《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于DCS的燃?xì)忮仩t自動(dòng)控制系統(tǒng)
摘要: 本鍋爐系統(tǒng)主要通過燃燒高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣為某鋼鐵公司1000M3高爐提供動(dòng)力,并季節(jié)性提供工業(yè)用暖。鍋爐主要包括煤氣(高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣)系統(tǒng)、爐體部分、對流受熱面(汽包及冷卻壁,I、II過熱器,I、II省煤器,I、II空氣預(yù)熱器)、點(diǎn)火器、送引風(fēng)設(shè)備等組成。
Abstract:
Key words :

1 工藝介紹
  本鍋爐系統(tǒng)主要通過燃燒高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣為某鋼鐵公司1000M3高爐提供動(dòng)力,并季節(jié)性提供工業(yè)用暖。鍋爐主要包括煤氣(高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣)系統(tǒng)、爐體部分、對流受熱面(汽包及冷卻壁,I、II過熱器,I、II省煤器,I、II空氣預(yù)熱器)、點(diǎn)火器、送引風(fēng)設(shè)備等組成。
  按照各部分的功能大致分為汽水系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、減溫減壓及公用系統(tǒng)幾個(gè)子系統(tǒng)。
  本控制系統(tǒng)主要控制鍋爐及相關(guān)輔助設(shè)備的生產(chǎn)過程,使其符合工藝所要求達(dá)到的蒸汽溫度(450℃)、壓力(3.82MPa)、流量(130t/h)、純度(過熱蒸汽)。
  1.1 汽水系統(tǒng)
  汽水系統(tǒng)是供給鍋爐保護(hù)和產(chǎn)生蒸汽的除氧水,生成載熱的過熱蒸汽送到汽機(jī)膨脹做功或者經(jīng)過減溫減壓后供熱。來自除氧給水系統(tǒng)的除氧水經(jīng)過調(diào)節(jié)后送到I、II省煤器預(yù)熱,然后送到鍋爐汽包和與汽包相連的鍋爐冷卻壁中,經(jīng)過鍋爐燃燒生成的高溫?zé)煔獾募訜嵘刹伙柡驼羝?,不飽和蒸汽?jīng)過I級過熱器、I級過熱器蒸汽集箱,經(jīng)過噴水減溫器減溫處理后,再經(jīng)過II級過熱器、II級過熱器蒸汽集箱后生成飽和的過熱蒸汽,然后送到蒸汽母管,一部分送到汽機(jī)膨脹做功,一部分進(jìn)入減溫減壓系統(tǒng), 一部分提供除氧汽動(dòng)給水泵做功給水。
  1.2 風(fēng)煙系統(tǒng)
  空氣(冷風(fēng))經(jīng)過凈化后通過1#、2#送風(fēng)機(jī)送到I、II空氣預(yù)熱器中進(jìn)行預(yù)熱成為熱風(fēng),熱風(fēng)送到熱風(fēng)燒嘴和煤氣混合燃燒;高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣通過高爐煤氣管道和焦?fàn)t煤氣管道送到燃燒噴嘴和熱風(fēng)混合燃燒,生成高溫?zé)煔?,加熱鍋爐汽包中的除氧水使之成為不飽和蒸汽,然后高溫?zé)煔庖来瓮ㄟ^I過熱器、II過熱器、II省煤器、II空氣預(yù)熱器、I省煤器、I空氣預(yù)熱器將不飽和蒸汽加熱成為高溫高壓的飽和蒸汽,并預(yù)熱送到鍋爐汽包中的除氧水和送到鍋爐爐膛中的空氣,最后通過引風(fēng)機(jī)引至煙囪中排放。
  1.3 燃燒系統(tǒng)
  高爐煤氣由外部接入,分為4路,分別進(jìn)入鍋爐的4個(gè)角(每角4個(gè)燃燒噴嘴),參與燃燒;進(jìn)入鍋爐和高爐煤氣混合燃燒的熱風(fēng)分別進(jìn)入鍋爐的4個(gè)角(每角4個(gè)燃燒噴嘴),參與燃燒;焦?fàn)t煤氣由外部接入,分為4路,分別進(jìn)入鍋爐的4個(gè)角(每角2個(gè)燃燒噴嘴),參與燃燒。正常情況下,燃料為高爐煤氣,焦?fàn)t煤氣只是在點(diǎn)火的時(shí)候用到,平時(shí)只是作為保安氣(作為鍋爐燃燒過程中的爐膛溫度低時(shí)保護(hù)氣)。
