基于PCS7的余熱鍋爐熱力控制系統(tǒng)

卜守國，王延鵬，彭 湃，陳云霞

塔里木油田塔西南勘探開發(fā)公司，新疆澤普 844804

1 背景簡介

隨著能源供求的日趨緊張，節(jié)能減排、提高能源利用率成為了我國的基本國策，天然氣發(fā)電機組帶余熱鍋爐的熱電聯(lián)供模式在國內(nèi)應(yīng)用越來越廣。此模式不僅可以提高能源的利用效率，而且減少了大氣環(huán)境污染，具有節(jié)約能源、改善環(huán)境、提高供熱質(zhì)量等綜合效益

塔西南燃機電站地處南疆，，承擔著為塔西南石油基地提供生產(chǎn)和生活用電及蒸汽的任務(wù)。電站原有3臺美國Solar公司Titan130燃氣輪機，總裝機容量40.5MW，配套的有3臺單壓余熱鍋爐，為周圍工廠提供60噸/小時的1.6MPa蒸汽。為適應(yīng)化工發(fā)展的電力和熱力需要，電站擴建了4臺Solar公司Titan130燃氣輪機及配套雙壓余熱鍋爐，同時加裝一臺快裝鍋爐及一套軟化水系統(tǒng)，建成后總裝機容量達到94.5MW，蒸汽產(chǎn)量130噸/小時，其中4.6MPa蒸汽40噸/小時，1.6MPa蒸汽70噸/小時，0.35MPa蒸汽20噸/小時。以滿足基地電力、工廠蒸汽及生活供暖需要。

電站熱力系統(tǒng)部分控制系統(tǒng)采用西門子PCS7來完成生產(chǎn)過程的補燃控制、PID控制、 數(shù)據(jù)運算、邏輯控制等。本文從測控項目、 硬件配置、 編程組態(tài)、 監(jiān)控界面設(shè)計等方面介紹如何實現(xiàn)余熱鍋爐熱力系統(tǒng)控制。項目投產(chǎn)已來，整個系統(tǒng)運行平穩(wěn)，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟和社會效益。

2 系統(tǒng)簡要工藝介紹及控制項目

燃機電站以天然氣為燃料，進行電力及蒸汽生產(chǎn)。天然氣和空氣在燃機中燃燒，推動透平旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機產(chǎn)生電能，燃燒后的尾氣排入鍋爐加熱水產(chǎn)生過熱蒸汽，供給周圍工廠加熱原料或驅(qū)動蒸汽透平。雙壓余熱鍋爐具體流程為：除鹽水通過除氧器后，被給水泵打至給水管線，經(jīng)過省煤器初步加熱后進入汽包，汽包中的水向下流入蒸發(fā)器加熱成飽和蒸汽返回汽包，飽和蒸汽從汽包頂部依次進入前置過熱器、補燃器后的過熱器加熱成過熱蒸汽，供給用戶。當尾氣熱量不足時，開啟補燃，用低壓天然氣燃燒，產(chǎn)生熱量，確保蒸汽溫度和壓力。在中壓蒸汽系統(tǒng)后還有低壓蒸汽系統(tǒng)，沒有過熱部分，其他流程同中壓部分，產(chǎn)生飽和蒸汽供給除氧器為除鹽水除氧。低壓蒸汽系統(tǒng)后為熱水器，為整個基地工廠及生活區(qū)供暖。整個鍋爐采用能源階梯利用的方式，實現(xiàn)了能源的最大利用，熱效率接近90%，比起燃機33.5%的效率大大提高。

