基于PLC的鍋爐爐煙處理冷卻循環(huán)水裝置控制方案

王秋平 張 淼 韓 磊 陳志強(qiáng)

(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)電廠的電力生產(chǎn)過程中，為了實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的生產(chǎn)，不但需要對(duì)煤、水及汽等工質(zhì)參數(shù)進(jìn)行持續(xù)采集與控制，還需要對(duì)水及汽等工質(zhì)進(jìn)行循環(huán)利用。其中，從汽輪機(jī)下部排氣口排出的做完功的乏汽，可使用冷卻水通過對(duì)流散熱的方式將其冷凝成凝結(jié)水，從而達(dá)到重復(fù)使用的目的。在對(duì)流散熱過程中，部分蒸發(fā)的循環(huán)水會(huì)被對(duì)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，在此情況下極易造成凝汽器結(jié)垢[1]。凝汽器結(jié)垢會(huì)導(dǎo)致凝汽器換熱效率降低，在發(fā)電量不變的情況下，造成發(fā)電熱耗增大、發(fā)電煤耗增高，從而對(duì)電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。因此，在電廠運(yùn)行過程中，需要將硫酸加入循環(huán)水來(lái)調(diào)整其pH值，以此阻礙和減輕火力發(fā)電廠凝汽器結(jié)垢[2]。

目前，國(guó)內(nèi)的火力發(fā)電廠為了調(diào)節(jié)循環(huán)水的pH值，主要采用的是人工直接加投濃、稀硫酸的方法，但是，直接加投濃硫酸的資金投入較高，而且有較大的安全隱患[3]。鍋爐爐煙處理冷卻循環(huán)水裝置是根據(jù)文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的裝置，該裝置能夠吸收鍋爐燃燒煙氣中的SO2并制取稀硫酸，然后將稀硫酸代替濃硫酸添加到循環(huán)水中，以此降低火力發(fā)電廠冷卻循環(huán)水的pH值，防止和減輕火力發(fā)電廠凝汽器結(jié)垢。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了鍋爐爐煙處理冷卻循環(huán)水裝置定量制取模式的控制方案，并給出了實(shí)現(xiàn)該控制方案的詳細(xì)過程，該裝置的定量制取模式能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)循環(huán)水pH值自動(dòng)制取定量稀硫酸的功能，以用于調(diào)節(jié)循環(huán)水的pH值，但是定量制取模式在實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的同時(shí)也存在一個(gè)弊端，即在定量制取模式下該裝置只能先制取定量的稀硫酸再排放到循環(huán)水中，而無(wú)法連續(xù)制取稀硫酸，即無(wú)法實(shí)時(shí)快速地調(diào)節(jié)循環(huán)水pH值。為此，筆者設(shè)計(jì)一種連續(xù)制取模式的控制方案，即在連續(xù)制取模式下，鍋爐爐煙處理冷卻循環(huán)水裝置不但能夠連續(xù)制取稀硫酸，還能夠根據(jù)循環(huán)水的pH值實(shí)時(shí)調(diào)整制取稀硫酸的量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)循環(huán)水pH值的目的。

鍋爐爐煙處理冷卻循環(huán)水裝置的功能是將原煙氣煙道中分流出來(lái)的爐煙進(jìn)行洗滌，吸收爐煙中的SO2，并且在催化劑、氧化空氣和水的作用下將SO2氧化成稀硫酸，制成的稀硫酸直接輸送到循環(huán)水中用于調(diào)節(jié)循環(huán)水pH值。經(jīng)過洗滌的煙氣達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，由煙氣管道輸送至凈煙氣管道，經(jīng)煙囪排放。鍋爐爐煙處理冷卻循環(huán)水裝置的工藝流程如圖1所示，主要包括循環(huán)泵、煙氣洗滌噴頭、洗滌水收集盤、單管氧化空氣噴射吸入裝置、下部水池、注水管、溢流管、排污管、煙氣進(jìn)出口管、氧化空氣吸入管、稀硫酸出口管和各管道對(duì)應(yīng)的閥門。

