机械毕业设计790何超 基于PLC的声波清灰系统装置设计副本.docx
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机械毕业设计790何超基于PLC的声波清灰系统装置设计副本
第一章引言............................................................1
1.1声波清灰技术简介..................................................1
1.2声波吹灰器产品的优点和条件限制....................................1
1.3声波吹灰装置的应用范围............................................3
第二章声波清灰器清灰经济性分析.....................................4
2.1声波清洁器吹灰原理................................................4
2.2声波清洁器工作效果................................................4
2.3声波清洁器与蒸汽吹灰器运行费用比较................................5
2.4声波清洁器优缺点..................................................6
2.4.1声波清洁器优点................................................6
2.4.2声波清洁器不足................................................6
2.5蒸汽吹灰器优缺点..................................................6
2.5.1蒸汽吹灰器优点................................................6
2.5.2蒸汽吹灰器不足................................................6
2.6经济分析结论......................................................7
第三章基于PLC的锅炉烟灰省煤器清灰系统设计....................8
3.1确定设计任务书....................................................8
3.2确定外围I/O设备...................................................8
3.3选定PLC的型号....................................................8
3.4编制PLC的输入/输出分配表..........................................8
3.5声波清灰系统使用注意事项..........................................9
3.5.1声波清灰系统组成..............................................9
3.5.2供气.........................................................10
3.5.3供电.........................................................10
3.5.4供油.........................................................11
3.5.5噪声防范.....................................................11
3.6传感器的选择......................................................11
3.7声波清灰器控制工艺图,PLC接线图示意图及流程图......................13
3.8清灰系统控制程序.................................................16
3.8.1清灰系统控制程序梯形图.......................................16
3.8.2清灰系统控制程序语句表.......................................19
第四章PLC抗干扰设计................................................22
4.1PLC系统硬件方面抗干扰设计........................................22
4.1.1外界干扰的主要来源...........................................22
4.1.2防硬件方面干扰的措施.........................................22
4.1.3最终筛选设计.................................................26
4.2PLC系统软件方面抗干扰设计.......................................26
4.2.1提高PLC软件方面抗干扰的措施..................................26
4.2.2故障检测程序设计..............................................29
4.2.3最终筛选设计..................................................32
结论................................................................33
致谢...................................................................34
参考文献...............................................................35
附录I系统工艺图、电原理图、流程图.................................36
附录II外文文献翻译..................................................37
附录III外文文献原文.................................................44
基于PLC的声波清灰系统装置设计
摘要：
本课题是针对如今锅炉烟灰省煤器很容易在内壁形成积灰，降低了省煤器的效率，从而提出了基于PLC的声波清灰方法。
本文首先简单介绍了声波清灰技术，包括声波清灰器的经济性和优缺点，然后以锅炉省煤器清灰为例，设计了一套基于PLC的声波清灰系统，本文较详细的介绍了声波清灰系统的中央控制系统，硬件设计，软件设计还有外围接口电路设计，最后还从硬件和软件两方面提出了抗干扰措施。
关键词：
PLC、声波清灰、程序
BasedonthesoundofPLCsystemdesign
Summary：
Thistopicisnowboilersooteconomizereasilyinwallformationdeposited,reducedtheeconomizer,thustheefficiencyisproposedbasedonPLCsoundgreymethod.
Thispaperbrieflyintroducesthetechnology,includingthesoundwavestheadvantagesanddisadvantagesoftheeconomy,andthentotheboilereconomizerdesignasanexample,basedonPLCsystemofsound,thispaperintroducesindetailthesoundsystemincentralcontrolsystem,hardwaredesign,softwaredesignandperipheralinterfacecircuitdesign,finallyfromtwoaspectsofhardwareandsoftwareanti-interferencemeasuresputforward.
