低濃自動控制項目研發(fā)問題探討

序論：好文章的創(chuàng)作是一個不斷探索和完善的過程，我們?yōu)槟扑]一篇低濃自動控制項目研發(fā)問題探討范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來更深刻的閱讀感受。

目前國內(nèi)瓦斯發(fā)電廠使用的燃氣發(fā)電機組設(shè)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(zhì)量濃度和壓力必須滿足進入機組的標準條件，瓦斯氣體質(zhì)量濃度一旦低于機組設(shè)定值就會不滿足機組啟動條件，導(dǎo)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(fā)電機組的運行有很大影響。以瓦斯發(fā)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(xiàn)氣源緊張現(xiàn)象，瓦斯的質(zhì)量濃度、壓力波動性也較大，經(jīng)常由于瓦斯的質(zhì)量濃度、壓力突變造成跳機，導(dǎo)致燃氣發(fā)電機組反復(fù)啟停，不僅降低機組的使用壽命，而且也給電網(wǎng)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(yè)聯(lián)合進行鉆井鋪設(shè)管道將高質(zhì)量濃度瓦斯（壓力0.7MPa，質(zhì)量濃度接近100%）接入瓦斯發(fā)電廠，通過加裝低質(zhì)量濃度混氣裝置將2路氣源（鉆井抽采的高質(zhì)量濃度瓦斯和煤礦抽放站提供的低質(zhì)量濃度瓦斯）通過混氣工藝處理（PID自動控制）后，提高瓦斯質(zhì)量，從而使瓦斯的壓力、質(zhì)量濃度均符合燃氣發(fā)電機組的正常運行要求。下面主要圍繞瓦斯發(fā)電廠的多路瓦斯氣源進行混合后進入氣體預(yù)處理設(shè)備前如何處理進行探討研究，在實際運行中由于低質(zhì)量濃度瓦斯氣的流量最大，其波動對機組運行穩(wěn)定性帶來的影響也最大，而高質(zhì)量濃度瓦斯氣的流量經(jīng)常會發(fā)生變化，需要對低質(zhì)量濃度瓦斯氣進行調(diào)整以實現(xiàn)瓦斯氣體質(zhì)量濃度的穩(wěn)定，確保燃氣發(fā)電機組穩(wěn)定運行，迫切需要對低質(zhì)量濃度瓦斯氣體進行自動調(diào)節(jié)控制改造，以便工況變化時可以自動調(diào)整或進行遠程調(diào)控，確保燃氣發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行。

1項目研究開發(fā)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(zhì)量濃度反饋信號和低質(zhì)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(xiàn)對放散調(diào)節(jié)閥的遠程控制，以確保瓦斯氣體質(zhì)量濃度相對穩(wěn)定或變化可控，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控。用到的配件有西門子S7-200可編程控制器、電動調(diào)節(jié)閥、壓力變送器、甲烷濃度儀。電動調(diào)節(jié)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(zhì)量濃度瓦斯管道上，并位于靠近低質(zhì)量濃度瓦斯管道與高質(zhì)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(jīng)過文丘里混氣裝置后的出口母管上。通過編程實現(xiàn)壓力信號和質(zhì)量濃度信號對放散電動調(diào)節(jié)閥開度的PID控制，并實現(xiàn)遠程對放散電動調(diào)節(jié)閥的控制，以實現(xiàn)對瓦斯氣體質(zhì)量濃度的遠程調(diào)節(jié)和穩(wěn)定。

