天然氣摻氫低氮燃燒器控制系統設計

劉艷鵬

（清華大學山西清潔能源研究院，山西太原030032）

氫能正受到全球能源清潔低碳化趨勢和氫能技術進步的共同推動，已成為世界上主要能源轉型國家的重要戰略選擇，我國也高度重視氫能的發展。天然氣摻氫技術是未來天然氣行業發展的重要方向之一。

各地政府追求綠色發展，加大了環保治理力度，提升了鍋爐大氣污染物排放標準，鼓勵鍋爐用戶進行低氮改造，對于天然氣摻氫氣燃燒器，由于氫氣燃料成分單一，無其它燃料型化合物，故燃燒后生成的NOx均為熱力型。因此，采用目前的天然氣摻氫燃燒及煙氣再循環技術控制NOx生成，從技術原理分析是可行的。

本文從摻氫低氮燃燒器的硬件配置系統、硬件控制系統及軟件控制系統進行設計，在實現燃燒器低氮排放的同時，讓燃燒器更具安全性和經濟性。

1 硬件配置系統

硬件配置系統包括混氣撬系統、燃燒器系統及氮氣系統?；鞖馇讼到y作用是在燃燒器啟動前，先通過自動調節將氫氣與天然氣混合成1∶20 的比例，然后將混合后的氣體送入后端燃燒器系統。整體設計如圖1 所示。

圖1 基本配置流程示意圖

1.1 混氣撬系統組成

混氣撬系統主要由氫氣管路、天然氣管路、混氣裝置、壓力變送器、甲烷濃度分析儀及氫氣濃度分析儀等組成。

氫氣管路和天然氣管路分別包括手動球閥、過濾器、減壓閥、壓力變送器、壓力表、電磁閥、流量計、流量調節裝置及止回閥。

1.2 燃燒器系統組成

燃燒器系統由燃燒器本體、供風系統、燃料供給系統、點火裝置、安全保護系統和負荷調節系統組成。燃燒器本體由燃燒頭和殼體組成，供風系統由風機、風道和空氣流量調節裝置等組成，點火裝置由點火閥、點火變壓器和點火電極等組成。

本文以天然氣作為燃料的摻氫低氮燃燒器展開設計。氣體燃料低氮燃燒器主要部件包括：手動快速切斷閥、過濾器、穩壓閥、壓力表、安全切斷閥、燃氣低壓開關、燃氣高壓開關、燃氣流量調節閥、點火閥、點火槍、點火電極、點火變壓器、火焰檢測裝置、風機、空氣壓力開關、空氣流量調節裝置及煙氣再循環（FGR）等。

1.3 氮氣系統組成

氮氣系統包括手動球閥、過濾器、減壓閥、電磁閥及止回閥。其作用是燃燒器在啟動前和停機后對整個管網進行氮氣吹掃，提高系統安全性。

2 硬件控制系統

2.1 控制原理

控制方式采用S7-200 Smart PLC 和西門子LFL1.322 程序控制器聯合控制，以觸摸屏和按鈕作為雙重操作界面控制方式。S7-200 Smart PLC 完成混氣撬系統的控制，負責閥門檢漏，對過程開關量和模擬量進行采集，完成燃燒器負荷大小調節過程控制。LFL1.322 是一個專業燃燒管理系統，具有控制和監控功能，安全完整性等級（SIL）高，一般為2～3 級，并獲得第三方檢測機構的安全認證，系統中完成啟動點火、點火/主火燃料閥開/關、火焰監測、控制關機，并規定了點火安全時間、主火安全時間后吹掃時間、熄火安全時間等邏輯控制。避免了單獨使用PLC 在控制過程中時序的復雜性和安全性，系統安全性優于單獨采用PLC 的控制方式?？赏ㄟ^S7-200 Smart PLC 網口或RS485 端口（MODBUS RTU 通信協議），根據需求將過程參數上傳到DCS 操作站畫面監控顯示，操作方式實現遠程（中控室）和本地操作，本地操作又能實現自動和手動操作，達到安全、可靠、節能、管控一體化要求。

2.2 主要組成元件

控制柜硬件主要由西門子S7-200 Smart PLC、燃燒器控制器LFL1.322、變頻器、風機、繼電器、斷路器、開關電源、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊及人機界面組成。

PLC 選用西門子S7-200 Smart PLC CPU SR30為控制器，該控制器自身帶有18 路數字量輸入和12 路數字量輸出，擴展兩臺EM AE08 模擬量輸入模塊和兩臺EM AQ04 模擬量輸出模塊。

燃燒器控制器LFL1.322 是西門子用于大中型功率的燃氣、燃油或雙燃料通風式燃燒的專用燃燒控制器，內部程序固定、聯鎖性強、結構簡單、安全性高，內部原理如圖2 所示。

圖2 LFL1.322 內部原理圖

燃氣流量執行器及風門執行器選用回轉型電動執行器，且具有相同的行程角度（0°～90°）和行程時間，保證兩者執行器轉角速度相同，從而確保燃氣量和空氣量等比例調節。執行器均自帶有位置反饋傳感器，實時反饋執行器實際打開位置，PLC 程序在每個負荷狀態時，先判斷燃氣流量執行器位置和風門執行器位置是否與給定一致，防止出現燃料過量，助燃空氣不足帶來的安全風險。若一致，程序正常執行，否則，安全切斷閥V1、V2 關閉，系統進入停機模式。

