磨煤機入口混合風流量測量管路吹掃系統設計

南華大學機械工程學院 李 嶠 袁鋒偉

目前，對于磨煤機入口混合風流量測量管路的頻繁堵塞問題，火電廠普遍的做法是采用人工定期用壓縮空氣對測量管路進行吹掃。采用人工吹掃，一方面增加了維護人員的工作量，進而增加了發電廠的人力成本；另一方面，從故障出現，到運行人員通知維護人員處理故障，再到人工吹掃完成，所需時間較多，對于鍋爐風量的實時監視構成威脅。所以為某電廠350MW 機組設計磨煤機入口混合風流量測量管路吹掃系統，這樣可實現運行人員或維護人員對測量管路的一鍵吹掃，縮短發生堵塞故障處理時間，減少測量管路堵塞對鍋爐運行的影響。

1 風量測量原理

風量測量裝置布置于磨煤機入口直管段風道內，當裝置的通道內氣體存在流動時，裝置的迎風面會因為氣體的流動產生“全壓”，裝置的背風面由于未受到流動氣流的影響，故在風道中受到很低的壓力，該壓力即為“靜壓”。全壓與靜壓的壓力差即為動壓，動壓大小與風道內風量有關系，風量與動壓的關系符合伯努力方程：

式中，p 為該流體中某點的壓強，v 為流體中該點的流速，ρ 為該流體密度，g 為重力加速度，h為該點所在的高度，C 為常量。

2 系統硬件設計

風量測量管路吹掃系統由吹掃管路及PLC、上位機三大部分組成。吹掃管路用于實現壓力變送器的隔絕以及壓縮空氣的接入，PLC 用于吹掃管路中電磁閥的控制及模擬量信號的采集，上位機用于人機界面的實現、歷史數據存儲以及與DCS 系統的通訊。

2.1 吹掃管路設計

風量測量管路吹掃系統管路基于現火電廠普遍采用的方案，即測量管路從風量測量裝置引出后直接接入平臺變送器處。在現有方案的基礎上，對單臺磨煤機，本設計新增4個電磁閥，其中2個電磁閥分別對差壓變送器正壓側、負壓側管路進行截止，防止壓縮空氣接通時壓力波動對變送器產生損害；另外2個電磁閥用于控制壓縮空氣向測量管路及測量裝置進行吹掃。風量測量管路吹掃系統管路如圖1所示。

圖1 風量測量管路吹掃系統管路

2.2 PLC 模塊

可編程邏輯控制器（PLC），在現代工業自動化控制中具有重要的意義。其核心部件為微處理器，通過對順序控制、定時、算術運算、邏輯運算等指令的執行，在自動化系統中，對各類模擬量、數字量信號進行輸入、輸出處理，進而實現對工藝生產過程的自動化控制。

本系統選用西門子S7-200 SMART SR40作為CPU 模塊，EM AE04作為模擬量輸入模塊。S7-200 SMART 采用西門子高速處理芯片，基本指令的執行時間可達0.15μs，與同級別PLC 相比，處理速度更快。S7-200 SMART 配有以太網接口，支持多種通訊協議，通過網線即可實現程序的下裝和上載，其便捷性更加符合現在工控行業實際需求。

2.3 上位機人機界面

人機界面，也稱用戶界面，即在工業自動化中實現人與自動化系統的操作指令下發和信息獲取的媒介。人機界面由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括顯示部分、輸入部分、通訊接口、存儲部分、處理器等，其中處理器是決定人機界面性能的關鍵因素[1]。

本系統選用組態王開發監控系統軟件，在上位機上實現人機界面的全部功能。組態王軟件具有適用性強、開發易操作、開放性好等優點，利用Windows的圖形編輯功能，使監控畫面元素更加豐富。用戶可采用動畫的方式對工業流程進行展示，對各種參數進行數據記錄，對數據進行實時曲線、歷史曲線的顯示，并可根據用戶需求，提供各種報表輸出。

3 系統軟件設計

吹掃系統軟件設計主要包括兩部分，PLC 程序設計和上位機人機界面設計。PLC 程序設計在STEP 7-MicroWIN SMART 編程軟件完成，主要包括主程序、數據采集、電磁閥控制、吹掃方式選擇等組成[2]。人機界面在組態王軟件內實現，用于對吹掃系統的遠程操作、狀態監控、數據記錄、報表打印等功能。

