天然氣摻氫低氮燃燒器控制系統(tǒng)設(shè)計

劉艷鵬

（清華大學(xué)山西清潔能源研究院，山西太原030032）

氫能正受到全球能源清潔低碳化趨勢和氫能技術(shù)進(jìn)步的共同推動，已成為世界上主要能源轉(zhuǎn)型國家的重要戰(zhàn)略選擇，我國也高度重視氫能的發(fā)展。天然氣摻氫技術(shù)是未來天然氣行業(yè)發(fā)展的重要方向之一。

各地政府追求綠色發(fā)展，加大了環(huán)保治理力度，提升了鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵鍋爐用戶進(jìn)行低氮改造，對于天然氣摻氫氣燃燒器，由于氫氣燃料成分單一，無其它燃料型化合物，故燃燒后生成的NOx均為熱力型。因此，采用目前的天然氣摻氫燃燒及煙氣再循環(huán)技術(shù)控制NOx生成，從技術(shù)原理分析是可行的。

本文從摻氫低氮燃燒器的硬件配置系統(tǒng)、硬件控制系統(tǒng)及軟件控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，在實(shí)現(xiàn)燃燒器低氮排放的同時，讓燃燒器更具安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1 硬件配置系統(tǒng)

硬件配置系統(tǒng)包括混氣撬系統(tǒng)、燃燒器系統(tǒng)及氮?dú)庀到y(tǒng)?；鞖馇讼到y(tǒng)作用是在燃燒器啟動前，先通過自動調(diào)節(jié)將氫氣與天然氣混合成1∶20 的比例，然后將混合后的氣體送入后端燃燒器系統(tǒng)。整體設(shè)計如圖1 所示。

圖1 基本配置流程示意圖

1.1 混氣撬系統(tǒng)組成

混氣撬系統(tǒng)主要由氫氣管路、天然氣管路、混氣裝置、壓力變送器、甲烷濃度分析儀及氫氣濃度分析儀等組成。

氫氣管路和天然氣管路分別包括手動球閥、過濾器、減壓閥、壓力變送器、壓力表、電磁閥、流量計、流量調(diào)節(jié)裝置及止回閥。

1.2 燃燒器系統(tǒng)組成

燃燒器系統(tǒng)由燃燒器本體、供風(fēng)系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、點(diǎn)火裝置、安全保護(hù)系統(tǒng)和負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。燃燒器本體由燃燒頭和殼體組成，供風(fēng)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、風(fēng)道和空氣流量調(diào)節(jié)裝置等組成，點(diǎn)火裝置由點(diǎn)火閥、點(diǎn)火變壓器和點(diǎn)火電極等組成。

本文以天然氣作為燃料的摻氫低氮燃燒器展開設(shè)計。氣體燃料低氮燃燒器主要部件包括：手動快速切斷閥、過濾器、穩(wěn)壓閥、壓力表、安全切斷閥、燃?xì)獾蛪洪_關(guān)、燃?xì)飧邏洪_關(guān)、燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)閥、點(diǎn)火閥、點(diǎn)火槍、點(diǎn)火電極、點(diǎn)火變壓器、火焰檢測裝置、風(fēng)機(jī)、空氣壓力開關(guān)、空氣流量調(diào)節(jié)裝置及煙氣再循環(huán)（FGR）等。

1.3 氮?dú)庀到y(tǒng)組成

氮?dú)庀到y(tǒng)包括手動球閥、過濾器、減壓閥、電磁閥及止回閥。其作用是燃燒器在啟動前和停機(jī)后對整個管網(wǎng)進(jìn)行氮?dú)獯祾?，提高系統(tǒng)安全性。

2 硬件控制系統(tǒng)

