煙氣脫硫過(guò)程在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳勇 吳琳+曾昭健 李先祥+肖紅軍

摘要：基于某熱電廠煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀，以熱電廠鍋爐煙氣脫硫過(guò)程為對(duì)象，構(gòu)建穩(wěn)定可靠的企業(yè)污染物過(guò)程在線監(jiān)控系統(tǒng)和環(huán)保狀態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)完成對(duì)遠(yuǎn)端脫硫設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制，完整地掌握系統(tǒng)的煙氣排放對(duì)環(huán)境質(zhì)量影響的動(dòng)態(tài)變化，為上級(jí)環(huán)保部門(mén)決策提供依據(jù)。系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用，運(yùn)行效果良好，具有推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：煙氣；脫硫；過(guò)程監(jiān)控；系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.3969/j.issn.10036199.2017.01.009

1引言

當(dāng)前我國(guó)大氣環(huán)境形勢(shì)十分嚴(yán)峻，在傳統(tǒng)煤煙型污染尚未得到控制的情況下，以臭氧、細(xì)顆粒物和酸雨為特征的區(qū)域性復(fù)合型大氣污染日益突出?！秶?guó)家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃》首次提到了“加強(qiáng)揮發(fā)性有機(jī)污染物和有毒廢氣控制”作為實(shí)施多種大氣污染物綜合控制的重要措施。推進(jìn)區(qū)域大氣環(huán)境聯(lián)合執(zhí)法監(jiān)管機(jī)制、環(huán)境信息共享機(jī)制、區(qū)域大氣污染預(yù)警應(yīng)急機(jī)制，加強(qiáng)各地監(jiān)測(cè)站對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物、汞監(jiān)督性監(jiān)測(cè)能力建設(shè)，并與環(huán)保部門(mén)聯(lián)網(wǎng)，積極推進(jìn)揮發(fā)性有機(jī)物在線監(jiān)測(cè)工作，工業(yè)污染源的有效控制體系構(gòu)建是目前迫切解決的問(wèn)題[1]。近年來(lái)，城市污染已經(jīng)從一次污染為主轉(zhuǎn)為復(fù)合型污染，工業(yè)廢氣是大氣污染物的重要來(lái)源。工業(yè)廢氣中最難處理的就是有機(jī)廢氣，這些有機(jī)廢氣會(huì)造成大氣污染，危害人體健康，而且還會(huì)造成浪費(fèi)。有機(jī)廢氣中的重要污染來(lái)源是二氧化硫。據(jù)測(cè)算，中國(guó)早在1995年就己經(jīng)成為世界二氧化硫的第一排放大國(guó)，二氧化硫排放治理勢(shì)在必行[2]。煙氣脫硫系統(tǒng)的前端裝置在地理上分散性，設(shè)備復(fù)雜多樣，系統(tǒng)的采集與監(jiān)控存在負(fù)責(zé)性[3]。

在火電廠中，通常是在火電廠煙氣通道或者煙囪處安裝CEMS（Continuous Emission Monitoring System，煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)），記錄煙氣排放污染物濃度及污染物總量[4]。但在實(shí)際運(yùn)行中， CEMS方式只能采集煙氣數(shù)據(jù)，而不能記錄脫硫裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)。同時(shí)，單一CEMS方式由于生產(chǎn)管理和技術(shù)規(guī)范不完善、CEMS設(shè)備制造廠服務(wù)質(zhì)量不到位等原因，使CEMS難以正常運(yùn)行，影響了機(jī)組的正常運(yùn)行和減排決策，存在一定缺陷[5-7]?；谀壳盁煔馀欧胚B續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析[8-10]，針對(duì)現(xiàn)有熱電廠脫硫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，構(gòu)建穩(wěn)定可靠的環(huán)保狀態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)完成對(duì)脫硫設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制，完整地掌握系統(tǒng)的煙氣排放對(duì)環(huán)境質(zhì)量影響的動(dòng)態(tài)變化，已成為一個(gè)具有推廣應(yīng)用價(jià)值的工程實(shí)際問(wèn)題。

