DCS在開工鍋爐中的應用

孫彥軍,郭 亮,辛 祎,丁劉濤

(1.寧夏寶塔石化集團設計院(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。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排污膨脹器產生的閃蒸汽Z′。除氧脫鹽水由鍋爐給水泵(qV=40 m3/h)一路經鍋爐給水調節閥進混合器,另一路進面式減溫器后回水進入混合器和第一路鍋爐給水混合后進入省煤器進行加熱到規定的溫度后進入循環硫化床鍋爐。

b)汽水系統[1]。系統由除氧給水泵,鍋爐給水泵,鍋爐給水調節閥、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],燃燒系統由干氣和空氣按一定比例在爐膛內燃燒,產生的熱量使汽包內的水汽化,產生的飽和蒸汽進入過熱器進一步加熱成為過熱蒸汽至蒸汽母管,進入減溫減壓器降低過熱蒸汽溫度直到工業上需要的蒸汽(注:鍋爐主要以燃燒干氣為主)。

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

圖1 鍋爐汽水系統流程示意

d)減溫減壓系統。減溫減壓系統是過熱蒸汽通過減溫減壓器與除氧水進行熱交換,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)聯鎖和保護系統。開工鍋爐的聯鎖和保護系統針對汽輪發電機系統,主要是對過熱蒸汽溫度、流量、壓力進行檢測,并同時檢測軸向位移、各軸承溫度,當汽機處于異常工況時,可通過聲音、屏幕報警等手段提醒操作員,對異常情況進行處理。主要包括以下內容:

1)汽機保護停機——通過磁力斷路油門將自動主汽門和調速汽門關閉。當以下參數異常時,汽機停機: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℃;汽機超速;發電機停機;用電負荷不正常;保護電源消失以及設有緊急手動停機按鈕等。

2)報警信號(電鈴報警)有:主氣門關閉;抽氣閥關閉;發電機故障;用電負荷保護;保護電源消失;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;氣輪機轉速;推力瓦溫度;發電機軸承溫度。

3)聯鎖信號(蜂鳴器提示)有:汽機室至主控室(解除按鈕、注意、增加、減少、已合閘、已斷開、停機、更改命令、電話);主控室至汽機室(解除按鈕、注意、增加、減少、已合閘、已斷開、停機、更改命令、機器危險、電話);鍋爐保護聯鎖停爐(鍋爐設緊急停爐按鈕。停爐保護包括: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)。當火焰檢測器開關閉合時,緊急關閉煤氣切斷閥。

2 DCS的配置及運行

該系統設監控操作站2個,后備手操器控制臺1個,現場控制站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絡上掛接通信接口單元(CIU)可實現DCS與PLC等數字設備的連接;通過多功能計算站(MFS)和相應的IEC 61131-3[4]組態軟件可實現與企業管理計算機網的信息交換,實現企業網絡(Intranet)環境下的實時數據采集、實時流程查看、實時趨勢瀏覽、報警記錄與查看、開關量變位記錄與查看、報表數據的存儲、歷史趨勢存儲與查看、生產過程報表生成與輸出等功能。通信網絡采用總線型或星型拓樸結構[4],曼徹斯特編碼方式,遵循開放的 TCP/IP協議和IEEE802.3標準。采用1∶1冗余的工業以太網(Ethernet),TCP/IP的傳輸協議輔以實時的網絡故障診斷,其特點是可靠性高、糾錯能力強、通信效率高。

后備手操器控制臺上,有引送風、給水泵和循環泵電流表;發電機功率和頻率表;電接點液位計(汽包液位);引送風調節手操器,一次風調節手操器,鍋爐給水調節手操器,減溫水調節手操器,混合集箱進水調節手操器,煤、氣量調節手操器,除氧器壓力液位調節手操器。

3 控制方案

開工鍋爐的控制大部分采用單回路PID常規控制,在一些關鍵點且要求高的場合,發現僅僅用單回路PID常規控制很難達到理想的控制效果。如:開工鍋爐產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量,很難滿足后續工藝要求,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。

3.1 鍋爐本體主要控制回路

主要控制回路:設置爐膛溫度、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節(單回路控制);過熱蒸汽溫度TIC(主回路)與減溫器進水流量FIC(副回路)串級調節;汽包水位LIC、過熱蒸汽出口流量FIC以及鍋爐給水流量FIC三沖量調節。