2.1 控制原理

控制方式采用S7-200 Smart PLC 和西門子LFL1.322 程序控制器聯(lián)合控制，以觸摸屏和按鈕作為雙重操作界面控制方式。S7-200 Smart PLC 完成混氣撬系統(tǒng)的控制，負(fù)責(zé)閥門檢漏，對過程開關(guān)量和模擬量進(jìn)行采集，完成燃燒器負(fù)荷大小調(diào)節(jié)過程控制。LFL1.322 是一個專業(yè)燃燒管理系統(tǒng)，具有控制和監(jiān)控功能，安全完整性等級（SIL）高，一般為2～3 級，并獲得第三方檢測機(jī)構(gòu)的安全認(rèn)證，系統(tǒng)中完成啟動點(diǎn)火、點(diǎn)火/主火燃料閥開/關(guān)、火焰監(jiān)測、控制關(guān)機(jī)，并規(guī)定了點(diǎn)火安全時間、主火安全時間后吹掃時間、熄火安全時間等邏輯控制。避免了單獨(dú)使用PLC 在控制過程中時序的復(fù)雜性和安全性，系統(tǒng)安全性優(yōu)于單獨(dú)采用PLC 的控制方式?？赏ㄟ^S7-200 Smart PLC 網(wǎng)口或RS485 端口（MODBUS RTU 通信協(xié)議），根據(jù)需求將過程參數(shù)上傳到DCS 操作站畫面監(jiān)控顯示，操作方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程（中控室）和本地操作，本地操作又能實(shí)現(xiàn)自動和手動操作，達(dá)到安全、可靠、節(jié)能、管控一體化要求。

2.2 主要組成元件

控制柜硬件主要由西門子S7-200 Smart PLC、燃燒器控制器LFL1.322、變頻器、風(fēng)機(jī)、繼電器、斷路器、開關(guān)電源、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊及人機(jī)界面組成。

PLC 選用西門子S7-200 Smart PLC CPU SR30為控制器，該控制器自身帶有18 路數(shù)字量輸入和12 路數(shù)字量輸出，擴(kuò)展兩臺EM AE08 模擬量輸入模塊和兩臺EM AQ04 模擬量輸出模塊。

燃燒器控制器LFL1.322 是西門子用于大中型功率的燃?xì)?、燃油或雙燃料通風(fēng)式燃燒的專用燃燒控制器，內(nèi)部程序固定、聯(lián)鎖性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、安全性高，內(nèi)部原理如圖2 所示。

圖2 LFL1.322 內(nèi)部原理圖

燃?xì)饬髁繄?zhí)行器及風(fēng)門執(zhí)行器選用回轉(zhuǎn)型電動執(zhí)行器，且具有相同的行程角度（0°～90°）和行程時間，保證兩者執(zhí)行器轉(zhuǎn)角速度相同，從而確保燃?xì)饬亢涂諝饬康缺壤{(diào)節(jié)。執(zhí)行器均自帶有位置反饋傳感器，實(shí)時反饋執(zhí)行器實(shí)際打開位置，PLC 程序在每個負(fù)荷狀態(tài)時，先判斷燃?xì)饬髁繄?zhí)行器位置和風(fēng)門執(zhí)行器位置是否與給定一致，防止出現(xiàn)燃料過量，助燃空氣不足帶來的安全風(fēng)險。若一致，程序正常執(zhí)行，否則，安全切斷閥V1、V2 關(guān)閉，系統(tǒng)進(jìn)入停機(jī)模式。

2.3 硬件連接

西門子S7-200 Smart PLC 通過中間繼電器與燃燒器控制器LFL1.322 進(jìn)行信號交互。PLC 的I/O 端子、模擬量輸入模塊EMAE08 及模擬量輸出模塊EMAQ04 與變頻器、混氣系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、氮?dú)庀到y(tǒng)連接?；鞖庀到y(tǒng)中的氫氣流量、氫氣壓力、天然氣流量、天然氣壓力、氫氣流量調(diào)節(jié)執(zhí)行器、天然氣流量調(diào)節(jié)執(zhí)行器、甲烷濃度信號及氫氣濃度信號等電信號通過模擬量輸入輸出模塊采集控制，電磁閥開關(guān)狀態(tài)通過I/O 端口控制。燃燒系統(tǒng)的風(fēng)門執(zhí)行器、FGR 執(zhí)行器、摻氫天然氣流量執(zhí)行器等各執(zhí)行器信號通過模擬量輸入輸出模塊進(jìn)行信號采集及控制。變頻器與風(fēng)機(jī)電機(jī)連接并控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而起到控制風(fēng)量大小的目的。人機(jī)界面通過以太網(wǎng)端口連接S7-200 Smart PLC。硬件連接如圖3 所示。

