袋式除塵器自動(dòng)化系統(tǒng)在食品加工行業(yè)的應(yīng)用

李宇翔，胡滿深，潘柏盛，郭彪，馮劍鋒，林榮灼

（江門市同力環(huán)保科技有限公司，廣東 江門 529100）

前言

隨著工業(yè)化的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)排放的煙塵對(duì)大氣環(huán)境的污染日益嚴(yán)重，也是霧霾天氣頻繁出現(xiàn)的誘因之一，嚴(yán)重影響人們的日常生活和身體健康，工業(yè)煙塵治理已刻不容緩。近年來，國家及地方政府頒布了一系列法律法規(guī)及改善大氣環(huán)境的措施，環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求也日趨嚴(yán)格。

目前，我國食品加工行業(yè)配備的中小型燃煤鍋爐，一般都存在鍋爐負(fù)荷變化大、啟停頻繁等問題，導(dǎo)致煙氣性質(zhì)不穩(wěn)定，產(chǎn)生的煙氣量及含塵量難以控制。食品加工行業(yè)應(yīng)用最廣泛的除塵技術(shù)是袋式除塵器，但常規(guī)的袋式除塵控制系統(tǒng)并不能滿足其使用要求[1～3]。本文介紹了某袋式除塵自控系統(tǒng)，可為食品加工行業(yè)應(yīng)用袋式除塵技術(shù)提供借鑒。

1 袋式除塵技術(shù)概述

袋式除塵器采用脈沖清灰、分室設(shè)計(jì)、離線清灰和氣力輸灰的設(shè)計(jì)思路，設(shè)備主體由主箱體（擋板、濾袋室、凈氣室和灰斗）、清灰裝置、輸卸灰裝置（含灰倉）及電控裝置組成。

袋式除塵器的除塵過程主要分為三個(gè)階段：預(yù)除塵、過濾及清灰。預(yù)除塵和過濾過程見圖1（a）。煙氣由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，經(jīng)碰撞擋板，氣體中大部分粗顆粒物粉塵受慣性作用被分離出來，直接落入灰斗[2]；經(jīng)預(yù)除塵后的煙氣沿?fù)醢逑滦羞M(jìn)入濾袋室，煙氣在不同的高度通過內(nèi)部裝有袋籠的濾袋，顆粒物被捕集在濾袋表面形成粉塵層，過濾后的煙氣經(jīng)凈氣室從出風(fēng)口排出。

清灰過程如圖1（b），濾袋室前的離線閥開啟，濾袋室與主氣流隔離，使濾袋室處于離線狀態(tài)。此時(shí)開啟壓縮空氣系統(tǒng)中的脈沖電磁閥，使壓縮空氣在極短的時(shí)間里以逆向氣流的形式涌入濾袋中，在氣流的沖刷作用及布袋膨脹變形產(chǎn)生的振動(dòng)作用下，附著在濾袋表面的粉塵層被剝離落入灰斗中，最后經(jīng)卸灰系統(tǒng)排出。

在線和離線除塵時(shí)，除塵布袋的受力和工作情況不同，除塵原理也不同[3]。在不同狀態(tài)下的布袋受力截面圖見圖1（c）。

2 自控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 袋式除塵器除塵過程

袋式除塵器自控系統(tǒng)是以可編程序控制器（PLC）為核心，輔以各類電器元件構(gòu)成的工業(yè)控制裝置。自控系統(tǒng)集自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、通訊等技術(shù)特點(diǎn)于一體，有效實(shí)現(xiàn)了袋式除塵器的自動(dòng)運(yùn)行。

袋式除塵系統(tǒng)的主控系統(tǒng)由五個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：1）自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。在除塵設(shè)備運(yùn)行過程中，對(duì)除塵設(shè)備中的各個(gè)參數(shù)自動(dòng)、連續(xù)進(jìn)行檢測(cè)并顯示。2）自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。用聲、光等信號(hào)自動(dòng)反映除塵設(shè)備運(yùn)行不正常的情況。3）自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)除塵系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警情況，有可能引發(fā)事故時(shí)，自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)能自動(dòng)運(yùn)行應(yīng)對(duì)措施，防止事故的引發(fā)和進(jìn)一步擴(kuò)大，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)人員和設(shè)備的安全。4）自動(dòng)操作系統(tǒng)。根據(jù)除塵工藝要求和生產(chǎn)條件，自動(dòng)操作系統(tǒng)自動(dòng)啟停某臺(tái)設(shè)備或進(jìn)行交替動(dòng)作。5）自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在除塵過程中，部分工藝參數(shù)需要保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，當(dāng)工藝參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置就會(huì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行做出動(dòng)作，直至工藝參數(shù)恢復(fù)到規(guī)定的范圍內(nèi)。簡(jiǎn)單來說，PLC控制的主要功能是通過模擬量和數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)袋式除塵器設(shè)備定時(shí)控制及開關(guān)量邏輯控制，使各個(gè)設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行，系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行[4～7]。

