順序控制在鍋爐水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

徐星宇

(中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司BDO生產(chǎn)中心，江蘇儀征 211900)

1，4-丁二醇裝置氧化反應(yīng)器及其附屬設(shè)備熔鹽冷卻器和切換冷卻器是整個(gè)生產(chǎn)流程中的核心設(shè)備，不但能夠?yàn)楹罄m(xù)生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)順酐，還能夠產(chǎn)生過熱飽和蒸汽，供整個(gè)裝置使用。同時(shí)，生產(chǎn)過程中的水收集到除氧器，經(jīng)過處理后通過鍋爐給水泵提供給各個(gè)用水單元，用來產(chǎn)生蒸汽。整套控制系統(tǒng)中最復(fù)雜的是反應(yīng)器的鍋爐水系統(tǒng)控制部分，由于汽包液位控制存在一定的延時(shí)性和滯后性，并且需要在汽包液位和熔鹽液位變化時(shí)快速及時(shí)補(bǔ)充，要同時(shí)達(dá)到反應(yīng)器熔鹽液位、反應(yīng)器熔鹽溫度、反應(yīng)器汽包液位、反應(yīng)器產(chǎn)出蒸汽溫度、反應(yīng)器產(chǎn)出蒸汽壓力、切換冷卻器液位這六個(gè)參數(shù)的動(dòng)態(tài)平衡，采用傳統(tǒng)的控制策略幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的，因此我們使用順序控制［1］系統(tǒng)來進(jìn)行控制，在實(shí)際應(yīng)用的過程中收到了良好的效果，并且實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器汽水側(cè)的“一鍵開車”。本文闡明了順序控制的基本概念，結(jié)合本裝置鍋爐水控制特點(diǎn)，簡單介紹了順序控制在多參數(shù)難平衡控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 順序控制基本概念和發(fā)展歷程

1.1 順序控制的基本概念

順序控制模型(The Sequence control module，簡稱順序控制)，是指根據(jù)工藝要求的步驟條件或者時(shí)間，對(duì)工藝生產(chǎn)過程中的系統(tǒng)自動(dòng)的按照一定的順序執(zhí)行一系列的操作，以改變設(shè)備或者系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如風(fēng)機(jī)的啟停，電磁閥的開關(guān)和調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作等［2］。一個(gè)順序控制系統(tǒng)可以分解成幾個(gè)獨(dú)立的控制動(dòng)作，并且這些動(dòng)作必須嚴(yán)格按照一定的先后次序執(zhí)行才能保證生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行。由于順序控制可以根據(jù)多個(gè)不同的輸入條件作出各種不同的反應(yīng)，這就決定了順序控制的控制系統(tǒng)不但可以按照預(yù)先設(shè)定好的程序執(zhí)行一系列的動(dòng)作，工藝操作人員只需要輸入開始指令，在程序執(zhí)行過程中注意其執(zhí)行情況，就能夠自動(dòng)的完成預(yù)先設(shè)定好的程序，而且可以在出現(xiàn)意外情況下自動(dòng)執(zhí)行出錯(cuò)程序，保證人員和設(shè)備的安全，大大提高了人員的效率、減少了安全事故的發(fā)生。

1.2 順序控制的發(fā)展歷程

順序控制的發(fā)展主要可以分為三個(gè)階段:1958年在South Denes電廠投用的由繼電器和固態(tài)原件組成的早期順控，這是順序控制的雛形;上世紀(jì)70年代以可編程邏輯控制器技術(shù)為核心的順序控制，這是真正的順序控制［3］;上世紀(jì)末本世紀(jì)初的集散控制系統(tǒng)中為順序控制的廣泛應(yīng)用提供了可能，使得順序控制技術(shù)得到了進(jìn)一步豐富和發(fā)展，Honeywell PKS就是其典型代表。

PKS控制系統(tǒng)是Honeywell推出的中型控制系統(tǒng)，它集合了PlantScape系統(tǒng)組態(tài)方便的特點(diǎn)，既滿足超大規(guī)模過程控制需要，基礎(chǔ)控制器擺脫傳統(tǒng)局限，控制策略豐富，能保證化工裝置長期穩(wěn)定運(yùn)行，其底層網(wǎng)絡(luò)采用三重冗余的FTE網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PKS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 鍋爐給水系統(tǒng)工藝簡介

