基于PLC的锅炉炉烟处理冷却循环水装置控制方案

王秋平 张 淼 韩 磊 陈志强

(东北电力大学自动化工程学院,吉林 吉林 132012)

在火力发电厂的电力生产过程中，为了实现高效、经济、稳定的生产，不但需要对煤、水及汽等工质参数进行持续采集与控制，还需要对水及汽等工质进行循环利用。其中，从汽轮机下部排气口排出的做完功的乏汽，可使用冷却水通过对流散热的方式将其冷凝成凝结水，从而达到重复使用的目的。在对流散热过程中，部分蒸发的循环水会被对流空气带走，导致凉水塔内的循环水不断浓缩、pH值上升，在此情况下极易造成凝汽器结垢[1]。凝汽器结垢会导致凝汽器换热效率降低，在发电量不变的情况下，造成发电热耗增大、发电煤耗增高，从而对电厂的安全经济运行造成严重影响。因此，在电厂运行过程中，需要将硫酸加入循环水来调整其pH值，以此阻碍和减轻火力发电厂凝汽器结垢[2]。

目前，国内的火力发电厂为了调节循环水的pH值，主要采用的是人工直接加投浓、稀硫酸的方法，但是，直接加投浓硫酸的资金投入较高，而且有较大的安全隐患[3]。锅炉炉烟处理冷却循环水装置是根据文献[4]设计的装置，该装置能够吸收锅炉燃烧烟气中的SO2并制取稀硫酸，然后将稀硫酸代替浓硫酸添加到循环水中，以此降低火力发电厂冷却循环水的pH值，防止和减轻火力发电厂凝汽器结垢。文献[5]设计了锅炉炉烟处理冷却循环水装置定量制取模式的控制方案，并给出了实现该控制方案的详细过程，该装置的定量制取模式能够实现根据循环水pH值自动制取定量稀硫酸的功能，以用于调节循环水的pH值，但是定量制取模式在实现预期功能的同时也存在一个弊端，即在定量制取模式下该装置只能先制取定量的稀硫酸再排放到循环水中，而无法连续制取稀硫酸，即无法实时快速地调节循环水pH值。为此，笔者设计一种连续制取模式的控制方案，即在连续制取模式下，锅炉炉烟处理冷却循环水装置不但能够连续制取稀硫酸，还能够根据循环水的pH值实时调整制取稀硫酸的量，进而实现实时调节循环水pH值的目的。

锅炉炉烟处理冷却循环水装置的功能是将原烟气烟道中分流出来的炉烟进行洗涤，吸收炉烟中的SO2，并且在催化剂、氧化空气和水的作用下将SO2氧化成稀硫酸，制成的稀硫酸直接输送到循环水中用于调节循环水pH值。经过洗涤的烟气达到排放标准，由烟气管道输送至净烟气管道，经烟囱排放。锅炉炉烟处理冷却循环水装置的工艺流程如图1所示，主要包括循环泵、烟气洗涤喷头、洗涤水收集盘、单管氧化空气喷射吸入装置、下部水池、注水管、溢流管、排污管、烟气进出口管、氧化空气吸入管、稀硫酸出口管和各管道对应的阀门。

图1 锅炉炉烟处理冷却循环水装置的工艺流程

锅炉炉烟处理冷却循环水装置将制成的稀硫酸直接输送到循环水凉水塔，用于取代浓硫酸，降低水处理成本。同时，该装置吸收了烟道中分流出的部分烟气，降低了吸收塔的负荷，减少了脱硫剂消耗量，降低了脱硫成本，减少了资源浪费。而该装置利用烟气中的SO2制取稀硫酸，实现了气体废弃物的再利用。

笔者提出的连续制取模式克服了定量制取模式无法实时连续制取稀硫酸的缺点，制取的稀硫酸在重力作用下经溢流管连续不断地输送至循环水前池。该控制方案主要实现的功能：设备启动后，根据水池水位自动控制循环泵的启停，以控制液位高度和稀硫酸的制取；根据下部水池内洗涤水的pH值，自动调节注水阀的开度，使洗涤水pH值保持在5.6～6.0；装置停车时，按顺序关闭各阀门，循环泵延时30min停止运行后自动排污；循环水前池pH值高于设定值时装置自动启动。

2 硬件部分

2.1 S7-300 PLC

S7-300 PLC具有功能强大、性能稳定、模块丰富、性价比高、扩展通信简便及抗冲击抗电磁干扰能力强等优点[6]，在此笔者选用S7-300 PLC作为实现该控制方案的核心控制器。以S7-300 PLC为控制核心的系统结构如图2所示。

