魏寶軍，張剛剛，劉九龍

（1.天津地熱勘查開發(fā)設(shè)計院，天津 300250；2.山鋼集團濟鋼物流管理中心，山東 濟南 250101）

1 引言

某合資工廠的動力用燃油鍋爐為3臺15t／h，1臺10t／h，主要為中央空調(diào)系統(tǒng)和生產(chǎn)線提供蒸汽。燃料為重油，點火采用輕油。由于重油霧化，風油比調(diào)節(jié)比較復雜，故障多，重油燃燒不充分，經(jīng)常會有煙囪冒黑煙的現(xiàn)象，不利于環(huán)境保護。由于燃油鍋爐運行成本節(jié)節(jié)攀升；而液化天然氣（LNG）價格相對較低，燃燒后成分主要為H2O和少量CO2，有利于環(huán)境保護，此外該單位已有穩(wěn)定的LNG供應，有改造為燃燒LNG鍋爐的必要性和可行性。此外，由于原來的燃油鍋爐燃燒控制系統(tǒng)采用“繼電器邏輯”控制，故障率較高，安全系數(shù)低，無法預測突發(fā)故障，不能實時檢測現(xiàn)場燃燒狀況，及時判斷、處理異常情況。針對這種情況，使用原來鍋爐本體，研究設(shè)計了一套以SAMSUNG可編程控制器（PLC）為核心的LNG自動燃燒系統(tǒng)，并進行了鍋爐改造，大幅提高了生產(chǎn)的安全性、可靠性、經(jīng)濟性，并且做到節(jié)能減排、環(huán)保的目的，并且使老設(shè)備得到新生。

2 系統(tǒng)的組成

LNG鍋爐燃燒控制系統(tǒng)由燃燒器和控制系統(tǒng)組成。

2.1 燃燒器

燃燒器包括主燃燒器單元、燃料控制系統(tǒng)、助燃風單元、安全保護單元及操作控制柜。燃燒控制系統(tǒng)管道及儀表流程圖見圖1。

圖1 管道及儀表流程圖Fig.1 Process of instrument and pipeline diagram

主燃燒器單元包括燃燒器本體、點火裝置和火焰探測裝置。主燃燒器本體采用擴散式結(jié)構(gòu)。點火裝置由點火變壓器、點火電極槍等組成?；鹧嫣綔y裝置采用紫外線火焰檢測器，采用點火火焰探測和主火焰探測兩套檢測裝置。

燃燒控制系統(tǒng)包括壓力調(diào)節(jié)閥、關(guān)閉閥、快速切斷閥、電磁閥、燃料氣動調(diào)節(jié)閥等；控制閥體均采用防爆型以確保安全。

在鍋爐運行過程中，通過PDA3CONTROLLER采集蒸汽壓力、燃料溫度、燃料壓力、燃料流量4個信號，輸出信號控制LNG燃氣執(zhí)行器，空氣執(zhí)行器，調(diào)節(jié)風氣比，進行燃燒負荷調(diào)節(jié)。

助燃風單元由鼓風機、電動風門、空氣過濾器及管道等組成。

安全保護單元由燃料高低壓報警開關(guān)、停機吹掃閥組、泄露檢測組件等組成。

操作控制柜用于安裝鍋爐風機啟動系統(tǒng)，可實現(xiàn)現(xiàn)場或遠程點火、運行和停機操作、現(xiàn)場顯示報警及與DCS或現(xiàn)場儀表的連接等。

2.2 控制系統(tǒng)

為了實現(xiàn)燃燒系統(tǒng)的自動控制功能，專門設(shè)計控制系統(tǒng)的硬件和軟件部分。

2.2.1 硬件部分

硬件包括PLC系統(tǒng)、檢測儀表、可控閥門組、點火裝置、火焰檢測組件、風機控制組件、安全保護裝置和控制柜內(nèi)隔離單元等。

控制系統(tǒng)PLC選用SAMSUNG OEMAX NX70系 列，PLC 電 源 為 NX70－POWER1POWER SUPPLY，輸出AC 220V，50Hz／AC 24V／50V·A，CPU為NX70－CPU－70P1，DC輸入模塊為 NX70－X16D，繼電器輸出模塊為NX70－Y16R，負荷調(diào)節(jié)采用FDA3CONTROLLER來實現(xiàn)。

現(xiàn)場各種檢測裝置將監(jiān)測信號通過輸入輸出隔離單元將信號送入PLC系統(tǒng)，CPU進行邏輯運算和相應的控制調(diào)節(jié)等。PLC可接受現(xiàn)場操作人員或上位機DCS的操作命令，對鍋爐的運行過程進行監(jiān)控。為了保障鍋爐燃燒系統(tǒng)的安全可靠和維護改造，PLC系統(tǒng)采用冗余配置。單臺鍋爐燃燒控制系統(tǒng)可隨系統(tǒng)的壓力負荷情況自動啟動和停止，運行可做到無人值守。

