集中控制技術(shù)在煤礦供熱鍋爐系統(tǒng)中的應(yīng)用

范新芳

（大同煤礦集團(tuán)晉華宮礦，山西大同 037003）

0 引言

煤礦鍋爐系統(tǒng)是供熱系統(tǒng)中的核心部分，是供熱系統(tǒng)安全高效運(yùn)行的重要保障。然而，國(guó)內(nèi)多數(shù)煤礦建井年限長(zhǎng)，煤礦鍋爐設(shè)備相對(duì)落后，在使用中出現(xiàn)精確度低、可操作性差及集中控制自動(dòng)化水平低等技術(shù)難題[1]，落后的鍋爐供熱系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)代化煤礦供熱需求。為了進(jìn)一步提高煤礦供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)鍋爐設(shè)備集中控制目的，對(duì)煤礦鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，安裝一套PLC（編程邏輯控制器）集中控制系統(tǒng)。

1 PLC集中控制系統(tǒng)組成

1.1 PLC硬件系統(tǒng)組成

（1）鍋爐本體設(shè)備。晉華宮礦一座年產(chǎn)量為800萬(wàn)t的大型礦井，現(xiàn)已安裝4臺(tái)40 t的鍋爐。

（2）鍋爐房公共設(shè)備。給水泵、水處理機(jī)構(gòu)、引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、操作臺(tái)、變頻柜、鍋爐自檢系統(tǒng)。

（3）鍋爐控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)主要有可編程邏輯控制器（下位機(jī)）與操作站（上位機(jī)）兩部分。為了使PLC系統(tǒng)之間能夠形成冗余備用，分別為鍋爐本體及公共設(shè)備各單配1臺(tái)上位機(jī)；為了使4臺(tái)40 t的鍋爐形成PLC系統(tǒng)冗余備用，4臺(tái)鍋爐共同使用4套編程邏輯控制器；公共設(shè)備同樣配備1臺(tái)編程邏輯控制器[2]。

（4）軟件操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用的上下位機(jī)主要由性能先進(jìn)的硬件及功能強(qiáng)大的軟件組成，采用最先進(jìn)的操作系統(tǒng)，能夠?qū)Ω鞣N通訊方式和通訊協(xié)議進(jìn)行支持，同時(shí)系統(tǒng)接口能夠?qū)Ω鞣N數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)共同完成的操作平臺(tái)。

（5）通訊方式。編程邏輯控制器與操作站能夠利用分散型控制系統(tǒng)快速地對(duì)各類(lèi)通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)，而且由于使用5類(lèi)雙絞線，可以具備較高的抗干擾性[3]。

2 PLC集中控制功能及優(yōu)點(diǎn)

2.1 主要功能

（1）鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)鍋爐內(nèi)的汽溫、壓力、膛溫、負(fù)壓、排煙溫度、排煙壓力、給水壓力、水位、給水量、蒸汽量以及各類(lèi)水箱水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（2）在鍋爐的實(shí)際供熱中，PLC可以按照技術(shù)人員預(yù)先設(shè)定好的程序進(jìn)入自動(dòng)控制模式，在該模式下，鍋爐如果發(fā)生故障，系統(tǒng)可以根據(jù)操作者的需求自動(dòng)切換到手動(dòng)操作[4]。

（3）操作臺(tái)可以在顯示屏上對(duì)鍋爐的燃燒情況及汽水系統(tǒng)形成流程圖進(jìn)行顯示，同時(shí)還可以對(duì)系統(tǒng)供電、設(shè)備運(yùn)行情況、各類(lèi)實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行顯示，方便工作人員查看。

（4）系統(tǒng)還可以自動(dòng)將鍋爐內(nèi)的汽溫、壓力、膛溫、負(fù)壓、排煙溫度、排煙壓力等參數(shù)進(jìn)行收集，并儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫(kù)。

（5）系統(tǒng)會(huì)根據(jù)程序員預(yù)先設(shè)定好的順序，對(duì)鍋爐輔助設(shè)備以及公用設(shè)備進(jìn)行控制。

（6）如鍋爐發(fā)生故障，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，同時(shí)將設(shè)備運(yùn)行情況及故障類(lèi)型進(jìn)行分析，方便工作人員及時(shí)了解事故原因。此外，該系統(tǒng)還可以在線對(duì)數(shù)據(jù)修改及系統(tǒng)維護(hù)，大大縮短了事故的處理時(shí)間。

（7）該系統(tǒng)與礦內(nèi)交換機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，設(shè)備運(yùn)行的情況及參數(shù)可以實(shí)時(shí)通過(guò)環(huán)網(wǎng)傳至指揮中心。

2.2 優(yōu)點(diǎn)

（1）穩(wěn)定性強(qiáng)。PLC集中控制系統(tǒng)主要采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行設(shè)備之間的信號(hào)傳輸，信號(hào)傳輸穩(wěn)定性強(qiáng)、受干擾率低，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離集中控制，與傳統(tǒng)信號(hào)線傳輸相比，解決了系統(tǒng)敷設(shè)線路的困擾，降低了系統(tǒng)成本費(fèi)用。

（2）應(yīng)用效果好。PLC集中控制系統(tǒng)可將供熱鍋爐設(shè)備進(jìn)行聯(lián)鎖控制作用，通過(guò)控制室可對(duì)所有設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)備分布區(qū)域廣、監(jiān)控效果差、故障率高等技術(shù)難題。

