鍋爐系統PLC應用問題探討

【摘要】鍋爐是化工、煉油、發電等工業生產過程中必不可少的重要的動力設備。它所產生的高壓蒸汽，既可以作為風機、壓縮機、大型泵類的驅動透平的動力源，又可作為蒸餾、化學反應、干燥和蒸發等過程的熱源。隨著工業生產規模的不斷擴大，生產設備的不斷創新，作為全廠動力和熱源的鍋爐，亦向著大容量、高參數、高效率發展。為了確保安全，穩定生產，鍋爐設備的控制系統就顯得愈加重要。本文分析了PLC鍋爐供熱控制系統。

【關鍵詞】PLC；鍋爐；控制系統

1.緒論

鍋爐實現自動控制是一個急待解決的問題。據有關資料統計一臺IOT/h的鍋爐，若能提高效率1%，每年就能節省煤200噸左右，約合人民幣50000多元，經濟效益是很明顯的。又如對燃煤鍋爐進行改進，實行自動控制，在不需要人工干預的情況下，隨時調整給水量、燃料量、送風量及引風量，維持水位、蒸汽壓力、蒸汽溫度及負壓的恒定，就有可能將鍋爐的熱效率提高5%以上。另外，使鍋爐達到經濟燃燒狀態，還可以減少煙氣中的含塵量，減少空氣污染。

2.PLC控制系統的應用

鍋爐蒸汽是主要動力，對生產及安全至關重要。通常要求爐膛負壓保持在某一基本負壓范圍內，如果爐膛負壓過大，既增加引風機的電耗，又會造成爐內燃料的浪費 ；如果爐膛負壓過小，不但影響燃料的充分燃燒，進而影響到鍋爐蒸汽的質量，還會危及設備和操作人員的安全。近年來， PLC的控制功能不斷增強，特別是由PLC構成的系統具有抗干擾能力強、對電源質量要求低、控制可靠及響應靈敏等優點，使PLC在工業控制中的應用更加廣泛。我們采用PLC與變頻器結合實施對鍋爐引風機和鼓風機的控制，節能效果非常明顯，提高了工廠的自動化水平。

2.1燃氣鍋爐控制要求

鍋爐系統主要包括：蒸汽系統，軟化水處理系統，給水系統，燃燒系統，排污系統，凝結水系統，疏水系統等。燃料由工藝系統送來，給煤機送至爐膛。空氣由鼓風機經預熱器從鍋爐低部送入爐膛，維持煤物料硫化并提供燃燒所需氧量。煙氣由引風機經后部煙道引出除塵后，送進煙囪，排入大氣。原來鼓風機和引風機的風量分別由其出風口檔板控制，人工操作。鼓風機、引風機一旦啟動均滿負荷運行，操作不便，且風余量大，極大浪費能源。我們采用PLC和變頻器構成自動控制系統，控制鼓風機和引風機的轉速，實現鼓風機、引風機的自動起停及緊急停機；根據爐膛負壓和煙氣氧量實現鼓風機、引風機的變頻調速運行；實現鍋爐本體排空閥、緊急疏水閥、出口蒸汽閥的自動控制；能及時調節汽包水位、主蒸汽溫度、爐膛負壓、煙氣含氧量。

2.2控制方案

2.2.1控制系統組成

根據控制要求，爐膛負壓是一個重要的參數，負壓過大，則漏風嚴重，總的風量增加，煙氣熱量損失增大，同時引風機的電耗增加，不利于經濟燃燒；負壓偏正，爐膛要向外噴火，不利安全生產。控制系統根據爐膛負壓調節引風機和鼓風機轉速，控制進出爐膛的風量，使爐膛負壓維持在-100～0Pa之間。控制系統由PLC 和變頻器組成閉環自動控制系統，保留了擋板手動控制系統。我們選擇歐姆龍公司的可編程控制器CPM1A-30CDR-A，該產品抗干擾能力強，適用于工業現場惡劣環境；編程簡單，易于使用；擴展功能強，本身具有18路輸入和12路輸出，最高可擴展到100 點；精度高，多量程的A/D和D/A模塊用于反饋控制。基本指令處理時間為0.72μs，平均無故障時間達30萬小時。與控制主機配套，我們采用兩塊歐姆龍公司的PM1A-MAD02-CH為模以量擴展模塊，該模塊有4 路輸入和1 路輸出，一個模塊用于爐膛負壓模擬量控制的輸入與輸出，另一個模塊用于煙氣氧量控制的輸入與輸出。