Keywords:
PLC、soundwaves、progra
第一章引言
1.1声波清灰技术简介
清灰技术是利用一定压力的压缩空气通过特制的气流射流环，高速喷射在一个特制的共振腔体上，将压缩空气的能量调制成一定频率、振幅和声强的声波，这种所调制出的声波是一种以能量形式存在的机械波。
声波快速而剧烈地振动，使周围作用空间的空气不断地压缩和放松，形成稠密与稀疏的变化的纵波，这种密疏相间的变化在其作用空间传播，对积灰、结垢在受热面的附着状态产生反复作用，使其发生“声致疲劳”断裂而剥离或破碎，脱离受热面表面，随着流动的烟气带出烟道而达到清灰的目的。
这种声波吹灰器利用了声波具有的直射、反射、折射及绕射的物理特性，可以充满所作用的所有空间而不留死角，对于采用动能冲刷原理的吹灰装置作用不到的死角、拐角、边角、背面等均为声波的作用场，这正是声波清灰装置别于其他形式的吹灰原理最明显的技术优势。
在正常运行条件下启动声波除灰，则由于声波的连续作用，使灰尘颗粒在声波的连续作用下，沉积、吸附条件被破坏，难以在锅炉受热面沉积和附着，使受热面持久保持洁净。
这种声波吹灰器可根据启动时省煤器进口烟气温度变化曲线调整运行时间和间隔周期，相对蒸汽吹灰装置，它随着受热面积灰的形成，到达一定程度即可启动运行。
在操作过程中，技术人员通过监视低温过热器、低温再热器和省煤器的进出口温度变化，找出积灰的形成、增厚规律，然后根据此规律，及时启动声波吹灰器，可以有效地破坏积灰形成的条件，对其形成进行有效地阻扰。
相比蒸汽吹灰装置，这种吹灰器启动相对比较频繁，因为它不必考虑对受热面管道的吹损问题，而间隔时间也比较短，所以它可以有效地阻止积灰的生成，更科学、理性地控制灰垢形成，并且有可能做到经济吹灰，优化吹灰。
从而达到持久保持受热面清洁、提高传热效率的目的。
这种声波吹灰器还通过声学耦合增大声波的传播距离以及对黏附在受热面上灰尘颗粒的作用强度。
可以保证该类型的声波吹灰器可以使用在大型锅炉水平和竖井烟道。
1.2声波吹灰器产品的优点和条件限制
⒈免维护
声波吹灰器工作时无转动、传动部件、设备及油润滑装置，不存在机械卡涩、阻滞、断油等机械故障，一旦安装，万事大吉。
它的耐高温、耐腐蚀材料和强力耐磨损表面涂层使其可以适应在任何容量机组锅炉的水平、竖井烟道的任何工况条件，让运行变得无忧无虑，正常运行中基本无需维护便能自动、可靠地工作，减轻了除灰技术人员的劳动强度，是“免维护型”吹灰器。
⒉工作可靠
它的主要部件发声体、声学耦合喇叭等所用的金属材料均为高合金奥氏体不锈耐热钢，其材料标准标称温度为1100℃，在可能被磨损的关键部位，采用了当前先进的等离子表面喷涂钴基合金技术，使其耐磨性能大大提高。
主要的正常维护就是周期性地清理空气过滤器滤芯和巡检日常工作，别无其他维护可做，方便可靠。
3.对受热面不形成吹损、可持久保持受热面清洁
在利用动能吹灰（如蒸汽吹灰）过程中，清灰过程经历了清理—少量积灰—积灰加剧—灰垢形成—再清理的循环，由于考虑到对受热面管道的强烈磨损，不能频繁启动，导致积灰加剧到一定程度时才启动清灰装置；而声波吹灰由于不依靠动力吹灰，不会吹损受热面，长时间使用可以大大减少受热面管道的磨损和爆管事故，安全可靠。
