智能控制在干熄焦余熱發電系統中的應用

姜曙光（山東省冶金設計院股份有限公司，山東 濟南 250101）

1 前言

干熄焦發電是國家重點推廣的鋼廠余熱利用項目之一，具有節能減排、改善環境、回收余熱、增加電力等顯著優點，是鋼鐵廠實現能源綜合利用，提高經濟效益、增強競爭力、實現可持續性發展的重要手段。濟鋼160t干熄焦發電工程師為濟鋼焦化廠新建8#、9# 2*60孔6m復熱式焦爐的配套工程，干熄焦余熱鍋爐蒸發量60t/h，蒸汽壓力8.2Mpa，蒸汽溫度510℃，其汽輪機采用青島捷能汽輪機廠生產的N25-8.83型中溫、中壓、抽氣凝氣式汽輪機，額定轉速3000r/min，發電機容量為25MW。

2 工藝簡介

干熄焦工藝的惰性循環氣體N2，在干熄爐內與紅熱焦炭逆流換熱，將焦炭冷卻，冷卻焦炭后的高溫氣體，經一次除塵器除塵后進入干熄焦鍋爐換熱，產生高溫、高壓蒸汽，送入汽輪機發電，所發電能并入當地電網。干熄焦發電工藝主要由干熄焦余熱鍋爐、除氧水系統、主蒸汽系統、抽氣系統、凝結水系統、冷凝器抽真空系統、循環冷卻水系統、減溫減壓水系統、供油系統、工業水系統、發電電氣系統等組成。

3 自動化控制系統

濟鋼干熄焦發電工程自動控制系統由以下幾個部分組成；（1）干熄焦PLC控制系統，其控制系統采用AB ControlLogix1756系列產品，主要完成干熄焦工藝中提升、裝入、干熄爐、鍋爐、除塵、排焦等控制功能，與發電工藝密切相關的鍋爐控制在此部分完成。（2）干熄焦發電DCS控制系統，其控制系統采用ABB AC800FR系列產品，主要完成汽機主蒸汽系統、抽氣系統、凝結水系統、冷凝器抽真空系統、循環冷卻水系統、減溫減壓水系統、供油系統等控制。（3）DEH控制系統，系統采用WOODWard 505E控制器，可以控制調氣門和抽氣門，實現負荷控制和安全控制。（4）機械保護系統，采用美國本特利公司Bently 3500，完成汽機本體振動、位移、油位、膨脹、轉速等參數的監控。

3.1 干熄焦發電DCS系統硬件組成

干熄焦發電自動化控制系統采用1套電儀合一的ABB 公司的AC800FR冗余控制器，采用PM 802F總線與5個分布式S800I/O遠程站通訊，采用工業以太網實現控制器與HM I之間的通訊。系統設置三臺功能平等的監控站，完成工藝參數顯示、控制、報警、設備操作、歷史趨勢記錄、SOE事件順序記錄及其它生產管理功能。

3.2 軟件組成

組態軟件采用上下位功能一體的Freelance800F V9.1，軟件包括兩部分 Digitool、Digivis，Digitool 提供多種語言的程序開發工具，如：梯形圖、功能塊圖、結構式文本或指令表，多種開發工具可以靈活運用，實現信號處理、順序控制、過程控制、模型運算、畫面開發、報警組態、趨勢組態、操作記錄等開發功能；Digivis提供實時參數監控、報警管理、趨勢記錄、權限設置、設備操作、參數設定、管理打印等各項功能。

4 系統主要功能

4.1 鍋爐液位控制

汽包水位是鍋爐系統一個重要的監控參數，它反映了鍋爐負荷與給水的動態平衡關系；汽包水位過高會影響汽水分離效果，產生蒸汽滯液現象，影響蒸汽質量，水位過低會破壞水循環，影響省煤器及鍋爐安全運行，及時準確的把水位控制在允許范圍之內，并能適應各種工況的運行，是保證鍋爐安全運行的重要條件。鍋爐水位不僅與進水量有關，還與輸出的蒸汽量大小有關，另外在高壓情況下鍋爐虛假液位情況嚴重，在低壓情況下影響較小，鍋爐液位控制采取以三沖量為主，其他控制為輔的智能控制。在鍋爐啟動階段，蒸汽流量小于額定流量的30%時，采用單沖量控制，隨著負荷的逐漸升高，采用三沖量的控制方案，克服虛假水位造成的控制品質下降。

