基于PLC 的煤层气混配控制系统

2023-12-13吴军

科技与创新 2023年23期

吴军

（山西兰花大宁发电有限公司，山西晋城 048000）

煤层气是与煤伴生、共生的气体资源，指储存在煤层中的烃类气体，以甲烷为主要成分，属于非常规天然气。煤层气以吸附在煤基质颗粒表面为主，部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，是近些年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料。煤层气俗称“瓦斯”，热值高于通用煤的1～4 倍，1 m3纯煤层气的热值相当于1.13 kg 汽油、1.21 kg标准煤，其热值与天然气相当，可以与天然气混输混用，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。由于开采上来的煤层气体积分数不同，在瓦斯利用和化工合成等相关领域，为了充分利用低体积分数的煤层气，有时候需要将2 种或2 种以上不同体积分数的煤层气进行混合，配成一种新体积分数的煤层气供使用。要求混配后的气体体积分数稳定，压力波动小。但是现有的技术方案大多停留在手动控制阶段，使得气体在混合过程中存在压力损失过大、精度控制不稳等问题。因此需要一种更加可靠、能自动控制的气体混配控制系统来控制气体混合过程，使得混配后的气体体积分数稳定，压力损失更小。

1 煤层气混配控制系统简述

本文所述的煤层气混配控制系统主要是将2 种不同体积分数的煤层气进行混配，一种为煤层气体积分数大于80%、压力为100～400 kPa 的高体积分数煤层气；一种为煤层气体积分数为20%～30%、压力为20～30 kPa 的低体积分数煤层气，要求混配后的气体体积分数为（40±5）%，压力为15～20 kPa。

1.1 工艺思路

高体积分数煤层气与低体积分数煤层气混合，在尽量节省成本的情况下，采用控制2 种不同体积分数气体调节阀的开度，使气体在管道中直接进行混合，混合后的气体管道尽量长一些，使它能充分混合。通过电动蝶阀来控制混合后气体母管的压力值不超限，使它满足用户要求。

1.2 系统组成

煤层气混配[1]控制系统主要由煤层气管道、低浓气调节阀、高浓气调节阀、安全阀、电动蝶阀、手动蝶阀、压力表、压力变送器、瓦斯体积分数检测仪、流量计、差压变送器、PLC 控制柜以及PC 电脑等组成，如图1所示，其中CT 为瓦斯（甲烷）体积分数检测仪，PⅠ为就地压力表，PT 为压力变送器，FT 为流量计及差压变送器。

图1 煤层气混配系统示意图

1.3 控制系统原理

煤层气混配控制系统是将2 种不同体积分数的气体进行混合，使得混合后的气体成为一种新体积分数的气体供用户使用。其主要原理是在高、低体积分数煤层气管道上各安装一台模拟量调节阀，将其信号接至PLC 控制柜，通过PC 电脑来控制，再将2 条管道连接至混气母管。为了防止混合后气体压力太高，在混气母管上安装一个手动蝶阀和一个电动蝶阀。手动蝶阀保持常开状态，将电动蝶阀的信号接至PLC 控制柜，通过PC 电脑设定一个保护值来控制电动蝶阀开启泄压。为了防止电动蝶阀因故障而不能正常打开的情况发生，在混气母管上再安装一台安全阀，设定一个压力值，作为电动蝶阀无法正常打开的一种后备保护手段。

为了方便监测混气母管的瓦斯体积分数、压力及流量数据，在混气母管上安装一台瓦斯体积分数检测仪、一块就地压力表、一台压力变送器、一台锥形流量计和一台差压变送器。将所有远传仪表的信号都接至PLC 控制柜，使它能在PC 电脑上显示。

2 煤层气混配控制系统组态

煤层气混配控制系统组态包括硬件组态和软件组态2 个部分。硬件组态主要是将低浓气调节阀、高浓气调节阀、电动蝶阀、压力变送器、瓦斯体积分数检测仪、差压变送器、PLC 控制柜及PC 电脑通过电缆连接起来。软件组态主要是通过PC 电脑在PLC 中对连接的设备进行配置，使它能够正常使用。

2.1 硬件选型

煤层气混配控制系统硬件主要由煤层气管道、高浓气调节阀、低浓气调节阀、安全阀、电动蝶阀、手动蝶阀、压力表、压力变送器、瓦斯体积分数检测仪、流量计、差压变送器、PLC 控制柜及PC 电脑等组成。

