DCS系統在預焙陽極余熱發電過程中的應用
摘要：本文簡述了預焙陽極余熱發電的工藝流程，及工藝對系統控制的要求，并用DCS系統實現對預焙陽極余熱鍋爐、軟水站、汽輪機、發電機等的重要參數進行檢測，對鍋爐汽包、主蒸汽、凝結水等實施有效控制，用聯鎖控制確保系統正常安全運行的方法。
關鍵詞：余熱；發電；DCS；應用
Qingtongxia 751603 ）
Abstract：A brief introduce the power generation of waste heat from pre—baked anode processing and the technique of system contro1． Use DCS system realized the parameters measurement of waste heat boiler， water softening station， steam turbine and generator even control in effective of the boiler support， main steam and condensation water Ensure the system in safety operation by interlock method．
Key words：waste heat；generation：DES；application
1 引言
目前在鋁電解企業的配套生產中，有大量的副產品產生，如何變廢為寶，不浪費現有資源是企業提高經濟效益的重要課題之一。預焙陽極也是其中主要的配套產品，而在預焙陽極生產過程中，伴有大量的熱量放出，產生的預焙陽極余熱溫度較高，保持在900℃～1100℃之間，預焙陽極生產余熱利用的好壞，不僅影響企業的經濟效益，也是衡量生產裝置技術和管理水平高低的一個重要標志。
一般情況下，余熱經過冷卻等工序處理后被排入大氣，既造成能源浪費，又容易污染環境；另一方面在生產處理過程中，又要消耗大量電能。本文研究了在預焙陽極行業利用預焙陽極余熱發電的工藝，成功地運用DCS技術，實現整個生產全過程自動監控。利用預焙陽極余熱蒸汽推動汽輪機發電，滿足了生產系統用電需要，有效地降低了生產成本，提高了企業的經濟效益，凈化了廠區和周圍的環境。
2 系統工藝流程
本系統以余熱鍋爐為中心，由汽輪機、發電機等組成。主要特點是節能、經濟效益高。因為余熱鍋爐的燃料為鋁電解企業配套預焙陽極生產過程中的預焙陽極煙氣，利用預焙陽極煙氣余熱，經過余熱鍋爐熱交換產生的氣體，驅動汽輪機并帶動發電機并網發電。鍋爐是22t余熱鍋爐，預焙陽極回轉窯煙氣量57000Nm3／h，余熱鍋爐進口煙氣溫度900～C～11o0℃ ，過熱蒸汽壓力2．45MPa，過熱蒸汽溫度300～C。汽輪機是為單缸，單抽中壓沖動凝汽式，額定轉數5600r／min，額定功率3000kW，汽輪機經減速箱驅動發電機發電。系統工藝從余熱鍋爐利用余熱產生中壓蒸汽開始直到發電結束，如圖1所示。
2．1 系統工藝對控制系統的要求
①為確保發電正常進行，鍋爐、汽機和發電機三大系統的動態參數檢測必須準確、可靠；② 為保證鍋爐系統的自動安全運行和蒸汽的質量，要求對汽包液位控制、除氧氣的控制、凝結水井液位及蒸汽溫度的控制必須準確；③在系統運行過程中，如果有關設備出現故障，應在上位機畫面上提示報警信息，并依據情況，采取相應的保護措施；④控制系統操作簡單，參數設置、調整方便、便于操作；⑤控制系統能實現軟手操，在任何情況下都有操作手段，防止操作失靈；⑥操作員站顯示整個生產工藝流程、修改和打印各種有關參數。
2．2 系統控制檢測點
