和利时MACS在我厂水泥熟料生产线余热电站的应用

1 引言 目前在水泥熟料正常生产中，有大量的热量产生，如何变废为宝，不浪费现有资源是企业提高经济效益的重要课题之一。余热发电是水泥熟料生产线是一个比较好的项目，可以充分利用窑上的多余热量，进行发电，既节约了能源又环保，而采用DCS集散控制系统又能更好的保证生产，提高效率。我们采用的是国产的和利时MACS系统，此系统的硬件部分基本上都是采用的冗余系统，这是针对电厂的特殊工艺和安全等方面的因素所采用的设计。 水泥熟料生产余热利用的好坏，不仅影响企业的经济效益，也是衡量生产装置技术和管理水平高低的一个重要标志。一般情况下，余热经过高压静电除尘后被排入大气，造成能源浪费，另一方面在生产处理过程中，又要消耗大量电能。本文研究了在水泥行业利用余热发电的工艺，成功地运用DCS技术，实现整个生产全过程自动监控。利用余热蒸汽推动汽轮机发电，不仅满足生产系统用电需要，还可以并网发电。有效地降低了生产成本，提高了企业的经济效益，净化了厂区和周围的环境。 2系统工艺流程 本系统主要由窑头余热锅炉和窑尾余热锅炉，汽轮机、发电机等组成。主要特点是节能、经济效益高。因为余热锅炉的燃料为水泥熟料生产过程中的余气，利用余热，经过余热锅炉热交换产生的气体，驱动汽轮机并带动发电机并网发电。窑头锅炉汽包额定蒸发量位14t/h，窑尾锅炉汽包额定蒸发量位23t/h，汽轮机为青岛捷能汽轮机股份有限公司生产的N6-1.25型低温低压纯凝式汽轮机。有一级单列调节级和八级压力级组成。额定功率：6MW 额定转速：3000r/min额定进汽压力：1.25MPa额定进汽温度：300±20℃额定进汽量/最大进汽量：33.1/36.5t汽轮机经减速箱驱动发电机，并网发电。  2.1系统工艺对控制系统的要求 (1)为确保发电正常进行，锅炉、汽机和发电机三大系统的动态参数检测必须准确、可靠；(2)为保证锅炉系统的自动安全运行和蒸汽的质量，要求对汽包液位控制、除氧气的控制、凝结水井液位及蒸汽温度的控制必须准确；(3)在系统运行过程中，如果有关设备出现故障，应在上位机画面上提示报警信息，并依据情况，采取相应的保护措施；(4)控制系统操作简单，参数设置、调整方便、便于操作；(5)控制系统能实现软手操，在任何情况下都有操作手段，防止操作失灵；(6)操作员站显示整个生产工艺流程、修改和打印各种有关参数。 2.2系统控制检测点 本系统温度、压力模拟量检测较多，热电偶检测点16个，热电阻测点72个，4～20mA电流测点160个；控制回路7个，开关量输出点112个，开关量输入点288个，模拟量输入16个。 3控制系统的组成 根据工艺要求，我们选择和利时公司的MACS DCS系统。3个操作员站（其中两台兼做服务器），1个工程师站，2台I/O机柜。选择FM143、FM147、FM148C、FM148E、FM161、FM151、FM171模块，以及冷端补偿、重复器等。系统合理的配置满足了设计要求。 3.1现场控制站 现场控制站是DCS系统直接与现场打交道的设备，是一个冗余的处理系统。有如下的技术特色： 主控单元：配备互为冗余的主控单元，两单元之间进行热备份，同时接受网络数据，其中之一的主控单元发生故障，备份主控自动进入工作状态； 电源：采用UPS供电，冗余配置，两个电源并联使用，其中一个故障时，另一个自动接通，确保系统的高可靠运行和安全性； 网络冗余：每个主控单元的多功能接口卡上设计有两套SNET网络接口，即实现SNET网络的双冗余结构。 开放型网络结构，系统可并入企业管理网，便于全厂的计算机化管理。系统的上述特点能使系统适应生产工艺的要求，降低系统成本。 在工程师站，按工艺提出的控制要求，完成下位机应用软件组态，并通过通讯网络下载到冗余的主从控制器上。程序将严格按工艺要求的顺序，不断地循环扫描各种不同类型的输入，并将逻辑运算处理结果、动作指令通过输出模块输出到相应的执行机构上，完成工艺流程所要求的任务。 操作员站是人机对话的界面，几乎所有的控制指令和状态参数均在此交互。