煤层气管道根据实际情况来选择管径，高、低浓气调节阀阀门规格选型时与气体管道相匹配，执行机构选择模拟量控制，输入信号为4～20 mA，阀位反馈信号为4～20 mA，电源为AC380 V、50 Hz。

安全阀规格选型时与混气母管相匹配，压力保护值根据用户需求来进行整定。电动蝶阀和手动蝶阀规格选型时与混气母管相匹配，电动蝶阀执行机构选择开关量控制，反馈信号为行程开关，电源为AC380 V、50 Hz。

压力表选型时，考虑是室外安装，选择不锈钢膜盒压力表，型号为YF-100，0～60 kPa。压力变送器选型为0～60 kPa 的电容式压力变送器，二线制，电源为24VDC。瓦斯体积分数检测仪选型为英国爱丁堡生产的型号为97460 的Guardian NG，电源为AC220 V、50 Hz。流量计选型为上海肯维斯生产的KV 锥形流量计，型号为KVW28ⅠⅠKG23FWN，差压变送器选型为罗斯蒙特生产的3051 系列0～60 kPa 的电容式差压变送器，带HART 协议，可以连通手操器。

PLC 设备选型为西门子S7-200 设备，主要有型号为CPU214 CN 的CPU 模块、型号为EM231 的8 通道模拟量输入模块、型号为EM232 的2 通道模块量输出模块和型号为CP243-1 的以太网通讯模块。

2.2 硬件安装

煤层气高、低浓管道通过焊接与煤层气母管连接在一起，若规格不一致，则需要变径。将低浓气调节阀安装于低体积分数的煤层气管道上，执行机构通过电缆与PLC 柜相连接，具体为：在PLC 控制柜内安装一个3P 16 A 的空气开关，定义为FS1，作为低浓气调节阀电源开关，用KRVVP 4×2.5 mm2的电缆将FS1开关与低浓气调节阀执行机构电源相连接。然后用KRVVP 4×1.5 mm2的电缆将PLC 的AO1、AⅠ1 接口分别与执行机构的模拟量输入接口和信号反馈接口相连接，连接时注意正负极。

将高浓气调节阀安装于高体积分数的煤层气管道上，将执行机构通过电缆与PLC 柜相连接。具体为：在PLC 控制柜内安装一个3P 16 A 的空气开关，定义为FS2，作为高浓气调节阀电源开关，用KRVVP 4×2.5 mm2的电缆将FS2 开关与高浓气调节阀执行机构电源相连接。然后用KRVVP 4×1.5 mm2的电缆将PLC的AO2、AⅠ2 接口分别与执行机构的模拟量输入接口和信号反馈接口相连接，连接时注意正负极。

将安全阀、手动蝶阀和电动蝶阀安装于混气母管上，中间用相匹配的法兰进行连接。阀门安装好后，将电动蝶阀的执行机构用电缆与PLC 控制柜相连接。具体为：在PLC 控制柜内安装一个3P 16 A 的空气开关，定义为FS3，作为电动蝶阀的电源开关，用KRVVP 4×2.5 mm2的电缆将执行机构电源与PLC 柜内热继电器FR 的出口相连接。电动蝶阀主电路如图2所示。电动蝶阀的控制由PLC 完成，中间通过继电器、接触器实现开阀、关阀操作。

图2 电动蝶阀主电路图

将瓦斯体积分数检测仪安装于室外，需安装一面不锈钢材质的仪表保温箱，将它安装于混气母管旁。然后将瓦斯体积分数检测仪安装于仪表保温箱内，在混气母管上开一个直径为16 mm 的孔，安装一个针型阀，用8×5 mm 的塑料软管将瓦斯体积分数检测仪的进口与针型阀相连接。在PLC 控制柜内安装一个2P 6 A 的空气开关，定义为FS4，作为瓦斯体积分数检测仪的电源，用KRVVP 2×1.5 mm2的电缆将FS4开关与瓦斯体积分数检测仪的电源接口连接起来，为瓦斯体积分数检测仪提供交流电源。再用电缆将瓦斯体积分数检测仪的模拟量输出口与PLC 柜的AⅠ3 接口相连接，连接时注意正负极不能接反。