鍋爐給水系統(tǒng)(Boiler Feed Water，簡稱BFW)，其工藝流程如圖2所示。

圖2 BFW系統(tǒng)工藝流程圖

工藝反應(yīng)氣從氧化反應(yīng)器上部出，壓力為117 Kpa(表壓，下同)、溫度為440℃的富汽經(jīng)過氣體冷卻器冷卻之后，溫度壓力下降至272℃，最后由切換冷卻器再次冷卻后送至吸收塔吸收。工藝水側(cè)是從除氧器單元送來的鍋爐水經(jīng)過鍋爐水冷卻器的冷卻，溫度控制在95℃左右，先送至切換冷卻器冷卻工藝氣，鍋爐水升至229℃，壓力7 MPa，再分別送至蒸汽汽包和熔鹽冷卻器，反應(yīng)器汽包產(chǎn)生的265℃、5 MPa的蒸汽送至余熱鍋爐，再次處理后送給其他用戶。

在鍋爐給水系統(tǒng)中，反應(yīng)氣是按照反應(yīng)器→氣體冷卻器→切換冷卻器正方向流動(dòng)，鍋爐水是按照切換冷卻器→氣體冷卻器→熔鹽冷卻器(反應(yīng)器)反方向流動(dòng)的。在每個(gè)設(shè)備鍋爐水進(jìn)水之前，都設(shè)置有直接從除氧器來的低溫鍋爐水，用來調(diào)節(jié)進(jìn)入設(shè)備鍋爐水的溫度，在每個(gè)設(shè)備上都設(shè)置的有排放，如果液位高或者鍋爐水過?？梢酝ㄟ^排放來調(diào)節(jié)。

為達(dá)到能源利用率的最大化，控制目標(biāo)是:

(1)最少量的加入新鮮鍋爐水;

(2)最少量的排放鍋爐水;

(3)最大量的產(chǎn)生蒸汽。

這就要求我們在選擇控制策略時(shí)不但要滿足這些控制要求，還要使各個(gè)狀態(tài)之間的切換無擾動(dòng)，最大程度的保證各個(gè)系統(tǒng)之間的穩(wěn)定和平衡。而采用常規(guī)的PID串級(jí)控制無法對(duì)外部多擾動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，更無法對(duì)不同溫度的鍋爐水進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3 順序控制的設(shè)計(jì)及組態(tài)

3.1 繪制順序控制功能圖

一個(gè)順序控制過程可以分為很多個(gè)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換是狀態(tài)和狀態(tài)之間的界線，相鄰的狀態(tài)具有不同的動(dòng)作，當(dāng)相鄰狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件得到滿足時(shí)，就實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，即上一個(gè)狀態(tài)的動(dòng)作結(jié)束而下一狀態(tài)的動(dòng)作開始，描述這一過程的方框圖稱為順序功能圖［4］(Sequential Function Chart)。順序功能圖主要由工步、有向連線、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換條件和動(dòng)作(或命令)組成，如圖3所示。

圖3 順序控制邏輯功能圖

3.2 順序控制系統(tǒng)的組態(tài)

首先在Experion服務(wù)器上Start開始菜單中點(diǎn)擊 Honeywell PKS，選擇 Configuration Studio 4.0，其次選擇控制策略組態(tài)Control Strategy選項(xiàng)，然后在右側(cè)列表中點(diǎn)擊Configure Process Control Strategies選項(xiàng)，進(jìn)入組態(tài)控制器Control Builder中進(jìn)行組態(tài)。

Control Builder是基于 Honeywell PKS R400.1的人機(jī)交換窗口，提供了功能庫、工程區(qū)、程序組態(tài)區(qū)和程序監(jiān)控區(qū)。首先在控制器Controller中的執(zhí)行環(huán)境CEE中新增加一個(gè)順序控制器SCM，然后在操作區(qū)域插入一個(gè)InvokeMAN程序啟動(dòng)塊，雙擊打開屬性，將其連接至畫面上的啟動(dòng)按鈕，然后再依次插入程序執(zhí)行塊STEP和條件判斷塊TRANSITION。

根據(jù)工藝包的控制要求，按照下列步驟對(duì)鍋爐水順序控制邏輯進(jìn)行組態(tài):