圖3 硬件連接示意圖

在該控制系統(tǒng)中各執(zhí)行器均轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號，系統(tǒng)配置的模擬量輸入模塊將采集到的各執(zhí)行器閥門開度、風(fēng)機(jī)頻率反饋信號送入到PLC進(jìn)行處理，通過輸出模塊輸出4～20 mA 電流信號控制各閥門開度及風(fēng)機(jī)頻率，從而使空燃比、煙氣量達(dá)到合理的匹配關(guān)系，實(shí)現(xiàn)低氮燃燒的目的。

2.4 硬件結(jié)構(gòu)

硬件控制系統(tǒng)中，如圖4 所示，燃燒器啟動前，先由PLC 完成閥組氣密性檢測程序，然后控制器LFL1.322 在無故障且風(fēng)壓開關(guān)處于常閉狀態(tài)（端子13 和4 閉合）時，由PLC 的Q0.0 輸出控制器啟動信號，經(jīng)繼電器轉(zhuǎn)換使控制器LFL1.322 的端子4 和5閉合。當(dāng)PLC 內(nèi)部程序控制風(fēng)門執(zhí)行器到達(dá)關(guān)閉位置后，通過Q0.4 輸出最小位信號經(jīng)繼電器轉(zhuǎn)換使控制器LFL1.322 的端子8 和11 閉合，即控制器LFL1.322 的風(fēng)門擋板關(guān)閉信號。控制器LFL1.322 滿足上述條件后，程序單元啟動，僅預(yù)掃風(fēng)，連接控制器LFL1.322 端子6 的鼓風(fēng)電機(jī)立即通電，鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行，同時PLC 的輸入端子I0.5 有風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號輸入，時間間隔t16（控制器LFL1.322 內(nèi)部時間）后，控制器LFL1.322 通過端子9 輸出加風(fēng)信號（打開風(fēng)門擋板）給PLC 的輸入端I0.6，PLC 收到加風(fēng)信號后控制風(fēng)門執(zhí)行器開至吹掃位置。當(dāng)風(fēng)門執(zhí)行器到達(dá)吹掃位置開度后，PLC 的輸出端Q0.5 輸出最大位信號給控制器LFL1.322，經(jīng)繼電器轉(zhuǎn)換使控制器LFL1.322 端子8 和9 閉合，程序單元繼續(xù)執(zhí)行，前吹掃時間結(jié)束后，控制器LFL1.322 再次通過端子10輸出減風(fēng)信號，通過繼電器轉(zhuǎn)換使PLC 的輸入端I0.7 有信號輸入，PLC 再次控制風(fēng)門執(zhí)行器開至點(diǎn)火位置。當(dāng)風(fēng)門執(zhí)行器到達(dá)點(diǎn)火開度后，PLC 再次通過輸出端Q0.4 輸出最小位信號，通過繼電器轉(zhuǎn)換使控制器LFL1.322 端子8 和10 閉合，控制器LFL1.322 程序單元繼續(xù)執(zhí)行，端子16 點(diǎn)火變壓器打火，端子19 控制安全切斷閥V1 和點(diǎn)火閥打開，安全時間（TSA）結(jié)束時,火焰檢測裝置將火焰電信號傳送到端子22，并且在關(guān)機(jī)之前，信號不中斷，否則控制器LFL1.322 故障斷電和鎖定在故障位置，并通過端子3 輸出點(diǎn)火失敗信號經(jīng)繼電器轉(zhuǎn)換后控制PLC輸入點(diǎn)I0.4。端子17 控制安全切斷閥V2 打開，主火焰燃燒。主火焰建立后，燃燒器由PLC 程序進(jìn)入自動負(fù)荷調(diào)節(jié)狀態(tài)，控制風(fēng)門執(zhí)行器、燃?xì)饬髁繄?zhí)行器、FGR 風(fēng)門執(zhí)行器和風(fēng)機(jī)頻率的狀態(tài)，PLC 程序內(nèi)部編寫有20 個負(fù)荷狀態(tài)，鍋爐負(fù)荷信號經(jīng)比調(diào)儀（PID）自動控制燃燒器負(fù)荷調(diào)節(jié)。當(dāng)鍋爐的安全鏈信號消失后，安全切斷閥V1 和V2 立即關(guān)閉，控制器LFL1.322 執(zhí)行停機(jī)后吹掃模式。吹掃完成后，燃燒器停機(jī)。

