基于dcs排污控制系统.doc

基于DCS的排污控制系统设计 （东北电力大学自动化工程学院，吉林 吉林 132012） 摘要: 锅炉运行中，要求有良好的汽水品质，必须进行定时和不定时的排放汽包沉积的杂质，以提高炉水品质，防止结垢，有利于锅炉的安全运行。定期排污程控的可靠DCS控制系统具有控制效果好、可靠性高、系统维护量小、易于组态等特点。本文就DCS技术的特点，将其应用于200MW机组锅炉的排污控制系统中。关键词：DCS技术、锅炉排污、连排、定排程控、开许可条件1、引言以往在火电机组中，锅炉炉水定期排污大部分采用由硬件组成的程控装置，由于编程没能很好地结合电厂的实际情况，在使用中存在一定的问题。其主要原因是：一方面，程控在运行中，一旦某一个定排电动门出现机械故障，定排程控将停止运行，必须要求所有的电动门完好才能投入正常运行，加之许多厂定排电动门较老化，经常出现卡涩等机械故障，所以无法正常投入运行。另一方面，由于采用硬件设备，难免出现运行时间一长，设备的元件出现故障又难于修复，因此，很少投入运行，一般采用人工排污。所以，提高锅炉汽包性和稳定性势在必行。目前，DCS技术已发展成熟，并广泛应用于电厂之中，DCS系统是过程控制专家们借用计算机局域网研究成果,把局域网变成一个实时性,可靠性要求很高的网络型控制系统,运用于过程控制领域。尤其300 MW及以上容量机组的热工控制已全面采用DCS控制系统,提高了电厂自动化水平和机组运行的安全性、经济性。将锅炉定期排污程控纳入DCS控制系统(以下简称定排程控)，经过精心设计和调试，获得了成功。2、排污定义及意义2.1 连续排污连续排污系统主要作用是在锅炉运行过程中连续从汽包中排放出适量的含盐成分较高的炉水。该系统的应用可防止出现锅炉排污不足和排污过量的问题。排污不足直接影响炉水和蒸汽的质量，严重时会出现炉水共沸、热力设备结垢爆管等不良现象，影响电厂运行的安全性；排污过量会产生工质及热量方面的损失，影响电厂运行的经济性。锅炉连续排污系统的投运减轻了运行人员劳动强度，提高电厂的自动化水平，起到了节能降耗的作用。提高了电厂的能量管理水平。2.2 定期排污当水处理设备不完善或工作不正常时，给水的浑浊度较大，给水中含有一定的泥沙或其它沉淀物。给水进入锅炉后，由于蒸发，炉水中的泥沙含量越来越多，如果不定期排出，上升管因堵塞得不到良好冷却，有爆管的危险。加入锅炉的药剂与炉水中的钙、镁离子生成的水渣如不定期排出，同样存在堵塞上升管的危险。3、连排和定排在锅炉系统中的应用3.1连排系统连续排污主要是排出汽包的盐分含量，排污管通常设在汽包上半部水位下面，连排系统上设有炉水取样，他可以根据汽包炉水化学成分的变化，来调节连续排污量。连排扩容器入口装有电动阀B和D，扩容后的合格蒸汽排到除氧器，不合格蒸汽排至大气。在连续排污扩容器上通常装有对空排气的安全阀，以防箱体超压。连续排污扩容器依靠水位控制仪表来控制箱体水位。当水位高于设定的水位时，则箱体内的水被水位调节阀C自动疏放到定排疏水扩容器。当水位调节阀故障时，依靠旁路手动阀疏水。锅炉连续排污控制部分由炉水品质在线仪表、排污调整门及执行器、控制软件所组成。炉水品质在线仪表送入排污流量控制模块的信号有电导率、PH值、二氧化硅、磷酸根，根据排污控制算法确定是否调整排污门的开度，并控制其排污量。控制算法采用约束PID方式，以排污量作为反馈量。在正常工作时，以二氧化硅、PH值、磷酸根为控制变量，在保证炉水指标的前提下，尽量减少排污量；在二氧化硅、磷酸根仪表缺信号或失效时以电导率为控制变量；在全部在线仪表失效时，自动转入手动控制方式工作。锅炉连排装置的系统配置如图1所示、部件汇总见表1。图1 连排系统配置表1：锅炉连排系统的部件序号名 称单位数量1异形节流件套12差压变送器台13压力变送器台14排污调整门台15三阀组、导压管、电缆等附件套1如图2为汽包连排系统的流程图。 图2 连排系统的流程图3.2定排系统定排分为汽包的定排和锅炉定排。汽包定期排污主要是排出汽包内部的水渣（松散状的沉淀物），同时排出一定的盐分。锅炉的定排主要目的是排出炉水中的沉渣和铁锈，是定期进行的，非连续性的，定期排污是从锅炉蒸发受热面的最低点引出，一般设在水冷壁下集箱最低点。锅炉的定排程控投入后，按先后顺序进行排污，先打开1号电动门(排污总门)，58号电动门自动依次进行排污，排污完关闭1号电动门。