DCS系统在硫酸余热发电过程中的应用

DCS系统在硫酸余热发电过程中的应用发布时间：2003-12-913:40:22赵群，唐文军,刘彤军，吴冈(黑龙江省科学院自动化研究所哈尔滨150090)摘要：本文简述了硫酸余热发电的工艺流程，及工艺对系统控制的要求，并用DCS系统实现对硫酸厂、脱盐水站、废热锅炉、汽轮机、发电机等的重要参数进行检测，对锅炉汽包、主蒸汽等实施有效控制，及用联锁控制确保系统正常安全运行的方法。关键词：余热；发电;DCS1引言目前在冶炼企业的正常生产中，有大量的副产品产生，如何变废为宝，不浪费现有资源是企业提高经济效益的重要课题之一。硫酸也是其中主要的副产品，而在硫酸生产过程中，伴有大量的热量放出，产生的硫酸余热温度较高，保持在750℃～950℃之间，硫酸生产废热利用的好坏，不仅影响企业的经济效益，也是衡量生产装置技术和管理水平高低的一个重要标志。一般情况下，余热经过冷却等工序处理后被排入大气，既造成能源浪费，又容易污染环境；另一方面在生产处理过程中，又要消耗大量电能。本文研究了在硫酸行业利用硫酸余热发电的工艺，成功地运用DCS技术，实现整个生产全过程自动监控。利用硫酸余热蒸汽推动汽轮机发电，不仅满足生产系统用电需要，还可以并网发电。有效地降低了生产成本，提高了企业的经济效益，净化了厂区和周围的环境。2系统工艺流程本系统以废热锅炉为中心，由汽轮机、发电机等组成。主要特点是节能、经济效益高。因为废热锅炉的燃料为冶炼企业硫酸生产过程中的硫酸余气，利用硫酸余热，经过废热锅炉热交换产生的气体，驱动汽轮机并带动发电机并网发电。锅炉是8T废热锅炉，炉气量1870Nm/h，炉气进口温度900℃，过热蒸汽压力3．82MPa，过热蒸汽温度450℃，有1个过热、3个蒸发区，相当于一个大型的换热器。汽轮机是为单缸，单抽中压冲动抽凝式，额定转数6500r/min，额定功率1500kw，汽轮机经减速箱驱动发电机，并网发电。系统工艺从脱盐水站水处理开始直到发电结束，如图1所示。2.1系统工艺对控制系统的要求(1)为确保发电正常进行，锅炉、汽机和发电机三大系统的动态参数检测必须准确、可靠；(2)为保证锅炉系统的自动安全运行和蒸汽的质量，要求对汽包液位控制、除氧气的控制、凝结水井液位及蒸汽温度的控制必须准确；(3)在系统运行过程中，如果有关设备出现故障，应在上位机画面上提示报警信息，并依据情况，采取相应的保护措施；(4)控制系统操作简单，参数设置、调整方便、便于操作；(5)控制系统能实现软手操，在任何情况下都有操作手段，防止操作失灵；(6)操作员站显示整个生产工艺流程、修改和打印各种有关参数。2.2系统控制检测点本系统温度、压力模拟量检测较多，热电偶检测点20个，热电阻测点21个，4～20mA电流测点136个；控制回路7个，开关量输出点42个，开关量输入点86个，脉冲输入量1个。3控制系统的组成根据工艺要求，我们选择和利时公司的MACSSmartProDCS系统。2个操作员站，1个工程师站，1台I/O机柜。选择FM143、FM147、FM148A、FM161、FM163、FM171模块，系统合理的配置满足了设计要求。该系统具有如下特点：3.1现场控制站现场控制站是DCS系统直接与现场打交道的设备，是一个笮虸/O处理系统。有如下的技术特色：主控单元：配备互为的主控单元，两单元之间进行热备份，同时接受网络数据，其中之一的主控单元发生故障，备份主控自动进入工作状态；电源：采用UPS供电，冗余配置，两个电源并联使用，其中一个故障时，另一个自动接通，确保系统的高可靠运行和安全性；网络冗余：每个主控单元的多功能接口卡上设计有两套SNET网络接口，即实现SNET网络的双冗余结构。开放型网络结构，系统可并入企业管理网，便于全厂的计算机化管理。SmartPro系统的上述特点能使系统适应生产工艺的要求，降低系统成本。在工程师站，按工艺提出的控制要求，完成下位机应用软件组态，并通过通讯网络下载到冗余的主从控制器上。程序将严格按工艺要求的顺序，不断地循环扫描各种不同类型的输入，并将逻辑运算处理结果、动作指令通过输出模块输出到相应的执行机构上，完成工艺流程所要求的任务。操作员站是人机对话的界面，几乎所有的控制指令和状态参数均在此交互。在操作员站上可以分别显示现场的各种工艺参数的测量值和脱盐水站流程图、锅炉流程图、汽轮机的流程图、DCS系统组成框图、报警画面、操作日志等，有关参数和设备联锁的设置。并且可以显示某些重要参数的历史趋势图，定时和定点打印各种报表，操作简单，可以满足操作控制和生产管理的要求。