可以根据设计任意启动，清灰运行时间不受限制，可以有效地阻止积灰的形成，具有“长效”清灰作用。
根据锅炉不同的积灰特点，声波吹灰器可全自动周期性投入运行，需要时启动，不需要时即停止，使锅炉在整个连续运行的时间内，均能得到很好地清灰；
4.大功率共振腔
声学耦合单元采用了近锥体声音耦合喇叭，使声波作用距离达到10M以上（在试验环境下，声波吹灰器的声强在距离声源24M时检测值为130dB，试验灰椎尖顶部分表面在声波作用下完全破坏），扩展了声波除灰的空间。
如果在600MW机组锅炉上使用，其作用声场已经可以完全覆盖需要清灰的空间，克服了以往声波除灰功率小、声场作用半径小的缺陷，拓展了声波除灰的应用环境。
5.内置式安装，环保、噪音小
声波清灰器可以设计成炉墙式、内置式安装、发声部件全部在炉内，在炉墙安装时，采用了填充保温、隔热材料的负压墙（隔音）箱，可有效地防止声波噪音对运行环境所造成的影响，炉外声强级≤80dB，完全符合国家环保标准。
如果采用了全部的炉内安装，在比较好的炉墙隔音条件下，更可以大大降低其噪音，达到65dB，对现场巡检人员和其他工作人员不构成噪音威胁。
声波吹灰器由于其特殊的制造材料，使其可以适应任何现场苛刻的运行环境，具有灵活的安装方式和分组运行方式，保证了在大型临界和超临界机组锅炉受热面条件下的作用距离和更加优异的吹灰效果。
该类型声波吹灰装置的条件限制：
安装点的烟气流速一般应≥4m/s，以便由于声波作用从受热面管道上剥离的灰尘颗粒顺利被流动烟气带出；
不能用于灰尘颗粒处于软化温度或者接近软化温度的区域，否则将会影响声波作用效果；在锅炉炉膛内部不可用，折焰角前部区域不推荐使用。
要求有比较稳定的压缩空气源（一般为厂用杂风），压力应保证在0.35MPa以上，并且保证按照分组要求，保证每组数台吹灰器同时运行时，压力降幅度小，有稳定的流量-压力曲线。
推荐采用压力蓄势空气储罐。
采用洁净压缩空气源：
推荐采用两级空气过滤装置，一级在空压机前部设置，第二级设置在母管位置。
1.3声波清灰装置的应用范围
（1）降低由于滤袋除尘器压差高或电除尘器运行效果差所引起的能耗减小由过分物料堆积引起的非计划停车和维修;
（2）最大限度地发挥设备的工作效率以提高产量减小物料流动问题引起的混合比例失调;
（3）运用声波可以保持多孔板清洁并确保正确的气流分布;
（4）可作为电除尘器的辅助清灰或单独清灰系统;
（5）对静电除尘器极板和极线的辅助清灰;
（6）清除静电除尘器入口均流孔板的积灰;
（7）清除风机内壳和转子上的积灰;
（8）清除料仓、灰斗内壁上的积灰;
（9）运用声波可以保持多孔板清洁并确保正确的气流分布;
（10）可作为电除尘器的辅助清灰或单独清灰系统;
（11）对静电除尘器极板和极线的辅助清灰;
（12）清除静电除尘器入口均流孔板的积灰;
（13）清除风机内壳和转子上的积灰;
（14）清除料仓、灰斗内壁上的积灰.
