DCS 系統(tǒng)在硫酸余熱發(fā)電過程中的應(yīng)用

1、DCS系統(tǒng)在硫酸余熱發(fā)電過程中的應(yīng)用 發(fā)布時間： 2003-12-9 13:40:22        趙群，唐文軍,劉彤軍，吳岡(黑龍江省科學(xué)院自動化研究所哈爾濱150090)摘  要：本文簡述了硫酸余熱發(fā)電的工藝流程，及工藝對系統(tǒng)控制的要求，并用DCS系統(tǒng)實現(xiàn)對硫        酸廠、脫鹽水站、廢熱鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等的重要參數(shù)進(jìn)行檢測，對鍋爐汽包、主蒸        汽等

2、實施有效控制，及用聯(lián)鎖控制確保系統(tǒng)正常安全運行的方法。關(guān)鍵詞：余熱；發(fā)電;DCS;HMI1 引言    目前在冶煉企業(yè)的正常生產(chǎn)中，有大量的副產(chǎn)品產(chǎn)生，如何變廢為寶，不浪費現(xiàn)有資源是企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益的重要課題之一。硫酸也是其中主要的副產(chǎn)品，而在硫酸生產(chǎn)過程中，伴有大量的熱量放出，產(chǎn)生的硫酸余熱溫度較高，保持在750950之間，硫酸生產(chǎn)廢熱利用的好壞，不僅影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，也是衡量生產(chǎn)裝置技術(shù)和管理水平高低的一個重要標(biāo)志。    一般情況下，余熱經(jīng)過冷卻等工序處理后被排入大氣，既造成能源浪費，又容易污染環(huán)境；另一方面在生產(chǎn)處理過程中，

3、又要消耗大量電能。本文研究了在硫酸行業(yè)利用硫酸余熱發(fā)電的工藝，成功地運用DCS技術(shù)，實現(xiàn)整個生產(chǎn)全過程自動監(jiān)控。利用硫酸余熱蒸汽推動汽輪機(jī)發(fā)電，不僅滿足生產(chǎn)系統(tǒng)用電需要，還可以并網(wǎng)發(fā)電。有效地降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，凈化了廠區(qū)和周圍的環(huán)境。2 系統(tǒng)工藝流程    本系統(tǒng)以廢熱鍋爐為中心，由汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等組成。主要特點是節(jié)能、經(jīng)濟(jì)效益高。因為廢熱鍋爐的燃料為冶煉企業(yè)硫酸生產(chǎn)過程中的硫酸余氣，利用硫酸余熱，經(jīng)過廢熱鍋爐熱交換產(chǎn)生的氣體，驅(qū)動汽輪機(jī)并帶動發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電。鍋爐是8T廢熱鍋爐，爐氣量1870Nm/h，爐氣進(jìn)口溫度900，過熱蒸汽壓力382MP

4、a，過熱蒸汽溫度450，有1個過熱、3個蒸發(fā)區(qū)，相當(dāng)于一個大型的換熱器。汽輪機(jī)是為單缸，單抽中壓沖動抽凝式，額定轉(zhuǎn)數(shù)6500r/min，額定功率1500kw，汽輪機(jī)經(jīng)減速箱驅(qū)動發(fā)電機(jī)，并網(wǎng)發(fā)電。    系統(tǒng)工藝從脫鹽水站水處理開始直到發(fā)電結(jié)束，如圖1所示。2.1系統(tǒng)工藝對控制系統(tǒng)的要求    (1)為確保發(fā)電正常進(jìn)行，鍋爐、汽機(jī)和發(fā)電機(jī)三大系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)檢測必須準(zhǔn)確、可靠；    (2)為保證鍋爐系統(tǒng)的自動安全運行和蒸汽的質(zhì)量，要求對汽包液位控制、除氧氣的控制、凝結(jié)水井液位及蒸汽溫度的控制必須準(zhǔn)確；

5、60;   (3)在系統(tǒng)運行過程中，如果有關(guān)設(shè)備出現(xiàn)故障，應(yīng)在上位機(jī)畫面上提示報警信息，并依據(jù)情況，采取相應(yīng)的保護(hù)措施；    (4)控制系統(tǒng)操作簡單，參數(shù)設(shè)置、調(diào)整方便、便于操作；    (5)控制系統(tǒng)能實現(xiàn)軟手操，在任何情況下都有操作手段，防止操作失靈；    (6)操作員站顯示整個生產(chǎn)工藝流程、修改和打印各種有關(guān)參數(shù)。2.2系統(tǒng)控制檢測點    本系統(tǒng)溫度、壓力模擬量檢測較多，熱電偶檢測點20個，熱電阻測點21個，420mA電流測點136個；控制回路

