電廠煙氣脫硫控制系統(tǒng)半實物仿真平臺

黃昕昀

(高斯圖文印刷系統(tǒng)(中國)有限公司，上海 200062)

0 引言

我國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展對電力能源提出了迫切性需求，國家在新建電廠項目和舊廠改造方面投入了大量資金，根據(jù)我國電力發(fā)展的規(guī)劃，到2020年我國裝機總?cè)萘繉⑦_到900，000MW，其中火電占到70.6%。隨著裝機容量的遞增，SO2的排放量不斷遞增。目前我國的SO2排放量己嚴(yán)重超過環(huán)境容量，這種污染對可持續(xù)發(fā)展及人類居住生態(tài)環(huán)境都造成不可逆轉(zhuǎn)的影響[1]。2005年5月19日，國家發(fā)展改革委印發(fā)了《關(guān)于加快火電廠煙氣脫硫產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的若干意見》。《意見》的發(fā)布將對規(guī)范火電廠煙氣脫硫產(chǎn)業(yè)市場，提高煙氣脫硫設(shè)施建設(shè)、運行水平，加快煙氣脫硫產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展產(chǎn)生積極的促進作用。

目前，我國煙氣脫硫技術(shù)的研發(fā)力量主要集中在專業(yè)院校和科研院所，由于受資金和生產(chǎn)場所等條件限制，絕大部分自主開發(fā)的新技術(shù)僅停留在小試或中試階段，難以在大型火電廠煙氣脫硫工程中得到實際應(yīng)用。以企業(yè)為主體的煙氣脫硫工程創(chuàng)新體系尚未形成，且沒有一家企業(yè)能夠?qū)煔饷摿蜻^程控制、優(yōu)化控制和狀態(tài)監(jiān)控、大型機電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控進行有機的整合，做脫硫控制的多側(cè)重脫硫過程控制情況，做脫硫機電設(shè)備的多側(cè)重狀態(tài)監(jiān)控和優(yōu)化，往往忽略了各系統(tǒng)間的聯(lián)系，很難發(fā)揮其應(yīng)有的效益。

仿真可分為計算機仿真和半實物仿真。計算機仿真是系統(tǒng)設(shè)計階段不可缺少的一項工作，通過計算機仿真驗證設(shè)計的正確性和可實現(xiàn)性。半實物仿真一般是把數(shù)學(xué)模型、實體模型和系統(tǒng)的實際設(shè)備聯(lián)系在一起進行運行，組成仿真系統(tǒng)。與純計算機軟件仿真相比，半實物仿真的實驗結(jié)果更接近實際，它是一種更接近實際的仿真試驗技術(shù)?，F(xiàn)階段，半實物仿真系統(tǒng)多應(yīng)用于航空、航海、軍事等[2]方面。

煙氣脫硫系統(tǒng)仿真平臺可用于運行人員培訓(xùn)以及對整個脫硫系統(tǒng)設(shè)備運行進行分析和研究，而且不受現(xiàn)場各種條件的約束，大大節(jié)省了系統(tǒng)設(shè)計、試驗以及優(yōu)化的時間和經(jīng)費，提高了脫硫系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性。目前，電廠煙氣脫硫系統(tǒng)的仿真平臺大都處于純軟件仿真的階段，即用軟件模擬方式來模擬脫硫系統(tǒng)本體、物理化學(xué)反應(yīng)過程、數(shù)據(jù)的輸入/輸出等過程，這樣建立的仿真平臺逼真度不高，很難模擬現(xiàn)場的復(fù)雜工況和突發(fā)事件。本質(zhì)上講，純軟件仿真是建立在合理簡化和精確建?；A(chǔ)之上，對難以精確建模的過程純軟件仿真難免失真，將現(xiàn)場輸入/輸出設(shè)備和計算機軟件仿真有機結(jié)合起來的半實物仿真模型將成為未來電廠仿真的發(fā)展方向。

