燃油鍋爐改LNG鍋爐PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

魏寶軍，張剛剛，劉九龍

（1.天津地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院，天津 300250；2.山鋼集團(tuán)濟(jì)鋼物流管理中心，山東 濟(jì)南 250101）

1 引言

某合資工廠的動(dòng)力用燃油鍋爐為3臺(tái)15t／h，1臺(tái)10t／h，主要為中央空調(diào)系統(tǒng)和生產(chǎn)線提供蒸汽。燃料為重油，點(diǎn)火采用輕油。由于重油霧化，風(fēng)油比調(diào)節(jié)比較復(fù)雜，故障多，重油燃燒不充分，經(jīng)常會(huì)有煙囪冒黑煙的現(xiàn)象，不利于環(huán)境保護(hù)。由于燃油鍋爐運(yùn)行成本節(jié)節(jié)攀升；而液化天然氣（LNG）價(jià)格相對(duì)較低，燃燒后成分主要為H2O和少量CO2，有利于環(huán)境保護(hù)，此外該單位已有穩(wěn)定的LNG供應(yīng)，有改造為燃燒LNG鍋爐的必要性和可行性。此外，由于原來(lái)的燃油鍋爐燃燒控制系統(tǒng)采用“繼電器邏輯”控制，故障率較高，安全系數(shù)低，無(wú)法預(yù)測(cè)突發(fā)故障，不能實(shí)時(shí)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)燃燒狀況，及時(shí)判斷、處理異常情況。針對(duì)這種情況，使用原來(lái)鍋爐本體，研究設(shè)計(jì)了一套以SAMSUNG可編程控制器（PLC）為核心的LNG自動(dòng)燃燒系統(tǒng)，并進(jìn)行了鍋爐改造，大幅提高了生產(chǎn)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性，并且做到節(jié)能減排、環(huán)保的目的，并且使老設(shè)備得到新生。

2 系統(tǒng)的組成

LNG鍋爐燃燒控制系統(tǒng)由燃燒器和控制系統(tǒng)組成。

2.1 燃燒器

燃燒器包括主燃燒器單元、燃料控制系統(tǒng)、助燃風(fēng)單元、安全保護(hù)單元及操作控制柜。燃燒控制系統(tǒng)管道及儀表流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 管道及儀表流程圖Fig.1 Process of instrument and pipeline diagram

主燃燒器單元包括燃燒器本體、點(diǎn)火裝置和火焰探測(cè)裝置。主燃燒器本體采用擴(kuò)散式結(jié)構(gòu)。點(diǎn)火裝置由點(diǎn)火變壓器、點(diǎn)火電極槍等組成?；鹧嫣綔y(cè)裝置采用紫外線火焰檢測(cè)器，采用點(diǎn)火火焰探測(cè)和主火焰探測(cè)兩套檢測(cè)裝置。

燃燒控制系統(tǒng)包括壓力調(diào)節(jié)閥、關(guān)閉閥、快速切斷閥、電磁閥、燃料氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥等；控制閥體均采用防爆型以確保安全。

在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)PDA3CONTROLLER采集蒸汽壓力、燃料溫度、燃料壓力、燃料流量4個(gè)信號(hào)，輸出信號(hào)控制LNG燃?xì)鈭?zhí)行器，空氣執(zhí)行器，調(diào)節(jié)風(fēng)氣比，進(jìn)行燃燒負(fù)荷調(diào)節(jié)。

助燃風(fēng)單元由鼓風(fēng)機(jī)、電動(dòng)風(fēng)門、空氣過(guò)濾器及管道等組成。

安全保護(hù)單元由燃料高低壓報(bào)警開(kāi)關(guān)、停機(jī)吹掃閥組、泄露檢測(cè)組件等組成。

操作控制柜用于安裝鍋爐風(fēng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程點(diǎn)火、運(yùn)行和停機(jī)操作、現(xiàn)場(chǎng)顯示報(bào)警及與DCS或現(xiàn)場(chǎng)儀表的連接等。