6、7個，開關(guān)量輸出點42個，開關(guān)量輸入點86個，脈沖輸入量1個。3 控制系統(tǒng)的組成    根據(jù)工藝要求，我們選擇和利時公司的MACS SmartPro DCS系統(tǒng)。2個操作員站，1個工程師站，1臺I/O機(jī)柜。選擇FM143、FM147、FM148A、FM161、FM163、FM171模塊，系統(tǒng)合理的配置滿足了設(shè)計要求。該系統(tǒng)具有如下特點：3.1現(xiàn)場控制站    現(xiàn)場控制站是DCS系統(tǒng)直接與現(xiàn)場打交道的設(shè)備，是一個笮虸/O處理系統(tǒng)。有如下的技術(shù)特色：    主控單元：配備互為的主控單元，兩單元之間進(jìn)行熱備份，

7、同時接受網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，其中之一的主控單元發(fā)生故障，備份主控自動進(jìn)入工作狀態(tài)；    電源：采用UPS供電，冗余配置，兩個電源并聯(lián)使用，其中一個故障時，另一個自動接通，確保系統(tǒng)的高可靠運行和安全性；    網(wǎng)絡(luò)冗余：每個主控單元的多功能接口卡上設(shè)計有兩套SNET網(wǎng)絡(luò)接口，即實現(xiàn)SNET網(wǎng)絡(luò)的雙冗余結(jié)構(gòu)。    開放型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可并入企業(yè)管理網(wǎng)，便于全廠的計算機(jī)化管理。SmartPro系統(tǒng)的上述特點能使系統(tǒng)適應(yīng)生產(chǎn)工藝的要求，降低系統(tǒng)成本。    在工程師站，按工藝提出的控制要求

8、，完成下位機(jī)應(yīng)用軟件組態(tài)，并通過通訊網(wǎng)絡(luò)下載到冗余的主從控制器上。程序?qū)?yán)格按工藝要求的順序，不斷地循環(huán)掃描各種不同類型的輸入，并將邏輯運算處理結(jié)果、動作指令通過輸出模塊輸出到相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，完成工藝流程所要求的任務(wù)。    操作員站是人機(jī)對話的界面，幾乎所有的控制指令和狀態(tài)參數(shù)均在此交互。在操作員站上可以分別顯示現(xiàn)場的各種工藝參數(shù)的測量值和脫鹽水站流程圖、鍋爐流程圖、汽輪機(jī)的流程圖、DCS系統(tǒng)組成框圖、報警畫面、操作日志等，有關(guān)參數(shù)和設(shè)備聯(lián)鎖的設(shè)置。并且可以顯示某些重要參數(shù)的歷史趨勢圖，定時和定點打印各種報表，操作簡單，可以滿足操作控制和生產(chǎn)管理的要求。3.2

9、控制設(shè)備    控制設(shè)備包括電動閥門：鍋爐主蒸汽電動閥門、鍋爐放空電動閥門、鍋爐緊急放水電動閥門、汽機(jī)主蒸汽電動閥門、汽機(jī)放空電動閥門、兩臺凝結(jié)水泵、兩臺熱循環(huán)水泵、兩臺鍋爐給水泵、兩臺循環(huán)水泵、電動齒輪油泵、電磁閥(汽機(jī)磁勵斷路器)等，凝結(jié)水泵、熱水循環(huán)泵和鍋爐給水泵均為聯(lián)鎖控制。程序聯(lián)鎖框圖如圖2，其它設(shè)備聯(lián)鎖方法相同。3.3PID控制    (1)鍋爐汽包液位的控制    在鍋爐控制系統(tǒng)中，汽包液位的控制是一個重要的環(huán)節(jié)，它直接影響鍋爐的安全和蒸汽品質(zhì)的好壞，也是汽輪機(jī)安全運行的必要條件之一。依據(jù)設(shè)

10、計要求和硫酸廠余熱氣體的實際工況，采用三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。即：汽包液位、蒸汽流量和給水流量。其中主信號是水位，水位與給水流量構(gòu)成一般的反饋系統(tǒng)，蒸汽流量變化時，調(diào)節(jié)啟動，相應(yīng)地改變給水流量，這樣當(dāng)負(fù)荷變化出現(xiàn)“虛假水位”時，由于采用蒸汽流量，就有了與負(fù)荷同方向變化的信號，從而減少由于“虛假水位”現(xiàn)象而使給水量與負(fù)荷相反方向變化的趨勢，而當(dāng)給水量自發(fā)地變化時，調(diào)節(jié)器能立即動作，使給水流量恢復(fù)到原來的數(shù)值，如圖3所示，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。    (2)主蒸汽溫度的控制    按原設(shè)計要求：現(xiàn)場鍋爐出汽溫度的控制主要通過給水閥的開度大小來調(diào)節(jié)的，采