2.3 硬件連接

西門子S7-200 Smart PLC 通過中間繼電器與燃燒器控制器LFL1.322 進行信號交互。PLC 的I/O 端子、模擬量輸入模塊EMAE08 及模擬量輸出模塊EMAQ04 與變頻器、混氣系統、燃燒系統、氮氣系統連接?；鞖庀到y中的氫氣流量、氫氣壓力、天然氣流量、天然氣壓力、氫氣流量調節執行器、天然氣流量調節執行器、甲烷濃度信號及氫氣濃度信號等電信號通過模擬量輸入輸出模塊采集控制，電磁閥開關狀態通過I/O 端口控制。燃燒系統的風門執行器、FGR 執行器、摻氫天然氣流量執行器等各執行器信號通過模擬量輸入輸出模塊進行信號采集及控制。變頻器與風機電機連接并控制電機轉速，從而起到控制風量大小的目的。人機界面通過以太網端口連接S7-200 Smart PLC。硬件連接如圖3 所示。

圖3 硬件連接示意圖

在該控制系統中各執行器均轉換為4～20 mA電流信號，系統配置的模擬量輸入模塊將采集到的各執行器閥門開度、風機頻率反饋信號送入到PLC進行處理，通過輸出模塊輸出4～20 mA 電流信號控制各閥門開度及風機頻率，從而使空燃比、煙氣量達到合理的匹配關系，實現低氮燃燒的目的。

2.4 硬件結構

硬件控制系統中，如圖4 所示，燃燒器啟動前，先由PLC 完成閥組氣密性檢測程序，然后控制器LFL1.322 在無故障且風壓開關處于常閉狀態（端子13 和4 閉合）時，由PLC 的Q0.0 輸出控制器啟動信號，經繼電器轉換使控制器LFL1.322 的端子4 和5閉合。當PLC 內部程序控制風門執行器到達關閉位置后，通過Q0.4 輸出最小位信號經繼電器轉換使控制器LFL1.322 的端子8 和11 閉合，即控制器LFL1.322 的風門擋板關閉信號?？刂破鱈FL1.322 滿足上述條件后，程序單元啟動，僅預掃風，連接控制器LFL1.322 端子6 的鼓風電機立即通電，鼓風機運行，同時PLC 的輸入端子I0.5 有風機運行信號輸入，時間間隔t16（控制器LFL1.322 內部時間）后，控制器LFL1.322 通過端子9 輸出加風信號（打開風門擋板）給PLC 的輸入端I0.6，PLC 收到加風信號后控制風門執行器開至吹掃位置。當風門執行器到達吹掃位置開度后，PLC 的輸出端Q0.5 輸出最大位信號給控制器LFL1.322，經繼電器轉換使控制器LFL1.322 端子8 和9 閉合，程序單元繼續執行，前吹掃時間結束后，控制器LFL1.322 再次通過端子10輸出減風信號，通過繼電器轉換使PLC 的輸入端I0.7 有信號輸入，PLC 再次控制風門執行器開至點火位置。當風門執行器到達點火開度后，PLC 再次通過輸出端Q0.4 輸出最小位信號，通過繼電器轉換使控制器LFL1.322 端子8 和10 閉合，控制器LFL1.322 程序單元繼續執行，端子16 點火變壓器打火，端子19 控制安全切斷閥V1 和點火閥打開，安全時間（TSA）結束時,火焰檢測裝置將火焰電信號傳送到端子22，并且在關機之前，信號不中斷，否則控制器LFL1.322 故障斷電和鎖定在故障位置，并通過端子3 輸出點火失敗信號經繼電器轉換后控制PLC輸入點I0.4。端子17 控制安全切斷閥V2 打開，主火焰燃燒。主火焰建立后，燃燒器由PLC 程序進入自動負荷調節狀態，控制風門執行器、燃氣流量執行器、FGR 風門執行器和風機頻率的狀態，PLC 程序內部編寫有20 個負荷狀態，鍋爐負荷信號經比調儀（PID）自動控制燃燒器負荷調節。當鍋爐的安全鏈信號消失后，安全切斷閥V1 和V2 立即關閉，控制器LFL1.322 執行停機后吹掃模式。吹掃完成后，燃燒器停機。

圖4 控制器LFL1.322 連接圖

2.5 IO 端口分配

根據硬件結構設計原理，對PLC 的數字量輸入輸出端口、模擬量輸入輸出端口做功能分配，見表1。

表1 IO 地址分配

2.6 FGR 低氮技術原理

在滿足GB/T 36699-2018《鍋爐用液體和氣體燃料燃燒器技術條件》國家標準的要求下，給強制鼓風燃氣燃燒器加入外部煙氣再循環（簡稱FGR）系統及其控制裝置。FGR 技術原理是從鍋爐尾部煙道抽取部分低溫煙氣，引到燃燒器風機進風口，與助燃空氣混合后一起送入爐內，參與輔助燃燒和熱動力流場整合，其核心是利用煙氣所具有的低氧含量和惰性氣體含量高的特點，將部分煙氣再次噴入爐膛，降低燃氣的燃燒速率，從而降低火焰峰值溫度，減少熱力型NOx的生成。降低爐膛內局部溫度且形成局部還原性氣氛，將生成的NOx還原，從而抑制NOx的生成。

