基于PCS7的余热锅炉热力控制系统

摘要 随着国家节能减排战略的实施，余热锅炉作为废热回收的应用越来越广，为满足余热锅炉构成的热力系统控制要求。本文提供了一套基于西门子 PCS7的余热锅炉热力控制系统。经调试运行表明，该系统稳定可靠，控制效果良好。

关键词 余热锅炉；控制系统；PCS7；热网

中图分类号TK22 文献标识码A文章编号 1674-6708（2012）79-0148-02

1 背景简介

随着能源供求的日趋紧张，节能减排、提高能源利用率成为了我国的基本国策，天然气发电机组带余热锅炉的热电联供模式在国内应用越来越广。此模式不仅可以提高能源的利用效率，而且减少了大气环境污染，具有节约能源、改善环境、提高供热质量等综合效益

塔西南燃机电站地处南疆，，承担着为塔西南石油基地提供生产和生活用电及蒸汽的任务。电站原有3台美国Solar公司Titan130燃气轮机，总装机容量40.5MW，配套的有3台单压余热锅炉，为周围工厂提供60吨/小时的1.6MPa蒸汽。为适应化工发展的电力和热力需要，电站扩建了4台Solar公司Titan130燃气轮机及配套双压余热锅炉，同时加装一台快装锅炉及一套软化水系统，建成后总装机容量达到94.5MW，蒸汽产量130吨/小时，其中4.6MPa蒸汽40吨/小时，1.6MPa蒸汽70吨/小时，0.35MPa蒸汽20吨/小时。以满足基地电力、工厂蒸汽及生活供暖需要。

电站热力系统部分控制系统采用西门子PCS7来完成生产过程的补燃控制、PID控制、 数据运算、逻辑控制等。本文从测控项目、 硬件配置、 编程组态、 监控界面设计等方面介绍如何实现余热锅炉热力系统控制。项目投产已来，整个系统运行平稳，创造了巨大的经济和社会效益。

2 系统简要工艺介绍及控制项目

燃机电站以天然气为燃料，进行电力及蒸汽生产。天然气和空气在燃机中燃烧，推动透平旋转带动发电机产生电能，燃烧后的尾气排入锅炉加热水产生过热蒸汽，供给周围工厂加热原料或驱动蒸汽透平。双压余热锅炉具体流程为：除盐水通过除氧器后，被给水泵打至给水管线，经过省煤器初步加热后进入汽包，汽包中的水向下流入蒸发器加热成饱和蒸汽返回汽包，饱和蒸汽从汽包顶部依次进入前置过热器、补燃器后的过热器加热成过热蒸汽，供给用户。当尾气热量不足时，开启补燃，用低压天然气燃烧，产生热量，确保蒸汽温度和压力。在中压蒸汽系统后还有低压蒸汽系统，没有过热部分，其他流程同中压部分，产生饱和蒸汽供给除氧器为除盐水除氧。低压蒸汽系统后为热水器，为整个基地工厂及生活区供暖。整个锅炉采用能源阶梯利用的方式，实现了能源的最大利用，热效率接近90%，比起燃机33.5%的效率大大提高。

同时，电站整个热力系统较为复杂，分为4.6MPa、1.6 MPa中压蒸汽，0.35 MPa低压蒸汽、采暖热水四个部分，当低热量部分满足不了要求时，需要对高一级蒸汽进行减温减压或换热，满足系统要求。这个四部分要求整体经济运行，因此控制逻辑比较复杂。与余热锅炉配套的快装锅炉和软化水系统为均采用S7300及触摸屏就地控制，也要将数据远传至余热锅炉控制系统。综合上述，又通过对其工艺特点进行深入细致具体分析，余热锅炉热力系统部分控制应该有以下特点：

1）为确保系统安全，DCS过程控制站的过程控制站、电源、通信网络必须冗余；2）实现主要控制方式：高低压汽包水位自动控制；补燃系统自动投停及调节；锅炉三通挡板控制及连锁； 4.6MPa、1.6 MPa中压蒸汽，0.35 MPa低压蒸汽三者之间达到平衡；除氧器水位控制及各种逻辑控制等；3）热网系统与燃机、电力调度、快装锅炉、软化水系统进行互连通讯。

3 控制系统硬件构成

本系统供有控制点数1060点，属于中型控制系统。系统包括冗余控制器417H两套，输入输出模块140块。工程师站、操作员站各一套。控制回路中三冲量控制回路4个，串级控制回路4个，普通单回路22个，顺控程序8个，采集数据809个，显示画面10个，与其它系统数据通信3条通道。现场仪表采用变送器及热电偶、热电阻、调节阀等通用仪表，其中4.6MPa向1.6MPa减压采用气动调节阀，1.6MPa向0.35MPa减压采用机械式调节阀。接线采用硬接线。与其它系统通讯采用MODBUS协议及西门子自身DP协议通讯。

