磨煤機(jī)入口混合風(fēng)流量測(cè)量管路吹掃系統(tǒng)設(shè)計(jì)

南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李 嶠 袁鋒偉

目前，對(duì)于磨煤機(jī)入口混合風(fēng)流量測(cè)量管路的頻繁堵塞問(wèn)題，火電廠普遍的做法是采用人工定期用壓縮空氣對(duì)測(cè)量管路進(jìn)行吹掃。采用人工吹掃，一方面增加了維護(hù)人員的工作量，進(jìn)而增加了發(fā)電廠的人力成本；另一方面，從故障出現(xiàn)，到運(yùn)行人員通知維護(hù)人員處理故障，再到人工吹掃完成，所需時(shí)間較多，對(duì)于鍋爐風(fēng)量的實(shí)時(shí)監(jiān)視構(gòu)成威脅。所以為某電廠350MW 機(jī)組設(shè)計(jì)磨煤機(jī)入口混合風(fēng)流量測(cè)量管路吹掃系統(tǒng)，這樣可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行人員或維護(hù)人員對(duì)測(cè)量管路的一鍵吹掃，縮短發(fā)生堵塞故障處理時(shí)間，減少測(cè)量管路堵塞對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響。

1 風(fēng)量測(cè)量原理

風(fēng)量測(cè)量裝置布置于磨煤機(jī)入口直管段風(fēng)道內(nèi)，當(dāng)裝置的通道內(nèi)氣體存在流動(dòng)時(shí)，裝置的迎風(fēng)面會(huì)因?yàn)闅怏w的流動(dòng)產(chǎn)生“全壓”，裝置的背風(fēng)面由于未受到流動(dòng)氣流的影響，故在風(fēng)道中受到很低的壓力，該壓力即為“靜壓”。全壓與靜壓的壓力差即為動(dòng)壓，動(dòng)壓大小與風(fēng)道內(nèi)風(fēng)量有關(guān)系，風(fēng)量與動(dòng)壓的關(guān)系符合伯努力方程：

式中，p 為該流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)，v 為流體中該點(diǎn)的流速，ρ 為該流體密度，g 為重力加速度，h為該點(diǎn)所在的高度，C 為常量。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

風(fēng)量測(cè)量管路吹掃系統(tǒng)由吹掃管路及PLC、上位機(jī)三大部分組成。吹掃管路用于實(shí)現(xiàn)壓力變送器的隔絕以及壓縮空氣的接入，PLC 用于吹掃管路中電磁閥的控制及模擬量信號(hào)的采集，上位機(jī)用于人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及與DCS 系統(tǒng)的通訊。

2.1 吹掃管路設(shè)計(jì)

風(fēng)量測(cè)量管路吹掃系統(tǒng)管路基于現(xiàn)火電廠普遍采用的方案，即測(cè)量管路從風(fēng)量測(cè)量裝置引出后直接接入平臺(tái)變送器處。在現(xiàn)有方案的基礎(chǔ)上，對(duì)單臺(tái)磨煤機(jī)，本設(shè)計(jì)新增4個(gè)電磁閥，其中2個(gè)電磁閥分別對(duì)差壓變送器正壓側(cè)、負(fù)壓側(cè)管路進(jìn)行截止，防止壓縮空氣接通時(shí)壓力波動(dòng)對(duì)變送器產(chǎn)生損害；另外2個(gè)電磁閥用于控制壓縮空氣向測(cè)量管路及測(cè)量裝置進(jìn)行吹掃。風(fēng)量測(cè)量管路吹掃系統(tǒng)管路如圖1所示。

圖1 風(fēng)量測(cè)量管路吹掃系統(tǒng)管路

2.2 PLC 模塊

可編程邏輯控制器（PLC），在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制中具有重要的意義。其核心部件為微處理器，通過(guò)對(duì)順序控制、定時(shí)、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算等指令的執(zhí)行，在自動(dòng)化系統(tǒng)中，對(duì)各類(lèi)模擬量、數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行輸入、輸出處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化控制。

本系統(tǒng)選用西門(mén)子S7-200 SMART SR40作為CPU 模塊，EM AE04作為模擬量輸入模塊。S7-200 SMART 采用西門(mén)子高速處理芯片，基本指令的執(zhí)行時(shí)間可達(dá)0.15μs，與同級(jí)別PLC 相比，處理速度更快。S7-200 SMART 配有以太網(wǎng)接口，支持多種通訊協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)線即可實(shí)現(xiàn)程序的下裝和上載，其便捷性更加符合現(xiàn)在工控行業(yè)實(shí)際需求。

