dcs控制 系统在余热发电锅炉中的应用

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·32·中固有色冶金A卷生产实践篇·设备及自动化DCS控制系统在余热发电锅炉中的应用许萍(宁夏能源铝业集团铝电公司，宁夏青铜峡751603)[摘要]分析了原余热发电锅炉仪表控制系统存在的问题，介绍了改造后的DCS控制系统的构成、功能、硬件设计、软件设计以及控制方法。投运后的DCS控制系统能够满足生产要求，其控制精确，保证了锅炉正常安全供水。【关键词]余热发电锅炉；DCS控制系统；水位控制[中图分类号]TK22；TP2[文献标识码】B[文章编号]1672—6103(2010)01—0032-04l概述势曲线、报表设置、监控管理等为一体的控制系统。宁夏青铜峡铝业股份公司新扩建的350kA电解锅炉监测仪表是司炉人员的“眼睛”，仪表系统的不完善，对锅炉的安全运行造成威胁。系列配套阳极项目有3台50m煅烧回转窑。煅烧回转窑在生产过程中产生大量的烟气(温度1200oC、2004年9月，青铜峡铝业股份公司新扩建的每台回转窑烟气量57000m3／h)，如果配置低压蒸汽350kA电解系列配套阳极项目的余热锅炉为了配锅炉，其产生的饱和蒸汽用于公司生产、生活后仍合煅烧回转窑的试车、投产，安装了单元组合性控有富余，余量排空将造成能源浪费。为此，配置了3制仪表，但这些仪表对水位、压力、温度、流量等重台QC57／1100—22-2．45—400型余热发电锅炉和3台要参数没有追踪和记忆功能，司炉工无法对运行过3000kW汽轮机，锅炉产出的过热蒸汽供给汽轮发程中存在的问题进行分析，不能对存在的隐患及时电机组用于发电，既避免了能源浪费，又解决了阳采取措施进行预防。在锅炉仪表监控系统不完善的极系统的用电问题。情况下，如果司炉人员操作不当，会造成锅炉缺水、余热锅炉系统由烟气、锅炉本体、除氧供水，加满水、超温等事故。而这些事故处理不及时或不当，药等部分组成，该系统采用简单的单元组合仪表控有可能引发锅炉爆管或爆炸，严重威胁锅炉的安全运行。制，无法记录实时数据，长时间处于手动运行状态，锅炉超温、超压、缺水、满水等异常状况无从查实，锅炉仪表控制系统存在的主要问题是：满足不了锅炉工艺的控制要求。而汽轮发电机组和(1)锅炉水位采用单冲量可编控制器(PLC)调余热锅炉设计不同步，汽轮发电机组控制采用DCS解，这种调解器灵敏度低，反应速度慢，当多台锅炉控制系统，锅炉的运行参数不能传到集中控制室，运行时，易造成锅炉互相争水，水位忽高忽低，严重汽轮机操作人员无法方便、快捷地根据锅炉运行状影响蒸汽的品质和锅炉的运行安全。况调节汽轮发电机组的运行参数，DCS控制系统的(2)余热锅炉系统与汽轮机的数据不能共享，优势得不到充分发挥。操作人员不了解对方设备的运行参数，无法保证锅炉、汽轮机安全经济平稳运行。2锅炉仪表控制系统存在的问题(3)剩余的400cc、2。45MPa高温高压蒸汽必一个完善的仪表系统应是集参数检测、自动调须通过减温减压器降至为0．8MPa、185℃的饱和蒸节、连锁保护、顺序控制、显示、报警、历史记录、趋汽。正常运行时，汽轮机压力的调节主要是通过控制减温减压器的开度完成的，然而手工调节，供应[作者简介]许萍(1974～)，女，宁夏人，毕业于西安理工大学机的蒸汽压力无法保证平稳，对汽轮机的经济运行不械制造工艺及设备专业，机械工程师，从事阳极煅烧及余热炉生产管利，严重时会对气轮机的安全运行构成威胁。理工作。(4)由于蒸汽温度的控制只能通过手动调节[收稿日期]2009—09—28 2010年2月第1期许萍：DCS控制系统在余热发电锅炉中的应用．33．阀门开度进行，实际运行中很难掌握减温水流量的设2个操作员站和1个I／O站，这样整个系统由1大小，易造成蒸汽温度忽高忽低。过热器蒸汽出口个工程师站、4个操作员站和4个UO站构成，4个最高温度为430qC，而正常工作温度要求400℃左O站分别为：锅炉、水处理系统(10号UO控制站)；l右，操作稍有不慎，就有可能造成过热器超温过热，汽轮机组及公用系统(11号I／O控制站)；2汽轮机过热器管子爆管。