邯钢热电厂自动控制系统的应用

霍广平 王 忠

1.项目背景

邯钢热电厂发电机组是邯钢节能减排，调节煤气平衡，保证低压蒸汽管网送气设备。主体设备由3台260t/h高温高压燃气锅炉和3台60MW双抽凝汽式汽轮发电机组组成。主要通过燃烧高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气产生高温高压的过热蒸汽，蒸汽送入双抽凝汽式汽轮发电机组发电，同时根据生产低压蒸汽管网压力自动调节发电机组补汽旋转隔板进行补汽，保证低压蒸汽管网压力恒定。通过功率负荷调整，调节煤气平衡，保证煤气系统零放散，最优利用转炉煤气，稳定转炉煤气回收利用。

本项目主控制系统采用的是日本横河公司的分散控制系统(DCS)CENTUM CS3000 R3，1炉1机、除氧给水、循环水及电气共用一套DCS，共有3套DCS。辅助控制系统包括汽轮机危急跳闸系统（ETS）、汽轮机安全监视系统（TSI）及汽轮机数字低压透平油电液控制系统（DEH）等分别采用美国Rockwell公司的ControlLogix控制系统、美国BENTLY公司的3500控制系统和美国WOODWARD公司505控制系统。

本项目机炉采用分散控制系统完成工艺系统的检测和控制。DCS的功能主要包括DAS、MCS、SCS、S0E及FSSS。建立以LCD操作员站为监视和控制中心。运行人员在控制室内通过DCS实现机组启动、停止、正常运行和异常工况的处理。辅助控制系统负责汽轮机的负荷调整及安全运行等。ETS系统应用了双通道概念，布置成“或─与”门的通道方式，这就允许在线试验，并在试验过程中装置仍起保护作用，从而保证此系统的可靠性。DEH采用505E和SPC控制，接受双冗余LVDT的位置反馈信号，内部采用WOODWARD专用冗余算法，提高了系统可靠性，实现了对单抽汽轮发电机组的控制。

本控制系统均采用冗余控制，不但对锅炉及发电机组提供了准确可靠的控制，提高了控制品质，而且提供了在非正常情况下的安全保护，避免因故障出现所引起的生产停顿或安全事故。（如图1所示）

2.项目实施的科技内容

DCS的主要特点是：控制功能强、系统可靠性高、采用CRT操作站有良好的人机界面、软硬件采用模块化积木式结构、系统容易开发、采用组态软件，编程简单，操作方便、有良好的性价比。所以本项目的主控制系统采用日本横河公司最新的分散控制系统(DCS)CENTUM CS3000。

2.1 DCS控制系统

2.1.1 燃料量控制系统（主蒸汽压力控制）：燃料量控制系统采用以控制锅炉出口蒸汽压力为主调、以控制锅炉主蒸汽流量和锅炉汽包压力代表的热量信号为付调的串接系统。

2.1.2 送风量控制系统（烟气含氧量控制系统）：送风控制既要保证锅炉的安全燃烧，又要保证锅炉的经济燃烧，因此送风控制系统需要保证最佳的炉膛出口氧量，风量控制引入主蒸汽量变化率信号，以达到外界在负荷增大时，风量先增，外界负荷减少时，煤气先减的目的。

2.1.3 引风量控制系统（炉膛负压控制系统）：引风控制是保证锅炉的安全燃烧。为了提高引风对送风的跟随速度，引入送风量变化率作为前馈，组成单回路前馈系统。

2.1.4 主蒸汽温度控制系统：锅炉过热蒸汽温度是影响机组生产过程安全性和经济性的重要参数。锅炉的过热器是在高温、高压的条件下工作的，过热器出口的过热蒸汽温度是机组整个汽水行程中工质温度的最高点，也是金属壁温的最高处。温度过高容易损坏过热器，也会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生大的热膨胀变形而损坏，温度过低将会降低机组热效率。所以控制好蒸汽温度非常重要。过热蒸汽温度采用二级喷水减温，一级为粗调，二级为细调，保持主汽温度正常。

2.1.5 给水控制系统（汽包水位控制）：给水控制的任务是使给水量与锅炉的蒸发量相适应，维持汽包水位在规定的范围内。

汽包水位是汽包锅炉运行中一个重要的监控参数，它反映锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系。是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。汽包水位过高会影响汽包内汽水分离装置的工作，造成出口蒸汽水分过多，使过热器结垢而烧坏，严重时会导致汽轮机进水；汽包水位过低，会破坏锅炉的水循环，甚至引起爆管。