将压力表安装于混气母管上，在混气母管上开一个直径为16 mm 的孔，安装一个针型阀，再安装一个压力表缓冲管，将压力表安装于缓冲管接口上。压力变送器的安装与压力表类似，直接将压力变送器安装于针型阀出口上，中间用对丝连接。然后用KRVVP 1×2×1 mm2的电缆将变送器与PLC 的AⅠ4 接口相连接，连接时注意将信号的正极与RC 端短接。

将KV 锥形流量计安装于混气母管出口处，中间用法兰相连接。差压变送器安装于流量计的H、L 接口上，中间用三通阀组相连接，注意高低压侧不能接反。差压变送器安装好后，用KRVVP 1×2×1 mm2的电缆将变送器与PLC 的AⅠ5 接口相连接，连接时注意将信号的正极与RC 端短接。

将PLC 设备安装在控制室内，将PLC 设备安装于一面尺寸为600 mm×800 mm×2 100 mm（长×宽×高）的控制柜内。在PLC 柜内安装一个2P 20 A 的空气开关，定义为FS5，作为PLC 设备的电源，然后再安装一个24 V 电源，为PLC 提供24 V 直流电。PC 电脑与PLC 的以太网通信模块用超五类双绞线连接起来，与PLC 设备通信。

2.3 软件组态

软件组态主要是对安装好的硬件进行配置，使它能正常工作。本系统要进行软件组态的主要有高浓气调节阀、低浓气调节阀、电动蝶阀、瓦斯体积分数检测仪、压力变送器和差压变送器。

高浓气调节阀、低浓气调节阀控制信号分别由PLC 的EM232 模块的AO2、AO1 通道提供，将AO2、AO1 通道配置为4～20 mA 的电流信号。阀位反馈信号均为4～20 mA 的电流信号，将PLC 的EM231 模块的AⅠ2、AⅠ1 通道配置为4～20 mA 的电流信号。电动蝶阀的控制为开关量控制，在CPU214 CN 中将Q0.0、Q0.1 分别配置为电动蝶阀的开、关指令信号，电动蝶阀的开到位和关到位反馈信号也为开关量信号，在CPU214 CN 中将Ⅰ0.0、Ⅰ0.1 分别配置为电动蝶阀的开到位和关到位反馈信号。瓦斯体积分数检测仪、压力变送器和差压变送器的信号类型均为4～20 mA 电流信号，在PLC 的EM231 模块中将AⅠ3、AⅠ4 和AⅠ5 通道配置为4～20 mA 的电流信号即可。

2.4 控制逻辑

低浓气调节阀、高浓气调节阀自动运行逻辑。当转换开关打到自动时，低浓气调节阀开85%，高浓气调节阀开15%。当混合后的瓦斯体积分数低于40%时，通过高浓气调节阀来调节，直至混合后的瓦斯体积分数达到40%。低浓气调节阀初始开度为85%，并且在自动状态下，此变量在画面中做成可以由运行人员设定的。总体思路是将低体积分数调节阀设定到一个开度，通过调节高浓气调节阀的开度来使混合后的瓦斯体积分数达到40%。当退出自动时，也可以手动控制2 个调节阀开度。

电动蝶阀动作逻辑：当混气母压力高于15 kPa 时，电动蝶阀自动打开，当压力低于10 kPa 时自动关闭。压力高于15 kPa，此压力值在实际使用中不一定合适，因此，此压力在程序中可以由运行人员给定，即在画面中可以修改此压力给定值。当退出自动时，也可以手动控制开阀、关阀。

2.5 混配控制程序

煤层气混配控制主要采用自动控制，当系统为自动运行时，通过PⅠD[2]算法来控制混配过程。主要思路为：当响应曲线振荡频繁、系统稳定度不够时，需加大比例度；当系统偏差大，并且趋于非周期过程，需减小比例度。当曲线波动大，需增加积分时间以消除余差；当曲线振荡频繁、稳定度低且曲线偏离给定值后长时间不回来，需减少积分时间。当曲线最大偏差大且衰减慢，需增加微分时间；当曲线振荡频繁，可以适当减少微分时间。

简单说，就是先调比例参数，缺省值是-1。比例参数主要调PⅠD 的反应速度，积分参数主要调PⅠD 的振荡幅度。本系统采用2 个PⅠD 来调节，PⅠD0 中的积分参数设定是5，主要通过调节高浓气调节阀的开度大小来调整混合后的瓦斯气体的体积分数；PⅠD1 中的积分参数设定是10，主要是通过调节低浓气调节阀的开度大小来调整混合后的气体的压力，微分参数本系统设置为0。