銅冶煉余熱鍋爐控制系統(tǒng)

余 冰

（江西瑞林電氣自動化有限公司，江西南昌330038）

國內某大型火法煉銅廠采用側吹、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)模計算出來的配方，以一定的比例通過膠帶運輸機運輸?shù)絺却禒t進行熔煉造銅锍，再經(jīng)過頂吹爐分離出粗銅。 連吹過程反應劇烈，釋放大量的650 ℃左右的高溫煙氣，該部分熱量通過余熱鍋爐進行廢熱回收，鍋爐汽包產生的飽和蒸汽可用于生產或者進行發(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生的高溫煙氣，經(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[1]。通常將鍋爐的輻射部和對流部外型設計成長方體，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。

高溫煙氣通過水冷壁與汽包內的水進行熱交換，使管內的水因溫度升高汽化而產生蒸汽。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擠到汽包里，上升到汽包的上部[1]。 鍋爐汽包產生的高溫高壓蒸汽（5.2 MPa，265 ℃）通過管道輸送至轉化工藝進行再加熱處理，最后送至余熱發(fā)電工藝中。 根據(jù)蒸汽流量、汽包液位、給水流量構成的帶前饋控制的三沖量調節(jié)算法，由給水泵不斷地給汽包補充水量，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的過程中，鍋爐壁上會積累厚厚的煙灰，嚴重的影響到鍋爐的傳熱效率，如果不及時進行清灰處理，甚至會直接損壞鍋爐。鍋爐損壞造成的經(jīng)濟損失不僅僅是鍋爐本身，由鍋爐原因造成冶煉廠停產而產生的一系列經(jīng)濟損失更是無法估量。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備與清灰裝置。

2 控制要點

余熱鍋爐是冶煉廠中較為重要的設備之一，設計控制系統(tǒng)時，必須考慮CPU 冗余切換的功能。 該余熱鍋爐控制系統(tǒng)含除氧器溫度調節(jié)系統(tǒng)、 除氧器壓力調節(jié)系統(tǒng)、鍋爐給水系統(tǒng)、汽包液位調節(jié)系統(tǒng)、鍋爐循環(huán)水系統(tǒng)、蒸汽出口壓力調節(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)的電儀設備詳見表1。

2.1 鍋爐給水泵控制

在生產過程中，煙氣會連續(xù)產生，導致熱量不斷增加。余熱鍋爐的給水系統(tǒng)是安全生產的重要保障，鍋爐給水泵設計有一級負荷設備。當廠區(qū)停電時，廠用柴油發(fā)電機組將在30 s 內啟動，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# 鍋爐給水泵冷卻風扇：（1）2#鍋爐給水泵在運行過程中突然停止；（2）選中（聯(lián)鎖有效）的汽包液位低于設定值。

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# 鍋爐給水泵冷卻風扇：（1）1#鍋爐給水泵在運行過程中突然停止；（2）選中（聯(lián)鎖有效）的汽包液位低于設定值。

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，產生的蒸汽密度較小，被低溫度的水壓進汽包內并上升到汽包頂部。在生產過程中，連吹爐不斷地產生高溫煙氣，循環(huán)水泵不斷地將軟化水泵到鍋爐本體，整個過程中，不斷的在汽包內產生高溫、高壓的飽和蒸汽。 同時，鍋爐給水泵不斷的給汽包補充軟化水，整個過程循環(huán)往復的進行。

與鍋爐給水泵一樣，循環(huán)水泵也屬于一級負荷設備，在廠區(qū)停電后，廠用柴油發(fā)電機組投入使用，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)泵在運行過程中突然停止；（2）3#鍋爐循環(huán)泵在運行過程中突然停止；（3）鍋爐循環(huán)水泵流量低于設定值。

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)泵在運行過程中突然停止；（2）3#鍋爐循環(huán)泵在運行過程中突然停止；（3）鍋爐循環(huán)水泵流量低于設定值。

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)泵在運行過程中突然停止；（2）2#鍋爐循環(huán)泵在運行過程中突然停止；（3）鍋爐循環(huán)水泵流量低于設定值。

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、三沖量控制調節(jié)汽包液位。

單沖量控制是一個基礎的單PID 控制回路，由液位的過程值與PID 設定值進行偏差計算后控制給水閥門。 單沖量控制方式結構簡單， 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較慢，無法正?？刂破何?。引起汽包液位變化的主要原因是蒸汽流量的變化， 同時會導致“虛假液位”的產生。 雙沖量控制方式就引入的蒸汽流量作為前饋變量，組成前饋加單PID 控制組成更為復雜的控制系統(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行調節(jié)。汽包液位是一個極為關鍵的工藝指標，鍋爐“干鍋”或者“滿水”都會導致嚴重的生產事故，甚至會威脅到人身安全。為了最有效的調節(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，液位作為主調節(jié)變量，蒸汽流量與給水流量作為輔助調節(jié)變量。 目前中高壓鍋爐普遍采用三沖量控制進行汽包液位調節(jié)，能夠在蒸汽流量、給水流量及汽包壓力波動時實現(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共208 臺，共分成46組，其中含4 臺振打電機的有34 組，含6 臺振打電機的有12 組。 設計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，通常在設備檢修及調試時使用。整體模式，根據(jù)鍋爐積灰特性，分為6 大區(qū)域，每個區(qū)域獨立動作，互不影響。每個區(qū)域內的振打電機按照預設的時間啟動振打，每組振打電機之間的運行間隔時間也可設置。 在整體模式投用前，通過窗口一鍵設置振打時間及組間隔時間。每個大區(qū)域內的振打執(zhí)行完成，在預設的間隔時間后，重新循環(huán)執(zhí)行，直到認為干預切至就地為止。 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)泵設計配置有成套PLC 進行監(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、停止按鈕進行控制，此模式通常在設備維護時使用。水泵處于遠程模式時，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。在以往項目簡單數(shù)據(jù)、命令交互的基礎上，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致停機事故的難點。

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PID 的PV 值受虛假汽包液位影響，波動很大。 無論采用何種調節(jié)方式，當汽包液位在合適范圍時，本質上只需要保證給水流量值稍微大于蒸汽流量即可， 調試過程中可適當調整系統(tǒng)進行修正。 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PID（流量調節(jié)）設定值的主要影響因素，其他損耗的水分由主調PID（液位調節(jié)）計算后作為副調PID 的次要影響因素微調給水量。按照圖2 所示的簡化三沖量控制方式能夠穩(wěn)定地調節(jié)汽包液位處于合適范圍內。

4 結論

本文所討論的余熱鍋爐控制系統(tǒng)要點， 在國內某大型銅冶煉廠得到成功應用，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備的各項參數(shù)指標監(jiān)控正常，整套鍋爐系統(tǒng)運行穩(wěn)定。