基于PLC的鍋爐爐煙處理冷卻循環(huán)水裝置控制系統(tǒng)

王秋平 韓 磊 張 淼 張 進(jìn) 趙木來

(東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

在火力發(fā)電廠生產(chǎn)過程中，需要使用大量的冷卻水以對流散熱方式將做完功的乏汽冷凝成凝結(jié)水后循環(huán)使用。而在對流散熱過程中，部分蒸發(fā)的循環(huán)水被對流空氣帶走，導(dǎo)致涼水塔內(nèi)的循環(huán)水不斷濃縮、pH值上升，引起凝汽器結(jié)垢[1]，在發(fā)電量不變的情況下，致使發(fā)電熱耗增大、煤耗增高，從而直接影響到整個(gè)電廠的經(jīng)濟(jì)性和安全性。因此，在運(yùn)行過程中，需要在循環(huán)水中加入硫酸調(diào)整循環(huán)水的pH值，以此阻礙冷卻循環(huán)水結(jié)垢[2]。

目前，國內(nèi)火力發(fā)電廠主要采用人工直接添加濃/稀硫酸的方法來調(diào)節(jié)循環(huán)水的pH值，但直接添加濃硫酸資金投入較高，安全性也得不到保證[3]。鍋爐爐煙處理冷卻循環(huán)水裝置是根據(jù)文獻(xiàn)[4，5]設(shè)計(jì)的，該裝置能夠吸收鍋爐燃燒煙氣中的SO2制取稀硫酸，并將稀硫酸替代濃硫酸添加到循環(huán)水中，降低火力發(fā)電廠冷卻循環(huán)水的pH值，阻礙火力發(fā)電廠直接冷卻循環(huán)水結(jié)垢。筆者根據(jù)火電廠循環(huán)水處理要求，利用PLC技術(shù)為該裝置設(shè)計(jì)控制方案，以實(shí)現(xiàn)該裝置的預(yù)期功能并保證其穩(wěn)定運(yùn)行。

1 鍋爐爐煙處理冷卻循環(huán)水裝置工藝簡介①

鍋爐爐煙處理冷卻循環(huán)水裝置的工藝流程如圖1所示，其中注水閥為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，其他閥門均為電動(dòng)開關(guān)閥。該裝置的具體工藝流程如下：按下啟動(dòng)鍵后開啟注水閥，注水管中的工藝水經(jīng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入下部水池，被注入的工藝水作為洗滌水，其液位達(dá)到下部水池最高水位時(shí)自動(dòng)關(guān)閉注水閥；洗滌水液位不低于下部水池最高液位的80%時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)循環(huán)泵，洗滌水由洗滌區(qū)內(nèi)的噴淋頭噴出；循環(huán)泵啟動(dòng)以后，開啟進(jìn)口閥和出口閥，爐煙從進(jìn)口閥進(jìn)入洗滌區(qū)，在洗滌區(qū)中與洗滌水充分接觸，煙氣中的大部分SO2被洗滌水吸收，洗滌后的凈煙氣從出口閥排入脫硫吸收塔煙氣煙道；吸收了SO2的洗滌水被洗滌區(qū)下部的收集盤全部回收，然后進(jìn)入氧化空氣吸入器與氧化空氣混合，沿著氧化空氣吸入器的下部出口進(jìn)入下部水池進(jìn)一步完成氧化，制成稀硫酸；完成洗滌后自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)口閥、出口閥和注水閥，自動(dòng)停止循環(huán)泵運(yùn)行；自動(dòng)開啟引出閥，下部水池的稀硫酸在重力作用下由引出管輸送至循環(huán)水前池，稀硫酸排放完畢后關(guān)閉引出閥，然后開啟排污閥，將下部水池內(nèi)沉淀的粉塵雜質(zhì)排至吸收塔地坑，廢渣排放完畢之后，關(guān)閉排污閥 。

圖1 鍋爐爐煙處理冷卻循環(huán)水裝置工藝流程

2 硬件系統(tǒng)

該裝置的主要任務(wù)是制取定量的pH值小于4.5的稀硫酸，為此，控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集裝置內(nèi)洗滌水的液位和pH值，并根據(jù)采集到數(shù)據(jù)控制各設(shè)備的運(yùn)行。為保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作并具有較強(qiáng)的抗干擾能力且成本相對低廉，筆者選用S7-300 PLC的314CPU為控制核心，它具有128KByte的工作存儲器，處理速度為0.06ms/1000條指令[6]。

