基于PLC 技術的雙套管密相氣力輸灰控制系統(tǒng)

張 東，孫曉東，劉 松，尹鶴軒

（沈陽工程學院a.新能源學院；b.研究生部，遼寧 沈陽 110136）

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，火力發(fā)電依舊是當前社會電力供應的主要途徑。在火力發(fā)電過程中輸灰系統(tǒng)作為一套不可或缺的輔助設備，一直受到火電廠的重視［1-4］。是否能及時處理積灰直接關系到整個系統(tǒng)是否能穩(wěn)定運行，若灰斗內出現(xiàn)大量積灰現(xiàn)象，會降低除塵器的工作效率，使引風機損壞，最終導致輸灰能力直線下降［5］。

在傳統(tǒng)的氣力輸灰控制系統(tǒng)中，灰速較高，灰管和設備部件磨損嚴重，煤灰的體積密度和粒徑有一定的要求［6-7］。因此，對系統(tǒng)關鍵設備進行優(yōu)化選擇，如氣化風機、進料閥、出料閥、進氣閥、平衡閥及PLC等應采用可靠的具備優(yōu)良質量的硬件，以確保該系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運行［8］。本系統(tǒng)采用雙套管密相氣力輸灰，在輸灰管內上方增設一根輔助空氣管，輔助空氣管上每隔一定距離設置一個開口，開口中安裝節(jié)流板。飛灰在輸送氣的作用下，以較低的速度向前運動，當管內飛灰出現(xiàn)沉積時，向輔助空氣管中輸送空氣，并在開口處噴出，擾動沉積下的灰，將積灰吹散，使飛灰繼續(xù)向前輸送［9］。利用雙套管密相氣力輸灰，可實現(xiàn)密相、低速地輸送飛灰且不堵管，確保了系統(tǒng)安全、可靠地運行。

1 雙套管結構及輸灰控制系統(tǒng)的控制要求

雙套管正壓濃相氣力輸送系統(tǒng)的管道結構為大管套小管，內管位于外管內壁頂部，內管上每隔550 mm 開1 個V 形口，并在V 形口處焊接1 塊直徑60 mm，厚30 mm的節(jié)流孔板，結構如圖1所示。正常輸灰時，外管輸灰，內管輸氣，壓縮空氣進、出內管的V 形開口及孔板時產生強烈紊流效應，不斷擾動物料，使物料形成波浪狀前進；當外管堵塞時，增大壓縮空氣的壓力和速度，氣流從開口高速噴出，沖刷料栓背風面，擾動沉積的物料，使輸灰管道恢復正常運行。

圖1 雙套管結構

所有輸灰單元在獨立運行時，都有裝灰過程和輸灰過程。

1）裝灰過程

裝灰過程是以時間為控制量，料位優(yōu)先為原則。裝灰時，在進氣閥和出料閥關閉的情況下，先開平衡閥，平衡閥開到位后，延時10 s打開進料閥，進料閥開到位后，上位機開始計時，輸送器的高料位機報警或裝灰時間到，進料閥開始關閉，進料閥關到位后，延時10 s 開始關閉平衡閥，此單元的所有閥門關到位后，裝灰過程結束，準備進行輸灰過程。

2）輸灰過程

在輸灰過程中，根據(jù)輸灰管道的壓力值來判斷輸灰是否結束。裝灰結束后，所有閥門處于關閉狀態(tài)。輸灰開始時，先開出料閥，出料閥開到位后，延時幾秒鐘再打開進氣閥，進氣閥開到位后，輸灰正式開始計時，此時壓力變送器的壓力值開始緩慢上升，上升到一定值后，又逐步下降，下降到設定的結束壓力值后再延時吹掃10 s，這時說明輸送器內部的灰已經全部輸送完。輸送器內的灰輸送完后開始關閉進氣閥，進氣閥關到位后，延時10 s 關閉出料閥。進氣閥關到位說明輸灰過程已經結束，將要進行下一個裝灰過程。輸灰過程中設有補氣裝置（補氣閥），當灰路壓力高于事先設定的開啟壓力時，補氣閥就自動開啟；灰路壓力低于設定的關閉壓力值時，補氣閥就自動關閉。

輸灰系統(tǒng)運行方式分為手動和自動。手動方式是所有閥門需手動實現(xiàn)單個操作；自動方式是所有閥門需按照已經編好的程序自動運行。輸灰控制系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 輸灰控制系統(tǒng)的組成