同時，電站整個熱力系統(tǒng)較為復(fù)雜，分為4.6MPa、1.6 MPa中壓蒸汽，0.35 MPa低壓蒸汽、采暖熱水四個部分，當?shù)蜔崃坎糠譂M足不了要求時，需要對高一級蒸汽進行減溫減壓或換熱，滿足系統(tǒng)要求。這個四部分要求整體經(jīng)濟運行，因此控制邏輯比較復(fù)雜。與余熱鍋爐配套的快裝鍋爐和軟化水系統(tǒng)為均采用S7300及觸摸屏就地控制，也要將數(shù)據(jù)遠傳至余熱鍋爐控制系統(tǒng)。綜合上述，又通過對其工藝特點進行深入細致具體分析，余熱鍋爐熱力系統(tǒng)部分控制應(yīng)該有以下特點：

1）為確保系統(tǒng)安全，DCS過程控制站的過程控制站、電源、通信網(wǎng)絡(luò)必須冗余；2）實現(xiàn)主要控制方式：高低壓汽包水位自動控制；補燃系統(tǒng)自動投停及調(diào)節(jié)；鍋爐三通擋板控制及連鎖； 4.6MPa、1.6 MPa中壓蒸汽，0.35 MPa低壓蒸汽三者之間達到平衡；除氧器水位控制及各種邏輯控制等；3）熱網(wǎng)系統(tǒng)與燃機、電力調(diào)度、快裝鍋爐、軟化水系統(tǒng)進行互連通訊。

圖1 電站熱力系統(tǒng)圖

3 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)供有控制點數(shù)1060點，屬于中型控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括冗余控制器417H兩套，輸入輸出模塊140塊。工程師站、操作員站各一套。控制回路中三沖量控制回路4個，串級控制回路4個，普通單回路22個，順控程序8個，采集數(shù)據(jù)809個，顯示畫面10個，與其它系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信3條通道?，F(xiàn)場儀表采用變送器及熱電偶、熱電阻、調(diào)節(jié)閥等通用儀表，其中4.6MPa向1.6MPa減壓采用氣動調(diào)節(jié)閥，1.6MPa向0.35MPa減壓采用機械式調(diào)節(jié)閥。接線采用硬接線。與其它系統(tǒng)通訊采用MODBUS協(xié)議及西門子自身DP協(xié)議通訊。

圖2 PCS7硬件圖

4 控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)和要點

4.1 控制系統(tǒng)的各種功能

過程控制功能：高低壓汽包、除氧器液位控制，過熱蒸汽溫度控制，減溫減壓器溫度控制，減溫減壓器壓力，補水壓力控制等。

順序控制功能：三通擋板控制，補燃點火控制，汽水采樣控制，緊急放空、緊急放水等連鎖保護。

通訊功能：與燃機系統(tǒng)通訊，與電調(diào)系統(tǒng)通訊，采集快裝鍋爐及軟化水數(shù)據(jù)。

4.2 主要控制功能的實現(xiàn)

汽包水位控制：汽包水位控制采用三沖量控制，通過給水及蒸汽流量對汽包液位進行補償，為達到穩(wěn)定控制的目的，引入了壓力對液位的修正，使遠傳液位更接近真實液位。在控制低壓汽包水位過程中，發(fā)現(xiàn)因供水壓力過低，調(diào)節(jié)閥開度在60%～100%時，流量無明顯變化，因此將最大閥位設(shè)定在60%，減小系統(tǒng)波動。

過熱蒸汽控制：過熱蒸汽質(zhì)量控制原設(shè)計控制量為母管壓力,調(diào)試時發(fā)現(xiàn)供大化蒸汽壓降較小,溫降較大,因此改為溫度控制。蒸汽溫度控制采用串級控制，燃控制控制對象為過熱蒸汽溫度，控制補燃調(diào)節(jié)閥，邏輯是：采集過熱蒸汽溫度，補燃后煙氣溫度，通過過熱蒸汽對補燃后煙氣溫度進行補償，調(diào)節(jié)補燃量。因為此鍋爐添加了前置過熱器以穩(wěn)定煙氣流，所以當蒸汽溫度在430℃～440℃之間時，保持補燃量不變，引入溫度調(diào)節(jié)閥參與調(diào)解，達到穩(wěn)定控制的目的。

