低濃自動(dòng)控制項(xiàng)目研發(fā)問(wèn)題探究

張紅杏

（山西蘭花煤炭實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 晉城 048000）

目前國(guó)內(nèi)瓦斯發(fā)電廠使用的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組設(shè)備大部分為國(guó)外進(jìn)口機(jī)組，國(guó)外進(jìn)口機(jī)組對(duì)瓦斯氣源要求比較嚴(yán)格，瓦斯的質(zhì)量濃度和壓力必須滿足進(jìn)入機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)條件，瓦斯氣體質(zhì)量濃度一旦低于機(jī)組設(shè)定值就會(huì)不滿足機(jī)組啟動(dòng)條件，導(dǎo)致燃?xì)鈾C(jī)組無(wú)法啟機(jī)。瓦斯氣源的組分、壓力、濕度、溫度及含塵量對(duì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的運(yùn)行有很大影響。以瓦斯發(fā)電廠項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行為例，該項(xiàng)目在投入實(shí)際運(yùn)行后一年左右就出現(xiàn)氣源緊張現(xiàn)象，瓦斯的質(zhì)量濃度、壓力波動(dòng)性也較大，經(jīng)常由于瓦斯的質(zhì)量濃度、壓力突變?cè)斐商鴻C(jī)，導(dǎo)致燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組反復(fù)啟停，不僅降低機(jī)組的使用壽命，而且也給電網(wǎng)造成了不良影響。針對(duì)公司嚴(yán)重虧損的形勢(shì)，與煤層氣地面開(kāi)采企業(yè)聯(lián)合進(jìn)行鉆井鋪設(shè)管道將高質(zhì)量濃度瓦斯（壓力0.7 MPa，質(zhì)量濃度接近100%）接入瓦斯發(fā)電廠，通過(guò)加裝低質(zhì)量濃度混氣裝置將2 路氣源（鉆井抽采的高質(zhì)量濃度瓦斯和煤礦抽放站提供的低質(zhì)量濃度瓦斯）通過(guò)混氣工藝處理（PⅠD自動(dòng)控制）后，提高瓦斯質(zhì)量，從而使瓦斯的壓力、質(zhì)量濃度均符合燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行要求。

下面主要圍繞瓦斯發(fā)電廠的多路瓦斯氣源進(jìn)行混合后進(jìn)入氣體預(yù)處理設(shè)備前如何處理進(jìn)行探討研究，在實(shí)際運(yùn)行中由于低質(zhì)量濃度瓦斯氣的流量最大，其波動(dòng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性帶來(lái)的影響也最大，而高質(zhì)量濃度瓦斯氣的流量經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化，需要對(duì)低質(zhì)量濃度瓦斯氣進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)瓦斯氣體質(zhì)量濃度的穩(wěn)定，確保燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，迫切需要對(duì)低質(zhì)量濃度瓦斯氣體進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制改造，以便工況變化時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整或進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，確保燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 項(xiàng)目研究開(kāi)發(fā)過(guò)程

1.1 實(shí)施方法

該項(xiàng)目主要利用西門(mén)子S7-200 通過(guò)采集混氣裝置出口母管的瓦斯氣體質(zhì)量濃度反饋信號(hào)和低質(zhì)量濃度瓦斯氣體母管壓力反饋信號(hào)，對(duì)放散閥開(kāi)度進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)放散調(diào)節(jié)閥的遠(yuǎn)程控制，以確保瓦斯氣體質(zhì)量濃度相對(duì)穩(wěn)定或變化可控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。用到的配件有西門(mén)子S7-200 可編程控制器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、壓力變送器、甲烷濃度儀。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥安裝于和低濃氣母管連接的放散管道上，壓力變送器安裝于低質(zhì)量濃度瓦斯管道上，并位于靠近低質(zhì)量濃度瓦斯管道與高質(zhì)量濃度瓦斯管道匯合的位置，甲烷濃度儀安裝于低濃瓦斯和高濃瓦斯經(jīng)過(guò)文丘里混氣裝置后的出口母管上。通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)和質(zhì)量濃度信號(hào)對(duì)放散電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的PⅠD 控制，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)放散電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯氣體質(zhì)量濃度的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)和穩(wěn)定。

