低濃自動控制項目研發問題探討

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目前國內瓦斯發電廠使用的燃氣發電機組設備大部分為國外進口機組，國外進口機組對瓦斯氣源要求比較嚴格，瓦斯的質量濃度和壓力必須滿足進入機組的標準條件，瓦斯氣體質量濃度一旦低于機組設定值就會不滿足機組啟動條件，導致燃氣機組無法啟機。瓦斯氣源的組分、壓力、濕度、溫度及含塵量對燃氣發電機組的運行有很大影響。以瓦斯發電廠項目實際運行為例，該項目在投入實際運行后一年左右就出現氣源緊張現象，瓦斯的質量濃度、壓力波動性也較大，經常由于瓦斯的質量濃度、壓力突變造成跳機，導致燃氣發電機組反復啟停，不僅降低機組的使用壽命，而且也給電網造成了不良影響。針對公司嚴重虧損的形勢，與煤層氣地面開采企業聯合進行鉆井鋪設管道將高質量濃度瓦斯（壓力0.7MPa，質量濃度接近100%）接入瓦斯發電廠，通過加裝低質量濃度混氣裝置將2路氣源（鉆井抽采的高質量濃度瓦斯和煤礦抽放站提供的低質量濃度瓦斯）通過混氣工藝處理（PID自動控制）后，提高瓦斯質量，從而使瓦斯的壓力、質量濃度均符合燃氣發電機組的正常運行要求。下面主要圍繞瓦斯發電廠的多路瓦斯氣源進行混合后進入氣體預處理設備前如何處理進行探討研究，在實際運行中由于低質量濃度瓦斯氣的流量最大，其波動對機組運行穩定性帶來的影響也最大，而高質量濃度瓦斯氣的流量經常會發生變化，需要對低質量濃度瓦斯氣進行調整以實現瓦斯氣體質量濃度的穩定，確保燃氣發電機組穩定運行，迫切需要對低質量濃度瓦斯氣體進行自動調節控制改造，以便工況變化時可以自動調整或進行遠程調控，確保燃氣發電機組安全穩定運行。

1項目研究開發過程

1.1實施方法

該項目主要利用西門子S7-200通過采集混氣裝置出口母管的瓦斯氣體質量濃度反饋信號和低質量濃度瓦斯氣體母管壓力反饋信號，對放散閥開度進行自動控制，實現對放散調節閥的遠程控制，以確保瓦斯氣體質量濃度相對穩定或變化可控，從而實現對數據的遠程監控。用到的配件有西門子S7-200可編程控制器、電動調節閥、壓力變送器、甲烷濃度儀。電動調節閥安裝于和低濃氣母管連接的放散管道上，壓力變送器安裝于低質量濃度瓦斯管道上，并位于靠近低質量濃度瓦斯管道與高質量濃度瓦斯管道匯合的位置，甲烷濃度儀安裝于低濃瓦斯和高濃瓦斯經過文丘里混氣裝置后的出口母管上。通過編程實現壓力信號和質量濃度信號對放散電動調節閥開度的PID控制，并實現遠程對放散電動調節閥的控制，以實現對瓦斯氣體質量濃度的遠程調節和穩定。

1.2技術路線

本項目對瓦斯發電廠的低質量濃度瓦斯進行調節的裝置包括電動調節閥、壓力變送器、甲烷濃度儀、PLC控制柜和監測PC。將原有低濃母管手動放散調節閥，更換為電動調節閥；電動調節閥的閥門安裝于與低質量濃度瓦斯管道連接的放散管道上，在瓦斯氣體混合器低濃母管入口安裝壓力變送器，監測低濃瓦斯氣體壓力值，將電動調節閥的電源、信號及壓力變送器信號、甲烷濃度儀信號接入準備好的PLC控制柜，柜內安裝有S7-200可編程控制器、數字/模擬信號輸入輸出模塊，外供電源等。壓力變送器與PLC控制柜中的模擬量輸入模塊連接，電動調節閥的電動執行器的電源端與PLC控制柜中的電源連接，電動調節閥的電動執行器的信號端與PLC控制柜中的模擬量輸出模塊連接，PLC控制柜中的通信模塊與監測PC連接。通過編程實現瓦斯氣體壓力信號對電動放散調節閥的PID控制，并在氣體預處理車間集中控制器HMI人機交互界面進行組態，實現值班人員遠程對電動放散調節閥的開度控制[1]，確保混合后瓦斯氣質量濃度相對穩定、可控，使操作、監控更方便，系統運行更穩定。具體施工步驟：將電動調節閥的閥門安裝于與低質量濃度瓦斯管道連接的放散管道上；壓力變送器安裝于低質量濃度瓦斯管道上，并位于靠近低質量濃度瓦斯管道與高質量濃度瓦斯管匯合的位置，同時壓力變送器信號端要與PLC控制柜中的模擬量輸入模塊連接；利用甲烷濃度儀將檢測的混氣裝置出口母管瓦斯氣體質量濃度信號端與PLC控制柜中的模擬量輸入模塊連接；將電動調節閥的電動執行器的電源端與PLC控制柜中的電源連接，將電動調節閥的電動執行器的信號端與PLC控制柜中的模擬量輸出模塊連接；將PLC控制柜中的通信模塊與監測PC連接。其中，PLC控制柜中設置有電源、I/O模塊、控制模塊和通信模塊。PLC控制柜可以為S7-200PLC，其中的模擬量輸入模塊為EM231，模擬量輸出模塊為EM232，通信模塊為CP232，控制模塊為CPU。PLC控制柜中的電源可以為外接電源，用于為PLC控制柜供電。低質量濃度瓦斯管道的公稱直徑為600mm，低質量濃度瓦斯放散管道的公稱直徑為600mm，高質量濃度瓦斯管道的公稱直徑為200mm。