4 控制系统的功能实现和要点

4.1 控制系统的各种功能

过程控制功能：高低压汽包、除氧器液位控制，过热蒸汽温度控制，减温减压器温度控制，减温减压器压力，补水压力控制等。

顺序控制功能：三通挡板控制，补燃点火控制，汽水采样控制，紧急放空、紧急放水等连锁保护。

通讯功能：与燃机系统通讯，与电调系统通讯，采集快装锅炉及软化水数据。

4.2 主要控制功能的实现

汽包水位控制：汽包水位控制采用三冲量控制，通过给水及蒸汽流量对汽包液位进行补偿，为达到稳定控制的目的，引入了压力对液位的修正，使远传液位更接近真实液位。在控制低压汽包水位过程中，发现因供水压力过低，调节阀开度在60%～100%时，流量无明显变化，因此将最大阀位设定在60%，减小系统波动。

过热蒸汽控制：过热蒸汽质量控制原设计控制量为母管压力，调试时发现供大化蒸汽压降较小，温降较大，因此改为温度控制。蒸汽温度控制采用串级控制，燃控制控制对象为过热蒸汽温度，控制补燃调节阀，逻辑是：采集过热蒸汽温度，补燃后烟气温度，通过过热蒸汽对补燃后烟气温度进行补偿，调节补燃量。因为此锅炉添加了前置过热器以稳定烟气流，所以当蒸汽温度在430℃～440℃之间时，保持补燃量不变，引入温度调节阀参与调解，达到稳定控制的目的。

补燃点火控制：此系统进锅炉前共有四道关断阀，补燃点火前对每道阀都进行阀检，完成后先点小火，然后再用小火引燃大火。在调试过程中发现每台锅炉的点火情况不同，因此根据调试经验，对点火时间做了适当的修改，提高了补燃点火的成功。

汽水采样控制：本系统共有三套汽水采样系统，其中4、5、6号，7、8号，9、10号炉分别共用一套，因此采样系统应轮流对火炉取样。通常情况下，我们开4到5台锅炉，对于锅炉是否开启，先做下判断，如果开启，则进行采样，不开启则跳过。在每次切换后，数据显示有5分钟间隔，提高采样数据准确性锅炉三通挡板控制：在锅炉不运行情况下，挡板打至锅炉通道，在锅炉运行情况下，挡板打至旁通侧。因锅炉启炉时加热过快会导致锅炉汽包液位大幅波动，因此采用汽包温度控制挡板开度，并设置了手动模式。

非冗余系统与冗余系统互连：本系统配套建设一个快装锅炉，在余热锅炉事故状态下，确保炼油催化系统提供蒸汽，另有一个软化水系统，为采暖系统提供补水，控制系统均为S7-300就地触摸屏控制，因为减少工作人员实现集中控制的目的，需要将其接入DCS，实现非冗余系统接入冗余系统。二者通过Y-LINK实现硬件连接，通信协议为Profibus总线，实现主站对从站的控制。

Modbus通讯：系统Modbus通讯对象一个是燃机控制站，AB的PLC5，软件为logix5，DCS做主站，燃机控制站是从站，另一个为电力调度数据采集站，为南瑞NT2000。电调为Modbus主站，DCS为从站。

5 系统调试

5.1 整个系统的安装组态调试步骤

硬件安装及接线；安装PCS7 6.1工程师站软件；硬件组态及下载；程序编写编译下载；制作人机界面及通讯连接；系统调试仿真；与现场仪表联调；运行中出现问题处理。

5.2 调试中故障处理

调试过程是一个非常重要的过程，在调试过程中发现了不少问题也解决了不少问题。主要有以下几个问题：

1）有一些模拟量信号不正常，应该是4MA但实际测量信号超过了20MA溢出了，经过分析和现场的测量，发现是干扰照成的，解决方法：把不正常的模拟量信号的负级与24DCV的M级连接后信号正常；2）补燃流量偏差大。补燃流量与实际值相比较相差约3倍，经过对流量计参数检查，发现编程时参数选择错误，将参数进行了修正。

6 结论

余热锅炉热网控制系统投用至今，运行平稳，从未发生故障，控制参数符合设计要求，满足了余热锅炉热网系统的控制要求。节能减排理念已经深入人心，对于石油化工行业尤为重要，二余热锅炉的使用是节能减排的一项重要措施，本文基于PCS7的余热锅炉热网控制系统应用范围较广，具有很大参考价值。

参考文献

[1]金以慧.过程控制[M].北京：清华大学出版社，2005：118-123.

[2]西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.PCS7深入浅出手册[Z]，2005.

[3]俞金寿，蒋慰孙.过程控制工程[M].3版.北京：电子工业出版社，2007，7：68- 80，240-250.

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