PLC 在燃氣鍋爐中的應用

夏 帥

（太原熱力集團有限責任公司， 山西 太原 030013）

1 燃氣鍋爐介紹

隨著國家整治大氣污染的力度不斷加大，鍋爐排放標準也越來越嚴格，對鍋爐的運用也提出了新的要求。傳統的燃煤鍋爐由于存在較大的污染物排放量且治理難度較大，而被逐步淘汰。取而代之的是天然氣鍋爐，其排放的污染物較少且沒有粉塵污染，是理想的鍋爐種類。

燃氣熱水鍋爐是以天然氣為燃料，通過加熱循環水輸出熱量的一種鍋爐。主要結構原理為：由爐體、燃燒器、燃氣管道、鼓風機、風門、煙道、再循環風機、水循環管道等組成。鼓風機將空氣經過風門的調節輸送至燃燒器，與天然氣混合在燃燒器內燃燒，向爐體內輻射熱能，爐體內的管道循環水吸收熱能完成熱交換。煙氣由煙道排出爐體，當煙氣中的氮氧化物排放超標時啟動再循環風機對煙氣進行再加熱，分解氮氧化物降低污染物濃度后再排放。相較于燃煤鍋爐需要具備煤炭輸送系統、鼓風/引風機系統。燃氣鍋爐負荷調節更加簡便、爐膛升溫速度較快、更加環保、容易實現自動化控制、人工成本低[1]。

傳統人工調節鍋爐燃氣流量與空氣流量往往不能達到最優燃燒效果，存在浪費資源與增加污染物排放的問題，還會提高人員工作強度、增加人工成本。介于天然氣易燃易爆的屬性，鍋爐運行人員長期處于鍋爐房內對個人安全有一定影響。因此將燃氣鍋爐改造成自動控制將有利于提高燃燒品質、減少污染物排放、降低用工成本、提高人員安全性。

2 燃氣鍋爐工藝介紹

燃氣鍋爐的運行分為以下三個階段，具體主要介紹如下：

2.1 點火階段

點火階段實現天然氣的燃燒，使鍋爐處于運行狀態，又依次分為前吹掃→測漏→點小火→點大火四個步驟。

2.2 負荷調節階段

通過控制燃氣調節閥開度、鼓風機變頻器頻率、煙氣調節閥開度、再循環風機變頻器頻率、風門開度等參數配合，實現鍋爐熱功率輸出的最優控制。

2.3 停爐階段

當鍋爐停止使用時，首先切斷燃氣供應燃燒停止，各種閥門的閥位回到初始狀態，鼓風機按設定繼續保持一定時間的運行對爐膛進行吹掃，為下一次運行做好準備。

3 控制系統介紹

PLC 稱為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller），是20 世紀中期出現并逐漸發展起來的一種基于計算機技術為基礎的自動控制設備，被廣泛應用于裝備制造、化工、煤礦等各種工業生產。西門子公司生產的PLC 一直在業內享有盛譽，在功能、可靠性、兼容性等方面都有不俗表現[2]。

3.1 硬件系統結構

由于燃燒器與鍋爐本體分屬不同的廠家，鍋爐控制系統分為燃燒控制系統與爐膛檢測系統兩部分。采用不同的PLC 搭建，通過觸摸屏與交換機形成完整的系統。

3.1.1 燃燒控制系統

采用西門子S7-200 型號PLC 模塊，搭載三塊AI/AO、DI/DO 擴展模塊與觸摸屏組成系統核心。通過屏蔽導線與現場燃氣壓力開關、燃氣電磁閥、燃氣小火電磁閥、燃氣調節閥、鼓風機變頻器、煙氣調節閥、再循環風機變頻器、風門調節閥、點火器、小火檢測器、大火檢測器、氧含量傳感器、爐膛壓力開關等設備進行連接組成完整控制系統。

3.1.2 爐膛檢測系統

采用西門子S7-300 型號PLC 模塊，搭載電源、通信模塊與五塊AI、AO、DI、DO 擴展模塊與觸摸屏組成系統核心。同樣采用屏蔽導線與現場流量計、節能器流量計、供/回水溫度變送器、供/回水壓力變送器、爐膛壓力變速器、爐膛溫度變速器、電磁閥、節能器供/回水溫度變送器、節能器供/回水壓力變送器等設備進行連接組成完整控制系統。

3.2 鍋爐控制原理

3.2.1 點火階段

1）前吹掃：燃燒系統PLC 收到循環泵的運行狀態信號后，輸出電流信號控制鼓風機變頻器運行，壓力開關4 檢測到風壓動作。將頻率保持在21 Hz 連續運行30 s。保證爐膛內沒有天然氣、二氧化碳等氣體殘留，空氣質量達到燃燒要求，如圖1 所示。

圖1 燃燒器設備結構圖

2）測漏：前吹掃進行完畢后進入側漏程序。為了安全起見，防止燃氣電磁閥出現泄漏，燃氣電磁閥為雙體設計，在運行前還要對閥門進行側漏。燃氣管道上有三個壓力開關，分別安裝于雙體電磁閥前端、1號與2 號電磁閥之間、燃氣調節閥后端。前端壓力開關1 與中間壓力開關2 為低壓報警，后端壓力開關3為高壓報警。當燃氣壓力正常，壓力開關1 動作而壓力開關2 不動作，說明1 號電磁閥密封良好。隨后給1 號電磁閥通電，壓力開關2 動作，說明1 號電磁閥工作正常。然后1 號電磁閥斷電，壓力開關2 保持動作狀態6 s，說明2 號電磁閥密封良好。隨后2 號電磁閥通電，壓力開關2 呈現關閉狀態，說明2 號電磁閥工作正常。側漏程序結束[3]。

