鍋爐蒸汽乾度自控系統施工工法

《鍋爐蒸汽乾度自控系統施工工法》是永升建設集團有限公司、江蘇廣宇建設集團有限公司完成的建築類施工工法，完成人是王樂宇、盧國平、楊冰、謝春剛。適用於對蒸汽乾度要求較高，需要實現鍋爐自控要求的場所。

《鍋爐蒸汽乾度自控系統施工工法》主要的工法特點是燃料供給穩定的自動控制，通過調節水量控制蒸汽乾度。

2011年9月，《鍋爐蒸汽乾度自控系統施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2009-2010年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：鍋爐蒸汽乾度自控系統施工工法
• 工法編號：GJEJGF363-2010
• 完成單位：永升建設集團有限公司、江蘇廣宇建設集團有限公司
• 主要完成人：王樂宇、盧國平、楊冰、謝春剛
• 套用實例：新港石油公司3號供熱站鍋爐乾度自動化控制系統工程
• 主要榮譽：國家二級工法（2009-2010年度）

形成原因

注汽鍋爐作為油田稠油開採、市政供熱的蒸汽發生器，其燃燒運行品質和輸出蒸汽質量與熱注效果密切相關。為保證設備運行的有效性、經濟性和安全性，對鍋爐運行的控制操作提出越來越高的要求。鍋爐設備配置了自動化的數據採集和操作界面，在一定程度上便利了操作運行，改善了設備運行的安全性。但在蒸汽乾度和燃燒控制方面，則普遍處於人工手動操作控制，生產中面對工況的變化和負荷的調整仍然嚴重依賴人工的操作經驗，不易維持良好的燃燒效率，輸出的蒸汽乾度容易受到燃燒波動的影響。不僅制約了熱注工藝的有效性，而且不利於注汽鍋爐的經濟運行。注汽鍋爐的燃燒過程中存在大滯後、大慣性、非線性、多變數耦合、時變等複雜控制特性，對於以傳統PID控制技術為核心的控制策略來說，其諸多的不確定性導致自動控制不易投運且難以維持在最佳的運行狀態下。為了提高注汽鍋爐運行的有效性和經濟性，解決過程中實際存在的控制難題。永升建設集團有限公司、江蘇廣宇建設集團有限公司提出的控制技術正是一種適用而有效的解決方案，在總結科研成果的基礎上形成了《鍋爐蒸汽乾度自控系統施工工法》。

工法特點

《鍋爐蒸汽乾度自控系統施工工法》的工法特點是：

1.影響蒸汽乾度的因素，一是在給水量不變的情況下，天然氣壓力及流量的波動，引起蒸汽乾度變化。二是在燃料供給穩定的情況下，鍋爐給水量的波動，引起蒸汽乾度變化。綜上所述，蒸汽乾度與燃料供給、燃燒工況及鍋爐給水量有關，永升建設集團有限公司、江蘇廣宇建設集團有限公司認為要使鍋爐安全、節能、平穩地運行，穩定燃料供給和鍋爐給水量，二者的結合，是此方案的技術關鍵。

2.燃料供給穩定的自動控制。

3.通過調節水量控制蒸汽乾度。

操作原理

適用範圍

《鍋爐蒸汽乾度自控系統施工工法》適用於對蒸汽乾度要求較高，需要實現鍋爐自控要求的場所。

工藝原理

《鍋爐蒸汽乾度自控系統施工工法》的工藝原理敘述如下：

在鍋爐給水總匯管、鍋爐出口分別安裝電導率儀，採集給水、爐水的電導率，電導率以4～20毫安直流電流信號進入PLC的輸入模組，經過PLC內部運算模組計算出蒸汽的乾度[X=（b-a）/b×100%，其中X為蒸汽乾度、a為給水電導率、b為爐水電導率]。此計算出的乾度值為測量值（過程值），在觸控螢幕上設定的蒸汽乾度作為給定值。PLC將測量值和給定值進行運算，經PLC的輸出模組輸出調節信號，在火量相對穩定的情況下，對水量進行適當調節，控制柱塞泵變頻器來調節柱寒泵的排量，以達到恆乾度閉環控制的目的。當鍋爐在點爐或運行過程中，通過PLC軟體控制主燃閥的打開與關閉。當主燃閥打開時，開始累計鍋爐產汽量，停爐後停止累計注汽量。

