基于MCGS的低氮燃燒機(jī)研制實(shí)驗(yàn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)

趙培慶，董 李

(北京北燃環(huán)能科技發(fā)展有限公司，北京 100011)

近年來，霧霾已對(duì)公共健康造成巨大威脅，而減少NOx排放是改善空氣環(huán)境質(zhì)量的重要任務(wù)之一。為了適應(yīng)環(huán)境與市場(chǎng)發(fā)展的要求，鍋爐房配置低NOx燃燒器已成為近期的發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。該低氮燃燒機(jī)研制實(shí)驗(yàn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)是用來配合研制測(cè)試低氮燃燒機(jī)的各種燃燒性能的，該監(jiān)控系統(tǒng)采用高可靠度的西門子315PLC作為控制站，將現(xiàn)場(chǎng)各傳感器參數(shù)經(jīng)過一次儀表變送輸出模擬量信號(hào)由PLC采集模塊進(jìn)行采集處理，并由485串口傳遞到工控機(jī)，以完成對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行狀況、爐膛溫度、各個(gè)環(huán)節(jié)水溫度、壓力、流量和各個(gè)環(huán)節(jié)的煙氣濕度、溫度、壓力、流量以及煙氣成分在線監(jiān)測(cè)等參數(shù)(共計(jì)40個(gè)點(diǎn)位)實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示、處理和存儲(chǔ)，并可形成數(shù)據(jù)報(bào)表和工藝趨勢(shì)曲線；同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)饬髁?、風(fēng)壓以及各環(huán)節(jié)的煙氣流量和水流量的調(diào)節(jié)和控制；并具有故障顯示和報(bào)警功能；還可以實(shí)時(shí)計(jì)算鍋爐熱效率。

實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)由鍋爐和燃燒機(jī)部分、加溫加濕部分、儲(chǔ)熱水箱和冷卻塔部分組成，工藝流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工藝圖

1 PLC程序?qū)崿F(xiàn)

控制系統(tǒng)選用西門子CPU315-2DP為核心、1個(gè)電源模塊S7、1個(gè)DI/DO模塊、5個(gè)AI模塊、2個(gè)AO模塊的PLC系統(tǒng)，PLC硬件功能見圖2。

圖2 PLC硬件功能圖

本監(jiān)控系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)利用西門子專用軟件STEP7，程序采用模塊化設(shè)計(jì)(見圖3)，分為主程序OB和不同的子程序(功能FC和功能塊FB)，主程序根據(jù)不同的條件調(diào)用不同的子程序完成各個(gè)實(shí)驗(yàn)功能；功能塊FB可以對(duì)應(yīng)不同的背景數(shù)據(jù)塊DB，這非常適合“過程相同，數(shù)據(jù)不同”的情況，在各循環(huán)泵的PID控制中就采用了同一個(gè)控制程序塊FB，各個(gè)泵對(duì)應(yīng)不同的背景塊DB，在程序調(diào)用只需將FB調(diào)用與不同的背景DB組合，就可以方便地實(shí)現(xiàn)各循環(huán)泵的PID調(diào)節(jié)功能，這樣可以大大提高代碼的使用效率，并減少代碼的編寫量，提高了程序的可移植性[3]。

圖3 PLC程序結(jié)構(gòu)模塊圖

西門子315PLC程序?qū)崿F(xiàn)了該監(jiān)控系統(tǒng)以下控制功能：

(1)鍋爐啟停控制。

(2)燃燒機(jī)負(fù)荷PID控制調(diào)節(jié)。

(3)變頻器輸出PID控制：負(fù)荷泵、循環(huán)泵、大塔泵和小塔泵均是變頻器PID控制。根據(jù)一次出水溫度控制一次和二次水循環(huán)泵的流量；根據(jù)水箱溫度，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)增加或減少運(yùn)行的冷卻塔循環(huán)泵數(shù)量的控制，達(dá)到了節(jié)能的目的。