1.2 技術(shù)路線

本項(xiàng)目對(duì)瓦斯發(fā)電廠的低質(zhì)量濃度瓦斯進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置包括電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、壓力變送器、甲烷濃度儀、PLC 控制柜和監(jiān)測(cè)PC。將原有低濃母管手動(dòng)放散調(diào)節(jié)閥，更換為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥；電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥門(mén)安裝于與低質(zhì)量濃度瓦斯管道連接的放散管道上，在瓦斯氣體混合器低濃母管入口安裝壓力變送器，監(jiān)測(cè)低濃瓦斯氣體壓力值，將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的電源、信號(hào)及壓力變送器信號(hào)、甲烷濃度儀信號(hào)接入準(zhǔn)備好的PLC 控制柜，柜內(nèi)安裝有S7-200 可編程控制器、數(shù)字/模擬信號(hào)輸入輸出模塊，外供電源等。壓力變送器與PLC 控制柜中的模擬量輸入模塊連接，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的電動(dòng)執(zhí)行器的電源端與PLC 控制柜中的電源連接，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的電動(dòng)執(zhí)行器的信號(hào)端與PLC 控制柜中的模擬量輸出模塊連接，PLC 控制柜中的通信模塊與監(jiān)測(cè)PC 連接。通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)瓦斯氣體壓力信號(hào)對(duì)電動(dòng)放散調(diào)節(jié)閥的PⅠD 控制，并在氣體預(yù)處理車間集中控制器HMⅠ人機(jī)交互界面進(jìn)行組態(tài)，實(shí)現(xiàn)值班人員遠(yuǎn)程對(duì)電動(dòng)放散調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度控制，確保混合后瓦斯氣質(zhì)量濃度相對(duì)穩(wěn)定、可控，使操作、監(jiān)控更方便，系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定。

具體施工步驟：將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥門(mén)安裝于與低質(zhì)量濃度瓦斯管道連接的放散管道上；壓力變送器安裝于低質(zhì)量濃度瓦斯管道上，并位于靠近低質(zhì)量濃度瓦斯管道與高質(zhì)量濃度瓦斯管匯合的位置，同時(shí)壓力變送器信號(hào)端要與PLC 控制柜中的模擬量輸入模塊連接；利用甲烷濃度儀將檢測(cè)的混氣裝置出口母管瓦斯氣體質(zhì)量濃度信號(hào)端與PLC 控制柜中的模擬量輸入模塊連接；將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的電動(dòng)執(zhí)行器的電源端與PLC控制柜中的電源連接，將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的電動(dòng)執(zhí)行器的信號(hào)端與PLC 控制柜中的模擬量輸出模塊連接；將PLC 控制柜中的通信模塊與監(jiān)測(cè)PC 連接。其中，PLC控制柜中設(shè)置有電源、Ⅰ/O 模塊、控制模塊和通信模塊。PLC 控制柜可以為S7-200PLC，其中的模擬量輸入模塊為EM231，模擬量輸出模塊為EM232，通信模塊為CP232，控制模塊為CPU。PLC 控制柜中的電源可以為外接電源，用于為PLC 控制柜供電。低質(zhì)量濃度瓦斯管道的公稱直徑為600 mm，低質(zhì)量濃度瓦斯放散管道的公稱直徑為600 mm，高質(zhì)量濃度瓦斯管道的公稱直徑為200 mm。

1.3 過(guò)程總結(jié)

本項(xiàng)目在投入使用時(shí)，通過(guò)壓力變送器實(shí)時(shí)采集低質(zhì)量濃度瓦斯管道中低質(zhì)量濃度瓦斯氣體的壓力數(shù)據(jù)，并將壓力數(shù)據(jù)通過(guò)模擬量輸入模塊發(fā)送至控制模塊。當(dāng)控制模塊確定某一時(shí)刻的壓力數(shù)據(jù)大于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，控制模塊通過(guò)模擬量輸出模塊向電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的電動(dòng)執(zhí)行器輸出開(kāi)啟信號(hào)，通過(guò)開(kāi)啟信號(hào)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥門(mén)打開(kāi)，利用放散管道進(jìn)行放散。在該過(guò)程中，PLC 控制柜實(shí)時(shí)將采集的瓦斯氣體質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測(cè)PC，使得工作人員能夠及時(shí)了解瓦斯質(zhì)量濃度。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的電動(dòng)執(zhí)行器的電源端與PLC 控制柜中的電源通過(guò)4 根截面積為1.5 mm的電纜連接，壓力變送器與PLC 控制柜中的模擬量輸入模塊通過(guò)1根2 心截面積為1 mm的電纜連接，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的電動(dòng)執(zhí)行器的信號(hào)端與PLC 控制柜中的模擬量輸出模塊通過(guò)2 根2 心截面積為1 mm的電纜連接。對(duì)電廠的低質(zhì)量濃度瓦斯進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置還包括報(bào)警器，報(bào)警器與PLC 控制柜中的控制模塊連接。在此基礎(chǔ)上，當(dāng)控制模塊確定某一時(shí)刻的壓力數(shù)據(jù)大于預(yù)設(shè)數(shù)值時(shí)，控制模塊控制報(bào)警器報(bào)警，以達(dá)到及時(shí)提醒工作人員注意的目的，報(bào)警器可以選用聲光報(bào)警器。對(duì)電廠的低質(zhì)量濃度瓦斯進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置還包括手動(dòng)放散管道和手動(dòng)閥，手動(dòng)放散管道與低質(zhì)量濃度瓦斯管道連接，手動(dòng)閥設(shè)置于手動(dòng)放散管道上。在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)某一時(shí)刻所需的瓦斯放散量比較大時(shí)，在開(kāi)啟電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步由人工開(kāi)啟手動(dòng)閥。