4.2 鍋爐蒸汽溫度控制

鍋爐過熱蒸汽溫度調節采用噴水減溫裝置，自動調節是根據蒸汽集箱和減溫器出口蒸汽溫度自動調節減溫水調節閥開度，控制減溫水量，以保證集汽集箱中蒸汽溫度控制在要求范圍內。當集汽集箱出口蒸汽溫度降低時，汽溫自動調節系統自動減少減溫水量，隨著汽溫升高，減溫水量增加，保證集汽集箱出口蒸汽溫度穩定，反之則減少減溫水量，避免汽溫產生較大波動。控制回路采用串級調節。以蒸汽出口溫度作為主調參數，集箱出口溫度作為副調參數，提高了調節品質。

4.3 鍋爐壓力、主汽壓力控制

鍋爐壓力、主汽壓力控制采用常規單回路控制，以鍋爐或主蒸汽壓力為調節量，進行PID調節。

4.4 鍋爐連鎖保護系統

鍋爐系統的連鎖保護系統主要把控手動緊急停爐保護、汽包液位高高及低低停爐保護、汽包壓力高高停爐保護、給水流量低低、汽機故障停機等，系統根據采集到的信號和設備狀態發出連鎖保護指令，實現鍋爐連鎖保護功能。

4.5 汽機汽水系統

主要包括溫度、壓力、流量、液位測點參數監控；蒸汽溫度自動控制，蒸汽壓力自動控制，凝結水泵、真空泵、循環水泵、給水泵等互備及連鎖控制，凝汽器水位控制等功能。

4.6 汽機TSI監測系統

主要包括汽機本體壓力、溫度、轉速、振動、脹差、軸位移等重要參數的監控。信號進行可靠性處理，保證信號安全可靠。

4.7 汽機油路系統

汽機油路系統壓力、溫度、液位測點的監控；高壓交流油泵、交流潤滑油泵、直流潤滑油泵、頂軸油泵、主油泵等互備控制機與油壓的連鎖控制。

4.8 順序事件記錄SOE功能

SOE是電廠重要的運行狀態監測、記錄、事故分析工具。發電廠的生產工藝比較復雜，檢測參數眾多，當事故發生的瞬間，需要記錄很多信息，幫助我們分析事故原因，采取相應措施。但DCS只能提供秒級的歷史趨勢記錄，滿足不了發電生產的需要。而事件順序記錄系統(SOE)能以毫秒級的分辨率獲取事件信息，為熱工和電氣設備事故分析提供有力的證據。SOE記錄的參數如下：潤滑油壓低停機、軸振動大停機、軸位移大停機、膨脹差大停機、轉速大停機、凝氣器真空低停機、505緊急停機、發保柜停機、主汽門關閉等信號。

4.9 報警功能

系統提供聲光報警功能。畫面顏色報警分類清晰，一目了然。如：一般的報警顏色設置為黃色，嚴重的報警顏色設置為紅色，特別嚴重的如引起系統停機的報警顏色設置為紅色閃爍。另外系統提供的語音報警功能，操作工不必專注畫面即可根據聲音提示在第一時間獲知報警情況，使得系統運行更安全，操作更輕松。系統還具有報警記錄功能，可實現報警查詢、打印、輔助事故分析等功能。

4.10 汽機危急保護系統（ETS）

汽機危急保護功能在DCS實現，DCS系統通過硬線通訊的方式讀取Bently3500汽輪機的軸振、軸位移、脹差、汽輪機轉速等汽輪機本體參數，以及DEH系統轉速、電氣參數等，在DCS系統進行綜合處理，一旦出現異常，立刻發出停機指令，控制停機電磁閥動作，實現停機保護功能。

5 關鍵技術

5.1 冗余的基礎自動化系統設計

發電DCS系統電源、CPU、通訊模塊、通訊網絡和接口模塊均采用在線熱備的冗余方式，可實現雙控制器在線切換功能，即主控的CPU（或電源、網絡模塊）故障時，另一CPU將自動接替主控CPU的工作，可靠性高。

5.2 高可靠性的容錯信號處理技術

采用信號三取二、濾波、小信號切除、溫壓補償、智能判斷等方式保證信號的準確性。通過這些設計杜絕了由于信號誤報、干擾、單一檢測設備故障等原因造成的系統停機事故，保證了機組安全運行。

5.3 智能快捷故障診斷技術

系統在保證機組正常的連鎖控制的同時也為系統安全運行提供快速故障診斷功能。系統在SOE的基礎上，開發了界面友好的故障記錄和分析系統，保障了故障分析的科學性、快速性，有利于及時排除故障，降低事故的發生率。

6 結束語

干熄焦發電控制系統自投運以來，系統硬件安全可靠，軟件功能完善，各種連鎖控制嚴謹，過程調節平穩，保障了機組的長期安全穩定運行，經濟效益和社會效益顯著。