一、概述 寶塔石化35t/h開工鍋爐系統(tǒng)由除氧給水系統(tǒng)、鍋爐的汽水系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)、減溫減壓系統(tǒng)以及報(bào)警聯(lián)鎖五部分組成。 1、除氧給水系統(tǒng)： 除氧采用大氣式熱力除氧器（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熱（外界加熱蒸汽壓力為P=0.6Mpa流量為Q=4500-6500Kg/h,）除氧器的輔助加熱蒸汽來自連續(xù)排污膨脹器（V-302）產(chǎn)生的閃蒸汽Z′。除氧脫鹽水由鍋爐給水泵（P-106）（Q=40m3/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。 2、35t/h開工鍋爐的汽水系統(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等組成。控制原則流程圖（見圖1）,燃燒系統(tǒng)由干氣和空氣按一定的比例在爐膛內(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（V-117）降低過熱蒸汽溫度直到工業(yè)上需要的蒸汽。（注:主要以燃燒干氣為主） 3、送風(fēng)系統(tǒng)：由主鼓風(fēng)機(jī)（101）和副鼓風(fēng)機(jī)（103）提供： 主鼓風(fēng)機(jī)（101）的進(jìn)風(fēng)門（可手動(dòng)和自動(dòng)），（注: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(dòng)風(fēng)門手柄驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)風(fēng)門開關(guān)程度大?。榱藴p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)彎頭采用柔性聯(lián)結(jié)，其目的是為了防止鼓風(fēng)機(jī)振動(dòng)傳遞給預(yù)熱器，二是防止空預(yù)熱器熱脹推力傳遞給鼓風(fēng)機(jī)。空氣預(yù)熱器的出口與主燃燒相聯(lián)接采用剛性聯(lián)接。進(jìn)風(fēng)筒的上端與主燃燒室聯(lián)接采用焊接，下端采用螺栓固定；副鼓風(fēng)機(jī)（103）不預(yù)熱，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口有兩個(gè)，一個(gè)是從室外進(jìn)新風(fēng)，一個(gè)是 從鍋爐的排煙中用風(fēng)管抽取排煙。這兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口是相互聯(lián)系，又相互彼此獨(dú)立，在進(jìn)新風(fēng)管上安裝有電動(dòng)通風(fēng)碟閥，在進(jìn)排煙煙管上安裝有電動(dòng)斜板塵氣碟閥一個(gè)。付風(fēng)機(jī)與付燃燒室的聯(lián)接方式也是用一個(gè)進(jìn)風(fēng)筒，上端與付燃燒室相焊接，下端座用螺栓固定。 　　 4、減溫減壓系統(tǒng) 減溫減壓系統(tǒng)：過熱蒸汽通過減溫減壓器與除氧水進(jìn)行熱交換，使其溫度壓力變?yōu)橛脩粜枰恼羝? 5、連鎖和保護(hù)系統(tǒng)： 開工鍋爐的連鎖和保護(hù)系統(tǒng)針對汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，主要是過對熱蒸汽溫度、流量、壓力進(jìn)行檢測，檢測軸向位移，檢測各軸承溫度，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：A、汽機(jī)保護(hù)停機(jī)—通過磁力斷路油門將自動(dòng)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0.7毫米時(shí)；真空度大于0.04MP時(shí)；油壓小于0.03MP時(shí)；推力瓦溫度大于100度時(shí)；汽機(jī)超速時(shí)；發(fā)電機(jī)停機(jī)；用電負(fù)荷不正常時(shí)；保護(hù)電源消失時(shí)。并設(shè)緊急手動(dòng)停機(jī)按鈕。 B、報(bào)警信號（電鈴報(bào)警）：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。C、聯(lián)系信號（蜂鳴器提示）：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。 二、寶塔石化35t/h開工鍋爐DCS控制系統(tǒng)的配置及運(yùn)行 本系統(tǒng)設(shè)監(jiān)控操作站2個(gè)，后備手操器控制臺(tái)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訊處理單元。其運(yùn)行的方式是在通訊網(wǎng)絡(luò)上掛接通信接口單元（CIU）可實(shí)現(xiàn)集散控制系統(tǒng)（DCS）與可編程序控制器（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)的百特BT7000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)的存貯、歷史趨勢存貯與查看、生產(chǎn)過程報(bào)表生成與輸出等功能。通訊網(wǎng)絡(luò)采用總線形或星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]，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[1]，其特點(diǎn)是可靠性高、糾錯(cuò)能力強(qiáng)、通信效率高。 