甘蔗糖廠熱電站DCS系統的開發與應用

秦會敏，葉權圣，秦健南*，李 強，陳建斌，黃 爽

(1廣東省科學院生物工程研究所，廣東廣州510316；2廣東省綠色制糖工程技術研究中心，廣東廣州510316)

0 前言

食糖是關系國計民生的重要戰略物資，2019年中央一號文件明令：“在提質增效基礎上，鞏固糖料的生產能力”。目前，制糖工藝主要有2種：一是以甘蔗或甜菜為原料，通過壓榨提汁、澄清、蒸發、煮糖結晶、分蜜、干燥等工藝直接生產耕地白砂糖，主要分布在廣西、云南、新疆、內蒙古等地區；二是以原糖為原料，通過回溶、飽充、蒸發、再次結晶等工藝生產精煉糖，主要分布在沿海地區[1-2]。

生產耕地白砂糖的絕大多數甘蔗制糖企業會配置熱電站[2-3]。壓榨工藝產生的蔗渣提供給鍋爐燃燒，鍋爐出來的蒸汽進入汽輪機發電，從汽輪機排出的蒸汽(又稱乏汽或者背壓汽)供給制糖工藝中的澄清、蒸發工段加熱。糖廠根據電價和原材料價格等多方面因素綜合考慮，并進行經濟對比，如考慮是否加大發電量進行并網外賣，實現熱電聯產。本研究開發了甘蔗糖廠自備熱電站DCS系統結構，介紹了其系統功能和應用效果，結果表明該系統保證了熱電站的穩定運行[3-4]。

1 系統組成

DCS集散控制系統，對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制，由工程師站、操作員站、控制站、網絡系統、現場儀表等組成。DCS在工業生產過程中具有廣泛應用，具有可靠性、安全性、經濟性等特點。

1.1 工程師站/操作員站

工程師站/操作員站主要由計算機及組態軟件構成，采用標準的TCP/IP通訊協議，通過以太網采集各控制器的數據，進行集中監視和控制，用于完成現場數據的采集和存儲、工藝流程畫面顯示、生產過程監控、操作接口、專家控制系統接口、數據管理、數據庫接口和查詢、生產報表的生成。支持ODBC、OPC、DDE、API等協議，監控站配置相應的軟件選項，還可實現遠程瀏覽數據和畫面的功能。

1.2 控制站

控制站采用瑞士思博 SaiaPCD2.M系列先進的控制器，由操作系統，控制器CPU，接口模塊，網絡卡和軟件工具組成，具有很強的擴展能力，支持遠程擴展，存儲器空間大，響應時間短，網絡集成能力靈活，保證了整個系統運行的穩定性及安全性。

1.3 網絡系統

控制站與上層工程師站/操作員站的通訊方式采用標準的工業以太網(Industrial Ethernet)進行即時通訊，通訊速率為100 Mbps，支持在DCS之間及DCS和上位機之間的自動數據鏈接，能夠通過數據共享功能實現節點之間高速、大容量的數據交換。控制站下層遠程擴展 I/O的通訊方式則采用現場總線(PROFIBUS)的形式，最高通訊速率為12 Mbps。

1.4 現場檢測和控制儀表

現場檢測儀表主要有檢測溫度信號的熱電阻、熱電偶，檢測壓力信號的壓力變送器，檢測流量信號的電磁流量計、德爾塔巴流量計、孔板流量計，檢測液位信號的液位變送器，檢測電流信號的電流變送器，現場控制儀表主要有電動調節閥、變頻器。

本系統應用于云南英茂糖業集團弄璋糖廠，榨蔗量為7500 t/d，熱電站為2臺75 t蔗渣鍋爐、2臺6000 kW·h汽輪發電機組。系統配置1臺工程師站和5臺操作員站，上位機使用西門子WINCC進行監控組態；控制站分別分為1#鍋爐控制站、2#鍋爐控制站、1#汽機控制站、2#汽機控制站、化水間控制站，每個控制站按 1:1硬冗余配置主控制器和備用控制器，工程師站/操作員站與控制器采用工業以太網進行通訊，控制器和擴展模塊采用現場總線(PROFIBUS)的形式進行通訊?？刂葡到y結構圖如圖1所示。