圖1 鍋爐爐煙處理冷卻循環(huán)水裝置的工藝流程

鍋爐爐煙處理冷卻循環(huán)水裝置將制成的稀硫酸直接輸送到循環(huán)水涼水塔，用于取代濃硫酸，降低水處理成本。同時(shí)，該裝置吸收了煙道中分流出的部分煙氣，降低了吸收塔的負(fù)荷，減少了脫硫劑消耗量，降低了脫硫成本，減少了資源浪費(fèi)。而該裝置利用煙氣中的SO2制取稀硫酸，實(shí)現(xiàn)了氣體廢棄物的再利用。

筆者提出的連續(xù)制取模式克服了定量制取模式無(wú)法實(shí)時(shí)連續(xù)制取稀硫酸的缺點(diǎn)，制取的稀硫酸在重力作用下經(jīng)溢流管連續(xù)不斷地輸送至循環(huán)水前池。該控制方案主要實(shí)現(xiàn)的功能：設(shè)備啟動(dòng)后，根據(jù)水池水位自動(dòng)控制循環(huán)泵的啟停，以控制液位高度和稀硫酸的制??；根據(jù)下部水池內(nèi)洗滌水的pH值，自動(dòng)調(diào)節(jié)注水閥的開度，使洗滌水pH值保持在5.6～6.0；裝置停車時(shí)，按順序關(guān)閉各閥門，循環(huán)泵延時(shí)30min停止運(yùn)行后自動(dòng)排污；循環(huán)水前池pH值高于設(shè)定值時(shí)裝置自動(dòng)啟動(dòng)。

2 硬件部分

2.1 S7-300 PLC

S7-300 PLC具有功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定、模塊豐富、性價(jià)比高、擴(kuò)展通信簡(jiǎn)便及抗沖擊抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[6]，在此筆者選用S7-300 PLC作為實(shí)現(xiàn)該控制方案的核心控制器。以S7-300 PLC為控制核心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 觸摸屏

MP 377是一款工控觸摸屏，額定工作電壓為24V(DC)。MP 377采用64k色TFT顯示屏，分辨率為640×480像素。該觸摸屏具有一個(gè)Profibus-DP接口、兩個(gè)用于連接Profinet的以太網(wǎng)端口、兩個(gè)USB2.0端口、一個(gè)SD存儲(chǔ)卡插槽和一個(gè)CF卡插槽，支持多種通信方式。

2.3 A/D與D/A模塊

根據(jù)本控制系統(tǒng)的模擬量信號(hào)數(shù)量，采用兼具A/D(4個(gè))和D/A(兩個(gè))轉(zhuǎn)換功能的SM334模塊。其額定工作電壓為24V(DC)。該模塊可輸入電壓(0～10V)、電流(0～20mA)和電阻(0～10kΩ)模擬量信號(hào)；可輸出電壓(0～10V)和電流(0～20mA)模擬量信號(hào)。PLC通過讀取該模塊各存儲(chǔ)器的內(nèi)容即可獲得A/D采樣值，同時(shí)將數(shù)字控制量輸送到該模塊即可通過輸出接口實(shí)現(xiàn)模擬量輸出。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4 液位傳感器與pH值傳感器

由于裝置內(nèi)的液體是具有腐蝕性的稀硫酸，因此液位傳感器選用EchoSonic II CT05型超聲波液位計(jì)，該超聲波液位計(jì)可用于腐蝕性液體的液位測(cè)量，量程20.0cm～5.5m，測(cè)量誤差±1mm，額定電壓24V(DC)，輸出信號(hào)4～20mA，該模擬量輸出信號(hào)可通過SM334模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)并輸送至PLC。

pH值傳感器采用DG-160型工業(yè)pH計(jì)，其測(cè)量范圍0～14，誤差范圍±0.02，額定電壓24V(DC)，輸出信號(hào)4～20mA。該pH計(jì)性能較好、穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠滿足本裝置對(duì)pH值測(cè)量的要求。