1.2技術(shù)路線

本項目對瓦斯發(fā)電廠的低質(zhì)量濃度瓦斯進行調(diào)節(jié)的裝置包括電動調(diào)節(jié)閥、壓力變送器、甲烷濃度儀、PLC控制柜和監(jiān)測PC。將原有低濃母管手動放散調(diào)節(jié)閥，更換為電動調(diào)節(jié)閥；電動調(diào)節(jié)閥的閥門安裝于與低質(zhì)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(jiān)測低濃瓦斯氣體壓力值，將電動調(diào)節(jié)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(nèi)安裝有S7-200可編程控制器、數(shù)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(diào)節(jié)閥的電動執(zhí)行器的電源端與PLC控制柜中的電源連接，電動調(diào)節(jié)閥的電動執(zhí)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(jiān)測PC連接。通過編程實現(xiàn)瓦斯氣體壓力信號對電動放散調(diào)節(jié)閥的PID控制，并在氣體預(yù)處理車間集中控制器HMI人機交互界面進行組態(tài)，實現(xiàn)值班人員遠程對電動放散調(diào)節(jié)閥的開度控制[1]，確保混合后瓦斯氣質(zhì)量濃度相對穩(wěn)定、可控，使操作、監(jiān)控更方便，系統(tǒng)運行更穩(wěn)定。具體施工步驟：將電動調(diào)節(jié)閥的閥門安裝于與低質(zhì)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(zhì)量濃度瓦斯管道上，并位于靠近低質(zhì)量濃度瓦斯管道與高質(zhì)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(zhì)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(diào)節(jié)閥的電動執(zhí)行器的電源端與PLC控制柜中的電源連接，將電動調(diào)節(jié)閥的電動執(zhí)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(jiān)測PC連接。其中，PLC控制柜中設(shè)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(zhì)量濃度瓦斯管道的公稱直徑為600mm，低質(zhì)量濃度瓦斯放散管道的公稱直徑為600mm，高質(zhì)量濃度瓦斯管道的公稱直徑為200mm。

1.3過程總結(jié)

本項目在投入使用時，通過壓力變送器實時采集低質(zhì)量濃度瓦斯管道中低質(zhì)量濃度瓦斯氣體的壓力數(shù)據(jù)，并將壓力數(shù)據(jù)通過模擬量輸入模塊發(fā)送至控制模塊。當控制模塊確定某一時刻的壓力數(shù)據(jù)大于預(yù)設(shè)閾值時，控制模塊通過模擬量輸出模塊向電動調(diào)節(jié)閥的電動執(zhí)行器輸出開啟信號，通過開啟信號控制電動調(diào)節(jié)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(zhì)量濃度數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測PC，使得工作人員能夠及時了解瓦斯質(zhì)量濃度。電動調(diào)節(jié)閥的電動執(zhí)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(diào)節(jié)閥的電動執(zhí)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(zhì)量濃度瓦斯進行調(diào)節(jié)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(chǔ)上，當控制模塊確定某一時刻的壓力數(shù)據(jù)大于預(yù)設(shè)數(shù)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(zhì)量濃度瓦斯進行調(diào)節(jié)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(zhì)量濃度瓦斯管道連接，手動閥設(shè)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(diào)節(jié)閥的基礎(chǔ)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(fā)現(xiàn)問題

