甘蔗糖廠熱電站DCS系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

秦會敏，葉權(quán)圣，秦健南*，李 強，陳建斌，黃 爽

(1廣東省科學(xué)院生物工程研究所，廣東廣州510316；2廣東省綠色制糖工程技術(shù)研究中心，廣東廣州510316)

0 前言

食糖是關(guān)系國計民生的重要戰(zhàn)略物資，2019年中央一號文件明令：“在提質(zhì)增效基礎(chǔ)上，鞏固糖料的生產(chǎn)能力”。目前，制糖工藝主要有2種：一是以甘蔗或甜菜為原料，通過壓榨提汁、澄清、蒸發(fā)、煮糖結(jié)晶、分蜜、干燥等工藝直接生產(chǎn)耕地白砂糖，主要分布在廣西、云南、新疆、內(nèi)蒙古等地區(qū)；二是以原糖為原料，通過回溶、飽充、蒸發(fā)、再次結(jié)晶等工藝生產(chǎn)精煉糖，主要分布在沿海地區(qū)[1-2]。

生產(chǎn)耕地白砂糖的絕大多數(shù)甘蔗制糖企業(yè)會配置熱電站[2-3]。壓榨工藝產(chǎn)生的蔗渣提供給鍋爐燃燒，鍋爐出來的蒸汽進入汽輪機發(fā)電，從汽輪機排出的蒸汽(又稱乏汽或者背壓汽)供給制糖工藝中的澄清、蒸發(fā)工段加熱。糖廠根據(jù)電價和原材料價格等多方面因素綜合考慮，并進行經(jīng)濟對比，如考慮是否加大發(fā)電量進行并網(wǎng)外賣，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。本研究開發(fā)了甘蔗糖廠自備熱電站DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，介紹了其系統(tǒng)功能和應(yīng)用效果，結(jié)果表明該系統(tǒng)保證了熱電站的穩(wěn)定運行[3-4]。

1 系統(tǒng)組成

DCS集散控制系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制，由工程師站、操作員站、控制站、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、現(xiàn)場儀表等組成。DCS在工業(yè)生產(chǎn)過程中具有廣泛應(yīng)用，具有可靠性、安全性、經(jīng)濟性等特點。

1.1 工程師站/操作員站

工程師站/操作員站主要由計算機及組態(tài)軟件構(gòu)成，采用標準的TCP/IP通訊協(xié)議，通過以太網(wǎng)采集各控制器的數(shù)據(jù)，進行集中監(jiān)視和控制，用于完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和存儲、工藝流程畫面顯示、生產(chǎn)過程監(jiān)控、操作接口、專家控制系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)庫接口和查詢、生產(chǎn)報表的生成。支持ODBC、OPC、DDE、API等協(xié)議，監(jiān)控站配置相應(yīng)的軟件選項，還可實現(xiàn)遠程瀏覽數(shù)據(jù)和畫面的功能。

1.2 控制站

控制站采用瑞士思博 SaiaPCD2.M系列先進的控制器，由操作系統(tǒng)，控制器CPU，接口模塊，網(wǎng)絡(luò)卡和軟件工具組成，具有很強的擴展能力，支持遠程擴展，存儲器空間大，響應(yīng)時間短，網(wǎng)絡(luò)集成能力靈活，保證了整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性及安全性。

1.3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

控制站與上層工程師站/操作員站的通訊方式采用標準的工業(yè)以太網(wǎng)(Industrial Ethernet)進行即時通訊，通訊速率為100 Mbps，支持在DCS之間及DCS和上位機之間的自動數(shù)據(jù)鏈接，能夠通過數(shù)據(jù)共享功能實現(xiàn)節(jié)點之間高速、大容量的數(shù)據(jù)交換。控制站下層遠程擴展 I/O的通訊方式則采用現(xiàn)場總線(PROFIBUS)的形式，最高通訊速率為12 Mbps。

1.4 現(xiàn)場檢測和控制儀表

現(xiàn)場檢測儀表主要有檢測溫度信號的熱電阻、熱電偶，檢測壓力信號的壓力變送器，檢測流量信號的電磁流量計、德爾塔巴流量計、孔板流量計，檢測液位信號的液位變送器，檢測電流信號的電流變送器，現(xiàn)場控制儀表主要有電動調(diào)節(jié)閥、變頻器。

本系統(tǒng)應(yīng)用于云南英茂糖業(yè)集團弄璋糖廠，榨蔗量為7500 t/d，熱電站為2臺75 t蔗渣鍋爐、2臺6000 kW·h汽輪發(fā)電機組。系統(tǒng)配置1臺工程師站和5臺操作員站，上位機使用西門子WINCC進行監(jiān)控組態(tài)；控制站分別分為1#鍋爐控制站、2#鍋爐控制站、1#汽機控制站、2#汽機控制站、化水間控制站，每個控制站按 1:1硬冗余配置主控制器和備用控制器，工程師站/操作員站與控制器采用工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊，控制器和擴展模塊采用現(xiàn)場總線(PROFIBUS)的形式進行通訊?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)功能