本系統溫度、壓力模擬量檢測較多，熱電阻測點189個，4～20mA電流測點176個；模擬量輸出點14個，開關量輸出點83個，開關量輸入點231個。
3 控制系統的組成
根據工藝要求， 我們選擇和利時公司的SmartPro DCS系統。2個操作員站，1個工程師站，1臺T／O機柜。選擇FM143、FM148A、FM151、FM161、FM171模塊，系統合理的配置滿足了設計要求。該系統具有如下特點：
3．1 現場控制站
現場控制站是DCS系統直接與現場打交道的設備，是一個T／O處理系統。有如下的技術特色：主控單元：配備互為的主控單元，兩單元之間進行熱備份，同時接受網絡數據，其中之一的主控單元發生故障，備份主控自動進入工作狀態；電源：采用UPS供電，冗余配置，兩個電源并聯使用，其中一個故障時，另一個自動接通，確保系統的高可靠運行和安全性。
網絡冗余：每個主控單元的多功能接口卡上設計有兩套SNET網絡接口，即實現SNET網絡的雙冗余結構。
開放型網絡結構，系統可并入企業管理網，便于全廠的計算機化管理。SmartPro系統的上述特點能使系統適應生產工藝的要求，降低系統成本。
在工程師站，按工藝提出的控制要求，完成下位機應用軟件組態，并通過通訊網絡下載到冗余的主從控制器上。程序將嚴格按工藝要求的順序，不斷地循環掃描各種不同類型的輸入，并將邏輯運算處理結果、動作指令通過輸出模塊輸出到相
應的執行機構上，完成工藝流程所要求的任務。
操作員站是人機對話的界面，幾乎所有的控制指令和狀態參數均在此交互。在操作員站上可以分別顯示現場的各種工藝參數的測量值和軟水站流程圖、鍋爐流程圖、汽輪機的流程圖、DCS系統組成框圖、報警畫面、操作日志等，有關參數和設備聯鎖的設置。并且可以顯示某些重要參數的歷史趨勢圖，定時和定點打印各種報表，操作簡單，可以滿足操作控制和生產管理的要求。圖2為HOLLIAS MACS系統網絡結構。
3．2 控制設備
控制設備包括電動閥門：鍋爐主蒸汽電動閥門、汽機主蒸汽電動閥門、汽機凝結水電動閥門、六臺凝結水泵、三臺循環水泵、三臺電動齒輪油泵、三臺直流油泵、三臺汽輪機聯鎖電磁閥（發電機出口斷路器）等，凝結水泵、循環水泵、直流油泵均為聯鎖控制。程序聯鎖框圖見圖3，其它設備聯鎖方法相同。
3．3 PID控制
（1）鍋爐汽包液位的控制
（2）凝結水熱井水位的控制（圖4為凝結水熱井控制原理圖）
（3）除氧器液位的控制
（4）除氧器壓力的控制
（5）減溫減壓壓力的控制
（6）減溫減壓溫度的控制
3．4 鍋爐、汽輪機和發電機的主要安全保護
包括汽包液位高保護；汽包液位低保護、汽包壓力高保護；過熱蒸汽溫度高保護 過熱蒸汽壓力
高保護；汽機軸承回油溫度保護、凝結汽真空保護；木汽輪機轉速高保護；木汽機軸向位移保護；潤滑油壓保護除氧器低水位保護；發電機前后軸承溫度高保護發電機定子溫度高保護。
每個保護參數均可以在上位機FacView參數畫面上選擇“選擇”或“取消”，當選j罩“選擇”時，相應的保護條件投入；選擇“取消”時，程序將不對其進行檢測。其中帶有木為自動停汽機。
4 軟件編程
采用和利時公司提供的MACS Smart proV2．0系統下ConMaker和FacView在Windows 2000下，進行軟件組態和編程。ConMaker是用于開發控制方案的開發平臺，包含有控制方案編輯器和仿真調試器，是一套完整控制編輯和調試軟件包。它為程序員提供了用簡單的方法來操縱強大的語言，實現各種控制方案，并提供強大的離線仿真調試工具。提供如下編程方法：ST、SFC、FBD、CFC、IL、LD語言，每種語言都有其長處，我們采用四種編程組態方式。
在此系統應用軟件開發過程中，利用組態技術建立最初始的程序，后使用幾種語言進行添加和修改，使之成為最后的運行程序。程序按功能分成不同的子程序，程序主體結構清晰，各個功能模塊結構化，便于維護和修改。此外，在軟件編程中，大量使用和利時公司開發的順控模塊（HSSCS）技術，簡化了程序結構，使之與上位機FacView的通訊簡單、方便。
