余 冰

（江西瑞林電氣自動化有限公司，江西南昌330038）

國內(nèi)某大型火法煉銅廠采用側(cè)吹、多噴槍頂吹的連續(xù)吹煉工藝，按照精礦粉、吹煉渣、冰銅、石英石及焦炭按照數(shù)模計(jì)算出來的配方，以一定的比例通過膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸?shù)絺?cè)吹爐進(jìn)行熔煉造銅锍，再經(jīng)過頂吹爐分離出粗銅。 連吹過程反應(yīng)劇烈，釋放大量的650 ℃左右的高溫?zé)煔?，該部分熱量通過余熱鍋爐進(jìn)行廢熱回收，鍋爐汽包產(chǎn)生的飽和蒸汽可用于生產(chǎn)或者進(jìn)行發(fā)電。

1 鍋爐工藝描述

該廠余熱鍋爐配套子系統(tǒng)主要分鍋爐給水系統(tǒng)與循環(huán)水系統(tǒng)。 鍋爐本體主要由對流區(qū)、輻射部、鍋爐汽包、鍋爐振打及清灰系統(tǒng)組成。

從連吹爐上升煙道產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，?jīng)過余熱鍋爐的對流部、輻射部的水冷壁及垂直管束被吸走了大部分熱量，導(dǎo)致溫度大大降低。輻射部把低流速煙氣的溫度降到某一溫度時，煙塵將變成固體顆粒狀，再經(jīng)高流速的對流區(qū)進(jìn)行熱交換，最后因重力作用部分煙塵從余熱鍋爐的輻射部、對流區(qū)墜入煙塵倉內(nèi)[1]。通常將鍋爐的輻射部和對流部外型設(shè)計(jì)成長方體，輻射部的底端與熔煉爐的上升煙道出口相連接，對流部的末端通過鵝頸煙道與電收塵的沉塵室相連接。 在鍋爐過渡段、上升煙道、下降煙道、輻射部、對流區(qū)入口、對流區(qū)出口分別安裝了煙氣壓力、溫度檢測儀表。通過以上壓力、溫度儀表的測量值可判斷余熱鍋爐中煙氣的狀態(tài)變化。

高溫?zé)煔馔ㄟ^水冷壁與汽包內(nèi)的水進(jìn)行熱交換，使管內(nèi)的水因溫度升高汽化而產(chǎn)生蒸汽。由于蒸汽的密度比較小，被循環(huán)水泵從汽包下面抽出的溫度較低的水?dāng)D到汽包里，上升到汽包的上部[1]。 鍋爐汽包產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽（5.2 MPa，265 ℃）通過管道輸送至轉(zhuǎn)化工藝進(jìn)行再加熱處理，最后送至余熱發(fā)電工藝中。 根據(jù)蒸汽流量、汽包液位、給水流量構(gòu)成的帶前饋控制的三沖量調(diào)節(jié)算法，由給水泵不斷地給汽包補(bǔ)充水量，確保汽包水位維持在正常的高度。

圖1 工藝流程及控制系統(tǒng)

余熱鍋爐在長期生產(chǎn)的過程中，鍋爐壁上會積累厚厚的煙灰，嚴(yán)重的影響到鍋爐的傳熱效率，如果不及時進(jìn)行清灰處理，甚至?xí)苯訐p壞鍋爐。鍋爐損壞造成的經(jīng)濟(jì)損失不僅僅是鍋爐本身，由鍋爐原因造成冶煉廠停產(chǎn)而產(chǎn)生的一系列經(jīng)濟(jì)損失更是無法估量。因此，在鍋爐的各個部位，含輻射部的過渡段、上升煙道、下降煙道、輻射部、對流區(qū)入口、對流區(qū)出口分別安裝了振打設(shè)備與清灰裝置。

2 控制要點(diǎn)

余熱鍋爐是冶煉廠中較為重要的設(shè)備之一，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時，必須考慮CPU 冗余切換的功能。 該余熱鍋爐控制系統(tǒng)含除氧器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、 除氧器壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、鍋爐給水系統(tǒng)、汽包液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)、鍋爐循環(huán)水系統(tǒng)、蒸汽出口壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、蒸汽壓力恒壓排空、蒸汽壓力主排空、鍋爐振打及爆破清灰系統(tǒng)，為此，配置了1 套獨(dú)立供鍋爐使用的冗余CPU、I/O卡件及通訊模塊。 接入該系統(tǒng)的電儀設(shè)備詳見表1。

2.1 鍋爐給水泵控制

在生產(chǎn)過程中，煙氣會連續(xù)產(chǎn)生，導(dǎo)致熱量不斷增加。余熱鍋爐的給水系統(tǒng)是安全生產(chǎn)的重要保障，鍋爐給水泵設(shè)計(jì)有一級負(fù)荷設(shè)備。當(dāng)廠區(qū)停電時，廠用柴油發(fā)電機(jī)組將在30 s 內(nèi)啟動，并送電到鍋爐給水泵所屬的配電室， 投入自動模式的鍋爐給水泵將自動啟動。 當(dāng)2 臺軸封水泵均停止時，2 臺鍋爐給水泵將聯(lián)鎖停止。 主要電儀設(shè)備監(jiān)控對象中的2 臺鍋爐給水泵，需具備以下自動啟動功能。

