孫彥軍,郭 亮,辛 祎,丁劉濤

(1.寧夏寶塔石化集團(tuán)設(shè)計(jì)院(有限公司),銀川 750002; 2.寧夏寶塔能源化工有限公司,寧夏靈武 751400)

1 工藝概述

寧夏寶塔石化35 t/h開工鍋爐(以下簡稱:開工鍋爐)由以下五部分組成。

a)除氧給水系統(tǒng)。除氧采用大氣式熱力除氧器,除氧能力qV=40 m3/h。由管道泵(qV=50～60 m3/h)送至除氧器除氧。除氧器由外界蒸汽加熱(外界加熱蒸汽壓力p=0.6 MPa,流量 qV= 4 500～6 500 kg/h),除氧器的輔助加熱蒸汽來自連續(xù)排污膨脹器產(chǎn)生的閃蒸汽Z′。除氧脫鹽水由鍋爐給水泵(qV=40 m3/h)一路經(jīng)鍋爐給水調(diào)節(jié)閥進(jìn)混合器,另一路進(jìn)面式減溫器后回水進(jìn)入混合器和第一路鍋爐給水混合后進(jìn)入省煤器進(jìn)行加熱到規(guī)定的溫度后進(jìn)入循環(huán)硫化床鍋爐。

b)汽水系統(tǒng)[1]。系統(tǒng)由除氧給水泵,鍋爐給水泵,鍋爐給水調(diào)節(jié)閥、省煤器、汽包(上下鍋筒)、面式減溫器和過熱器組成,流程如圖1所示[2],燃燒系統(tǒng)由干氣和空氣按一定比例在爐膛內(nèi)燃燒,產(chǎn)生的熱量使汽包內(nèi)的水汽化,產(chǎn)生的飽和蒸汽進(jìn)入過熱器進(jìn)一步加熱成為過熱蒸汽至蒸汽母管,進(jìn)入減溫減壓器降低過熱蒸汽溫度直到工業(yè)上需要的蒸汽(注:鍋爐主要以燃燒干氣為主)。

c)送風(fēng)系統(tǒng)。主鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)門主要是通過爐內(nèi)的燃燒工況和煙氣的含氧量的多少來啟動風(fēng)門手柄驅(qū)動裝置實(shí)現(xiàn)風(fēng)門開關(guān)程度大小控制。為了減少噪音,主鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口是從室外的一個(gè)進(jìn)風(fēng)筒中進(jìn)風(fēng),主鼓風(fēng)機(jī)的出口處與空氣預(yù)熱器的進(jìn)風(fēng)彎頭采用柔性連接,一是為了防止鼓風(fēng)機(jī)振動傳遞給預(yù)熱器;二是防止空氣預(yù)熱器熱脹推力傳遞給鼓風(fēng)機(jī)?？諝忸A(yù)熱器的出口與主燃燒室采用剛性連接,進(jìn)風(fēng)筒的上端與主燃燒室連接采用焊接,下端采用螺栓固定。副鼓風(fēng)機(jī)不預(yù)熱,風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口有兩個(gè):從室外進(jìn)新風(fēng)和從鍋爐的排煙中用風(fēng)管抽取排煙。兩進(jìn)風(fēng)口相互聯(lián)系,又彼此獨(dú)立,在進(jìn)新風(fēng)管上安裝電動通風(fēng)碟閥,在進(jìn)排煙管上安裝電動斜板塵氣碟閥。副風(fēng)機(jī)與副燃燒室的連接也采用進(jìn)風(fēng)筒,上端與副燃燒室相焊接,下端座用螺栓固定。

圖1 鍋爐汽水系統(tǒng)流程示意

d)減溫減壓系統(tǒng)。減溫減壓系統(tǒng)是過熱蒸汽通過減溫減壓器與除氧水進(jìn)行熱交換,使其過熱蒸汽的溫度、壓力降低,變成用戶所需蒸汽的過程。

e)聯(lián)鎖和保護(hù)系統(tǒng)。開工鍋爐的聯(lián)鎖和保護(hù)系統(tǒng)針對汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng),主要是對過熱蒸汽溫度、流量、壓力進(jìn)行檢測,并同時(shí)檢測軸向位移、各軸承溫度,當(dāng)汽機(jī)處于異常工況時(shí),可通過聲音、屏幕報(bào)警等手段提醒操作員,對異常情況進(jìn)行處理。主要包括以下內(nèi)容:

1)汽機(jī)保護(hù)停機(jī)——通過磁力斷路油門將自動主汽門和調(diào)速汽門關(guān)閉。當(dāng)以下參數(shù)異常時(shí),汽機(jī)停機(jī):軸位移大于 0.7mm;真空度大于0.04 MPa;油壓小于0.03 MPa;推力瓦溫度大于100℃;汽機(jī)超速;發(fā)電機(jī)停機(jī);用電負(fù)荷不正常;保護(hù)電源消失以及設(shè)有緊急手動停機(jī)按鈕等。