  燃燒過程中通過熱電偶和火焰觀測器來檢測爐膛溫度變化。通過調(diào)節(jié)高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、風(fēng)的配比來調(diào)節(jié)鍋爐爐膛溫度(燃料配比一般為100%高爐煤氣,另外也有80%——90%高爐煤氣加20%——10%焦?fàn)t煤氣或者50%焦?fàn)t煤氣)。整個(gè)燃燒過程中爐膛溫度控制在1100±10℃左右。
  1.4 減溫減壓及公用系統(tǒng)
  本鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽大部分送到汽機(jī)做功給高爐供風(fēng),其余的一部分送到中溫中壓聯(lián)絡(luò)管,另一部分送到1#、2#減溫減壓器經(jīng)過工業(yè)水的減溫減壓后變?yōu)榈蜏氐蛪赫羝?,一部分送到廠區(qū)供熱,另一部分通過加熱蒸汽母管送到除氧器,一部分提供除氧汽動(dòng)給水泵做功給水。
2.系統(tǒng)配置
  2.1 DCS系統(tǒng)
  計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)(DCS)由上位系統(tǒng)和下位系統(tǒng)組成。上位系統(tǒng)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī),用Siemens組態(tài)軟件WinCC完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警處理、打印及控制參數(shù)設(shè)定。下位系統(tǒng)由Siemens PLC構(gòu)成,與現(xiàn)場設(shè)備相連。上位系統(tǒng)和下位系統(tǒng)之間的通訊采用Ethernet方式,其最高傳輸速率可達(dá)10-100Mbit/s,完全滿足對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。自動(dòng)控制系統(tǒng)采用S7 400 系列PLC硬件組成基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng), 采用WINCC V6.0監(jiān)控軟件,編程軟件采用STEP 7 V5.3,Windows 2000作為系統(tǒng)平臺(tái)界面,組成計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)人機(jī)通訊。
  2.2 系統(tǒng)配置圖

圖1 DCS系統(tǒng)組成
3 控制功能
  3.1 燃燒控制
  鍋爐運(yùn)行供汽是為了滿足汽輪機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷要求,同時(shí)滿足鼓風(fēng)機(jī)站提供低壓蒸汽的需要。汽輪機(jī)和外供汽的負(fù)荷變化,會(huì)影響鍋爐蒸汽壓力的變化。只要滿足蒸汽壓力的穩(wěn)定,必然滿足蒸汽量的要求。因此,鍋爐燃燒自動(dòng)控制的目的就是通過自動(dòng)燃燒達(dá)到穩(wěn)定蒸汽母管的壓力,來滿足汽輪機(jī)及外供汽對蒸汽的要求。
  由于鍋爐的燃燒系統(tǒng)到供汽系統(tǒng)是一個(gè)較復(fù)雜的熱力過程,在運(yùn)行中將受到:汽輪機(jī)工況變化所引起的蒸汽負(fù)荷的變化及外供汽對蒸汽負(fù)荷的變化(稱外擾);燃料熱值、燃料種類等鍋爐內(nèi)部熱負(fù)荷的變化所引起的蒸汽量的變化(稱內(nèi)擾);從燃料變化開始到爐內(nèi)建立熱負(fù)荷的時(shí)間(稱燃燒設(shè)備的慣性);在鍋爐受到外擾時(shí),燃燒工況未變時(shí)而具有的吸熱和放熱能力(稱鍋爐的蓄熱能力)。因此,自動(dòng)燃燒程序應(yīng)具有抗干擾的能力,以達(dá)到平穩(wěn)地自動(dòng)調(diào)節(jié)
  為使鍋爐達(dá)到經(jīng)濟(jì)的燃燒,在燃料或負(fù)荷調(diào)節(jié)的同時(shí),應(yīng)改變送風(fēng)和引風(fēng)量。鍋爐使用燃料可能有如下的配比:100%高爐煤氣(正常運(yùn)行使用此種配比)、80~90%高爐煤氣加20~10%的焦?fàn)t煤氣、50%高爐煤氣加50%焦?fàn)t煤氣。鍋爐增減負(fù)荷量較大時(shí),可以采用停開某一層或者數(shù)層高爐煤氣燃燒器煤氣管道上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和熱風(fēng)管道上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。