2 項(xiàng)目實(shí)施問(wèn)題探討

2.1 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

該項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中，低濃放散電動(dòng)調(diào)節(jié)閥安裝施工難度較大，需要將長(zhǎng)12 m 的放散管先吊起來(lái)，再將DN600 電動(dòng)閥吊裝至放散管下方2 個(gè)法蘭之間，再裝電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的電動(dòng)裝置，接著給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥接電源線、控制線、信號(hào)線，還需安裝新增的PLC 控制柜，控制柜內(nèi)需新裝CPU 中央處理器、AⅠ、DⅠ、AO、DO、電源模塊。在現(xiàn)場(chǎng)采集混合氣體信號(hào)，該信號(hào)需傳輸至控制柜內(nèi)，由CPU 根據(jù)氣體壓力和質(zhì)量濃度變化值調(diào)節(jié)電磁閥。新增控制柜的選址是個(gè)難題，必須加高基礎(chǔ)，防止雨水倒灌，同時(shí)需按照防爆場(chǎng)所電氣標(biāo)準(zhǔn)接線，線路全部必須穿管并埋地敷設(shè)。所有硬件設(shè)備安裝完成后，還需進(jìn)行PLC 組態(tài)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)控制，并能在集控室遠(yuǎn)程控制電動(dòng)閥門(mén)開(kāi)度。做試驗(yàn)過(guò)程中，尤其是處理采集壓力值、質(zhì)量濃度值與閥門(mén)開(kāi)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系較困難，壓力及質(zhì)量濃度具體數(shù)值多少對(duì)應(yīng)閥門(mén)開(kāi)的角度大小，這個(gè)在具體實(shí)施時(shí)困難較大。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)流量計(jì)分別采集流量數(shù)據(jù)，結(jié)合高質(zhì)量濃度瓦斯氣體管道直徑、低質(zhì)量濃度瓦斯氣體管道直徑和壓力變送器檢測(cè)的壓力值，實(shí)時(shí)計(jì)算出閥門(mén)開(kāi)度。壓力值必須保持在18～25 kPa，混合瓦斯氣質(zhì)量濃度必須保持在30%～35%，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的壓力值和質(zhì)量濃度值與該設(shè)定值進(jìn)行比較，通過(guò)PⅠD 閉環(huán)控制最終保證進(jìn)入燃?xì)鈾C(jī)組的瓦斯壓力、質(zhì)量濃度值保持在要求的設(shè)定值范圍內(nèi)。選用的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是調(diào)節(jié)型電動(dòng)蝶閥，以AC220 V 電源作為動(dòng)力，接收PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)輸出的4～20 mA 信號(hào)來(lái)完成調(diào)節(jié)工作，4～20 mA 對(duì)應(yīng)閥門(mén)開(kāi)度為0～100，進(jìn)行PⅠD 參數(shù)設(shè)置，通過(guò)計(jì)算實(shí)現(xiàn)精確地控制輸出，從而對(duì)閥門(mén)開(kāi)度的精準(zhǔn)控制。

