DCS控制系統(tǒng)在燒結(jié)帶冷余熱發(fā)電中的應(yīng)用及問題研究

鄭學(xué)奇（中冶華天南京電氣工程技術(shù)有限公司，江蘇南京，210019）

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DCS控制系統(tǒng)在燒結(jié)帶冷余熱發(fā)電中的應(yīng)用及問題研究

鄭學(xué)奇
（中冶華天南京電氣工程技術(shù)有限公司，江蘇南京，210019）

摘 要：本文介紹了安徽某鋼鐵廠燒結(jié)帶冷機(jī)余熱發(fā)電DCS控制系統(tǒng)的配置和功能特點(diǎn)，分析了十年來的該發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況，對影響發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的隱患及故障進(jìn)行了研究，給出了具體解決措施，為其他類似發(fā)電機(jī)組的設(shè)計和運(yùn)行維護(hù)提供參考。

關(guān)鍵詞：集散控制系統(tǒng)（DCS）；燒結(jié)；余熱發(fā)電

引言

近年來，隨著我國大力推廣節(jié)能減排以及鋼鐵企業(yè)自身降本增效的需要，各地鋼鐵企業(yè)越來越重視燒結(jié)工序余熱廢氣的再利用，紛紛在原有燒結(jié)帶冷機(jī)上進(jìn)行技術(shù)改造新增余熱發(fā)電機(jī)組，或者在新建燒結(jié)項目中設(shè)計建設(shè)余熱發(fā)電機(jī)組。自2004年馬鋼引進(jìn)國內(nèi)第一套燒結(jié)余熱發(fā)電機(jī)組以來，到2013年底我國鋼鐵企業(yè)已建設(shè)燒結(jié)余熱發(fā)電機(jī)組138套［1，2］。燒結(jié)帶冷機(jī)通過發(fā)電進(jìn)行余熱回收利用，不僅大大降低了燒結(jié)工序的能耗，也可以產(chǎn)生良好的社會效益和環(huán)境效益。但從目前國內(nèi)余熱發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況來看，大多數(shù)機(jī)組的作業(yè)率和發(fā)電量并未達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。這其中因素很多，主要包括燒結(jié)熱源連續(xù)性差、帶冷機(jī)煙罩漏風(fēng)率過高等，也包括對燒結(jié)工序產(chǎn)生的熱源熱值計算偏差導(dǎo)致發(fā)電機(jī)選型不當(dāng)?shù)纫蛩亍?/p>

1 工藝流程

本余熱發(fā)電系統(tǒng)采用閃蒸余熱發(fā)電技術(shù)，熱源來自2臺300m2燒結(jié)機(jī)，利用余熱發(fā)電系統(tǒng)的引風(fēng)機(jī)，將每臺帶冷機(jī)產(chǎn)生的平均溫度為380℃的中低溫廢氣通過0#、1#、2#煙囪送至余熱鍋爐（省煤器、蒸發(fā)器、過熱器），廢氣再通過引風(fēng)機(jī)排入大氣或者由循環(huán)風(fēng)機(jī)再次進(jìn)入帶冷機(jī)以循環(huán)利用。2臺余熱鍋爐產(chǎn)生的壓力約為1.95MPa的過熱蒸汽和閃蒸器產(chǎn)生的飽和蒸汽聯(lián)合推動一臺額定功率為17.5MW的汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。蒸汽由冷凝器冷卻成水后經(jīng)過冷凝水泵和鍋爐給水泵再次進(jìn)入鍋爐。余熱鍋爐系統(tǒng)純水損耗由補(bǔ)水系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充。整個余熱發(fā)電系統(tǒng)分為煙氣系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)、汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)以及冷卻水系統(tǒng)等，工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程圖

