DCS在焦?fàn)t地面除塵系統(tǒng)中的應(yīng)用

郭 杰 楊會海 朱德明 王雷雷 韓順利

(河南利源燃氣有限責(zé)任公司，河南 安陽 455000)

0 引言

目前在我國焦化行業(yè)中，針對焦?fàn)t煉焦生產(chǎn)出焦時散發(fā)粉塵量大、環(huán)境污染嚴重的問題，廣泛采用干式袋式除塵系統(tǒng)來控制，并取得了一定的的經(jīng)濟效益和社會效益。

近幾年來，DCS系統(tǒng)以其強大的控制功能和較高的可靠性，在焦化、熱電、化工等行業(yè)的生產(chǎn)過程自動化控制中得到了廣泛應(yīng)用。焦化廠地面降塵系統(tǒng)在融入了DCS系統(tǒng)后，自動化程度進一步提高，操作界面簡明易懂，對崗位操作工人的業(yè)務(wù)素質(zhì)要求較低，同時也改善了工人工作和廠區(qū)周邊環(huán)境，響應(yīng)了國家能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的要求。

1 工藝流程與原理

焦?fàn)t煉焦出焦時，首先由推焦車向除塵系統(tǒng)風(fēng)機組發(fā)送除塵提速信號，風(fēng)機組在液力耦合器的控制作用下由怠速向高速運行，配風(fēng)閥隨著風(fēng)機組速度的提升而慢慢關(guān)閉，當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速達到一定程度時推焦車開始推焦。推焦過程中焦側(cè)會產(chǎn)生大量陣發(fā)性高溫?zé)焿m，這些煙塵在熱浮力和風(fēng)機產(chǎn)生的負壓吸力的作用下，經(jīng)連接管道引入蓄熱式冷卻器內(nèi)。冷卻器將高溫?zé)焿m冷卻到120℃以下，經(jīng)過灰斗導(dǎo)流裝置的粗分離后，含塵氣體被送入脈沖袋式除塵器，其經(jīng)過濾袋時即被細分離，凈化后的空氣經(jīng)由排氣筒排入大氣。出焦完畢后由推焦車提供除塵風(fēng)機組減速信號，則風(fēng)機組由高速轉(zhuǎn)入怠速運行，配風(fēng)閥會在風(fēng)機組減速過程中逐漸打開。

地面除塵工藝流程圖如圖1所示。

圖1 地面除塵工藝流程圖Fig.1 The technological process of ground dust removing process

粗分離出來的固體粉塵直接落入粉塵倉內(nèi)暫存，細粉塵則會由于截留、慣性碰撞、靜電和擴散等原因被吸附在濾袋外表面，需經(jīng)反吹、振打后落入粉塵倉。當(dāng)粉塵倉內(nèi)粉塵達到一定量時，可以打開各粉塵倉的格式閥，粉塵在振打電機的作用下落入刮板機，然后再由刮板機輸送到卸灰倉，最后微粒狀粉塵在星型卸灰系統(tǒng)內(nèi)被加濕攪拌后卸到料車運走。

2 除塵工藝聯(lián)鎖與控制要求

本系統(tǒng)是DCS控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的布袋除塵系統(tǒng)的結(jié)合，在由DCS實現(xiàn)復(fù)雜的控制中主要考慮并分析如下工藝聯(lián)鎖與控制要求。

2.1 風(fēng)機自動提速

風(fēng)機組轉(zhuǎn)速由液力耦合器的勺管執(zhí)行器調(diào)整控制，勺管執(zhí)行器接收來自DCS SM511模塊輸出的4～20 mA控制信號。4 mA時對應(yīng)為低速，此時勺管執(zhí)行器開度為15%、液力耦合器輸出轉(zhuǎn)速為260 r/min;20 mA時對應(yīng)為高速，勺管執(zhí)行器開度為55%、液力耦合器輸出轉(zhuǎn)速為900 r/min。勺管執(zhí)行器同時又將開度實時反饋給DCS系統(tǒng)SM481模塊。推焦車摘下機側(cè)爐門后風(fēng)機組開始提速，30 s內(nèi)速度上升到額定轉(zhuǎn)速開始高速運行，推焦桿后退時即可降速，稍后恢復(fù)到低速運行，其實際高速運行時間僅為60 s左右。采用液力耦合器調(diào)速的風(fēng)機系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。