然后打开2号电动门(排污总门)，912号电动门自动依次进行排污，排污完关闭2号电动门。然后打开3号电动门(排污总门)，1316号电动门自动依次进行排污，排污完关闭3号电动门。然后打开4号电动门(排污总门)，1720号电动门自动依次进行排污，排污完关闭4号电动门。所有投入程控运行的电动门排污完后，程控自动结束。定期排污在运行中根据需要定时开启和关闭。定期排污系统工作时，必须保证汽包水位正常，因此按照定期排污时的操作规律，应顺序打开各排污阀门。另外，若出现定排程控故障中断，必须立即停止排污并将所有的排污门关闭，当电动门故障排除后，必须重新点击“定排启动”按钮，才能启动程序运行。防止定排程控自动投入。如图3为锅炉定排系统的流程图。 图3 锅炉定排系统流程图4、DCS技术在锅炉定排系统的应用4.1 DCS技术简介集散控制（DCS，即Distributed control system，直译为分散控制系统）技术的含义是分散控制集中管理，DCS是计算机技术、数字通讯技术和现代控制技术结合的产物，是信息时代的控制技术。 通常DCS系统的体系结构分为三层：现场控制级、集中操作监视级、综合信息管理级。DCS是面向整体，面向系统的控制技术，目标是整个系统的最优化控制，包括现场实时控制的最优化和综合信息管理的最优化。DCS就是以多台微处理器为基础，采用控制功能分散，显示操作集中，兼顾分而自治和综合协调原则设计的控制系统。技术支持：四C技术、计算机技术、通信技术、CRT显示技术、过程控制，如图4所示是DCS系统的典型结构图。 MIS1MIS2MISnSever接口OS1OS2OSnESDPUI/ODPUI/ODPUI/O信息管理监视操作数据高速通道数据高速通道控制功能 图4 DCS系统的典型结构图分散控制系统的特点：硬件积木化：分散控制系统采用分层次的积木式结构，整个系统的配置具有很大的灵活性，便于用户分批分步地扩展自己的系统，以构成更为完善、功能更强的现代化控制与管理系统。软件模块化：分散控制系统为用户提供了丰富的功能软件，大大减少了用户进行软件开发的成本。这些功能软件包括控制软件包、操作显示软件包、报表打印软件包等等。并提供至少一种过程控制语言，供用户开发高级的应用软件。控制功能分散化：系统中的每个单元仅赋予有限的功能，使用专用的功能软件。避免了中心计算机系统软件的复杂性，提高了系统的实时响应能力，改善了整个系统的可靠性。系统功能综合化：分散控制系统把过程控制与监视操作以及管理溶为一体，可实现生产过程的综合自动控制。高可靠性：结构可靠性，功能分层结构（垂直分解、水平分解），分散即意味着危险分散，局部故障不致引起全局故障；元器件的可靠性大规模集成电路和微处理器芯片的可靠性已达到相当的水平。元器件经过认真严格筛选，适应于工业控制的需要。冗余技术：分散控制系统中的关键环节和部件，采用了冗余技术。象通信线路、电源和控制器等均采用冗余配置。操作员站也设置多套互为备用。4.2 基于DCS的定期排污特点定排程控采用北京和利时工程公司的HS2000系统软件，根据运行规程和现场的要求，在DCS控制系统内进行组态及调试，然后定排程控经过静态、动态试验以及投入试运行，完全达到了预期的功能和效果。其主要优点如下：1) 运行稳定可靠。经现场长期试运行，程控启、停及各种功能均正常。2) 结构简单。只需将电动门的I/O线与DCS机柜连接即可。3) 操作使用方便。在DCS系统操作画面上设计弹出窗口，直接在弹出窗口上进行软操作。4) 运行灵活。在操作画面上可切除故障的电动门(不参与程控)，投入正常的电动门参加程控，这样就增加了运行的灵活性。5) 功能齐全。在画面上可进行手动、自动操作，还具有显示、报警功能，以便运行人员掌握运行情况并提醒运行人员及时排除故障。4.3 DCS控制系统实现目标与功能本文设计的锅炉定排系统构成为：四面水冷壁，每面水冷壁有四个排污阀门，加之一个定排总门共计需要20个定期排污阀门。 锅炉定期排污的操作规程要求：在运行中必须按规定的周期，本设计按照每6个小时对锅炉进行定期排污，排污应选在低负荷时进行。每一个循环回路的排污阀全开时不宜超过30秒，不准同时开启两个或更多个的排污阀门。排污时应注意监视给水压力和汽包水位意监视给水压力和汽包水位的变化，并维持水位正常；排污应缓慢进行，防止水冲击如管道发生严重震动 ，应停止排污，待故障消除后，再进行排污；在排污过程中，如锅炉发生事故 ，应立即停止排污 。