一、概述 寶塔石化35t/h開工鍋爐系統由除氧給水系統、鍋爐的汽水系統、送風系統、減溫減壓系統以及報警聯鎖五部分組成。 1、除氧給水系統： 除氧采用大氣式熱力除氧器（V-301），除氧能力Q=40m3/h。由P-105管道泵（Q=50-60m3/h）送至除氧器除氧。除氧器由外界蒸汽加熱（外界加熱蒸汽壓力為P=0.6Mpa流量為Q=4500-6500Kg/h,）除氧器的輔助加熱蒸汽來自連續排污膨脹器（V-302）產生的閃蒸汽Z′。除氧脫鹽水由鍋爐給水泵（P-106）（Q=40m3/h）一路經鍋爐給水調節閥進混合器,另一路進面式減溫器后回水進入混合器和第一路鍋爐給水混合后進入省煤器進行加熱到規定的溫度后進入循環硫化床鍋爐。 2、35t/h開工鍋爐的汽水系統： 由除氧給水泵，鍋爐給水泵,鍋爐給水調節閥、省煤器、汽包（上下鍋筒）、面式減溫器和過熱器等組成。控制原則流程圖（見圖1）,燃燒系統由干氣和空氣按一定的比例在爐膛內燃燒，產生的熱量使汽包內的水汽化，產生的飽和蒸汽進入過熱器進一步加熱成為過熱蒸汽至蒸汽母管，進入減溫減壓器（V-117）降低過熱蒸汽溫度直到工業上需要的蒸汽。（注:主要以燃燒干氣為主） 3、送風系統：由主鼓風機（101）和副鼓風機（103）提供： 主鼓風機（101）的進風門（可手動和自動），（注:主要是通過爐內的燃燒工況和煙氣的含氧量的多少來啟動風門手柄驅動裝置實現風門開關程度大小）。為了減少噪音，主鼓風機的進風口是從室外的一個進風筒中進風。主鼓風機的出口處與空氣預熱器的進風彎頭采用柔性聯結，其目的是為了防止鼓風機振動傳遞給預熱器，二是防止空預熱器熱脹推力傳遞給鼓風機。空氣預熱器的出口與主燃燒相聯接采用剛性聯接。進風筒的上端與主燃燒室聯接采用焊接，下端采用螺栓固定；副鼓風機（103）不預熱，風機進風口有兩個，一個是從室外進新風，一個是 從鍋爐的排煙中用風管抽取排煙。這兩個進風口是相互聯系，又相互彼此獨立，在進新風管上安裝有電動通風碟閥，在進排煙煙管上安裝有電動斜板塵氣碟閥一個。付風機與付燃燒室的聯接方式也是用一個進風筒，上端與付燃燒室相焊接，下端座用螺栓固定。 　　 4、減溫減壓系統 減溫減壓系統：過熱蒸汽通過減溫減壓器與除氧水進行熱交換，使其溫度壓力變為用戶需要的蒸汽。 5、連鎖和保護系統： 開工鍋爐的連鎖和保護系統針對汽輪發電機系統，主要是過對熱蒸汽溫度、流量、壓力進行檢測，檢測軸向位移，檢測各軸承溫度，當汽機處于異常工況時，可通過聲音、屏幕報警等手段提醒操作員，對異常情況進行處理。主要包括以下內容：A、汽機保護停機—通過磁力斷路油門將自動主汽門和調速汽門關閉。當以下參數異常時，汽機停機：軸位移大于0.7毫米時；真空度大于0.04MP時；油壓小于0.03MP時；推力瓦溫度大于100度時；汽機超速時；發電機停機；用電負荷不正常時；保護電源消失時。并設緊急手動停機按鈕。 B、報警信號（電鈴報警）：主氣門關閉，抽氣閥關閉，發電機故障，用電負荷保護，保護電源消失，主油箱液位，熱井液位，軸位移，凝氣器真空度，主蒸汽壓力，主蒸汽溫度，抽氣閥蒸汽壓力，潤滑油壓力，氣輪機轉速，推力瓦溫度，發電機軸承溫度。C、聯系信號（蜂鳴器提示）：汽機室至主控室（解除按鈕，注意，增加，減少，已合閘，已斷開，停機，更改命令，電話）；主控室至汽機室（解除按鈕，注意，增加，減少，已合閘，已斷開，停機，更改命令，機器危險，電話）；鍋爐保護聯鎖停爐：鍋爐設緊急停爐按鈕。