基于PCS7的余熱鍋爐熱力控制系統

卜守國，王延鵬，彭 湃，陳云霞

塔里木油田塔西南勘探開發公司，新疆澤普 844804

1 背景簡介

隨著能源供求的日趨緊張，節能減排、提高能源利用率成為了我國的基本國策，天然氣發電機組帶余熱鍋爐的熱電聯供模式在國內應用越來越廣。此模式不僅可以提高能源的利用效率，而且減少了大氣環境污染，具有節約能源、改善環境、提高供熱質量等綜合效益

塔西南燃機電站地處南疆，，承擔著為塔西南石油基地提供生產和生活用電及蒸汽的任務。電站原有3臺美國Solar公司Titan130燃氣輪機，總裝機容量40.5MW，配套的有3臺單壓余熱鍋爐，為周圍工廠提供60噸/小時的1.6MPa蒸汽。為適應化工發展的電力和熱力需要，電站擴建了4臺Solar公司Titan130燃氣輪機及配套雙壓余熱鍋爐，同時加裝一臺快裝鍋爐及一套軟化水系統，建成后總裝機容量達到94.5MW，蒸汽產量130噸/小時，其中4.6MPa蒸汽40噸/小時，1.6MPa蒸汽70噸/小時，0.35MPa蒸汽20噸/小時。以滿足基地電力、工廠蒸汽及生活供暖需要。

電站熱力系統部分控制系統采用西門子PCS7來完成生產過程的補燃控制、PID控制、 數據運算、邏輯控制等。本文從測控項目、 硬件配置、 編程組態、 監控界面設計等方面介紹如何實現余熱鍋爐熱力系統控制。項目投產已來，整個系統運行平穩，創造了巨大的經濟和社會效益。

2 系統簡要工藝介紹及控制項目

燃機電站以天然氣為燃料，進行電力及蒸汽生產。天然氣和空氣在燃機中燃燒，推動透平旋轉帶動發電機產生電能，燃燒后的尾氣排入鍋爐加熱水產生過熱蒸汽，供給周圍工廠加熱原料或驅動蒸汽透平。雙壓余熱鍋爐具體流程為：除鹽水通過除氧器后，被給水泵打至給水管線，經過省煤器初步加熱后進入汽包，汽包中的水向下流入蒸發器加熱成飽和蒸汽返回汽包，飽和蒸汽從汽包頂部依次進入前置過熱器、補燃器后的過熱器加熱成過熱蒸汽，供給用戶。當尾氣熱量不足時，開啟補燃，用低壓天然氣燃燒，產生熱量，確保蒸汽溫度和壓力。在中壓蒸汽系統后還有低壓蒸汽系統，沒有過熱部分，其他流程同中壓部分，產生飽和蒸汽供給除氧器為除鹽水除氧。低壓蒸汽系統后為熱水器，為整個基地工廠及生活區供暖。整個鍋爐采用能源階梯利用的方式，實現了能源的最大利用，熱效率接近90%，比起燃機33.5%的效率大大提高。

同時，電站整個熱力系統較為復雜，分為4.6MPa、1.6 MPa中壓蒸汽，0.35 MPa低壓蒸汽、采暖熱水四個部分，當低熱量部分滿足不了要求時，需要對高一級蒸汽進行減溫減壓或換熱，滿足系統要求。這個四部分要求整體經濟運行，因此控制邏輯比較復雜。與余熱鍋爐配套的快裝鍋爐和軟化水系統為均采用S7300及觸摸屏就地控制，也要將數據遠傳至余熱鍋爐控制系統。綜合上述，又通過對其工藝特點進行深入細致具體分析，余熱鍋爐熱力系統部分控制應該有以下特點：

1）為確保系統安全，DCS過程控制站的過程控制站、電源、通信網絡必須冗余；2）實現主要控制方式：高低壓汽包水位自動控制；補燃系統自動投停及調節；鍋爐三通擋板控制及連鎖； 4.6MPa、1.6 MPa中壓蒸汽，0.35 MPa低壓蒸汽三者之間達到平衡；除氧器水位控制及各種邏輯控制等；3）熱網系統與燃機、電力調度、快裝鍋爐、軟化水系統進行互連通訊。

圖1 電站熱力系統圖

3 控制系統硬件構成

本系統供有控制點數1060點，屬于中型控制系統。系統包括冗余控制器417H兩套，輸入輸出模塊140塊。工程師站、操作員站各一套。控制回路中三沖量控制回路4個，串級控制回路4個，普通單回路22個，順控程序8個，采集數據809個，顯示畫面10個，與其它系統數據通信3條通道?，F場儀表采用變送器及熱電偶、熱電阻、調節閥等通用儀表，其中4.6MPa向1.6MPa減壓采用氣動調節閥，1.6MPa向0.35MPa減壓采用機械式調節閥。接線采用硬接線。與其它系統通訊采用MODBUS協議及西門子自身DP協議通訊。