  3.2 汽包水位控制
  采用三沖量調(diào)節(jié),即根據(jù)給水流量、汽包液位和蒸汽流量調(diào)節(jié)主給水閥,保證鍋爐汽包水位的穩(wěn)定,是前饋—反饋串級調(diào)節(jié)回路,框圖如下:鍋爐給水系統(tǒng)中,由鍋爐提供兩個(gè)給水調(diào)節(jié)閥,其中DN150調(diào)節(jié)閥是主調(diào)節(jié)閥,在正常負(fù)荷和高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)使用;旁通管設(shè)一個(gè)DN100的調(diào)節(jié)閥,在低負(fù)荷時(shí)使用,同時(shí)也作為主調(diào)節(jié)閥的備用閥。在自動(dòng)給水狀態(tài)下,只允許其中之一自動(dòng)調(diào)節(jié)給水,此時(shí),另一調(diào)節(jié)閥可畫面手動(dòng)給水;在程序投入之前,操作人員需要事先選定哪一個(gè)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)投入。如果此次未能設(shè)定,將按照上一次的設(shè)定執(zhí)行。

圖2 汽包水位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

 
  將液位進(jìn)行PID1調(diào)節(jié)后輸出,和蒸汽流量進(jìn)行加法運(yùn)算,其結(jié)果作為PID2的設(shè)定點(diǎn),PID2將此設(shè)定點(diǎn)與給水流量的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié),輸出帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),調(diào)節(jié)給水閥。
  汽包液位是主被調(diào)量,給水量是副被調(diào)量,蒸汽流量是前饋量。當(dāng)汽包液位上升時(shí),PID1的輸出減小,則加法器的輸出也減小,給水閥關(guān)小,就減小了給水量。當(dāng)汽包負(fù)荷變大時(shí),即蒸汽流量增加,加法器的輸出就增大,給水閥開大,就增大了給水量。
  當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然增加,而出現(xiàn)“假液位”時(shí),由于PID1是反作用,PID1的輸出就減小,即加法器里的X1就減小;由于負(fù)荷增加,加法器里的X2就增加,這樣,加法器的輸出基本變化不大。經(jīng)過短時(shí)間后汽包內(nèi)壓力恢復(fù)平衡,“假液位”消除,此時(shí)液位因蒸發(fā)量增加而開始下降,PID1的輸出就增加,則給水量增加,直至汽包液位恢復(fù)到給定位置。
  3.3 爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)
  爐膛負(fù)壓自動(dòng)控制是通過調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)入口風(fēng)門開度,保持爐膛負(fù)壓在-20——10 Pa的微負(fù)壓狀態(tài),保證鍋爐安全燃燒。當(dāng)兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí),應(yīng)并列或者固定其中的一個(gè)對另一個(gè)進(jìn)行調(diào)節(jié),可在畫面上選擇并列還是固1調(diào)2(1為固1調(diào)2,0為固2調(diào)1)。爐膛負(fù)壓設(shè)高、低報(bào)警。
  3.4 鍋爐送風(fēng)自動(dòng)控制
