6個月順利完成。基于Industrial IT控制平臺的800xA系統完全滿足對循環硫化床的工藝要求和現代化管理的要求。220t/h循環流化床鍋爐在印度尼西亞金光集團江碧紙業LPPPI 投入使用后，解決了該廠之前的汽電不平衡問題，滿足了生產和生活的用電用汽問題，減低了工人的勞動強度，節約了能源，效果顯著。