2.3 上位機(jī)人機(jī)界面

人機(jī)界面，也稱(chēng)用戶(hù)界面，即在工業(yè)自動(dòng)化中實(shí)現(xiàn)人與自動(dòng)化系統(tǒng)的操作指令下發(fā)和信息獲取的媒介。人機(jī)界面由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括顯示部分、輸入部分、通訊接口、存儲(chǔ)部分、處理器等，其中處理器是決定人機(jī)界面性能的關(guān)鍵因素[1]。

本系統(tǒng)選用組態(tài)王開(kāi)發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的全部功能。組態(tài)王軟件具有適用性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)易操作、開(kāi)放性好等優(yōu)點(diǎn)，利用Windows的圖形編輯功能，使監(jiān)控畫(huà)面元素更加豐富。用戶(hù)可采用動(dòng)畫(huà)的方式對(duì)工業(yè)流程進(jìn)行展示，對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線的顯示，并可根據(jù)用戶(hù)需求，提供各種報(bào)表輸出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

吹掃系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分，PLC 程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)人機(jī)界面設(shè)計(jì)。PLC 程序設(shè)計(jì)在STEP 7-MicroWIN SMART 編程軟件完成，主要包括主程序、數(shù)據(jù)采集、電磁閥控制、吹掃方式選擇等組成[2]。人機(jī)界面在組態(tài)王軟件內(nèi)實(shí)現(xiàn)，用于對(duì)吹掃系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄、報(bào)表打印等功能。

由于磨煤機(jī)入口混合風(fēng)流量的測(cè)量對(duì)于磨煤機(jī)風(fēng)量的自動(dòng)運(yùn)行具有重要的意義，只有在DCS 上解除風(fēng)量自動(dòng)，才能進(jìn)行吹掃，故吹掃系統(tǒng)運(yùn)行的前提是DCS 允許吹掃。DCS 允許吹掃是電磁閥控制和吹掃方式選擇程序執(zhí)行的前提條件。

3.1 數(shù)據(jù)采集

吹掃系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，分別布置于吹掃氣源總閥的閥前和閥后，數(shù)據(jù)采集子程序用于管道壓力的模擬量數(shù)據(jù)采集和處理。吹掃氣源總閥前壓力實(shí)時(shí)反映壓縮空氣管路壓力，吹掃氣源總閥后壓力反映吹掃氣源電磁閥后的壓力。通過(guò)對(duì)吹掃氣源總閥前、后壓力的監(jiān)測(cè)，既可以監(jiān)測(cè)未吹掃時(shí)閥門(mén)是否有內(nèi)漏，又可以監(jiān)測(cè)吹掃時(shí)閥門(mén)是否打開(kāi)。

3.2 電磁閥控制

電磁閥控制是吹掃系統(tǒng)的動(dòng)作執(zhí)行來(lái)源，直接控制著壓縮空氣的通入以及測(cè)量管路的斷開(kāi)。系統(tǒng)上電后，首先對(duì)所有輸出點(diǎn)進(jìn)行復(fù)位操作，保證PLC 無(wú)動(dòng)作輸出。在吹掃過(guò)程中，如須中途手動(dòng)停止吹掃，也通過(guò)對(duì)所有輸出點(diǎn)進(jìn)行復(fù)位來(lái)完成。由于差壓變送器屬于高精度測(cè)量?jī)x表，在使用過(guò)程中要謹(jǐn)防壓力的突然變化對(duì)測(cè)量元件產(chǎn)生損害，故本吹掃系統(tǒng)從邏輯上杜絕壓力的陡增、陡降影響差壓變送器。

具體實(shí)現(xiàn)方式為，欲對(duì)單臺(tái)磨煤機(jī)入口混合風(fēng)流量測(cè)量管路進(jìn)行吹掃時(shí)，首先關(guān)閉正、負(fù)壓側(cè)測(cè)量管路的電磁閥，延時(shí)2s 之后，打開(kāi)兩個(gè)壓縮空氣電磁閥，對(duì)測(cè)量管路進(jìn)行吹掃，吹掃時(shí)間118s。當(dāng)吹掃時(shí)間到達(dá)后，關(guān)閉兩個(gè)壓縮空氣電磁閥，再次延時(shí)2s 之后，打開(kāi)正、負(fù)壓側(cè)測(cè)量管路的電磁閥，恢復(fù)差壓變送器的正常測(cè)量。電磁閥控制PLC 程序如圖2所示。