1.3過程總結

本項目在投入使用時，通過壓力變送器實時采集低質量濃度瓦斯管道中低質量濃度瓦斯氣體的壓力數據，并將壓力數據通過模擬量輸入模塊發送至控制模塊。當控制模塊確定某一時刻的壓力數據大于預設閾值時，控制模塊通過模擬量輸出模塊向電動調節閥的電動執行器輸出開啟信號，通過開啟信號控制電動調節閥的閥門打開，利用放散管道進行放散。在該過程中，PLC控制柜實時將采集的瓦斯氣體質量濃度數據發送至監測PC，使得工作人員能夠及時了解瓦斯質量濃度。電動調節閥的電動執行器的電源端與PLC控制柜中的電源通過4根截面積為1.5mm2的電纜連接，壓力變送器與PLC控制柜中的模擬量輸入模塊通過1根2心截面積為1mm2的電纜連接，電動調節閥的電動執行器的信號端與PLC控制柜中的模擬量輸出模塊通過2根2心截面積為1mm2的電纜連接。對電廠的低質量濃度瓦斯進行調節的裝置還包括報警器，報警器與PLC控制柜中的控制模塊連接。在此基礎上，當控制模塊確定某一時刻的壓力數據大于預設數值時，控制模塊控制報警器報警，以達到及時提醒工作人員注意的目的，報警器可以選用聲光報警器[2]。對電廠的低質量濃度瓦斯進行調節的裝置還包括手動放散管道和手動閥，手動放散管道與低質量濃度瓦斯管道連接，手動閥設置于手動放散管道上。在運行過程中，當某一時刻所需的瓦斯放散量比較大時，在開啟電動調節閥的基礎上，還可以進一步由人工開啟手動閥。

2項目實施問題探討

2.1發現問題

該項目在實施過程中，低濃放散電動調節閥安裝施工難度較大，需要將長12m的放散管先吊起來，再將DN600電動閥吊裝至放散管下方2個法蘭之間，再裝電動調節閥的電動裝置，接著給電動調節閥接電源線、控制線、信號線，還需安裝新增的PLC控制柜，控制柜內需新裝CPU中央處理器、AI、DI、AO、DO、電源模塊。在現場采集混合氣體信號，該信號需傳輸至控制柜內，由CPU根據氣體壓力和質量濃度變化值調節電磁閥。新增控制柜的選址是個難題，必須加高基礎，防止雨水倒灌，同時需按照防爆場所電氣標準接線，線路全部必須穿管并埋地敷設。所有硬件設備安裝完成后，還需進行PLC組態調試，實現手動/自動控制，并能在集控室遠程控制電動閥門開度。做試驗過程中，尤其是處理采集壓力值、質量濃度值與閥門開度的對應關系較困難，壓力及質量濃度具體數值多少對應閥門開的角度大小，這個在具體實施時困難較大。現場通過流量計分別采集流量數據，結合高質量濃度瓦斯氣體管道直徑、低質量濃度瓦斯氣體管道直徑和壓力變送器檢測的壓力值，實時計算出閥門開度。壓力值必須保持在18～25kPa，混合瓦斯氣質量濃度必須保持在30%～35%，對現場實際測量的壓力值和質量濃度值與該設定值進行比較，通過PID閉環控制最終保證進入燃氣機組的瓦斯壓力、質量濃度值保持在要求的設定值范圍內。選用的電動調節閥是調節型電動蝶閥，以AC220V電源作為動力，接收PLC自動控制系統輸出的4～20mA信號來完成調節工作，4～20mA對應閥門開度為0～100，進行PID參數設置，通過計算實現精確地控制輸出，從而對閥門開度的精準控制[3]。

