DCS控制系統在燒結帶冷余熱發電中的應用及問題研究

鄭學奇（中冶華天南京電氣工程技術有限公司，江蘇南京，210019）

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DCS控制系統在燒結帶冷余熱發電中的應用及問題研究

鄭學奇
（中冶華天南京電氣工程技術有限公司，江蘇南京，210019）

摘 要：本文介紹了安徽某鋼鐵廠燒結帶冷機余熱發電DCS控制系統的配置和功能特點，分析了十年來的該發電機組的運行情況，對影響發電機組安全運行的隱患及故障進行了研究，給出了具體解決措施，為其他類似發電機組的設計和運行維護提供參考。

關鍵詞：集散控制系統（DCS）；燒結；余熱發電

引言

近年來，隨著我國大力推廣節能減排以及鋼鐵企業自身降本增效的需要，各地鋼鐵企業越來越重視燒結工序余熱廢氣的再利用，紛紛在原有燒結帶冷機上進行技術改造新增余熱發電機組，或者在新建燒結項目中設計建設余熱發電機組。自2004年馬鋼引進國內第一套燒結余熱發電機組以來，到2013年底我國鋼鐵企業已建設燒結余熱發電機組138套［1，2］。燒結帶冷機通過發電進行余熱回收利用，不僅大大降低了燒結工序的能耗，也可以產生良好的社會效益和環境效益。但從目前國內余熱發電機組的運行情況來看，大多數機組的作業率和發電量并未達到設計指標。這其中因素很多，主要包括燒結熱源連續性差、帶冷機煙罩漏風率過高等，也包括對燒結工序產生的熱源熱值計算偏差導致發電機選型不當等因素。

1 工藝流程

本余熱發電系統采用閃蒸余熱發電技術，熱源來自2臺300m2燒結機，利用余熱發電系統的引風機，將每臺帶冷機產生的平均溫度為380℃的中低溫廢氣通過0#、1#、2#煙囪送至余熱鍋爐（省煤器、蒸發器、過熱器），廢氣再通過引風機排入大氣或者由循環風機再次進入帶冷機以循環利用。2臺余熱鍋爐產生的壓力約為1.95MPa的過熱蒸汽和閃蒸器產生的飽和蒸汽聯合推動一臺額定功率為17.5MW的汽輪發電機發電。蒸汽由冷凝器冷卻成水后經過冷凝水泵和鍋爐給水泵再次進入鍋爐。余熱鍋爐系統純水損耗由補水系統進行補充。整個余熱發電系統分為煙氣系統、余熱鍋爐系統、汽輪機發電系統、補水系統以及冷卻水系統等，工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程圖

2 控制系統的軟硬件設計

本發電系統關鍵技術設備由國外引進，其中鍋爐、閃蒸器、汽輪機、發電機及周邊設備、關鍵調節閥均由外方提供。冷卻水、純水等公共輔助系統則由中方自行設計建設。在整個余熱發電系統中，汽輪機控制系統使用橫河FA-M3系列 PLC，煙氣系統、余熱鍋爐系統、汽輪機周邊設備以及冷卻水系統則由1套ABB AC800F DCS集散控制系統進行控制。補水系統使用1套西門子S7-300 PLC控制系統［3］。因補水系統及汽輪機控制系統相對獨立，在此將不作介紹，本文將主要介紹ABB AC800F集散控制系統。

2.1 硬件結構設計

本發電系統采用的AC800F DCS控制系統是ABB公司主推的一款集DCS、PLC優勢于一體的集散控制系統，具備良好的模擬量數據處理能力，同時軟硬件結構簡單實用，可支持ProfiBus DP、CAN、FF、ModBus等多種總線協議，也支持連接FF、PA、Hart、ProfiBus等總線型儀表。AC800F控制系統在國內發電廠特別是在火電廠有著廣泛應用。本DCS控制系統按照生產流程共設4個子系統（1#鍋爐、2#鍋爐、汽機系統和公共輔助系統）。4個子系統結構相同，過程站配置PM802F CPU模塊、EI803F以太網模塊、FI830F ProfiBus通訊模塊，過程站模塊均采用冗余配置；遠程S800 I/O站采用CI830 FieldBus通訊模塊。SD802F電源模塊為過程站和遠程S800 I/O站提供24V直流電源，SD802F同樣采用雙路冗余配置。遠程S800 I/O站與過程站之間的通訊采用Profibus-DP總線；同一子系統的過程站設備和I/O模塊裝設于1面DCS控制柜中，4個子系統的控制柜全部布置于中控室內。此外，中控室內配置2臺操作員站、1臺工程師站和1臺報表站。報表站除提供報表打印功能外，同時具備公共OPC接口功能，可為外部可通過報表站計算機讀取DCS控制系統內各過程站內所有變量的實時數據。整個DCS控制系統的各子系統之間以及與上位機之間的網絡通訊采用TCP/IP協議的星型10/100M工業以太網。