1 仿真平臺的基本構(gòu)成

電廠煙氣脫硫系統(tǒng)半實物仿真平臺是一種將現(xiàn)代控制理論、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)以及實際現(xiàn)場儀表和執(zhí)行機構(gòu)有機結(jié)合在一起的應(yīng)用于煙氣脫硫控制系統(tǒng)的“虛機實電”半實物仿真平臺;包括獨立的模擬煙氣脫硫FGD過程的仿真計算機和仿真軟件、煙氣脫硫分散控制系統(tǒng)DCS、現(xiàn)場儀表和執(zhí)行機構(gòu)，如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)

該部分是煙氣脫硫仿真平臺的“實電”部分。主要包括SUPMAX－800分散控制系統(tǒng)[3]及部分現(xiàn)場儀表和執(zhí)行機構(gòu)，如圖2所示。

2.1 DCS 系統(tǒng)

SUPMAX－800分散控制系統(tǒng)大量采用了標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，組態(tài)方式符合IEC1131－3國際標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)由控制站、工作站和連接它們的100M雙冗余光纖環(huán)型通訊網(wǎng)絡(luò)組成，功能包括數(shù)據(jù)采集DAS、模擬量控制MCS、順序控制SCS等，可完成運行分析、畫面顯示、報表生成、打印、事件記錄、事件追憶等功能。

圖1 電廠煙氣脫硫控制系統(tǒng)半實物仿真平臺

圖2 煙氣脫硫控制系統(tǒng)硬件平臺

圖3 吸收塔子系統(tǒng)人機界面圖

圖4 石灰石漿液制備子系統(tǒng)人機界面圖

圖5 漿液給料子系統(tǒng)人機界面圖

圖6 石膏脫水子系統(tǒng)人機界面圖

遠程處理單元是系統(tǒng)在煙氣脫硫控制系統(tǒng)虛機實電仿真平臺中跟實際電控平臺相連接的接口。由機柜、電源、機籠、分散控制單元(DPU)和I/O卡件等。DPU分散處理單元是一個多功能控制器和數(shù)據(jù)處理器的集合，它實現(xiàn)控制算法、1ms分辨力的時間順序記錄SOE和數(shù)據(jù)采集功能。DPU通過2條冗余的以太網(wǎng)線直接接在通訊網(wǎng)絡(luò)上，不需要服務(wù)器，并通過冗余的RS－485總線連接I/O卡件，并具有遠程I/O能力。DPU為冗余傳輸，當(dāng)工作的主DPU故障時，能無擾動的切換到從DPU上，切換時間小于1ms，保證控制連接性和系統(tǒng)安全性。I/O模板總線擴展卡和機架系列，連接著全廠數(shù)千個過程變量和可控制的終端元件設(shè)備，還可以提供可編程控制器和過程控制器的特性，提供平滑執(zhí)行多變量控制算法和順序控制。包括總線擴展卡模擬量和數(shù)字量I/O卡、熱電偶(T/C)卡、熱電阻(RTD)卡、二進制控制(BCM)卡、脈沖量(PI)卡、SOE卡和特種快速模擬量輸出卡，卡件技術(shù)指標(biāo)。煙氣脫硫控制系統(tǒng)仿真平臺中共使用了模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出幾種I/O類型。

大型燃煤電廠煙氣脫硫DCS控制系統(tǒng)仿真平臺具有良好的容錯能力和實時性能，主控卡使用32位嵌入式微處理器并采用VxWorks嵌入式實時控制系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的實時、可靠運行;系統(tǒng)主要由三部分組成:控制站、工作站和連接兩者的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò);共配置控制站柜一個、工程師站一個、操作員站3個，其中操作員站兼做歷史數(shù)據(jù)站，還配有彩色網(wǎng)路打印機一臺和單色激光打印機一臺。在任一操作員站上都可以對脫硫裝置的仿真運行情況進行監(jiān)視和控制，在工程師站上運行組態(tài)程序SUPTOOLS，用于進行脫硫控制系統(tǒng)的組態(tài)。工程師通過工程師站進行組態(tài)、下裝和系統(tǒng)的維護。操作員站、工程師站、網(wǎng)絡(luò)打印機、服務(wù)器以及I/O處理器均掛在100M以太網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的高速通訊，還可以通過交換機與遠程進行數(shù)據(jù)交換或連接視頻服務(wù)。