(1)插入InvokeMAN塊，在屬性上連接至操作畫面開始按鈕，目的是使中控操作人員點(diǎn)擊開始投用鍋爐水系統(tǒng)，使順序控制程序開始執(zhí)行;

(2)執(zhí)行STEP塊中的程序;

(3)執(zhí)行反應(yīng)器熔鹽液位調(diào)節(jié)回路的控制方式切換為程序控制的步驟;

(4)執(zhí)行反應(yīng)器熔鹽壓力控制回路的控制方式切換為程序控制的步驟;

(5)執(zhí)行反應(yīng)器熔鹽液位調(diào)節(jié)回路控制模式切換為“NONE”的步驟;

(6)執(zhí)行反應(yīng)器熔鹽壓力控制回路模式切換為“NONE”的步驟;

(7)執(zhí)行反應(yīng)器熔鹽液位調(diào)節(jié)回路輸出置為“0”的步驟;

(8)執(zhí)行反應(yīng)器熔鹽壓力控制回路輸出置為“100”的步驟;

(9)執(zhí)行“完成”標(biāo)志量置為“1”的步驟;

(10)執(zhí)行判斷塊TRANSITION塊中的程序;

(11)判斷條件:①程序是否程序正常運(yùn)行;②到汽包鍋爐給水的流量大于800;兩個(gè)是否同時(shí)滿足?

(12)如果滿足，執(zhí)行反應(yīng)器熔鹽液位調(diào)節(jié)回路輸出值OP以0.05的速率增加的步驟;

(13)執(zhí)行“完成”標(biāo)志量置為“0”步驟;

(14)如果不滿足，繼續(xù)使輸出以0.05的速率爬坡，直至滿足為止;

(15)執(zhí)行下一個(gè)STEP塊的程序，初始化為下一次程序執(zhí)行做準(zhǔn)備，執(zhí)行下列步驟;

(16)執(zhí)行反應(yīng)器熔鹽液位調(diào)節(jié)回路的控制方式切換為人工控制的步驟;

(17)執(zhí)行反應(yīng)器熔鹽壓力控制回路控制方式切換為人工控制的步驟;

(18)執(zhí)行反應(yīng)器熔鹽液位調(diào)節(jié)回路的模式切換為手動(dòng)的步驟;

(19)執(zhí)行反應(yīng)器熔鹽壓力控制回路模式切換為手動(dòng)的步驟。

通過以上的步驟，我們在PKS系統(tǒng)中組態(tài)結(jié)果如圖4所示。

最后在菜單中選擇仿真選項(xiàng)，在畫面上點(diǎn)擊開始按鈕，可以模擬鍋爐水順序控制程序的執(zhí)行情況。

4 順序控制系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)結(jié)果

通過使用順序控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目的，收到了良好的效果。隨著集散控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，順控系統(tǒng)也有了進(jìn)一步的發(fā)展，順序控制已不再局限于對(duì)設(shè)備啟停的簡單步序操作，而發(fā)展成為包含步序控制、連鎖保護(hù)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)等多功能的綜合控制系統(tǒng)［5］。順序控制減少了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度，減少了誤操作的可能。在1，4－丁二醇裝置運(yùn)行過程中，順序控制的強(qiáng)大功能還需要時(shí)間進(jìn)一步的檢驗(yàn)，相信順序控制必將是未來控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，在將來的化工企業(yè)中，順序控制會(huì)大面積大范圍的普及，這勢必會(huì)減少人工成本，減少生產(chǎn)事故的發(fā)生。

圖4 BFW系統(tǒng)在PKS系統(tǒng)中的組態(tài)

［1］ 白建云.大型火力發(fā)電廠順序控制技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.熱力發(fā)電，2003(3):71－76.

［2］ 顏渝坪，周明.火電廠主、輔機(jī)及輔助設(shè)備順序控制系統(tǒng)的發(fā)展［J］.中國電力，2000(1):69 －72.

［3］ 劉寅東.6 000 MW超臨界機(jī)組鍋爐順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.科技信息，2011(29):208 －209.

［4］ 齊傳剛，熊永超，邵娜.PLC的SFC圖在編寫順序控制梯形圖中的應(yīng)用［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(6):234－236.

［5］ 于朝暉，李彥，趙志軍，等.順序控制在國產(chǎn)450 t/hCFB鍋爐中的應(yīng)用［J］.河北電力技術(shù)，2003(5):47－48.