DCS系统在宝塔石化35t/h开工锅炉汽水控制中的应用

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jshfq 发表于 2007/12/6 17:50:30 938 查看 1 回复 [上一主题] [下一主题]

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DCS系统在宝塔石化35t/h开工锅炉汽水控制中的应用

一、概述

宝塔石化35t/h开工锅炉系统由除氧给水系统、锅炉的汽水系统、送风系统、减温减压系统以及报警联锁五部分组成。

1、除氧给水系统：
除氧采用大气式热力除氧器（V-301），除氧能力Q=40m3/h。由P-105管道泵（Q=50-60m3/h）送至除氧器除氧。除氧器由外界蒸汽加热（外界加热蒸汽压力为P=0.6Mpa流量为Q=4500-6500Kg/h,）除氧器的辅助加热蒸汽来自连续排污膨胀器（V-302）产生的闪蒸汽Z′。除氧脱盐水由锅炉给水泵（P-106）（Q=40m3/h）一路经锅炉给水调节阀进混合器,另一路进面式减温器后回水进入混合器和第一路锅炉给水混合后进入省煤器进行加热到规定的温度后进入循环硫化床锅炉。

2、35t/h开工锅炉的汽水系统：
由除氧给水泵，锅炉给水泵,锅炉给水调节阀、省煤器、汽包（上下锅筒）、面式减温器和过热器等组成。控制原则流程图（见图1）,燃烧系统由干气和空气按一定的比例在炉膛内燃烧，产生的热量使汽包内的水汽化，产生的饱和蒸汽进入过热器进一步加热成为过热蒸汽至蒸汽母管，进入减温减压器（V-117）降低过热蒸汽温度直到工业上需要的蒸汽。（注:主要以燃烧干气为主）

3、送风系统：由主鼓风机（101）和副鼓风机（103）提供：
    主鼓风机（101）的进风门（可手动和自动），（注:主要是通过炉内的燃烧工况和烟气的含氧量的多少来启动风门手柄驱动装置实现风门开关程度大小）。为了减少噪音，主鼓风机的进风口是从室外的一个进风筒中进风。主鼓风机的出口处与空气预热器的进风弯头采用柔性联结，其目的是为了防止鼓风机振动传递给预热器，二是防止空预热器热胀推力传递给鼓风机。空气预热器的出口与主燃烧相联接采用刚性联接。进风筒的上端与主燃烧室联接采用焊接，下端采用螺栓固定；副鼓风机（103）不预热，风机进风口有两个，一个是从室外进新风，一个是从锅炉的排烟中用风管抽取排烟。这两个进风口是相互联系，又相互彼此独立，在进新风管上安装有电动通风碟阀，在进排烟烟管上安装有电动斜板尘气碟阀一个。付风机与付燃烧室的联接方式也是用一个进风筒，上端与付燃烧室相焊接，下端座用螺栓固定。
　　
4、减温减压系统
    减温减压系统：过热蒸汽通过减温减压器与除氧水进行热交换，使其温度压力变为用户需要的蒸汽。

5、连锁和保护系统：
开工锅炉的连锁和保护系统针对汽轮发电机系统，主要是过对热蒸汽温度、流量、压力进行检测，检测轴向位移，检测各轴承温度，当汽机处于异常工况时，可通过声音、屏幕报警等手段提醒操作员，对异常情况进行处理。主要包括以下内容：A、汽机保护停机—通过磁力断路油门将自动主汽门和调速汽门关闭。当以下参数异常时，汽机停机：轴位移大于0.7毫米时；真空度大于0.04MP时；油压小于0.03MP时；推力瓦温度大于100度时；汽机超速时；发电机停机；用电负荷不正常时；保护电源消失时。并设紧急手动停机按钮。 B、报警信号（电铃报警）：主气门关闭，抽气阀关闭，发电机故障，用电负荷保护，保护电源消失，主油箱液位，热井液位，轴位移，凝气器真空度，主蒸汽压力，主蒸汽温度，抽气阀蒸汽压力，润滑油压力，气轮机转速，推力瓦温度，发电机轴承温度。C、联系信号（蜂鸣器提示）：汽机室至主控室（解除按钮，注意，增加，减少，已合闸，已断开，停机，更改命令，电话）；主控室至汽机室（解除按钮，注意，增加，减少，已合闸，已断开，停机，更改命令，机器危险，电话）；锅炉保护联锁停炉：锅炉设紧急停炉按钮。停炉保护包括：汽包水位超高和超低；炉膛压力超高；汽包压力超高；煤气压力超低；炉膛熄火。当火焰检测器开关闭合时，紧急关闭煤气切断阀。

