煤粉制備裝置氣力輸送控制系統(tǒng)的優(yōu)化

劉經(jīng)緯 呼宏安 李國庭

(神華寧夏煤業(yè)集團煤化工分公司,銀川 750411)

在神華寧夏煤業(yè)集團煤化工分公司煤基烯烴項目中，采用GSP干煤粉氣化工藝，設(shè)有5臺GSP氣化爐(四開一備)，每臺氣化爐正常運行時消耗煤粉約70t/h，日均消耗合格干煤粉6 720t。氣化裝置所需的干煤粉由煤粉制備單元(CMD)經(jīng)氣力輸送系統(tǒng)輸送至GSP氣化爐的煤粉倉。

氣力輸送系統(tǒng)為成套設(shè)備(PU單元)的控制系統(tǒng)，采用兩套S7-400 PLC來實現(xiàn)冗余，由RS485通信電纜實現(xiàn)PLC與DCS之間的通信，工藝操作人員通過DCS操作界面來控制整個氣力輸送系統(tǒng)。但是由于氣力輸送系統(tǒng)在設(shè)計時其硬件配置與軟件設(shè)計存在缺陷，導(dǎo)致多次因主備CPU同步異常而引起CPU停運，且PLC與DCS之間的通信中斷導(dǎo)致氣力輸送系統(tǒng)發(fā)生故障，因此GSP氣化爐無法獲得CMD單元生產(chǎn)的合格煤粉而被迫將氣化裝置手動停車。為此，筆者對導(dǎo)致系統(tǒng)故障停車的原因進(jìn)行分析，提出了氣力輸送控制系統(tǒng)優(yōu)化改造的實施解決方案。

氣力輸送系統(tǒng)PLC的兩套CPU和卡件均接收并控制現(xiàn)場同一信號，兩套CPU之間通過同步光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)實時同步，但由于信號傳遞存在時間差和信號失真，且PLC軟、硬件設(shè)計不合理，導(dǎo)致兩套CPU同步故障，主備CPU先后停運，PLC與DCS通信故障。一旦PLC與DCS通信出現(xiàn)故障，工藝人員便無法操作控制整個氣力輸送系統(tǒng)。而且由于受PLC硬件影響和PLC與DCS通信的限制，將無法從PLC改造中徹底解決這一影響裝置安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)的運行隱患，因此將氣力輸送系統(tǒng)PLC改造成DCS系統(tǒng)迫在眉睫。

2 工作原理

克萊德氣力輸送系統(tǒng)的工作原理：煤粉倉和氣力輸送系統(tǒng)發(fā)送罐之間通過平衡閥實現(xiàn)壓力平衡(圖1)，當(dāng)入口圓頂閥打開后，煤粉在重力的作用下由煤粉倉落入氣力發(fā)送管，一段設(shè)定時間后或料位開關(guān)出現(xiàn)高料位報警時進(jìn)料結(jié)束，然后平衡閥和入口閥關(guān)閉，出口圓頂閥打開，充壓閥打開，向罐內(nèi)沖壓，一定時間后或壓力高于某一定值后開始發(fā)送煤粉，發(fā)粉一段時間或壓力低于某一定值時，煤粉發(fā)送結(jié)束，然后自動進(jìn)入下一個循環(huán)。

圖1 氣力輸送系統(tǒng)發(fā)送罐與管線分配

需要注意的是，兩個氣力發(fā)送管可以同時打開進(jìn)料閥進(jìn)料，但兩個發(fā)送罐的出口圓頂閥不可以同時打開發(fā)送煤粉，需要做互鎖。考慮DCS硬件、控制器容量和邏輯功能，DCS完全可以實現(xiàn)氣力輸送系統(tǒng)的全部功能，即將氣力輸送控制系統(tǒng)由PLC改為DCS是完全可以實現(xiàn)的。