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(DAS)

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)是信息中心，完成數(shù)據(jù)的采集、處理，進行顯示、記錄、報警、歷史存儲、事故追憶、計算、操作指導(dǎo)等功能[5]。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集和顯示功能

實時采集并顯示1#鍋爐、2#鍋爐、1#汽機、2#汽機、化水間生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)集中顯示在相應(yīng)的工藝流程主界面?？刂葡到y(tǒng)I/O點數(shù)量統(tǒng)計表如表1所示，工藝流程主界面如圖2～圖5所示。

2.1.2 報警功能

當(dāng)鍋爐、汽機、化水間生產(chǎn)過程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)超出設(shè)定上下限時發(fā)出報警，可以通過文字形式和顏色變化提醒操作人員及時處理，以防止意外發(fā)生，重要數(shù)據(jù)參數(shù)發(fā)出聲光報警。

2.1.3 制表記錄功能

包括報警記錄、事故記錄、操作員登錄記錄等。

表1 控制系統(tǒng)I/O點數(shù)量統(tǒng)計表

圖2 1#鍋爐控制主界面

圖3 2#鍋爐控制主界面

圖4 1#汽機控制主界面

圖5 2#汽機控制主界面

圖6 化水間控制主界面

2.1.4 歷史數(shù)據(jù)存儲和檢索功能

包括曲線存儲和表格存儲及歷史數(shù)據(jù)檢索功能。

2.2 模擬量控制系統(tǒng)(MCS)

模擬量控制系統(tǒng)實現(xiàn)了鍋爐汽機協(xié)調(diào)控制及主要控制回路的自動控制[6-7]。

2.2.1 鍋爐燃燒控制和喂料控制

蔗渣爐的燃燒過程是一個具有強干擾的非線性、多變量過程，可以分為蒸汽壓力、煙氣含氧量和爐膛負壓3個控制回路。通過控制蔗渣喂料器變頻調(diào)速調(diào)節(jié)入料量，同時根據(jù)蒸汽流量作為前饋信號，調(diào)節(jié)主蒸汽壓力恒定，通過控制鼓風(fēng)機、二次風(fēng)機、送風(fēng)機、引風(fēng)機變頻器控制爐膛負壓和煙氣含氧量。維持含氧量小于6%的理想范圍，以保證鍋爐經(jīng)濟燃燒，維持爐膛在負壓范圍之內(nèi)保證鍋爐安全運行。

2.2.2 主蒸汽溫度自動控制

主蒸汽溫度采用PID串級控制，減溫器前蒸汽溫度信號作為前導(dǎo)信號，主蒸汽流量信號和減溫器后的蒸汽溫度信號作為二級控制信號，控制減溫水電動調(diào)節(jié)閥。每路輸入信號設(shè)有故障自診斷功能，其中一路出現(xiàn)故障，系統(tǒng)立即自動轉(zhuǎn)換為單級調(diào)節(jié)并發(fā)出聲光報警，確保蒸汽溫度不越限。

2.2.3 汽包水位自動控制

汽包水位采用三沖量串級控制，通過汽包水位、主蒸汽流量、給水流量、減溫水流量等參數(shù)共同參與控制給水調(diào)節(jié)閥。汽包水位是鍋爐機組運行中最重要參數(shù)，如果水位過高，嚴重時會產(chǎn)生蒸汽帶水，從而導(dǎo)致汽輪機葉上結(jié)垢，或發(fā)生水沖擊機葉造成損壞汽輪機；如果水位過低會破壞水循環(huán)，導(dǎo)致水冷壁管道破裂。鍋爐水位始終保持設(shè)定值，從而保證生產(chǎn)安全[8]。

2.2.4 給水恒壓控制

給水恒壓采用PID控制，通過調(diào)節(jié)入爐水泵變頻器頻率，以保證鍋爐給水實現(xiàn)恒壓供水。

2.2.5 除氧器水位控制

除氧器水位采用PID控制，通過調(diào)節(jié)除氧器進水電動調(diào)節(jié)閥開度，以控制進水量，保證除氧器水位的穩(wěn)定。

2.2.6 汽輪機轉(zhuǎn)速控制功能

汽輪機是青島捷能汽輪機集團股份有限公司的B6型背壓式汽輪機，汽輪機廠家配置了T80電液調(diào)速控制器控制汽輪機轉(zhuǎn)速和電氣并網(wǎng)，本系統(tǒng)具有連鎖保護功能[9]。

2.3 輔機順序控制系統(tǒng)(SCS)

輔機順序控制系統(tǒng)，指按照規(guī)定的時間或邏輯的順序，對某一工藝系統(tǒng)或主要輔機的多個終端控制元件進行一系列操作的控制系統(tǒng)。