停爐保護包括：汽包水位超高和超低；爐膛壓力超高；汽包壓力超高；煤氣壓力超低；爐膛熄火。當火焰檢測器開關閉合時，緊急關閉煤氣切斷閥。 二、寶塔石化35t/h開工鍋爐DCS控制系統的配置及運行 本系統設監控操作站2個，后備手操器控制臺1個，現場控制站1個，主控制器為熱備冗余控制站和通訊處理單元。其運行的方式是在通訊網絡上掛接通信接口單元（CIU）可實現集散控制系統（DCS）與可編程序控制器（PLC）等數字設備的連接；通過多功能計算站（MFS）和相應的百特BT7000組態軟件可實現與企業管理計算機網的信息交換，實現企業網絡（Intranet）環境下的實時數據采集、實時流程查看、實時趨勢瀏覽、報警記錄與查看、開關量變位記錄與查看、報表數據的存貯、歷史趨勢存貯與查看、生產過程報表生成與輸出等功能。通訊網絡采用總線形或星形拓撲結構[1]，曼徹斯特編碼方式，遵循開放的TCP/IP協議和IEEE802.3標準。采用1∶1冗余的工業以太網（Ethernet），TCP/IP的傳輸協議輔以實時的網絡故障診斷[1]，其特點是可靠性高、糾錯能力強、通信效率高。 Table 1 The configuration of hardware and software in the DCS 后備手操器控制臺上，有引送風、給水泵和循環泵電流表；發電機功率和頻率表；電接點液位計（汽包液位）；引送風調節手操器，一次風調節手操器，鍋爐給水調節手操器，減溫水調節手操器，混合集箱進水調節手操器，煤,氣量調節手操器，除氧器壓力液位調節手操器。 三、35t/h開工鍋爐主要控制方案 開工鍋爐的控制大部分采用單回路PID常規控制，在一些關鍵的要求高的場合，就必須采用一些復雜的控制 ，這些復雜的控制回路對整個系統的運行起決定性的因素,開工鍋爐本體部分有如下幾個主要控制系統： 　　 1、在鍋爐本體部分： 1.1 設置爐膛溫度、壓力和火焰檢測； 1.2 主給水流量、溫度和壓力檢測； 1.3 過熱蒸汽的流量、溫度和壓力檢測； 1.4 干氣的流量、溫度和壓力檢測； 1.5除氧器液位和溫度調節（單回路控制） ； 1.6 過熱蒸汽溫度TIC（主回路）與減溫器進水流量FIC（副回路）串級調節； 1.7 汽包水位LIC、過熱蒸汽出口流量FIC以及鍋爐給水流量FIC三沖量調節； 2、過熱蒸汽出口溫度控制： 2.1 串級控制組成結構和基本概念【2】 串級控制系統采用兩套檢測變送器和兩個調節器，前一個調節器的輸出作為后一個調節器的設定，后一個調節器的輸出送往調節閥。前一個調節器稱為主調節器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數），即工藝控制指標；后一個調節器稱為副調節器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數），是為了穩定主變量而引入的輔助變量。整個系統包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調節器、調節閥和副過程構成；主回路由主變量檢測變送、主調節器、副調節器、調節閥、副過程和主過程構成。 一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內的擾動。