2.2 軟件配置

在工程師站中，基于Windows XP操作系統，使用Control Builder F 7.2版本編程軟件（以下簡稱CBF），集CBF編程軟件集硬件組態、過程站編程調試、操作員站組態、HMI畫面編輯、模擬器、系統診斷等于一體。CBF軟件安裝簡單方便，不需要安裝操作系統其他組件及任何第三方軟件，可以在數分鐘內完成所有編程調試軟件的安裝。CBF支持FBD，IL，LD，SFC和ST等多種編程語言，支持離線編程和在線修改控制器內程序參數。本工程采用FBD編程語言，可以使用軟件提供的大量FBD功能塊，用戶也可以根據自己的要求自定義專用功能塊。使用FBD編程語言不僅可以進行復雜靈活的各種模擬量回路編程，而且可以使得HMI畫面編輯更加簡單，設備顯示控制也更加直觀。

在操作員站中，運行環境為Windows XP操作系統，安裝AC800F DigiVIS7.2版監視軟件。 DigiVIS包含畫面顯示、數據監視、控制操作、趨勢歸檔、系統報警、趨勢顯示、硬件診斷顯示等功能。同時DigiVIS具備OPC接口功能，通過以太網可實時傳輸畫面內的所有數據至opc數據采集端，本工程利用此功能在LOG站上安裝報表軟件，定時采集操作員站DigiVIS內的所需要的生產數據，生成并打印excel生產報表文件。

3 運行問題分析

本DCS集散控制系統2005年投產運行后，總體上運行良好，未發生重大因DCS系統故障導致的安全生產事故，但在運行過程中，由于多種原因仍然遇到了許多問題［4，5］。

（1）因燒結帶冷機煙罩密封性能不理想，漏風率較高，進入鍋爐的煙氣中混合了大量的外部低溫空氣，此外由于場地空間不足，2#鍋爐只能安裝在距離2#燒結帶冷機較遠的地方，導致2#帶冷機廢氣至2#鍋爐溫度下降嚴重。同樣由于1#鍋爐至汽輪機房距離超過200米，導致過熱蒸汽溫度在輸送過程中溫度下降也相當嚴重，在1#鍋爐過熱蒸汽到達與2#鍋爐過熱蒸汽的匯合處時溫度經常已經下降至300℃。而300℃為發電機解列的條件。由于2臺鍋爐所生產的過熱蒸汽溫度都較低，當其中一臺燒結機廢氣溫度出現較大下降或者短暫停機，都直接影響到發電機的穩定運行甚至導致解列。發電機頻繁解列不僅嚴重影響發電量，也給汽輪機、發電機設備使用壽命造成影響。如果余熱發電系統能夠及時掌握2臺燒結機的生產狀況，并通過對2臺鍋爐的廢氣進氣進行調節，將可以有效避免發電機因燒結生產的不穩定導致的頻繁解列。但由于當初設計時并未將2臺燒結機PLC控制系統內的相關信號，例如燒結配混燒結礦下料量、帶冷機煙罩溫度等，送至余熱發電DCS控制系統，后經改造，余熱發電系統操作人員在操作員站畫面可直接實時查看2臺燒結機的生產動態，并根據燒結機生產狀況實時調整余熱鍋爐的生產策略，避免發電機的過多解列，也使得發電量有了較大提高。