2)報(bào)警信號(電鈴報(bào)警)有:主氣門關(guān)閉;抽氣閥關(guān)閉;發(fā)電機(jī)故障;用電負(fù)荷保護(hù);保護(hù)電源消失;主油箱液位;熱井液位;軸位移;凝氣器真空度;主蒸汽壓力;主蒸汽溫度;抽氣閥蒸汽壓力;潤滑油壓力;氣輪機(jī)轉(zhuǎn)速;推力瓦溫度;發(fā)電機(jī)軸承溫度。

3)聯(lián)鎖信號(蜂鳴器提示)有:汽機(jī)室至主控室(解除按鈕、注意、增加、減少、已合閘、已斷開、停機(jī)、更改命令、電話);主控室至汽機(jī)室(解除按鈕、注意、增加、減少、已合閘、已斷開、停機(jī)、更改命令、機(jī)器危險(xiǎn)、電話);鍋爐保護(hù)聯(lián)鎖停爐(鍋爐設(shè)緊急停爐按鈕。停爐保護(hù)包括:汽包水位超高和超低,爐膛壓力超高,汽包壓力超高,煤氣壓力超低,爐膛熄火)。當(dāng)火焰檢測器開關(guān)閉合時(shí),緊急關(guān)閉煤氣切斷閥。

2 DCS的配置及運(yùn)行

該系統(tǒng)設(shè)監(jiān)控操作站2個(gè),后備手操器控制臺1個(gè),現(xiàn)場控制站1個(gè),主控制器為熱備冗余控制站和通信處理單元[3]。其運(yùn)行的方式是在通信網(wǎng)絡(luò)上掛接通信接口單元(CIU)可實(shí)現(xiàn)DCS與PLC等數(shù)字設(shè)備的連接;通過多功能計(jì)算站(MFS)和相應(yīng)的IEC 61131-3[4]組態(tài)軟件可實(shí)現(xiàn)與企業(yè)管理計(jì)算機(jī)網(wǎng)的信息交換,實(shí)現(xiàn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)(Intranet)環(huán)境下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)流程查看、實(shí)時(shí)趨勢瀏覽、報(bào)警記錄與查看、開關(guān)量變位記錄與查看、報(bào)表數(shù)據(jù)的存儲、歷史趨勢存儲與查看、生產(chǎn)過程報(bào)表生成與輸出等功能。通信網(wǎng)絡(luò)采用總線型或星型拓樸結(jié)構(gòu)[4],曼徹斯特編碼方式,遵循開放的 TCP/IP協(xié)議和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。采用1∶1冗余的工業(yè)以太網(wǎng)(Ethernet),TCP/IP的傳輸協(xié)議輔以實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)故障診斷,其特點(diǎn)是可靠性高、糾錯(cuò)能力強(qiáng)、通信效率高。

后備手操器控制臺上,有引送風(fēng)、給水泵和循環(huán)泵電流表;發(fā)電機(jī)功率和頻率表;電接點(diǎn)液位計(jì)(汽包液位);引送風(fēng)調(diào)節(jié)手操器,一次風(fēng)調(diào)節(jié)手操器,鍋爐給水調(diào)節(jié)手操器,減溫水調(diào)節(jié)手操器,混合集箱進(jìn)水調(diào)節(jié)手操器,煤、氣量調(diào)節(jié)手操器,除氧器壓力液位調(diào)節(jié)手操器。

3 控制方案

開工鍋爐的控制大部分采用單回路PID常規(guī)控制,在一些關(guān)鍵點(diǎn)且要求高的場合,發(fā)現(xiàn)僅僅用單回路PID常規(guī)控制很難達(dá)到理想的控制效果。如:開工鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽溫度采用單回路控制,特別是鍋爐的水蒸氣壓力或者水蒸氣本身的熱值有較大波動時(shí),一方面容易燒壞爐管,減少鍋爐的使用壽命;另一方面不能保證過熱蒸汽的質(zhì)量,很難滿足后續(xù)工藝要求,為解決上述問題,將過熱蒸汽溫度單回路控制改用串級控制。汽包水位采用三沖量水位控制系統(tǒng)。

3.1 鍋爐本體主要控制回路

主要控制回路:設(shè)置爐膛溫度、壓力和火焰檢測;主給水流量、溫度和壓力檢測;過熱蒸汽的流量、溫度和壓力檢測;干氣的流量、溫度和壓力檢測;除氧器液位和溫度調(diào)節(jié)(單回路控制);過熱蒸汽溫度TIC(主回路)與減溫器進(jìn)水流量FIC(副回路)串級調(diào)節(jié);汽包水位LIC、過熱蒸汽出口流量FIC以及鍋爐給水流量FIC三沖量調(diào)節(jié)。