2.2 控制系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)燃燒系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能，專門設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件和軟件部分。

2.2.1 硬件部分

硬件包括PLC系統(tǒng)、檢測(cè)儀表、可控閥門組、點(diǎn)火裝置、火焰檢測(cè)組件、風(fēng)機(jī)控制組件、安全保護(hù)裝置和控制柜內(nèi)隔離單元等。

控制系統(tǒng)PLC選用SAMSUNG OEMAX NX70系 列，PLC 電 源 為 NX70－POWER1POWER SUPPLY，輸出AC 220V，50Hz／AC 24V／50V·A，CPU為NX70－CPU－70P1，DC輸入模塊為 NX70－X16D，繼電器輸出模塊為NX70－Y16R，負(fù)荷調(diào)節(jié)采用FDA3CONTROLLER來(lái)實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)場(chǎng)各種檢測(cè)裝置將監(jiān)測(cè)信號(hào)通過(guò)輸入輸出隔離單元將信號(hào)送入PLC系統(tǒng)，CPU進(jìn)行邏輯運(yùn)算和相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)等。PLC可接受現(xiàn)場(chǎng)操作人員或上位機(jī)DCS的操作命令，對(duì)鍋爐的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。為了保障鍋爐燃燒系統(tǒng)的安全可靠和維護(hù)改造，PLC系統(tǒng)采用冗余配置。單臺(tái)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)可隨系統(tǒng)的壓力負(fù)荷情況自動(dòng)啟動(dòng)和停止，運(yùn)行可做到無(wú)人值守。

2.2.2 軟件部分

軟件采用SAMSUNG WinGPC3.70軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)完成控制系統(tǒng)，WinGPC軟件（適用于Windows）可以創(chuàng)建、修改和監(jiān)控NX7和NX70所使用的應(yīng)用程序。這是一個(gè)功能強(qiáng)大的工具，它提供了梯形圖編輯、監(jiān)控、調(diào)試、文件管理以及時(shí)序圖監(jiān)控等功能。PLC系統(tǒng)控制程序能完成相應(yīng)硬件設(shè)備的控制、自動(dòng)進(jìn)行安全連鎖檢查、確認(rèn)設(shè)備啟動(dòng)及運(yùn)行過(guò)程的安全狀況，自動(dòng)進(jìn)行安全連鎖并切斷。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)LNG鍋爐運(yùn)行特點(diǎn)，為了滿足鍋爐的安全生產(chǎn)，系統(tǒng)功能包括：負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)和安全保護(hù)功能，各種狀態(tài)指示、聲光報(bào)警、鍋爐啟動(dòng)、吹掃、泄漏檢測(cè)、點(diǎn)火、主火焰感知、熄火停爐，故障提示等。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)邏輯框圖如圖2所示。

圖2 點(diǎn)火過(guò)程邏輯框圖Fig.2 The logic diagram of the ignition process

下面主要對(duì)PLC的程序梯形圖設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 連鎖程序設(shè)計(jì)

直接導(dǎo)致停爐或不能啟動(dòng)的情況有：燃?xì)鈮毫Φ?、燃?xì)鈮毫Ω摺⑴艧煖囟雀?、燃燒空氣壓力低、水位低、點(diǎn)不著火、蒸汽壓力高。只有以上7個(gè)條件都正常的情況下，準(zhǔn)備啟動(dòng)線圈得電，準(zhǔn)備啟動(dòng)指示燈亮，此時(shí)才能啟動(dòng)鍋爐；當(dāng)鍋爐運(yùn)行時(shí)，同樣情況下如果條件不能滿足，則鍋爐自動(dòng)熄火停爐。連鎖程序設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 連鎖梯形圖Fig.3 The ladder diagram of interlock

3.2 鍋爐啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)