本系統采用FacView軟件進行人機界面軟件組態，操作員能在編制完成的軟件中對生產的全過程實施有效監控。FacVi ew上位機軟件組態為監控系統提供了美觀和實用的人機對話窗口（刪I），實現功能包括：鍋爐工藝流程圖、汽機工藝流程圖、除氧器工藝流程圖、軟水站工藝流程圖、發電機工藝流程圖等畫面，在線PID整定、修改；動態趨勢圖、歷史趨勢圖、生產報表、事件報表、操作日志、設備管理、工藝參數設定和使用權限功能等。可實時的掌握現場設備的運行狀況及參數變化，并以圖形形式提供歷史和實時的毫秒趨勢圖，用趨勢和數據記錄靈敏度時監視執行情況和效率。
由于系統中檢測變量較多，并且設備動作時間不同，有時會出現報警，如不及時診斷排除，勢必會影響正常生產。為此，在實際組態過程中，采用多點多預報警系統，并在畫面上以顏色加以區分，重要參數報警可實現畫面鎖定，使操作員提前做好準備工作，便于正確操作。
5 總結
本系統在我公司350kA鋁電解配套預焙陽極余熱發電項目投運以來，經過改進和優化設計，系統運行效果良好。控制準確可靠，操作簡單，維護方便。達到節能、增效和環保的目的，為企業創造了可觀的經濟效益和社會效益。
參考文獻
[1]王常力，羅安．分布式控制系統（DCS）設計與應用實例．北京：電子工業出版社，2004年8月．
[2]北京和利時系統工程股份有限公司Hollysys SmartPro系統使用手冊．2004年8月．
[3]北京和利時系統工程股份有限公司Hollias MACS硬件手冊．2003年9月．
關鍵詞：余熱；發電；DCS；應用
Application of DCS System in Power Generation of Waste Heat from ProBaked
Anode Processing
Hu XingLi
（Thermoelectric power generation company，Ltd．，Ning—Xia Qing—Tong—Xia aluminum group，NingxiaAnode Processing
Hu XingLi
Qingtongxia 751603 ）
Abstract：A brief introduce the power generation of waste heat from pre—baked anode processing and the technique of system contro1． Use DCS system realized the parameters measurement of waste heat boiler， water softening station， steam turbine and generator even control in effective of the boiler support， main steam and condensation water Ensure the system in safety operation by interlock method．
Key words：waste heat；generation：DES；application
1 引言
目前在鋁電解企業的配套生產中，有大量的副產品產生，如何變廢為寶，不浪費現有資源是企業提高經濟效益的重要課題之一。預焙陽極也是其中主要的配套產品，而在預焙陽極生產過程中，伴有大量的熱量放出，產生的預焙陽極余熱溫度較高，保持在900℃～1100℃之間，預焙陽極生產余熱利用的好壞，不僅影響企業的經濟效益，也是衡量生產裝置技術和管理水平高低的一個重要標志。