Table 1 The configuration of hardware and software in the DCS 后備手操器控制臺(tái)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。 三、35t/h開工鍋爐主要控制方案 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)鍵的要求高的場合，就必須采用一些復(fù)雜的控制 ，這些復(fù)雜的控制回路對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行起決定性的因素,開工鍋爐本體部分有如下幾個(gè)主要控制系統(tǒng)： 　　 1、在鍋爐本體部分： 1.1 設(shè)置爐膛溫度、壓力和火焰檢測； 1.2 主給水流量、溫度和壓力檢測； 1.3 過熱蒸汽的流量、溫度和壓力檢測； 1.4 干氣的流量、溫度和壓力檢測； 1.5除氧器液位和溫度調(diào)節(jié)（單回路控制） ； 1.6 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)； 1.7 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)； 2、過熱蒸汽出口溫度控制： 2.1 串級控制組成結(jié)構(gòu)和基本概念【2】 串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)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。前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。 一次擾動(dòng)：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。二次擾動(dòng)：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。 2.2 通過DCS來實(shí)現(xiàn)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)： ① 依據(jù)鍋爐汽水原則流程圖見圖1： ② 在已知工藝控制參數(shù)后，應(yīng)用百特BT7000圖形化組態(tài)軟件，依照DCS串級控制原理圖進(jìn)行組態(tài)，達(dá)到實(shí)現(xiàn)上述工藝流程的有效控制。DCS串級控制原理圖見圖2【3】 DCS串級控制原理圖中各參數(shù)變量說明見表2： Table 2 The parameter elucidation 結(jié)論: 結(jié)合DCS串級控制原理圖對系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)后模擬運(yùn)行，該控制方案很好的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(dòng)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(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量，迅速克服了進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)，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)，并保護(hù)過熱器，使其管壁溫度不超過允許的工作溫度，確保了生產(chǎn)平穩(wěn)、安全。 3、汽包水位控制： 3.1 導(dǎo)致開工鍋爐汽包水位波動(dòng)幾個(gè)工藝參數(shù)： 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(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離，產(chǎn)生的飽和水蒸汽帶水過多，這會(huì)使過熱器結(jié)垢而導(dǎo)致?lián)p壞，同時(shí)也會(huì)使過熱蒸汽溫度急劇下降，當(dāng)該蒸汽作為汽輪機(jī)動(dòng)力時(shí)就會(huì)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(huì)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，所以必須嚴(yán)格控制汽包水位。 依據(jù)鍋爐系統(tǒng)研究汽包水位的動(dòng)態(tài)特性[4]: 由寶塔石化35t/h開工鍋爐系統(tǒng)鍋爐的汽水系統(tǒng)原則流程圖（見圖1）可知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，分析如下： A 給水量變化對汽包水位的影響 當(dāng)給水量在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)由W0突然增大⊿W時(shí)，雖然給水量大于蒸發(fā)量，但由于增加的那部分水要從原有的飽和汽水中吸取一部分熱量，這就使水面下一部分汽泡容積有所減少，（一部分汽相釋熱變?yōu)橐合啵黾硬糠纸o水首先必須填補(bǔ)汽水管路中汽泡減少所讓出的空間。在這段時(shí)間內(nèi)，雖然給水量增加了，但上鍋筒的水位基本不變H0。當(dāng)水面下汽泡容積的變換趨于平衡時(shí)，水位才由于汽包中儲(chǔ)水量的增加而逐漸上升。最后當(dāng)水面下汽泡容積不在變化時(shí)，水位變化就會(huì)隨汽包儲(chǔ)水量的增加而直線上升。如圖2所示。 B 蒸汽負(fù)荷的變化對汽包水位的影響 當(dāng)過熱蒸汽在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)由D0突然增大⊿D時(shí)，由于汽包中壓力減小，汽水循環(huán)管路中的汽化強(qiáng)度增加，上鍋筒內(nèi)蒸發(fā)面以下汽泡容積將增大。