  送風(fēng)自動(dòng)控制目的:使鍋爐所投入的燃料在爐膛中燃燒時(shí),自動(dòng)投入合適的風(fēng)量,以保證鍋爐的經(jīng)濟(jì)燃燒。主要控制的參數(shù)為煤氣壓力及送風(fēng)壓力, 進(jìn)而達(dá)到最高的的鍋爐熱效率, 煙氣含氧量作為總風(fēng)量的修正量。通過調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)的擋板開度來調(diào)節(jié)送風(fēng)壓力;當(dāng)兩臺(tái)送風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí),應(yīng)并列(或者固定其中之一,對另一個(gè)進(jìn)行)調(diào)節(jié)入口風(fēng)門,可在畫面上選擇并列還是固1調(diào)2(1為固1調(diào)2,0為固2調(diào)1)。
  3.5 鍋爐過熱蒸汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)(減溫水自動(dòng)調(diào)節(jié))
  鍋爐過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)采用自制冷凝水噴水減溫裝置,鍋爐過熱蒸汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)是根據(jù)集器集箱和減溫器出口蒸汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)減溫水調(diào)節(jié)閥開度,控制減溫水量,以保證集汽集箱中蒸汽溫度控制在430——450℃范圍內(nèi)。當(dāng)集汽集箱出口蒸汽溫度降低時(shí),汽溫自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)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(wěn)定,反之則減小減溫水量,避免汽溫產(chǎn)生較大波動(dòng)。噴水減溫系統(tǒng)中,由鍋爐提供兩個(gè)給水調(diào)節(jié)閥,其中DN50調(diào)節(jié)閥是主調(diào)節(jié)閥,在正常運(yùn)行時(shí)使用;旁通管設(shè)一個(gè)DN50的調(diào)節(jié)閥,作為主調(diào)節(jié)閥的備用閥。在自動(dòng)給水狀態(tài)下,只允許其中之一自動(dòng)調(diào)節(jié)給水,另一調(diào)節(jié)閥備用;在程序投入之前,操作人員需要事先選定哪一個(gè)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)投入。如果此次未能設(shè)定,將按照上一次的設(shè)定執(zhí)行。在主給水調(diào)節(jié)閥后設(shè)DN150的調(diào)節(jié)閥,根據(jù)所需要的冷凝水量調(diào)節(jié)該調(diào)節(jié)閥的開度。采用串級調(diào)節(jié),蒸汽出口溫度經(jīng)PID1調(diào)節(jié)輸出后,作為PID2(減溫器出口溫度調(diào)節(jié))的設(shè)定點(diǎn),PID2對此設(shè)定點(diǎn)和減溫器出口溫度的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié),輸出帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),調(diào)節(jié)減溫水調(diào)節(jié)閥。
  當(dāng)測得集汽集箱出口蒸汽溫度高時(shí),PID1的輸出增大,則減溫水調(diào)節(jié)閥開大,增加減溫水量;反之,則減小閥門開度,減少減溫水量。
  當(dāng)有擾動(dòng)時(shí)(主要擾動(dòng)有煙氣流量和溫度的變化引起的擾動(dòng),減溫器入口蒸汽流量和溫度引起的擾動(dòng),減溫水壓力變化引起的擾動(dòng))首先反映在減溫器出口的蒸汽溫度變化,溫度一高,則要求增加減溫水量,調(diào)節(jié)就比較迅速,而對集汽集箱出口的蒸汽溫度的影響就比較小,提高了調(diào)節(jié)品質(zhì)??驁D如下:

圖3 過熱蒸汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
4 監(jiān)控功能