3 軟件控制系統

摻氫低氮燃燒器軟件設計主要包括控制流程設計、PLC 的梯形圖設計和人機界面畫面組態。

3.1 控制流程設計

本設計控制流程依據GB/T 36699《鍋爐用液體和氣體燃料燃燒器技術條件》標準進行設計，其中前吹掃時間、閥門檢漏、點火方式、安全時間、后吹掃時間等均符合該標準要求。低氮燃燒器系統啟動方式有手動啟動和鍋爐（自動）啟動兩種方式，具體流程設計如圖5 所示。

圖5 流程設計示意圖

3.2 混氣撬系統設計

混氣撬系統采用了一種變比例、變流量的設計思路，氫氣和天然氣兩種氣體按一定比例進入混氣裝置，PLC 通過采集氫氣流量、氫氣壓力、天然氣流量、天然氣壓力、甲烷濃度及氫氣濃度的數據，做出實時分析判斷，從而對天然氣管路上和氫氣管路上的流量調節裝置做出控制，進而調整兩種氣體的混合比例，讓輸出的混合氣體達到設定的理想狀態。

燃燒器在故障或停機時，立即關閉安全切斷閥，同時切斷天然氣管道和氫氣管道上的電磁閥，其次，關閉混氣裝置后端的電磁閥，最后關閉整套系統上的所有閥門。

3.3 梯形圖設計

本設計中使用的是S7-200 Smart PLC，所以采用STEP 7-MicroWIN SMART 軟件對程序進行梯形圖編寫。主程序由數據采集、啟動邏輯、混氣程序、負荷調節、停止邏輯、報警程序6 個程序塊組成。程序啟動前，先采集閥門位置信號，判斷各執行器閥門初始位置，滿足啟動條件后，程序進入啟動邏輯，閥門檢漏正常，管網及混氣裝置氮氣吹掃，爐膛吹掃。啟動混氣程序，待天然氣摻氫比達到20%后，程序繼續執行，電極放電，點火閥打開，小火建立，安全切斷閥V1、V2 打開，主火焰建立，待主火焰穩定燃燒后，程序進入負荷調節狀態。啟動停止信號需考慮手動模式和鍋爐自動控制模式，主程序如圖6 所示。

圖6 主程序示意圖

由于本低氮燃燒器采用煙氣外部循環設計，雖然FGR 技術降低NOx效果顯著，但對燃燒穩定性有較大影響，煙氣再循環率增大，火焰不穩定性加劇，以及采用FGR 技術后，防止煙氣再循環管道內冷凝水對風壓開關及火焰監測裝置的影響，因此，煙氣再循環管道做好保溫隔熱的同時，在燃燒器系統設計上做進一步優化，系統在點火成功后，負荷升至10%穩定燃燒，期間FGR 執行器一直處于關閉狀態，待檢測到排煙溫度大于130°以上，再打開FGR 執行器，系統進入負荷自動調節狀態。

3.4 人機界面畫面組態

人機界面是人機交互窗口，本設計采用西門子1000 IE V3 型號人機界面，通過WinCC flexible SMART V4 組態軟件完成畫面的設計。低氮燃燒器系統主要界面包括混氣系統畫面、參數設置、升降負荷設置、過程狀態畫面及報警畫面。系統啟動后直接進入主界面，主界面可以看到燃燒器動態畫面及閥組開關狀態，通過點擊按鈕能夠進入其它畫面查看及修改參數。圖7 為主界面，實時顯示燃燒器狀態；圖8 為升降負荷設置界面，可自動或手動調節燃燒器負荷大小。

圖8 升降負荷設置界面圖

4 結論

本文以天然氣摻20%氫氣作為燃料，加入煙氣外部循環控制技術的低氮燃燒器為實例，進行硬件配置選型，采用西門子S7-200 Smart PLC 和西門子燃燒器控制器LFL1.322 進行控制硬件設計，該摻氫低氮燃燒器投用以來，各項功能完善，燃燒器與鍋爐在自動控制過程中，自動啟停、大小火切換、負荷調節均正常。煙氣外循環管道及風機入口采用保溫層包裹，減少了熱量損失。因采用多負荷精準控制，保證了鍋爐在不同負荷狀態下燃燒時，燃料完全充分燃燒。尾部煙氣NOx排放檢測數據均穩定在30 mg/m3以下。根據天然氣用氣量數據統計，采用本設計的低氮燃燒器在同等時間內，因控制精確燃燒充分，對比其它燃燒器的天然氣用氣量，明顯減少。氫氣的摻入，大大改善了燃燒后NOx和CO2排放。因此，采用此種設計的摻氫低氮燃燒器具有一定的社會價值和經濟效益。