2 控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

本發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備由國外引進(jìn)，其中鍋爐、閃蒸器、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及周邊設(shè)備、關(guān)鍵調(diào)節(jié)閥均由外方提供。冷卻水、純水等公共輔助系統(tǒng)則由中方自行設(shè)計建設(shè)。在整個余熱發(fā)電系統(tǒng)中，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)使用橫河FA-M3系列 PLC，煙氣系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)、汽輪機(jī)周邊設(shè)備以及冷卻水系統(tǒng)則由1套ABB AC800F DCS集散控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。補(bǔ)水系統(tǒng)使用1套西門子S7-300 PLC控制系統(tǒng)［3］。因補(bǔ)水系統(tǒng)及汽輪機(jī)控制系統(tǒng)相對獨(dú)立，在此將不作介紹，本文將主要介紹ABB AC800F集散控制系統(tǒng)。

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本發(fā)電系統(tǒng)采用的AC800F DCS控制系統(tǒng)是ABB公司主推的一款集DCS、PLC優(yōu)勢于一體的集散控制系統(tǒng)，具備良好的模擬量數(shù)據(jù)處理能力，同時軟硬件結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，可支持ProfiBus DP、CAN、FF、ModBus等多種總線協(xié)議，也支持連接FF、PA、Hart、ProfiBus等總線型儀表。AC800F控制系統(tǒng)在國內(nèi)發(fā)電廠特別是在火電廠有著廣泛應(yīng)用。本DCS控制系統(tǒng)按照生產(chǎn)流程共設(shè)4個子系統(tǒng)（1#鍋爐、2#鍋爐、汽機(jī)系統(tǒng)和公共輔助系統(tǒng)）。4個子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，過程站配置PM802F CPU模塊、EI803F以太網(wǎng)模塊、FI830F ProfiBus通訊模塊，過程站模塊均采用冗余配置；遠(yuǎn)程S800 I/O站采用CI830 FieldBus通訊模塊。SD802F電源模塊為過程站和遠(yuǎn)程S800 I/O站提供24V直流電源，SD802F同樣采用雙路冗余配置。遠(yuǎn)程S800 I/O站與過程站之間的通訊采用Profibus-DP總線；同一子系統(tǒng)的過程站設(shè)備和I/O模塊裝設(shè)于1面DCS控制柜中，4個子系統(tǒng)的控制柜全部布置于中控室內(nèi)。此外，中控室內(nèi)配置2臺操作員站、1臺工程師站和1臺報表站。報表站除提供報表打印功能外，同時具備公共OPC接口功能，可為外部可通過報表站計算機(jī)讀取DCS控制系統(tǒng)內(nèi)各過程站內(nèi)所有變量的實(shí)時數(shù)據(jù)。整個DCS控制系統(tǒng)的各子系統(tǒng)之間以及與上位機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)通訊采用TCP/IP協(xié)議的星型10/100M工業(yè)以太網(wǎng)。

2.2 軟件配置

在工程師站中，基于Windows XP操作系統(tǒng)，使用Control Builder F 7.2版本編程軟件（以下簡稱CBF），集CBF編程軟件集硬件組態(tài)、過程站編程調(diào)試、操作員站組態(tài)、HMI畫面編輯、模擬器、系統(tǒng)診斷等于一體。CBF軟件安裝簡單方便，不需要安裝操作系統(tǒng)其他組件及任何第三方軟件，可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成所有編程調(diào)試軟件的安裝。CBF支持FBD，IL，LD，SFC和ST等多種編程語言，支持離線編程和在線修改控制器內(nèi)程序參數(shù)。本工程采用FBD編程語言，可以使用軟件提供的大量FBD功能塊，用戶也可以根據(jù)自己的要求自定義專用功能塊。使用FBD編程語言不僅可以進(jìn)行復(fù)雜靈活的各種模擬量回路編程，而且可以使得HMI畫面編輯更加簡單，設(shè)備顯示控制也更加直觀。

