低浓自动控制项目研发问题探讨

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目前国内瓦斯发电厂使用的燃气发电机组设备大部分为国外进口机组，国外进口机组对瓦斯气源要求比较严格，瓦斯的质量浓度和压力必须满足进入机组的标准条件，瓦斯气体质量浓度一旦低于机组设定值就会不满足机组启动条件，导致燃气机组无法启机。瓦斯气源的组分、压力、湿度、温度及含尘量对燃气发电机组的运行有很大影响。以瓦斯发电厂项目实际运行为例，该项目在投入实际运行后一年左右就出现气源紧张现象，瓦斯的质量浓度、压力波动性也较大，经常由于瓦斯的质量浓度、压力突变造成跳机，导致燃气发电机组反复启停，不仅降低机组的使用寿命，而且也给电网造成了不良影响。针对公司严重亏损的形势，与煤层气地面开采企业联合进行钻井铺设管道将高质量浓度瓦斯（压力0.7MPa，质量浓度接近100%）接入瓦斯发电厂，通过加装低质量浓度混气装置将2路气源（钻井抽采的高质量浓度瓦斯和煤矿抽放站提供的低质量浓度瓦斯）通过混气工艺处理（PID自动控制）后，提高瓦斯质量，从而使瓦斯的压力、质量浓度均符合燃气发电机组的正常运行要求。下面主要围绕瓦斯发电厂的多路瓦斯气源进行混合后进入气体预处理设备前如何处理进行探讨研究，在实际运行中由于低质量浓度瓦斯气的流量最大，其波动对机组运行稳定性带来的影响也最大，而高质量浓度瓦斯气的流量经常会发生变化，需要对低质量浓度瓦斯气进行调整以实现瓦斯气体质量浓度的稳定，确保燃气发电机组稳定运行，迫切需要对低质量浓度瓦斯气体进行自动调节控制改造，以便工况变化时可以自动调整或进行远程调控，确保燃气发电机组安全稳定运行。

1项目研究开发过程

1.1实施方法

该项目主要利用西门子S7-200通过采集混气装置出口母管的瓦斯气体质量浓度反馈信号和低质量浓度瓦斯气体母管压力反馈信号，对放散阀开度进行自动控制，实现对放散调节阀的远程控制，以确保瓦斯气体质量浓度相对稳定或变化可控，从而实现对数据的远程监控。用到的配件有西门子S7-200可编程控制器、电动调节阀、压力变送器、甲烷浓度仪。电动调节阀安装于和低浓气母管连接的放散管道上，压力变送器安装于低质量浓度瓦斯管道上，并位于靠近低质量浓度瓦斯管道与高质量浓度瓦斯管道汇合的位置，甲烷浓度仪安装于低浓瓦斯和高浓瓦斯经过文丘里混气装置后的出口母管上。通过编程实现压力信号和质量浓度信号对放散电动调节阀开度的PID控制，并实现远程对放散电动调节阀的控制，以实现对瓦斯气体质量浓度的远程调节和稳定。

1.2技术路线

本项目对瓦斯发电厂的低质量浓度瓦斯进行调节的装置包括电动调节阀、压力变送器、甲烷浓度仪、PLC控制柜和监测PC。将原有低浓母管手动放散调节阀，更换为电动调节阀；电动调节阀的阀门安装于与低质量浓度瓦斯管道连接的放散管道上，在瓦斯气体混合器低浓母管入口安装压力变送器，监测低浓瓦斯气体压力值，将电动调节阀的电源、信号及压力变送器信号、甲烷浓度仪信号接入准备好的PLC控制柜，柜内安装有S7-200可编程控制器、数字/模拟信号输入输出模块，外供电源等。压力变送器与PLC控制柜中的模拟量输入模块连接，电动调节阀的电动执行器的电源端与PLC控制柜中的电源连接，电动调节阀的电动执行器的信号端与PLC控制柜中的模拟量输出模块连接，PLC控制柜中的通信模块与监测PC连接。通过编程实现瓦斯气体压力信号对电动放散调节阀的PID控制，并在气体预处理车间集中控制器HMI人机交互界面进行组态，实现值班人员远程对电动放散调节阀的开度控制[1]，确保混合后瓦斯气质量浓度相对稳定、可控，使操作、监控更方便，系统运行更稳定。具体施工步骤：将电动调节阀的阀门安装于与低质量浓度瓦斯管道连接的放散管道上；压力变送器安装于低质量浓度瓦斯管道上，并位于靠近低质量浓度瓦斯管道与高质量浓度瓦斯管汇合的位置，同时压力变送器信号端要与PLC控制柜中的模拟量输入模块连接；利用甲烷浓度仪将检测的混气装置出口母管瓦斯气体质量浓度信号端与PLC控制柜中的模拟量输入模块连接；将电动调节阀的电动执行器的电源端与PLC控制柜中的电源连接，将电动调节阀的电动执行器的信号端与PLC控制柜中的模拟量输出模块连接；将PLC控制柜中的通信模块与监测PC连接。其中，PLC控制柜中设置有电源、I/O模块、控制模块和通信模块。PLC控制柜可以为S7-200PLC，其中的模拟量输入模块为EM231，模拟量输出模块为EM232，通信模块为CP232，控制模块为CPU。PLC控制柜中的电源可以为外接电源，用于为PLC控制柜供电。低质量浓度瓦斯管道的公称直径为600mm，低质量浓度瓦斯放散管道的公称直径为600mm，高质量浓度瓦斯管道的公称直径为200mm。