一般情況下，余熱經過冷卻等工序處理后被排入大氣，既造成能源浪費，又容易污染環境；另一方面在生產處理過程中，又要消耗大量電能。本文研究了在預焙陽極行業利用預焙陽極余熱發電的工藝，成功地運用DCS技術，實現整個生產全過程自動監控。利用預焙陽極余熱蒸汽推動汽輪機發電，滿足了生產系統用電需要，有效地降低了生產成本，提高了企業的經濟效益，凈化了廠區和周圍的環境。
2 系統工藝流程
本系統以余熱鍋爐為中心，由汽輪機、發電機等組成。主要特點是節能、經濟效益高。因為余熱鍋爐的燃料為鋁電解企業配套預焙陽極生產過程中的預焙陽極煙氣，利用預焙陽極煙氣余熱，經過余熱鍋爐熱交換產生的氣體，驅動汽輪機并帶動發電機并網發電。鍋爐是22t余熱鍋爐，預焙陽極回轉窯煙氣量57000Nm3／h，余熱鍋爐進口煙氣溫度900～C～11o0℃ ，過熱蒸汽壓力2．45MPa，過熱蒸汽溫度300～C。汽輪機是為單缸，單抽中壓沖動凝汽式，額定轉數5600r／min，額定功率3000kW，汽輪機經減速箱驅動發電機發電。系統工藝從余熱鍋爐利用余熱產生中壓蒸汽開始直到發電結束，如圖1所示。
2．1 系統工藝對控制系統的要求
①為確保發電正常進行，鍋爐、汽機和發電機三大系統的動態參數檢測必須準確、可靠；② 為保證鍋爐系統的自動安全運行和蒸汽的質量，要求對汽包液位控制、除氧氣的控制、凝結水井液位及蒸汽溫度的控制必須準確；③在系統運行過程中，如果有關設備出現故障，應在上位機畫面上提示報警信息，并依據情況，采取相應的保護措施；④控制系統操作簡單，參數設置、調整方便、便于操作；⑤控制系統能實現軟手操，在任何情況下都有操作手段，防止操作失靈；⑥操作員站顯示整個生產工藝流程、修改和打印各種有關參數。
2．2 系統控制檢測點
本系統溫度、壓力模擬量檢測較多，熱電阻測點189個，4～20mA電流測點176個；模擬量輸出點14個，開關量輸出點83個，開關量輸入點231個。
3 控制系統的組成
根據工藝要求， 我們選擇和利時公司的SmartPro DCS系統。2個操作員站，1個工程師站，1臺T／O機柜。選擇FM143、FM148A、FM151、FM161、FM171模塊，系統合理的配置滿足了設計要求。該系統具有如下特點：
3．1 現場控制站
現場控制站是DCS系統直接與現場打交道的設備，是一個T／O處理系統。有如下的技術特色：主控單元：配備互為的主控單元，兩單元之間進行熱備份，同時接受網絡數據，其中之一的主控單元發生故障，備份主控自動進入工作狀態；電源：采用UPS供電，冗余配置，兩個電源并聯使用，其中一個故障時，另一個自動接通，確保系統的高可靠運行和安全性。
網絡冗余：每個主控單元的多功能接口卡上設計有兩套SNET網絡接口，即實現SNET網絡的雙冗余結構。
開放型網絡結構，系統可并入企業管理網，便于全廠的計算機化管理。SmartPro系統的上述特點能使系統適應生產工藝的要求，降低系統成本。
在工程師站，按工藝提出的控制要求，完成下位機應用軟件組態，并通過通訊網絡下載到冗余的主從控制器上。程序將嚴格按工藝要求的順序，不斷地循環掃描各種不同類型的輸入，并將邏輯運算處理結果、動作指令通過輸出模塊輸出到相
應的執行機構上，完成工藝流程所要求的任務。
操作員站是人機對話的界面，幾乎所有的控制指令和狀態參數均在此交互。在操作員站上可以分別顯示現場的各種工藝參數的測量值和軟水站流程圖、鍋爐流程圖、汽輪機的流程圖、DCS系統組成框圖、報警畫面、操作日志等，有關參數和設備聯鎖的設置。并且可以顯示某些重要參數的歷史趨勢圖，定時和定點打印各種報表，操作簡單，可以滿足操作控制和生產管理的要求。圖2為HOLLIAS MACS系統網絡結構。
