基于DCS的熱電廠煙氣凈化系統(tǒng)研究

劉礦平 丁新方 楊旭峰

摘? 要：該文以DCS控制系統(tǒng)作為切入點，簡要敘述DCS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、配置方案與設(shè)計原則，為DCS系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用推廣奠定堅實基礎(chǔ)，也為DCS系統(tǒng)的實踐應(yīng)用指明方向。重點基于DCS技術(shù)搭建熱電廠煙氣凈化控制系統(tǒng)的具體策略，重點解決控制系統(tǒng)在前期搭建與投運使用階段面臨的現(xiàn)實問題。旨在全方位改善煙氣凈化控制效果，保障煙氣凈化系統(tǒng)平穩(wěn)運行，幫助熱電廠實現(xiàn)綠色生產(chǎn)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：DCS技術(shù)；熱電廠；煙氣凈化系統(tǒng)；建設(shè)策略；實踐應(yīng)用

中圖分類號：X773? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）05-0117-04

Abstract： Taking the DCS control system as a starting point， this paper briefly describes the structure， configuration scheme and design principles of the DCS system， which lays a solid foundation for the large-scale application of the DCS system and points out the direction for the practical application of the DCS system. This paper focuses on the specific strategy of building the flue gas purification control system of thermal power plant based on DCS technology， and focuses on solving the practical problems faced by the control system in the early stage of construction and operation. The purpose of this paper is to improve the control effect of flue gas purification in all directions， ensure the smooth operation of flue gas purification system， and help thermal power plants to achieve the goal of green production.

Keywords： DCS technology; thermal power plant; flue gas purification system; construction strategy; practical application

現(xiàn)階段，我國發(fā)電事業(yè)正處于轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵時期，對熱電廠煙氣排放指標(biāo)提出了更高要求，妥善處理發(fā)電期間持續(xù)產(chǎn)生的煙氣污染物，維持煙氣凈化系統(tǒng)和總體生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行，是各座熱電廠亟待解決的重要問題。在這一背景下，如何依托DCS系統(tǒng)來搭建功能完善、運行穩(wěn)定的煙氣凈化自動控制系統(tǒng)，顯得尤為重要，本文以此開展研究。

1? DCS控制系統(tǒng)概述

1.1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DCS集散控制系統(tǒng)本質(zhì)上屬于一類開放性系統(tǒng)，由操作站、現(xiàn)場控制器、ESB總線、工程師站、Vnet/IP網(wǎng)絡(luò)和集成網(wǎng)關(guān)等部分組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。在DCS控制系統(tǒng)運行期間，依托Vnet/V Lent保持人機(jī)界面站與現(xiàn)場控制站通訊連接狀態(tài)，并把人機(jī)界面站與現(xiàn)場控制站作為軟件程序運行載體，既可以完全由系統(tǒng)后臺基于程序準(zhǔn)則來完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、煙氣排放濃度控制等各項操作，同時，工作人員也可實時監(jiān)測煙氣凈化系統(tǒng)的運行過程，通過操作界面遠(yuǎn)程下達(dá)控制指令[1]。

1.2? 配置方案

第一，站點配置。為提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，確?，F(xiàn)場控制器與操作站不會受到單一、少量故障部件影響，必須在熱電廠現(xiàn)場分散布置各處控制站，把現(xiàn)場劃分為若干區(qū)域，各區(qū)域內(nèi)建立機(jī)柜室，保持控制站獨立運行狀態(tài)，并在煙氣凈化系統(tǒng)原有控制室內(nèi)額外布置一臺備用控制器作為操作員站。如此，工作人員可以全面監(jiān)測煙氣凈化系統(tǒng)運行工況，還可以控制故障部件的實際影響范圍。第二，網(wǎng)絡(luò)配置。在現(xiàn)場控制室內(nèi)配置交換機(jī)，依托交換機(jī)完成后臺服務(wù)器與現(xiàn)場控制器、煙氣凈化設(shè)備的鏈接，根據(jù)設(shè)備接入數(shù)量、實際通信需求來確定交換機(jī)臺數(shù)與選擇交換機(jī)規(guī)格型號。同時，還應(yīng)在現(xiàn)場控制室內(nèi)部搭建獨立的小型網(wǎng)絡(luò)，如果中控室與現(xiàn)場控制室通訊中斷，仍舊可以保證現(xiàn)場控制室內(nèi)的操作站處于正常運行工況，離線運行一段時間，避免影響到煙氣凈化控制效果[2]。第三，子系統(tǒng)通信配置。主要依托RS485通信接口保持同級各套子系統(tǒng)的通信連接狀態(tài)，在系統(tǒng)內(nèi)安裝通信卡件，可采取獨立配置或是冗余配置方式。為改善通信效果，優(yōu)先采取冗余配置方式，如果通信主卡件出現(xiàn)故障問題，立即把所需處理的通信任務(wù)轉(zhuǎn)移至冗余通信卡件，從根源上預(yù)防數(shù)據(jù)丟失、運行不暢等問題出現(xiàn)。

