基于PROFIBBUS—DP的火電廠脫硫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

宋娟　李明　范友峰

摘要：針對(duì)當(dāng)前我國(guó)火電廠脫硫技術(shù)自動(dòng)化水平不高、脫硫率較低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于PROFIBBUS-DP技術(shù)的火電廠脫硫控制系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)信息管理（MIS）和實(shí)時(shí)監(jiān)控（SIS）等特點(diǎn)。應(yīng)用于河南豫新發(fā)電廠，脫硫效率達(dá)到80%以上，實(shí)現(xiàn)了減排效果。

關(guān)鍵詞：PROFIBBUS-DP技術(shù)；脫硫控制系統(tǒng)；SO2濃度；PLC；減排

中圖分類(lèi)號(hào)：TK323；X701.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：0439-8114（2013）07-1666-03

隨著我國(guó)工業(yè)的迅猛發(fā)展，生產(chǎn)力水平得到了大幅提高，但大氣污染日益嚴(yán)重，空氣質(zhì)量進(jìn)一步惡化，已對(duì)人類(lèi)的生存安全構(gòu)成威脅。其中，環(huán)境酸化已成為當(dāng)今世界嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題之一，SO2也成為我國(guó)大氣污染的重要來(lái)源。我國(guó)SO2的排放量中大約有90%來(lái)源于燃煤[1]，而電力生產(chǎn)主要是火電，占全國(guó)發(fā)電總量的75%左右，而火電中約85%又是煤電[2]。煙氣脫硫（FGD）是控制SO2排放最有效的途徑。針對(duì)我國(guó)火電廠脫硫技術(shù)自動(dòng)化水平不高、脫硫率較低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于PROFIBBUS-DP的火電廠脫硫控制系統(tǒng)，采用先進(jìn)的半干法煙氣脫硫工藝，以PLC為控制核心，運(yùn)用數(shù)字PID控制方法，通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)PROFIBBUS-DP實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，實(shí)現(xiàn)了火電廠脫硫的自動(dòng)化控制。

1 煙氣脫硫系統(tǒng)工藝流程分析

目前世界各國(guó)已開(kāi)發(fā)并應(yīng)用的煙氣脫硫技術(shù)多達(dá)200多種，主要分為燃燒前脫硫、燃燒中脫硫和燃燒后脫硫3種[3]。結(jié)合中電投河南豫新發(fā)電廠新建2×300 MW煙氣脫硫工程的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)采用循環(huán)懸浮式半干法煙氣脫硫工藝。該工藝主要以CaO作為吸收劑，與水混合制成石灰漿后以霧狀噴入反應(yīng)器中與SO2充分反應(yīng)。為了達(dá)到脫硫效果和整個(gè)脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，反應(yīng)器內(nèi)的溫度要保證在最佳反應(yīng)溫度范圍內(nèi)，反應(yīng)器的壓差也要始終保持在負(fù)壓差。系統(tǒng)主要包括制漿系統(tǒng)、反應(yīng)區(qū)、除塵系統(tǒng)3部分，工藝流程如圖1。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理量為3 000 mg/m3，河南豫新發(fā)電廠1號(hào)機(jī)組排放煙氣參數(shù)如表1。經(jīng)過(guò)煙氣脫硫系統(tǒng)煙氣排放符合《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011），SO2濃度小于200 mg/m3，灰塵濃度小于30 mg/m3[4，5]。

2 煙氣脫硫控制系統(tǒng)的選擇

隨著工業(yè)控制的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的集中分散型控制系統(tǒng)（DCS）仍然是模擬量處理，整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度、控制速度和自我診斷能力具有一定的局限性。目前，以現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成的控制系統(tǒng)——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）成為新一代控制系統(tǒng)，具有現(xiàn)場(chǎng)通信、開(kāi)放式等特點(diǎn)。PROFIBBUS總線作為眾多現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)信息管理（MIS）和實(shí)時(shí)監(jiān)控（SIS）等優(yōu)點(diǎn)[6]。根據(jù)火電廠設(shè)備分散、工藝要求復(fù)雜等特點(diǎn)，提出一種以PROFIBBUS-DP總線為主的火電廠脫硫控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)圖如圖2。

3 煙氣脫硫系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件選型

結(jié)合煙氣脫硫系統(tǒng)工藝流程，考慮到發(fā)電廠的粉塵濃度高、噪聲污染相當(dāng)嚴(yán)重等實(shí)際環(huán)境情況，上位機(jī)選用研華工控機(jī)PIC-610，其配置有5個(gè)PCI插槽，1個(gè)PCIE X1插槽，1個(gè)PCIE X16插槽，3個(gè)RS-232串口，1個(gè)RS-422/485串口。并且配有板卡固定條和防震托架，能夠承受惡劣環(huán)境中常見(jiàn)的沖擊、振動(dòng)和塵土，非常適合于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用。下位機(jī)選取西門(mén)子S7-300，該控制器具有模塊化擴(kuò)展功能，設(shè)計(jì)緊湊，并有DP口可與現(xiàn)場(chǎng)總線連接。分析整個(gè)系統(tǒng)工藝流程，下位機(jī)輸入多為模擬量，輸出也有數(shù)字量和模擬量，考慮到I/O口余量，結(jié)合運(yùn)行速度、通信接口等因素，選擇CPU314-2DP并擴(kuò)展SM323 DI16/DO16bit、SM334 AI/AO4*12、SM331 AI8*12bit等輸入輸出模塊。