（3）降低勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度。安裝PLC集中控制系統(tǒng)后，所有設(shè)備可集中監(jiān)控，出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，降低了施工人員對(duì)設(shè)備檢修的勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，同時(shí)避免了人工檢修時(shí)誤差率大，以及設(shè)備在運(yùn)行時(shí)故障率高等技術(shù)難題。

3 控制方式

3.1 汽包水位三沖量

汽包水位的穩(wěn)定性是判斷鍋爐運(yùn)行是否正常的重要指標(biāo)之一。在實(shí)際生產(chǎn)中，操作人員可以通過(guò)采取各種措施控制鍋爐內(nèi)汽包水位的穩(wěn)定。目前來(lái)看，三沖量控制方法是最有效的控制方式。該方法采用串級(jí)加前饋方式，可以將鍋爐內(nèi)給水量與供汽量的變化通過(guò)顯示器顯示出來(lái)。鍋爐給水流量、汽包水位以及蒸汽流量分別作為供熱系統(tǒng)的副調(diào)回路、主調(diào)回路以及前饋量克服虛假水位[5]。鍋爐在使用三沖量控制以后，能夠?qū)㈠仩t內(nèi)的穩(wěn)態(tài)控制在±5 mm。

3.2 恒壓供水

在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)會(huì)由于各種原因造成鍋爐內(nèi)汽量不勻，特別是鍋爐高峰和低谷供汽流量變化比較大。為了解決這個(gè)問(wèn)題，操作人員采用變頻泵對(duì)鍋爐進(jìn)行供水，這樣可以確保供水壓力隨著供汽壓力改變而變化，確保鍋爐恒壓供水[6]。

3.3 汽壓-燃燒調(diào)節(jié)

鍋爐內(nèi)的蒸汽壓力主要是通過(guò)調(diào)節(jié)排轉(zhuǎn)速、鼓風(fēng)量進(jìn)行控制。因此在主汽壓力燃燒設(shè)計(jì)時(shí)，可以將鍋爐內(nèi)的蒸汽壓力檢測(cè)值和設(shè)定值通過(guò)對(duì)比，再將數(shù)據(jù)偏差信號(hào)輸入到控制器內(nèi)，控制器經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，根據(jù)控制器輸出信號(hào)調(diào)整鼓風(fēng)變頻器頻率和爐排轉(zhuǎn)速[7]。為了保證鍋爐系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定，方便工作人員操作變頻器，系統(tǒng)將蒸汽流量作為前饋信號(hào)，如圖1所示。

圖1 汽壓-燃燒控制原理圖

3.4 其他控制方式

（1）顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示鍋爐的運(yùn)行參數(shù)，鍋爐主要參數(shù)可以通過(guò)單獨(dú)的顯示器進(jìn)行操作。

（2）次要參數(shù)主要通過(guò)巡檢方式進(jìn)行循環(huán)顯示，比如鍋爐的鼓風(fēng)量、引風(fēng)量均可通過(guò)手動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)[8]。

（3）系統(tǒng)給水控制回路能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)切換功能。

（4）鍋爐內(nèi)的汽包水位、汽包壓力直接與報(bào)警裝置聯(lián)鎖，必要時(shí)可以直接對(duì)鍋爐進(jìn)行停爐操作，還可以將鍋爐內(nèi)給水量和蒸汽量的瞬時(shí)值和累計(jì)值進(jìn)行顯示。

（5）為了能夠更好地對(duì)鍋爐內(nèi)的給水壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，操作人員預(yù)先在水處理系統(tǒng)中安裝一套控制器。

（6）系統(tǒng)能夠分類(lèi)對(duì)鍋爐內(nèi)蒸汽母管壓力、各類(lèi)水箱水位計(jì)流量以及輔助設(shè)備的啟停信息進(jìn)行顯示。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

2018年7月20日，對(duì)礦供熱鍋爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改造，在原系統(tǒng)安裝一套PLC集中控制系統(tǒng)，9月18日，整個(gè)系統(tǒng)改造完成；2018年10月1日，對(duì)礦區(qū)及井下進(jìn)行供熱，2019年5月1日停止供熱。通過(guò)7個(gè)月的實(shí)際應(yīng)用效果觀察發(fā)現(xiàn)，供熱鍋爐設(shè)備安裝PLC集中控制系統(tǒng)后，設(shè)備供熱效率由原來(lái)的72%提高至93.2%以上，熱量流失降低至7%以下；設(shè)備故障率降低至5%以下，減少設(shè)備維修費(fèi)用達(dá)42萬(wàn)余元；同時(shí)，安裝該系統(tǒng)后，所有供熱設(shè)備實(shí)現(xiàn)了集中控制作用，在遠(yuǎn)程操控室內(nèi)只需1人即可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行操作、監(jiān)控，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，降低了人員對(duì)設(shè)備檢修的勞動(dòng)強(qiáng)度，全年可降低勞動(dòng)成本費(fèi)用達(dá)21.7萬(wàn)元。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)煤礦鍋爐設(shè)備安裝PLC集中控制系統(tǒng)后，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用效果觀察發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)具有壽命長(zhǎng)、精確度高、可操作性強(qiáng)及靈敏度高的特點(diǎn)，優(yōu)化后的鍋爐供熱能力已經(jīng)能夠滿足全礦的供熱需求，提高了鍋爐的安全性、高效性、穩(wěn)定性。