3.2控制设备控制设备包括电动阀门：锅炉主蒸汽电动阀门、锅炉放空电动阀门、锅炉紧急放水电动阀门、汽机主蒸汽电动阀门、汽机放空电动阀门、两台凝结水泵、两台热循环水泵、两台锅炉给水泵、两台循环水泵、电动齿轮油泵、电磁阀(汽机磁励断路器)等，凝结水泵、热水循环泵和锅炉给水泵均为联锁控制。程序联锁框图如图2，其它设备联锁方法相同。3.3PID控制(1)锅炉汽包液位的控制在锅炉控制系统中，汽包液位的控制是一个重要的环节，它直接影响锅炉的安全和蒸汽品质的好坏，也是汽轮机安全运行的必要条件之一。依据设计要求和硫酸厂余热气体的实际工况，采用三冲量调节系统。即：汽包液位、蒸汽流量和给水流量。其中主信号是水位，水位与给水流量构成一般的反馈系统，蒸汽流量变化时，调节启动，相应地改变给水流量，这样当负荷变化出现“虚假水位”时，由于采用蒸汽流量，就有了与负荷同方向变化的信号，从而减少由于“虚假水位”现象而使给水量与负荷相反方向变化的趋势，而当给水量自发地变化时，调节器能立即动作，使给水流量恢复到原来的数值，如图3所示，使系统稳定运行。(2)主蒸汽温度的控制按原设计要求：现场锅炉出汽温度的控制主要通过给水阀的开度大小来调节的，采用单冲量PID闭环控制，维持过热器出口温度在允许范围内，并确保管壁温度不超过允许的工作温度。但在实际调试过程中发现，控制效果不十分理想，主要原因是扰动较大，系统运行不稳定。我们采用“前馈调节”结合PID调节来对系统进行控制。把蒸汽流量作为扰动信号加到调节回路中。当流量变化时，调节器根据流量变化的大小来对阀门进行调节，来补偿流量对系统的影响，以消除干扰，能保持温度控制在允许范围内。如图4所示。(3)除氧器液位的控制(4)除氧器压力的控制(5)凝结器水井液位的控制(6)减温减压压力的控制(7)减温减压温度的控制3.4锅炉、汽轮机和发电机的主要安全保护汽包液位高保护汽包液位低保护汽包压力高保护过热蒸汽温度高保护过热蒸汽压力高保护汽机轴承回油温度保护凝结汽真空保护汽轮机转速高保护汽轮机轴向位移保护润滑油压保护除氧器低水位保护发电机前后轴承温度高保护发电机定子温度高保护每个保护参数均可以在上位机FacView参数画面上选择“选择”或“取消”，当选择“选择”时，相应的保护条件投入；选择“取消”时，程序将不对其进行检测。其中带有*为自动停汽机。4软件编程采用和利时公司提供的MACSSmartproV2．0系统下ConMaker和FacView在WindowsNT4．0下，进行软件组态和编程。ConMaker是用于开发控制方案的开发平台，包含有控制方案编辑器和仿真调试器，是一套完整控制编辑和调试软件包。它为程序员提供了用简单的方法来操纵强大的语言，实现各种控制方案，并提供强大的离线仿真调试工具。提供如下编程方法：ST、SFC、FBD、CFC、IL、LD语言，每种语言都有其长处，我们采用四种编程组态方式。在此系统应用软件开发过程中，利用组态技术(数据库导入：UDFB：UserDefinedFunctionBlock：Excel可选择报表等)，建立最初始的程序，后使用几种语言进行添加和修改，使之成为最后的运行程序。程序按功能分成不同的子程序，程序主体结构清晰，各个功能模块结构化，便于维护和修改，如图5。此外，在软件编程中，大量使用和利时公司开发的顺控模块(HSSCS)技术，简化了程序结构，使之与上位机FacView的通讯简单、方便。本系统采用FacView软件进行人机界面软件组态，操作员能在编制完成的软件中对生产的全过程实施有效监控。FacView上位机软件组态为监控系统提供了美观和实用的人机对话窗口(HMI)，实现功能包括：锅炉工艺流程图、汽机工艺流程图、除氧器工艺流程图、脱盐水站工艺流程图、发电机工艺流程图等画面，在线PID整定、修改；动态趋势图、历史趋势图、生产报表、事件报表、操作日志、设备管理、工艺参数设定和使用权限功能等。实时的掌握现场设备的运行状况及参数变化，以图形形式提供历史和实时的毫秒趋势图，用趋势和数据记录灵敏度时监视执行情况和效率。由于系统中检测变量较多，并且设备动作时间不同，有时会出现报警，如不及时诊断排除，势必会影响正常生产。为此，在实际组态过程中，采用多点多预报警系统，并在画面上以颜色加以区分，重要参数报警可实现画面锁定，使操作员提前做好准备工作，便于正确操作。5总结本系统在某冶炼企业硫酸厂投运以来，克服工艺设计资料不全，给项目实施过程中带来的困难，改进和优化了设计，系统运行效果良好。控制准确可靠，操作简单，维护方便。达到节能、增效和环保的目的，为企业创造了可观的经济效益和社会效益；同时，对同行业其它硫酸企业具有一定的参考价值。