由于磨煤機入口混合風流量的測量對于磨煤機風量的自動運行具有重要的意義，只有在DCS 上解除風量自動，才能進行吹掃，故吹掃系統運行的前提是DCS 允許吹掃。DCS 允許吹掃是電磁閥控制和吹掃方式選擇程序執行的前提條件。

3.1 數據采集

吹掃系統設計兩個壓力測點，分別布置于吹掃氣源總閥的閥前和閥后，數據采集子程序用于管道壓力的模擬量數據采集和處理。吹掃氣源總閥前壓力實時反映壓縮空氣管路壓力，吹掃氣源總閥后壓力反映吹掃氣源電磁閥后的壓力。通過對吹掃氣源總閥前、后壓力的監測，既可以監測未吹掃時閥門是否有內漏，又可以監測吹掃時閥門是否打開。

3.2 電磁閥控制

電磁閥控制是吹掃系統的動作執行來源，直接控制著壓縮空氣的通入以及測量管路的斷開。系統上電后，首先對所有輸出點進行復位操作，保證PLC 無動作輸出。在吹掃過程中，如須中途手動停止吹掃，也通過對所有輸出點進行復位來完成。由于差壓變送器屬于高精度測量儀表，在使用過程中要謹防壓力的突然變化對測量元件產生損害，故本吹掃系統從邏輯上杜絕壓力的陡增、陡降影響差壓變送器。

具體實現方式為，欲對單臺磨煤機入口混合風流量測量管路進行吹掃時，首先關閉正、負壓側測量管路的電磁閥，延時2s 之后，打開兩個壓縮空氣電磁閥，對測量管路進行吹掃，吹掃時間118s。當吹掃時間到達后，關閉兩個壓縮空氣電磁閥，再次延時2s 之后，打開正、負壓側測量管路的電磁閥，恢復差壓變送器的正常測量。電磁閥控制PLC 程序如圖2所示。

圖2 電磁閥控制PLC 程序

3.3 吹掃方式選擇

本系統的吹掃方式設計有手動吹掃和自動順序吹掃兩種。使用手動吹掃功能，運行人員可以根據需要，只須點擊一次吹掃按鈕，就能對單臺磨煤機的入口混合風流量測量管路進行吹掃，吹掃完成后自動恢復變送器的正常測量。使用自動順序吹掃功能，只需點擊一次順序吹掃按鈕，便可以依次執行對5臺磨煤機的入口混合風流量測量管路吹掃，當5臺磨煤機的吹掃全部完成之后，吹掃程序自動停止。無論自動順序吹掃還是手動吹掃，在吹掃過程中，如有需要，都可以立即對吹掃過程進行停止。

3.4 人機界面設計

如圖3所示，本設計人機界面以直觀的形式展示了吹掃系統的構成和實時狀態。管路、閥門都會根據其狀態改變為相應的顏色。在人機界面上，設計有DCS吹掃允許狀態顯示。每臺磨煤機均設置有單獨的吹掃按鈕，系統整體有順序吹掃和停止吹掃按鈕。DCS 與人機界面之間采用以太網通訊，從而實現數據交互。

圖3 人機界面

4 吹掃系統測試

本系統測試主要針對系統的可靠性進行測試。測試條件為壓縮空氣壓力0.7MPa，在人機界面使用自動順序吹掃功能，采用組態王和ACCESS 數據庫做數據交互。在開始自動順序吹掃后，對各電磁閥的動作時序進行記錄，測試結果見表1。

表1 吹掃系統測試結果

試驗證明，使用自動吹掃功能，各閥門動作順序正確，可以實現一鍵自動吹掃功能，具體時序流程為：開始自動吹掃功能，A 磨風量管道立即吹掃；122s 后，A 磨風量管道停止吹掃，B 磨風量管道開始吹掃；122s 后，B 磨風量管道停止吹掃，C 磨風量管道開始吹掃；122s 后，C 磨風量管道停止吹掃，D 磨風量管道開始吹掃；122s 后，D 磨風量管道停止吹掃，E 磨風量管道開始吹掃；122s 后，E 磨風量管道停止吹掃，自動順序吹掃流程結束。

綜上所述，采用西門子200SMART 和組態王的組合，對吹掃系統進行邏輯控制和數據采集，使得該系統既具有穩定、可靠、及時的動作特性，又具有操作簡便、顯示直觀、歷史數據追溯方便的特點。在經濟性和通用性方面，使用西門子200SMART 作為控制器，成本低廉，結合組態王對于人機界面組態的靈活性，可以使得本系統能夠以高性價比得到廣泛運用，尤其針對老舊的DCS 系統備用通道數量不足、DCS 卡件成本高的困難局面。