圖4 控制器LFL1.322 連接圖

2.5 IO 端口分配

根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，對PLC 的數(shù)字量輸入輸出端口、模擬量輸入輸出端口做功能分配，見表1。

表1 IO 地址分配

2.6 FGR 低氮技術(shù)原理

在滿足GB/T 36699-2018《鍋爐用液體和氣體燃料燃燒器技術(shù)條件》國家標(biāo)準(zhǔn)的要求下，給強(qiáng)制鼓風(fēng)燃?xì)馊紵骷尤胪獠繜煔庠傺h(huán)（簡稱FGR）系統(tǒng)及其控制裝置。FGR 技術(shù)原理是從鍋爐尾部煙道抽取部分低溫?zé)煔猓饺紵黠L(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口，與助燃空氣混合后一起送入爐內(nèi)，參與輔助燃燒和熱動力流場整合，其核心是利用煙氣所具有的低氧含量和惰性氣體含量高的特點(diǎn)，將部分煙氣再次噴入爐膛，降低燃?xì)獾娜紵俾?，從而降低火焰峰值溫度，減少熱力型NOx的生成。降低爐膛內(nèi)局部溫度且形成局部還原性氣氛，將生成的NOx還原，從而抑制NOx的生成。

3 軟件控制系統(tǒng)

摻氫低氮燃燒器軟件設(shè)計主要包括控制流程設(shè)計、PLC 的梯形圖設(shè)計和人機(jī)界面畫面組態(tài)。

3.1 控制流程設(shè)計

本設(shè)計控制流程依據(jù)GB/T 36699《鍋爐用液體和氣體燃料燃燒器技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，其中前吹掃時間、閥門檢漏、點(diǎn)火方式、安全時間、后吹掃時間等均符合該標(biāo)準(zhǔn)要求。低氮燃燒器系統(tǒng)啟動方式有手動啟動和鍋爐（自動）啟動兩種方式，具體流程設(shè)計如圖5 所示。

圖5 流程設(shè)計示意圖

3.2 混氣撬系統(tǒng)設(shè)計

混氣撬系統(tǒng)采用了一種變比例、變流量的設(shè)計思路，氫氣和天然氣兩種氣體按一定比例進(jìn)入混氣裝置，PLC 通過采集氫氣流量、氫氣壓力、天然氣流量、天然氣壓力、甲烷濃度及氫氣濃度的數(shù)據(jù)，做出實(shí)時分析判斷，從而對天然氣管路上和氫氣管路上的流量調(diào)節(jié)裝置做出控制，進(jìn)而調(diào)整兩種氣體的混合比例，讓輸出的混合氣體達(dá)到設(shè)定的理想狀態(tài)。

燃燒器在故障或停機(jī)時，立即關(guān)閉安全切斷閥，同時切斷天然氣管道和氫氣管道上的電磁閥，其次，關(guān)閉混氣裝置后端的電磁閥，最后關(guān)閉整套系統(tǒng)上的所有閥門。