第二章声波清灰器清灰经济性分析
目前国内火力发电机组清灰设备以蒸汽吹灰器为主,由于结构上的特点,加上锅炉热胀冷缩,吹灰管常有卡住、失灵及漏汽现象,设备故障率较高；维修工作量较大,在有些电厂不能经常投入使用,甚至装而不用,造成受热面积灰严重,排烟温度高,从而大大降低了锅炉热效率,给电站造成巨大的损失。
选择运行安全性能可靠的吹灰设备,为国内电厂所关注。
有些电厂在锅炉上采用了瑞典科康声力公司的声波清洁器来清洁受热面,收到了较好的效果。
仅就当前所掌握的材料将声波清洁器吹灰器与蒸汽吹灰器作简要分析对比。
2.1声波清洁器吹灰原理
声波清洁器工作原理是,金属膜片在压缩空气的作用下产生声波,受热面上的积灰在声波的作用下,处于松动和悬浮状态,便于被流动的烟气带走,从而清除受热面上的积灰。
2.2声波清洁器工作效果
上海吴泾热电厂SG40/h炉原设计有蒸汽吹灰器,后因故障多,不能正常投运而拆除,安装了四台声波清洁器,进行了安装声波吹灰器前后的对比。
表2-1是声波清洁器投运前后在再热器和省煤器蛇形管相同长度上取得灰样称重和积灰厚度测量的结果。
可以看出,声波清洁器投运后,蛇形管上积灰有明显的减少,且受热面积灰松散易除去。
表2-1：
投运前（95.11.18）
投运后（95.5.6）
积灰厚度/mm
重量/g
积灰厚度/mm
重量/g
再热器
最大
11.0
36.0
8.0
12.0
最少
3.0
1.5
省煤器
最大
11.0
25.0
9.0
15.0
最小
3.0
2.0
表2-2是4台声波清洁器全部投运后烟温和汽温的变化。
表2-2：
投前
投后
变化
再热器烟温差/℃
208.0
219.0
↑11.0
省煤器烟温差/℃
109.0
112.0
↑3.0
再热汽温升/℃
207.5
216.0
↑8.5
再热器出口汽温/℃
527.0
537.0
↑10.0
省煤器出口温度/℃
375.0
360.0
↓15.0
排烟温度/℃
176.5
172.0
↓4.5
表2-3是声波清洁器投入前后再热器吸热量的变化。
若取:
（1）排烟温度每下降1℃（相当于锅炉热效率提高0.05%）节约标准煤20kg/h;
（2）再热汽出口温度每上升1℃,节约标准煤5kg/h;
（3）燃煤低位热值18.84M/kg,煤价240元/吨;
（4）年运行7000h等。
表2-3
投前
投后
主蒸汽流量/t·h-1
369.0
372.0
计算再热器流量/t·h-1
315.0
319.0
再热器进口烟温/℃
620.0
623.0
再热器出口烟温/℃
412.0
412.5
再热器进口汽压/MPa
2.22
2.215
再热器进口汽温/℃
323.5
324.0
再热汽进口焓/kJ·kg-1
3517.37
3539.52
再热器出口汽压/MPa
2.20
2.195
再热器出口汽温/℃
527.0
537.0
再热汽出口焓/kJ·kg-1
3517.37
3539.52
再热器吸热量/×106kJ·h-1
141.06
149.52
再热汽焓增/kJ·kg-1
447.85
468.70
根据试验结果,声波清洁器投运后,再热汽出口汽温提高10℃,排烟温度下降4.5℃,全年可节约标准煤980t,折合人民币3616万元。
中华人民共和国劳动部劳动保护科学研究所,应劳动部锅炉压力容器检测研究中心的要求,对由瑞典科康声力公司（KOC,KUM,SONICS1AB）制造的IKT230/220声波清洁器进行了噪声测试,按照“工业企业噪声检测规范”进行测试结论为:
符合《工业企业噪声控制设计规范》的要求,在常规外部隔声处理以后,清洁器工作时产生的噪声,对周围作业人员不造成健康危害,亦不影响环境质量。
2.3声波清洁器与蒸汽吹灰器运行费用比较
