基于PLC的高爐煤氣燃?xì)忮仩t控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常杰鋒

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，武漢 430223）

高爐煤氣燃?xì)忮仩t越來越廣泛地應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)能源綜合利用項(xiàng)目上，高爐車間生產(chǎn)中原需對空燃燒放散的富余高爐煤氣，通過鍋爐燃燒被轉(zhuǎn)化為電能使用。這種方式能夠充分回收利用廢棄資源，節(jié)能減排。因此，針對作為項(xiàng)目核心工藝部分的鍋爐系統(tǒng)，設(shè)計(jì)先進(jìn)可靠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)來監(jiān)控爐膛安全，實(shí)現(xiàn)鍋爐安全可靠、連續(xù)高效生產(chǎn)，是對該發(fā)電工程最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的重要保障。

1 工藝流程

一般地，75 t/h級(jí)前墻式中溫中壓燃高爐煤氣鍋爐的工藝過程主要由煙風(fēng)、汽水兩部分流程組成。

1.1 煙風(fēng)系統(tǒng)

鍋爐主燒高爐煤氣并伴燒少量焦?fàn)t煤氣作為底火，采用雙層前墻式布置旋流式燃燒器，分上下2層布置，共4個(gè)燃燒點(diǎn)。助燃空氣通過1臺(tái)送風(fēng)機(jī)加壓，經(jīng)過下級(jí)空氣預(yù)熱器、上級(jí)空氣預(yù)熱器升溫預(yù)熱后，引入負(fù)壓爐膛。高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣分上下2層送燃燒器。在入鍋爐爐膛前設(shè)置電動(dòng)蝶閥、快切閥，在鍋爐運(yùn)行中出現(xiàn)緊急情況時(shí)，可快速切斷煤氣供應(yīng)，防止煤氣進(jìn)入爐膛。助燃空氣和高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣在燒嘴口部混合燃燒，燃燒生成的高溫?zé)煔庖来谓?jīng)過爐膛水冷壁、高溫過熱器、低溫過熱器、上級(jí)省煤器、上級(jí)空氣預(yù)熱器、下級(jí)省煤器、下級(jí)空氣預(yù)熱器，在各受熱面實(shí)現(xiàn)熱交換冷卻后，排入煙囪。配有調(diào)節(jié)風(fēng)門及變頻控制的送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)可以滿足鍋爐各種工況下的需要[1]。

1.2 汽水系統(tǒng)

該煤氣鍋爐水汽流程如圖1所示。水在泵的輸送力作用下經(jīng)過爐膛水冷壁、省煤器、流向汽包，流動(dòng)過程中受爐膛的加熱不斷升溫直至汽化，到達(dá)汽包后水和蒸汽分離。水匯集于汽包下部，通過下降管和上升管受熱持續(xù)自循環(huán)汽化。蒸汽在汽包上部聚集并經(jīng)過頂棚過熱器、低溫過熱器、減溫器、高溫過熱器的作用，達(dá)到合格狀態(tài)后向外輸送，用來驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)。汽包給水流量大小通過泵出口調(diào)節(jié)閥開度變化來調(diào)節(jié)。

圖1 鍋爐水汽工藝流程Fig.1 Boiler water vapor technological process

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件平臺(tái)

控制系統(tǒng)采用施耐德電氣公司Quantum系列PLC作為控制核心，PLC的CPU采用140CPU65160。該型CPU擁有業(yè)界領(lǐng)先的性能，包含：5種IEC編程語言，適用于各種應(yīng)用需求；高性能多任務(wù)系統(tǒng)；高達(dá)7 MB儲(chǔ)存空間；高可靠性；支持第三方設(shè)備；高性能熱備解決方案。輸入輸出（I/O）模塊采用支持熱插拔的140系列，包括8通道模擬量輸入（AI）模塊、8通道熱電偶信號(hào)輸入（TC）模塊、8通道熱電阻信號(hào)輸入（RTD）模塊、8通道模擬量輸出（AO）模塊、16通道數(shù)字量輸入（DI）模塊、16通道數(shù)字量輸出（DO）模塊。

PLC通過遠(yuǎn)程接口（RIO）方式擴(kuò)展硬件，為加強(qiáng)PLC站間數(shù)據(jù)通訊運(yùn)行的可靠性，CPU所在的主站與各子站之間通過雙路冗余的RIO數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。I/O點(diǎn)數(shù)量除要滿足現(xiàn)有自動(dòng)控制系統(tǒng)功能要求外，留有10%的I/O余量。

采用2臺(tái)高性能臺(tái)式工控機(jī)設(shè)置互為備用的監(jiān)控站，避免因一臺(tái)監(jiān)控站的故障導(dǎo)致的意外停爐。PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與監(jiān)控站以及外部系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2所示。

圖2鍋爐控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of boiler control system