汽包水位检测信号取自平衡容器的差压信号，采用3台变送器进行检测，分别经过温度、压力模块化运算补偿后在经“选择逻辑通道”做出选择，以保证在开炉过程中，工艺参数变化很大，影响参数的准确性。控制方式采用单冲量控制与三冲量双向无扰自动切换控制方案（控制主给水阀和辅助给水调节阀），根据运行的实际情况，在低负荷（负荷≤30%额定负荷）运行时，蒸汽流量与给水流量的测量误差大，采用水位单冲量控制，达到一定负荷后切换至三冲量控制。系统原理结构图如图2所示：

2.1.6 FSSS联锁保护系统：FSSS(furnace safeguard supervisory system)称为锅炉炉膛安全监视系统。

其中：炉膛吹扫程序。吹扫程序画面设有允许吹扫、吹扫进行、吹扫完成、吹扫失败等状态指示灯，CS3000控制系统检测接收到炉膛紫外线火焰检测器无火、2两台引、送风机的各自任意1台运行信号且送风流量正常和3台水位检测正常信号时，“允许吹扫”灯亮，按“吹扫启动”键，系统开始吹扫程序，炉膛吹扫时间为5分钟并且烟气的CO分析仪分析含量小于1%；“吹扫完成”灯亮，MFT复归。但是在吹扫进行期间，吹扫条件有一个不满足，吹扫自动终止，“吹扫失败”灯亮进行报警，直到吹扫条件重新满足后，方可重复上述过程。

主燃料跳闸(MFT)。锅炉在运行过程中，水位、炉膛压力低信号或高信号取3个，当3个信号中至少有2个成立，即3取2成立；送风机全停；引风机全停；炉膛的上层和下层的前后墙的4只火检中至少有3只无火；高、焦煤总阀关闭的条件任意1个满足，DCS发出紧急停炉指令，快速切断高炉煤气快切阀。

2.2 .汽轮机数字低压透平油电液控制系统（DEH）

DEH控制采用DEH采用505E调速系统和SPC控制，接受双冗余LVDT的位置反馈信号，控制模式为全自动控制模式，DCS完成辅机控制后送505E汽机启动许可，调速系统自动启动，智能识别诊断机组的冷热态状况，依据控制升速曲线自适应调节SPC和DDV阀进行升速、暖机、快速控制通过临界点、同期控制、并网自动最小负荷控制。完成了505E调速系统、自动同期装置、并网自动最小负荷的无缝闭环控制。

3.项目实施效果

3.1 降低了购置成本

● 模块化设计，减少了初期投资。

● 开放的网络系统和数据结构，支持与第三方软件和设备通讯。

● 通用模拟量输入模块，消除配置浪费，减少了备件。

● 单一软件即可完成组态，诊断，联网，监控等功能，无需另购其他软件。

3.2 加速了工程进度

● 完备的控制功能和图形化软件，快速实现了控制方案。

● 在线同步组态与监控，提高系统调试和故障诊断效率。

● 基于Windows视窗，方便的软接线最大限度地帮助用户快捷的实现各种复杂过程控制方案。

3.3 节约了后期投资

● 模块化结构，方便了按需要逐步进行系统扩展和升级。

● 系统的在线组态功能，可在设备运行中完成扩展。

● I/O模块的热插拔特性，支持在线维护，无需设备停机。

● 基于视窗技术的系统软件，好学易懂，减低培训费用，增强了对设备的自行维护能力。

3.4 提高了生产效益

● 精确过程控制，增加了煤气的利用率，减少了浪费，降低了能耗，提高了发电率。

● 模糊控制算法，消除过调，减少了浪费。

● 开放的数据网络，支持全厂生产与能源调度。

● 系统的高可靠性保证了设备的稳定运行，减少了故障停机时间。

3.5 保证了设备安全

● 多种控制系统的优化组合，发挥了各系统的特点，实现了较为复杂的控制和连锁方案，确保了设备的安全。

4.结束语

项目运行一年来控制系统运行稳定，控制水平准确迅速，实现了控制的安全，稳定，高效。该控制系统自投入以来，工作性能非常稳定，为生产提供了保障。取得了很好的经济和社会效益，该控制系统通过功率负荷调整，调节煤气平衡，保证煤气系统零放散，最优利用转炉煤气，稳定转炉煤气回收利用。不仅彻底解决了高炉煤气直排对环境的污染问题，更收到了可观的经济效益，做到了“增产不增污”，实现了经济环境效益双赢。

略