圖2 PCS7硬件圖

4 控制系統的功能實現和要點

4.1 控制系統的各種功能

過程控制功能：高低壓汽包、除氧器液位控制，過熱蒸汽溫度控制，減溫減壓器溫度控制，減溫減壓器壓力，補水壓力控制等。

順序控制功能：三通擋板控制，補燃點火控制，汽水采樣控制，緊急放空、緊急放水等連鎖保護。

通訊功能：與燃機系統通訊，與電調系統通訊，采集快裝鍋爐及軟化水數據。

4.2 主要控制功能的實現

汽包水位控制：汽包水位控制采用三沖量控制，通過給水及蒸汽流量對汽包液位進行補償，為達到穩定控制的目的，引入了壓力對液位的修正，使遠傳液位更接近真實液位。在控制低壓汽包水位過程中，發現因供水壓力過低，調節閥開度在60%～100%時，流量無明顯變化，因此將最大閥位設定在60%，減小系統波動。

過熱蒸汽控制：過熱蒸汽質量控制原設計控制量為母管壓力,調試時發現供大化蒸汽壓降較小,溫降較大,因此改為溫度控制。蒸汽溫度控制采用串級控制，燃控制控制對象為過熱蒸汽溫度，控制補燃調節閥，邏輯是：采集過熱蒸汽溫度，補燃后煙氣溫度，通過過熱蒸汽對補燃后煙氣溫度進行補償，調節補燃量。因為此鍋爐添加了前置過熱器以穩定煙氣流，所以當蒸汽溫度在430℃～440℃之間時，保持補燃量不變，引入溫度調節閥參與調解，達到穩定控制的目的。

補燃點火控制：此系統進鍋爐前共有四道關斷閥，補燃點火前對每道閥都進行閥檢，完成后先點小火，然后再用小火引燃大火。在調試過程中發現每臺鍋爐的點火情況不同，因此根據調試經驗，對點火時間做了適當的修改，提高了補燃點火的成功。

汽水采樣控制：本系統共有三套汽水采樣系統，其中4、5、6號，7、8號，9、10號爐分別共用一套，因此采樣系統應輪流對火爐取樣。通常情況下，我們開4到5臺鍋爐，對于鍋爐是否開啟，先做下判斷，如果開啟，則進行采樣，不開啟則跳過。在每次切換后，數據顯示有5分鐘間隔，提高采樣數據準確性鍋爐三通擋板控制：在鍋爐不運行情況下，擋板打至鍋爐通道，在鍋爐運行情況下，擋板打至旁通側。因鍋爐啟爐時加熱過快會導致鍋爐汽包液位大幅波動，因此采用汽包溫度控制擋板開度，并設置了手動模式。

非冗余系統與冗余系統互連：本系統配套建設一個快裝鍋爐，在余熱鍋爐事故狀態下，確保煉油催化系統提供蒸汽，另有一個軟化水系統，為采暖系統提供補水，控制系統均為S7-300就地觸摸屏控制，因為減少工作人員實現集中控制的目的，需要將其接入DCS，實現非冗余系統接入冗余系統。二者通過Y-LINK實現硬件連接，通信協議為Profibus總線，實現主站對從站的控制。

Modbus通訊：系統Modbus通訊對象一個是燃機控制站，AB的PLC5,軟件為logix5,DCS做主站，燃機控制站是從站，另一個為電力調度數據采集站，為南瑞NT2000。電調為Modbus主站，DCS為從站。

5 系統調試

5.1 整個系統的安裝組態調試步驟

硬件安裝及接線；安裝PCS76.1工程師站軟件；硬件組態及下載；程序編寫編譯下載；制作人機界面及通訊連接；系統調試仿真；與現場儀表聯調；運行中出現問題處理。

5.2 調試中故障處理

調試過程是一個非常重要的過程，在調試過程中發現了不少問題也解決了不少問題。主要有以下幾個問題：

1）有一些模擬量信號不正常，應該是4MA但實際測量信號超過了20MA溢出了，經過分析和現場的測量，發現是干擾照成的，解決方法：把不正常的模擬量信號的負級與24DCV的M級連接后信號正常；2）補燃流量偏差大。補燃流量與實際值相比較相差約3倍，經過對流量計參數檢查，發現編程時參數選擇錯誤，將參數進行了修正。

6 結論

余熱鍋爐熱網控制系統投用至今，運行平穩，從未發生故障，控制參數符合設計要求，滿足了余熱鍋爐熱網系統的控制要求。節能減排理念已經深入人心，對于石油化工行業尤為重要，二余熱鍋爐的使用是節能減排的一項重要措施，本文基于PCS7的余熱鍋爐熱網控制系統應用范圍較廣，具有很大參考價值。

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