PLC編程軟件采用施耐德電氣公司Quantum系列 PLC配套的Unity Pro XL5.0單機(jī)版。上位監(jiān)控軟件平臺(tái)采用施耐德電氣公司Citect 7.2（1500點(diǎn)中文完整版）組態(tài)軟件。Citect是基于Windows平臺(tái)的工業(yè)軟件系統(tǒng)，它簡單、集成且易于安裝、便于管理，可以應(yīng)對小型工廠的生產(chǎn)處理，適用于項(xiàng)目成本要求不高的工廠。上位監(jiān)控軟件在Windows 7平臺(tái)上運(yùn)行。

2.2 監(jiān)控功能

結(jié)合該型鍋爐工藝流程特點(diǎn)，通過PLC編程實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的監(jiān)控功能，包括煙風(fēng)監(jiān)控、汽水監(jiān)控、爐膛安全監(jiān)控以及其他輔助功能。

2.2.1 煙風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)

鍋爐煙風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)，除實(shí)現(xiàn)鍋爐風(fēng)道、煙道、爐膛、煤氣、風(fēng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)（如溫度、壓力、電流等參數(shù)）的顯示記錄報(bào)警功能外，主要完成鍋爐燃燒調(diào)節(jié)和爐膛壓力調(diào)節(jié)功能。

（1）鍋爐燃燒調(diào)節(jié)功能

汽包壓力大小與爐膛的燃燒強(qiáng)度有直接關(guān)系，燃燒強(qiáng)度增加汽包壓力上升，燃燒強(qiáng)度降低則汽包壓力下降，因此汽包壓力的調(diào)節(jié)實(shí)際上是通過調(diào)節(jié)爐膛的燃燒強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)。爐膛的燃燒強(qiáng)度控制，通過控制燃燒煤氣（包括高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣）流量和燃燒所需助燃空氣流量的大小來實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)鍋爐實(shí)際運(yùn)行情況，鍋爐燃燒狀態(tài)多數(shù)情況下變化緩慢，因此煤氣流量的控制采用單回路PID調(diào)節(jié)+輸出變化限幅的方式，實(shí)現(xiàn)煤氣流量的自動(dòng)平穩(wěn)調(diào)節(jié)。

因助燃空氣流量不便設(shè)置流量計(jì)，所以對它的控制通過控制煙氣含氧量來間接實(shí)現(xiàn)。煙氣含氧量高，助燃空氣流量偏大；煙氣含氧量低，助燃空氣流量偏小。在實(shí)際設(shè)置的2個(gè)含氧量測量值中選擇其一作為調(diào)節(jié)器測量值。將需要的煙氣含氧量值設(shè)定為煙氣含氧量調(diào)節(jié)的設(shè)定值，設(shè)定煙氣含氧量調(diào)節(jié)的比例、積分、微分系數(shù)，從而由程序自動(dòng)調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)風(fēng)門，使實(shí)際煙氣含氧量到設(shè)定值大小，從而間接調(diào)整了助燃空氣流量。

（2）爐膛壓力調(diào)節(jié)功能

爐膛壓力的調(diào)節(jié)采用單回路PID調(diào)節(jié)方式，根據(jù)爐膛壓力的測量值，調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)門開度，以保持爐膛壓力在-100～50 Pa范圍內(nèi)。在爐膛壓力4個(gè)測量值和1個(gè)平均值中選擇其一作為調(diào)節(jié)器測量值，設(shè)定爐膛壓力調(diào)節(jié)的比例、積分、微分系數(shù)，從而使程序自動(dòng)調(diào)節(jié)爐膛壓力到設(shè)定值大小。

2.2.2 汽水監(jiān)控系統(tǒng)

鍋爐汽水監(jiān)控系統(tǒng)，除實(shí)現(xiàn)鍋爐給水、蒸汽、汽包、水泵設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)（如溫度、壓力、電流等參數(shù)）的顯示記錄報(bào)警功能外，主要完成汽包液位調(diào)節(jié)、蒸汽溫度調(diào)節(jié)、給水泵控制功能。

（1）汽包液位調(diào)節(jié)功能

在鍋爐運(yùn)行過程中，影響汽包液位穩(wěn)定的因素很多，主要有給水流量和蒸汽流量。當(dāng)給水流量增加時(shí)，由于給水的溫度相對較低，從原有飽和水中吸收熱量，有減小汽包水容積的作用，所以汽包水位在開始時(shí)不會(huì)立即上升，而是表現(xiàn)出起始慣性段；當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時(shí)，從物料平衡方面講，蒸汽量大于給水量，水位應(yīng)該下降，但在實(shí)際中由于蒸汽負(fù)荷突然增加會(huì)造成汽包壓力降低，汽水混合物中蒸汽容積迅速增加，水位反而迅速上升，即“虛假水位”現(xiàn)象[2]。