1.3过程总结

本项目在投入使用时，通过压力变送器实时采集低质量浓度瓦斯管道中低质量浓度瓦斯气体的压力数据，并将压力数据通过模拟量输入模块发送至控制模块。当控制模块确定某一时刻的压力数据大于预设阈值时，控制模块通过模拟量输出模块向电动调节阀的电动执行器输出开启信号，通过开启信号控制电动调节阀的阀门打开，利用放散管道进行放散。在该过程中，PLC控制柜实时将采集的瓦斯气体质量浓度数据发送至监测PC，使得工作人员能够及时了解瓦斯质量浓度。电动调节阀的电动执行器的电源端与PLC控制柜中的电源通过4根截面积为1.5mm2的电缆连接，压力变送器与PLC控制柜中的模拟量输入模块通过1根2心截面积为1mm2的电缆连接，电动调节阀的电动执行器的信号端与PLC控制柜中的模拟量输出模块通过2根2心截面积为1mm2的电缆连接。对电厂的低质量浓度瓦斯进行调节的装置还包括报警器，报警器与PLC控制柜中的控制模块连接。在此基础上，当控制模块确定某一时刻的压力数据大于预设数值时，控制模块控制报警器报警，以达到及时提醒工作人员注意的目的，报警器可以选用声光报警器[2]。对电厂的低质量浓度瓦斯进行调节的装置还包括手动放散管道和手动阀，手动放散管道与低质量浓度瓦斯管道连接，手动阀设置于手动放散管道上。在运行过程中，当某一时刻所需的瓦斯放散量比较大时，在开启电动调节阀的基础上，还可以进一步由人工开启手动阀。

2项目实施问题探讨

2.1发现问题

该项目在实施过程中，低浓放散电动调节阀安装施工难度较大，需要将长12m的放散管先吊起来，再将DN600电动阀吊装至放散管下方2个法兰之间，再装电动调节阀的电动装置，接着给电动调节阀接电源线、控制线、信号线，还需安装新增的PLC控制柜，控制柜内需新装CPU中央处理器、AI、DI、AO、DO、电源模块。在现场采集混合气体信号，该信号需传输至控制柜内，由CPU根据气体压力和质量浓度变化值调节电磁阀。新增控制柜的选址是个难题，必须加高基础，防止雨水倒灌，同时需按照防爆场所电气标准接线，线路全部必须穿管并埋地敷设。所有硬件设备安装完成后，还需进行PLC组态调试，实现手动/自动控制，并能在集控室远程控制电动阀门开度。做试验过程中，尤其是处理采集压力值、质量浓度值与阀门开度的对应关系较困难，压力及质量浓度具体数值多少对应阀门开的角度大小，这个在具体实施时困难较大。现场通过流量计分别采集流量数据，结合高质量浓度瓦斯气体管道直径、低质量浓度瓦斯气体管道直径和压力变送器检测的压力值，实时计算出阀门开度。压力值必须保持在18～25kPa，混合瓦斯气质量浓度必须保持在30%～35%，对现场实际测量的压力值和质量浓度值与该设定值进行比较，通过PID闭环控制最终保证进入燃气机组的瓦斯压力、质量浓度值保持在要求的设定值范围内。选用的电动调节阀是调节型电动蝶阀，以AC220V电源作为动力，接收PLC自动控制系统输出的4～20mA信号来完成调节工作，4～20mA对应阀门开度为0～100，进行PID参数设置，通过计算实现精确地控制输出，从而对阀门开度的精准控制[3]。