3）點小火：側漏程序檢測正常后，小火電磁閥通電同時點火器通電，小火燃燒器開始燃燒，小火檢測器通過觀測孔檢測到火焰并保持15 s，已確保爐膛內燃燒穩定。小火程序結束點火器斷電。

4）點大火：小火程序正常后雙體電磁閥通電，主燃燒器由小火燃燒器點燃，大火檢測器檢測到火焰后小火電磁閥斷電點火程序結束，如圖2 所示。

圖2 點火流程圖

3.2.2 負荷調節階段

點火成功后開始進入負荷調節階段，鍋爐根據所需出水溫度調節燃氣調節閥的開度控制燃氣燃燒量。燃氣調節閥開度有手動和自動兩種控制模式。

1）手動模式：直接通過鍋爐運行人員人工輸入調節閥開度進行控制。手動模式對操作人員的經驗有較高要求，否則輸出的熱水溫度會有振蕩，既浪費能源又達不到穩定運行的要求。所以通常采用自動運行模式。

2）自動模式：通過PID 調節算法根據設定出水溫度控制燃氣調節閥的開度間接控制實際出水溫度進行調節。PID 調節算法及比例（P）、積分（I）、微分（D），是一種單輸入單輸出以計算設定值與實際值之差來進行調節的算法。由于其不依賴受控對象的精確數學模型，所以適用于各種工業生產領域，對于鍋爐這種數學模型不完全確定的設施是較理想的控制算法。PID控制流程如圖3所示。

圖3 PID 控制流程圖

圖3 中，R 為設定值；Y 為實際值；e(k)為第K 次采樣時刻設定值與實際值的偏差；U 為算法輸出值。

其計算公式為[4]：

式中：U（t）為控制器輸出；e（t）為系統誤差（設定值與被控值之差）；Kp為控制器比例放大系數；Ti為控制器積分時間；Td為控制器微分時間。

將公式離散化后，U（k）為第K 次采樣時刻控制器輸出值，計算如下：

式中：Ki為積分系數；T 為采樣周期；Kd為微分系數。

比例環節作用：控制系統的響應速度，系數越大系統響應速度越快，越小則反之。

積分環節作用：用于消除靜態誤差。單純的比例調節無法消除靜態誤差，只能在目標值之間來回震蕩。這就需要使用積分相的不斷積累誤差進行補償調節，達到實際值與目標值一致的目的。

微分環節作用：設定調節提前量。當遇到滯后比較大的調節系統，需要對調節進行提前修正，防止出現過度調節引起震蕩。

采樣周期：PID 控制采用周期性控制方式，及每隔一個時間周期進行一次數據采集與調節。

在實際鍋爐運行中，需要提前對PID 系數進行整定，過大過小的系數都會影響鍋爐的運行質量與可靠性。比例系數響應速度過快容易造成系統超調、振蕩，不能穩定。響應速度過慢會使系統調節過慢，長時間不能進入穩定狀態。積分系數、微分系數同理，其大小與系統響應成正比關系。采樣周期設定過小會導致CPU 運算負荷過重，過大會失去對系統的控制。

燃氣調節閥開度、風門開度、煙氣調節閥、鼓風機轉速之間的關系由實驗得出。當鍋爐作運行準備時，技術人員在鍋爐煙道測安裝空氣分析儀，以燃氣調節閥開度15%為起點，以3%為一個區間對風門開度、鼓風機轉速進行調試，直到鍋爐排煙達到最優狀態將二者設定值輸入程序數據列表。依次遞增最大至燃氣調節閥開度66%，鍋爐輸出功率最大值為止。鍋爐運行時，風門開度、鼓風機轉速等參數會根據數據列表中與燃氣調節閥開度的對應值自動調節。

3.2.3 停爐階段

鍋爐結束運行時，首先關閉雙體電磁閥，燃氣調節閥、風門調節至點火開度，鼓風機以21 Hz 吹掃轉速運行30 s 將爐膛內廢氣排出鍋爐，為下一次啟爐做好準備。

4 運行保護

鍋爐在運行時具有一定危險性，為了防止出現安全事故就需要采取一些措施保證鍋爐安全運行。保護分為燃燒系統保護、水循環系統保護、泄漏保護。

4.1 燃燒系統保護

天然氣管道上安裝有壓力高/低三個壓力開關保證鍋爐在運行時天然氣壓力在合理范圍內。側漏程序保證雙體電磁閥的工作正常。小火程序保障爐膛內環境適合大火燃燒。當出現異常動作時鍋爐停止運行并報警。爐膛的遠傳溫度、遠傳壓力表實時監測爐膛工況變化，當超出設定范圍后系統自動報警，通過人工進行判斷維修。

4.2 水循環系統保護

主要是防止鍋爐內水管壓力過高導致管道崩裂，在鍋爐頂部安裝有遠傳壓力表與壓力開關，當壓力表讀數或壓力開關動作時說明管道壓力過高，立刻報警并停爐。

4.3 泄漏保護

在天然氣管道旁與鍋爐房屋頂都設置有天然氣檢測儀，當檢測到天然氣濃度達到上限后立刻停爐并切斷燃氣供應開啟風扇通風。

5 結語

通過PLC 系統對燃氣鍋爐進行自動化控制后，保證鍋爐在最優狀態下運行的同時，還提高了人員以及鍋爐的安全性，節省了人工成本。該自動化燃氣鍋爐從建成使用至今達到了預期效果。