2 輸灰控制系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)開始運行，先開啟平衡閥，若無平衡閥打開則不正確的信號返回，延時10 s，開啟進料閥，若無進料閥打開則不正確的信號返回，開始進料，進料時間到或者料位高信號到，停止進灰。進灰結束后，先關閉進料閥，若無進料閥關閉則則不正確信號返回，延時10 s，關閉平衡閥。所有平衡閥與進料閥都關閉后，進入輸灰排隊隊列。輸灰信號到時，先開啟出口閥，若無出口閥開啟則不正確信號返回，延時10 s，開啟進氣閥，若無進氣閥開啟則不正確信號返回。當進氣閥開到位時，開始輸灰計時，同時開始采集輸灰管道壓力，若輸灰時間到或管道壓力小于設定值，輸灰結束。在此過程中，若管道壓力大于設定值25 kPa，開啟補氣閥。輸灰結束后，吹掃管道10 s，開始關閉進氣閥，若無進氣閥關閉不正確信號，進氣閥關到位10 s 后開始關閉出口閥，出口閥與進氣閥關到位后，開始啟動下一次裝灰過程。若程控無問題，無堵管報警，則此輸灰過程一直循環(huán)。輸灰控制系統(tǒng)工藝流程如圖3 所示。

本設計輸灰控制系統(tǒng)共含有6 個電廠單元，下面僅對一個電廠A側單元進行設計。輸灰控制系統(tǒng)一般按自動方式運行，當系統(tǒng)出現(xiàn)堵管報警時，需要進行手動清堵；自動運行出現(xiàn)其他問題而不能按自動方式運行時，需采用手動方式運行系統(tǒng)。系統(tǒng)程序由1 個主程序和2 個子程序構成。

圖3 輸灰控制系統(tǒng)工藝流程

2.1 輸灰控制系統(tǒng)主程序設計

主程序的主要功能為啟動輸灰子程序與調用輸灰管道的模擬量采集子程序。

1）啟動輸灰子程序

按下啟動輸灰按鈕，調用子程序SBR_0，輸灰系統(tǒng)開始自動循環(huán)輸灰。若按下停止輸灰按鈕，或系統(tǒng)出現(xiàn)堵管報警，則停止輸灰，手動清堵結束或再次按下啟動按鈕后，繼續(xù)開始輸灰。啟動輸灰子程序如圖4所示。

2）調用模擬量采集子程序

當電廠A 側單元進氣閥開到位后，開始輸灰，此時調用子程序SBR_1，采集輸灰管道模擬量；當進氣閥關到位后，停止采集模擬量。調用模擬量采集子程序如圖5所示。

圖4 啟動輸灰子程序

圖5 調用模擬量采集子程序

2.2 輸灰控制系統(tǒng)子程序設計

1）電廠A側單元輸送器裝灰控制程序

當進氣閥關到位時，說明輸灰過程沒有開始或上一個輸灰過程已經結束，將要開始裝灰或進行下一個裝灰過程。在進氣閥和出料閥都關閉的前提下，先開平衡閥。3 個平衡閥開啟程序如圖6所示。

圖6 平衡閥開啟

平衡閥開到位時，定時器開始計時，為進料閥開啟做準備，T37、T40、T43計時程序如圖7所示。

平衡閥開到位10 s 后，開啟進料閥，若輸送器高料位報警或裝灰時間到，關閉則進料閥。3 個進料閥開啟程序如圖8所示。

當進料閥開到位時，開始裝灰，此時定時器T39 開始裝灰計時，設裝灰時間為5 min。3 個輸送器的裝灰時間程序如圖9、圖10、圖11所示。

圖7 平衡閥開到位后計時程序

圖8 進料閥開啟

圖9 輸送器1設定裝灰時間

圖10 輸送器2設定裝灰時間

圖11 輸送器3設定裝灰時間

當進料閥關到位時，定時器開始計時，為平衡閥關閉做準備。進料閥關到位后10 s，開始關閉平衡閥。T38、T41、T44 計時程序如圖12、圖13、圖14 所示。

圖12 T38計時器

圖13 T41計時

圖14 T44計時

2）電廠A側單元輸灰控制程序

裝灰罐所有閥門關到位，先開啟單元出料閥，出料閥開到位后，延時10 s 再開啟單元進氣閥，進氣閥開到位后，輸灰開始計時，設置輸灰時間為10 s，輸灰程序通過灰管路壓力變送器（壓力值p）控制，氣路管壓力變送器輔助控制。壓力值p逐漸升高，到達一定值后就由高逐漸降低，降到輸灰結束時的壓力設定值以下就可以判斷輸灰結束。當p＜9 kPa或輸灰時間到時，開始進行單元吹掃，吹掃時間為10 s，吹掃結束后關閉進氣閥，進氣閥關到位后延時10 s 開始關閉出料閥。進氣閥關到位說明輸灰過程已經結束。輸送過程中，當p＞25 kPa時，補氣閥自動開啟；當p<25 kPa時，補氣閥自動關閉。

當2個裝灰罐所有平衡閥與進料閥關到位時，電廠單元出料閥開啟。出料閥開啟程序如圖15所示。

圖15 出料閥開啟

出料閥開到位后，定時器T46 開始計時，計時時間為10 s，為開啟單元進氣閥做準備。T46 計時程序如圖16所示。

圖16 T46計時

出料閥開到位10 s 后，開啟進氣閥。當管路壓力變送器的壓力值小于90 Pa 或輸灰時間到時，單元吹掃10 s 后，進氣閥開始關閉。電廠A 側進氣閥開啟程序如圖17所示。

