燃油锅炉改LNG锅炉PLC系统的设计与应用

魏宝军，张刚刚，刘九龙

（1.天津地热勘查开发设计院，天津 300250；2.山钢集团济钢物流管理中心，山东 济南 250101）

1 引言

某合资工厂的动力用燃油锅炉为3台15t／h，1台10t／h，主要为中央空调系统和生产线提供蒸汽。燃料为重油，点火采用轻油。由于重油雾化，风油比调节比较复杂，故障多，重油燃烧不充分，经常会有烟囱冒黑烟的现象，不利于环境保护。由于燃油锅炉运行成本节节攀升；而液化天然气（LNG）价格相对较低，燃烧后成分主要为H2O和少量CO2，有利于环境保护，此外该单位已有稳定的LNG供应，有改造为燃烧LNG锅炉的必要性和可行性。此外，由于原来的燃油锅炉燃烧控制系统采用“继电器逻辑”控制，故障率较高，安全系数低，无法预测突发故障，不能实时检测现场燃烧状况，及时判断、处理异常情况。针对这种情况，使用原来锅炉本体，研究设计了一套以SAMSUNG可编程控制器（PLC）为核心的LNG自动燃烧系统，并进行了锅炉改造，大幅提高了生产的安全性、可靠性、经济性，并且做到节能减排、环保的目的，并且使老设备得到新生。

2 系统的组成

LNG锅炉燃烧控制系统由燃烧器和控制系统组成。

2.1 燃烧器

燃烧器包括主燃烧器单元、燃料控制系统、助燃风单元、安全保护单元及操作控制柜。燃烧控制系统管道及仪表流程图见图1。

图1 管道及仪表流程图Fig.1 Process of instrument and pipeline diagram

主燃烧器单元包括燃烧器本体、点火装置和火焰探测装置。主燃烧器本体采用扩散式结构。点火装置由点火变压器、点火电极枪等组成。火焰探测装置采用紫外线火焰检测器，采用点火火焰探测和主火焰探测两套检测装置。

燃烧控制系统包括压力调节阀、关闭阀、快速切断阀、电磁阀、燃料气动调节阀等；控制阀体均采用防爆型以确保安全。

在锅炉运行过程中，通过PDA3CONTROLLER采集蒸汽压力、燃料温度、燃料压力、燃料流量4个信号，输出信号控制LNG燃气执行器，空气执行器，调节风气比，进行燃烧负荷调节。

助燃风单元由鼓风机、电动风门、空气过滤器及管道等组成。

安全保护单元由燃料高低压报警开关、停机吹扫阀组、泄露检测组件等组成。

操作控制柜用于安装锅炉风机启动系统，可实现现场或远程点火、运行和停机操作、现场显示报警及与DCS或现场仪表的连接等。

2.2 控制系统

为了实现燃烧系统的自动控制功能，专门设计控制系统的硬件和软件部分。

2.2.1 硬件部分

硬件包括PLC系统、检测仪表、可控阀门组、点火装置、火焰检测组件、风机控制组件、安全保护装置和控制柜内隔离单元等。

控制系统PLC选用SAMSUNG OEMAX NX70系 列，PLC 电 源 为 NX70－POWER1POWER SUPPLY，输出AC 220V，50Hz／AC 24V／50V·A，CPU为NX70－CPU－70P1，DC输入模块为 NX70－X16D，继电器输出模块为NX70－Y16R，负荷调节采用FDA3CONTROLLER来实现。

现场各种检测装置将监测信号通过输入输出隔离单元将信号送入PLC系统，CPU进行逻辑运算和相应的控制调节等。PLC可接受现场操作人员或上位机DCS的操作命令，对锅炉的运行过程进行监控。为了保障锅炉燃烧系统的安全可靠和维护改造，PLC系统采用冗余配置。单台锅炉燃烧控制系统可随系统的压力负荷情况自动启动和停止，运行可做到无人值守。

2.2.2 软件部分

软件采用SAMSUNG WinGPC3.70软件平台设计完成控制系统，WinGPC软件（适用于Windows）可以创建、修改和监控NX7和NX70所使用的应用程序。这是一个功能强大的工具，它提供了梯形图编辑、监控、调试、文件管理以及时序图监控等功能。PLC系统控制程序能完成相应硬件设备的控制、自动进行安全连锁检查、确认设备启动及运行过程的安全状况，自动进行安全连锁并切断。

