基于PLC控制下的余熱回收系統

張金奎

中國電建集團上海能源裝備有限公司 上海 200126

在傳統鋼鐵行業中，高溫廢氣經過除塵后直接排入大氣，既造成大氣污染的同時又造成了能源的浪費。為了響應國家能源戰略，遵從節能減排政策，以鋼鐵行業為例增加余熱回收系統。在廢氣風機前的煙氣通道上設置余熱鍋爐，產生的蒸汽并入車間能介管網進行發電。之后，廢煙氣降至約200℃左右，經由廢氣風機抽至煙囪排放。從而為我國電氣工程自動化行業的發展提供機遇，為國家經濟建設和環境保護添磚加瓦[1]。

1 系統組成

1.1 汽水系統

來自加熱爐汽化樓純水箱的純水，經純水泵增壓后先經過給水預熱器預熱后，進入除氧水箱，除氧水與鍋爐的除氧蒸發器形成低壓循環，利用低壓循環吸收的熱量進行熱力除氧，鍋爐啟動及低負荷時以外部蒸汽為輔助熱源進行除氧。給水采用母管制，經鍋爐給水泵增壓后送入余熱鍋爐的省煤器，在省煤器換熱后進入汽包。爐水在鍋爐內經蒸發器、汽包產生1．0MPa的飽和蒸汽。飽和蒸汽再經汽包--過熱器，最終生產出1．0MPa、184℃低壓過熱蒸汽。經調節閥減壓至0．7MPa，溫度達到170℃并入廠區主管網。主要設備有除氧器給水調節閥、除氧器蒸汽壓力調節閥、鍋爐出口蒸汽壓力氣動調節閥；控制方式為手動、自動。純水泵、補水泵控制方式為手自動；其中手動分本地控制柜手動和遠程HMI手動兩種啟動方式。

1.2 煙氣系統

分別從加熱爐水平煙道接入大煙囪前引出煙氣支管，兩路煙氣支管分別從余熱鍋爐上側接入余熱鍋爐。兩路煙氣的鍋爐進出口分別設置電動蝶閥，在原有引出煙道內部設置氣動蝶閥。加熱爐高溫煙氣在余熱鍋爐內依次經過熱器、蒸發器、省煤器、除氧蒸發器和給水預熱器進行換熱，再經引風機增壓后通過煙氣管道送至煙囪排放，經引風機增壓后通過煙氣管道送至煙囪排放[2]。引風機采用變頻控制，以加熱爐爐壓為主要控制變量，爐壓信號引自原加熱爐控制系統。余熱鍋爐正常生產時，常規煙道的氣動蝶閥關閉，待回收的煙氣通過旁通煙道送入余熱鍋爐。當余熱鍋爐發生故障時，先打開常規煙道的氣動蝶閥，后變頻控制引風機出力緩慢降低，最后關閉余熱鍋爐進出口電動蝶閥，使余熱回收系統從加熱爐排煙系統中完全切除。

2 鍋爐給水控制原理

在整套系統控制中，汽包液位是關鍵因素。為了保證汽包液位的準確度，鍋爐汽包安裝有兩個液位變送器，正常情況下這兩個液位信號在PLC系統內取平均值后傳遞使用。若兩個信號偏差大與程序設定值但都在正常范圍之內，則系統報警。同時，操作員可以在畫面上人為選擇使用兩個測量信號或只使用其中的某一個信號。如果有信號超出正常范圍，則報警。

汽包水位控制采用自動調節的功能，使給水量與鍋爐蒸發量相平衡，并維持汽包中水位在工藝規定的范圍內。由于影響汽包水位變化的干擾因素很多（給水量的干擾、蒸汽負荷變化、廢氣量變化、汽包壓力變化等），傳統的單回路控制無法滿足控制要求，所以需要通過汽包水位(取其平均值作為控制信號)、給水流量、蒸汽流量三個沖量信號經過PID計算來調節給水閥門的開度，從而達到自動控制給水流量的目的[3]。

在這個控制系統中，汽包水位是被控量，是主控信號；蒸汽流量、給水流量是兩個輔助沖量控制信號，引入蒸汽流量目的是補償"虛假水位"引起的閥門誤動作，引入給水流量可以克服給水自身的擾動（如水壓變化），進一步地穩定了水位的自動控制。從結構上來說，這是一個帶有前饋信號的串級控制系統，其系統方塊圖如下：

