基于MCGS的低氮燃燒機研制實驗裝置監控系統

趙培慶，董 李

(北京北燃環能科技發展有限公司，北京 100011)

近年來，霧霾已對公共健康造成巨大威脅，而減少NOx排放是改善空氣環境質量的重要任務之一。為了適應環境與市場發展的要求，鍋爐房配置低NOx燃燒器已成為近期的發展趨勢[1-2]。該低氮燃燒機研制實驗裝置監控系統是用來配合研制測試低氮燃燒機的各種燃燒性能的，該監控系統采用高可靠度的西門子315PLC作為控制站，將現場各傳感器參數經過一次儀表變送輸出模擬量信號由PLC采集模塊進行采集處理，并由485串口傳遞到工控機，以完成對實驗裝置運行狀況、爐膛溫度、各個環節水溫度、壓力、流量和各個環節的煙氣濕度、溫度、壓力、流量以及煙氣成分在線監測等參數(共計40個點位)實時監控顯示、處理和存儲，并可形成數據報表和工藝趨勢曲線；同時可實現對燃氣流量、風壓以及各環節的煙氣流量和水流量的調節和控制；并具有故障顯示和報警功能；還可以實時計算鍋爐熱效率。

實驗裝置系統由鍋爐和燃燒機部分、加溫加濕部分、儲熱水箱和冷卻塔部分組成，工藝流程如圖1所示。

圖1 系統工藝圖

1 PLC程序實現

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

圖2 PLC硬件功能圖

本監控系統PLC程序設計利用西門子專用軟件STEP7，程序采用模塊化設計(見圖3)，分為主程序OB和不同的子程序(功能FC和功能塊FB)，主程序根據不同的條件調用不同的子程序完成各個實驗功能；功能塊FB可以對應不同的背景數據塊DB，這非常適合“過程相同，數據不同”的情況，在各循環泵的PID控制中就采用了同一個控制程序塊FB，各個泵對應不同的背景塊DB，在程序調用只需將FB調用與不同的背景DB組合，就可以方便地實現各循環泵的PID調節功能，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程序結構模塊圖

西門子315PLC程序實現了該監控系統以下控制功能：

(1)鍋爐啟?？刂?。

(2)燃燒機負荷PID控制調節。

(3)變頻器輸出PID控制：負荷泵、循環泵、大塔泵和小塔泵均是變頻器PID控制。根據一次出水溫度控制一次和二次水循環泵的流量；根據水箱溫度，實現了自動增加或減少運行的冷卻塔循環泵數量的控制，達到了節能的目的。

(4)燃氣流量控制：通過控制燃氣電動調節閥，實現燃氣流量精確控制。

(5)煙氣流量控制：根據實驗要求通過控制煙氣電動調節閥，實現煙氣流量的精確控制。

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

(7)氣候補償控制：根據室外溫度的變化，自動調整鍋爐二次水側循環泵變頻頻率從而達到流量的補償功能；一方面鍋爐二次水側循環泵變頻控制實現了電節能，另一方面通過熱交換器使鍋爐能夠相對穩定的燃燒，可以減少熱損失，從而降低能源消耗。

2 基于MCGS監控系統的開發

組態軟件選用MCGS，能夠完成現場數據采集、實時和歷史數據處理、流程控制、報警和安全機制、趨勢曲線和報表輸出等功能[4]。

設計了系統監控、參數設置、故障報警、數據查詢等界面。系統監控界面見圖4，監控對象包括鍋爐裝置、空氣加熱加濕裝置和水箱冷卻塔裝置，監控內容為鍋爐一次和二次側出水溫度、壓力和流量；鍋爐煙氣和助燃空氣的溫度、壓力和流量；各設備的運行狀態等。

圖4 系統監控界面

參數設置可以設置鍋爐運行的目標出水溫度和各變頻器的目標頻率以及助燃空氣的加熱加濕的相關參數，見圖5。

圖5 參數設置界面

數據日報表界面可在線查看數據記錄情況，見圖6?？蓪ο到y數據采集的時間范圍進行設置，分為三種方法：最近若干分鐘、固定時間、錄入起始時間，此處選擇最近10 min。同理還可查看歷史數據、數據月報表。

圖6 數據報表界面

另外，通過MCGS的腳本程序還實現了“燃氣熱量”和“鍋爐出力比”的計算。

3 各實驗功能的實現

通過監控系統完成以下實驗功能：

(1)低氮燃燒技術研究：通過試驗所得數據分析不斷優化燃燒器結構，使NOx排放達到指標要求。

(2)空氣加濕的煙氣余熱回收方式技術研究：采用直接接觸式換熱器實現工質與煙氣的全熱交換，實現天然氣煙氣的余熱回收，同時將回收的熱量用于鍋爐空氣升溫加濕。通過實驗數據對比分析，該方式可以降低煙氣排放中NOx的濃度。

(3)鍋爐負荷對NOx生成的影響：通過對低氮燃燒器進行實驗，鍋爐負荷的變化會影響煙氣內循環量，對NOx的生成有重要影響。

4 結 論

本文結合低氮燃燒機研制實驗裝置實驗要求，給出了基于MCGS的組態軟件設計與PLC程序開發。通過實驗現場的實際運行實踐，應用該研制裝置監控系統進行了各種實驗所得的大量數據，為低氮燃燒機的研制提供了數據支撐，保證了低氮燃燒機研發的順利開展。