施工工藝

• 工藝流程

《鍋爐蒸汽乾度自控系統施工工法》的施工工藝流程見圖1。

圖1 施工工藝流程圖

操作要點

《鍋爐蒸汽乾度自控系統施工工法》的操作要點如下：

一、施工順序

每台鍋爐安裝一台PLC，一台觸控螢幕。PLC採集安裝在鍋爐上的各種儀表信號和執行機構的反饋信號，各種信號在PLC內部進行轉換、計算、判斷、存儲、控制等。PLC內的數據可通過觸控螢幕進行顯示和控制操作，實現各種實時曲線、報警、溫度、壓力等的顯示；對鍋爐的點火、運行、蒸汽乾度、煙氣含氧量進行全自動監控。

二、鍋爐乾度自控的PLC程式設計思路

乾度值計算的有效性：乾度測量的準確性對整個乾度自控系統的性能至關重要，若由於變送器或取樣器的原因造成測量出錯，那么控制結果將出錯。因此電導率的信號進入PLC進行計算時，必須同時滿足下列條件：

1）給水電導率>1。

2）爐水電導率>給水電導率，否則計算結果將是負值，其次若爐水電導率為零，則PLC計算結果將溢出，造成PLC故障，使整個鍋爐控制系統癱瘓。

3）在鍋爐點火成功並進入調火狀態後。

4）否則不進行計算，此時在觸控螢幕和上位機上顯示乾度值為0。

三、程式設計原理（圖2）

圖2 程式設計原理

油田注汽鍋爐的乾度系統是大滯後系統，即當給水量或其他工況發生變化後，鍋爐出口乾度的變化要在數10小時後。因此用傳統的PID算法是無法完成此控制任務的，需用特殊的算法解決。另在程式設計中還增加了溢出中斷，防止由於計算結果出錯，造成PLC當機，（即PLC故障），一旦出現錯誤立即中斷、並返回主程式運行，不影響鍋爐正常運行。

1）蒸汽乾度的設定值、乾度上限報警值、乾度下限報警值的設定和修改都是在觸控螢幕上完成的，但進行這些操作必須輸入正確的口令字才能進行。

2）當乾度自動控制系統有故障時，不能自動調節蒸汽乾度，需人為干預來調節柱塞泵的排量，可在觸控螢幕及上位機上均可手動調節柱塞泵變頻器的頻率，從而使蒸汽乾度控制在合理的範圍內。

3）燃料壓力基本穩定後，30分鐘（時間可調）內達到設定值（一般為80%），控制精度1%。

4）蒸汽乾度高、低報警信號不作為超限停爐信號，但有聲、光報警提示。鍋爐控制櫃、觸控螢幕、上位機都同時以聲、光方式報警。通過操作觸控螢幕、上位機可消除聲音報警，光報警不能人為消除，只能報警故障消除後才能自動復位。

5）鍋爐的點爐、運行及停爐由PLC實行全過程自動控制，無需人工手動/自動切換。

四、蒸汽乾度在觸控螢幕上的監視和控制

觸控螢幕上顯示設定乾度、測量乾度的動態值和百分數；測量乾度的實時趨勢曲線；並配有手動、自動轉換操作按鈕，當乾度自動控制單元有故障時使用，按返回按鈕後返回到主畫面。

圖3 蒸汽乾度在觸控螢幕上的監視和控制

參考資料：

材料設備

《鍋爐蒸汽乾度自控系統施工工法》所用的材料及設備明細如下：

控制部分配置清單詳表1，動力部分配置清單詳表2，儀表部分配置清單詳表3。

表1 控制部分配置清單

序號	名稱及型號	數量
1	控制器1747-L531	5
2	空槽模組1746-P2	5
3	1746-A7	5
4	模組1746-IB32	5
5	模組1746-OW16	5
6	模組1746-NI16I	10
7	模組1746-NO4I	5
8	觸控螢幕2711P-T10C4B1	5
9	空槽模組1746-N2	15