2.2.2系統控制原理

爐膛氧量變送器通過PLC輸出（4～20mA）信號作為鼓風機變頻器模入信號，控制鼓風機轉速范圍4mA→0rpm；20mA→全速rpm，變頻器不作PID調節，只做速度控制。爐膛負壓檢測量通過PLC輸出信號作為引風機變頻器的模入信號控制引風機轉速。當自動控制系統出現故障時，變頻器模入信號通過電位器手動給定，排除故障后恢復為自動控制方式。這種方式控制簡單，操作方便，可靠性高。該控制系統考慮了連鎖保護，一旦鼓風機或引風機停機，或者變頻器出現故障，既報綜合故障信號， PLC立即實現連鎖，鍋爐系統停爐，保證鍋爐安全。如果因鍋爐汽包液位低、爐膛負壓超高或超低、爐膛熄火等原因引起PLC連鎖，PLC立即輸出信號使引風機和鼓風機停機。為保證鍋爐安全運行，要求PLC控制程序設計為先啟動引風機，2分鐘后才能啟動鼓風機；停機時，必須先停鼓風機，5分鐘后才能停引風機；引風機因故障而停機時，必須立即停止鼓風機。若變頻器有故障時，可以轉入手動控制，工頻運行，故障排除后，恢復為變頻運行，從而更有效地保證鍋爐的安全運行。

2.3應用效果

該控制系統用于蒲白矸石電廠3#鍋爐，鍋爐型號PD45-3.82/450，蒸發量為45t/h，以前采用檔板調節風量時，大多數時間風門開度只有60%左右，節流、渦流損失很大，直接反映為電動機能耗高，經濟性差。采用PLC控制的變頻調速系統后，工作頻率顯示在35～40Hz，系統投運一個月的情況統計顯示，平均日節電200kW·h 左右，節電率達40%，降耗明顯；系統采用軟啟動方式，使電動機啟動電流大幅下降，減少了廠用電壓的波動，減少了空氣開關觸頭、操作機構的維修費用；變頻器的應用使電動機長期處于低速運行狀態，電動機、風機的軸承磨損和機組振動大為減少。對于中小型熱電廠，近年來受電網調控的限制，有的機組經常處于低負荷運行，廠用電率普遍較高，采用PLC和變頻器組成自動控制系統對鍋爐風機實施控制，能保證鍋爐處于良好的運行狀態，節能降耗非常明顯，控制可靠，操作方便，提高了鍋爐操作的安全性，且對原有系統的改造工作量不大，投資小，回報高，經濟效益明顯。

3.PLC和變頻技術的應用

近年來， 出于節能的迫切需要和對供暖質量不斷提高的要求， 加之采用變頻調速器（ 簡稱變頻器） 易操作、免維護、控制精度高， 并可以實現高功能化等特點， 因而采用變頻器驅動的方案開始逐步取代風門、擋板、閥門的控制方案。用變頻器來對異步交流電動機調速， 是八十年代末迅速發展成熟的一項高新技術。它的優點是： 調速的機械特性好， 調速范圍廣， 調整特性曲線平滑， 可以實現連續、平穩的調速， 尤其當它應用于風機、水泵等大容量負載時， 可獲得顯著的節能效果。

4.結論

（1）由于自動化技術的迅猛發展，工業控制系統對于系統技術條件要求越來越嚴格，控制參數要求越來越精確，然而對于工業鍋爐控制系統這樣一個大慣性、大滯后、復雜的多輸入多輸出耦合控制系統而言，為了達到更高的精度要求，急需尋找更先進的控制算法。（2）對于燃煤工業鍋爐來說，由于煤質、煤種的變化，難以使燃燒過程達到最佳優化狀態。在后續工作中可以應用一些參數自整定和優化過渡過程等方法進行燃燒的尋優控制。（3）隨著工業鍋爐系統規模的擴大，有必要加入一些故障自診斷功能，提高系統的安全性和可靠性。例如現場控制層的信號故障診斷、顯示操作層的誤操作診斷和信號管理層的信息故障診斷等。

【參考文獻】

[1]趙欽新.工業鍋爐安全經濟運行.北京：中國標準出版社，2003.2.