汽泡體積膨脹所引起的液位按圖5中H2曲線變化。而實(shí)際汽包中水位變化H，應(yīng)該是不上鍋筒內(nèi)蒸發(fā)面以下汽泡容積將增大水位變化H1，與只考慮水面下汽泡容積變化所引起的水位變化H2疊加的結(jié)果。見圖5所示: 由圖5可知，當(dāng)蒸發(fā)量增大時(shí)，蒸發(fā)量大于給水量，上鍋筒內(nèi)水位不僅不下降，反而會(huì)迅速上升，造成”假液位”現(xiàn)象的產(chǎn)生。只有當(dāng)汽水混合物中汽泡與負(fù)荷相適應(yīng)而達(dá)到穩(wěn)定后，水位才因物料不平衡而開始下降。在這個(gè)過程中如果不及時(shí)增加鍋爐給水，很難恢復(fù)有效的控制,而造成重大事故的發(fā)生。需要說明的是，”假液位”變化的幅度與鍋爐汽包壓力以及蒸發(fā)量有關(guān)。而且由”假液位”引起的水位最大偏差很難依靠調(diào)節(jié)來克服，這就需要限制過熱蒸汽的負(fù)荷量以及鍋爐給水量。 C 爐膛熱負(fù)荷的變化對汽包水位的影響 在供水量、蒸汽負(fù)荷量不變的的情況下，當(dāng)然料量突然增加時(shí)，傳給鍋爐的熱量增加，上升管中的蒸發(fā)強(qiáng)度將增大，使蒸發(fā)面的汽泡膨脹，汽泡將托著液位上升，然而這是給水量并沒有增加，因此，這種液位的變化屬于”假液位”。不過，由于燃料量變化引起的”假液位”現(xiàn)象比較小，而且熱負(fù)荷由蒸汽壓力控制系統(tǒng)來保證，因而它的影響是次要的。 由以上分析可知, 為了保證開工鍋爐上鍋筒液位的穩(wěn)定在允許的范圍內(nèi)，就必須對上述三個(gè)參數(shù)進(jìn)行有效的控制。鑒于此:寶塔石化35t/h開工鍋爐汽包水位采用了三沖量控制，并且進(jìn)一步的通過DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn),其方法如下: 3.2 三沖量控制組成結(jié)構(gòu)和基本概念【2】 由三沖量控制系統(tǒng)方塊圖 如圖6可知:三沖量控制其實(shí)質(zhì)是前饋-串級控制系統(tǒng)。因此，在三沖量的控制系統(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。 依據(jù)鍋爐汽水原則流程圖（見圖1）,在已知工藝控制參數(shù)后，應(yīng)用百特BT7000圖形化組態(tài)軟件，依照DCS三沖量控制原理圖進(jìn)行組態(tài)，達(dá)到實(shí)現(xiàn)上述工藝流程的有效控制。DCS串級控制原理圖見圖7【3】 DCS三沖量控制原理圖中各參數(shù)變量說明見表3： Table 3 The parameter elucidation 結(jié)論：結(jié)合DCS三沖量控制原理圖對系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)后模擬運(yùn)行，該控制很好的克服了工藝過程中”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)閥明顯的非線形特性、擾動(dòng)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，有效的做到了靜態(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(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量，確保了生產(chǎn)平穩(wěn)、安全。 四、結(jié)論 本系統(tǒng)自2006年6月正式驗(yàn)收以來，運(yùn)行狀況穩(wěn)定，效果良好?？刂菩Ч?，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(dòng)化控制率達(dá) 92% 以上，大大降低了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工作環(huán)境。系統(tǒng)提供了通訊接口，通過調(diào)制器與遠(yuǎn)程網(wǎng)關(guān)計(jì)算機(jī)連接，可并入全廠管理網(wǎng)，為日后實(shí)現(xiàn)全廠安全生產(chǎn)過程監(jiān)控網(wǎng)提供了條件。在整個(gè)系統(tǒng)方面： DCS系統(tǒng)功能強(qiáng)大，界面友好，軟件組態(tài)十分方便，在系統(tǒng)調(diào)試中能實(shí)時(shí)修改而無需下裝程序。使得工程師在復(fù)雜的智能控制調(diào)試中，無論是修改程序還是訓(xùn)練參數(shù)，具有不可比擬的優(yōu)越性。人力資源方面： DCS系統(tǒng)改進(jìn)了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)，克服了調(diào)節(jié)死區(qū)帶來的調(diào)節(jié)滯后的弊??；改進(jìn)了上鍋筒水位的判別條件，使其根據(jù)影響上鍋筒液位每個(gè)參數(shù)的變化趨勢做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，以更準(zhǔn)確及時(shí)地給上鍋筒補(bǔ)水，大大提高控制的抗干擾能力，特別是來自過熱蒸汽波動(dòng)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，從而既能及時(shí)地保護(hù)上鍋筒內(nèi)因液位過高造成飽和水蒸汽帶水過多，使過熱器結(jié)垢而損壞，同時(shí)也會(huì)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)確地將液位有效地控制在額定值范圍內(nèi)。