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)
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。
LNG鍋爐燃燒控制系統(tǒng)由燃燒器和控制系統(tǒng)組成。
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。
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。
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。
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
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
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
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。
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。
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。
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
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。
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