2 系統功能

圖1 控制系統結構圖

2.1 數據采集與處理系統(DAS)

數據采集與處理系統是信息中心，完成數據的采集、處理，進行顯示、記錄、報警、歷史存儲、事故追憶、計算、操作指導等功能[5]。

2.1.1 數據采集和顯示功能

實時采集并顯示1#鍋爐、2#鍋爐、1#汽機、2#汽機、化水間生產過程數據集中顯示在相應的工藝流程主界面。控制系統I/O點數量統計表如表1所示，工藝流程主界面如圖2～圖5所示。

2.1.2 報警功能

當鍋爐、汽機、化水間生產過程的關鍵數據超出設定上下限時發出報警，可以通過文字形式和顏色變化提醒操作人員及時處理，以防止意外發生，重要數據參數發出聲光報警。

2.1.3 制表記錄功能

包括報警記錄、事故記錄、操作員登錄記錄等。

表1 控制系統I/O點數量統計表

圖2 1#鍋爐控制主界面

圖3 2#鍋爐控制主界面

圖4 1#汽機控制主界面

圖5 2#汽機控制主界面

圖6 化水間控制主界面

2.1.4 歷史數據存儲和檢索功能

包括曲線存儲和表格存儲及歷史數據檢索功能。

2.2 模擬量控制系統(MCS)

模擬量控制系統實現了鍋爐汽機協調控制及主要控制回路的自動控制[6-7]。

2.2.1 鍋爐燃燒控制和喂料控制

蔗渣爐的燃燒過程是一個具有強干擾的非線性、多變量過程，可以分為蒸汽壓力、煙氣含氧量和爐膛負壓3個控制回路。通過控制蔗渣喂料器變頻調速調節入料量，同時根據蒸汽流量作為前饋信號，調節主蒸汽壓力恒定，通過控制鼓風機、二次風機、送風機、引風機變頻器控制爐膛負壓和煙氣含氧量。維持含氧量小于6%的理想范圍，以保證鍋爐經濟燃燒，維持爐膛在負壓范圍之內保證鍋爐安全運行。

2.2.2 主蒸汽溫度自動控制

主蒸汽溫度采用PID串級控制，減溫器前蒸汽溫度信號作為前導信號，主蒸汽流量信號和減溫器后的蒸汽溫度信號作為二級控制信號，控制減溫水電動調節閥。每路輸入信號設有故障自診斷功能，其中一路出現故障，系統立即自動轉換為單級調節并發出聲光報警，確保蒸汽溫度不越限。

2.2.3 汽包水位自動控制

汽包水位采用三沖量串級控制，通過汽包水位、主蒸汽流量、給水流量、減溫水流量等參數共同參與控制給水調節閥。汽包水位是鍋爐機組運行中最重要參數，如果水位過高，嚴重時會產生蒸汽帶水，從而導致汽輪機葉上結垢，或發生水沖擊機葉造成損壞汽輪機；如果水位過低會破壞水循環，導致水冷壁管道破裂。鍋爐水位始終保持設定值，從而保證生產安全[8]。

2.2.4 給水恒壓控制

給水恒壓采用PID控制，通過調節入爐水泵變頻器頻率，以保證鍋爐給水實現恒壓供水。

2.2.5 除氧器水位控制

除氧器水位采用PID控制，通過調節除氧器進水電動調節閥開度，以控制進水量，保證除氧器水位的穩定。

2.2.6 汽輪機轉速控制功能

汽輪機是青島捷能汽輪機集團股份有限公司的B6型背壓式汽輪機，汽輪機廠家配置了T80電液調速控制器控制汽輪機轉速和電氣并網，本系統具有連鎖保護功能[9]。

2.3 輔機順序控制系統(SCS)