2.2 硬件構(gòu)成

自控系統(tǒng)主要硬件選型見下表。

PLC硬件選型表

3 控制邏輯

整個(gè)控制系統(tǒng)根據(jù)除塵工藝要求，通過工業(yè)以太網(wǎng)和Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)諸多設(shè)備聯(lián)系起來[4]。PLC程序采用Step7 Micro/WIN軟件編程，而WinCC是PLC控制系統(tǒng)中的人機(jī)界面組件，人機(jī)界面（HMI）的監(jiān)控畫面使用WinCC進(jìn)行組態(tài)，操作人員可通過屏幕監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)完成數(shù)據(jù)的采集和歸檔[8～13]，見圖2。根據(jù)袋式除塵器系統(tǒng)的控制要求，PLC程序可細(xì)分為清灰控制、溫度控制、輸卸灰控制和自檢及故障控制等。

圖2 除塵系統(tǒng)運(yùn)行情況監(jiān)控畫面

3.1 清灰控制

布袋清灰的目的是清理積聚在布袋表面的粉塵層，使粉塵層保持適當(dāng)?shù)暮穸?，在保證除塵效率的前提下，降低設(shè)備壓損以減少系統(tǒng)能耗。目前廣泛使用的清灰控制方式主要有手動(dòng)清灰、定時(shí)清灰、壓差清灰和混合清灰等。該系統(tǒng)主要采用手動(dòng)清灰控制及混合清灰控制。

手動(dòng)清灰為操作人員控制，在監(jiān)控程序或現(xiàn)場(chǎng)操作柜控制各室或單一室按清灰程序清灰一次。

混合清灰的實(shí)質(zhì)是將定時(shí)和壓差清灰系統(tǒng)一并激活，以時(shí)間和進(jìn)出壓差為條件，當(dāng)運(yùn)行工況滿足其一，設(shè)備都會(huì)對(duì)布袋進(jìn)行自動(dòng)清灰。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以定時(shí)清灰為主，以壓差清灰為輔。即當(dāng)進(jìn)出壓差小于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，按定時(shí)清灰程序進(jìn)行清灰；當(dāng)進(jìn)出壓差大于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，進(jìn)入強(qiáng)制清灰程序。

正常工況下，袋式除塵器的進(jìn)出壓差應(yīng)在1500Pa以下。在自動(dòng)清灰系統(tǒng)啟用后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入倒計(jì)時(shí)，若定時(shí)清灰的時(shí)間周期設(shè)置恰當(dāng)，一般定時(shí)清灰便可滿足袋式除塵器的要求。定時(shí)清灰的時(shí)間周期由設(shè)備調(diào)試及運(yùn)行過程優(yōu)化得出。但由于食品加工行業(yè)配備的中小型鍋爐工況不穩(wěn)定，其煙氣量及顆粒物濃度往往難以控制，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致袋式除塵器的進(jìn)出壓差不穩(wěn)定，因此就必須輔以壓差清灰。當(dāng)進(jìn)出壓差高于1500Pa時(shí)，系統(tǒng)控制清灰設(shè)備動(dòng)作進(jìn)行連續(xù)清灰，直至進(jìn)出壓差小于1300Pa時(shí)停止清灰，重新進(jìn)入定時(shí)清灰模式。

3.2 溫度控制

溫度控制的目的是控制煙氣進(jìn)入袋式除塵器的溫度，防止低溫或高溫?zé)煔庥绊懺O(shè)備正常運(yùn)行。當(dāng)煙氣溫度過高時(shí)會(huì)對(duì)布袋構(gòu)成不可逆的損害，甚至引起火災(zāi)；當(dāng)煙氣溫度接近或低于煙氣露點(diǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，水分與灰塵接觸易形成不透氣的結(jié)塊，長時(shí)間運(yùn)行后會(huì)凝聚成大面積的結(jié)塊黏附在濾袋表面，無法被清灰系統(tǒng)有效去除，使布袋失去原有功效，并造成設(shè)備壓損增大，這種現(xiàn)象俗稱為“糊袋”。

在正常工況下，煙氣進(jìn)入袋式除塵系統(tǒng)的溫度應(yīng)在110℃～160℃。袋式除塵器設(shè)有混風(fēng)閥，當(dāng)高溫?zé)煔庠诳煽胤秶?80℃～200℃）內(nèi)時(shí)，開啟混風(fēng)閥作為臨時(shí)性保護(hù)措施。當(dāng)煙氣溫度達(dá)160℃時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，提示操作人員調(diào)整前端工況。當(dāng)煙氣溫度達(dá)180℃時(shí)，系統(tǒng)控制設(shè)備打開混風(fēng)閥，輸入環(huán)境空氣對(duì)煙氣進(jìn)行強(qiáng)制降溫，直至煙氣溫度低于160℃后關(guān)閉混風(fēng)閥，以確保濾袋安全。

3.3 輸卸灰控制

輸卸灰的目的是清除灰斗上堆積的灰塵，使灰斗保持灰塵的堆積高度處于正常范圍內(nèi)，并及時(shí)將灰塵輸送至灰倉，保證清灰工作正常進(jìn)行。目前常用的卸灰控制方式主要有手動(dòng)輸卸灰和自動(dòng)輸卸灰。