2.2解決措施

安裝DN600電動閥時，必須確保閥門安裝位置準確，螺栓受力均勻，不能使管道有任何變形。新增控制柜的選址依據山地較高原則，選擇距電動閥位置較近且地勢較高的位置，保持與燃氣管道區域的安全距離足夠，同時搭建磚混結構柜體基礎，可使柜體底部距地面0.5m。電纜埋地敷設，鋪設時自下而上分層排列：動力電纜在最下面，控制電纜在中間，信號電纜在最上面，信號線要采用屏蔽對絞電纜連接，信號線屏蔽電纜在控制柜側要正確接地，才能更好起到信號抗干擾作用。所有設備及線路安裝完成后，檢測絕緣電阻值符合標準再完成接線，接線完成后檢查所有線路連接處端子接口是否壓接到位，檢測PLC控制柜內各個模塊的運行情況是否正常，由于PLC電源為24V，一旦接線錯誤將220V連接到PLC，就很容易燒毀PLC或擴展模塊，所以施工時必須高度重視這個細節。確認電源后，發送電源并測試輸入和輸出點。測試I/O點需要逐個測試，包括所有開關量和模擬量等，一個人在現場操作，另一個人監視PLC中的輸入和輸出信號，建立測試表。如果發現施工過程中存在接線錯誤，立即進行處理。檢查電動調節閥機械結構并測試電動機負載，在此步驟中，需要檢查機械結構是否緊密等，并適當保護電動機負載，以免發生意外事故[2]。檢查后，需要手動測試設備的運行情況，并進行帶電試運行。測試了I/O點和負載側，進行組態調試，尤其是在做試驗過程中，反復進行多次，才找到了濃度值和壓力值與閥門開度的最佳對應關系，然后根據試驗結果進行組態編程，將寫好的程序輸入CPU中。完成編程之后，下一步就是在手動模式下進行調試，手動模式調試成功后才可以進入自動模式調試，必須測試多個工作周期以確保系統可以連續工作而不會出錯，排除各個節點問題，最終順利調試成功，實現自動控制功能[3]。

3結論

該項目研發后，實現了低濃瓦斯放散閥的遠程自動控制。當高濃瓦斯氣流量或壓力變化時，可遠程自動調節低濃的配比量，保證混合后母管氣體質量濃度和壓力的穩定，大幅減少了燃氣發電機組的跳機次數和頻率，保證機組穩定運行。有效減少了人員工作量，提高了發電效率，降低了因質量濃度不穩定造成頻繁跳機的能源消耗和設備損耗，提高了機組平均負荷率和發電量，保證設備穩定、經濟、安全運行。本項目通過設置電動調節閥、壓力變送器、甲烷濃度儀、PLC控制柜和監測PC等設備，實現了對低質量濃度瓦斯進行自動實時調節。利用西門子S7-200實現母管壓力對放散閥開度的自動控制，實現對放散調節閥的遠程控制，以確保質量濃度相對穩定或變化可控；實現數據的遠程監控，操作更加方便，系統運行更加穩定。通過編程實現壓力信號對放散電動調節閥開度的PID控制，并實現遠程對放散電動調節閥的手動控制，從而實現對質量濃度的遠程調節，確保機組安全穩定運行。因該項目相關所有設備線路均處于山坡野外，建議在后期運行中，要加大對所有設備及傳輸線路的巡查維護工作，尤其要保障電動調節閥、壓力變送器、CPU、模擬信號輸入、輸出模塊、控制模塊24h不間斷電源供應，工作正常，信號傳輸準確及時穩定。電動調節閥的防腐工作要及時進行，不能讓調節閥銹蝕無法動作或閥門開啟卡阻等現象出現。同時西門子S7-200控制器的組態編程程序要做好保存備份工作，防止斷電丟失造成重啟系統困難。

參考文獻：

［1］顧戰松，陳鐵年.可編程控制器原理與應用［M］.北京：國防工業出版社，1996.

［2］李金城.PLC模擬量與通信控制應用實踐［M］.北京：電子工業出版社，2018.

［3］程子華，劉小明.PLC原理與編程實例分析［M］.北京：國防工業出版社，2015.

作者:張紅杏 單位:山西蘭花煤炭實業集團有限公司