輔機順序控制系統，指按照規定的時間或邏輯的順序，對某一工藝系統或主要輔機的多個終端控制元件進行一系列操作的控制系統。

2.3.1 鍋爐跳閘保護邏輯

送風機跳閘、所有引風機跳閘、爐溫測點中任意3個超過1050℃、爐膛壓力超低、汽包水位超高(水位值高于+200 mm且延時5 s)、汽包水位超低(水位值低于-200 mm且延時5 s)時，按下MFT（主燃料跳閘）手動按鈕。

2.3.2 順序控制及聯鎖

2.3.2.1 汽包水位的安全保護

鍋爐汽包水位低于極限值時，應停鼓風機、引風機、噴渣風機。

2.3.2.2 鼓風機、引風機、噴渣風機的聯鎖保護

啟動順序依次為引風機、鼓風機、噴渣風機。停止順序依次為：噴渣風機、鼓風機、引風機。如果鼓風機、引風機、噴渣風機中的任何一臺出現跳閘，均應聯鎖停止相應的電機。

2.4 汽機緊急跳閘系統(ETS)

汽機緊急跳閘系統是保證汽輪發電機組正常運行的必不可少的安全保護裝置。具有手動緊急停機保護，中控緊急停機發生條件主要有：潤滑油壓低于0.02 MPa停機、真空低停機、隔板差壓大停機、EH油壓低停機、汽輪機超速12%停機、汽機軸承位移震動大于162 μm停機、轉子軸向位移＞0.7 mm停機、電氣故障停機、排汽壓力高于0.77 MPa停機。

3 應用效果分析

該系統應用于云南英茂糖業集團弄璋糖廠，實現了對熱電站主要參數的采集處理和控制，具有設計合理，功能完善，工況圖直觀，操作簡單方便，運行穩定可靠等特點。

3.1 提高了鍋爐燃燒效率

系統應用后，主蒸汽壓力控制平穩，保證了鍋爐供汽的工藝要求、爐膛負壓控制在-0.3～-0.1 kPa之間，保證了鍋爐的安全運行，煙氣含氧量控制在2%～5%之間，煙氣含氧量控制曲線如圖7所示。煙氣含氧量是鍋爐運行重要監控參數之一，也是反映燃燒設備與鍋爐運行完善程度的重要依據，煙氣含氧量控制在 2%～5%既可以減少排煙熱損失，又可以降低風機耗電，提高了鍋爐的熱效率。

3.2 汽包水位控制穩定

鍋爐汽包水位控制在-20～15 mm，保證了鍋爐的安全。主蒸汽溫度控制在給定值的-10～10℃范圍內。給水壓力實現了恒壓供水，控制在給定值的-0.05～0.05 MPa范圍內。除氧器液位控制在給定值的-2%～2%范圍內。

3.3 減輕人工勞動強度和節約人工成本

由于系統計算機監控實時方便，自動控制穩定可靠，減輕了糖廠人工勞動強度。同時為每個班組減少操作人員2人，3個班組共減少操作人員6人，操作人員費用按5萬元/年計算，則每年節約人工成本費用為30萬元。

3.4 實現了并網發電

由于鍋爐的供氣壓力穩定，汽機連鎖保護可靠，2#汽輪機實現了電氣并網發電。

圖7 煙氣含氧量控制曲線

4 結語

甘蔗糖廠熱電站DCS系統生產應用結果表明：煙氣含氧量控制穩定，提高了燃燒效率；汽包水位及給水系統控制穩定，實現了安全生產；減少了操作人員，節約了人工成本。系統整體運行穩定可靠，不需要人工頻繁操作，減輕人工勞動強度。根據甘蔗糖廠現有的熱電站設備情況，配置熱電站DCS控制系統，提升熱電站自動控制水平，使原有設備煥發出新的活力，為制糖生產過程實現“自動化、智能化、數字化”的現代化智慧糖廠建設奠定了基礎，為制糖生產過程大數據分析與應用奠定了基礎[10]。