组及公用系统(12号I／O控制站)；3汽轮机组及公(5)除氧器控制系统是对除氧器的压力、液位用系统(13号I／O控制站)。和温度进行控制。除氧器运行中对温度、压力的波3．3网络通信动范围要求非常严格，要求控制压力在0．02～0．025根据系统要求，通信结构设计为2层：监控网络MPa、温度在102-104℃之问，手动调节很难实现。(SNET)和控制网络(CNET)。第一层为控制网络，压力过高，水中的氧气不能完全除去，对除氧器的实现控制器与智能I／O模件通信，采用Profibus现安全运行造成威胁。而温度过低，水中的氧气同样场总线通讯协议，传输介质为标准Profibus—DP屏不能完全除去；过高，则造成能源浪费。锅炉给水中蔽双绞铜线。第二层为监控网络，实现中心交换机的氧气不能及时除去，不仅缩短锅炉、汽轮机的使与各个通讯节点(操作员站、工程师站、现场控制用寿命，严重时还会腐蚀减温器及过热器、对流管站)的连接。系统通信采用TCP／IP协议以太网，传输束，引起锅炉爆管。因此，除氧器压力、温度必须控介质为以太网双绞铜线，通信速率为100Mbps。各制在一个安全、经济合理的范围之内。个节点用固定分配的IP地址进行标示。为了实现监以上分析表明，要保证锅炉在安全、经济、平稳控网络的冗余，网中每个节点的主机都配有两块以状况下运行，锅炉与汽轮机数据应共享。因此，必须太网卡，分别连接在两个交换机上。对锅炉仪表控制系统进行改造，并与汽轮机组的3．4软件设计DCS控制系统对接。整个DCS控制组态在Conmaker应用程序软件和FacView应用程序软件上进行。Conmaker应用程3DCS控制系统的设计序软件主要用于实现控制策略程序的设计、运行、改造后的锅炉仪表控制系统采用与利时公司监控以及提供各种控制算法库。FacView应用程序共同开发的Sma~Pro系统，采用现场总线技术软件主要用于实现人机界面的设计、操作、调试、维(ProfiBus—DP总线)和控制算法对控制系统进行计算护。机监控，并且集成DMS、实时信息、ERP、SCM和3．5监控功能CRM等系统，可在现场智能仪表设备、控制系统、企系统具有显示锅炉、汽机各部位温度、压力、流业资源管理系统之问进行无缝信息流传送。量分布历史趋势，报警闪烁等功能，可以完成各阀Sma~Pro系统提供了完善、强大的组态、调试和门、设备的操作及各系统的自动调节与软手动调监控功能，包括数据采集、开环控制、闭环控制、设节、硬手动调节的无扰切换。包括：备状态监视、报警服务、实时数据处理和显示、趋势锅炉(汽机)主画面：显示锅炉(汽机)的整个工服务、操作日志记录、事故追忆、图形显示、报表服艺生产流程及相关的主要参数值，报警闪烁，切入其务等功能。他画面的功能按钮。3．1系统构成分画面：显示各子系统的画面，包括各参数设Sma~Pro系统主要由工程师站、操作员站、通讯定的功能键、控制流程图、报警纪录、相关信息、历站和现场控制站(I／O站)构成。现场控制站包括主史趋势，相关调节器PID参数设定等。控单元设备和I／O单元设备。工程师站和操作员站报警画面：按照工艺要求，当过程值超过报警上采用Windows2000作为系统平台界面，运行相应的下限时，发出报警，并在报警画面上显示报警发生组态管理程序，实现人机通讯，对整个系统进行集时间、报警值、报警等级、报警点，操作员在报警画中控制和管理。面中可以完成报警确认、报警信息过滤等。3．2硬件设计另外，监控站设有多个安全管理级别(工程师系统硬件选用利时公司的FM系列主控单元和级、操作员级、监视员级)，每个安全级有不同的权输入／输出模块，此次改造在原DCS控制系统上增限，防止侵权或误操作。 ·34·中固有色冶金A卷生产实践篇·设备及自动化4控制过程加而开始下降，PID的输出增加，则给水量增加，直4．1汽包水位控制至汽包液位恢复到给定位置。4．