ABB 800xA在220t/h在循环硫化床锅炉上的应用

重庆川仪控制系统有限公司 袁孝志

循环流化床锅炉(CFBB)是一种利用循环流化床燃烧矿物燃料生产蒸汽的装置，它具有煤粉炉无法比拟的优点：燃烧适应性广、低污染燃烧、脱硫效率高、燃烧热强度大、炉膛体积小、床内传热系数高、负荷调节性能好、灰渣可综合利用等。所以自问世以来，在国内外得到了迅速的推广与发展，但由于循环硫化床锅炉自身的特点，在运行操作时不同于煤粉炉，如果运行中不能快速准确地对其燃烧进行控制，极易酿成事故。因此为了更好提升锅炉效率和减少排放污染，选用优秀的控制系统提升工作稳定性和提高自动化程度，是实现锅炉安全高效生产的重中之重。

1 工程概述

印度尼西亚金光集团江碧纸业LPPPI位于印度尼西亚苏门答腊岛（北）的Lontar Papyrus浆纸厂，是一家致力于制浆、造纸、化工等行业的公司。该厂一共有2台碱回收锅炉(RB)，其蒸汽能力分别是440t/h和175t/h，2台160t/h多燃料锅炉（MB），1台 110t/h粉煤锅炉(PCB) ，5台透平式汽轮发电机，2台GT (Gas Turbine)，应急柴油发电机7台，由于该厂汽电不平衡，所以急需扩建一座220t/h循环流化床锅炉及配套30MW空冷汽轮发电机组来解决这个问题，用以满足全厂生产、生活用电和生产用汽问题。该项目由四川东方锅炉工业锅炉集团有限公司总承包，重庆川仪控制系统有限公司负责提供ABB 800xA的DCS系统，并完成DCS的设计组态和现场调试工作。

2 800xA的系统特点

工业信息技术（IndustrialIT）是ABB公司的专利概念，该理念旨在以一种开放式控制系统来表征其特性，将产品、服务以及产品运行、维修和维护所需的信息融为一体。800xA系统(ControlIT/OperateIT)是一种具世界领先水平的全能综合型开放控制系统，该系统融传统的DCS和PLC优点于一体并支持多种国际现场总线标准。它既具备DCS的复杂模拟回路调节能力、友好的人机界面(HMI)及方便的工程软件，又同时具有与高档PLC指标相当的高速逻辑和顺序控制性能。系统既可连接常规I/O，又可连接Profibus、FF、CAN、Modbus等各种现场总线设备。系统具备高度的灵活性和极好的扩展性，无论是小型生产装置的控制，还是超大规模的全厂一体化控制，甚至对于跨厂的管理控制应用，系统都能应付自如。

3 系统配置

该项目过程级配置了3对PM861冗余控制器，一对用于炉膛安全监控系统FSSS及除氧公共部分，一对用于数据采集系统DAS、模拟量控制系统MCS、顺序控制系统SCS部分，一对用于汽机部分的监视及控制部分。DCS控制系统与其它系统的通讯，如全厂实时监控信息系统（SIS）、自动发电控制系统（AGC）、汽机安全监视系统（TSI）、汽机电液控制系统（DEH）、汽机危急遮断系统（ETS）及其它辅助设备PLC控制系统等采用MODBUS的通讯方式。该项目一共有1820个IO点，配置了28个S800 I/O站，15个2200×800×600的控制机柜。

该项目数据采集采用服务器与客户端的方式，配置2台数据连接服务器CS，2台域服务器DS，2台属性服务器AS， 4台操作员OS站，1台工程师站ES站，该项目所用的服务器均为Dell公司的机架式PowerEdge R710系列，配置为：CPU主频：Xeon 5500系列处理器，内存：4G 硬盘：300G 磁盘阵列：PERC6/i 或 SAS6/iRR1 DVD，带8M显存的集成显卡，22”高分辨率SVGA彩色显示器。在项目实施过程中，Dell公司的商用计算机表现出了优异的性能。

系统打印机为4台：工程师站配置2台佳能A3幅面双色激光打印机LBP9100CBN；操作员站记录打印机LQ-1600K3、报警事件打印机佳能1980。其所有的打印机都具有网络接口功能。