3．2 控制設備
控制設備包括電動閥門：鍋爐主蒸汽電動閥門、汽機主蒸汽電動閥門、汽機凝結水電動閥門、六臺凝結水泵、三臺循環水泵、三臺電動齒輪油泵、三臺直流油泵、三臺汽輪機聯鎖電磁閥（發電機出口斷路器）等，凝結水泵、循環水泵、直流油泵均為聯鎖控制。程序聯鎖框圖見圖3，其它設備聯鎖方法相同。
3．3 PID控制
（1）鍋爐汽包液位的控制
（2）凝結水熱井水位的控制（圖4為凝結水熱井控制原理圖）
（3）除氧器液位的控制
（4）除氧器壓力的控制
（5）減溫減壓壓力的控制
（6）減溫減壓溫度的控制
3．4 鍋爐、汽輪機和發電機的主要安全保護
包括汽包液位高保護；汽包液位低保護、汽包壓力高保護；過熱蒸汽溫度高保護 過熱蒸汽壓力
高保護；汽機軸承回油溫度保護、凝結汽真空保護；木汽輪機轉速高保護；木汽機軸向位移保護；潤滑油壓保護除氧器低水位保護；發電機前后軸承溫度高保護發電機定子溫度高保護。
每個保護參數均可以在上位機FacView參數畫面上選擇“選擇”或“取消”，當選j罩“選擇”時，相應的保護條件投入；選擇“取消”時，程序將不對其進行檢測。其中帶有木為自動停汽機。
4 軟件編程
采用和利時公司提供的MACS Smart proV2．0系統下ConMaker和FacView在Windows 2000下，進行軟件組態和編程。ConMaker是用于開發控制方案的開發平臺，包含有控制方案編輯器和仿真調試器，是一套完整控制編輯和調試軟件包。它為程序員提供了用簡單的方法來操縱強大的語言，實現各種控制方案，并提供強大的離線仿真調試工具。提供如下編程方法：ST、SFC、FBD、CFC、IL、LD語言，每種語言都有其長處，我們采用四種編程組態方式。
在此系統應用軟件開發過程中，利用組態技術建立最初始的程序，后使用幾種語言進行添加和修改，使之成為最后的運行程序。程序按功能分成不同的子程序，程序主體結構清晰，各個功能模塊結構化，便于維護和修改。此外，在軟件編程中，大量使用和利時公司開發的順控模塊（HSSCS）技術，簡化了程序結構，使之與上位機FacView的通訊簡單、方便。
本系統采用FacView軟件進行人機界面軟件組態，操作員能在編制完成的軟件中對生產的全過程實施有效監控。FacVi ew上位機軟件組態為監控系統提供了美觀和實用的人機對話窗口（刪I），實現功能包括：鍋爐工藝流程圖、汽機工藝流程圖、除氧器工藝流程圖、軟水站工藝流程圖、發電機工藝流程圖等畫面，在線PID整定、修改；動態趨勢圖、歷史趨勢圖、生產報表、事件報表、操作日志、設備管理、工藝參數設定和使用權限功能等。可實時的掌握現場設備的運行狀況及參數變化，并以圖形形式提供歷史和實時的毫秒趨勢圖，用趨勢和數據記錄靈敏度時監視執行情況和效率。
由于系統中檢測變量較多，并且設備動作時間不同，有時會出現報警，如不及時診斷排除，勢必會影響正常生產。為此，在實際組態過程中，采用多點多預報警系統，并在畫面上以顏色加以區分，重要參數報警可實現畫面鎖定，使操作員提前做好準備工作，便于正確操作。
5 總結
本系統在我公司350kA鋁電解配套預焙陽極余熱發電項目投運以來，經過改進和優化設計，系統運行效果良好。控制準確可靠，操作簡單，維護方便。達到節能、增效和環保的目的，為企業創造了可觀的經濟效益和社會效益。
參考文獻
[1]王常力，羅安．分布式控制系統（DCS）設計與應用實例．北京：電子工業出版社，2004年8月．
[2]北京和利時系統工程股份有限公司Hollysys SmartPro系統使用手冊．2004年8月．
[3]北京和利時系統工程股份有限公司Hollias MACS硬件手冊．2003年9月．
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