PLC控制系统在真空除氧器运行中的节能应用

PLC控制系统在真空除氧器运行中的节能应用

随着科技生产不断地为人类服务的同时CO的大量排放、工矿企业的焙值较高的乏汽、凝结水排到了大气与排污沟中，这不仅仅浪费了二次能源，也是造成温室效应的主要原因之一。针对热电行业，锅炉给水中的真空除氧器运行工艺进行技术改造后，利用自动化控制手段对所达到的除氧、节能减排等效果进行了论述。众所周知热电厂发电，先利用蒸汽来推动汽轮机运转，汽轮机带动发电机产生交流电送入电网为人类生产、生活提供电能。

1除去水中的溶解氧

热电厂产出蒸汽,是利用锅炉设备在额定的压力下，将水加热产出这个压力下的饱和蒸汽,再由过热器装备二次加热，使饱和蒸汽转化为过热干蒸汽输出推动汽轮机工作后排出乏汽。水中含有Ca\Mg+离子,同时含有一定量的溶解氧0+,这些元素都是危害锅炉安全运行的杀手，所以在水输入锅炉之前,应将这些元素去除掉，除去水中的溶解氧设备称之为真空除氧器。

2真空除氧器除氧原理

以热力真空除氧器为例来剖析除氧机理;根据《享利定律》，气体在液体中的溶解度C和该气体在水气分界面上的平衡分压力P成正比即C=KP,K为亨利常数。

亨利定律常数被定义为水一气分配系数（表征化合物从气相到液相的溶解度）；而不是通常定义的气一水分配系数（表征化合物从水相进入空气的挥发性）。亨利定律的定义的不统一是引起人们认识亨利定律混乱的根源。对于国内外部分重要物理化学教材中有关亨利定律和亨利定律常数的表述整理发现，亨利定律常数的定义还没有一个统一的标准。亨利不同定律常数在各类物化教材中的定义在这里略去。

锅炉给水中所含溶解氧量对锅炉运行极易引起氧化腐蚀，造成容器、管路内壁脆化强度降低。在容器中，溶解于水中的气体量主要由两个因素决定一个因素与水面上该气体的分压力成正比例即压力越高，该气体在水中的溶解度就越大，反之则越小，另外一个因素与水的温度有关;即水的温度越高，那么该气体在水中的溶解度就越小，当温度为相应工作压力下的饱和温度时，气体在水中的溶解度为零。采用热力除氧的方法，即用蒸汽来加热给水,提高水的温度，使水面上蒸汽的分压力逐步增大，而溶解气体的分压力则逐步减小。

3真空除氧器工艺改造原理

使溶解于水中的气体就不断逸出，当水被加热至相应压力下的饱和温度时，水面上全部是水蒸汽,溶解气体的分压力为零，水不再具有溶解气体的能力，亦即溶解于水中的气体，包括氧气均可被除去。从而使锅炉给水达到水质标准的要求。

真空除氧器工艺改造流程如图1所示。

图1真空除氧器工艺改造流程

传统低位真空除氧器还是高位真空除氧器工作在常压

（除氧罐与大气连通）下,或具有一定工作压力下,

给水温度加热到常压下（0.IMPa）的饱和温度100Y,或相对工作压力下对应的饱和温度，随除氧工作过程的同时，大量的水蒸汽热量也被被排到了空气中，这样的传统除氧过程浪费了很多热能，对环境造成了室温效应性的污染。

