基于PLC控制下的余热回收系统

时间：2024-04-25

张金奎

中国电建集团上海能源装备有限公司上海 200126

在传统钢铁行业中，高温废气经过除尘后直接排入大气，既造成大气污染的同时又造成了能源的浪费。为了响应国家能源战略，遵从节能减排政策，以钢铁行业为例增加余热回收系统。在废气风机前的烟气通道上设置余热锅炉，产生的蒸汽并入车间能介管网进行发电。之后，废烟气降至约200℃左右，经由废气风机抽至烟囱排放。从而为我国电气工程自动化行业的发展提供机遇，为国家经济建设和环境保护添砖加瓦[1]。

1 系统组成

1.1 汽水系统

来自加热炉汽化楼纯水箱的纯水，经纯水泵增压后先经过给水预热器预热后，进入除氧水箱，除氧水与锅炉的除氧蒸发器形成低压循环，利用低压循环吸收的热量进行热力除氧，锅炉启动及低负荷时以外部蒸汽为辅助热源进行除氧。给水采用母管制，经锅炉给水泵增压后送入余热锅炉的省煤器，在省煤器换热后进入汽包。炉水在锅炉内经蒸发器、汽包产生1．0MPa的饱和蒸汽。饱和蒸汽再经汽包--过热器，最终生产出1．0MPa、184℃低压过热蒸汽。经调节阀减压至0．7MPa，温度达到170℃并入厂区主管网。主要设备有除氧器给水调节阀、除氧器蒸汽压力调节阀、锅炉出口蒸汽压力气动调节阀；控制方式为手动、自动。纯水泵、补水泵控制方式为手自动；其中手动分本地控制柜手动和远程HMI手动两种启动方式。

1.2 烟气系统

分别从加热炉水平烟道接入大烟囱前引出烟气支管，两路烟气支管分别从余热锅炉上侧接入余热锅炉。两路烟气的锅炉进出口分别设置电动蝶阀，在原有引出烟道内部设置气动蝶阀。加热炉高温烟气在余热锅炉内依次经过热器、蒸发器、省煤器、除氧蒸发器和给水预热器进行换热，再经引风机增压后通过烟气管道送至烟囱排放，经引风机增压后通过烟气管道送至烟囱排放[2]。引风机采用变频控制，以加热炉炉压为主要控制变量，炉压信号引自原加热炉控制系统。余热锅炉正常生产时，常规烟道的气动蝶阀关闭，待回收的烟气通过旁通烟道送入余热锅炉。当余热锅炉发生故障时，先打开常规烟道的气动蝶阀，后变频控制引风机出力缓慢降低，最后关闭余热锅炉进出口电动蝶阀，使余热回收系统从加热炉排烟系统中完全切除。

2 锅炉给水控制原理

在整套系统控制中，汽包液位是关键因素。为了保证汽包液位的准确度，锅炉汽包安装有两个液位变送器，正常情况下这两个液位信号在PLC系统内取平均值后传递使用。若两个信号偏差大与程序设定值但都在正常范围之内，则系统报警。同时，操作员可以在画面上人为选择使用两个测量信号或只使用其中的某一个信号。如果有信号超出正常范围，则报警。

汽包水位控制采用自动调节的功能，使给水量与锅炉蒸发量相平衡，并维持汽包中水位在工艺规定的范围内。由于影响汽包水位变化的干扰因素很多（给水量的干扰、蒸汽负荷变化、废气量变化、汽包压力变化等），传统的单回路控制无法满足控制要求，所以需要通过汽包水位(取其平均值作为控制信号)、给水流量、蒸汽流量三个冲量信号经过PID计算来调节给水阀门的开度，从而达到自动控制给水流量的目的[3]。

在这个控制系统中，汽包水位是被控量，是主控信号；蒸汽流量、给水流量是两个辅助冲量控制信号，引入蒸汽流量目的是补偿"虚假水位"引起的阀门误动作，引入给水流量可以克服给水自身的扰动（如水压变化），进一步地稳定了水位的自动控制。从结构上来说，这是一个带有前馈信号的串级控制系统，其系统方块图如下：

将液位变送器的输出信号与液位给定值进行比较，得到的偏差值通过主调节器的调节，作为副调节器的给定信号，它与作为前馈信号的蒸汽流量信号和给水流量的差值进行比较，得到的偏差再通过副调节器的输出给调节阀，调节阀通过自动调节开度直至给水量与蒸发量恢复动态平衡状态[4-6]。

3 主要设备构成

余热锅炉回收系统主要由锅炉本体、水箱、给水泵、引风机、调节阀、电动阀加药装置等设备组成的一个系统集合。为了保证系统的安全性和稳定性，对设备的需求要符合安全设计要求。

3.1 余热锅炉

余热锅炉为立式管壳式火管余热锅炉。为了施工进度锅炉形式为组装，由汽包、锅炉本体、上升管、下降管，阀门仪表等组成。锅炉蒸汽额定参数为1．0MPa，184℃；运行参数为0．7MPa，170℃。余热锅炉烟气总阻力在最大工况下不大于1000Pa。在允许的烟气工况波动范围内，余热锅炉安全运行，余热锅炉蒸汽品质满足相关的国家规范。

3.2 软水箱

余热锅炉配套纯水箱1套，按钢制焊接常压容器设计，纯水介质，常规压力设计建造。

3.3 给水泵

余热锅炉配套给水泵2套；考虑现场安装控件采用立式多级离心泵形式；由于是户外安装，所以电机防护等级不低于IP55；电压等级380V，机械密封，采用单端面，符合JB/T6614-2011《锅炉给水泵用机械密封技术条件》的相关规定。

3.4 加药装置

为了调节给水和炉水符合GB1576《工业锅炉水质》标准要求，设磷酸盐加药装置一套。

3.5 锅炉控制系统的硬件及应用软件

余热锅炉相关的现场仪表和电气设备的所有信号以I/O信号形式送到锅炉远程I/O站，该远程I/O站通过profinet方式与该机组炉子的PLC控制系统进行通讯，锅炉系统的应用软件植入炉子PLC中，锅炉系统的操作、监控等画面集成在炉子控制系统的操作站中，以实现余热锅炉工艺设备的监控、操作功能。

4 余热回收系统上位机设计

余热回收系统上位机画面囊括烟气系统、汽水系统两张主要监视控制界面。在每一个操作界面内设置余热回收系统界面（汽水和烟气），可弹出菜单画面、数据设定画面、单体设备控制画面。该画面显示出从纯水箱输入纯水到余热回收系统生产出合格蒸汽的工艺流程；烟气从进入锅炉本体到出锅炉本体的工艺流程，加药从加药装置到进入汽包的工艺流程。主要包括水箱、给水泵、汽包、烟道蝶阀、加药装置、连接管道和各种阀门（含调节阀、流量计），显示出监测的各项运行参数，并与设备相关信息相一致[7]。上位机还包括现时故障和历史故障画面、趋势跟踪事件、模拟量信号趋。势图、报表打印等功能。以方便相关人员对系统参数的分析与结算，便于对系统运行状况进行分析。控制系统配置1台工程师站、1台操作员站布置在余热锅炉控制室与控制室画面同步，实现了高度可靠的集中监视、操作、管理于一体的综合性控制系统；并具有友好的人机界面，用以实现对整个余热锅炉的工艺生产过程相关设备、冷却水辅助设备、电气设备、管网的流量、压力、温度等相关设备及参数进行监控和操作，同时实现工艺生产过程数据的采集、报表打印等功能。