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基于 S7-1500 PLC的启动锅炉低氮技改方案研究

2025-06-08 60 上传者：管理员

摘要：为响应浙江省政府的指导方针及集团环保要求，余姚电厂针对启动锅炉氮氧化物排放过高的问题，实施了低氮改造计划。将现有可编程逻辑控制器更换为新型控制器，安装低氮燃烧器，升级燃气调节阀，并在引风机上加装变频驱动器。通过这些措施，优化了锅炉的启动与停机程序，确保了氮氧化物排放质量浓度低于50 mg/m3,且符合相关锅炉安全标准。改造后，电厂不仅将环保指标控制在规定范围内，还实现了现场与远程位置的双向通信功能。

关键词：
低氮改造
变频器
可编程逻辑控制器
启动锅炉
蒸汽轮机
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根据浙江省政府的指导方针及长三角地区大气治理方案的要求,须加快推进燃气锅炉低氮改造｡2018年10月底前,已制定了燃气锅炉低氮燃烧改造方案,规定改造后氮氧化物排放质量浓度原则上不得高于50mg/m3,且须符合相应的锅炉安全技术要求｡

国能浙江余姚燃气发电有限责任公司采用美国GE公司的S209FA燃气蒸汽联合循环发电机组作为主设备,总装机容量780MW,包含2台9FA燃气轮机和1台D11蒸汽轮机,2台燃机配套1台启动锅炉｡目前,2台燃机同时停机的情况较为频繁,导致启动锅炉使用也较为频繁｡而该启动锅炉为建厂初期产品,自2007年投入运行以来,已使用超过17a｡正常运行时其氮氧化物排放质量浓度在100150mg/m3之间｡

针对启动锅炉使用频繁的情况,结合浙江省“打赢蓝天保卫战”三年行动计划要求,决定对现有启动锅炉控制系统进行智能化改造｡改造要求包括:确保启动锅炉排气中氮氧化物质量浓度不高于50mg/m3;实现辅控向主控的转变,使所有启动炉设备均由分布式控制系统(DCS)操控,同时记录历史参数及报警信息;或在主控室设置启动锅炉操作员站,以便在主控室远程操控启动炉设备,并记录相关历史参数及报警信息;提升系统的智能化控制水平和稳定性;实现远端一键启停,确保现场数据能够实时传送､支持远程故障诊断,并实现工作现场的无人值守｡

1、方案设计

1.1工艺流程

启动锅炉的监测信号被实时传输至可编程逻辑控制器(PLC),PLC根据内部设定的逻辑组态对输出设备进行控制,从而实现启动锅炉的自检､点火､加减负荷及停机操作｡PLC的通信模块分别与监测控制生成系统(monitorandcontrolgeneratedsystem,MCGS)触摸屏和DCS建立通信连接,其中,MCGS触摸屏用于实现启动锅炉的就地控制,DCS则用于实现启动锅炉的远程监视与控制｡

1.2总体方案

采用DCS和MCGS触摸屏作为上位机,PLC作为下位机,组成两级监控系统｡系统通过压力传感器测量值与设定值的偏差来控制引风机挡板的开度,以保持锅炉炉膛内处于微负压状态｡PLC负责数据的运算和处理,并输出相应的控制信号｡通过就地控制界面的启动､加减负荷及停机按钮,实现启动锅炉的全流程控制,具体包括4个电磁阀用于燃气锅炉启停前后的阀门检漏工作,2个电动调节阀配合低氮燃烧器完成燃烧分区控制,从而实现燃烧全过程的低氮排放｡系统流程图如图1所示｡

图1系统流程图

2、硬件设计

根据输入输出信号的数量,下位机选用了西门子S7-1500PLC,具体型号为CPU1511-1PN｡此外,还扩展了3个16点数字量输入模块､2个16点数字量输出模块､1个4通道RTD/TC模拟量输入模块､5个8通道模拟量输入模块,2个4通道模拟输出模块,以及1个CMPTP通信扩展接口[1]｡

锅炉炉膛内的参数通过压力传感器和热电偶温度传感器测量,并将数据传输至控制器｡PLC输出信号给变频器,变频器通过调速控制送风电机的转速,从而为锅炉炉膛提供合适的空气与燃气配比进行燃烧｡锅炉启动过程由PLC内的顺控程序进行控制,通过检漏电磁阀､点火电磁阀､送风机､引风机和燃料控制调节阀等多个设备,实现锅炉的启停和加减负荷过程

