基于S7-200 SMART PLC余熱回收控制系統的設計

齊 峰,白云濤,王新宇

(1.吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林 吉林 132022；2.林嘉德藍天環境技術有限公司 工程部，吉林 吉林 132022)

工業鍋爐作為生產行業的能量提供裝置，在國民經濟和社會發展過程中有著重要地位.鍋爐內的水體在不斷蒸發過程中逐步濃縮，從而在鍋爐水的表面殘留下大量的浮油、各種懸浮物和濃縮鹽，容易在鍋爐底部產生沉積的泥渣、泥垢等物質.為了保證鍋爐的工作效率，保持鍋爐蒸汽高品質運轉，防止鍋爐沉積對鍋爐壁產生腐蝕，為保障鍋爐的安全運行，連續排污、定期排污是不可缺少的重要環節.但是排污過程中伴隨著大量蒸汽的浪費，所以對于此環節的能量回收是非常必要的[1].

1 鍋爐的連排和定排工藝

1.1 原有連排和定排工藝

鍋爐的連排和定排工藝如圖1所示.電導率傳感器實時檢測鍋爐汽包內部指標，并將信號傳遞至控制器，如果電導率超過控制器設置上限，控制器將打開執行器，將鍋爐內殘留物質排放至擴容罐，經過擴容罐蒸汽直接排放至大氣中，沉淀物質將沉淀到擴容罐底部，通過污水池排出[2].

圖1 原有連排和定排方框圖

1.2 改良后連排和定排工藝

現將定排罐頂部蒸汽排放部位引入乏汽回收器，工藝流程如圖2所示.

圖2 改良后連排和定排工藝流程圖

乏汽回收器是將擴容罐排放的蒸汽與冷水混合后，流入到熱水儲水罐中.熱水儲水罐設有循環泵，如果儲水罐中熱水未達到使用溫度，系統可自動開啟循環泵將儲水罐中的水經過乏汽回收器反復加熱，直至達到使用溫度后，開啟排水泵將熱水儲水罐中的水排出，此種方式反復循環即可達到余熱回收的目的[3].

2 余熱回收控制系統方案

余熱回收系統需要對乏汽回收器周邊設備進行控制，才能達到理想的余熱回收效果.

2.1 冷水控制系統

引入待升溫的冷水品質需要保證，所以冷水在進入乏汽回收器前，需要對其進行過濾處理.在冷水輸送管道加入石英砂過濾器，可以有效控制水質.當系統檢測到過濾器前端和后端壓差大于1 Bar時，自動開啟反沖洗泵并在15 min后關閉，沖洗過程中會將過濾器內部沉積物質排出；同時在冷水口設有補水電動球閥，電動閥會根據水箱液位高度進行開關，保證水箱內部滿水狀態[4].

2.2 循環泵控制系統

循環泵在系統中主要作用是將水箱內部的水提升至乏汽回收器頂部，讓其與蒸汽充分接觸再升溫.控制系統會實時采集水箱中水溫，當水溫低于某個值時，系統會自動啟動循環泵；當水溫高于出水溫度設定值時，自動停止循環泵.為了節約電能，當系統檢測蒸汽壓力低于0.3 Bar時，循環泵將不啟動[5].

2.3 排水泵控制系統

排水泵是將成品熱水排出水箱的設備.排水泵主要受水箱液位和水箱溫度控制.當水箱液位小于液位最低限時，排水泵不工作；當水箱液位高于液位最低限時，排水泵是由水箱溫度控制的.當水箱溫度高于出水設定溫度值時，排水泵工作；當水箱溫度低于出水設定溫度值時，排水泵停止工作[6].

3 余熱回收控制系統設計

3.1 硬件設計

3.1.1 PLC硬件設計

針對系統所采集的數字量共28個、模擬量共2個，選用S7-200 SMART PLC作為系統控制單元，關鍵硬件配置單如表1所示.

表1 主要硬件采購清單

3.1.2 液位計設計

由于水箱是封閉的，而且通入冷水和成品熱水排水常常會引起水箱液位有大幅度渦流，所以自制液位計.液位計分為高、中、低3個液位點，結構為4根φ6鋼桿由O型圈做密封，并由四氟墊做絕緣隔離，液位計如圖3所示.

圖3 液位計外形圖

3.2 下位機設計

3.2.1 冷水控制系統

冷水作為系統被加熱傳熱介質，其中冷水控制系統由過濾器和電磁閥組成，并由液位作為控制信號[7]，程序如圖4所示.

圖4 冷水控制系統程序

3.2.2 循環泵控制系統

循環的目的是將水箱內的水反復升溫，此過程中主要是循環泵的控制.循環泵主要是由水箱溫度并結合水箱液位輔助控制[8]，程序如圖5所示.

圖5 循環泵控制系統

3.2.3 排水泵控制系統

排水是將升溫達到成品水溫的水箱內熱水輸送至需水地點的過程.排水過程中需要使用PT100和水箱液位信號作為水泵是否運行的條件，排水泵的運行分為手動和自動[9].程序如圖6所示.

圖6 排水泵控制系統程序

3.3 上位機系統開發

將冷水控制系統、循環控制系統以及排水控制系統的狀態信息采集并保存到觸摸屏中，并在觸摸屏中新建工藝流程圖[10]，如圖7所示.

圖7 廢熱回收系統觸摸屏畫面

4 結 論

基于S7-200 SMART PLC作為控制單元，使用乏汽回收器對鍋爐的運行現有工藝進行升級改造，再配合PLC編程和人機界面系統的投入，最終，可將95%以上的廢熱蒸汽進行回收，提高了鍋爐的能源利用率，達到了節能減排效果.為鍋爐運行工藝改良提供一定參考和借鑒.