二次擾動：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內的擾動。 2.2 通過DCS來實現過熱蒸汽溫度TIC（主回路）與減溫器進水流量FIC（副回路）串級調節： ① 依據鍋爐汽水原則流程圖見圖1： ② 在已知工藝控制參數后，應用百特BT7000圖形化組態軟件，依照DCS串級控制原理圖進行組態，達到實現上述工藝流程的有效控制。DCS串級控制原理圖見圖2【3】 DCS串級控制原理圖中各參數變量說明見表2： Table 2 The parameter elucidation 結論: 結合DCS串級控制原理圖對系統進行組態后模擬運行，該控制方案很好的克服了工藝過程可控純滯后、工藝過程明顯的非線形特性、擾動劇烈且幅度大、控制性能要求高和參數之間存在重大的關聯等現象，并且改善了控制過程的動態特性，提高了系統控制質量，迅速克服了進入副回路的二次擾動，優化了系統的工作頻率，使過熱蒸汽出口溫度維持在允許的范圍內，并保護過熱器，使其管壁溫度不超過允許的工作溫度，確保了生產平穩、安全。 3、汽包水位控制： 3.1 導致開工鍋爐汽包水位波動幾個工藝參數： 鍋爐汽包水位控制是安全生產和提供優質蒸汽的保證。汽包水位過高，會影響汽包內汽水分離，產生的飽和水蒸汽帶水過多，這會使過熱器結垢而導致損壞，同時也會使過熱蒸汽溫度急劇下降，當該蒸汽作為汽輪機動力時就會損壞汽輪機的葉片，造成重大事故的發生；水位過低，鍋爐的蒸發量增大，水的汽化速度加快，汽包內水量迅速減少，如不及時控制，會使汽包內的水全部汽化而導致干鍋，有引起鍋爐爆炸的危險。因此，鍋爐水位過高過低的后果極為嚴重，所以必須嚴格控制汽包水位。 依據鍋爐系統研究汽包水位的動態特性[4]: 由寶塔石化35t/h開工鍋爐系統鍋爐的汽水系統原則流程圖（見圖1）可知影響汽包水位的主要干擾有鍋爐給水量的變化、過熱蒸汽負荷量的變化以及爐膛熱負荷的變化，分析如下： A 給水量變化對汽包水位的影響 當給水量在一個時間段內由W0突然增大⊿W時，雖然給水量大于蒸發量，但由于增加的那部分水要從原有的飽和汽水中吸取一部分熱量，這就使水面下一部分汽泡容積有所減少，（一部分汽相釋熱變為液相），所增加部分給水首先必須填補汽水管路中汽泡減少所讓出的空間。在這段時間內，雖然給水量增加了，但上鍋筒的水位基本不變H0。當水面下汽泡容積的變換趨于平衡時，水位才由于汽包中儲水量的增加而逐漸上升。最后當水面下汽泡容積不在變化時，水位變化就會隨汽包儲水量的增加而直線上升。如圖2所示。 B 蒸汽負荷的變化對汽包水位的影響 當過熱蒸汽在一個時間段內由D0突然增大⊿D時，由于汽包中壓力減小，汽水循環管路中的汽化強度增加，上鍋筒內蒸發面以下汽泡容積將增大。汽泡體積膨脹所引起的液位按圖5中H2曲線變化。而實際汽包中水位變化H，應該是不上鍋筒內蒸發面以下汽泡容積將增大水位變化H1，與只考慮水面下汽泡容積變化所引起的水位變化H2疊加的結果。見圖5所示: 由圖5可知，當蒸發量增大時，蒸發量大于給水量，上鍋筒內水位不僅不下降，反而會迅速上升，造成”假液位”現象的產生。只有當汽水混合物中汽泡與負荷相適應而達到穩定后，水位才因物料不平衡而開始下降。在這個過程中如果不及時增加鍋爐給水，很難恢復有效的控制,而造成重大事故的發生。需要說明的是，”假液位”變化的幅度與鍋爐汽包壓力以及蒸發量有關。