(4)燃?xì)饬髁靠刂疲和ㄟ^控制燃?xì)怆妱?dòng)調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)燃?xì)饬髁烤_控制。

(5)煙氣流量控制：根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求通過控制煙氣電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)煙氣流量的精確控制。

(6)助燃控制加溫加濕控制：通過調(diào)節(jié)助燃空氣加溫加濕余熱回收裝置各泵運(yùn)行頻率和閥門開度，保證了助燃空氣恒溫恒濕。

(7)氣候補(bǔ)償控制：根據(jù)室外溫度的變化，自動(dòng)調(diào)整鍋爐二次水側(cè)循環(huán)泵變頻頻率從而達(dá)到流量的補(bǔ)償功能；一方面鍋爐二次水側(cè)循環(huán)泵變頻控制實(shí)現(xiàn)了電節(jié)能，另一方面通過熱交換器使鍋爐能夠相對(duì)穩(wěn)定的燃燒，可以減少熱損失，從而降低能源消耗。

2 基于MCGS監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

組態(tài)軟件選用MCGS，能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、流程控制、報(bào)警和安全機(jī)制、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸出等功能[4]。

設(shè)計(jì)了系統(tǒng)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)查詢等界面。系統(tǒng)監(jiān)控界面見圖4，監(jiān)控對(duì)象包括鍋爐裝置、空氣加熱加濕裝置和水箱冷卻塔裝置，監(jiān)控內(nèi)容為鍋爐一次和二次側(cè)出水溫度、壓力和流量；鍋爐煙氣和助燃空氣的溫度、壓力和流量；各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等。

圖4 系統(tǒng)監(jiān)控界面

參數(shù)設(shè)置可以設(shè)置鍋爐運(yùn)行的目標(biāo)出水溫度和各變頻器的目標(biāo)頻率以及助燃空氣的加熱加濕的相關(guān)參數(shù)，見圖5。

圖5 參數(shù)設(shè)置界面

數(shù)據(jù)日?qǐng)?bào)表界面可在線查看數(shù)據(jù)記錄情況，見圖6。可對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的時(shí)間范圍進(jìn)行設(shè)置，分為三種方法：最近若干分鐘、固定時(shí)間、錄入起始時(shí)間，此處選擇最近10 min。同理還可查看歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)月報(bào)表。

圖6 數(shù)據(jù)報(bào)表界面

另外，通過MCGS的腳本程序還實(shí)現(xiàn)了“燃?xì)鉄崃俊焙汀板仩t出力比”的計(jì)算。

3 各實(shí)驗(yàn)功能的實(shí)現(xiàn)

通過監(jiān)控系統(tǒng)完成以下實(shí)驗(yàn)功能：

(1)低氮燃燒技術(shù)研究：通過試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)分析不斷優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)，使NOx排放達(dá)到指標(biāo)要求。

(2)空氣加濕的煙氣余熱回收方式技術(shù)研究：采用直接接觸式換熱器實(shí)現(xiàn)工質(zhì)與煙氣的全熱交換，實(shí)現(xiàn)天然氣煙氣的余熱回收，同時(shí)將回收的熱量用于鍋爐空氣升溫加濕。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，該方式可以降低煙氣排放中NOx的濃度。

(3)鍋爐負(fù)荷對(duì)NOx生成的影響：通過對(duì)低氮燃燒器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，鍋爐負(fù)荷的變化會(huì)影響煙氣內(nèi)循環(huán)量，對(duì)NOx的生成有重要影響。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合低氮燃燒機(jī)研制實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)要求，給出了基于MCGS的組態(tài)軟件設(shè)計(jì)與PLC程序開發(fā)。通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行實(shí)踐，應(yīng)用該研制裝置監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)所得的大量數(shù)據(jù)，為低氮燃燒機(jī)的研制提供了數(shù)據(jù)支撐，保證了低氮燃燒機(jī)研發(fā)的順利開展。