2.1变频器

根据实时配风要求,PLC输出信号至变频器,由变频器控制送风电动机的转速,以实现快速且准确的空气配送,确保燃气锅炉的低氮燃烧｡ACS510是ABB公司生产的一款通用型变频器,主要用于控制和管理交流电动机的速度和扭矩,广泛应用于水泵､风机､压缩机､输送带等工业领域[2]｡该变频器可接受PLC的控制,通过RS-485接口进行通信,并支持Modbus协议｡其输入电压范围为单相200240V或三相380480V,输入频率为50Hz/60Hz,能够满足送风机电机的功率需求｡因此,本文选用ABB-ACS510变频器,并利用CMPTP通信接口,通过Modbus协议对变频器的输出进行控制,以实现送风机电机的转速调节｡

2.2电机控制电路

送风机在启动前及停机后会满频率运行,以配合引风机对炉膛内可能残存的天然气进行清吹｡在燃烧器点火后,引风机频率设定为17%,风门开度设为2%,完成点火且火焰监测正常后,延时5s,引风机频率上升至25%,风门开度增加至17%,同时各燃气调节阀的开度满足最低燃烧负荷要求｡随后,根据加减负荷的需求,调节各阀门的开度及送风机变频器的输出频率｡送风机电机变速运行的控制电路如图2所示｡

图2送风机的电机变速运行控制电路图

2.3低氮燃烧器

启动锅炉在正常燃烧时,能够提供压力在0.60.8MPa之间､温度超过200℃､流量达10t/h的过热蒸汽,用于为汽轮机提供轴封｡轴封建立后,须利用真空泵对凝汽器系统进行抽真空｡待轴封及抽真空系统均正常运行后,燃气轮机方可正常启动｡燃烧器作为启动锅炉的核心部件,必须选择更为环保､节能､智慧的燃烧器,才能更好地实现启动锅炉改造的目标｡

控制氮氧化物排放可通过抑制热力型和燃料型氮氧化物来实现｡当燃料为天然气时,由于天然气的氮含量较低,热力型氮氧化物成为唯一可实际控制的组分｡燃烧修正技术通过降低火焰中心高温来实现,是降低热力型氮氧化物最有效的方法[3]｡

欧保EC系列燃烧器作为一款先进的燃烧设备,因其出色的燃烧效率和低排放性能而在市场上备受关注｡该系列燃烧器在工业领域得到了广泛应用,主要得益于其高效､低排放的特点｡它采用先进的燃烧技术,如预混燃烧､分级燃烧等,优化了燃烧过程,提高了燃烧效率,并降低了有害物质的排放[4]｡欧保EC系列燃烧器的具体参数如表1所示｡

表1可选择燃烧器参数

综合考虑本厂启动锅炉的实际运行工况,以及需求､环保性､经济性等多方面因素,并结合供应商提供的燃烧器参数表,本次设计改造选择了ER6GR型欧宝低氮燃烧器｡

3、软件设计

控制器CPU1511-1PN采用流程化编程方案,遵循顺序执行的设计模式,具体方案如图3所示｡

图3控制器编程方案框架图

1)初始状态｡在PLC不间断扫描过程中,检查电源状态确保正常,设备无异常表现,系统未发出报警或跳闸信号,即视为满足初始条件｡

2)检漏｡启动炉的阀门检漏流程分为两个阶段｡第一阶段:首先给主电磁阀2通电,打开5s后关闭,将主电磁阀1与主电磁阀2之间的气体压力降至大气压｡在接下来的30s内,通过检漏开关检测该区域压力是否上升｡若检测到压力上升,则表明主电磁阀1存在漏气,燃烧器无法启动｡若检测主电磁阀1无漏气,则进入第二阶段｡第二阶段:给主电磁阀1通电,开启5s后关闭,使主电磁阀1和主电磁阀2之间的压力达到天然气气源压力,并保持30s｡若检漏开关动作,则判定检漏失败,系统报警并退出点火程序控制｡若检漏开关保持不动,30s后判定检漏通过,进入前吹扫步骤｡