系統(tǒng)的輸入信號：系統(tǒng)啟動(dòng)和停止信號DI，24V；裝置內(nèi)液位高度、水池內(nèi)洗滌水pH值和循環(huán)水前池pH值A(chǔ)I，4～20mA。系統(tǒng)的輸出信號：電動(dòng)閥開關(guān)、循環(huán)泵啟停信號DO，24V；調(diào)節(jié)閥閥位控制信號AO，4～20mA。

根據(jù)系統(tǒng)要求預(yù)留出一定接口。該系統(tǒng)選用的其他PLC模塊包括數(shù)字量輸入模塊SM321、數(shù)字量輸出模塊SM322、模擬量輸入/輸出模塊SM334和電源模塊PS 307 5A[7]。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PLC控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件

314CPU主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換及閥門控制等功能。該控制系統(tǒng)使用模擬量輸入/輸出模塊SM334采集液位和pH傳感器發(fā)出的4～20mA電流信號，并將其轉(zhuǎn)換成0～27 648的整數(shù)，進(jìn)而在PLC中對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。同時(shí)，該模塊還可以將0～27 648的整數(shù)轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流輸出信號，用于控制調(diào)節(jié)閥開度。

由AI模塊采集的數(shù)據(jù)為0～27 648的整數(shù)，不便于實(shí)際操作，為使操作更為直觀、方便，需要將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為真實(shí)值。此時(shí)在程序中需要使用到兩個(gè)功能塊——SCALE(FC105)和UNSCALE(FC106)(圖3)，SCALE(FC105)模塊將0～27 648的整型數(shù)轉(zhuǎn)換為指定的實(shí)數(shù)，UNSCALE(FC106)模塊將指定的實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換成0～27 648的整型數(shù)[8]。

圖3 SCALE(FC105)和UNSCALE(FC106)模塊

SCALE(FC105)模塊的轉(zhuǎn)換公式為：

式中HI_LIM——設(shè)定的實(shí)際值上限，對應(yīng)于儀表量程，一般取儀表量程值；

IN——AI模塊采集的輸入值；

K1、K2——由AI模塊的采樣精度確定，單極性范圍0～27 648，雙極性范圍-27 648～27 648，在該系統(tǒng)程序中分別為0和27 648；

LO_LIM——設(shè)定的實(shí)際值下限，對應(yīng)于儀表量程，一般取0；

OUT——經(jīng)模塊轉(zhuǎn)換后的輸出值。

UNSCALE(FC106)模塊的轉(zhuǎn)換公式為：

這里的IN和OUT端口與SCALE(FC105)模塊不同，UNSCALE(FC106)模塊的IN是輸入的真實(shí)值，OUT是范圍在0～27 648的整型數(shù)，對應(yīng)控制器的4～20mA電流；此模塊可以將設(shè)定范圍的真實(shí)值轉(zhuǎn)換為整型數(shù)，進(jìn)而在控制器中輸出4～20mA電流。

314CPU的程序流程如圖4所示。

圖4 314CPU主程序流程

其中，液位控制子程序是為了將水池的液位控制在總?cè)萘康?5%～100%之間，以達(dá)到制取定量稀硫酸的目的，其流程如圖5所示。

圖5 液位控制子程序流程

與液位控制子程序類似，循環(huán)泵控制子程序是根據(jù)液位對循環(huán)泵的啟、停狀態(tài)進(jìn)行控制的。循環(huán)泵控制子程序如圖6所示，當(dāng)液位(MD10)達(dá)到80%時(shí)，啟動(dòng)循環(huán)泵，打開進(jìn)氣和出氣閥門；循環(huán)泵在運(yùn)行過程中，液位會(huì)逐漸降低，為了保護(hù)循環(huán)泵，當(dāng)液位低于40%時(shí)關(guān)閉循環(huán)泵和進(jìn)氣、出氣閥門。

圖6 循環(huán)泵控制子程序

4 結(jié)束語

筆者將PLC技術(shù)應(yīng)用于鍋爐爐煙處理冷卻循環(huán)水裝置的自控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了液位和pH值數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)控制各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)制取定量稀硫酸的目的。該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)鍋爐爐煙處理冷卻循環(huán)水處理裝置的運(yùn)行流程和控制要求，使用該裝置制取的稀硫酸，可以替代濃硫酸直接輸送到循環(huán)水涼水塔，從而降低水處理成本。