2.2 自動反吹清灰

除塵布袋上的積灰厚度與設(shè)備運行時除塵濾袋前、后的壓力差ΔP成正比。ΔP表明了除塵風(fēng)機組的阻力，決定著整個系統(tǒng)的吸力，也直接影響到系統(tǒng)的工作狀況和除塵效果，所以一般用ΔP來確定濾袋反吹清灰時機。根據(jù)試驗運行，ΔP一般在1 400～1 800 Pa，所以設(shè)定1 800 Pa為反吸清灰壓力值。當(dāng)壓力達到該值且能保持一定時間(10 s)時，反吹系統(tǒng)會自動運行，以保證除塵系統(tǒng)的正常運行和代謝。該系統(tǒng)既可在線啟用反吹，也可利用檢修時間或交接班時間采用離線反吹，使用靈活。

2.3 空壓器聯(lián)鎖

反吹清灰和氣動閥門用氣由空氣壓縮站提供，系統(tǒng)工作壓力為0.3～0.6 MPa，耗量為 6 m3/min。若系統(tǒng)壓力太低，會使除塵反吹清灰效果大打折扣;壓力太高又會減少濾袋的使用壽命甚至損壞濾袋，所以系統(tǒng)壓力必須與空氣壓縮機啟、停建立聯(lián)鎖。當(dāng)壓力低于0.3 MPa時，空氣壓縮機自動啟動補充氣量;回升到0.6 MPa時，則自動停止。

2.4 閥門開度調(diào)節(jié)

除塵系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)機組的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)配風(fēng)閥和通風(fēng)機組入口電動翻板的開度。配風(fēng)閥和電動翻板都是4～20 mA模擬量信號接口，方便與DCS系統(tǒng)的AI和AO模塊連接。當(dāng)風(fēng)機低速運行時，配風(fēng)閥全開，電動翻板關(guān)至20%;當(dāng)風(fēng)機高速運行時，配風(fēng)閥關(guān)閉，電動翻板開至60%。

2.5 風(fēng)機組聯(lián)鎖

根據(jù)液力耦合器進出油溫度、壓力、主電機三相繞組溫度，與風(fēng)機主電機建立聯(lián)鎖。當(dāng)耦合器進出油溫度和主電機三相繞組溫度超過一定數(shù)值或液力耦合器出油口工作壓力低于0.03 MPa時，系統(tǒng)給出提示并報警;若溫度繼續(xù)上升且達到緊急停車溫度或壓力下降達到緊急停車壓力時，則DCS向主電機發(fā)送緊急停車指令，迫使系統(tǒng)停車，以起到保護作用。

2.6 入口煙塵溫度監(jiān)視

除塵器布袋是纖維織物，不耐高溫，如果入口煙塵溫度過高，會加速布袋的老化，甚至直接燒毀布袋，它直接影響到布袋的使用壽命。因此，一般要實時監(jiān)視和記錄進入口布袋前的煙塵溫度，并在溫度超過報警溫度時能提示并報警。一般將報警溫度設(shè)定為120℃。

3 DCS系統(tǒng)實現(xiàn)方案

3.1 MACS 系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)采用和利時公司開發(fā)的第四代DCS系統(tǒng)——Hollias_MACS。MACS系統(tǒng)是由以太網(wǎng)和使用現(xiàn)場總線技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)連接的各工程師站、操作員站、現(xiàn)場控制站、通信控制站、數(shù)據(jù)服務(wù)器組成的綜合自動化控制系統(tǒng)，以完成對現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的分散控制和集中管理操作。

3.2 硬件配置

除塵DCS系統(tǒng)硬件主要由2臺工程師站工控機、1臺現(xiàn)場操作員站工控機、1套現(xiàn)場控制站(包括由主控機籠、I/O機籠、端子模塊、電源模塊、主控模塊、現(xiàn)場總線及以光電收發(fā)器為主的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備組成的SM系列硬件系統(tǒng))組成。現(xiàn)場控制站定義為10#站，整套系統(tǒng)處理的現(xiàn)場信號點和使用模塊統(tǒng)計如表1所示。

根據(jù)以上硬件配置，在工程師站工控機上使用MACSV5.0進行設(shè)備組態(tài)，并根據(jù)以上I/O測點進行數(shù)據(jù)庫組態(tài)和服務(wù)器算法組態(tài);根據(jù)工藝聯(lián)鎖與控制要求完成控制算法組態(tài)，最后生成控制算法源代碼并下載到現(xiàn)場控制站。