2.2.2 軟件部分

軟件采用SAMSUNG WinGPC3.70軟件平臺設(shè)計完成控制系統(tǒng)，WinGPC軟件（適用于Windows）可以創(chuàng)建、修改和監(jiān)控NX7和NX70所使用的應用程序。這是一個功能強大的工具，它提供了梯形圖編輯、監(jiān)控、調(diào)試、文件管理以及時序圖監(jiān)控等功能。PLC系統(tǒng)控制程序能完成相應硬件設(shè)備的控制、自動進行安全連鎖檢查、確認設(shè)備啟動及運行過程的安全狀況，自動進行安全連鎖并切斷。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)LNG鍋爐運行特點，為了滿足鍋爐的安全生產(chǎn)，系統(tǒng)功能包括：負荷自動調(diào)節(jié)和安全保護功能，各種狀態(tài)指示、聲光報警、鍋爐啟動、吹掃、泄漏檢測、點火、主火焰感知、熄火停爐，故障提示等。系統(tǒng)軟件設(shè)計邏輯框圖如圖2所示。

圖2 點火過程邏輯框圖Fig.2 The logic diagram of the ignition process

下面主要對PLC的程序梯形圖設(shè)計進行說明。

3.1 連鎖程序設(shè)計

直接導致停爐或不能啟動的情況有：燃氣壓力低、燃氣壓力高、排煙溫度高、燃燒空氣壓力低、水位低、點不著火、蒸汽壓力高。只有以上7個條件都正常的情況下，準備啟動線圈得電，準備啟動指示燈亮，此時才能啟動鍋爐；當鍋爐運行時，同樣情況下如果條件不能滿足，則鍋爐自動熄火停爐。連鎖程序設(shè)計見圖3。

圖3 連鎖梯形圖Fig.3 The ladder diagram of interlock

3.2 鍋爐啟動程序設(shè)計

點火工作可全部實現(xiàn)自動化，在手動操作下，操作人員在需要投入鍋爐負荷的工況下，可點擊鍋爐啟動按鈕，鍋爐便可以自動啟動運行。鍋爐啟動程序見圖4。

圖4 鍋爐啟動梯形圖Fig.4 The ladder diagram of boiler start

3.3 吹掃程序設(shè)計

燃燒前后都要進行排氣吹掃30s，以有效清除爐膛、管道、閥組和煙道中可能聚集的可燃氣體，以防止發(fā)生安全事故。吹掃程序見圖5。

圖5 吹掃梯形圖Fig.5 The ladder diagram of purge

3.4 泄露檢測程序設(shè)計

燃料氣體管道連接和電動閥門及其他閥門是否泄漏，關(guān)系到鍋爐房設(shè)備和操作人員的安全。在鍋爐吹掃完畢后，必須進行泄露檢測。燃料泄漏測試程序見圖6。

3.5 點火程序設(shè)計

鍋爐運行后，吹掃完成，空氣調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，點火變壓器得電10s，點火燃料閥線圈得電，引燃閥門開30s。點火程序見圖7。

3.6 主火焰感知和加載程序設(shè)計

在手動或者自動模式下，主火焰感知確認后開始30s延時，系統(tǒng)就可以加載了?；鹧娓兄图虞d程序設(shè)計見圖8。

圖6 燃氣泄漏測試梯形圖Fig.6 The ladder diagram of gas leak

圖7 點火和引燃梯形圖Fig.7 The ladder diagram of ignition and pilot firing

圖8 點火確認梯形圖Fig.8 The ladder diagram of flame on

以上為PLC系統(tǒng)主要程序，限于篇幅其他程序和設(shè)置這里就不再贅述。

4 效果對比

通過對該系統(tǒng)調(diào)試運行，與原有系統(tǒng)進行比較，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行良好，簡單易行，可靠性高，維護簡單，且運行燃料費用大為降低，節(jié)能環(huán)保，當年即可收回投資改造成本，改造前后費用對比如表1所示。

表1 改造前燃料費用對比表Tab.1 The comparison table of the fuel cost before and after reconstruction

5 結(jié)論

經(jīng)過某合資工廠的應用實踐證明，基于SAMSUNG PLC的燃油鍋爐改造成LNG鍋爐，完全滿足用戶的需求，運行費用大大降低，蒸汽壓力波動能控制在0.5±0.05MPa工藝標準范圍內(nèi)，響應時間短，并且能夠在惡劣的現(xiàn)場環(huán)境下穩(wěn)定的運行，故障率極低，安裝運行以來沒有發(fā)生過一起故障?？刂苿幼鳒蚀_性好，充分顯示了PLC系統(tǒng)適應性強，可靠性高的特點，對于燃氣鍋爐燃燒控制有一定的推廣價值。

［1］陳立定，吳玉香，蘇開才.電氣控制與可編程控制器［M］.廣州：華南理工大學出版社，2000.

［2］韓厚德，鄭士君，楊萬楓，等.船舶輔機［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［3］袁任光.可編程序控制器應用技術(shù)與實例［M］.第2版.廣州：華南理工大學出版社，2003.

［4］Fuji Electric Systems Co.Ltd.Instruction Manual for Compact Controller M（CC－M）PDA－3［Z］.Rev.4th edition January，2004.