鑒于鍋爐運(yùn)行過程中汽包液位控制的復(fù)雜性，采用三沖量PID控制方法，同樣以汽包液位、給水流量和蒸汽流量3個(gè)變量作為處理對象，控制系統(tǒng)整體采用前饋+串級(jí)的結(jié)構(gòu)。其主調(diào)節(jié)器采用以汽包液位為檢測和控制變量，汽包液位的設(shè)定值與實(shí)際測量值的偏差，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算輸出為給水流量的設(shè)定值；汽包外供蒸汽流量測量值作為前饋量，以抑制“虛假液位”對汽包液位穩(wěn)定產(chǎn)生的不利影響。

圖3 汽包液位控制框圖Fig.3 Block diagram of drum liquid level control

圖中，e（k）為給水流量偏差值；u（k）為給水流量調(diào)節(jié)器輸出值，作為給水調(diào)節(jié)閥的開度給定值。

其副調(diào)節(jié)器采用以給水流量為檢測和控制變量。將需要給水流量值設(shè)定為給水流量調(diào)節(jié)的設(shè)定值，設(shè)定給水流量調(diào)節(jié)的比例、積分、微分系數(shù)，從而由程序自動(dòng)調(diào)節(jié)給水流量到設(shè)定值大小。

在3個(gè)實(shí)際汽包液位測量值中選擇其一作為調(diào)節(jié)器測量值。將期望的汽包液位值設(shè)定為汽包液位調(diào)節(jié)的設(shè)定值，設(shè)定汽包液位調(diào)節(jié)的比例、積分、微分系數(shù)，從而程序自動(dòng)計(jì)算需要的給水流量，從而程序自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)際汽包液位到設(shè)定值大小。

正常狀態(tài)下選擇汽包供水主路調(diào)節(jié)閥，主路調(diào)節(jié)閥故障時(shí)選擇旁路調(diào)節(jié)閥。

（2）主蒸汽溫度調(diào)節(jié)功能

主蒸汽溫度調(diào)節(jié)采用以低溫過熱器出口蒸汽溫度的測量值為主調(diào)參數(shù)，噴水減溫器內(nèi)的蒸汽溫度的測量值為輔調(diào)參數(shù)的串級(jí)PID控制方式。在2個(gè)實(shí)際減溫器出口蒸汽溫度測量值中選擇其一作為調(diào)節(jié)器測量值。將期望的主蒸汽溫度值設(shè)定為主蒸汽溫度調(diào)節(jié)的設(shè)定值，設(shè)定主蒸汽溫度調(diào)節(jié)的比例、積分、微分系數(shù)，從而由程序自動(dòng)計(jì)算需要的減溫水流量，自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)際主蒸汽溫度到設(shè)定值大小。

（3）給水泵組控制功能

鍋爐給水泵組共有2臺(tái)泵，一用一備。正常運(yùn)行時(shí)，工作泵置于手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)；備用泵置于集中自動(dòng)狀態(tài)，在工作泵停機(jī)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)。當(dāng)給水壓力低起泵聯(lián)鎖時(shí)，給水母管壓力低時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)備用給水泵。

當(dāng)啟動(dòng)泵時(shí)，泵出口電動(dòng)切斷閥延遲5 s自動(dòng)或者手動(dòng)打開；當(dāng)停泵時(shí)，出口電動(dòng)切斷閥自動(dòng)或者手動(dòng)關(guān)閉。

2.2.3 爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)

鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是保證鍋爐安全運(yùn)行，不參與調(diào)節(jié)，僅參與高級(jí)別的聯(lián)鎖保護(hù)，包括爐膛吹掃、爐膛火焰監(jiān)測、主燃料跳閘等功能。

（1）爐膛吹掃功能

每次鍋爐啟動(dòng)點(diǎn)火前，必須進(jìn)行一定周期的爐膛、煤氣管道的吹掃，以保證爐膛及與其聯(lián)通的開放煤氣管道內(nèi)沒有任何未燃盡的高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣等燃料的存在，避免發(fā)生爆燃。吹掃主要在鍋爐點(diǎn)火前和緊急停爐后必須進(jìn)行。

爐膛吹掃應(yīng)滿足必要的吹掃條件，具體如下：①所有煤氣全部切斷；②所有燃燒器風(fēng)門應(yīng)處于吹掃位置；③至少有1臺(tái)引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)運(yùn)行，且風(fēng)量大于25%額定負(fù)荷風(fēng)量；④無主燃料跳閘指令；⑤所有層3/4檢測器無火焰；⑥汽包水位正常；⑦系統(tǒng)電源正常。

當(dāng)爐膛吹掃條件滿足后，控制系統(tǒng)人機(jī)接口將提示操作人員“啟動(dòng)吹掃”信號(hào)，運(yùn)行人員根據(jù)鍋爐操作規(guī)程進(jìn)行手動(dòng)吹掃。