在操作員站中，運(yùn)行環(huán)境為Windows XP操作系統(tǒng)，安裝AC800F DigiVIS7.2版監(jiān)視軟件。 DigiVIS包含畫面顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)視、控制操作、趨勢歸檔、系統(tǒng)報警、趨勢顯示、硬件診斷顯示等功能。同時DigiVIS具備OPC接口功能，通過以太網(wǎng)可實(shí)時傳輸畫面內(nèi)的所有數(shù)據(jù)至opc數(shù)據(jù)采集端，本工程利用此功能在LOG站上安裝報表軟件，定時采集操作員站DigiVIS內(nèi)的所需要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，生成并打印excel生產(chǎn)報表文件。

3 運(yùn)行問題分析

本DCS集散控制系統(tǒng)2005年投產(chǎn)運(yùn)行后，總體上運(yùn)行良好，未發(fā)生重大因DCS系統(tǒng)故障導(dǎo)致的安全生產(chǎn)事故，但在運(yùn)行過程中，由于多種原因仍然遇到了許多問題［4，5］。

（1）因燒結(jié)帶冷機(jī)煙罩密封性能不理想，漏風(fēng)率較高，進(jìn)入鍋爐的煙氣中混合了大量的外部低溫空氣，此外由于場地空間不足，2#鍋爐只能安裝在距離2#燒結(jié)帶冷機(jī)較遠(yuǎn)的地方，導(dǎo)致2#帶冷機(jī)廢氣至2#鍋爐溫度下降嚴(yán)重。同樣由于1#鍋爐至汽輪機(jī)房距離超過200米，導(dǎo)致過熱蒸汽溫度在輸送過程中溫度下降也相當(dāng)嚴(yán)重，在1#鍋爐過熱蒸汽到達(dá)與2#鍋爐過熱蒸汽的匯合處時溫度經(jīng)常已經(jīng)下降至300℃。而300℃為發(fā)電機(jī)解列的條件。由于2臺鍋爐所生產(chǎn)的過熱蒸汽溫度都較低，當(dāng)其中一臺燒結(jié)機(jī)廢氣溫度出現(xiàn)較大下降或者短暫停機(jī)，都直接影響到發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行甚至導(dǎo)致解列。發(fā)電機(jī)頻繁解列不僅嚴(yán)重影響發(fā)電量，也給汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)設(shè)備使用壽命造成影響。如果余熱發(fā)電系統(tǒng)能夠及時掌握2臺燒結(jié)機(jī)的生產(chǎn)狀況，并通過對2臺鍋爐的廢氣進(jìn)氣進(jìn)行調(diào)節(jié)，將可以有效避免發(fā)電機(jī)因燒結(jié)生產(chǎn)的不穩(wěn)定導(dǎo)致的頻繁解列。但由于當(dāng)初設(shè)計時并未將2臺燒結(jié)機(jī)PLC控制系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)信號，例如燒結(jié)配混燒結(jié)礦下料量、帶冷機(jī)煙罩溫度等，送至余熱發(fā)電DCS控制系統(tǒng)，后經(jīng)改造，余熱發(fā)電系統(tǒng)操作人員在操作員站畫面可直接實(shí)時查看2臺燒結(jié)機(jī)的生產(chǎn)動態(tài)，并根據(jù)燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)狀況實(shí)時調(diào)整余熱鍋爐的生產(chǎn)策略，避免發(fā)電機(jī)的過多解列，也使得發(fā)電量有了較大提高。

（2）根據(jù)風(fēng)險分散和工藝區(qū)域劃分的原則，DCS控制系統(tǒng)分為4組冗余控制器。同時電站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備采用一用一備或二用一備模式，例如冷卻水循環(huán)泵為二用一備模式，冷凝器真空泵、鍋爐給水泵采用一用一備模式。但是在原先的控制系統(tǒng)設(shè)計時，這些主備用設(shè)備卻布置在同一子系統(tǒng)中由同一控制器進(jìn)行控制。在實(shí)際運(yùn)行中，雖然DCS系統(tǒng)過程站采用冗余配置，但偶爾由CPU模塊或以太網(wǎng)模塊故障引起的過程站冗余切換并未做到無擾動切換，或者遠(yuǎn)程I/O站DP總線故障，直接導(dǎo)致主用設(shè)備停機(jī)后備用設(shè)備無法自動投用，嚴(yán)重威脅到發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。特別是隨著DCS控制系統(tǒng)運(yùn)行年限的增加，此類故障也逐年增多。為解決此問題，將此類主用設(shè)備和備用設(shè)備的I/O點(diǎn)分別布置在不同控制器下的I/O站內(nèi)，同時修改項目文件中相應(yīng)的設(shè)備控制程序。備用設(shè)備所在控制器3秒內(nèi)未接收到主用設(shè)備的運(yùn)行信號，將自動啟動備用設(shè)備。經(jīng)過控制系統(tǒng)改造，不僅增加了控制系統(tǒng)的可靠性，也切實(shí)降低了電站設(shè)備電氣控制上存在的安全隱患。