3.2 串級控制實(shí)現(xiàn)過熱蒸汽出口溫度控制

開工鍋爐過熱蒸汽出口溫度控制[5]采用兩套變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器,前一個(gè)調(diào)節(jié)器(主調(diào)節(jié)器)的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器(副調(diào)節(jié)器)的設(shè)定,后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。整個(gè)系統(tǒng)包括主回路和副回路。其串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[6]如圖2所示。

圖2 過熱蒸汽出口溫度串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

用DCS串級控制模塊進(jìn)行組態(tài)后模擬運(yùn)行,該控制方案很好地克服了工藝過程可控純滯后、工藝過程明顯的非線形特性、擾動劇烈且幅度大、控制性能要求高和參數(shù)之間存在重大的關(guān)聯(lián)等現(xiàn)象,并且改善了控制過程的動態(tài)特性,提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量,克服了進(jìn)入副回路的二次擾動,優(yōu)化了系統(tǒng)的工作頻率,使過熱蒸汽出口溫度維持在允許的范圍內(nèi),過熱器的保護(hù)起到了良好的作用。

3.3 汽包水位控制

鍋爐汽包水位控制是安全生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的保證。汽包水位過高,會影響汽包內(nèi)汽水分離,產(chǎn)生的飽和水蒸氣帶水過多,會使過熱器結(jié)垢而導(dǎo)致?lián)p壞,同時(shí)也會使過熱蒸汽溫度急劇下降,當(dāng)該蒸汽作為汽輪機(jī)動力時(shí)就會損壞汽輪機(jī)的葉片,造成重大事故的發(fā)生;水位過低,鍋爐的蒸發(fā)量增大,水的汽化速度加快,汽包內(nèi)水量迅速減少,如不及時(shí)控制,會使汽包內(nèi)的水全部汽化而導(dǎo)致干鍋,有引起鍋爐爆炸的危險(xiǎn)。因此,鍋爐水位過高過低的后果極為嚴(yán)重,必須嚴(yán)格控制汽包水位。影響汽包水位的主要干擾有鍋爐給水量的變化、過熱蒸汽負(fù)荷量的變化以及爐膛熱負(fù)荷的變化。應(yīng)用DCS實(shí)現(xiàn)三沖量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

汽包水位控制其實(shí)質(zhì)是前饋-串級控制。因此,在三沖量控制系統(tǒng)中,其中汽包液位是被控變量,亦是串級控制系統(tǒng)中的主變量,是工藝的主要控制指標(biāo);給水量是串級控制系統(tǒng)中的副變量,引入這一變量的目的是為了副回路克服干擾的快速性來及時(shí)克服給水壓力變化對汽包液位的影響;蒸汽流量是作為前饋信號引入的,其目的是為了及時(shí)克服蒸汽負(fù)荷變化對液位的影響。該控制模式很好地克服了工藝過程中“假液位”現(xiàn)象,以及給水量變化的干擾,校正了工藝過程中給水調(diào)節(jié)閥明顯的非線性特性、擾動劇烈且幅度大、控制性能要求高和參數(shù)之間存在重大的關(guān)聯(lián)等現(xiàn)象,有效地做到了靜態(tài)補(bǔ)償,改善了控制過程給水量的變化、過熱蒸汽負(fù)荷量的變化以及爐膛熱負(fù)荷的變化所引起的動態(tài)特性。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)自2009年7月正式驗(yàn)收以來,運(yùn)行狀況穩(wěn)定,效果良好,完全適應(yīng)和滿足生產(chǎn)工藝的要求。整個(gè)生產(chǎn)過程的自動化控制率達(dá)92%以上,大大降低了操作工的勞動強(qiáng)度,改善了工作環(huán)境。利用DCS串級控制模塊實(shí)現(xiàn)了對鍋爐過熱蒸汽出口溫度控制;利用DCS三沖量控制模塊實(shí)現(xiàn)了對汽包液位的穩(wěn)定控制;利用DCS很好地克服了調(diào)節(jié)死區(qū)帶來的調(diào)節(jié)滯后的弊病,改進(jìn)了上鍋筒水位的判別條件。根據(jù)影響上鍋筒液位每個(gè)參數(shù)的變化趨勢做出相應(yīng)地調(diào)節(jié),大大提高控制的抗干擾能力,特別是來自過熱蒸汽波動及鍋爐給水的干擾;改進(jìn)了上鍋筒“假液位”現(xiàn)象的控制方法,既能及時(shí)地保護(hù)上鍋筒內(nèi)因液位過高造成飽和水蒸氣帶水過多,使過熱器結(jié)垢而損壞,同時(shí)也會使過熱蒸汽溫度急劇下降和因液位過低造成的蒸發(fā)量增大,水的汽化速度加快,汽包內(nèi)水量迅速減少而導(dǎo)致汽包內(nèi)的水全部汽化而干鍋,又能及時(shí)準(zhǔn)確地將液位控制在額定值范圍內(nèi)。

圖3 汽包水位三沖量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

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