2.2 触摸屏

MP 377是一款工控触摸屏，额定工作电压为24V(DC)。MP 377采用64k色TFT显示屏，分辨率为640×480像素。该触摸屏具有一个Profibus-DP接口、两个用于连接Profinet的以太网端口、两个USB2.0端口、一个SD存储卡插槽和一个CF卡插槽，支持多种通信方式。

2.3 A/D与D/A模块

根据本控制系统的模拟量信号数量，采用兼具A/D(4个)和D/A(两个)转换功能的SM334模块。其额定工作电压为24V(DC)。该模块可输入电压(0～10V)、电流(0～20mA)和电阻(0～10kΩ)模拟量信号；可输出电压(0～10V)和电流(0～20mA)模拟量信号。PLC通过读取该模块各存储器的内容即可获得A/D采样值，同时将数字控制量输送到该模块即可通过输出接口实现模拟量输出。

图2 系统结构

2.4 液位传感器与pH值传感器

由于装置内的液体是具有腐蚀性的稀硫酸，因此液位传感器选用EchoSonic II CT05型超声波液位计，该超声波液位计可用于腐蚀性液体的液位测量，量程20.0cm～5.5m，测量误差±1mm，额定电压24V(DC)，输出信号4～20mA，该模拟量输出信号可通过SM334模块转换为数字量信号并输送至PLC。

pH值传感器采用DG-160型工业pH计，其测量范围0～14，误差范围±0.02，额定电压24V(DC)，输出信号4～20mA。该pH计性能较好、稳定性强，能够满足本装置对pH值测量的要求。

3 软件部分

编程软件为Siemens TIA Portal V11，编程语言为梯形图，根据装置的工艺流程和控制要求，设计的主程序流程如图3所示。

连续制取模式下，装置连续不断地制取稀硫酸，制取的稀硫酸通过溢流管流入循环水前池，在此过程中，控制系统需要对下部水池内循环泵的运行情况和液体的pH值进行控制。为此，分别设计了循环泵控制子程序和pH值控制子程序。

图3 连续制取模式主程序流程

循环泵控制子程序是根据液位的高低对循环泵的启停状态进行控制，子程序如图4所示。当液位达到最高值的80%时，启动循环泵，同时打开气体进出口阀门。该子程序还具有循环泵低液位保护功能，当液位低于最高值的40%时，关闭循环泵和气体进出口阀门，以防止循环泵发生空转。

图4 循环泵控制子程序

pH值控制子程序的功能是通过控制注水量达到使下部水池中的液体pH值保持在5.6～6.0的目的。当液体pH值低于5.6时，逐步开大注水阀门以提高注水量，每次开大3%，相邻两次开大间隔为10min，直到液体pH值高于5.6时，保持阀门开度不变；当液体pH值高于6.0时，逐步关小注水阀门以降低注水量，每次关小3%，相邻两次关小间隔为10min，直到液体pH值低于6.0时，保持阀门开度不变。pH值控制子程序如图5所示。

4 结束语

基于PLC控制技术，为锅炉炉烟处理冷却循环水装置设计了连续制取模式的控制方案，并针对该方案设计了硬件组态和软件流程。该控制方案克服了定量制取模式无法连续工作的缺点，在连续制取模式下，该装置能够连续不断地利用锅炉燃烧排放烟气中的SO2制取稀硫酸，并将制取的稀硫酸输送至循环水前池，达到了阻碍和减轻凝汽器结垢的目的。此过程不但降低了水处理成本，还吸收了锅炉燃烧烟气中的SO2，也降低了脱硫成本。

图5 pH值控制子程序

[1] 于英利,沈炳耘,吴凤英,等.火电厂炉烟处理循环冷却水防垢试验研究[J].工业水处理,2006,26(6):36～38.

[2] 王维娜.某电厂凝汽器结垢与防垢的实验分析与研究[D].呼和浩特:内蒙古工业大学,2010.

[3] 于英利.电厂循环冷却水系统模拟试验台的研制与凝汽器防垢试验研究[D].呼和浩特:内蒙古工业大学,2006.

[4] 程爱平,王秋平,韩磊.利用锅炉炉烟制取冷却循环水调节硫酸的装置[P].中国:201320051511,2013-07-10.

[5] 王秋平,韩磊,张淼,等.基于PLC的锅炉炉烟处理冷却循环水装置控制系统[J].化工自动化及仪表,2014,41(12):1356～1358.

[6] 边春元,任双艳,满永奎,等.S7-300/400 PLC实用开发指南[M].北京:机械工业出版社,2007:410～443.