二、宝塔石化35t/h开工锅炉DCS控制系统的配置及运行

本系统设监控操作站2个，后备手操器控制台1个，现场控制站1个，主控制器为热备冗余控制站和通讯处理单元。其运行的方式是在通讯网络上挂接通信接口单元（CIU）可实现集散控制系统（DCS）与可编程序控制器（PLC）等数字设备的连接；通过多功能计算站（MFS）和相应的百特BT7000组态软件可实现与企业管理计算机网的信息交换，实现企业网络（Intranet）环境下的实时数据采集、实时流程查看、实时趋势浏览、报警记录与查看、开关量变位记录与查看、报表数据的存贮、历史趋势存贮与查看、生产过程报表生成与输出等功能。通讯网络采用总线形或星形拓扑结构[1]，曼彻斯特编码方式，遵循开放的TCP/IP协议和IEEE802.3标准。采用1∶1冗余的工业以太网（Ethernet），TCP/IP的传输协议辅以实时的网络故障诊断[1]，其特点是可靠性高、纠错能力强、通信效率高。

表1 DCS的硬件和软件配置清单

Table 1 The configuration of hardware and software in the DCS
后备手操器控制台上，有引送风、给水泵和循环泵电流表；发电机功率和频率表；电接点液位计（汽包液位）；引送风调节手操器，一次风调节手操器，锅炉给水调节手操器，减温水调节手操器，混合集箱进水调节手操器，煤,气量调节手操器，除氧器压力液位调节手操器。

三、35t/h开工锅炉主要控制方案

    开工锅炉的控制大部分采用单回路PID常规控制，在一些关键的要求高的场合，就必须采用一些复杂的控制，这些复杂的控制回路对整个系统的运行起决定性的因素,开工锅炉本体部分有如下几个主要控制系统：
　　
1、在锅炉本体部分：
    1.1 设置炉膛温度、压力和火焰检测；
    1.2 主给水流量、温度和压力检测；
    1.3 过热蒸汽的流量、温度和压力检测；
    1.4 干气的流量、温度和压力检测；
    1.5除氧器液位和温度调节（单回路控制）；
    1.6 过热蒸汽温度TIC（主回路）与减温器进水流量FIC（副回路）串级调节；
    1.7 汽包水位LIC、过热蒸汽出口流量FIC以及锅炉给水流量FIC三冲量调节；

2、过热蒸汽出口温度控制：
2.1 串级控制组成结构和基本概念【2】

    串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
    一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。
    2.2 通过DCS来实现过热蒸汽温度TIC（主回路）与减温器进水流量FIC（副回路）串级调节：
    ① 依据锅炉汽水原则流程图见图1：
    ② 在已知工艺控制参数后，应用百特BT7000图形化组态软件，依照DCS串级控制原理图进行组态，达到实现上述工艺流程的有效控制。DCS串级控制原理图见图2【3】

DCS串级控制原理图中各参数变量说明见表2：

表 2 参数说明表

Table 2 The parameter elucidation
结论: 结合DCS串级控制原理图对系统进行组态后模拟运行，该控制方案很好的克服了工艺过程可控纯滞后、工艺过程明显的非线形特性、扰动剧烈且幅度大、控制性能要求高和参数之间存在重大的关联等现象，并且改善了控制过程的动态特性，提高了系统控制质量，迅速克服了进入副回路的二次扰动，优化了系统的工作频率，使过热蒸汽出口温度维持在允许的范围内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温度，确保了生产平稳、安全。

3、汽包水位控制：
    3.1 导致开工锅炉汽包水位波动几个工艺参数：
    锅炉汽包水位控制是安全生产和提供优质蒸汽的保证。汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离，产生的饱和水蒸汽带水过多，这会使过热器结垢而导致损坏，同时也会使过热蒸汽温度急剧下降，当该蒸汽作为汽轮机动力时就会损坏汽轮机的叶片，造成重大事故的发生；水位过低，锅炉的蒸发量增大，水的汽化速度加快，汽包内水量迅速减少，如不及时控制，会使汽包内的水全部汽化而导致干锅，有引起锅炉爆炸的危险。因此，锅炉水位过高过低的后果极为严重，所以必须严格控制汽包水位。
    依据锅炉系统研究汽包水位的动态特性[4]: 由宝塔石化35t/h开工锅炉系统锅炉的汽水系统原则流程图（见图1）可知影响汽包水位的主要干扰有锅炉给水量的变化、过热蒸汽负荷量的变化以及炉膛热负荷的变化，分析如下：
    A 给水量变化对汽包水位的影响
    当给水量在一个时间段内由W0突然增大⊿W时，虽然给水量大于蒸发量，但由于增加的那部分水要从原有的饱和汽水中吸取一部分热量，这就使水面下一部分汽泡容积有所减少，（一部分汽相释热变为液相），所增加部分给水首先必须填补汽水管路中汽泡减少所让出的空间。在这段时间内，虽然给水量增加了，但上锅筒的水位基本不变H0。当水面下汽泡容积的变换趋于平衡时，水位才由于汽包中储水量的增加而逐渐上升。最后当水面下汽泡容积不在变化时，水位变化就会随汽包储水量的增加而直线上升。如图2所示。

