張金奎

中國電建集團(tuán)上海能源裝備有限公司 上海 200126

在傳統(tǒng)鋼鐵行業(yè)中，高溫廢氣經(jīng)過除塵后直接排入大氣，既造成大氣污染的同時(shí)又造成了能源的浪費(fèi)。為了響應(yīng)國家能源戰(zhàn)略，遵從節(jié)能減排政策，以鋼鐵行業(yè)為例增加余熱回收系統(tǒng)。在廢氣風(fēng)機(jī)前的煙氣通道上設(shè)置余熱鍋爐，產(chǎn)生的蒸汽并入車間能介管網(wǎng)進(jìn)行發(fā)電。之后，廢煙氣降至約200℃左右，經(jīng)由廢氣風(fēng)機(jī)抽至煙囪排放。從而為我國電氣工程自動(dòng)化行業(yè)的發(fā)展提供機(jī)遇，為國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)添磚加瓦[1]。

1 系統(tǒng)組成

1.1 汽水系統(tǒng)

來自加熱爐汽化樓純水箱的純水，經(jīng)純水泵增壓后先經(jīng)過給水預(yù)熱器預(yù)熱后，進(jìn)入除氧水箱，除氧水與鍋爐的除氧蒸發(fā)器形成低壓循環(huán)，利用低壓循環(huán)吸收的熱量進(jìn)行熱力除氧，鍋爐啟動(dòng)及低負(fù)荷時(shí)以外部蒸汽為輔助熱源進(jìn)行除氧。給水采用母管制，經(jīng)鍋爐給水泵增壓后送入余熱鍋爐的省煤器，在省煤器換熱后進(jìn)入汽包。爐水在鍋爐內(nèi)經(jīng)蒸發(fā)器、汽包產(chǎn)生1．0MPa的飽和蒸汽。飽和蒸汽再經(jīng)汽包--過熱器，最終生產(chǎn)出1．0MPa、184℃低壓過熱蒸汽。經(jīng)調(diào)節(jié)閥減壓至0．7MPa，溫度達(dá)到170℃并入廠區(qū)主管網(wǎng)。主要設(shè)備有除氧器給水調(diào)節(jié)閥、除氧器蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥、鍋爐出口蒸汽壓力氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥；控制方式為手動(dòng)、自動(dòng)。純水泵、補(bǔ)水泵控制方式為手自動(dòng)；其中手動(dòng)分本地控制柜手動(dòng)和遠(yuǎn)程HMI手動(dòng)兩種啟動(dòng)方式。

1.2 煙氣系統(tǒng)

分別從加熱爐水平煙道接入大煙囪前引出煙氣支管，兩路煙氣支管分別從余熱鍋爐上側(cè)接入余熱鍋爐。兩路煙氣的鍋爐進(jìn)出口分別設(shè)置電動(dòng)蝶閥，在原有引出煙道內(nèi)部設(shè)置氣動(dòng)蝶閥。加熱爐高溫?zé)煔庠谟酂徨仩t內(nèi)依次經(jīng)過熱器、蒸發(fā)器、省煤器、除氧蒸發(fā)器和給水預(yù)熱器進(jìn)行換熱，再經(jīng)引風(fēng)機(jī)增壓后通過煙氣管道送至煙囪排放，經(jīng)引風(fēng)機(jī)增壓后通過煙氣管道送至煙囪排放[2]。引風(fēng)機(jī)采用變頻控制，以加熱爐爐壓為主要控制變量，爐壓信號(hào)引自原加熱爐控制系統(tǒng)。余熱鍋爐正常生產(chǎn)時(shí)，常規(guī)煙道的氣動(dòng)蝶閥關(guān)閉，待回收的煙氣通過旁通煙道送入余熱鍋爐。當(dāng)余熱鍋爐發(fā)生故障時(shí)，先打開常規(guī)煙道的氣動(dòng)蝶閥，后變頻控制引風(fēng)機(jī)出力緩慢降低，最后關(guān)閉余熱鍋爐進(jìn)出口電動(dòng)蝶閥，使余熱回收系統(tǒng)從加熱爐排煙系統(tǒng)中完全切除。

2 鍋爐給水控制原理

在整套系統(tǒng)控制中，汽包液位是關(guān)鍵因素。為了保證汽包液位的準(zhǔn)確度，鍋爐汽包安裝有兩個(gè)液位變送器，正常情況下這兩個(gè)液位信號(hào)在PLC系統(tǒng)內(nèi)取平均值后傳遞使用。若兩個(gè)信號(hào)偏差大與程序設(shè)定值但都在正常范圍之內(nèi)，則系統(tǒng)報(bào)警。同時(shí)，操作員可以在畫面上人為選擇使用兩個(gè)測量信號(hào)或只使用其中的某一個(gè)信號(hào)。如果有信號(hào)超出正常范圍，則報(bào)警。

汽包水位控制采用自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能，使給水量與鍋爐蒸發(fā)量相平衡，并維持汽包中水位在工藝規(guī)定的范圍內(nèi)。由于影響汽包水位變化的干擾因素很多（給水量的干擾、蒸汽負(fù)荷變化、廢氣量變化、汽包壓力變化等），傳統(tǒng)的單回路控制無法滿足控制要求，所以需要通過汽包水位(取其平均值作為控制信號(hào))、給水流量、蒸汽流量三個(gè)沖量信號(hào)經(jīng)過PID計(jì)算來調(diào)節(jié)給水閥門的開度，從而達(dá)到自動(dòng)控制給水流量的目的[3]。