表1 主要電儀設(shè)備監(jiān)控對象

1)1#鍋爐給水泵處于自動模式時，以下任一條件發(fā)生時將聯(lián)鎖啟動該給水泵，并聯(lián)鎖啟動1# 鍋爐給水泵冷卻風(fēng)扇：（1）2#鍋爐給水泵在運(yùn)行過程中突然停止；（2）選中（聯(lián)鎖有效）的汽包液位低于設(shè)定值。

2)2# 鍋爐給水泵處于自動模式時，以下任一條件發(fā)生時將聯(lián)鎖啟動該給水泵, 并聯(lián)鎖啟動2# 鍋爐給水泵冷卻風(fēng)扇：（1）1#鍋爐給水泵在運(yùn)行過程中突然停止；（2）選中（聯(lián)鎖有效）的汽包液位低于設(shè)定值。

2.2 鍋爐循環(huán)水泵控制

鍋爐循環(huán)水泵將汽包底部的軟化水泵到鍋爐本體的管屏、管束中，產(chǎn)生的蒸汽密度較小，被低溫度的水壓進(jìn)汽包內(nèi)并上升到汽包頂部。在生產(chǎn)過程中，連吹爐不斷地產(chǎn)生高溫?zé)煔?，循環(huán)水泵不斷地將軟化水泵到鍋爐本體，整個過程中，不斷的在汽包內(nèi)產(chǎn)生高溫、高壓的飽和蒸汽。 同時，鍋爐給水泵不斷的給汽包補(bǔ)充軟化水，整個過程循環(huán)往復(fù)的進(jìn)行。

與鍋爐給水泵一樣，循環(huán)水泵也屬于一級負(fù)荷設(shè)備，在廠區(qū)停電后，廠用柴油發(fā)電機(jī)組投入使用，處于自動模式的鍋爐循環(huán)水泵將自動啟動。 當(dāng)2 臺軸封水泵均停止時，3 臺循環(huán)水泵將聯(lián)鎖停止。 主要電儀設(shè)備監(jiān)控對象中的3 臺鍋爐循環(huán)泵，需具備以下自動啟動功能。

1)1# 鍋爐循環(huán)泵處于自動模式時，以下任一條件發(fā)生時將聯(lián)鎖啟動該循環(huán)泵：（1）2#鍋爐循環(huán)泵在運(yùn)行過程中突然停止；（2）3#鍋爐循環(huán)泵在運(yùn)行過程中突然停止；（3）鍋爐循環(huán)水泵流量低于設(shè)定值。

2)2#鍋爐循環(huán)泵處于自動模式時，以下任一條件發(fā)生時將聯(lián)鎖啟動該循環(huán)泵：（1）1#鍋爐循環(huán)泵在運(yùn)行過程中突然停止；（2）3#鍋爐循環(huán)泵在運(yùn)行過程中突然停止；（3）鍋爐循環(huán)水泵流量低于設(shè)定值。

3)3#鍋爐循環(huán)泵處于自動模式時，以下任一條件發(fā)生時將聯(lián)鎖啟動該循環(huán)泵：（1）1#鍋爐循環(huán)泵在運(yùn)行過程中突然停止；（2）2#鍋爐循環(huán)泵在運(yùn)行過程中突然停止；（3）鍋爐循環(huán)水泵流量低于設(shè)定值。

2.3 鍋爐汽包液位控制

目前主要采用單沖量控制、雙沖量控制、三沖量控制調(diào)節(jié)汽包液位。

單沖量控制是一個基礎(chǔ)的單PID 控制回路，由液位的過程值與PID 設(shè)定值進(jìn)行偏差計(jì)算后控制給水閥門。 單沖量控制方式結(jié)構(gòu)簡單， 適用于低壓鍋爐，液位變化較為平穩(wěn)的工況場合。中高壓鍋爐的蒸汽流量發(fā)生變化時，會造成“虛假液位”，液位隨蒸汽流量的反應(yīng)較慢，無法正常控制汽包液位。引起汽包液位變化的主要原因是蒸汽流量的變化， 同時會導(dǎo)致“虛假液位”的產(chǎn)生。 雙沖量控制方式就引入的蒸汽流量作為前饋?zhàn)兞浚M成前饋加單PID 控制組成更為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，可以解決“虛假液位”以及汽包液位隨蒸汽流量變化而反應(yīng)遲緩的問題。 在給水壓力穩(wěn)定、汽包壓力穩(wěn)定的前提下，雙沖量控制方式可以有效地調(diào)節(jié)汽包液位。一旦給水壓力、汽包壓力發(fā)生較大波動時，不宜使用雙沖量控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。汽包液位是一個極為關(guān)鍵的工藝指標(biāo)，鍋爐“干鍋”或者“滿水”都會導(dǎo)致嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，甚至?xí){到人身安全。為了最有效的調(diào)節(jié)汽包液位，引入給水流量、 蒸汽流量、 汽包液位組成的三沖量汽包液位控制，液位作為主調(diào)節(jié)變量，蒸汽流量與給水流量作為輔助調(diào)節(jié)變量。 目前中高壓鍋爐普遍采用三沖量控制進(jìn)行汽包液位調(diào)節(jié)，能夠在蒸汽流量、給水流量及汽包壓力波動時實(shí)現(xiàn)汽包液位的穩(wěn)定控制， 控制邏輯如圖2 所示。