補燃點火控制：此系統(tǒng)進鍋爐前共有四道關(guān)斷閥，補燃點火前對每道閥都進行閥檢，完成后先點小火，然后再用小火引燃大火。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)每臺鍋爐的點火情況不同，因此根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗，對點火時間做了適當?shù)男薷?，提高了補燃點火的成功。

汽水采樣控制：本系統(tǒng)共有三套汽水采樣系統(tǒng)，其中4、5、6號，7、8號，9、10號爐分別共用一套，因此采樣系統(tǒng)應(yīng)輪流對火爐取樣。通常情況下，我們開4到5臺鍋爐，對于鍋爐是否開啟，先做下判斷，如果開啟，則進行采樣，不開啟則跳過。在每次切換后，數(shù)據(jù)顯示有5分鐘間隔，提高采樣數(shù)據(jù)準確性鍋爐三通擋板控制：在鍋爐不運行情況下，擋板打至鍋爐通道，在鍋爐運行情況下，擋板打至旁通側(cè)。因鍋爐啟爐時加熱過快會導(dǎo)致鍋爐汽包液位大幅波動，因此采用汽包溫度控制擋板開度，并設(shè)置了手動模式。

非冗余系統(tǒng)與冗余系統(tǒng)互連：本系統(tǒng)配套建設(shè)一個快裝鍋爐，在余熱鍋爐事故狀態(tài)下，確保煉油催化系統(tǒng)提供蒸汽，另有一個軟化水系統(tǒng)，為采暖系統(tǒng)提供補水，控制系統(tǒng)均為S7-300就地觸摸屏控制，因為減少工作人員實現(xiàn)集中控制的目的，需要將其接入DCS，實現(xiàn)非冗余系統(tǒng)接入冗余系統(tǒng)。二者通過Y-LINK實現(xiàn)硬件連接，通信協(xié)議為Profibus總線，實現(xiàn)主站對從站的控制。

Modbus通訊：系統(tǒng)Modbus通訊對象一個是燃機控制站，AB的PLC5,軟件為logix5,DCS做主站，燃機控制站是從站，另一個為電力調(diào)度數(shù)據(jù)采集站，為南瑞NT2000。電調(diào)為Modbus主站，DCS為從站。

5 系統(tǒng)調(diào)試

5.1 整個系統(tǒng)的安裝組態(tài)調(diào)試步驟

硬件安裝及接線；安裝PCS76.1工程師站軟件；硬件組態(tài)及下載；程序編寫編譯下載；制作人機界面及通訊連接；系統(tǒng)調(diào)試仿真；與現(xiàn)場儀表聯(lián)調(diào)；運行中出現(xiàn)問題處理。

5.2 調(diào)試中故障處理

調(diào)試過程是一個非常重要的過程，在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)了不少問題也解決了不少問題。主要有以下幾個問題：

1）有一些模擬量信號不正常，應(yīng)該是4MA但實際測量信號超過了20MA溢出了，經(jīng)過分析和現(xiàn)場的測量，發(fā)現(xiàn)是干擾照成的，解決方法：把不正常的模擬量信號的負級與24DCV的M級連接后信號正常；2）補燃流量偏差大。補燃流量與實際值相比較相差約3倍，經(jīng)過對流量計參數(shù)檢查，發(fā)現(xiàn)編程時參數(shù)選擇錯誤，將參數(shù)進行了修正。

6 結(jié)論

余熱鍋爐熱網(wǎng)控制系統(tǒng)投用至今，運行平穩(wěn)，從未發(fā)生故障，控制參數(shù)符合設(shè)計要求，滿足了余熱鍋爐熱網(wǎng)系統(tǒng)的控制要求。節(jié)能減排理念已經(jīng)深入人心，對于石油化工行業(yè)尤為重要，二余熱鍋爐的使用是節(jié)能減排的一項重要措施，本文基于PCS7的余熱鍋爐熱網(wǎng)控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍較廣，具有很大參考價值。

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