分散控制系統(tǒng)按照功能分散和物理分散相結(jié)合的原則設(shè)計。其控制范圍包括脫硫系統(tǒng)的吸收塔煙氣系統(tǒng)、增壓風(fēng)機系統(tǒng)、石灰石漿液制備系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)等。功能包括模擬量控制系統(tǒng)MCS、順序控制系統(tǒng)SCS以及報警和熱工保護功能，模擬量控制系統(tǒng)包括增壓風(fēng)機壓力控制、石灰石漿液流量控制、吸收塔液位控制和石膏漿排放控制;順序控制系統(tǒng)包括增壓風(fēng)機系統(tǒng)，石灰石漿液制備系統(tǒng)、吸收塔系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)的啟?？刂频?。功能滿足脫硫系統(tǒng)的多種運行工況的要求，確保脫硫系統(tǒng)安全、高效運行。

煙氣脫硫DCS分散控制系統(tǒng)仿真平臺采用了具有國際先進水平的實時監(jiān)控軟件，開發(fā)出了滿足工程系統(tǒng)要求的功能強大的人機界面。

2.2 現(xiàn)場儀表和執(zhí)行機構(gòu)

該部分包括現(xiàn)場輸入信號采集系統(tǒng)以及軟件仿真輸出信號的執(zhí)行機構(gòu)。將與現(xiàn)場信號一致的模擬信號和設(shè)備狀態(tài)通過該部分采集，通過DCS控制系統(tǒng)送入計算機軟件仿真模型，進行性能核算和控制運算后，輸出信號通過DCS控制系統(tǒng)到執(zhí)行機構(gòu)，完成對實際設(shè)備的控制。

現(xiàn)場測控儀表和執(zhí)行機構(gòu)包括各類控制閥、執(zhí)行電動機及液壓伺服系統(tǒng)等。這些現(xiàn)場測控儀表和執(zhí)行機構(gòu)分布于煙氣脫硫過程的各個子系統(tǒng)控制點上，如吸收塔單元、石灰石漿液制備單元、磨煤機單元、氧化風(fēng)機單元等，用于檢測各個系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)以及關(guān)鍵參數(shù)的變化，并將這些信號通過DCS控制系統(tǒng)送入FGD過程模型或控制模型，模型的輸出信號最終也輸出到執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)設(shè)備和系統(tǒng)的控制。

3 仿真軟件

該部分是煙氣脫硫仿真平臺的“虛機”部分，包括煙氣脫硫若干子系統(tǒng)的物理數(shù)學(xué)模型、若干控制回路、煙氣脫硫啟停順序控制系統(tǒng)、報警及熱工連鎖保護等。其中整個煙氣脫硫系統(tǒng)按照工藝分成的子系統(tǒng)包括:吸收塔單元、煙氣再熱單元、石灰石漿液制備單元和石膏脫水單元等。關(guān)鍵控制回路如增壓風(fēng)機壓力控制回路、石灰石漿液流量控制回路、吸收塔液位控制回路、石膏脫水控制回路等。部分回路的仿真界面如圖3～6所示。

4 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和電力需求的不斷擴大，電力行業(yè)對于自動控制的經(jīng)濟性和精確性日益提高。基于此，本文將具有自主品牌的DCS分散控制系統(tǒng)應(yīng)用于電廠煙氣脫硫自動控制系統(tǒng)，提出了“虛機實電”半實物仿真平臺;用于運行人員培訓(xùn)以及對整個脫硫系統(tǒng)設(shè)備運行進行分析和研究，大大節(jié)省了系統(tǒng)設(shè)計、試驗以及優(yōu)化的時間和經(jīng)費，提高了脫硫系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性。

[1] 秦鐘，《燃煤煙氣脫硫脫硝技術(shù)及工程實例》[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2] 劉延斌，金光.半實物仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].光機電信息，2003(1):27～32

[3] 《SUPMAX800分散控制系統(tǒng)用戶向?qū)А穂J].上海電氣集團自動化儀表股份有限公司