本控制系统网络结构如图1所示。

图1 本控制系统网络结构图

该项目的现场总线采用Profibus-DP通讯协议，其最大通讯速率为12MB/S。Pro fi bus-DP电缆通过每个S800 I/O 站上的CI840A通讯模件与控制器上的CI854通讯模件连接，用以满足现场信号的采集、处理和控制器的通讯。数据采集和监控采用TCP/IP协议以太网，其通讯速率为100MB/S。服务器、操作员站、工程师站和现场过程站通过以太网相连接，满足服务器、操作员站、工程师站对现场设备的监视、控制和管理，实现数据共享。

4 控制系统主要功能

4.1 数据采集系统DAS

DAS是DCS的一重要部分，需要对过程变量进行采集和处理。数据采集系统能按扫描周期连续地定时采集、处理整个控制系统的所有过程输入输出、中间计算值和状态以及运行操作和异常报警等信息，并以实时的方式提供给运行人员。数据采集系统还通过历史数据、报表记录、性能计算和统计分析等软件完成过程数据的存储和处理。数据采集系统还为整个800xA 系统提供了一套综合的监控界面，能通过CRT和鼠标等人机交互设备以自动或手动的方式对工厂过程的各个受控参数和受控设备进行监视、控制和处理，以保证该锅炉以最佳的状态安全可靠地运行。

整个数据采集系统的功能包括：

信号处理；

显示功能；

模拟图；

成组显示；

棒图显示；

曲线显示；

报警事件显示和响应；

历史数据显示；

其它显示；

记录报表；

系统自诊断；

性能计算。

4.2 模拟量控制系统MCS

循环流化床锅炉采用DCS的主要原因之一就是要解决运行控制复杂性的问题。相对优秀的模拟量调节控制回路的设计可以有效地控制现场执行机构的调节动作，从而安全高效地控制锅炉燃烧系统的运作。

循环流化床锅炉是一个多参数、多变量、强关联、干扰多的控制对象，其自动控制系统既是独立的，又是相互关联的，可谓是“牵一发而动全身”。当一个系统进行调节之后，其它的调节系统也要有相应变化。本锅炉的调节控制系统涉及负压调节、水位调节、给煤调节及配风调节等多个方面，充分满足了该循环流化床的运行控制要求。

汽包水位调节（即给水自动）是循环流化床中除燃烧自动外最为重要的一个调节回路，也是整个控制系统中必须投入自动的调节回路之一。给水调节系统的目的是通过控制锅炉的上水流量从而实现保持锅炉汽包内水位的稳定性，使其在某一设定值上下轻微浮动，有效地减轻了由操作人员手动控制水位所产生的繁重工作。本循环流化床锅炉的给水控制系统由主给水调节和给水旁路调节二套自动调节系统组成。其中给水旁路调节控制系统采用单冲量调节方式，通过汽包水位实际值与设定值之间的偏差控制给水旁路调节阀的输出，该自动系统一般在锅炉负荷小于30%的情况下投入使用；主给水调节则分为单冲量调节和三冲量调节二种控制方式，其单冲量调节和三冲量调节的控制切换通过系统对锅炉运行情况进行判断后自行实现，不需要人为干预，该自动系统一般在锅炉高负荷时使用（即负荷大于30%）。三冲量给水调节通过汽包水位、给水流量、蒸汽流量三个信号来调节给水调节阀，维持汽包水位，此系统的水位调节品质比较好。蒸汽流量和给水流量的差值送入三冲量调节器的前馈输入端，构成具有比例调节作用的副调节回路，副调节回路能快速消除给水内扰，并且给水流量能快速跟锅炉负荷（蒸汽流量）同步变化，使汽包水位基本不变。主调节回路采用比例-积分调节，当汽包水位偏离其设定值时改变给水流量，使汽包水位回到其设定值。