該項目在實施過程中，低濃放散電動調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥的電動裝置，接著給電動調(diào)節(jié)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(nèi)需新裝CPU中央處理器、AI、DI、AO、DO、電源模塊。在現(xiàn)場采集混合氣體信號，該信號需傳輸至控制柜內(nèi)，由CPU根據(jù)氣體壓力和質(zhì)量濃度變化值調(diào)節(jié)電磁閥。新增控制柜的選址是個難題，必須加高基礎(chǔ)，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(shè)。所有硬件設(shè)備安裝完成后，還需進行PLC組態(tài)調(diào)試，實現(xiàn)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(zhì)量濃度值與閥門開度的對應(yīng)關(guān)系較困難，壓力及質(zhì)量濃度具體數(shù)值多少對應(yīng)閥門開的角度大小，這個在具體實施時困難較大。現(xiàn)場通過流量計分別采集流量數(shù)據(jù)，結(jié)合高質(zhì)量濃度瓦斯氣體管道直徑、低質(zhì)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(zhì)量濃度必須保持在30%～35%，對現(xiàn)場實際測量的壓力值和質(zhì)量濃度值與該設(shè)定值進行比較，通過PID閉環(huán)控制最終保證進入燃氣機組的瓦斯壓力、質(zhì)量濃度值保持在要求的設(shè)定值范圍內(nèi)。選用的電動調(diào)節(jié)閥是調(diào)節(jié)型電動蝶閥，以AC220V電源作為動力，接收PLC自動控制系統(tǒng)輸出的4～20mA信號來完成調(diào)節(jié)工作，4～20mA對應(yīng)閥門開度為0～100，進行PID參數(shù)設(shè)置，通過計算實現(xiàn)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(jù)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(qū)域的安全距離足夠，同時搭建磚混結(jié)構(gòu)柜體基礎(chǔ)，可使柜體底部距地面0.5m。電纜埋地敷設(shè)，鋪設(shè)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(cè)要正確接地，才能更好起到信號抗干擾作用。所有設(shè)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(nèi)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(jié)。確認電源后，發(fā)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(guān)量和模擬量等，一個人在現(xiàn)場操作，另一個人監(jiān)視PLC中的輸入和輸出信號，建立測試表。如果發(fā)現(xiàn)施工過程中存在接線錯誤，立即進行處理。檢查電動調(diào)節(jié)閥機械結(jié)構(gòu)并測試電動機負載，在此步驟中，需要檢查機械結(jié)構(gòu)是否緊密等，并適當保護電動機負載，以免發(fā)生意外事故[2]。檢查后，需要手動測試設(shè)備的運行情況，并進行帶電試運行。測試了I/O點和負載側(cè)，進行組態(tài)調(diào)試，尤其是在做試驗過程中，反復(fù)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(yīng)關(guān)系，然后根據(jù)試驗結(jié)果進行組態(tài)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(diào)試，手動模式調(diào)試成功后才可以進入自動模式調(diào)試，必須測試多個工作周期以確保系統(tǒng)可以連續(xù)工作而不會出錯，排除各個節(jié)點問題，最終順利調(diào)試成功，實現(xiàn)自動控制功能[3]。

3結(jié)論

該項目研發(fā)后，實現(xiàn)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(diào)節(jié)低濃的配比量，保證混合后母管氣體質(zhì)量濃度和壓力的穩(wěn)定，大幅減少了燃氣發(fā)電機組的跳機次數(shù)和頻率，保證機組穩(wěn)定運行。有效減少了人員工作量，提高了發(fā)電效率，降低了因質(zhì)量濃度不穩(wěn)定造成頻繁跳機的能源消耗和設(shè)備損耗，提高了機組平均負荷率和發(fā)電量，保證設(shè)備穩(wěn)定、經(jīng)濟、安全運行。本項目通過設(shè)置電動調(diào)節(jié)閥、壓力變送器、甲烷濃度儀、PLC控制柜和監(jiān)測PC等設(shè)備，實現(xiàn)了對低質(zhì)量濃度瓦斯進行自動實時調(diào)節(jié)。利用西門子S7-200實現(xiàn)母管壓力對放散閥開度的自動控制，實現(xiàn)對放散調(diào)節(jié)閥的遠程控制，以確保質(zhì)量濃度相對穩(wěn)定或變化可控；實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控，操作更加方便，系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定。通過編程實現(xiàn)壓力信號對放散電動調(diào)節(jié)閥開度的PID控制，并實現(xiàn)遠程對放散電動調(diào)節(jié)閥的手動控制，從而實現(xiàn)對質(zhì)量濃度的遠程調(diào)節(jié)，確保機組安全穩(wěn)定運行。因該項目相關(guān)所有設(shè)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(shè)備及傳輸線路的巡查維護工作，尤其要保障電動調(diào)節(jié)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(yīng)，工作正常，信號傳輸準確及時穩(wěn)定。電動調(diào)節(jié)閥的防腐工作要及時進行，不能讓調(diào)節(jié)閥銹蝕無法動作或閥門開啟卡阻等現(xiàn)象出現(xiàn)。同時西門子S7-200控制器的組態(tài)編程程序要做好保存?zhèn)浞莨ぷ鳎乐箶嚯妬G失造成重啟系統(tǒng)困難。

參考文獻：

［1］顧戰(zhàn)松，陳鐵年.可編程控制器原理與應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1996.

［2］李金城.PLC模擬量與通信控制應(yīng)用實踐［M］.北京：電子工業(yè)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(yè)出版社，2015.

作者:張紅杏 單位:山西蘭花煤炭實業(yè)集團有限公司