针对新工艺改造流程图与特点,拟用数据采集监控的自动化控制方案。

4自动化结构设计

4.1硬件结构

1） 现场测量与调节对象设计

在除氧罐设有安装一台LIT液位计，用来测量除氧罐内水位的变化，在脱盐水管路安装一个LV进水电动调节阀；

在除氧罐设有安装一台TI温度计，用来测量除氧罐内脱盐水温度，在再沸腾管路安装一个LV再沸腾电动调节阀；

在脱氧塔设有安装一台PIT压力计，用来测量除氧罐内压力，在蒸汽管路安装一个LV蒸汽电动调节阀；

在缓冲罐罐顶与罐底各设有安装一个进口电磁开断阀、排出电磁开断阀。

2） 自动化硬件配置

IPC计算机系统主机A4600R/2.4G/320GB/RAM2G/显卡512MB/RS232通讯口；

显示器LCR液晶21“分辨率1280x800像素102工业键盘+鼠标；

PLC控制器SIEMENSS7200CPU224；

通讯模块EN277；

模拟量输入、输岀及调节模块EM231、EM232、EM235；

开关量输入、输岀扩展模块EM221、EM222；信号分配隔离模块PH4077A（1输入2输岀）；

信号隔离继电器OMRONMY4NJ；直流电源S320,DC24V/320W/10A；信号釆集标准与规范模入、摸出4~20mA；信号电源DC24V；

4.2软件配置及参数设定

操作系统WINDOWSXP环境；监控软件组态王VER6.53运行版；网络软件SOFOTNET；

PLC软件STEP?MICROWIN32+SP4；

网络协议PROFIBUSDP；

波特率19.2KPas；

数据位8位;校验位偶；停止位lo

4.3软件结构设计

在图2中计算机的监控层，先在监控组态软件建立真空除氧器工艺流程主画面，再设计建立调节阀子画面及电磁阀操作子画面如图3所示。

IPC计算机

图3调节阀子画面及电磁阀操作子画面

例如当双击电磁阀图素时，自动弹岀电磁阀操作子画面，相应的操作数据及现场运行状态数据都显示在这个画面中（其他的元素操作相同这里不再赘述）。

编写相应的变量参数数据库，与画面图素进行编辑连接,建立现场釆集的过程量趋势图如压力、液位、温度热工参数，以随时监视现场的运行过程工况。

在图2中PLC的控制层，编写三部分程序4.3.1过程控制程序

这个程序结构是为实现“现场测量与调节对象设计”目标而实施的核心部分,并釆用PLD单闭环控制思想，在PID入口处加入串级前馈，以实现除氧的目的同时，又能起到节能的效果。模拟PID控制器的原理如图4所示。

图4模拟P!D控制器的原理

图4所示的模拟PID控制器的控制表达式为u(t)=kp[e(t)+兀弓式中e(£)系统偏差,eQ)=r(t)c(t)o现以温度为例阐述过程控制机理由热力工程学得知在一定压力下的液体水对应的饱和温度根据图査得设工作压力P=0.438MPa,査得对应饱和温度T=147Y

先在计算机监控系统真空除氧器画面中,进入蒸汽调节阀子画面，将工作压力参数P=0.438MPa写入后再打开再沸腾调节阀子画面，将査得对应饱和温度T=147P写入寄存器，进入运行后,2个PID调节环根据以上的函数式进行独立调节工作。

由于2个闭环的独立工作，如果出现在某一dt时段运行压力参数大于设定压力时，脱盐水温度达不到饱和温度时，真空除氧器就达不到除氧效果，为了解决可能存在的这样的问题，所以在程序设计中，加入了前馈级串进PID比较级，即将压力做为条件，串入温度比较环单元作为前馈级，这样不仅提高了除氧可靠性,同时在排汽环节起到了节能减排的作用。4.3.2时序控制程序

根据工艺流程，如图5所示，在缓冲罐顶部与底部各设计安装一个电磁阀，其工作条件为压力P=工作压力，温度T=饱和温度，如果满足条件将进行时序工作状态，如图6所示。

4.3.3逻辑控制程序

在程序结构设计中，考虑到程序的可读性及系统调试的针对性，分界为主、子程序结构，依靠条件判断作为逻辑调用相应子程序;主程序为现场采集部分包括热工参数过程量、电磁阀状态及驱动均写入主程序内。条件判断、系统异常时调用相应子程序块，同时调用计算机监控系统故障子画面，以便于事件故障分析诊断、层次清晰不混乱，这也是从事自动化工作的基本设计思想与应用体现。

4.4PID参数设定对系统运行的影响分析

4.4.1比例系数Kp对系统性能的影响

比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快,稳态误差减小。Kp偏大,振荡次数加多，调节时间

LBLXP, >

图5时序控制程序工艺流程

图6时序工作状态

加长。Kp太大时，系统会趋于不稳定。Kp太小，又会使系统的动作缓慢。Kp可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果Kc的符号选择不当对象状态(pv值)就会离控制目标的状态(SV值)越来越远，如果出现这样的情况Kp的符号就一定要取反，如图7所示。

PtD输出总是输出很大的值，并在这一区间内调节变化产生J倾0増益(Gain)值太高

oPIO扫描时间(sampletime)太长(对于快速响应PD的回路)解决方法，降低増益(Gain)值并且/或选择短一些的扫推时间

图7比例系数Kp对系统性能的影响

4.4.2积分控制Ti对系统性能的影响

积分作用使系统的稳定性下降,Ti小(积分作用强)会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度，如图8所示。

图8积分控制Ti对系统性能的影响

4.4.3微分控制Td对系统性能的影响微分作用可以改善动态特性,Td偏大时，超调量较大，调节时间较短。Td偏小时，超调量也较大,调节时间也较长。只有Td合适，才能使超调量较小,减短调节时间，如图9所示。

真空除氧器经改造前除氧指标为25~29mg,改造后为7mg符合我国真空除氧器除氧规定的行业标准。真空除氧器经改造前蒸汽直排，改造后间歇排放是改造前排放量的27%,即节能减排73%。不足之处在于有27%的热能排放到大气中，如4.3生产期间各项技术问题的跟踪和处理生产车间出现的各项生产技术问题的解决是通过技术问题澄清单/技术变更的方式进行的。工作包中材料清单中所列数量有误、材料的描述不清、工作包文件不一致、图纸或文件问题(技术规程、标准、说明、位置、尺寸等)、存储或维护问题、影响生产进度的问题、其他技术问题,通过发布技术问题联系单要求技术部或设计院进行澄清。