在這個(gè)控制系統(tǒng)中，汽包水位是被控量，是主控信號(hào)；蒸汽流量、給水流量是兩個(gè)輔助沖量控制信號(hào)，引入蒸汽流量目的是補(bǔ)償"虛假水位"引起的閥門誤動(dòng)作，引入給水流量可以克服給水自身的擾動(dòng)（如水壓變化），進(jìn)一步地穩(wěn)定了水位的自動(dòng)控制。從結(jié)構(gòu)上來說，這是一個(gè)帶有前饋信號(hào)的串級(jí)控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)方塊圖如下：

將液位變送器的輸出信號(hào)與液位給定值進(jìn)行比較，得到的偏差值通過主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，作為副調(diào)節(jié)器的給定信號(hào)，它與作為前饋信號(hào)的蒸汽流量信號(hào)和給水流量的差值進(jìn)行比較，得到的偏差再通過副調(diào)節(jié)器的輸出給調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥通過自動(dòng)調(diào)節(jié)開度直至給水量與蒸發(fā)量恢復(fù)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)[4-6]。

3 主要設(shè)備構(gòu)成

余熱鍋爐回收系統(tǒng)主要由鍋爐本體、水箱、給水泵、引風(fēng)機(jī)、調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)閥加藥裝置等設(shè)備組成的一個(gè)系統(tǒng)集合。為了保證系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，對(duì)設(shè)備的需求要符合安全設(shè)計(jì)要求。

3.1 余熱鍋爐

余熱鍋爐為立式管殼式火管余熱鍋爐。為了施工進(jìn)度鍋爐形式為組裝，由汽包、鍋爐本體、上升管、下降管，閥門儀表等組成。鍋爐蒸汽額定參數(shù)為1．0MPa，184℃；運(yùn)行參數(shù)為0．7MPa，170℃。余熱鍋爐煙氣總阻力在最大工況下不大于1000Pa。在允許的煙氣工況波動(dòng)范圍內(nèi)，余熱鍋爐安全運(yùn)行，余熱鍋爐蒸汽品質(zhì)滿足相關(guān)的國家規(guī)范。

3.2 軟水箱

余熱鍋爐配套純水箱1套，按鋼制焊接常壓容器設(shè)計(jì)，純水介質(zhì)，常規(guī)壓力設(shè)計(jì)建造。

3.3 給水泵

余熱鍋爐配套給水泵2套；考慮現(xiàn)場安裝控件采用立式多級(jí)離心泵形式；由于是戶外安裝，所以電機(jī)防護(hù)等級(jí)不低于IP55；電壓等級(jí)380V，機(jī)械密封，采用單端面，符合JB/T6614-2011《鍋爐給水泵用機(jī)械密封技術(shù)條件》的相關(guān)規(guī)定。

3.4 加藥裝置

為了調(diào)節(jié)給水和爐水符合GB1576《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)磷酸鹽加藥裝置一套。

3.5 鍋爐控制系統(tǒng)的硬件及應(yīng)用軟件

余熱鍋爐相關(guān)的現(xiàn)場儀表和電氣設(shè)備的所有信號(hào)以I/O信號(hào)形式送到鍋爐遠(yuǎn)程I/O站，該遠(yuǎn)程I/O站通過profinet方式與該機(jī)組爐子的PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，鍋爐系統(tǒng)的應(yīng)用軟件植入爐子PLC中，鍋爐系統(tǒng)的操作、監(jiān)控等畫面集成在爐子控制系統(tǒng)的操作站中，以實(shí)現(xiàn)余熱鍋爐工藝設(shè)備的監(jiān)控、操作功能。

4 余熱回收系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

余熱回收系統(tǒng)上位機(jī)畫面囊括煙氣系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)兩張主要監(jiān)視控制界面。在每一個(gè)操作界面內(nèi)設(shè)置余熱回收系統(tǒng)界面（汽水和煙氣），可彈出菜單畫面、數(shù)據(jù)設(shè)定畫面、單體設(shè)備控制畫面。該畫面顯示出從純水箱輸入純水到余熱回收系統(tǒng)生產(chǎn)出合格蒸汽的工藝流程；煙氣從進(jìn)入鍋爐本體到出鍋爐本體的工藝流程，加藥從加藥裝置到進(jìn)入汽包的工藝流程。主要包括水箱、給水泵、汽包、煙道蝶閥、加藥裝置、連接管道和各種閥門（含調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)），顯示出監(jiān)測的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，并與設(shè)備相關(guān)信息相一致[7]。上位機(jī)還包括現(xiàn)時(shí)故障和歷史故障畫面、趨勢跟蹤事件、模擬量信號(hào)趨。勢圖、報(bào)表打印等功能。以方便相關(guān)人員對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的分析與結(jié)算，便于對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行分析?？刂葡到y(tǒng)配置1臺(tái)工程師站、1臺(tái)操作員站布置在余熱鍋爐控制室與控制室畫面同步，實(shí)現(xiàn)了高度可靠的集中監(jiān)視、操作、管理于一體的綜合性控制系統(tǒng)；并具有友好的人機(jī)界面，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)余熱鍋爐的工藝生產(chǎn)過程相關(guān)設(shè)備、冷卻水輔助設(shè)備、電氣設(shè)備、管網(wǎng)的流量、壓力、溫度等相關(guān)設(shè)備及參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和操作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)工藝生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集、報(bào)表打印等功能。

5 結(jié)語

通過PLC控制為核心，依托現(xiàn)場各種設(shè)備，采用PID、三沖量等手段，借助上位機(jī)軟件完美實(shí)現(xiàn)余熱回收系統(tǒng)的自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行。余熱回收系統(tǒng)將污染大、能耗高的傳統(tǒng)企業(yè)，通過新工藝、新技術(shù)、新理念的方式改造成符合現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)典型，為建設(shè)社會(huì)主義良好家園和社會(huì)與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)一份力。