3 軟件部分

編程軟件為Siemens TIA Portal V11，編程語(yǔ)言為梯形圖，根據(jù)裝置的工藝流程和控制要求，設(shè)計(jì)的主程序流程如圖3所示。

連續(xù)制取模式下，裝置連續(xù)不斷地制取稀硫酸，制取的稀硫酸通過溢流管流入循環(huán)水前池，在此過程中，控制系統(tǒng)需要對(duì)下部水池內(nèi)循環(huán)泵的運(yùn)行情況和液體的pH值進(jìn)行控制。為此，分別設(shè)計(jì)了循環(huán)泵控制子程序和pH值控制子程序。

圖3 連續(xù)制取模式主程序流程

循環(huán)泵控制子程序是根據(jù)液位的高低對(duì)循環(huán)泵的啟停狀態(tài)進(jìn)行控制，子程序如圖4所示。當(dāng)液位達(dá)到最高值的80%時(shí)，啟動(dòng)循環(huán)泵，同時(shí)打開氣體進(jìn)出口閥門。該子程序還具有循環(huán)泵低液位保護(hù)功能，當(dāng)液位低于最高值的40%時(shí)，關(guān)閉循環(huán)泵和氣體進(jìn)出口閥門，以防止循環(huán)泵發(fā)生空轉(zhuǎn)。

圖4 循環(huán)泵控制子程序

pH值控制子程序的功能是通過控制注水量達(dá)到使下部水池中的液體pH值保持在5.6～6.0的目的。當(dāng)液體pH值低于5.6時(shí)，逐步開大注水閥門以提高注水量，每次開大3%，相鄰兩次開大間隔為10min，直到液體pH值高于5.6時(shí)，保持閥門開度不變；當(dāng)液體pH值高于6.0時(shí)，逐步關(guān)小注水閥門以降低注水量，每次關(guān)小3%，相鄰兩次關(guān)小間隔為10min，直到液體pH值低于6.0時(shí)，保持閥門開度不變。pH值控制子程序如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于PLC控制技術(shù)，為鍋爐爐煙處理冷卻循環(huán)水裝置設(shè)計(jì)了連續(xù)制取模式的控制方案，并針對(duì)該方案設(shè)計(jì)了硬件組態(tài)和軟件流程。該控制方案克服了定量制取模式無(wú)法連續(xù)工作的缺點(diǎn)，在連續(xù)制取模式下，該裝置能夠連續(xù)不斷地利用鍋爐燃燒排放煙氣中的SO2制取稀硫酸，并將制取的稀硫酸輸送至循環(huán)水前池，達(dá)到了阻礙和減輕凝汽器結(jié)垢的目的。此過程不但降低了水處理成本，還吸收了鍋爐燃燒煙氣中的SO2，也降低了脫硫成本。

圖5 pH值控制子程序

[1] 于英利,沈炳耘,吳鳳英,等.火電廠爐煙處理循環(huán)冷卻水防垢試驗(yàn)研究[J].工業(yè)水處理,2006,26(6):36～38.

[2] 王維娜.某電廠凝汽器結(jié)垢與防垢的實(shí)驗(yàn)分析與研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué),2010.

[3] 于英利.電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺(tái)的研制與凝汽器防垢試驗(yàn)研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué),2006.

[4] 程愛平,王秋平,韓磊.利用鍋爐爐煙制取冷卻循環(huán)水調(diào)節(jié)硫酸的裝置[P].中國(guó):201320051511,2013-07-10.

[5] 王秋平,韓磊,張淼,等.基于PLC的鍋爐爐煙處理冷卻循環(huán)水裝置控制系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2014,41(12):1356～1358.

[6] 邊春元,任雙艷,滿永奎,等.S7-300/400 PLC實(shí)用開發(fā)指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007:410～443.