3 解決方案

3.1 兩種控制系統(tǒng)的優(yōu)劣勢比較

結(jié)合神華寧夏煤業(yè)集團煤化工分公司的實際生產(chǎn)裝置，原PLC系統(tǒng)存在不足：成套設(shè)備PU打包單元的PLC程序可讀性不強，且部分程序進(jìn)行了封裝，理解、維護起來比較困難，一旦PLC出現(xiàn)比較復(fù)雜的故障，解決起來更加困難；PLC軟硬件設(shè)計不合理，主備CPU同步故障率較高，一旦出現(xiàn)同步故障極易引起整個系統(tǒng)癱瘓，影響氣化裝置的穩(wěn)定運行；系統(tǒng)設(shè)計不合理，8條線(4套發(fā)送系統(tǒng)每條線均有A/B兩條發(fā)送線)集中設(shè)置在一套PLC中，然后通過一條RS485通信線與DCS通信，未實現(xiàn)風(fēng)險分散，一旦通信失敗，整個氣力輸送系統(tǒng)8條線路立即無法正常運行，導(dǎo)致煤粉輸送中斷，影響氣化裝置穩(wěn)定運行；PLC上位機未設(shè)計監(jiān)控畫面，系統(tǒng)人員無法通過PLC畫面進(jìn)行遠(yuǎn)程巡檢，氣力輸送系統(tǒng)出現(xiàn)故障幾乎都是在工藝人員發(fā)現(xiàn)煤粉輸送系統(tǒng)運行異常后，通過電話聯(lián)系儀表當(dāng)班人員，儀表當(dāng)班人員才去檢查PLC系統(tǒng)運行情況及PLC與DCS通信等來查找并解決問題，延誤了故障的處理時間；PLC程序中閥門開關(guān)時間、進(jìn)料和發(fā)粉時間都是提前設(shè)定好的，無法進(jìn)行在線修改，如果工藝參數(shù)發(fā)生變化，必須將整個系統(tǒng)停止然后修改程序再下裝至控制器，當(dāng)信號出現(xiàn)誤報警時，順控程序?qū)⒅袛?，直到報警消失或手動將信號短接或強制后順控才能繼續(xù)進(jìn)行。

將氣力輸送系統(tǒng)的控制系統(tǒng)改為DCS系統(tǒng)有以下優(yōu)勢：

a. 儀表系統(tǒng)人員在開車前會經(jīng)過廠家DCS專業(yè)的培訓(xùn)，DCS設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)化編程語言、開放式程序設(shè)計、方便維護，解決故障時能夠更加及時有效。

b. 結(jié)合系統(tǒng)運行情況，DCS系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定可靠，將氣力輸送系統(tǒng)改造為DCS后可確保故障率的降低。

c. 改造后取消了PLC與DCS的單線通信，就不會因通信故障或其他故障導(dǎo)致氣力輸送系統(tǒng)全部癱瘓，DCS可實現(xiàn)分散控制，4套系統(tǒng)分別進(jìn)入不同的卡件和控制器，即使出現(xiàn)故障也只是單套系統(tǒng)故障，不會導(dǎo)致整個氣力輸送系統(tǒng)故障，極大地降低了氣力輸送系統(tǒng)故障對氣化裝置穩(wěn)定運行的影響。

d. DCS程序可讀性強，儀表當(dāng)班人員可以定期或不定期地在DCS畫面中巡檢，一旦發(fā)現(xiàn)問題可立即在氣化值班室內(nèi)處理，即使系統(tǒng)出現(xiàn)故障，工藝人員告知儀表人員后也可立即進(jìn)入DCS系統(tǒng)進(jìn)行在線處理，減少了解決故障的時間，減少了損失。

e. DCS順控程序操控性強，可隨時在線根據(jù)需要調(diào)整閥門開關(guān)時間和順控等待時間，可精確控制發(fā)送罐單罐送粉能力和送粉時間，可以根據(jù)工藝參數(shù)隨時調(diào)整氣力輸送系統(tǒng)。當(dāng)信號出現(xiàn)誤報警后，可直接進(jìn)入程序進(jìn)行手動干預(yù)而不影響裝置的穩(wěn)定運行。

3.2 改造方案的實施

氣力輸送共計54臺閥門、12臺變送器及8個料位開關(guān)等，其中40臺閥門為單電磁閥控制、14臺閥門為雙電磁閥控制，DO=40×1+14×2=68，AI=12×1=12，DI=54×2+8=116?？紤]DCS硬件特點和一定點數(shù)的備用量，系統(tǒng)大概需要16個AI、96個DO和128個DI信號，需要一塊AI卡件(帶底板)+16個AI安全柵、3塊DO卡件(帶底板)+96個繼電器(帶底座)、4塊DI卡件(帶底板)、128個DI安全柵、8塊安全柵底板、8條導(dǎo)軌、8個地址模塊、幾十條Link線、32根32芯每根10m的跨接線和其他施工輔材。

將現(xiàn)場和系統(tǒng)所有信號線全部改造接線完成后，需要將氣力輸送系統(tǒng)的控制邏輯全部優(yōu)化至DCS(圖2)，經(jīng)工藝配合，系統(tǒng)調(diào)試正常。在系統(tǒng)運行時可根據(jù)工藝生產(chǎn)要求隨時干預(yù)順控，更有利于生產(chǎn)的穩(wěn)定運行。

圖2 優(yōu)化至DCS后的氣力輸送系統(tǒng)順控圖

4 結(jié)束語

氣力輸送系統(tǒng)由PLC改為DCS系統(tǒng)后，系統(tǒng)運行正常，煤粉由CMD向GSP氣化裝置輸送穩(wěn)定，實現(xiàn)了氣化裝置長周期穩(wěn)定運行的目標(biāo)，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。