而且由”假液位”引起的水位最大偏差很難依靠調節來克服，這就需要限制過熱蒸汽的負荷量以及鍋爐給水量。 C 爐膛熱負荷的變化對汽包水位的影響 在供水量、蒸汽負荷量不變的的情況下，當然料量突然增加時，傳給鍋爐的熱量增加，上升管中的蒸發強度將增大，使蒸發面的汽泡膨脹，汽泡將托著液位上升，然而這是給水量并沒有增加，因此，這種液位的變化屬于”假液位”。不過，由于燃料量變化引起的”假液位”現象比較小，而且熱負荷由蒸汽壓力控制系統來保證，因而它的影響是次要的。 由以上分析可知, 為了保證開工鍋爐上鍋筒液位的穩定在允許的范圍內，就必須對上述三個參數進行有效的控制。鑒于此:寶塔石化35t/h開工鍋爐汽包水位采用了三沖量控制，并且進一步的通過DCS控制系統進行實現,其方法如下: 3.2 三沖量控制組成結構和基本概念【2】 由三沖量控制系統方塊圖 如圖6可知:三沖量控制其實質是前饋-串級控制系統。因此，在三沖量的控制系統中，其中汽包液位是被控變量，亦是串級控制系統中的主變量，是工藝的主要控制指標；給水量是串級控制系統中的副變量，引入這一變量的目的是為了副回路克服干擾的快速性來及時克服給水壓力變化對汽包液位的影響；蒸汽流量是作為前饋信號引入的，其目的是為了及時克服蒸汽負荷變化對液位的影響。 依據鍋爐汽水原則流程圖（見圖1）,在已知工藝控制參數后，應用百特BT7000圖形化組態軟件，依照DCS三沖量控制原理圖進行組態，達到實現上述工藝流程的有效控制。DCS串級控制原理圖見圖7【3】 DCS三沖量控制原理圖中各參數變量說明見表3： Table 3 The parameter elucidation 結論：結合DCS三沖量控制原理圖對系統進行組態后模擬運行，該控制很好的克服了工藝過程中”假液位”現象，以及給水量變化的干擾，校正了工藝過程中給水調節閥明顯的非線形特性、擾動劇烈且幅度大、控制性能要求高和參數之間存在重大的關聯等現象，有效的做到了靜態補償，改善了控制過程給水量的變化、過熱蒸汽負荷量的變化以及爐膛熱負荷的變化所引起的動態特性，提高了系統控制質量，確保了生產平穩、安全。 四、結論 本系統自2006年6月正式驗收以來，運行狀況穩定，效果良好。控制效果好，完全適應和滿足生產工藝的要求。整個生產過程的自動化控制率達 92% 以上，大大降低了操作工的勞動強度，改善了工作環境。系統提供了通訊接口，通過調制器與遠程網關計算機連接，可并入全廠管理網，為日后實現全廠安全生產過程監控網提供了條件。在整個系統方面： DCS系統功能強大，界面友好，軟件組態十分方便，在系統調試中能實時修改而無需下裝程序。使得工程師在復雜的智能控制調試中，無論是修改程序還是訓練參數，具有不可比擬的優越性。人力資源方面： DCS系統改進了調節系統的調節閥的調節，克服了調節死區帶來的調節滯后的弊病；改進了上鍋筒水位的判別條件，使其根據影響上鍋筒液位每個參數的變化趨勢做出相應的調節，以更準確及時地給上鍋筒補水，大大提高控制的抗干擾能力，特別是來自過熱蒸汽波動及鍋爐給水的干擾；改進了上鍋筒“假液位”現象的控制方法，從而既能及時地保護上鍋筒內因液位過高造成飽和水蒸汽帶水過多，使過熱器結垢而損壞，同時也會使過熱蒸汽溫度急劇下降和因液位過低造成的蒸發量增大，水的汽化速度加快，汽包內水量迅速減少而導致汽包內的水全部汽化而干鍋，又能及時準確地將液位有效地控制在額定值范圍內。