基于PLC的鍋爐爐煙處理冷卻循環水裝置控制系統

王秋平 韓 磊 張 淼 張 進 趙木來

(東北電力大學自動化工程學院，吉林 吉林 132012)

在火力發電廠生產過程中，需要使用大量的冷卻水以對流散熱方式將做完功的乏汽冷凝成凝結水后循環使用。而在對流散熱過程中，部分蒸發的循環水被對流空氣帶走，導致涼水塔內的循環水不斷濃縮、pH值上升，引起凝汽器結垢[1]，在發電量不變的情況下，致使發電熱耗增大、煤耗增高，從而直接影響到整個電廠的經濟性和安全性。因此，在運行過程中，需要在循環水中加入硫酸調整循環水的pH值，以此阻礙冷卻循環水結垢[2]。

目前，國內火力發電廠主要采用人工直接添加濃/稀硫酸的方法來調節循環水的pH值，但直接添加濃硫酸資金投入較高，安全性也得不到保證[3]。鍋爐爐煙處理冷卻循環水裝置是根據文獻[4，5]設計的，該裝置能夠吸收鍋爐燃燒煙氣中的SO2制取稀硫酸，并將稀硫酸替代濃硫酸添加到循環水中，降低火力發電廠冷卻循環水的pH值，阻礙火力發電廠直接冷卻循環水結垢。筆者根據火電廠循環水處理要求，利用PLC技術為該裝置設計控制方案，以實現該裝置的預期功能并保證其穩定運行。

1 鍋爐爐煙處理冷卻循環水裝置工藝簡介①

鍋爐爐煙處理冷卻循環水裝置的工藝流程如圖1所示，其中注水閥為電動調節閥，其他閥門均為電動開關閥。該裝置的具體工藝流程如下：按下啟動鍵后開啟注水閥，注水管中的工藝水經調節閥進入下部水池，被注入的工藝水作為洗滌水，其液位達到下部水池最高水位時自動關閉注水閥；洗滌水液位不低于下部水池最高液位的80%時自動啟動循環泵，洗滌水由洗滌區內的噴淋頭噴出；循環泵啟動以后，開啟進口閥和出口閥，爐煙從進口閥進入洗滌區，在洗滌區中與洗滌水充分接觸，煙氣中的大部分SO2被洗滌水吸收，洗滌后的凈煙氣從出口閥排入脫硫吸收塔煙氣煙道；吸收了SO2的洗滌水被洗滌區下部的收集盤全部回收，然后進入氧化空氣吸入器與氧化空氣混合，沿著氧化空氣吸入器的下部出口進入下部水池進一步完成氧化，制成稀硫酸；完成洗滌后自動關閉進口閥、出口閥和注水閥，自動停止循環泵運行；自動開啟引出閥，下部水池的稀硫酸在重力作用下由引出管輸送至循環水前池，稀硫酸排放完畢后關閉引出閥，然后開啟排污閥，將下部水池內沉淀的粉塵雜質排至吸收塔地坑，廢渣排放完畢之后，關閉排污閥 。

圖1 鍋爐爐煙處理冷卻循環水裝置工藝流程

2 硬件系統

該裝置的主要任務是制取定量的pH值小于4.5的稀硫酸，為此，控制系統需要實時采集裝置內洗滌水的液位和pH值，并根據采集到數據控制各設備的運行。為保證系統能夠穩定工作并具有較強的抗干擾能力且成本相對低廉，筆者選用S7-300 PLC的314CPU為控制核心，它具有128KByte的工作存儲器，處理速度為0.06ms/1000條指令[6]。

系統的輸入信號：系統啟動和停止信號DI，24V；裝置內液位高度、水池內洗滌水pH值和循環水前池pH值AI，4～20mA。系統的輸出信號：電動閥開關、循環泵啟停信號DO，24V；調節閥閥位控制信號AO，4～20mA。

根據系統要求預留出一定接口。該系統選用的其他PLC模塊包括數字量輸入模塊SM321、數字量輸出模塊SM322、模擬量輸入/輸出模塊SM334和電源模塊PS 307 5A[7]。系統的硬件結構如圖2所示。

圖2 PLC控制系統硬件結構

3 系統軟件

314CPU主要實現數據采集、轉換及閥門控制等功能。該控制系統使用模擬量輸入/輸出模塊SM334采集液位和pH傳感器發出的4～20mA電流信號，并將其轉換成0～27 648的整數，進而在PLC中對采集的數據進行處理。同時，該模塊還可以將0～27 648的整數轉換為4～20mA的電流輸出信號，用于控制調節閥開度。

由AI模塊采集的數據為0～27 648的整數，不便于實際操作，為使操作更為直觀、方便，需要將采集的數據轉換為真實值。此時在程序中需要使用到兩個功能塊——SCALE(FC105)和UNSCALE(FC106)(圖3)，SCALE(FC105)模塊將0～27 648的整型數轉換為指定的實數，UNSCALE(FC106)模塊將指定的實數轉換成0～27 648的整型數[8]。

圖3 SCALE(FC105)和UNSCALE(FC106)模塊

SCALE(FC105)模塊的轉換公式為：

式中HI_LIM——設定的實際值上限，對應于儀表量程，一般取儀表量程值；

IN——AI模塊采集的輸入值；

K1、K2——由AI模塊的采樣精度確定，單極性范圍0～27 648，雙極性范圍-27 648～27 648，在該系統程序中分別為0和27 648；

LO_LIM——設定的實際值下限，對應于儀表量程，一般取0；

OUT——經模塊轉換后的輸出值。

UNSCALE(FC106)模塊的轉換公式為：

這里的IN和OUT端口與SCALE(FC105)模塊不同，UNSCALE(FC106)模塊的IN是輸入的真實值，OUT是范圍在0～27 648的整型數，對應控制器的4～20mA電流；此模塊可以將設定范圍的真實值轉換為整型數，進而在控制器中輸出4～20mA電流。

314CPU的程序流程如圖4所示。

圖4 314CPU主程序流程

其中，液位控制子程序是為了將水池的液位控制在總容量的85%～100%之間，以達到制取定量稀硫酸的目的，其流程如圖5所示。

圖5 液位控制子程序流程

與液位控制子程序類似，循環泵控制子程序是根據液位對循環泵的啟、停狀態進行控制的。循環泵控制子程序如圖6所示，當液位(MD10)達到80%時，啟動循環泵，打開進氣和出氣閥門；循環泵在運行過程中，液位會逐漸降低，為了保護循環泵，當液位低于40%時關閉循環泵和進氣、出氣閥門。

圖6 循環泵控制子程序

4 結束語

筆者將PLC技術應用于鍋爐爐煙處理冷卻循環水裝置的自控系統中，實現了液位和pH值數據的實時采集，并根據采集的數據控制各個設備的運行，最終實現制取定量稀硫酸的目的。該控制系統能夠實現鍋爐爐煙處理冷卻循環水處理裝置的運行流程和控制要求，使用該裝置制取的稀硫酸，可以替代濃硫酸直接輸送到循環水涼水塔，從而降低水處理成本。