2.2解决措施

安装DN600电动阀时，必须确保阀门安装位置准确，螺栓受力均匀，不能使管道有任何变形。新增控制柜的选址依据山地较高原则，选择距电动阀位置较近且地势较高的位置，保持与燃气管道区域的安全距离足够，同时搭建砖混结构柜体基础，可使柜体底部距地面0.5m。电缆埋地敷设，铺设时自下而上分层排列：动力电缆在最下面，控制电缆在中间，信号电缆在最上面，信号线要采用屏蔽对绞电缆连接，信号线屏蔽电缆在控制柜侧要正确接地，才能更好起到信号抗干扰作用。所有设备及线路安装完成后，检测绝缘电阻值符合标准再完成接线，接线完成后检查所有线路连接处端子接口是否压接到位，检测PLC控制柜内各个模块的运行情况是否正常，由于PLC电源为24V，一旦接线错误将220V连接到PLC，就很容易烧毁PLC或扩展模块，所以施工时必须高度重视这个细节。确认电源后，发送电源并测试输入和输出点。测试I/O点需要逐个测试，包括所有开关量和模拟量等，一个人在现场操作，另一个人监视PLC中的输入和输出信号，建立测试表。如果发现施工过程中存在接线错误，立即进行处理。检查电动调节阀机械结构并测试电动机负载，在此步骤中，需要检查机械结构是否紧密等，并适当保护电动机负载，以免发生意外事故[2]。检查后，需要手动测试设备的运行情况，并进行带电试运行。测试了I/O点和负载侧，进行组态调试，尤其是在做试验过程中，反复进行多次，才找到了浓度值和压力值与阀门开度的最佳对应关系，然后根据试验结果进行组态编程，将写好的程序输入CPU中。完成编程之后，下一步就是在手动模式下进行调试，手动模式调试成功后才可以进入自动模式调试，必须测试多个工作周期以确保系统可以连续工作而不会出错，排除各个节点问题，最终顺利调试成功，实现自动控制功能[3]。

3结论

该项目研发后，实现了低浓瓦斯放散阀的远程自动控制。当高浓瓦斯气流量或压力变化时，可远程自动调节低浓的配比量，保证混合后母管气体质量浓度和压力的稳定，大幅减少了燃气发电机组的跳机次数和频率，保证机组稳定运行。有效减少了人员工作量，提高了发电效率，降低了因质量浓度不稳定造成频繁跳机的能源消耗和设备损耗，提高了机组平均负荷率和发电量，保证设备稳定、经济、安全运行。本项目通过设置电动调节阀、压力变送器、甲烷浓度仪、PLC控制柜和监测PC等设备，实现了对低质量浓度瓦斯进行自动实时调节。利用西门子S7-200实现母管压力对放散阀开度的自动控制，实现对放散调节阀的远程控制，以确保质量浓度相对稳定或变化可控；实现数据的远程监控，操作更加方便，系统运行更加稳定。通过编程实现压力信号对放散电动调节阀开度的PID控制，并实现远程对放散电动调节阀的手动控制，从而实现对质量浓度的远程调节，确保机组安全稳定运行。因该项目相关所有设备线路均处于山坡野外，建议在后期运行中，要加大对所有设备及传输线路的巡查维护工作，尤其要保障电动调节阀、压力变送器、CPU、模拟信号输入、输出模块、控制模块24h不间断电源供应，工作正常，信号传输准确及时稳定。电动调节阀的防腐工作要及时进行，不能让调节阀锈蚀无法动作或阀门开启卡阻等现象出现。同时西门子S7-200控制器的组态编程程序要做好保存备份工作，防止断电丢失造成重启系统困难。

参考文献：

［1］顾战松，陈铁年.可编程控制器原理与应用［M］.北京：国防工业出版社，1996.

［2］李金城.PLC模拟量与通信控制应用实践［M］.北京：电子工业出版社，2018.

［3］程子华，刘小明.PLC原理与编程实例分析［M］.北京：国防工业出版社，2015.

作者:张红杏 单位:山西兰花煤炭实业集团有限公司