（2）根據風險分散和工藝區域劃分的原則，DCS控制系統分為4組冗余控制器。同時電站內關鍵設備采用一用一備或二用一備模式，例如冷卻水循環泵為二用一備模式，冷凝器真空泵、鍋爐給水泵采用一用一備模式。但是在原先的控制系統設計時，這些主備用設備卻布置在同一子系統中由同一控制器進行控制。在實際運行中，雖然DCS系統過程站采用冗余配置，但偶爾由CPU模塊或以太網模塊故障引起的過程站冗余切換并未做到無擾動切換，或者遠程I/O站DP總線故障，直接導致主用設備停機后備用設備無法自動投用，嚴重威脅到發電機組的安全運行。特別是隨著DCS控制系統運行年限的增加，此類故障也逐年增多。為解決此問題，將此類主用設備和備用設備的I/O點分別布置在不同控制器下的I/O站內，同時修改項目文件中相應的設備控制程序。備用設備所在控制器3秒內未接收到主用設備的運行信號，將自動啟動備用設備。經過控制系統改造，不僅增加了控制系統的可靠性，也切實降低了電站設備電氣控制上存在的安全隱患。

（3）DCS控制系統I/O模塊I/O點的供電電源采用冗余配置的24VDC直流電源，24V直流電源經4只微型斷路器分別送至DCS控制柜AI、DI、AO、DO信號出線端子排，由端子排送至現場設備I/O接點，經I/O接點再返回至S800 I/ O模塊。而發電系統的許多電氣設備安裝位置位于高溫區域；所在位置燒結礦含鐵粉塵較多；電氣設備設計選型時選擇的防護等級不高；工程建設階段施工過程不規范。諸多原因導致DCS系統的24V直流電源直接暴露于環境惡劣的設備現場。系統投運后，特別是在雨季，不時出現外部I/O信號接地等故障，直接導致直流電源微型斷路器分斷，DCS I/O模塊失電，進而鍋爐被迫甩爐、甚至發電機解列。為解決此問題，在控制室增設中間繼電器柜，在中間繼電器柜內安裝交流220V中間繼電器和直流24V隔離配電器，將設備現場環境惡劣的I/O信號全部送至中間繼電器和隔離配電器的輸入端，中間繼電器和隔離配電器的輸出信號再送至DCS的I/ O模塊，這樣就將外部信號與DCS模塊完全分隔開來。這種方式不僅使得問題得以解決，而且投入資金較少，同時也為后期設備維護帶來了很多便利。

4 結束語

該鋼鐵廠燒結帶冷機余熱發電系統投產后，在十余年的生產運行中產生了巨大的經濟效益、環境效益和社會效益。該發電系統年均發電量約7000萬kW·h，年發電收入2000余萬元，目前早已收回全部投資，并仍將持續不斷地為燒結工序的節能降耗做出貢獻。而DCS控制系統的穩定運行，也有力地保障了余熱發電系統的安全平穩運行。

參考文獻

［1］ 汪保平等，馬鋼300m2燒結機帶冷煙氣余熱發電工程［J］.燒結球團，2007，31（2）：8-12.

［2］ 賈勇等，濟鋼燒結余熱發電生產現狀［J］.山東冶金，2010，32（5）：47-49.

［3］ 劉一福，火電廠DCS應用技術問題探討［J］.自動化儀表，2005，26（5）：57-59.

［4］ 李寶東等，燒結余熱發電現狀及存在問題的分析［J］.冶金能源，2012，31（3）：49-52.

［5］ 魏巍等，營口600mm2燒結余熱發電項目熱控部分設計探討［J］.礦業工程，2015，13（5）：52-53.

Study on application and problem of Distributed Control System in Sintering Cooler WasteHeat Generation

Xueqi Zheng
（NanJing Electrical Engineering & Technology Co.， Ltd.，HTC，MCC， NanJing JiangSu， 210019， China）

Abstract：This paper introduced the configuration and characteristics of Distributed Control System of sintering cooler wasteheat generation in a Anhui Iron & Steel plant.According to the generating system's running conditions in ten years，analyzedhidden troubles and faults which affect the safe operation of generating system， and gave some concrete solutions.These solutions can provide reference for othersimilar design and maintenance of generating system.

Key words：Distributed Control System（DCS）； Sinter； Waste Heat Generation

中圖分類號：TP273+.5

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8412 （2016） 02-262-04

DOI：工業技術創新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.037

作者簡介：

鄭學奇（1981-），男，工程師，從事冶金自動化管理工作。

E-mail： zhengxueqi1981@163.com