2污染源監(jiān)控系統(tǒng)框架

以某熱電廠鍋爐煙氣脫硫過(guò)程為對(duì)象，構(gòu)建企業(yè)污染物過(guò)程在線監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)處于污染源監(jiān)控系統(tǒng)的前端，用于采集儀表和過(guò)程設(shè)備的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器控制站通過(guò)以太網(wǎng)與脫硫中控室及中控室的監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。脫硫系統(tǒng)和3套CEMS煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和中控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（1）中控室平臺(tái)軟件采用專用軟件模擬顯示整個(gè)廢氣處理流程，并在流程圖上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前各監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)測(cè)因子數(shù)據(jù)；（2）監(jiān)控人員通過(guò)該系統(tǒng)可以及時(shí)了解廢氣處理過(guò)程中各環(huán)保設(shè)施的運(yùn)行狀況和污染物的達(dá)標(biāo)排放情況、設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、脫硫水的酸堿度等，并通過(guò)報(bào)表或曲線了解歷史數(shù)據(jù)。

熱電廠廠區(qū)污染源監(jiān)控系統(tǒng)中控室設(shè)備配置1個(gè)工程師站。整套系統(tǒng)另配置5個(gè)操作員站，分別放在3#爐控制室、4#爐控制室、5#爐控制室、6#爐控制室、7#爐控制室，以便于運(yùn)行人員通過(guò)操作員站分別進(jìn)行各種遠(yuǎn)程監(jiān)控和相應(yīng)操作。

3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)布局、降低工程成本，所有監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊采用485通訊方式組網(wǎng)構(gòu)建，所有監(jiān)控的對(duì)象通過(guò)485信號(hào)線接入專用的控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和遠(yuǎn)程控制，控制系統(tǒng)把接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)打包發(fā)送到中控平臺(tái)，如圖2所示。中控系統(tǒng)安裝數(shù)據(jù)接收軟件和數(shù)據(jù)展示軟件完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)展示任務(wù)。控制系統(tǒng)接收中控系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，分別發(fā)出485控制信號(hào)給下游控制單元。

圖2數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)框圖

3.2設(shè)備工作狀況監(jiān)控

整套系統(tǒng)中的脫硫水的流動(dòng)控制是通過(guò)水泵進(jìn)行提升、返流控制，為了對(duì)整套系統(tǒng)脫硫水的實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，需要對(duì)使用的全部水泵工作狀況進(jìn)行監(jiān)控。針對(duì)水泵的監(jiān)控就采用監(jiān)控水泵的運(yùn)行電壓、電流進(jìn)行。通過(guò)電流、電壓的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)判斷水泵的運(yùn)行是否正常，由此推斷脫硫水的運(yùn)行是否正常。

為了滿足對(duì)水泵的工作電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，針對(duì)脫硫系統(tǒng)中的21個(gè)水泵（一次脫

硫入口水泵7個(gè)、二次脫硫池入口4個(gè)、一次脫硫廢水回流人工濕地用水泵4個(gè)、二次脫硫打入沉灰池水泵6個(gè)），安裝具備485信號(hào)傳輸端口的電量傳感器對(duì)水泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

（1）水泵開(kāi)關(guān)控制的具體實(shí)施方法

11信號(hào)柜配置多功能485模塊HY-J01，該模塊具備8路繼電器輸出端口；22每個(gè)水泵手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)引出兩條控制線接入HY-J01的繼電器輸出端口，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制控制目的；33變頻調(diào)速水泵控制部分需要現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)目前手工控制方式。

（2）蝶閥控制的具體實(shí)施方法

11信號(hào)柜布置4～20mA模擬量輸出模塊WJ31，由控制系統(tǒng)通過(guò)485信號(hào)線路遠(yuǎn)程控制WJ31實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制目的；22每個(gè)WJ31控制一個(gè)蝶閥，利用WJ31的2路4～20mA模擬量輸出端口實(shí)現(xiàn)蝶閥的開(kāi)合控制和備用開(kāi)關(guān)控制目的；33蝶閥的位置反饋信號(hào)接入HY-J01的模擬量信號(hào)采集端口，由HY-J01把反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)通過(guò)485數(shù)據(jù)線傳送到控制系統(tǒng)進(jìn)行蝶閥位置的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

（3）PH在線分析儀數(shù)據(jù)獲取

PH在線分析儀的模擬量輸出信號(hào)接入多功能485模塊HY-J01的模擬量信號(hào)端口，由HY-J01將模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)通過(guò)485數(shù)據(jù)線傳送到控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.3設(shè)備控制實(shí)施

3.3.1水泵控制

為了實(shí)現(xiàn)人工或自動(dòng)控制脫硫水的流動(dòng)，針對(duì)廠區(qū)內(nèi)一次脫硫入口水泵7個(gè)、二次脫硫池入口4個(gè)、二次脫硫出口6個(gè)、一次脫硫廢水回流人工濕地用水泵7個(gè)，分別安裝遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。