圖2 汽包液位三沖量控制邏輯

2.4 鍋爐振打

本文討論的鍋爐振打電機(jī)共208 臺，共分成46組，其中含4 臺振打電機(jī)的有34 組，含6 臺振打電機(jī)的有12 組。 設(shè)計(jì)的分組振打方式有單組模式、整體模式。

單組模式，即操作員根據(jù)工藝要求手動操作每組振打的啟停，通常在設(shè)備檢修及調(diào)試時使用。整體模式，根據(jù)鍋爐積灰特性，分為6 大區(qū)域，每個區(qū)域獨(dú)立動作，互不影響。每個區(qū)域內(nèi)的振打電機(jī)按照預(yù)設(shè)的時間啟動振打，每組振打電機(jī)之間的運(yùn)行間隔時間也可設(shè)置。 在整體模式投用前，通過窗口一鍵設(shè)置振打時間及組間隔時間。每個大區(qū)域內(nèi)的振打執(zhí)行完成，在預(yù)設(shè)的間隔時間后，重新循環(huán)執(zhí)行，直到認(rèn)為干預(yù)切至就地為止。 振打流程詳見圖3。

圖3 余熱鍋爐振打流程

3 控制難點(diǎn)及解決辦法

3.1 水泵三地控制的無擾切換

本文討論的鍋爐給水泵及循環(huán)泵設(shè)計(jì)配置有成套PLC 進(jìn)行監(jiān)控，振動、溫度、電流、電壓、軸封水等參數(shù)的聯(lián)鎖功能均在成套PLC 控制器內(nèi)完成。 在這種情況下，水泵就存在三地可控的問題。水泵處于就地模式時，操作工可通過操作箱上的啟動、停止按鈕進(jìn)行控制，此模式通常在設(shè)備維護(hù)時使用。水泵處于遠(yuǎn)程模式時，可以通過成套PLC 系統(tǒng)的觸摸屏或者控制系統(tǒng)HMI 進(jìn)行控制。 由于控制系統(tǒng)與成套PLC系統(tǒng)之間是通過Profibus 通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，通訊的安全、可靠性是需要慎重考慮的問題。在以往項(xiàng)目簡單數(shù)據(jù)、命令交互的基礎(chǔ)上，考慮在控制系統(tǒng)與成套PLC 之間相互跟蹤每臺水泵的啟動、停止命令。 成套PLC 觸摸屏控制時，控制系統(tǒng)跟蹤成套PLC 的啟動、停止指令，控制系統(tǒng)HMI 控制時，成套PLC 跟蹤控制系統(tǒng)發(fā)出的啟動、停止命令，很好地解決了三地控制的無擾切換及通訊中斷導(dǎo)致停機(jī)事故的難點(diǎn)。

3.2 汽包液位的三沖量控制簡化

經(jīng)典的三沖量控制理念應(yīng)用在中高壓的冶煉鍋爐時，對汽包液位的控制效果不理想。經(jīng)典三沖量控制時，雖然引入了蒸汽流量作為前饋，但主調(diào)PID 的PV 值受虛假汽包液位影響，波動很大。 無論采用何種調(diào)節(jié)方式，當(dāng)汽包液位在合適范圍時，本質(zhì)上只需要保證給水流量值稍微大于蒸汽流量即可， 調(diào)試過程中可適當(dāng)調(diào)整系統(tǒng)進(jìn)行修正。 本文討論的三沖量控制方法，無論汽包液位如何波動、虛假液位如何干擾PID 輸出，汽包蒸發(fā)的蒸汽流量均作為副調(diào)PID（流量調(diào)節(jié)）設(shè)定值的主要影響因素，其他損耗的水分由主調(diào)PID（液位調(diào)節(jié)）計(jì)算后作為副調(diào)PID 的次要影響因素微調(diào)給水量。按照圖2 所示的簡化三沖量控制方式能夠穩(wěn)定地調(diào)節(jié)汽包液位處于合適范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文所討論的余熱鍋爐控制系統(tǒng)要點(diǎn)， 在國內(nèi)某大型銅冶煉廠得到成功應(yīng)用，汽包液位控制、鍋爐給水泵控制、鍋爐循環(huán)水泵控制、鍋爐循環(huán)泵出口流量、 蒸汽流量及壓力等電儀設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)監(jiān)控正常，整套鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。