（2）爐膛火焰監(jiān)測功能

爐膛火焰檢測是對爐膛或燃燒器的火焰進(jìn)行檢測，從而判別鍋爐的燃燒狀況，以確保爐膛安全的點(diǎn)火器及燃燒器的點(diǎn)燃。爐膛燃燒監(jiān)控和爐膛滅火保護(hù)均以火焰檢測信號(hào)作為判斷依據(jù)。該項(xiàng)目火焰監(jiān)測通過火焰檢測和火焰監(jiān)視2種途徑實(shí)現(xiàn)。

火焰檢測使用紫外火檢探頭進(jìn)行火焰檢測。每個(gè)燃燒火嘴配備1套火檢系統(tǒng)，采用外窺式安裝，探頭直接對準(zhǔn)氣火焰的初燃區(qū)采集氣火焰信號(hào)。該前墻燃燒式高爐煤氣鍋爐共有上下2層4個(gè)燃燒火嘴，所以安裝4個(gè)紫外火檢探頭進(jìn)行火焰檢測。當(dāng)3/4檢測探頭的“有火”信號(hào)消失，則認(rèn)為爐膛內(nèi)的火焰熄滅。

火焰監(jiān)視采用高溫?cái)z像機(jī)的全爐燃燒狀態(tài)彩色工業(yè)電視系統(tǒng)，操作人員可在中控室顯示器上看到爐膛內(nèi)火焰的真實(shí)圖像，人工判斷爐膛內(nèi)的火焰燃燒狀態(tài)。

（3）主燃料跳閘功能

主燃料跳閘 MFT（main fuel trip）是鍋爐最主要的保護(hù)信號(hào)。MFT后將會(huì)關(guān)閉高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣管路上的切斷閥，使所有燃料源切斷，并將危急信號(hào)發(fā)給汽輪機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行必要的安全操作，同時(shí)顯示引起MFT的原因，并將主燃料跳閘信號(hào)維持到下次鍋爐啟動(dòng)，只有在下次安全啟動(dòng)允許和鍋爐爐膛吹掃完成后，才會(huì)自動(dòng)解除記憶。

主燃料跳閘信號(hào)產(chǎn)生的條件如下：①手動(dòng)停爐按鈕按下；②爐膛火焰全部熄滅；③爐膛正壓三選二報(bào)警；④爐膛負(fù)壓三選二報(bào)警；⑤汽包水位高三值；⑥汽包水位低三值；⑦系統(tǒng)電源正常；⑧送風(fēng)機(jī)全部跳閘；⑨引風(fēng)機(jī)全部跳閘；⑩燃料全部中斷；?給水泵全部跳閘；?主蒸汽溫度過高；?送風(fēng)機(jī)風(fēng)量降于25%額定風(fēng)量；?有機(jī)跳爐信號(hào)（大聯(lián)鎖）；?PLC及重要子系統(tǒng)電源喪失。

2.2.4 其他輔助功能

1）自動(dòng)監(jiān)測鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài) 實(shí)時(shí)監(jiān)測、記錄各項(xiàng)參數(shù)量值；對異常情況和參數(shù)越限進(jìn)行記錄、報(bào)警；自動(dòng)記錄各設(shè)備開關(guān)機(jī)的時(shí)間以及累計(jì)運(yùn)行時(shí)間。

2）自動(dòng)報(bào)警功能 故障時(shí)即時(shí)顯示報(bào)警（含語音聲和光報(bào)警方式），并可根據(jù)故障程度自動(dòng)開啟備用水泵。

3）權(quán)限控制 根據(jù)不同用戶的權(quán)限實(shí)時(shí)控制各類閥門、水泵的開停操作。

4）自動(dòng)生成報(bào)表 具有歷史數(shù)據(jù)查詢功能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能[3]。

2.3 運(yùn)行畫面

根據(jù)上述控制系統(tǒng)的監(jiān)控功能組態(tài)上位機(jī)畫面。鍋爐監(jiān)控主界面如圖4所示，圖中上半部分顯示鍋爐運(yùn)行的汽水流程，下半部分顯示鍋爐運(yùn)行的煙風(fēng)流程。

圖4 鍋爐監(jiān)控主界面Fig.4 Main interface of boiler monitoring

3 結(jié)語

根據(jù)所提方案實(shí)現(xiàn)的鍋爐控制系統(tǒng)，在某特鋼廠15 MW發(fā)電項(xiàng)目中的75 t/h級(jí)前墻式燃高爐煤氣中溫中壓鍋爐上實(shí)施。系統(tǒng)自投運(yùn)至今，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高，有效地節(jié)約了鋼鐵生產(chǎn)中的成本，很大程度上降低了污染氣體排放。