3.3 梯形圖設(shè)計

本設(shè)計中使用的是S7-200 Smart PLC，所以采用STEP 7-MicroWIN SMART 軟件對程序進(jìn)行梯形圖編寫。主程序由數(shù)據(jù)采集、啟動邏輯、混氣程序、負(fù)荷調(diào)節(jié)、停止邏輯、報警程序6 個程序塊組成。程序啟動前，先采集閥門位置信號，判斷各執(zhí)行器閥門初始位置，滿足啟動條件后，程序進(jìn)入啟動邏輯，閥門檢漏正常，管網(wǎng)及混氣裝置氮?dú)獯祾?，爐膛吹掃。啟動混氣程序，待天然氣摻氫比達(dá)到20%后，程序繼續(xù)執(zhí)行，電極放電，點(diǎn)火閥打開，小火建立，安全切斷閥V1、V2 打開，主火焰建立，待主火焰穩(wěn)定燃燒后，程序進(jìn)入負(fù)荷調(diào)節(jié)狀態(tài)。啟動停止信號需考慮手動模式和鍋爐自動控制模式，主程序如圖6 所示。

圖6 主程序示意圖

由于本低氮燃燒器采用煙氣外部循環(huán)設(shè)計，雖然FGR 技術(shù)降低NOx效果顯著，但對燃燒穩(wěn)定性有較大影響，煙氣再循環(huán)率增大，火焰不穩(wěn)定性加劇，以及采用FGR 技術(shù)后，防止煙氣再循環(huán)管道內(nèi)冷凝水對風(fēng)壓開關(guān)及火焰監(jiān)測裝置的影響，因此，煙氣再循環(huán)管道做好保溫隔熱的同時，在燃燒器系統(tǒng)設(shè)計上做進(jìn)一步優(yōu)化，系統(tǒng)在點(diǎn)火成功后，負(fù)荷升至10%穩(wěn)定燃燒，期間FGR 執(zhí)行器一直處于關(guān)閉狀態(tài)，待檢測到排煙溫度大于130°以上，再打開FGR 執(zhí)行器，系統(tǒng)進(jìn)入負(fù)荷自動調(diào)節(jié)狀態(tài)。

3.4 人機(jī)界面畫面組態(tài)

人機(jī)界面是人機(jī)交互窗口，本設(shè)計采用西門子1000 IE V3 型號人機(jī)界面，通過WinCC flexible SMART V4 組態(tài)軟件完成畫面的設(shè)計。低氮燃燒器系統(tǒng)主要界面包括混氣系統(tǒng)畫面、參數(shù)設(shè)置、升降負(fù)荷設(shè)置、過程狀態(tài)畫面及報警畫面。系統(tǒng)啟動后直接進(jìn)入主界面，主界面可以看到燃燒器動態(tài)畫面及閥組開關(guān)狀態(tài)，通過點(diǎn)擊按鈕能夠進(jìn)入其它畫面查看及修改參數(shù)。圖7 為主界面，實(shí)時顯示燃燒器狀態(tài)；圖8 為升降負(fù)荷設(shè)置界面，可自動或手動調(diào)節(jié)燃燒器負(fù)荷大小。

圖8 升降負(fù)荷設(shè)置界面圖

4 結(jié)論

本文以天然氣摻20%氫氣作為燃料，加入煙氣外部循環(huán)控制技術(shù)的低氮燃燒器為實(shí)例，進(jìn)行硬件配置選型，采用西門子S7-200 Smart PLC 和西門子燃燒器控制器LFL1.322 進(jìn)行控制硬件設(shè)計，該摻氫低氮燃燒器投用以來，各項功能完善，燃燒器與鍋爐在自動控制過程中，自動啟停、大小火切換、負(fù)荷調(diào)節(jié)均正常。煙氣外循環(huán)管道及風(fēng)機(jī)入口采用保溫層包裹，減少了熱量損失。因采用多負(fù)荷精準(zhǔn)控制，保證了鍋爐在不同負(fù)荷狀態(tài)下燃燒時，燃料完全充分燃燒。尾部煙氣NOx排放檢測數(shù)據(jù)均穩(wěn)定在30 mg/m3以下。根據(jù)天然氣用氣量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用本設(shè)計的低氮燃燒器在同等時間內(nèi)，因控制精確燃燒充分，對比其它燃燒器的天然氣用氣量，明顯減少。氫氣的摻入，大大改善了燃燒后NOx和CO2排放。因此，采用此種設(shè)計的摻氫低氮燃燒器具有一定的社會價值和經(jīng)濟(jì)效益。