3 系统软件设计

根据LNG锅炉运行特点，为了满足锅炉的安全生产，系统功能包括：负荷自动调节和安全保护功能，各种状态指示、声光报警、锅炉启动、吹扫、泄漏检测、点火、主火焰感知、熄火停炉，故障提示等。系统软件设计逻辑框图如图2所示。

图2 点火过程逻辑框图Fig.2 The logic diagram of the ignition process

下面主要对PLC的程序梯形图设计进行说明。

3.1 连锁程序设计

直接导致停炉或不能启动的情况有：燃气压力低、燃气压力高、排烟温度高、燃烧空气压力低、水位低、点不着火、蒸汽压力高。只有以上7个条件都正常的情况下，准备启动线圈得电，准备启动指示灯亮，此时才能启动锅炉；当锅炉运行时，同样情况下如果条件不能满足，则锅炉自动熄火停炉。连锁程序设计见图3。

图3 连锁梯形图Fig.3 The ladder diagram of interlock

3.2 锅炉启动程序设计

点火工作可全部实现自动化，在手动操作下，操作人员在需要投入锅炉负荷的工况下，可点击锅炉启动按钮，锅炉便可以自动启动运行。锅炉启动程序见图4。

图4 锅炉启动梯形图Fig.4 The ladder diagram of boiler start

3.3 吹扫程序设计

燃烧前后都要进行排气吹扫30s，以有效清除炉膛、管道、阀组和烟道中可能聚集的可燃气体，以防止发生安全事故。吹扫程序见图5。

图5 吹扫梯形图Fig.5 The ladder diagram of purge

3.4 泄露检测程序设计

燃料气体管道连接和电动阀门及其他阀门是否泄漏，关系到锅炉房设备和操作人员的安全。在锅炉吹扫完毕后，必须进行泄露检测。燃料泄漏测试程序见图6。

3.5 点火程序设计

锅炉运行后，吹扫完成，空气调节阀关闭，点火变压器得电10s，点火燃料阀线圈得电，引燃阀门开30s。点火程序见图7。

3.6 主火焰感知和加载程序设计

在手动或者自动模式下，主火焰感知确认后开始30s延时，系统就可以加载了。火焰感知和加载程序设计见图8。

图6 燃气泄漏测试梯形图Fig.6 The ladder diagram of gas leak

图7 点火和引燃梯形图Fig.7 The ladder diagram of ignition and pilot firing

图8 点火确认梯形图Fig.8 The ladder diagram of flame on

以上为PLC系统主要程序，限于篇幅其他程序和设置这里就不再赘述。

4 效果对比

通过对该系统调试运行，与原有系统进行比较，发现系统运行良好，简单易行，可靠性高，维护简单，且运行燃料费用大为降低，节能环保，当年即可收回投资改造成本，改造前后费用对比如表1所示。

表1 改造前燃料费用对比表Tab.1 The comparison table of the fuel cost before and after reconstruction

5 结论

经过某合资工厂的应用实践证明，基于SAMSUNG PLC的燃油锅炉改造成LNG锅炉，完全满足用户的需求，运行费用大大降低，蒸汽压力波动能控制在0.5±0.05MPa工艺标准范围内，响应时间短，并且能够在恶劣的现场环境下稳定的运行，故障率极低，安装运行以来没有发生过一起故障。控制动作准确性好，充分显示了PLC系统适应性强，可靠性高的特点，对于燃气锅炉燃烧控制有一定的推广价值。

［1］陈立定，吴玉香，苏开才.电气控制与可编程控制器［M］.广州：华南理工大学出版社，2000.

［2］韩厚德，郑士君，杨万枫，等.船舶辅机［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［3］袁任光.可编程序控制器应用技术与实例［M］.第2版.广州：华南理工大学出版社，2003.

［4］Fuji Electric Systems Co.Ltd.Instruction Manual for Compact Controller M（CC－M）PDA－3［Z］.Rev.4th edition January，2004.