將液位變送器的輸出信號與液位給定值進行比較，得到的偏差值通過主調節器的調節，作為副調節器的給定信號，它與作為前饋信號的蒸汽流量信號和給水流量的差值進行比較，得到的偏差再通過副調節器的輸出給調節閥，調節閥通過自動調節開度直至給水量與蒸發量恢復動態平衡狀態[4-6]。

3 主要設備構成

余熱鍋爐回收系統主要由鍋爐本體、水箱、給水泵、引風機、調節閥、電動閥加藥裝置等設備組成的一個系統集合。為了保證系統的安全性和穩定性，對設備的需求要符合安全設計要求。

3.1 余熱鍋爐

余熱鍋爐為立式管殼式火管余熱鍋爐。為了施工進度鍋爐形式為組裝，由汽包、鍋爐本體、上升管、下降管，閥門儀表等組成。鍋爐蒸汽額定參數為1．0MPa，184℃；運行參數為0．7MPa，170℃。余熱鍋爐煙氣總阻力在最大工況下不大于1000Pa。在允許的煙氣工況波動范圍內，余熱鍋爐安全運行，余熱鍋爐蒸汽品質滿足相關的國家規范。

3.2 軟水箱

余熱鍋爐配套純水箱1套，按鋼制焊接常壓容器設計，純水介質，常規壓力設計建造。

3.3 給水泵

余熱鍋爐配套給水泵2套；考慮現場安裝控件采用立式多級離心泵形式；由于是戶外安裝，所以電機防護等級不低于IP55；電壓等級380V，機械密封，采用單端面，符合JB/T6614-2011《鍋爐給水泵用機械密封技術條件》的相關規定。

3.4 加藥裝置

為了調節給水和爐水符合GB1576《工業鍋爐水質》標準要求，設磷酸鹽加藥裝置一套。

3.5 鍋爐控制系統的硬件及應用軟件

余熱鍋爐相關的現場儀表和電氣設備的所有信號以I/O信號形式送到鍋爐遠程I/O站，該遠程I/O站通過profinet方式與該機組爐子的PLC控制系統進行通訊，鍋爐系統的應用軟件植入爐子PLC中，鍋爐系統的操作、監控等畫面集成在爐子控制系統的操作站中，以實現余熱鍋爐工藝設備的監控、操作功能。

4 余熱回收系統上位機設計

余熱回收系統上位機畫面囊括煙氣系統、汽水系統兩張主要監視控制界面。在每一個操作界面內設置余熱回收系統界面（汽水和煙氣），可彈出菜單畫面、數據設定畫面、單體設備控制畫面。該畫面顯示出從純水箱輸入純水到余熱回收系統生產出合格蒸汽的工藝流程；煙氣從進入鍋爐本體到出鍋爐本體的工藝流程，加藥從加藥裝置到進入汽包的工藝流程。主要包括水箱、給水泵、汽包、煙道蝶閥、加藥裝置、連接管道和各種閥門（含調節閥、流量計），顯示出監測的各項運行參數，并與設備相關信息相一致[7]。上位機還包括現時故障和歷史故障畫面、趨勢跟蹤事件、模擬量信號趨。勢圖、報表打印等功能。以方便相關人員對系統參數的分析與結算，便于對系統運行狀況進行分析。控制系統配置1臺工程師站、1臺操作員站布置在余熱鍋爐控制室與控制室畫面同步，實現了高度可靠的集中監視、操作、管理于一體的綜合性控制系統；并具有友好的人機界面，用以實現對整個余熱鍋爐的工藝生產過程相關設備、冷卻水輔助設備、電氣設備、管網的流量、壓力、溫度等相關設備及參數進行監控和操作，同時實現工藝生產過程數據的采集、報表打印等功能。

5 結語

通過PLC控制為核心，依托現場各種設備，采用PID、三沖量等手段，借助上位機軟件完美實現余熱回收系統的自動穩定運行。余熱回收系統將污染大、能耗高的傳統企業，通過新工藝、新技術、新理念的方式改造成符合現代標準的企業典型，為建設社會主義良好家園和社會與環境的可持續發展貢獻一份力。