    B 蒸汽负荷的变化对汽包水位的影响
    当过热蒸汽在一个时间段内由D0突然增大⊿D时，由于汽包中压力减小，汽水循环管路中的汽化强度增加，上锅筒内蒸发面以下汽泡容积将增大。汽泡体积膨胀所引起的液位按图5中H2曲线变化。而实际汽包中水位变化H，应该是不上锅筒内蒸发面以下汽泡容积将增大水位变化H1，与只考虑水面下汽泡容积变化所引起的水位变化H2叠加的结果。见图5所示:
    由图5可知，当蒸发量增大时，蒸发量大于给水量，上锅筒内水位不仅不下降，反而会迅速上升，造成”假液位”现象的产生。只有当汽水混合物中汽泡与负荷相适应而达到稳定后，水位才因物料不平衡而开始下降。在这个过程中如果不及时增加锅炉给水，很难恢复有效的控制,而造成重大事故的发生。需要说明的是，”假液位”变化的幅度与锅炉汽包压力以及蒸发量有关。而且由”假液位”引起的水位最大偏差很难依靠调节来克服，这就需要限制过热蒸汽的负荷量以及锅炉给水量。

    C 炉膛热负荷的变化对汽包水位的影响
    在供水量、蒸汽负荷量不变的的情况下，当然料量突然增加时，传给锅炉的热量增加，上升管中的蒸发强度将增大，使蒸发面的汽泡膨胀，汽泡将托着液位上升，然而这是给水量并没有增加，因此，这种液位的变化属于”假液位”。不过，由于燃料量变化引起的”假液位”现象比较小，而且热负荷由蒸汽压力控制系统来保证，因而它的影响是次要的。
    由以上分析可知, 为了保证开工锅炉上锅筒液位的稳定在允许的范围内，就必须对上述三个参数进行有效的控制。鉴于此:宝塔石化35t/h开工锅炉汽包水位采用了三冲量控制，并且进一步的通过DCS控制系统进行实现,其方法如下:
    3.2 三冲量控制组成结构和基本概念【2】

由三冲量控制系统方块图如图6可知:三冲量控制其实质是前馈-串级控制系统。因此，在三冲量的控制系统中，其中汽包液位是被控变量，亦是串级控制系统中的主变量，是工艺的主要控制指标；给水量是串级控制系统中的副变量，引入这一变量的目的是为了副回路克服干扰的快速性来及时克服给水压力变化对汽包液位的影响；蒸汽流量是作为前馈信号引入的，其目的是为了及时克服蒸汽负荷变化对液位的影响。
依据锅炉汽水原则流程图（见图1）,在已知工艺控制参数后，应用百特BT7000图形化组态软件，依照DCS三冲量控制原理图进行组态，达到实现上述工艺流程的有效控制。DCS串级控制原理图见图7【3】

DCS三冲量控制原理图中各参数变量说明见表3：

表 3 参数说明表

Table 3 The parameter elucidation
结论：结合DCS三冲量控制原理图对系统进行组态后模拟运行，该控制很好的克服了工艺过程中”假液位”现象，以及给水量变化的干扰，校正了工艺过程中给水调节阀明显的非线形特性、扰动剧烈且幅度大、控制性能要求高和参数之间存在重大的关联等现象，有效的做到了静态补偿，改善了控制过程给水量的变化、过热蒸汽负荷量的变化以及炉膛热负荷的变化所引起的动态特性，提高了系统控制质量，确保了生产平稳、安全。

四、结论

本系统自2006年6月正式验收以来，运行状况稳定，效果良好。控制效果好，完全适应和满足生产工艺的要求。整个生产过程的自动化控制率达 92% 以上，大大降低了操作工的劳动强度，改善了工作环境。系统提供了通讯接口，通过调制器与远程网关计算机连接，可并入全厂管理网，为日后实现全厂安全生产过程监控网提供了条件。在整个系统方面： DCS系统功能强大，界面友好，软件组态十分方便，在系统调试中能实时修改而无需下装程序。使得工程师在复杂的智能控制调试中，无论是修改程序还是训练参数，具有不可比拟的优越性。人力资源方面： DCS系统改进了调节系统的调节阀的调节，克服了调节死区带来的调节滞后的弊病；改进了上锅筒水位的判别条件，使其根据影响上锅筒液位每个参数的变化趋势做出相应的调节，以更准确及时地给上锅筒补水，大大提高控制的抗干扰能力，特别是来自过热蒸汽波动及锅炉给水的干扰；改进了上锅筒“假液位”现象的控制方法，从而既能及时地保护上锅筒内因液位过高造成饱和水蒸汽带水过多，使过热器结垢而损坏，同时也会使过热蒸汽温度急剧下降和因液位过低造成的蒸发量增大，水的汽化速度加快，汽包内水量迅速减少而导致汽包内的水全部汽化而干锅，又能及时准确地将液位有效地控制在额定值范围内。

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