2.2 解決措施

安裝DN600 電動(dòng)閥時(shí)，必須確保閥門(mén)安裝位置準(zhǔn)確，螺栓受力均勻，不能使管道有任何變形。新增控制柜的選址依據(jù)山地較高原則，選擇距電動(dòng)閥位置較近且地勢(shì)較高的位置，保持與燃?xì)夤艿绤^(qū)域的安全距離足夠，同時(shí)搭建磚混結(jié)構(gòu)柜體基礎(chǔ)，可使柜體底部距地面0.5 m。電纜埋地敷設(shè)，鋪設(shè)時(shí)自下而上分層排列：動(dòng)力電纜在最下面，控制電纜在中間，信號(hào)電纜在最上面，信號(hào)線要采用屏蔽對(duì)絞電纜連接，信號(hào)線屏蔽電纜在控制柜側(cè)要正確接地，才能更好起到信號(hào)抗干擾作用。所有設(shè)備及線路安裝完成后，檢測(cè)絕緣電阻值符合標(biāo)準(zhǔn)再完成接線，接線完成后檢查所有線路連接處端子接口是否壓接到位，檢測(cè)PLC 控制柜內(nèi)各個(gè)模塊的運(yùn)行情況是否正常，由于PLC 電源為24 V，一旦接線錯(cuò)誤將220 V 連接到PLC，就很容易燒毀PLC或擴(kuò)展模塊，所以施工時(shí)必須高度重視這個(gè)細(xì)節(jié)。確認(rèn)電源后，發(fā)送電源并測(cè)試輸入和輸出點(diǎn)。測(cè)試Ⅰ/O點(diǎn)需要逐個(gè)測(cè)試，包括所有開(kāi)關(guān)量和模擬量等，一個(gè)人在現(xiàn)場(chǎng)操作，另一個(gè)人監(jiān)視PLC 中的輸入和輸出信號(hào)，建立測(cè)試表。如果發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中存在接線錯(cuò)誤，立即進(jìn)行處理。檢查電動(dòng)調(diào)節(jié)閥機(jī)械結(jié)構(gòu)并測(cè)試電動(dòng)機(jī)負(fù)載，在此步驟中，需要檢查機(jī)械結(jié)構(gòu)是否緊密等，并適當(dāng)保護(hù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載，以免發(fā)生意外事故。檢查后，需要手動(dòng)測(cè)試設(shè)備的運(yùn)行情況，并進(jìn)行帶電試運(yùn)行。測(cè)試了Ⅰ/O 點(diǎn)和負(fù)載側(cè)，進(jìn)行組態(tài)調(diào)試，尤其是在做試驗(yàn)過(guò)程中，反復(fù)進(jìn)行多次，才找到了濃度值和壓力值與閥門(mén)開(kāi)度的最佳對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行組態(tài)編程，將寫(xiě)好的程序輸入CPU 中。完成編程之后，下一步就是在手動(dòng)模式下進(jìn)行調(diào)試，手動(dòng)模式調(diào)試成功后才可以進(jìn)入自動(dòng)模式調(diào)試，必須測(cè)試多個(gè)工作周期以確保系統(tǒng)可以連續(xù)工作而不會(huì)出錯(cuò)，排除各個(gè)節(jié)點(diǎn)問(wèn)題，最終順利調(diào)試成功，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能。

3 結(jié)論

該項(xiàng)目研發(fā)后，實(shí)現(xiàn)了低濃瓦斯放散閥的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。當(dāng)高濃瓦斯氣流量或壓力變化時(shí)，可遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)低濃的配比量，保證混合后母管氣體質(zhì)量濃度和壓力的穩(wěn)定，大幅減少了燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的跳機(jī)次數(shù)和頻率，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。有效減少了人員工作量，提高了發(fā)電效率，降低了因質(zhì)量濃度不穩(wěn)定造成頻繁跳機(jī)的能源消耗和設(shè)備損耗，提高了機(jī)組平均負(fù)荷率和發(fā)電量，保證設(shè)備穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行。本項(xiàng)目通過(guò)設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、壓力變送器、甲烷濃度儀、PLC控制柜和監(jiān)測(cè)PC 等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)低質(zhì)量濃度瓦斯進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。利用西門(mén)子S7-200 實(shí)現(xiàn)母管壓力對(duì)放散閥開(kāi)度的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)放散調(diào)節(jié)閥的遠(yuǎn)程控制，以確保質(zhì)量濃度相對(duì)穩(wěn)定或變化可控；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，操作更加方便，系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)對(duì)放散電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的PⅠD 控制，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)放散電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的手動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)質(zhì)量濃度的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。因該項(xiàng)目相關(guān)所有設(shè)備線路均處于山坡野外，建議在后期運(yùn)行中，要加大對(duì)所有設(shè)備及傳輸線路的巡查維護(hù)工作，尤其要保障電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、壓力變送器、CPU、模擬信號(hào)輸入、輸出模塊、控制模塊24 h 不間斷電源供應(yīng)，工作正常，信號(hào)傳輸準(zhǔn)確及時(shí)穩(wěn)定。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的防腐工作要及時(shí)進(jìn)行，不能讓調(diào)節(jié)閥銹蝕無(wú)法動(dòng)作或閥門(mén)開(kāi)啟卡阻等現(xiàn)象出現(xiàn)。同時(shí)西門(mén)子S7-200 控制器的組態(tài)編程程序要做好保存?zhèn)浞莨ぷ鳎乐箶嚯妬G失造成重啟系統(tǒng)困難。