图2为主给水调节控制原理：

图2 主给水调节控制原理图

为更充分地使用DCS资源，提高控制系统的安全可靠性。本系统除具有常规三冲量液位调节系统的基本功能外，还具备以下功能：

（1）单冲量/三冲量自动切换功能

在液位、给水、蒸汽三个信号均正常时，调节器处于三冲量调节状态。当给水或蒸汽两信号中任意一个异常时，DCS自动地从三冲量调节状态切换到单冲量调节状态。以防止锅炉缺水/满锅。并发出声光报警，提醒操作员注意调节器目前的工作状态。

（2）自动/手动自动切换功能

当液位信号异常时，DCS自动地从单冲量或三冲量切换到手动状态。调节器输出保持前一周期的输出，并发出声光报警，提醒操作员注意调节器目前的工作状态。

（3）汽包液位补偿

由于饱和水及饱和蒸汽的重度随着蒸汽压力的变化而变化，当用差压变送器测量汽包液位时，在同样的液位而不同的蒸汽压力下，其变送器输出所指示的液位也不同，其原因是饱和水和饱和蒸汽的重度的影响，误差为10%～15%。为克服饱和水及饱和蒸汽的重度的影响，特增设汽包液位补偿功能，以减少测量误差。

4.3 顺序控制系统（SCS）

锅炉辅机设备的顺序控制及联锁的基本目的是将正常运行时由于锅炉及辅机设备的工况原因对设备所产生的不良影响降至最低，以保障设备的长久使用。其主要功能是在装置不满足运行条件或正常运行中接近不稳定、不安全的运行状态时，依靠预先设定的保护动作来限制该装置的瞬间动作方式，最终得以保证设备的安全。本台循环流化床锅炉的DCS控制系统设计了多套顺控及联锁控制回路，包括引风机、一次风机、二次风机、高压风机、石灰石风机、给煤机、循环水泵、冷渣器以及水系统的电动门和蒸汽系统的电动门及安全门。

4.4 炉膛安全监控系统(FSSS)

采用ABB 800xA系统实现的炉膛安全监控系统的主要功能是在锅炉启动、停止该正常运行等各种方式下，连续监视燃烧系统的各种参数与状态，根据顺序逻辑程序和安全联锁条件控制各种联锁装置和燃烧系统中的相关设备，完成必要的设备操作或事故处理，防止爆炸性的燃料和空气混合物在锅炉的任何部位积聚，避免锅炉爆炸等未遂事故的发生，保障锅炉的运行安全。

FSSS系统的主要功能包括炉膛吹扫、MFT、风道燃烧器和启动燃烧器启停、给煤机启停等。

在锅炉每次冷态启动或当总给料跳闸（床温低于600℃且无任何燃烧器在运行），必须对炉膛进行通风吹扫。所有吹扫允许条件都在CRT画面上有自己的状态显示，当所有条件都满足时，“吹扫准备”灯亮，此时运行人员可按“启动吹扫”按钮，开始通风吹扫。

如果在启动吹扫后的规定时间内，上述条件继续保持满足，则到达规定时间后系统将自动发出“吹扫完成”信号，“吹扫完成”灯亮，自动复位软逻辑主燃料跳闸存贮器，或由运行人员案FSSS软操盘上的MFT RESET键，即可复位“手动跳炉”或DCS两路电源均丧失引起的硬逻辑MFT。MFT信号复位后，锅炉进入准备点火阶段。

如果在规定时间内任一条件丧失，则发出“吹扫中断”信号，这时必须等待所有条件重新满足后，再从头进行一次完整的吹扫过程。

MFT是FSSS中安全措施的最高形式。当出现任何危及锅炉安全运行的情况时，将发出MFT动作指令，快速切断所有进入炉膛的燃料和物料，并将MFT信号送至其它系统。其中，第一个直接引起MFT的信号就是首出跳闸原因。首出跳闸原因将记忆并在CRT上显示，直到启动前吹扫开始后或者吹扫结束时才清除。

5 结语

本项目从合同生效至调试完毕，历时6个月顺利完成。基于Industrial IT控制平台的800xA系统完全满足对循环硫化床的工艺要求和现代化管理的要求。220t/h循环流化床锅炉在印度尼西亚金光集团江碧纸业LPPPI 投入使用后，解决了该厂之前的汽电不平衡问题，满足了生产和生活的用电用汽问题，减低了工人的劳动强度，节约了能源，效果显著。