2.3.1 鍋爐跳閘保護邏輯

送風(fēng)機跳閘、所有引風(fēng)機跳閘、爐溫測點中任意3個超過1050℃、爐膛壓力超低、汽包水位超高(水位值高于+200 mm且延時5 s)、汽包水位超低(水位值低于-200 mm且延時5 s)時，按下MFT（主燃料跳閘）手動按鈕。

2.3.2 順序控制及聯(lián)鎖

2.3.2.1 汽包水位的安全保護

鍋爐汽包水位低于極限值時，應(yīng)停鼓風(fēng)機、引風(fēng)機、噴渣風(fēng)機。

2.3.2.2 鼓風(fēng)機、引風(fēng)機、噴渣風(fēng)機的聯(lián)鎖保護

啟動順序依次為引風(fēng)機、鼓風(fēng)機、噴渣風(fēng)機。停止順序依次為：噴渣風(fēng)機、鼓風(fēng)機、引風(fēng)機。如果鼓風(fēng)機、引風(fēng)機、噴渣風(fēng)機中的任何一臺出現(xiàn)跳閘，均應(yīng)聯(lián)鎖停止相應(yīng)的電機。

2.4 汽機緊急跳閘系統(tǒng)(ETS)

汽機緊急跳閘系統(tǒng)是保證汽輪發(fā)電機組正常運行的必不可少的安全保護裝置。具有手動緊急停機保護，中控緊急停機發(fā)生條件主要有：潤滑油壓低于0.02 MPa停機、真空低停機、隔板差壓大停機、EH油壓低停機、汽輪機超速12%停機、汽機軸承位移震動大于162 μm停機、轉(zhuǎn)子軸向位移＞0.7 mm停機、電氣故障停機、排汽壓力高于0.77 MPa停機。

3 應(yīng)用效果分析

該系統(tǒng)應(yīng)用于云南英茂糖業(yè)集團弄璋糖廠，實現(xiàn)了對熱電站主要參數(shù)的采集處理和控制，具有設(shè)計合理，功能完善，工況圖直觀，操作簡單方便，運行穩(wěn)定可靠等特點。

3.1 提高了鍋爐燃燒效率

系統(tǒng)應(yīng)用后，主蒸汽壓力控制平穩(wěn)，保證了鍋爐供汽的工藝要求、爐膛負壓控制在-0.3～-0.1 kPa之間，保證了鍋爐的安全運行，煙氣含氧量控制在2%～5%之間，煙氣含氧量控制曲線如圖7所示。煙氣含氧量是鍋爐運行重要監(jiān)控參數(shù)之一，也是反映燃燒設(shè)備與鍋爐運行完善程度的重要依據(jù)，煙氣含氧量控制在 2%～5%既可以減少排煙熱損失，又可以降低風(fēng)機耗電，提高了鍋爐的熱效率。

3.2 汽包水位控制穩(wěn)定

鍋爐汽包水位控制在-20～15 mm，保證了鍋爐的安全。主蒸汽溫度控制在給定值的-10～10℃范圍內(nèi)。給水壓力實現(xiàn)了恒壓供水，控制在給定值的-0.05～0.05 MPa范圍內(nèi)。除氧器液位控制在給定值的-2%～2%范圍內(nèi)。

3.3 減輕人工勞動強度和節(jié)約人工成本

由于系統(tǒng)計算機監(jiān)控實時方便，自動控制穩(wěn)定可靠，減輕了糖廠人工勞動強度。同時為每個班組減少操作人員2人，3個班組共減少操作人員6人，操作人員費用按5萬元/年計算，則每年節(jié)約人工成本費用為30萬元。

3.4 實現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電

由于鍋爐的供氣壓力穩(wěn)定，汽機連鎖保護可靠，2#汽輪機實現(xiàn)了電氣并網(wǎng)發(fā)電。

圖7 煙氣含氧量控制曲線

4 結(jié)語

甘蔗糖廠熱電站DCS系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)果表明：煙氣含氧量控制穩(wěn)定，提高了燃燒效率；汽包水位及給水系統(tǒng)控制穩(wěn)定，實現(xiàn)了安全生產(chǎn)；減少了操作人員，節(jié)約了人工成本。系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定可靠，不需要人工頻繁操作，減輕人工勞動強度。根據(jù)甘蔗糖廠現(xiàn)有的熱電站設(shè)備情況，配置熱電站DCS控制系統(tǒng)，提升熱電站自動控制水平，使原有設(shè)備煥發(fā)出新的活力，為制糖生產(chǎn)過程實現(xiàn)“自動化、智能化、數(shù)字化”的現(xiàn)代化智慧糖廠建設(shè)奠定了基礎(chǔ)，為制糖生產(chǎn)過程大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[10]。