表1 I/O模塊配置表Tab.1 Configuration of I/O module

3.3 軟件配置

現(xiàn)場操作室工控機定義為OPS52，可安裝操作員運行軟件MACSV-OPS，可以完成用戶對人機交互界面的監(jiān)控，包括流程圖、趨勢、參數(shù)列表、報警、日志的顯示和控制調(diào)節(jié)以及參數(shù)整定等操作功能。

集控室工控機定義為OPS50和OPS51，可安裝工程師離線組態(tài)軟件MACSV-ENG、操作員運行軟件MACSV-OPS和服務(wù)器運行軟件MACSV-Server。它不僅可以完成操作員的所有功能，又還可完成用戶對測點、控制方案、人機界面的組態(tài)、相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置和現(xiàn)場控制站下裝與調(diào)試，以及服務(wù)器、操作員站的下裝(工程師站)，還可以完成用戶對系統(tǒng)實時、歷史數(shù)據(jù)的集中管理和監(jiān)視，并為各站的數(shù)據(jù)請求提供服務(wù)(服務(wù)器)。集控室兩臺工控制機作為服務(wù)器互為冗余結(jié)構(gòu)，使用一臺備用一臺，當(dāng)其中一臺出現(xiàn)問題后，另外一臺可以自動無縫切換運行。

現(xiàn)場控制站主控制單元內(nèi)運行控制算法軟件，用以完成數(shù)據(jù)采集與輸出、工程單位轉(zhuǎn)換以及控制運算，并通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與工程師站和操作員站進行通信，完成數(shù)據(jù)交換。

現(xiàn)場控制站配置有兩塊互為冗余的主控制單元，主控制單元上有硬件冗余切換電路和故障自檢電路，一旦工作中的主控單元發(fā)生故障，另一個主控單元自動進入工作狀態(tài)，可實現(xiàn)熱插拔和不間斷切換。

3.4 網(wǎng)絡(luò)配置

Hollias_MACS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)由上到下分為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)(即 MNET)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(即 SNET)和控制網(wǎng)絡(luò)(即CNET)3個層次。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)雙網(wǎng)冗余配置，可實現(xiàn)工程師站、操作員站與系統(tǒng)服務(wù)器的互連。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)現(xiàn)場控制站與系統(tǒng)服務(wù)器的互連，雙網(wǎng)冗余配置。控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場控制站與過程I/O模塊和主控單元的連接與通信，采用Profibus-DP現(xiàn)場總線技術(shù)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)完成相對獨立的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制功能，以有效隔離工業(yè)自動化系統(tǒng)和IT系統(tǒng)。

3.5 工程組態(tài)實施過程

將控制器算法下裝到控制器后，就可以制作報表并定時打印。根據(jù)工藝流程圖制作圖形組態(tài)，完成后通過工程師下裝軟件下裝到操作員電腦上，以監(jiān)控系統(tǒng)運行。

4 地面除塵系統(tǒng)運行狀況

某焦化廠地面除塵DCS生產(chǎn)過程自動化控制系統(tǒng)自2010年5月正式投入運行至今，經(jīng)過一段時間的運行和考驗，其運行狀況現(xiàn)總結(jié)如下。

①液力耦合器由怠速向高速提升時，由于提速太快造成主電機過電流跳閘。經(jīng)反復(fù)調(diào)試，得到如下規(guī)律:使液力耦合器提速時速度與高壓電機運行電流呈一定的線性關(guān)系，盡量使速度平穩(wěn)地提升或下降，以避免電流跳閘現(xiàn)象的發(fā)生。

②由于其他原因該DCS系統(tǒng)的上級電源出現(xiàn)過幾起停電事故，因此，為了避免系統(tǒng)因停電影響生產(chǎn)，保證供電的連續(xù)性，我們在中控室、除塵操作室和現(xiàn)場控制站都投用了UPS電源系統(tǒng)。

③使用了DCS的地面除塵系統(tǒng)的工控機、服務(wù)器、通信網(wǎng)絡(luò)、控制單元等均采用雙機主備冗余技術(shù)，且又有UPS電源保障供電，大大提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

5 結(jié)束語

融入了和利時DCS的地面除塵系統(tǒng)保證了與焦?fàn)t生產(chǎn)系統(tǒng)的配套運行，大幅改善了廠區(qū)生產(chǎn)環(huán)境，且系統(tǒng)免維護。和利時DCS控制系統(tǒng)在焦化廠地面除塵系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用。

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