  在畫面上可顯示鍋爐各部分時(shí)的溫度、壓力、流量分布狀況,采集的數(shù)據(jù),歷史趨勢、報(bào)警閃爍畫面,完成各閥門、設(shè)備的開啟及操作,完成煤氣、助燃空氣的調(diào)節(jié)閥的操作及調(diào)節(jié),各系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)與軟手動(dòng)調(diào)節(jié)、硬手動(dòng)調(diào)節(jié)的無擾自動(dòng)切換,各調(diào)節(jié)閥的操作及調(diào)節(jié)和保持各數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。主要畫面如下:
  主菜單:完成系統(tǒng)登陸,選擇工作制度、切入主畫面。
  主畫面:可顯示鍋爐爐的整個(gè)工藝生產(chǎn)流程及相關(guān)的主要參數(shù)值,報(bào)警閃爍,切入其他畫面的功能按鈕。分畫面:各調(diào)節(jié)系統(tǒng)的畫面,包括參數(shù)設(shè)定的功能鍵、棒狀圖、控制流程圖、報(bào)警紀(jì)錄,相關(guān)信息;歷史趨勢,相關(guān)的PID參數(shù)設(shè)定等。
  報(bào)警畫面:按工藝要求,當(dāng)過程值超過報(bào)警上下限時(shí),發(fā)出報(bào)警,并在報(bào)警畫面上顯示報(bào)警發(fā)生時(shí)間、報(bào)警值、報(bào)警等級、報(bào)警點(diǎn),操作員在報(bào)警畫面中可以完成報(bào)警確認(rèn)、報(bào)警信息過濾等功能。
  報(bào)表打?。嚎稍O(shè)置任意格式報(bào)表,可打印所有輸入輸出參數(shù)的報(bào)表。另外,對監(jiān)控站設(shè)有多個(gè)安全級進(jìn)行管理,每個(gè)安全級均由不同的權(quán)限,防止侵權(quán)或誤操作。
5 應(yīng)用效果
  采用DCS系統(tǒng)及相關(guān)控制流程以后,首先使操作工操作方便,使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊即可,整個(gè)鍋爐的運(yùn)行狀況在計(jì)算機(jī)屏幕上一目了然。在實(shí)際應(yīng)用中,采用DCS及相關(guān)控制技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有:提高能源利用率,保證系統(tǒng)能夠高效安全運(yùn)行;出水溫度穩(wěn)定,提高舒適度;升溫速度快。從控制性能看,調(diào)節(jié)比較及時(shí),超調(diào)不大,上下波動(dòng)小,運(yùn)行穩(wěn)定。
  從節(jié)能降耗看,該生產(chǎn)線使用了工業(yè)過程優(yōu)化自動(dòng)控制技術(shù)以后,提高了系統(tǒng)可靠性,與同種類型鍋爐相比, 每年減少故障停機(jī)時(shí)間約200小時(shí),鍋爐功率為130噸/小時(shí),蒸汽按70元/噸計(jì),每年可節(jié)約資金180余萬人民幣, 給企業(yè)帶來可觀經(jīng)濟(jì)效益。
  本文作者創(chuàng)新點(diǎn):提出了一種基于分布式煤氣燃燒鍋爐控制系統(tǒng),既充分利用PC機(jī)豐富的軟硬件資源實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面,又通過工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)與PLC機(jī)進(jìn)行通信,對鍋爐現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和及時(shí)處理,達(dá)到了鍋爐燃燒工況良好、節(jié)能降耗的工藝要求;全面實(shí)現(xiàn)儀電合一,統(tǒng)一由PLC和DCS完成其控制功能,實(shí)現(xiàn)了全面EIC一體化的系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制思想較為先進(jìn),運(yùn)行穩(wěn)定,安全,可靠,節(jié)能。采用SIMATIC S7-400系列可編程控制器進(jìn)行鍋爐控制,硬件可由軟件組態(tài),軟件編程層次清楚,現(xiàn)場調(diào)試方便,利用其強(qiáng)大的通訊功能可組成各種分布式監(jiān)控管理系統(tǒng)。

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