（3）DCS控制系統(tǒng)I/O模塊I/O點(diǎn)的供電電源采用冗余配置的24VDC直流電源，24V直流電源經(jīng)4只微型斷路器分別送至DCS控制柜AI、DI、AO、DO信號出線端子排，由端子排送至現(xiàn)場設(shè)備I/O接點(diǎn)，經(jīng)I/O接點(diǎn)再返回至S800 I/ O模塊。而發(fā)電系統(tǒng)的許多電氣設(shè)備安裝位置位于高溫區(qū)域；所在位置燒結(jié)礦含鐵粉塵較多；電氣設(shè)備設(shè)計選型時選擇的防護(hù)等級不高；工程建設(shè)階段施工過程不規(guī)范。諸多原因?qū)е翫CS系統(tǒng)的24V直流電源直接暴露于環(huán)境惡劣的設(shè)備現(xiàn)場。系統(tǒng)投運(yùn)后，特別是在雨季，不時出現(xiàn)外部I/O信號接地等故障，直接導(dǎo)致直流電源微型斷路器分?jǐn)?，DCS I/O模塊失電，進(jìn)而鍋爐被迫甩爐、甚至發(fā)電機(jī)解列。為解決此問題，在控制室增設(shè)中間繼電器柜，在中間繼電器柜內(nèi)安裝交流220V中間繼電器和直流24V隔離配電器，將設(shè)備現(xiàn)場環(huán)境惡劣的I/O信號全部送至中間繼電器和隔離配電器的輸入端，中間繼電器和隔離配電器的輸出信號再送至DCS的I/ O模塊，這樣就將外部信號與DCS模塊完全分隔開來。這種方式不僅使得問題得以解決，而且投入資金較少，同時也為后期設(shè)備維護(hù)帶來了很多便利。

4 結(jié)束語

該鋼鐵廠燒結(jié)帶冷機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)投產(chǎn)后，在十余年的生產(chǎn)運(yùn)行中產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益。該發(fā)電系統(tǒng)年均發(fā)電量約7000萬kW·h，年發(fā)電收入2000余萬元，目前早已收回全部投資，并仍將持續(xù)不斷地為燒結(jié)工序的節(jié)能降耗做出貢獻(xiàn)。而DCS控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，也有力地保障了余熱發(fā)電系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

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Study on application and problem of Distributed Control System in Sintering Cooler WasteHeat Generation

Xueqi Zheng
（NanJing Electrical Engineering & Technology Co.， Ltd.，HTC，MCC， NanJing JiangSu， 210019， China）

Abstract：This paper introduced the configuration and characteristics of Distributed Control System of sintering cooler wasteheat generation in a Anhui Iron & Steel plant.According to the generating system's running conditions in ten years，analyzedhidden troubles and faults which affect the safe operation of generating system， and gave some concrete solutions.These solutions can provide reference for othersimilar design and maintenance of generating system.

Key words：Distributed Control System（DCS）； Sinter； Waste Heat Generation

中圖分類號：TP273+.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-8412 （2016） 02-262-04

DOI：工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.037

作者簡介：

鄭學(xué)奇（1981-），男，工程師，從事冶金自動化管理工作。

E-mail： zhengxueqi1981@163.com