基于MCGS的低氮燃烧机研制实验装置监控系统

赵培庆，董 李

(北京北燃环能科技发展有限公司，北京 100011)

近年来，雾霾已对公共健康造成巨大威胁，而减少NOx排放是改善空气环境质量的重要任务之一。为了适应环境与市场发展的要求，锅炉房配置低NOx燃烧器已成为近期的发展趋势[1-2]。该低氮燃烧机研制实验装置监控系统是用来配合研制测试低氮燃烧机的各种燃烧性能的，该监控系统采用高可靠度的西门子315PLC作为控制站，将现场各传感器参数经过一次仪表变送输出模拟量信号由PLC采集模块进行采集处理，并由485串口传递到工控机，以完成对实验装置运行状况、炉膛温度、各个环节水温度、压力、流量和各个环节的烟气湿度、温度、压力、流量以及烟气成分在线监测等参数(共计40个点位)实时监控显示、处理和存储，并可形成数据报表和工艺趋势曲线；同时可实现对燃气流量、风压以及各环节的烟气流量和水流量的调节和控制；并具有故障显示和报警功能；还可以实时计算锅炉热效率。

实验装置系统由锅炉和燃烧机部分、加温加湿部分、储热水箱和冷却塔部分组成，工艺流程如图1所示。

图1 系统工艺图

1 PLC程序实现

控制系统选用西门子CPU315-2DP为核心、1个电源模块S7、1个DI/DO模块、5个AI模块、2个AO模块的PLC系统，PLC硬件功能见图2。

图2 PLC硬件功能图

本监控系统PLC程序设计利用西门子专用软件STEP7，程序采用模块化设计(见图3)，分为主程序OB和不同的子程序(功能FC和功能块FB)，主程序根据不同的条件调用不同的子程序完成各个实验功能；功能块FB可以对应不同的背景数据块DB，这非常适合“过程相同，数据不同”的情况，在各循环泵的PID控制中就采用了同一个控制程序块FB，各个泵对应不同的背景块DB，在程序调用只需将FB调用与不同的背景DB组合，就可以方便地实现各循环泵的PID调节功能，这样可以大大提高代码的使用效率，并减少代码的编写量，提高了程序的可移植性[3]。

图3 PLC程序结构模块图

西门子315PLC程序实现了该监控系统以下控制功能：

(1)锅炉启停控制。

(2)燃烧机负荷PID控制调节。

(3)变频器输出PID控制：负荷泵、循环泵、大塔泵和小塔泵均是变频器PID控制。根据一次出水温度控制一次和二次水循环泵的流量；根据水箱温度，实现了自动增加或减少运行的冷却塔循环泵数量的控制，达到了节能的目的。

(4)燃气流量控制：通过控制燃气电动调节阀，实现燃气流量精确控制。

(5)烟气流量控制：根据实验要求通过控制烟气电动调节阀，实现烟气流量的精确控制。

(6)助燃控制加温加湿控制：通过调节助燃空气加温加湿余热回收装置各泵运行频率和阀门开度，保证了助燃空气恒温恒湿。

(7)气候补偿控制：根据室外温度的变化，自动调整锅炉二次水侧循环泵变频频率从而达到流量的补偿功能；一方面锅炉二次水侧循环泵变频控制实现了电节能，另一方面通过热交换器使锅炉能够相对稳定的燃烧，可以减少热损失，从而降低能源消耗。

2 基于MCGS监控系统的开发

组态软件选用MCGS，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、流程控制、报警和安全机制、趋势曲线和报表输出等功能[4]。

设计了系统监控、参数设置、故障报警、数据查询等界面。系统监控界面见图4，监控对象包括锅炉装置、空气加热加湿装置和水箱冷却塔装置，监控内容为锅炉一次和二次侧出水温度、压力和流量；锅炉烟气和助燃空气的温度、压力和流量；各设备的运行状态等。

图4 系统监控界面

参数设置可以设置锅炉运行的目标出水温度和各变频器的目标频率以及助燃空气的加热加湿的相关参数，见图5。

图5 参数设置界面

数据日报表界面可在线查看数据记录情况，见图6。可对系统数据采集的时间范围进行设置，分为三种方法：最近若干分钟、固定时间、录入起始时间，此处选择最近10 min。同理还可查看历史数据、数据月报表。

图6 数据报表界面

另外，通过MCGS的脚本程序还实现了“燃气热量”和“锅炉出力比”的计算。

3 各实验功能的实现

通过监控系统完成以下实验功能：

(1)低氮燃烧技术研究：通过试验所得数据分析不断优化燃烧器结构，使NOx排放达到指标要求。

(2)空气加湿的烟气余热回收方式技术研究：采用直接接触式换热器实现工质与烟气的全热交换，实现天然气烟气的余热回收，同时将回收的热量用于锅炉空气升温加湿。通过实验数据对比分析，该方式可以降低烟气排放中NOx的浓度。

(3)锅炉负荷对NOx生成的影响：通过对低氮燃烧器进行实验，锅炉负荷的变化会影响烟气内循环量，对NOx的生成有重要影响。

4 结 论

本文结合低氮燃烧机研制实验装置实验要求，给出了基于MCGS的组态软件设计与PLC程序开发。通过实验现场的实际运行实践，应用该研制装置监控系统进行了各种实验所得的大量数据，为低氮燃烧机的研制提供了数据支撑，保证了低氮燃烧机研发的顺利开展。