2过热蒸汽温度调节锅炉汽包水位维持在一定范围内是保证锅炉安全运行的必要条件。汽包水位过高，直接影响汽过热蒸汽温度是锅炉运行过程的重要参数，蒸水分离的效果，使饱和蒸汽湿度增大，含盐量增多。汽温度过高将对过热器的安全运行造成威胁，过低水位高到一定程度时，蒸汽要带水，由于炉水含盐将影响汽轮机的负荷，因此需从安全生产和经济运行两方面综合考虑，将过热蒸汽温度控制在合理范远比蒸汽高，致使蒸汽品质恶化。盐会在过热器管围。目前锅炉过热蒸汽温度调节采用锅炉给水表面壁和汽轮机叶片上结垢，使过热器管子不能被及时冷却，引起管壁温度超过管材极限温度，导致管子式减温装置，根据过热器出口集箱蒸汽温度自动调节减温水调节阀开度，控制减温水量，以保证过热器被烧坏、汽轮机效率下降，严重时会使汽轮机进水，造成叶片损坏。而汽包水位过低，则破坏了锅炉的出口集箱中蒸汽温度在380-400qC范围内。当过热器集箱出口蒸汽温度降低时，调节阀自动减少减温汽水自然循环，致使水冷管壁被烧坏，严重缺水时水量，汽温升高，减温水量增加，反之则减小减温水还会发生爆管等事故。特别当锅炉出现严重缺水时，如果司炉人员盲目进水，过热的钢板与低温水量，以维持过热器集箱出口蒸汽温度稳定。过热蒸汽温度调节过程：蒸汽出口温度经PID接触急剧冷却，造成龟裂，使钢板强度降低，在高压调节输出后，与减温器出口温度的偏差进行调节，输蒸汽的作用下，裂纹被撕成破口，造成爆炸事故。锅炉汽包水位决定于汽包中的贮水量和水面出带动执行机构，调节减温水调节阀。当测得的出下的汽包容积。引起汽包贮水量和水面下汽包容积口蒸汽温度高时，PID的输出增大，则减温水调节阀开大(反之则减小阀门开度)。有扰动时(主要由烟变化的因素很多，如锅炉的蒸汽负荷、给水流量和炉膛温度等。实际生产中，当蒸汽流量增大f负荷增气流量和温度、减温器人口蒸汽流量和温度、减温加)时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但此时的水水压力变化引起)，首先反映在减温器出口蒸汽温位不仅不下降，反而迅速上升；反之，当负荷减小度发生变化，温度升高，则要求增加减温水量，调节比较迅速。时，水位反而先下降，出现“虚假水位”现象，这是由4．3除氧器水温、压力调节于负荷增加(减少)时，水面下汽包容积增加(减少)过快而造成的。以前采用的单冲量可编控制器(PLC)除氧器运行中要求压力控制在0．02-0．025灵敏度低，反应速度慢，当运行多台锅炉时，造成锅MPa，温度控制在102-104。C。当压力和温度发生变化时，除氧器的压力和温度控制系统调节进汽阀，炉互相争水，锅炉水位忽高忽低。本DCS控制系统中，锅炉水位采用三冲量调节计算法，即根据给水流改变进汽量，将除氧器的压力和温度控制在目标值上；而当液位发生变化时，除氧器液位控制系统调量、汽包液位和蒸汽流量三个参数，通过计算，调节主给水阀，保证锅炉汽包水位的稳定，这种调节是前节进水阀，改变进水量，将除氧器的液位控制在目馈一反馈调节回路。标值上。液位控制过程：首先对多台除氧器的液位信号汽包水位控制过程：液位进行PID调节后输出，与蒸汽流量进行加法运算，其结果与给水流量进行分析处理，采用某个液位(可以是最高、最低值的偏差进行比较，输出带动执行机构，调节给水阀。等)作为被控量，进行PID调节，同时调节所有进水汽包液位是主被调量，给水量是副被调量，蒸汽流阀门(阀门必须事先调校一致)，这样即可以保证液量是前馈量。当汽包液位上升时，PID的输出减小，位又可以保证各除氧器负荷基本相等。压力和温度控制过程：每台除氧器采用各自独则加法器的输出也减小，给水阀关小。当汽包负荷变大时，即蒸汽流量增加，加法器的输出就增大，给立的带温度修正及前馈补偿的单回路控制。将进水水阀开大。当蒸汽负荷突然增加，出现“虚假水位”调节阀的位置变化量作为蒸汽进汽量的前馈量，当时，PID的输出减少，但由于蒸汽前馈量的反作用，锅炉用水量有较大波动、引起进水阀门变化时，虽加法器的输出增加，经过较短的时问，汽包内压力然此时压力还没有发生变化，蒸汽调节阀就已经动作。