通過(guò)電量傳感器檢測(cè)水泵的工作電流來(lái)檢查水泵是否工作正常。為防止單一遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)有時(shí)執(zhí)行失效，采用雙控制開(kāi)關(guān)方式來(lái)執(zhí)行，當(dāng)?shù)谝宦烽_(kāi)關(guān)控制失效時(shí)，立即啟動(dòng)第二路開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。

水泵控制開(kāi)啟流程和停運(yùn)流程分別如圖3所示。

3.3.2蝶閥控制

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硫系統(tǒng)中每個(gè)脫硫塔的脫硫水運(yùn)行進(jìn)行控制，避免脫硫水的非使用性浪費(fèi)；需要增設(shè)蝶閥控制每個(gè)脫硫塔脫硫水的進(jìn)出。選擇電動(dòng)蝶閥來(lái)實(shí)現(xiàn)脫硫水流動(dòng)方向的控制，該設(shè)備通過(guò)4-20mA模擬量信號(hào)進(jìn)行開(kāi)合控制和位置信號(hào)反饋。

蝶閥控制流程如圖4所示。閥門(mén)的開(kāi)合通過(guò)模擬量輸出模塊接收遠(yuǎn)端發(fā)出的開(kāi)合控制信號(hào)，分別控制相應(yīng)的閥門(mén)開(kāi)合；為了確保閥門(mén)的動(dòng)作正確執(zhí)行，通過(guò)讀取閥門(mén)的反饋信號(hào)獲取閥門(mén)的開(kāi)合程度；從而確保閥門(mén)的動(dòng)作是按要求正確執(zhí)行。每個(gè)電動(dòng)閥蝶閥供電回路安裝一個(gè)電量傳感器監(jiān)控蝶閥的動(dòng)作是否按控制指令正確執(zhí)行，都有一個(gè)手動(dòng)開(kāi)關(guān)可以現(xiàn)場(chǎng)手工控制，從而避免遠(yuǎn)程控制失效時(shí)無(wú)法正常生產(chǎn)的狀況發(fā)生。

3.4系統(tǒng)接口及遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制采用485網(wǎng)絡(luò)通信方式實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兼顧功能擴(kuò)充需要；設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)流程中的用電設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手工控制（通過(guò)繼電器、開(kāi)關(guān)量控制模塊組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)指定設(shè)備的手工控制）。

3.4.1數(shù)據(jù)采集

分區(qū)域設(shè)置數(shù)據(jù)采集箱，內(nèi)設(shè)485控制接口模塊、模擬量輸出模塊組和485模塊、485無(wú)線傳輸模塊（長(zhǎng)距離傳輸時(shí)），分別實(shí)現(xiàn)治理過(guò)程中檢測(cè)因子的獲取、上傳功能。8通道模擬量轉(zhuǎn)485模塊可以實(shí)現(xiàn)8個(gè)模擬量信號(hào)的采集轉(zhuǎn)換功能；485無(wú)線傳輸模塊可以在485信號(hào)傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)減少現(xiàn)場(chǎng)線路布線和人工費(fèi)用。

脫硫系統(tǒng)出口PH數(shù)據(jù)采集通過(guò)PH在線分析儀獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換成485數(shù)據(jù)信號(hào)組網(wǎng)。

電動(dòng)閥及其它用電設(shè)備的控制采用485模擬量輸出模塊、開(kāi)關(guān)量模塊進(jìn)行控制（針對(duì)不同設(shè)備接入不同的控制繼電器分別控制）。監(jiān)測(cè)因子信號(hào)和控制設(shè)備信號(hào)采用485方式組網(wǎng)，在廠區(qū)分布6個(gè)控制信號(hào)集中區(qū)把現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)匯總在6個(gè)集中區(qū)后與控制中心進(jìn)行通訊。

3.4.2遠(yuǎn)程控制

分區(qū)域設(shè)置控制箱柜，內(nèi)設(shè)485多功能模塊、模擬量輸出模塊和固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。

485多功能模塊把遠(yuǎn)程發(fā)送的控制指令轉(zhuǎn)化成開(kāi)關(guān)控制輸出信號(hào)，并讀取蝶閥的反饋信號(hào)判定蝶閥的工作是否按發(fā)出的指令正常運(yùn)作；485模擬量輸出模塊：把遠(yuǎn)程發(fā)送的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化成4～20mA控制信號(hào)控制蝶閥開(kāi)合程度。4后臺(tái)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