4.4 控制系统功能概述 定排程控系统采用ABB公司的工业总线系统 ，根据运行规程和现场的要求，在DCS控制系统内进行组态及调试，然后定排程控经过静态 、动态试验以及投入试运行 ，完全达到了预期的功能和效果。其主要优点如下：作为一个过程站加入到全厂DCS系统的环网中，由工程师站完成程序的组态与下载；强大的通信功能，可受上一级计算机或生产管理网的监控。结构简单，不需专门的控制装置，只需将电动门的IO线!-SDCS机柜连接即可。在DCS系统操作画面上设计弹出窗口，直接在弹出窗口上进行软件操作。弹出窗口中显示每一个门的操作情况和运行状态，便于运行人员观察。运行灵活。在操作画面上可切除故障电动门(不参 加程控 )，投入正常的电动门参加程控 ，这样就增加了运行的灵活性。功能齐全。在画面上可进行手动、自动操作 ，还具有显示 、报警功能，以便运行人员掌握运行情况并提 醒运行人员及时排除故障。修改参数方便。在组态中修改电动门的排污时间(一般考虑为 30秒)。4.5定排程控设计的策略 4.5.1拟定组态方案 程控在运行过程中，必须在有两个以上电动门出现开关超时信号时，定排程控才中断(在实际运行中同时发生两个电动门超 时的情况很少)，程控运行中断后“程控停止”按钮显示红色 (同类描述均为操作员CRT画面组态)。若一个电动门发生开 关 超时信号只报警不中断程控 ，相应的电动门显示黄色 。1号电动门 (排污总门)发生开 关超时信号 ，定排程控自动中断且 “故障显 示 ”按钮变红色 。 如果已知某一个电动门有机械故障 ，在画面上点击 “切除”，该电动门就将不参加程控 ，程序将 “跳步”，使正常的电动门参与程控，这样就增加 了运行的灵活性 ，不 要求所有的门必须完好才能运行。 按 “定排 启动”绿色按钮 ，定排程控 投入，按先后顺序进行排污：先打开1号电动门(排污总门)，58号电动门自动依次进行排污，排污完关闭1号电动门。然后打开2号电动门(排污总门)，912号电动门自动依次进行排污，排污完关闭2号电动门。然后打开3号电动门(排污总门)，1316号电动门自动依次进行排污，排污完关闭3号电动门。然后打开4号电动门(排污总门)，1720号电动门自动依次进行排污，排污完关闭4号电动门。所有投入程控运行的电动门排污完后，程控自动结束。若出现定排程控故障中断，当电动门故障排除后，必须重新点击“定排启动”按钮，才能启动程序运行。防止定排程控自动投入。下表2为排污系统的测点清单表。 表2 测点清单表测点名称测量传感器信号类型量程范围单位测点类型汽包水位电接点水位计 420-300300mmAI汽包压力数字压力计42013700BarAI主气流量孔板流量计4200.1751.75Kg/sAI疏水箱水位浮力式液位计4205008000mmAI排污流量电磁流量计42011.3500m/hAI如图5为锅炉定排控制系统的排污时序流程图图5 锅炉定排系统的排污时序图4.5.2 定排电动门开许可条件1) 汽包水位高于低一值。2) 灭火保护未动作且汽包水位不高，必须满足以上两个条件，定排电动门才能打开。否则电动门处于闭锁状态。3) 必须等上一个电动门排污后已经关闭，才打开下一个电动门，不允许同时打开两个电动门。4.5.3 定排程控启动条件定排程控必须具备下面所有条件才能启动。1) 120号电动门必须处于关闭。2) 定排电动门具备开许可条件。3) 定排程控按钮投入且定排程控复位信号为0。4) 定排电动门未送电时，定排程控启动被禁止。4.5.4 定排程控中断条件发生以下任意一种情况，定排程控将中断运行。1) 在程控运行中，14号电动门开/关运行超时信号产生，或520号电动门中任有两个以上电动门开/关运行超时信号产生。2) MFT动作且汽包水位不高。3) 汽包水位低一值信号产生。4) 手动停止程控。5) 锅炉安全门动作。根据以上提出的逻辑条件，先用模拟故障的方法逐一进行调试，然后投入运行，考查逻辑的正确性。当定排程控中断后，画面上“启动”按钮变绿色，“故障显示”按钮变红色。5、排污控制系统硬件连接原理图 如图6为200MW机组锅炉及汽包的排污控制硬件连接图。其模拟量是汽包水位, 汽包压力, 排污流量, 疏水箱水位,主汽流量。图6 排污控制系统硬件连接图6、200MW排污控制系统的组态图如图7为200MW机组排污控制系统