3.2 傳感器選型

整個(gè)煙氣脫硫系統(tǒng)需檢測(cè)量有煙氣溫度、SO2濃度、反應(yīng)塔出入口壓力以及冷卻水和石灰漿液的流量、液位等。依據(jù)傳感器能夠與PLC連接方便，系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇HY-2100 投入式液位變送器、MF5000電磁流量計(jì)、SBWZ-2260熱電阻溫度傳感器、WT500-SO2檢測(cè)儀、FWP-T20X壓力變送器、WMY2012-B液位計(jì)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)監(jiān)控界面和下位機(jī)PLC控制程序兩部分。上位機(jī)采用WinCC組態(tài)軟件，是為了便于操作，能有效地進(jìn)行人機(jī)對(duì)話[7]。監(jiān)控界面主要由登錄界面、反應(yīng)塔監(jiān)控、脫硫準(zhǔn)備、分離床料循環(huán)系統(tǒng)等監(jiān)控界面組成?？梢酝瓿蓴?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、流程控制、數(shù)據(jù)顯示、過(guò)程報(bào)警等功能。煙氣脫硫系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的工藝數(shù)據(jù)以及運(yùn)行狀態(tài)顯示在上位機(jī)上，操作人員可以看到整個(gè)煙氣脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行情況，也可以以報(bào)表的形式存檔打印，便于操作人員進(jìn)行工藝分析或故障查找。圖3為反應(yīng)塔監(jiān)控界面。

4.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)PLC采用編程軟件STEP7中的梯形圖實(shí)現(xiàn)。用戶程序由開(kāi)始、主程序、子程序、中斷程序等組成。主要有反應(yīng)塔工作、石灰漿準(zhǔn)備、煙道系統(tǒng)等子程序。每個(gè)程序都是相互獨(dú)立的，不會(huì)受到上位機(jī)故障和停機(jī)的影響，方便了技術(shù)人員安裝、調(diào)試和維護(hù)。編寫(xiě)每段PLC程序包括硬件組態(tài)與地址分配、邏輯控制功能、模擬量控制及算法實(shí)現(xiàn)、與工控機(jī)的通訊實(shí)現(xiàn)。其主程序PLC流程如圖4。

5 煙氣脫硫系統(tǒng)算法研究

分析煙氣脫硫系統(tǒng)的控制過(guò)程，主要包括SO2的濃度控制、溫度控制、壓力控制，這些量也是工業(yè)控制常見(jiàn)的被控對(duì)象。目前，最普遍的算法便是PID控制算法，其控制規(guī)律為Y（t）=Kpe（t）+Ki∫e（t）dt+Kdde（t）/dt，式中，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分時(shí)間常數(shù)，Kd為微分時(shí)間常數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，煙氣脫硫系統(tǒng)采用PLC編程方法實(shí)現(xiàn)PID算法，屬于數(shù)字算法，上式控制規(guī)律不能直接使用[8]，需要進(jìn)行離散化處理，轉(zhuǎn)換為：y（k）=Kpe（k）+KI■e（j）+KD[e（k）-

e（k-1）]，式中，k為采樣序號(hào)，k=0，1，…，n，KI=KP ■，為積分系數(shù)，KD=KP■，為微分系數(shù)，T為采樣周期。

在設(shè)計(jì)SO2濃度、溫度控制、壓力控制方案時(shí)應(yīng)采用串級(jí)控制系統(tǒng)，SO2濃度是整個(gè)煙氣脫硫系統(tǒng)中最主要的控制參數(shù)，降低其濃度至標(biāo)準(zhǔn)值是設(shè)計(jì)脫硫系統(tǒng)的主要目的。對(duì)SO2濃度的控制可采用MATLAB的SIMULINK建模和軟件環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真，根據(jù)控制要求，并按照上述PID參數(shù)整定步驟，得到SO2濃度隨時(shí)間變化的控制曲線如圖5。分析得到采用PID控制器控制SO2濃度總體為192.598 mg/m3，可以達(dá)到控制效果。

6 小結(jié)

針對(duì)中電投河南豫新發(fā)電廠的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了基于PROFIBBUS-DP的火電廠脫硫控制系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了SO2排放濃度小于 200 mg/m3、粉塵排放濃度小于30 mg/m3的要求，脫硫效率達(dá)到80%以上，獲得了良好的減排效果。

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