主控制室設(shè)置一個(gè)主站服務(wù)器，通過(guò)中控軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程數(shù)據(jù)的獲取和集中展示。5個(gè)操作員站通過(guò)WEB訪問(wèn)方式共享主站的控制界面，通過(guò)用戶級(jí)別管控操作員站的工作內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)不同操作員站管控不同工作區(qū)域的目的。

（1）中控室平臺(tái)軟件模擬顯示整個(gè)廢氣處理流程，并在流程圖上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前各監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)測(cè)因子數(shù)據(jù)；

（2）監(jiān)控人員通過(guò)該系統(tǒng)可以及時(shí)了解廢氣處理過(guò)程中各環(huán)保設(shè)施的運(yùn)行狀況和污染物的達(dá)標(biāo)排放情況、設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、脫硫水的酸堿度等，并通過(guò)報(bào)表或曲線了解歷史數(shù)據(jù)。

4.1上位機(jī)和監(jiān)控軟件配置

整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)置監(jiān)控工程師站1套、操作子站5套，報(bào)表打印機(jī)1臺(tái)，并編制上位機(jī)監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)所有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)集中展示和遠(yuǎn)程控制。操作子站遠(yuǎn)程登陸工程師站后，只能進(jìn)行工藝流程瀏覽、設(shè)備遠(yuǎn)程操控、數(shù)據(jù)查詢及報(bào)表導(dǎo)入。不能對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改。

通過(guò)用戶登陸權(quán)限的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)不同登陸用戶工作內(nèi)容管控，如表1所示。

4.2.1工藝流程展示

通過(guò)靜止圖形展示監(jiān)控對(duì)象在企業(yè)脫硫系統(tǒng)中的具體位置、相應(yīng)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況的顯示（開(kāi)、關(guān)、異常）、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示及遠(yuǎn)程控制實(shí)施等，如圖5所示。

在顯示界面將鼠標(biāo)指針移動(dòng)到每個(gè)設(shè)備圖示處，點(diǎn)擊一次即可切換設(shè)備的工作狀態(tài)（運(yùn)行、停止?fàn)顟B(tài)的切換）。點(diǎn)擊后彈出相應(yīng)動(dòng)作內(nèi)容描述并提示操作員首先輸入操作員編號(hào)及密碼，然后顯示操作確認(rèn)菜單提示操作員是否需要執(zhí)行該操作，操作員可以選擇“否”退出該操作或“是”執(zhí)行該操作。

4.2.2監(jiān)控系統(tǒng)界面

主界面在圖示數(shù)據(jù)顯示位置每30秒刷新一次3套煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)、9個(gè)PH在線分析儀（一次脫硫系統(tǒng)出口（1、2、3#脫硫室出口以及4#脫硫室出口、5#脫硫室出口、6#脫硫室出口、7#脫硫室出口）安裝5套普通pH在線分析儀、二次脫硫室出口（1、2、3#脫硫室出口以及4#脫硫室出口、5#脫硫室出口、6&7#脫硫室出口）以及人工濕地入水口安裝管道式pH在線分析儀5套）的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、兩個(gè)管道流量計(jì)的瞬時(shí)流量值。

功能菜單界面圖圖6所示，每點(diǎn)擊一次即可切換一次設(shè)備的工作狀態(tài)，同一設(shè)備點(diǎn)擊時(shí)間間隔不能低于3分鐘（避免相關(guān)控制設(shè)備頻繁切換導(dǎo)致過(guò)熱、燒毀現(xiàn)象）。

5結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，環(huán)境污染甚至威脅到中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的可持續(xù)性。繼續(xù)改進(jìn)并實(shí)施污染控制政策已經(jīng)成為解決環(huán)境問(wèn)題，改善人們生活質(zhì)量，避免經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)遭遇環(huán)境災(zāi)難的當(dāng)務(wù)之急。環(huán)保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不完善，治理技術(shù)的不先進(jìn)，致使環(huán)境污染嚴(yán)重事件時(shí)常發(fā)生。企業(yè)污染源的在線檢測(cè)屬于環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)的范疇，其中的技術(shù)研究與應(yīng)用推廣對(duì)促進(jìn)轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)已經(jīng)并將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的積極影響。

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第36卷第1期2017年3月計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化Computing Technology and AutomationVol36，No1Mar. 2 0 1 7第36卷第1期2017年3月計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化Computing Technology and AutomationVol36，No1Mar. 2 0 1 7