另一方面，正常情况下，除氧器按照设定的压力恢复平衡，“虚假水位”消除，此时液位因蒸发量增 2010年2月第1期许萍：DCS控制系统在余热发电锅炉中的应用．35．值进行控制，一旦当前压力低、水温达不到饱和水5应用效果温度值，将对压力设定值进行修正，提高压力设定改造后的DCS分散控制系统实现了锅炉汽水值，增大蒸汽量，从而使水达到饱和温度。系统、烟气系统、水处理系统及减温减压系统的各4．4减温减压器控制种调节和控制设备的集中控制。同时锅炉与汽机的减温减压系统的作用是当锅炉生产的蒸汽汽参数达到了共享，DCS控制系统的优势得到了充分轮机用后仍有富余时，通过减温减压器把2．45发挥。该系统的运行，解决了手工操作灵敏度低的MPa、400的过热蒸}气降为0．8MPa的饱和蒸汽并问题，减轻了操作人员的劳动强度，避免了由于锅人厂区蒸汽管网。原通过现场手动调节阀门开度来炉超压排空，放空阀不能及时开启造成的锅炉缺水控制，而手动控制很难保证送往汽轮机蒸汽的压力以及蒸汽管网水击事故。和并入管网的饱和蒸汽的温度，压力、温度波动大，除氧器压力、温度人工无法控制的难题得到解对管网的安全造成隐患，过多的减温水进入蒸汽管决，消除了安全隐患，确保了锅炉的安全运行。由于网易发生水击事故。能够对蒸汽参数及时做出调整，保证了汽轮机的安管网蒸汽压力控制过程：蒸汽压力采用单回路全平稳运行。控制。蒸汽出口压力经PID调节输出后，与管网压通过Miss网接口将汽轮机和锅炉的DCS分散力的偏差进行调节，输出带动执行机构，调节减温控制系统与公司的ERP系统连接，管理人员可以实减压器。当测得的管网压力高时，PID的输出增大，现远程监控。则减温减压器开度减小；反之则增大开度。6结束语管网蒸汽温度控制过程：蒸汽温度采用带压力改造后的余热锅炉控制系统2008年l0月正修正及前馈补偿的单回路控制。将减温减压器的位置变化量作为减温水量的前馈量，即当管网压力有式投入运行后，控制效果良好，各项工艺技术指标均正常，充分发挥了DCS控制系统运行可靠、检测较大波动引起减温减压器位置变化时，减温水调节灵活、维护方便的优点，具有很好的经济和社会效益。阀在温度变化前动作，以保证出口温度不会出现较[参考文献1大波动。另一方面，正常情况下，减温减压器按照设[1]邵卫宏．DCS控制系统在工业炉窑上的应用[JJ．工业炉，2008，定的压力值进行控制，一旦当前蒸汽温度低，达不(1)：34—35．到饱和蒸汽的温度值时，控制器对温度设定值进行[2]王志明．基于DCS的燃气锅炉自动控制系统【JJ．微计算信息，修正，提高温度设定值，减少减温水量，使蒸汽达到2008，(19)：94—96．饱和温度。当管网的压力超过规定值时，通过远程[3]宋树峰．DCS控制系统在“一石膏粉液相法生产中的应用『J1．工控制电动放空阀将多余的蒸汽排空。、I控制计算机．2008．(10)：7—8．ApplicationofDCScontrolsysteminsurplusheatpowerboilerXUPingAbstract：ThispaperanalysisthedisadvantageDCScontrolsystemusedinoriginalsurplusheatpowerboiler，introducesstructure，function，hardwaredesign，softwaredesignandcontrolmethodofDCScontrolsystemaftertransformation．Afterpottingintooperation．DCScontrolsystemcan6Ilwithproductionrequestsandachievesaccuratecontrol，ensuresboilerwatersupplyingsafely．Keywords：surplusheatpowerboiler；controlsystem；waterlevelcontrol’