齐鲁电厂5#炉、6#炉均为HG410t/h锅炉,分别安装9台蒸汽吹灰器和10台声波清洁器,若取:
（1）蒸汽吹灰器耗费蒸汽量12kg/sec（9台计）;蒸汽吹灰器压力1.28～1.47MPa;
（3）蒸汽介质温度≤350℃;
（4）蒸汽吹灰行程时间6min;
（5）蒸汽吹灰行程电动机功率5.4k台计）;
（6）每班蒸汽清洁次数1次;
（7）声波清洁器所需空压机功率55（供10台声波清洁器）;
（8）声波清洁器5分钟鸣音时间1分钟;
（9）每吨煤能产生吹灰蒸汽10t;
（10）供电煤耗0.377kg/kWh;
（11）每年运行7000h;
（12）燃煤热值和煤价同上等。
9台蒸汽吹灰器全年需用蒸汽7560t,合人民币18114万元,而10台声波清洁器全年耗能折煤29.03t合人民币0.7万元。
声波清洁器每年检修费用2700元,蒸汽吹灰器每年检修费用6000元。
如不计及声波清洁器和蒸汽吹灰器在设备安装和日常维修管理等费用上的差别,仅考虑声波清洁器的节能效果和它们在运行费用上的差别,那么用声波清洁器代替蒸汽吹灰器,一年能收回设备投资费用。
2.4声波清洁器优缺点
2.4.1声波清洁器优点
（1）设计先进,结构简单可靠,起停操作方便,运行安全,维修工作量极小,检修容易,费用低、安装简便;
（2）声波可以贯穿和清洁难以达到的位置,清洁半径5m,对受热面不会产生机械磨损,不会产生湿分而引起锅炉尾部受热面的腐蚀和堵塞;
（3）介质为空气,压力0.40～0.55MPa,非常容易满足;
（4）设备费用回收周期短等。
2.4.2声波清洁器不足
（1）对于炉膛或对流受热面结渣,声波吹灰器无能为力;
（2）低温段空气预热器的腐蚀和严重堵塞灰垢无法清除;
（3）难以清除受热面管子上已结成的坚硬灰垢。
2.5蒸汽吹灰器优缺点
2.5.1蒸汽吹灰器优点
（1）蒸汽来源比较充裕;
（2）蒸汽吹灰系统的初投资较低;
（3）对结渣性较强、煤灰熔点低、较粘的灰,蒸汽吹灰比较有效等。
2.5.2蒸汽吹灰器不足
（1）吹灰时需耗费蒸汽,因而需增加锅炉补充水及水处理设备运行费用;
（2）增加排烟中的含湿量,使烟气露点温度提高,可能导致空气预热器冷端堵灰和腐蚀加剧;
（3）维修费用较大,尤其长伸缩吹灰器;
（4）吹扫半径2m左右,且易吹坏受热面引起爆管,导致停炉检修,蒸汽吹扫遇到密集管束速度减弱大,吹灰有效范围小等。
2.6经济分析结论
（1）声波清洁器结构简单,无转动机械,无吹扫介质冲刷受热面,运行安全可靠。
同时,它可以吹扫蒸汽吹灰难以达到的空间,而且除灰效果比较明显,应该大力推广和应用。
（2）若以设计参数为基准,安装声波吹灰器后可以使锅炉效率提高0.715%,实际最大吹灰效果可使锅炉效率提高1.655%。
（3）实测声波清洁器噪音在80～85dB左右,小于国际安全与健康机构（OSHA）规定的允许值（107dB）,对运行人员的健康不会产生危害。
（4）声波清洁器初投资比蒸汽吹灰器高（近乎215倍）,但其回收期却比蒸汽吹灰器快得多,而且声波清洁器的安装、运行和检修费用都比蒸汽吹灰器低得多。
第三章基于PLC的锅炉烟灰省煤器清灰系统设计
3.1确定设计任务书
有一锅炉烟灰省煤器很容易在内壁形成积灰，积灰降低了省煤器的效率，这就需要一个很好的清灰系统，及时的清理好内壁积灰。
由于烟气温度影响烟灰凝结在省煤器内壁的容易程度，所以可以根据烟气进入省煤器时的温度调整声波清灰器的启动，启动延长时间，启动频率和停止。
3.2确定外围I/O设备
本设计使用温度H、I、L三个传感器，分别对应的检测温度为520℃、460℃、400℃和一台声波清灰器。
3.3选定PLC的型号
选用的PLC是西门子公司的S7-200系列小型PLC-CPU222，本
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