表2 動力部分配置清單

序號	名稱及型號	數量	備註
1	空氣開關600安培	3	施耐德
2	空氣開關250安培	2	施耐德
3	空氣開關400安培	5	施耐德
4	空氣開關100安培	5	施耐德
5	空氣開關30安培	10	施耐德
6	交流接觸器400安培	5	施耐德（線圈電壓110伏）1開1閉
7	交流接觸器100安培	5	施耐德（線圈電壓110伏）1開1閉
8	交流接觸器60安培	5	施耐德（線圈電壓110伏）1開1閉
9	交流接觸器30安培	5	施耐德（線圈電壓380）1開1閉
10	控制變壓器（1000VA）	5	380/220/110
11	電流互感器400:5	5	╱
12	電流互感器100:5	5	╱
13	耐溫控制導線1.0	4000米	蘭色
14	E芯禁止電纜3x1.0	2000米	╱

表3 儀表部分配置清單

序號	名稱及型號	數量	備註
1	差壓變送器EJA130A-DMS4A-95DA	5	0-32MP
2	壓力變送器EJA530A-DBS4N-02DN	15	0-2MP
3	壓力變送器EJA530A-DDS4N-02DN	25	0-50MP
4	鎧裝熱電阻WZPK-233 L=200毫米 ф6	╱	兩線制
5	鎧裝熱電阻WZPK-233 L=600毫米 ф6	╱	兩線制
6	G1/2"（外扣）活動接頭 分度號：PT100接線盒G1/2"（內扣）	╱	╱
7	電導率變送器200000us	╱	╱
8	氧化鋯探頭及分析儀GLYQ-A 瀋陽星	╱	╱

參考資料：

質量控制

《鍋爐蒸汽乾度自控系統施工工法》的質量控制要求如下：

1.質量控制目標

每一個數據的採樣周期小於0.01秒。現場顯示儀表與上位機顯示誤差小於0.1%。

2.提高傳輸信號可靠性

提高現場輸入給PLC信號的可靠性，選擇可靠性較高的變送器和各種開關，防止各種原因引起傳輸信號線短路，斷路或接觸不良。其次在程式設計時增加數字濾波程式，增加輸入信號的可靠性。

安全措施

採用《鍋爐蒸汽乾度自控系統施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

在程式設計時，應考慮PLC初次或重新上電，置所有輸出為零，然後再根據現場輸入條件，PLC作出回響的判斷，以防誤動作。

環保措施

《鍋爐蒸汽乾度自控系統施工工法》無須採取特殊環保措施。

效益分析

《鍋爐蒸汽乾度自控系統施工工法》解決了注汽鍋爐乾度控制系統，實現了蒸汽乾度自動控制及注汽鍋爐燃燒、送風、給水各環節的綜合協調控制，提高了注汽質量，降低了生產能耗，改善了設備運行水平。蒸汽乾度穩定在73±3%範圍內，送風節電20%以上，平均爐效提高4%，每台注汽鍋爐年經濟效益達到20餘萬元。

註：施工費用以2009-2010年施工材料價格計算

套用實例

《鍋爐蒸汽乾度自控系統施工工法》在新港石油公司3號供熱站鍋爐乾度自動化控制系統工程的套用情況如下：

一、工程概況

新港石油公司3號供熱站鍋爐設備已經配置了自動化的數據採集和操作界面，在一定程度上便利了操作運行，改善了設備運行的安全性。但在蒸汽乾度和燃燒控制方面，則普遍處於人工手動操作控制，生產中面對工況的變化和負荷的調整仍然嚴重依賴人工的操作經驗，不易維持良好的燃燒效率，輸出的蒸汽乾度容易受到燃燒波動的影響。不僅制約了熱注工藝的有效性，而且不利於注汽鍋爐的經濟運行。注汽鍋爐的燃燒過程中存在大滯後、大慣性、非線性、多變數耦合、時變等複雜控制特性，對於以傳統PID控制技術為核心的控制策略來說，其諸多的不確定性導致自動控制不易投運且難以維持在最佳的運行狀態下。為了提高注汽鍋爐運行的有效性和經濟性。永升建設集團有限公司、江蘇廣宇建設集團有限公司提出的控制技術解決過程中實際存在的控制難題。