圖17 電廠A側進氣閥開啟

當電廠A 側單元進氣閥關到位時，定時器T49開始計時，計時時間為10 s，10 s 后出料閥關閉。T49計時程序如圖18所示。

圖18 T49計時

當電廠A側進氣閥開到位時，輸灰開始計時，設輸灰時間為10 s。設定輸灰時間程序如圖19所示。

圖19 設定輸灰時間

當電廠A 側進氣閥開到位時，調用子程序SBR_1，開始對輸灰壓力管道進行模擬量采集，模擬量采集程序如圖20所示。

圖20 模擬量采集

當管路壓力變送器的壓力值小于9 kPa或輸灰時間到時，定時器T48 開始計時，計時時間為10 s，即輸灰結束后，進行10 s 單元吹掃后關閉進氣閥。設定吹掃時間程序如圖21所示。

圖21 設定吹掃時間

在輸灰過程中，若管路壓力變送器的壓力值大于25 kPa，開啟補氣閥；低于設定壓力值，補氣閥就自動關閉。電廠A 側補氣閥開啟程序如圖22所示。

圖22 電廠A側補氣閥開啟

當進氣閥開到位后，輸灰置位，開始輸灰。當管路壓力變送器的壓力值小于9 kPa或輸灰時間到或1#灰?guī)炝衔桓邥r，輸灰復位，停止輸灰。電廠A側向1#灰?guī)燧敾覇⑼３绦蛉鐖D23所示。

圖23 電廠A側向1#灰?guī)燧敾覇⑼?/p>

若1#灰?guī)旄吡衔粓缶Ｖ瓜?#灰?guī)燧敾?，開始向2#灰?guī)燧敾摇Ｈ?#灰?guī)旄吡衔粓缶?，則停止向電廠A 側單元輸灰。電廠A 側向2#灰?guī)燧敾覇⑼３绦蛉鐖D24所示。

圖24 電廠A側向2#灰?guī)燧敾覇⑼?/p>

3 輸灰控制系統(tǒng)組態(tài)界面

本設計采用紫金橋組態(tài)軟件對基于PLC技術的雙套管密相氣力輸灰控制系統(tǒng)進行了組態(tài)設計。結合此系統(tǒng)可以實現(xiàn)輸送器的裝灰、閥門的順序控制、管道的輸灰、料位高報警及提示、氣化風機的啟動和輸灰系統(tǒng)的工業(yè)控制等功能。

3.1 1#爐氣力輸灰系統(tǒng)操作界面

啟動程序后，系統(tǒng)將進入氣力輸灰系統(tǒng)控制界面，其主界面為1#爐氣力輸灰系統(tǒng)監(jiān)控界面。界面中共有6 個電廠單元，每個電廠單元含有3 個輸送器，以及相應的平衡閥、進料閥、出料閥、進氣閥，每個電廠單元向相應的3個灰?guī)燧敾摇?/p>

按下啟動按鈕，電廠A 側單元3 個平衡閥開啟，10 s 后，3 個進料閥開啟，開始裝灰。裝灰結束后，所有平衡閥與進料閥關到位，開始輸灰過程。首先出料閥開啟，10 s 后進氣閥開啟，管道中有灰輸出，先向1#灰?guī)燧敾遥?#灰?guī)旄吡衔粓缶?，則向2#灰?guī)燧敾摇Ｑb灰輸灰操作界面如圖25所示。

圖25 裝灰輸灰操作界面

3.2 氣化系統(tǒng)操作界面

氣化系統(tǒng)操作界面對輸灰控制系統(tǒng)的所用氣化風機和風機切換閥進行監(jiān)控。1#爐和2#爐各有2 臺氣化風機和1 臺加熱器，電加熱器對風進行加熱，防止出現(xiàn)灰板結現(xiàn)象，每個風機出口有1 個切換閥。這些設備均可以遠程操作，用鼠標點擊要操作的設備圖片，將會出現(xiàn)操作圖片，以實現(xiàn)對設備的控制。

3.3 實驗結果分析

優(yōu)化后的PLC 程序在2×1 000 MW 機組除灰系統(tǒng)中試用。運行一段時間后發(fā)現(xiàn)，該除灰系統(tǒng)堵管發(fā)生率有效降低，管路和彎頭的磨損率降低了30%，整個輸送氣源壓力由原來的600 kPa 降低到540 kPa，既能穩(wěn)定輸送，又實現(xiàn)了節(jié)能。上位機基本實現(xiàn)了無人操作，運行人員不再需要頻繁地修改裝灰時間，減少了工作量。

4 結語

該輸灰控制系統(tǒng)采用PLC 控制與紫金橋組態(tài)相結合，通過控制閥門來控制裝灰與輸灰過程，同時也實現(xiàn)了對氣化風機的控制。采用紫金橋組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)作為PLC的人機界面，優(yōu)化了輸灰控制系統(tǒng)各輸送器及灰?guī)熘g的工作過程，采用雙套管密相氣力輸灰，使飛灰實現(xiàn)密相、低速輸送而不堵管，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。