3)前清吹｡启动锅炉后,引风机以星形接法启动,运行10s后转为角形接法稳定运行,再运行5s后,燃烧器程序控制电源通电｡送风机以星形接法启动,10s后转为角形接法运行｡引风机和送风机的调节挡板相互配合,送风机调节挡板开度控制在35%,对启动锅炉进行通风吹扫,持续180s后完成吹扫,进入点火准备阶段｡

4)点火准备｡送风机频率､燃烧器风门､燃烧器中心气调节门和外环气调节门自动调整至相应的点火位置,60s后开始点火｡

5)点火｡燃烧器自动引入燃气至最低负荷状态｡若上锅筒出口蒸汽温度低于110℃,则禁止增加负荷｡当送风机频率､燃烧器风门､燃烧器中心气调节门､外环气调节门和炉膛压力均到达相应位置和点火范围内时,启动点火变压器,2s后打开点火阀1和点火阀2,8s后关闭点火变压器｡若无火检信号,则触发点火失败,停机后进行吹扫;若火检信号稳定,则判定点火成功｡

6)正常燃烧｡点火成功后,送风机频率､燃烧器风门､燃烧器中心气调节门和外环气调节门保持在点火位置,打开主气阀1和主气阀2,点火位置稳燃烧5s后,上述调节装置自动调整至10%负荷点,3s后关闭点火阀1和点火阀2｡准备切换至大火状态｡锅炉正常燃烧后,就地操作员可根据出口过热蒸汽情况及集控值班员的要求,通过MCGS触摸屏点击加减负荷按钮来调节燃气调节阀和送风挡板,以满足负荷调整需求｡风燃配比表参考表2所示,合理的配比有助于实现稳定燃烧和更环保的排放指标｡

表2风燃配比表

7)停机/后清吹｡接到停机指令后,应首先将锅炉负荷调整至最低,待炉膛内运行参数恢复正常后,点击停机按钮,燃气调节阀随即关闭｡随后进行停机后的阀门自检,确认阀门无泄漏后,启动送风机对锅炉进行通风吹扫,180s后吹扫完成,停机程序结束｡

4、监控界面设计

组态界面设计涵盖了DCS启动锅炉风烟系统､触摸屏启动锅炉风烟系统及锅炉送风机控制界面｡图4展示了触摸屏及DCS的启动锅炉风烟系统界面,通过该界面上的操作按钮,实现锅炉的启停､加减负荷操作,切换各设备及阀门的自动控制与手动控制状态,以及设定阀门的开度｡点击送风机操作按钮后,还能设置变频器的频率｡锅炉送风机的操作界面则包括变频器的启停控制､手自动设定及具体的频率设定功能,这些设定可以根据操作员的需求或内部逻辑程序来完成,以确保锅炉的正常运行,并达到节能降耗的目的｡

图4启动锅炉风烟系统界面

5、结语

本设计是在原有启动锅炉基础上进行改进与完善,以PLC为控制核心,更换为燃烧更环保的低氮燃烧器;利用PLC强大的控制功能,实现了对启动锅炉启停全部过程的控制,特别是解决了燃烧器氮氧化物排放较高的环保难题｡改造后的启动锅炉采用低氮燃烧器,通过内外环燃气调节阀和送风挡板的调节,实现燃烧分区,从而降低氮氧化物的产生,在后续的环保监测中,氮氧化物排放可控制在50mg/m3以内,完全符合浙江省地方《锅炉大气污染物排放标准》｡通过对通信设备的优化改造,实现了远程监控及操作的目标,为建设智能化电站奠定了基础｡此外,送风机经过变频改造,能够有效节能｡

参考文献:

[1]郑海英.基于S7-300PLC的饲料生产控制系统设计[J].仪表技术,2018(1):17-18.

[2]北京ABB电气传动系统有限公司.ACS510-01变频器1.1至160kW用户手册[M].北京:中国电力出版社,2023.

[3]陈镇南,陈湘清,张希旺,等.燃气锅炉低氮改造技术方案与应用效果分析[J].工业锅炉,2022(2):37-41.

[4]艾晗,郭裕丰,齐永杰,等.上海地区小型锅炉低氮改造分析[J].节能技术,2020,38(3):201-205.

文章来源:苗继铭.基于S7-1500 PLC的启动锅炉低氮技改方案研究[J].仪表技术,2025,(03):69-72.