在操作员站上可以分别显示现场的各种工艺参数的测量值和脱盐水站流程图、锅炉流程图、汽轮机的流程图、DCS系统组成框图、报警画面、操作日志等，有关参数和设备联锁的设置。并且可以显示某些重要参数的历史趋势图，定时和定点打印各种报表，操作简单，可以满足操作控制和生产管理的要求。 3.2控制设备 控制设备包括电动阀门：锅炉主蒸汽电动阀门、锅炉对空电动阀门、锅炉紧急放水电动阀门、汽机主蒸汽电动阀门、两台凝结水泵、四台热循环水泵、三台锅炉给水泵、两台射水泵、电动齿轮油泵、电磁阀(汽机磁励断路器)等，凝结水泵、热水循环泵和锅炉给水泵均为联锁控制。程序联锁框图如图，其它设备联锁方法相同。 3.3 PID控制 在锅炉控制系统中液位的控制是一个重要的环节，它直接影响锅炉的安全和蒸汽品质的好坏，也是汽轮机安全运行的必要条件之一。依据设计要求和熟料生产线余热气体的实际工况，采用三冲量调节系统。即：汽包液位、蒸汽流量和给水流量。其中主信号是水位，水位与给水流量构成一般的反馈系统，蒸汽流量变化时，调节启动，相应地改变给水流量，这样当负荷变化出现“虚假水位”时，由于采用蒸汽流量，就有了与负荷同方向变化的信号，从而减少由于“虚假水位”现象而使给水量与负荷相反方向变化的趋势，而当给水量自发地变化时，调节器能立即动作，使给水流量恢复到原来的数值，使系统稳定运行。 3.4锅炉、汽轮机和发电机的主要安全保护 汽包液位高保护 汽包液位低保护汽包压力高保护 过热蒸汽温度高保护过热蒸汽压力高保护 汽机轴承回油温度保护凝结汽真空保护 汽轮机转速高保护*汽轮机轴向位移保护 润滑油压保护除氧器低水位保护 发电机前后轴承温度高保护发电机定子温度高保护 每个参数均可以在上位机参数画面上显示 4软件编程 采用和利时公司提供的MACS系统下利用ConMaker在Windows2000下，进行软件组态和编程。ConMaker是用于开发控制方案的开发平台，包含有控制方案编辑器和仿真调试器，是一套完整控制编辑和调试软件包。它为程序员提供了用简单的方法来操纵强大的语言，实现各种控制方案，并提供强大的离线仿真调试工具。提供如下编程方法：ST、SFC、FBD、CFC、IL、LD语言，每种语言都有其长处，我们采用四种编程组态方式。 在此系统应用软件开发过程中，利用组态技术(数据库导入：UDFB：User Defined Function Block：Excel可选择报表等)，建立最初始的程序，后使用几种语言进行添加和修改，使之成为最后的运行程序。程序按功能分成不同的子程序，程序主体结构清晰，各个功能模块结构化，便于维护和修改。此外，在软件编程中，大量使用和利时公司开发的顺控模块(HSSCS)技术，简化了程序结构，使之与上位机的通讯简单、方便。 本系统采用的人机界面为全中文，操作员能在编制完成的软件中对生产的全过程实施有效监控。上位机软件组态为监控系统提供了美观和实用的人机对话窗口(HMI)，实现功能包括：锅炉工艺流程图、汽机工艺流程图、除氧器工艺流程图、化学制水工艺流程图、发电机工艺流程图等画面，在线PID整定、修改；动态趋势图、历史趋势图、生产报表、事件报表、操作日志、设备管理、工艺参数设定和使用权限功能等。实时的掌握现场设备的运行状况及参数变化，以图形形式提供历史和实时的毫秒趋势图，用趋势和数据记录灵敏度时监视执行情况和效率。由于系统中检测变量较多，并且设备动作时间不同，有时会出现报警，如不及时诊断排除，势必会影响正常生产。为此，在实际组态过程中，采用多点多预报警系统，并在画面上以颜色加以区分，重要参数报警可实现画面锁定，使操作员提前做好准备工作，便于正确操作。 5总结 本系统在我们5000t/d水泥熟料生产线的低温余热电站投运以来，克服国内同类项目少，可借鉴经验不多，给项目实施过程中带来的种种困难，改进和优化了设计，使系统运行效果良好。控制准确可靠，操作简单，维护方便。达到节能、增效和环保的目的，为企业创造了可观的经济效益和社会效益；同时，对同行业其它水泥企业企业具有一定的参考价值。