點(diǎn)火工作可全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，在手動(dòng)操作下，操作人員在需要投入鍋爐負(fù)荷的工況下，可點(diǎn)擊鍋爐啟動(dòng)按鈕，鍋爐便可以自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行。鍋爐啟動(dòng)程序見(jiàn)圖4。

圖4 鍋爐啟動(dòng)梯形圖Fig.4 The ladder diagram of boiler start

3.3 吹掃程序設(shè)計(jì)

燃燒前后都要進(jìn)行排氣吹掃30s，以有效清除爐膛、管道、閥組和煙道中可能聚集的可燃?xì)怏w，以防止發(fā)生安全事故。吹掃程序見(jiàn)圖5。

圖5 吹掃梯形圖Fig.5 The ladder diagram of purge

3.4 泄露檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

燃料氣體管道連接和電動(dòng)閥門及其他閥門是否泄漏，關(guān)系到鍋爐房設(shè)備和操作人員的安全。在鍋爐吹掃完畢后，必須進(jìn)行泄露檢測(cè)。燃料泄漏測(cè)試程序見(jiàn)圖6。

3.5 點(diǎn)火程序設(shè)計(jì)

鍋爐運(yùn)行后，吹掃完成，空氣調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，點(diǎn)火變壓器得電10s，點(diǎn)火燃料閥線圈得電，引燃閥門開(kāi)30s。點(diǎn)火程序見(jiàn)圖7。

3.6 主火焰感知和加載程序設(shè)計(jì)

在手動(dòng)或者自動(dòng)模式下，主火焰感知確認(rèn)后開(kāi)始30s延時(shí)，系統(tǒng)就可以加載了。火焰感知和加載程序設(shè)計(jì)見(jiàn)圖8。

圖6 燃?xì)庑孤y(cè)試梯形圖Fig.6 The ladder diagram of gas leak

圖7 點(diǎn)火和引燃梯形圖Fig.7 The ladder diagram of ignition and pilot firing

圖8 點(diǎn)火確認(rèn)梯形圖Fig.8 The ladder diagram of flame on

以上為PLC系統(tǒng)主要程序，限于篇幅其他程序和設(shè)置這里就不再贅述。

4 效果對(duì)比

通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行，與原有系統(tǒng)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行良好，簡(jiǎn)單易行，可靠性高，維護(hù)簡(jiǎn)單，且運(yùn)行燃料費(fèi)用大為降低，節(jié)能環(huán)保，當(dāng)年即可收回投資改造成本，改造前后費(fèi)用對(duì)比如表1所示。

表1 改造前燃料費(fèi)用對(duì)比表Tab.1 The comparison table of the fuel cost before and after reconstruction

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)某合資工廠的應(yīng)用實(shí)踐證明，基于SAMSUNG PLC的燃油鍋爐改造成LNG鍋爐，完全滿足用戶的需求，運(yùn)行費(fèi)用大大降低，蒸汽壓力波動(dòng)能控制在0.5±0.05MPa工藝標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，響應(yīng)時(shí)間短，并且能夠在惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下穩(wěn)定的運(yùn)行，故障率極低，安裝運(yùn)行以來(lái)沒(méi)有發(fā)生過(guò)一起故障?？刂苿?dòng)作準(zhǔn)確性好，充分顯示了PLC系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性高的特點(diǎn)，對(duì)于燃?xì)忮仩t燃燒控制有一定的推廣價(jià)值。

［1］陳立定，吳玉香，蘇開(kāi)才.電氣控制與可編程控制器［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2000.

［2］韓厚德，鄭士君，楊萬(wàn)楓，等.船舶輔機(jī)［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［3］袁任光.可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)與實(shí)例［M］.第2版.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2003.

［4］Fuji Electric Systems Co.Ltd.Instruction Manual for Compact Controller M（CC－M）PDA－3［Z］.Rev.4th edition January，2004.