3.2 串級控制實現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節器,前一個調節器(主調節器)的輸出作為后一個調節器(副調節器)的設定,后一個調節器的輸出送往調節閥。整個系統包括主回路和副回路。其串級控制系統結構[6]如圖2所示。

圖2 過熱蒸汽出口溫度串級控制系統結構示意

用DCS串級控制模塊進行組態后模擬運行,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之間存在重大的關聯等現象,并且改善了控制過程的動態特性,提高了系統控制質量,克服了進入副回路的二次擾動,優化了系統的工作頻率,使過熱蒸汽出口溫度維持在允許的范圍內,過熱器的保護起到了良好的作用。

3.3 汽包水位控制

鍋爐汽包水位控制是安全生產和提供優質蒸汽的保證。汽包水位過高,會影響汽包內汽水分離,產生的飽和水蒸氣帶水過多,會使過熱器結垢而導致損壞,同時也會使過熱蒸汽溫度急劇下降,當該蒸汽作為汽輪機動力時就會損壞汽輪機的葉片,造成重大事故的發生;水位過低,鍋爐的蒸發量增大,水的汽化速度加快,汽包內水量迅速減少,如不及時控制,會使汽包內的水全部汽化而導致干鍋,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重,必須嚴格控制汽包水位。影響汽包水位的主要干擾有鍋爐給水量的變化、過熱蒸汽負荷量的變化以及爐膛熱負荷的變化。應用DCS實現三沖量控制系統結構示意如圖3所示。

汽包水位控制其實質是前饋-串級控制。因此,在三沖量控制系統中,其中汽包液位是被控變量,亦是串級控制系統中的主變量,是工藝的主要控制指標;給水量是串級控制系統中的副變量,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”現象,以及給水量變化的干擾,校正了工藝過程中給水調節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之間存在重大的關聯等現象,有效地做到了靜態補償,改善了控制過程給水量的變化、過熱蒸汽負荷量的變化以及爐膛熱負荷的變化所引起的動態特性。

4 結束語

該系統自2009年7月正式驗收以來,運行狀況穩定,效果良好,完全適應和滿足生產工藝的要求。整個生產過程的自動化控制率達92%以上,大大降低了操作工的勞動強度,改善了工作環境。利用DCS串級控制模塊實現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了對汽包液位的穩定控制;利用DCS很好地克服了調節死區帶來的調節滯后的弊病,改進了上鍋筒水位的判別條件。根據影響上鍋筒液位每個參數的變化趨勢做出相應地調節,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;改進了上鍋筒“假液位”現象的控制方法,既能及時地保護上鍋筒內因液位過高造成飽和水蒸氣帶水過多,使過熱器結垢而損壞,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量增大,水的汽化速度加快,汽包內水量迅速減少而導致汽包內的水全部汽化而干鍋,又能及時準確地將液位控制在額定值范圍內。

圖3 汽包水位三沖量控制系統結構示意

[1] 張 兢,羅繼杰.全國民用建筑工程技術設計措施暖通空調·動力[R].北京:中國建筑標準設計研究院,2009: 198-203.

[2] 國家石油和化學工業局.SH/T3101—2000煉油廠流程圖圖例[S].北京:中國石化出版社,2001:16-18.

[3] 國家石油和化學工業局.SH/T3092—1999石油化工分散控制系統設計規范[S].北京:中國石化出版社,2000:6.

[4] 王常力,羅 安.分布式控制系統(DCS)設計與應用實例[M].2版.北京:電子工業出版社,2010:233-277.

[5] 姚錫祿.現場總線控制技術[M].北京:高等教育出版社, 2006:56-58,155-165.

[6] 厲玉鳴.化工儀表及自動化[M].北京:化學工業出版社, 1999:185,214.

[7] 王 慧.計算機控制系統[M].2版.北京:化學工業出版社,2005:214-219.

[8] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M]. 3版.北京:化學工業出版社,2000:434-441.

[9] 李擁軍,賀莉巖,丁明濱.鍋爐汽包“虛假水位”改進方案[J].化工設備與防腐蝕,2004,(1):37-38.

[10] 閆笑冰.國產DCS在減壓深拔裝置上的應用[J].石油化工自動化,2010,46(3):32-36.