二、施工情況

影響蒸汽乾度的因素，一是在給水量不變的情況下，天然氣壓力及流量的波動，引起蒸汽乾度變化。二是在燃料供給穩定的情況下，鍋爐給水量的波動，引起蒸汽乾度變化。綜上所述，蒸汽乾度與燃料供給、燃燒工況及鍋爐給水量有關，永升建設集團有限公司、江蘇廣宇建設集團有限公司認為要使鍋爐安全、節能、平穩地運行，穩定燃料供給和鍋爐給水量，二者的結合，是此方案的技術關鍵。

解決方案：

1.燃料供給穩定的自動控制：

當天然氣壓力降低時，其流量也隨之降低，流量計將瞬時流量轉換成4~20毫安電流信號反饋至PLC，經PLC的PID調節器輸出控制調節閥，使其開度增大，反之亦然，最終天然氣流量將被穩定在整定值，達到穩定天然氣流量的目的，在鍋爐給水量穩定的情況下，鍋爐蒸汽乾度也隨之穩定。

當鍋爐點著後，先將鍋爐工況調整好，水量控制在某值，乾度達到規定值，這時，天然氣流量顯示某值，然後，將此值設定在觸控螢幕上。通過PLC控制，可使燃料供給穩定，從而達到蒸汽乾度自動控制目的。

此方法能快速的根據燃料的變化，及時控制，避免了用電導法測量滯後的問題，導致控制振盪的弊端，採用此方法的前提條件是，鍋爐給水量不變，但如果在運行過程中，因柱塞泵問題引起水量變化，勢必造成蒸汽乾度的變化，且此方法不能根據水量變化自動調節蒸汽乾度。另外，當乾度規定值因地質部門要求變化時，天然氣流量設定值也需重新調整。

2.通過調節水量控制蒸汽乾度：

在鍋爐給水總匯管、鍋爐出口分別安裝電導率儀，採集給水、爐水的電導率，電導率以4~20毫安直流電流信號進入PLC的輸入模組，經過PLC內部運算模組計算出蒸汽的乾度[X=（b-a）/b×100%，其中X為蒸汽乾度、a為給水電導率、b為爐水電導率]。此計算出的乾度值為測量值（過程值），在觸控螢幕上設定的蒸汽乾度作為給定值。PLC將測量值和給定值進行運算，經PLC的輸出模組輸出調節信號，在燃料供給相對穩定的情況下，對水量進行適當調節，控制柱塞泵變頻器來調節柱塞泵的排量，以達到恆乾度閉環控制的目的。在鍋爐點著後半小時內，蒸汽乾度可穩定在設定值上。鍋爐就乾度來講，是個大滯後系統，在運行中，當鍋爐工況變化時，乾度的變化在十幾分鐘後才能反應出來，因此採用此方法，存在當鍋爐工況變化時，控制不是非常及時。

對比上述兩種控制方法，各有優劣，如果將兩種方法有機的結合，最終的解決方法是；主調火，輔調水。即當鍋爐天然氣的壓力及流量發生變化時，通過調節閥及時調節天然氣流量，使得實際的蒸汽乾度還未變化，就已提前做了調整。當因柱塞泵問題引起水量變化時，可通過控制變頻器來調節水量，達到控制乾度的目的。

三、工程檢測與結果評介

1.永升建設集團有限公司在2004年5月6日承建的新港石油公司3號供熱站鍋爐乾度自動化控制系統工程，2004年12月8日竣工交接並投入使用至2009年，該工法得到成功套用。

工程建成後，工程質量優良，受到業主的好評，獲得了較好的社會效益、經濟效益和環境效益。

2.永升建設集團有限公司在2005年6月14日承建的新港石油公司4號供熱站鍋爐乾度自動化控制系統工程，2005年12月18日竣工驗收交接並投入施工至2009年，該功法成功套用了《鍋爐蒸汽乾度自控系統施工工法》取得了良好的經濟和社會效益。

工程建成後，鍋爐乾度自動化控制系統投產運行至2009年，經過分析化驗，出口蒸汽分析指標均在正常值內，各項指標均達到要求，運行穩定，工程質量優良。

榮譽表彰

2011年9月，中華人民共和國住房和城鄉建設部發布《關於公布2009-2010年度國家級工法的通知》建質[2011]154號，《鍋爐蒸汽乾度自控系統施工工法》被評定為2009-2010年度國家二級工法。