圖2 電磁閥控制PLC 程序

3.3 吹掃方式選擇

本系統(tǒng)的吹掃方式設(shè)計(jì)有手動(dòng)吹掃和自動(dòng)順序吹掃兩種。使用手動(dòng)吹掃功能，運(yùn)行人員可以根據(jù)需要，只須點(diǎn)擊一次吹掃按鈕，就能對(duì)單臺(tái)磨煤機(jī)的入口混合風(fēng)流量測(cè)量管路進(jìn)行吹掃，吹掃完成后自動(dòng)恢復(fù)變送器的正常測(cè)量。使用自動(dòng)順序吹掃功能，只需點(diǎn)擊一次順序吹掃按鈕，便可以依次執(zhí)行對(duì)5臺(tái)磨煤機(jī)的入口混合風(fēng)流量測(cè)量管路吹掃，當(dāng)5臺(tái)磨煤機(jī)的吹掃全部完成之后，吹掃程序自動(dòng)停止。無(wú)論自動(dòng)順序吹掃還是手動(dòng)吹掃，在吹掃過(guò)程中，如有需要，都可以立即對(duì)吹掃過(guò)程進(jìn)行停止。

3.4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

如圖3所示，本設(shè)計(jì)人機(jī)界面以直觀的形式展示了吹掃系統(tǒng)的構(gòu)成和實(shí)時(shí)狀態(tài)。管路、閥門(mén)都會(huì)根據(jù)其狀態(tài)改變?yōu)橄鄳?yīng)的顏色。在人機(jī)界面上，設(shè)計(jì)有DCS吹掃允許狀態(tài)顯示。每臺(tái)磨煤機(jī)均設(shè)置有單獨(dú)的吹掃按鈕，系統(tǒng)整體有順序吹掃和停止吹掃按鈕。DCS 與人機(jī)界面之間采用以太網(wǎng)通訊，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

圖3 人機(jī)界面

4 吹掃系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)測(cè)試主要針對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件為壓縮空氣壓力0.7MPa，在人機(jī)界面使用自動(dòng)順序吹掃功能，采用組態(tài)王和ACCESS 數(shù)據(jù)庫(kù)做數(shù)據(jù)交互。在開(kāi)始自動(dòng)順序吹掃后，對(duì)各電磁閥的動(dòng)作時(shí)序進(jìn)行記錄，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 吹掃系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)證明，使用自動(dòng)吹掃功能，各閥門(mén)動(dòng)作順序正確，可以實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)吹掃功能，具體時(shí)序流程為：開(kāi)始自動(dòng)吹掃功能，A 磨風(fēng)量管道立即吹掃；122s 后，A 磨風(fēng)量管道停止吹掃，B 磨風(fēng)量管道開(kāi)始吹掃；122s 后，B 磨風(fēng)量管道停止吹掃，C 磨風(fēng)量管道開(kāi)始吹掃；122s 后，C 磨風(fēng)量管道停止吹掃，D 磨風(fēng)量管道開(kāi)始吹掃；122s 后，D 磨風(fēng)量管道停止吹掃，E 磨風(fēng)量管道開(kāi)始吹掃；122s 后，E 磨風(fēng)量管道停止吹掃，自動(dòng)順序吹掃流程結(jié)束。

綜上所述，采用西門(mén)子200SMART 和組態(tài)王的組合，對(duì)吹掃系統(tǒng)進(jìn)行邏輯控制和數(shù)據(jù)采集，使得該系統(tǒng)既具有穩(wěn)定、可靠、及時(shí)的動(dòng)作特性，又具有操作簡(jiǎn)便、顯示直觀、歷史數(shù)據(jù)追溯方便的特點(diǎn)。在經(jīng)濟(jì)性和通用性方面，使用西門(mén)子200SMART 作為控制器，成本低廉，結(jié)合組態(tài)王對(duì)于人機(jī)界面組態(tài)的靈活性，可以使得本系統(tǒng)能夠以高性?xún)r(jià)比得到廣泛運(yùn)用，尤其針對(duì)老舊的DCS 系統(tǒng)備用通道數(shù)量不足、DCS 卡件成本高的困難局面。