11、用單沖量PID閉環(huán)控制，維持過熱器出口溫度在允許范圍內(nèi)，并確保管壁溫度不超過允許的工作溫度。但在實際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，控制效果不十分理想，主要原因是擾動較大，系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。我們采用“前饋調(diào)節(jié)”結(jié)合PID調(diào)節(jié)來對系統(tǒng)進(jìn)行控制。把蒸汽流量作為擾動信號加到調(diào)節(jié)回路中。當(dāng)流量變化時，調(diào)節(jié)器根據(jù)流量變化的大小來對閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，來補(bǔ)償流量對系統(tǒng)的影響，以消除干擾，能保持溫度控制在允許范圍內(nèi)。如圖4所示。    (3)除氧器液位的控制    (4)除氧器壓力的控制    (5)凝結(jié)器水井液位的控制  

12、;  (6)減溫減壓壓力的控制    (7)減溫減壓溫度的控制3.4鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的主要安全保護(hù)    汽包液位高保護(hù)    汽包液位低保護(hù)汽包壓力高保護(hù)    過熱蒸汽溫度高保護(hù)過熱蒸汽壓力高保護(hù)    汽機(jī)軸承回油溫度保護(hù)凝結(jié)汽真空保護(hù)    汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速高保護(hù)    汽輪機(jī)軸向位移保護(hù)    潤滑油壓保護(hù)除氧器低水位保護(hù) 

13、60;  發(fā)電機(jī)前后軸承溫度高保護(hù)發(fā)電機(jī)定子溫度高保護(hù)    每個保護(hù)參數(shù)均可以在上位機(jī)FacView參數(shù)畫面上選擇“選擇”或“取消”，當(dāng)選擇“選擇”時，相應(yīng)的保護(hù)條件投入；選擇“取消”時，程序?qū)⒉粚ζ溥M(jìn)行檢測。其中帶有*為自動停汽機(jī)。4 軟件編程    采用和利時公司提供的MACS Smart proV20系統(tǒng)下ConMaker和FacView在Windows NT40下，進(jìn)行軟件組態(tài)和編程。ConMaker是用于開發(fā)控制方案的開發(fā)平臺，包含有控制方案編輯器和仿真調(diào)試器，是一套完整控制編輯和調(diào)試軟件包。它為程序員提供了用簡

14、單的方法來操縱強(qiáng)大的語言，實現(xiàn)各種控制方案，并提供強(qiáng)大的離線仿真調(diào)試工具。提供如下編程方法：ST、SFC、FBD、CFC、IL、LD語言，每種語言都有其長處，我們采用四種編程組態(tài)方式。    在此系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)過程中，利用組態(tài)技術(shù)(數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入：UDFB：User Defined Function Block：Excel可選擇報表等)，建立最初始的程序，后使用幾種語言進(jìn)行添加和修改，使之成為最后的運行程序。程序按功能分成不同的子程序，程序主體結(jié)構(gòu)清晰，各個功能模塊結(jié)構(gòu)化，便于維護(hù)和修改，如圖5。此外，在軟件編程中，大量使用和利時公司開發(fā)的順控模塊(HSSCS)技術(shù)

15、，簡化了程序結(jié)構(gòu)，使之與上位機(jī)FacView的通訊簡單、方便。    本系統(tǒng)采用FacView軟件進(jìn)行人機(jī)界面軟件組態(tài)，操作員能在編制完成的軟件中對生產(chǎn)的全過程實施有效監(jiān)控。FacView上位機(jī)軟件組態(tài)為監(jiān)控系統(tǒng)提供了美觀和實用的人機(jī)對話窗口(HMI)，實現(xiàn)功能包括：鍋爐工藝流程圖、汽機(jī)工藝流程圖、除氧器工藝流程圖、脫鹽水站工藝流程圖、發(fā)電機(jī)工藝流程圖等畫面，在線PID整定、修改；動態(tài)趨勢圖、歷史趨勢圖、生產(chǎn)報表、事件報表、操作日志、設(shè)備管理、工藝參數(shù)設(shè)定和使用權(quán)限功能等。實時的掌握現(xiàn)場設(shè)備的運行狀況及參數(shù)變化，以圖形形式提供歷史和實時的毫秒趨勢圖，用趨勢和數(shù)據(jù)記錄靈敏度時監(jiān)視執(zhí)行情況和效率。由于系統(tǒng)中檢測變量較多，并且設(shè)備動作時間不同，有時會出現(xiàn)報警，如不及時診斷排除，勢必會