基于PLC的锅炉炉烟处理冷却循环水装置控制系统

王秋平 韩 磊 张 淼 张 进 赵木来

(东北电力大学自动化工程学院，吉林 吉林 132012)

在火力发电厂生产过程中，需要使用大量的冷却水以对流散热方式将做完功的乏汽冷凝成凝结水后循环使用。而在对流散热过程中，部分蒸发的循环水被对流空气带走，导致凉水塔内的循环水不断浓缩、pH值上升，引起凝汽器结垢[1]，在发电量不变的情况下，致使发电热耗增大、煤耗增高，从而直接影响到整个电厂的经济性和安全性。因此，在运行过程中，需要在循环水中加入硫酸调整循环水的pH值，以此阻碍冷却循环水结垢[2]。

目前，国内火力发电厂主要采用人工直接添加浓/稀硫酸的方法来调节循环水的pH值，但直接添加浓硫酸资金投入较高，安全性也得不到保证[3]。锅炉炉烟处理冷却循环水装置是根据文献[4，5]设计的，该装置能够吸收锅炉燃烧烟气中的SO2制取稀硫酸，并将稀硫酸替代浓硫酸添加到循环水中，降低火力发电厂冷却循环水的pH值，阻碍火力发电厂直接冷却循环水结垢。笔者根据火电厂循环水处理要求，利用PLC技术为该装置设计控制方案，以实现该装置的预期功能并保证其稳定运行。

1 锅炉炉烟处理冷却循环水装置工艺简介①

锅炉炉烟处理冷却循环水装置的工艺流程如图1所示，其中注水阀为电动调节阀，其他阀门均为电动开关阀。该装置的具体工艺流程如下：按下启动键后开启注水阀，注水管中的工艺水经调节阀进入下部水池，被注入的工艺水作为洗涤水，其液位达到下部水池最高水位时自动关闭注水阀；洗涤水液位不低于下部水池最高液位的80%时自动启动循环泵，洗涤水由洗涤区内的喷淋头喷出；循环泵启动以后，开启进口阀和出口阀，炉烟从进口阀进入洗涤区，在洗涤区中与洗涤水充分接触，烟气中的大部分SO2被洗涤水吸收，洗涤后的净烟气从出口阀排入脱硫吸收塔烟气烟道；吸收了SO2的洗涤水被洗涤区下部的收集盘全部回收，然后进入氧化空气吸入器与氧化空气混合，沿着氧化空气吸入器的下部出口进入下部水池进一步完成氧化，制成稀硫酸；完成洗涤后自动关闭进口阀、出口阀和注水阀，自动停止循环泵运行；自动开启引出阀，下部水池的稀硫酸在重力作用下由引出管输送至循环水前池，稀硫酸排放完毕后关闭引出阀，然后开启排污阀，将下部水池内沉淀的粉尘杂质排至吸收塔地坑，废渣排放完毕之后，关闭排污阀 。

图1 锅炉炉烟处理冷却循环水装置工艺流程

2 硬件系统

该装置的主要任务是制取定量的pH值小于4.5的稀硫酸，为此，控制系统需要实时采集装置内洗涤水的液位和pH值，并根据采集到数据控制各设备的运行。为保证系统能够稳定工作并具有较强的抗干扰能力且成本相对低廉，笔者选用S7-300 PLC的314CPU为控制核心，它具有128KByte的工作存储器，处理速度为0.06ms/1000条指令[6]。

系统的输入信号：系统启动和停止信号DI，24V；装置内液位高度、水池内洗涤水pH值和循环水前池pH值AI，4～20mA。系统的输出信号：电动阀开关、循环泵启停信号DO，24V；调节阀阀位控制信号AO，4～20mA。

根据系统要求预留出一定接口。该系统选用的其他PLC模块包括数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322、模拟量输入/输出模块SM334和电源模块PS 307 5A[7]。系统的硬件结构如图2所示。

图2 PLC控制系统硬件结构

3 系统软件

314CPU主要实现数据采集、转换及阀门控制等功能。该控制系统使用模拟量输入/输出模块SM334采集液位和pH传感器发出的4～20mA电流信号，并将其转换成0～27 648的整数，进而在PLC中对采集的数据进行处理。同时，该模块还可以将0～27 648的整数转换为4～20mA的电流输出信号，用于控制调节阀开度。

由AI模块采集的数据为0～27 648的整数，不便于实际操作，为使操作更为直观、方便，需要将采集的数据转换为真实值。此时在程序中需要使用到两个功能块——SCALE(FC105)和UNSCALE(FC106)(图3)，SCALE(FC105)模块将0～27 648的整型数转换为指定的实数，UNSCALE(FC106)模块将指定的实数转换成0～27 648的整型数[8]。

图3 SCALE(FC105)和UNSCALE(FC106)模块

SCALE(FC105)模块的转换公式为：

式中HI_LIM——设定的实际值上限，对应于仪表量程，一般取仪表量程值；

IN——AI模块采集的输入值；

K1、K2——由AI模块的采样精度确定，单极性范围0～27 648，双极性范围-27 648～27 648，在该系统程序中分别为0和27 648；

LO_LIM——设定的实际值下限，对应于仪表量程，一般取0；

OUT——经模块转换后的输出值。

UNSCALE(FC106)模块的转换公式为：

这里的IN和OUT端口与SCALE(FC105)模块不同，UNSCALE(FC106)模块的IN是输入的真实值，OUT是范围在0～27 648的整型数，对应控制器的4～20mA电流；此模块可以将设定范围的真实值转换为整型数，进而在控制器中输出4～20mA电流。

314CPU的程序流程如图4所示。

图4 314CPU主程序流程

其中，液位控制子程序是为了将水池的液位控制在总容量的85%～100%之间，以达到制取定量稀硫酸的目的，其流程如图5所示。

图5 液位控制子程序流程

与液位控制子程序类似，循环泵控制子程序是根据液位对循环泵的启、停状态进行控制的。循环泵控制子程序如图6所示，当液位(MD10)达到80%时，启动循环泵，打开进气和出气阀门；循环泵在运行过程中，液位会逐渐降低，为了保护循环泵，当液位低于40%时关闭循环泵和进气、出气阀门。

图6 循环泵控制子程序

4 结束语

笔者将PLC技术应用于锅炉炉烟处理冷却循环水装置的自控系统中，实现了液位和pH值数据的实时采集，并根据采集的数据控制各个设备的运行，最终实现制取定量稀硫酸的目的。该控制系统能够实现锅炉炉烟处理冷却循环水处理装置的运行流程和控制要求，使用该装置制取的稀硫酸，可以替代浓硫酸直接输送到循环水凉水塔，从而降低水处理成本。