手動(dòng)輸卸灰為操作人員控制，在監(jiān)控程序或現(xiàn)場(chǎng)操作柜控制各灰斗或單一灰斗按輸卸灰程序輸卸灰一次。

自動(dòng)輸卸灰由高料位計(jì)發(fā)出信號(hào)，由系統(tǒng)發(fā)出指令，以延時(shí)啟動(dòng)的形式，依次啟動(dòng)羅茨風(fēng)機(jī)、噴射泵、星型卸料閥、振打器進(jìn)行卸灰。卸灰完畢后，輸卸灰系統(tǒng)按振打器、星型卸料閥、噴射泵、羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行順序停機(jī)。同時(shí)自動(dòng)輸卸灰系統(tǒng)具有智能等待功能，當(dāng)不同灰斗同時(shí)發(fā)出高料位信號(hào)時(shí)，優(yōu)先對(duì)先發(fā)出信號(hào)的灰斗進(jìn)行卸灰，待對(duì)應(yīng)灰斗卸灰完成后再進(jìn)行另一灰斗卸灰。

3.4 自檢及故障控制

袋式除塵器設(shè)有自檢功能及旁路系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障或緊急情況時(shí)，系統(tǒng)判定袋式除塵器不適合繼續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)自動(dòng)切換至旁路系統(tǒng)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，如在鍋爐啟動(dòng)或停機(jī)階段，煙氣溫度低于110℃時(shí)；經(jīng)冷空氣混合降溫5min后煙氣溫度仍高于180℃時(shí)；當(dāng)布袋內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)時(shí)；經(jīng)連續(xù)噴吹30min后系統(tǒng)進(jìn)出口壓差仍高于1500Pa等情況。自檢功能及旁路系統(tǒng)可有效保證設(shè)備的使用壽命及安全，同時(shí)避免因袋式除塵器的故障而影響廠區(qū)的正常生產(chǎn)。

自檢系統(tǒng)還能進(jìn)行破袋檢漏。當(dāng)發(fā)現(xiàn)顆粒物排放濃度異常后，操作人員可點(diǎn)擊操作界面上的濾袋破損檢測(cè)選項(xiàng)。PLC程序接受檢漏指令后，開始進(jìn)行袋式除塵器的破袋檢漏工作，除塵器內(nèi)各個(gè)濾袋室前離線閥依次關(guān)閉后開啟，當(dāng)存在破袋的濾袋室被關(guān)閉后，顆粒物的排放濃度隨即下降，說明當(dāng)前的濾袋室存在破袋現(xiàn)象，該濾袋室也會(huì)停止使用并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3.5 系統(tǒng)監(jiān)控

根據(jù)不同運(yùn)行參數(shù)的變化和重要程度，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集儲(chǔ)存，并建立實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線（見圖3），通過查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及翻查歷史記錄可了解任意時(shí)段下的設(shè)備運(yùn)行情況。

圖3 除塵系統(tǒng)實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線圖

當(dāng)系統(tǒng)的模擬量或設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)，可通過系統(tǒng)監(jiān)控畫面直觀地觀察到模塊故障報(bào)警狀態(tài)，并在系統(tǒng)歷史事件內(nèi)記錄報(bào)警事件。通過對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的翻查及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況，有助于快速確認(rèn)故障原因，對(duì)排除故障起到關(guān)鍵作用。系統(tǒng)監(jiān)控有助于在不同工況下確認(rèn)袋式除塵器的運(yùn)行狀況，通過數(shù)據(jù)分析對(duì)優(yōu)化管理起到指導(dǎo)作用。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

袋式除塵器引進(jìn)自動(dòng)化系統(tǒng)是企業(yè)提高設(shè)備的管理水平和穩(wěn)定性的發(fā)展方向，袋式除塵器利用PLC控制設(shè)備運(yùn)行的方式不僅充分整合了現(xiàn)有的資源，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)袋式除塵器自動(dòng)化運(yùn)行的有效途徑。

系統(tǒng)PLC采用模塊化的組合結(jié)構(gòu)，各個(gè)模塊（清灰、溫度、進(jìn)出口壓差、輸卸灰等控制程序）的開關(guān)量控制和模擬量處理集于一體，獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾。系統(tǒng)根據(jù)工藝要求進(jìn)行科學(xué)性的配置及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即可有效完成袋式除塵器的自動(dòng)控制功能。同時(shí)系統(tǒng)對(duì)袋式除塵器各個(gè)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，利用通訊功能與廠區(qū)中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制，無需操作人員長期駐守操作，有效改善操作人員的工作環(huán)境，節(jié)省了大量的管理成本。

5 結(jié)語

食品加工行業(yè)采用袋式除塵自動(dòng)化系統(tǒng)的控制邏輯、控制方式，可有效解決控制過程中的難點(diǎn)，提升自控系統(tǒng)的適用性。該系統(tǒng)運(yùn)行至今，袋式除塵器自動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)，操作簡(jiǎn)單便捷，除塵效果穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，具有良好的實(shí)用性能。