1.3? 設(shè)計原則

第一，安全可靠原則。在DCS系統(tǒng)內(nèi)增設(shè)故障自檢功能，系統(tǒng)定期采集、分析自檢信號，判斷軟件程序與硬件設(shè)備是否存在異常狀況，若存在異常立即發(fā)送報警信號與啟動故障處理程序，避免因DCS系統(tǒng)自身原因而影響到煙氣凈化處理效果。第二，操作便捷原則。盡量設(shè)計一套流程簡潔、自動化程度較高的控制系統(tǒng)，工作人員無需過多介入煙氣凈化控制活動，即可取得理想凈化效果，以此來減輕工作負(fù)擔(dān)、減少熱電廠運維管理成本。同時，實現(xiàn)人機(jī)交互功能，工作人員通過系統(tǒng)界面來全面掌握煙氣凈化系統(tǒng)實時工況，并通過語音控制等形式來下達(dá)控制指令或修改既定控制方案內(nèi)容。第三，功能適應(yīng)原則。提前做好項目資料收集、控制需求分析等準(zhǔn)備工作，根據(jù)實際需求來制定DCS控制系統(tǒng)搭建方案，避免后續(xù)出現(xiàn)功能冗余、功能不全等問題。

2? 基于DCS的熱電廠煙氣凈化系統(tǒng)建設(shè)策略

2.1? 儀表選型

第一，溫度儀表選型。以煙氣凈化系統(tǒng)工作溫度測量范圍作為儀表選型依據(jù)，主要配備鎧裝熱電阻溫度計，系統(tǒng)工作溫度低于500 ℃時以Pt100作為測量元件，系統(tǒng)工作溫度超出500 ℃時則配備熱電偶測量元件。同時，無論配備各類溫度計與測量元件，都需要搭配使用法蘭式保護(hù)套管，避免溫度計受外部環(huán)境干擾而出現(xiàn)運行故障或精度下滑現(xiàn)象。第二，壓力儀表選型。配備不銹鋼彈簧管作為壓力表，采取差壓指示或是就地壓力測量方式，根據(jù)量程與現(xiàn)場環(huán)境條件來選擇壓力表具體種類。例如，在測量量程較小時配備常規(guī)膜盒壓力表，周邊分布腐蝕性與易堵性介質(zhì)時配備隔膜密封壓力表，周邊易堆積沉淀物與固體顆粒時則配備法蘭隔膜密封式壓力表。第三，液位儀表選型。正常情況下，配備磁性翻板液位計，采取就地液位指示測量方式，連續(xù)完成液位測量作業(yè)?，F(xiàn)場分布腐蝕性介質(zhì)或是懸浮物時，配備平法蘭式或是深入法蘭式的隔膜密封液位計。以煙氣凈化裝置頂部作為安裝位置時，可以配備雷達(dá)液位計，但需要液位計和測量目標(biāo)間保持良好光學(xué)通視條件。同時，為提高測量精度，優(yōu)先配備電容式液位開關(guān)，不宜配備浮球等機(jī)械結(jié)構(gòu)的開關(guān)儀表[3]。第四，流量儀表選型。根據(jù)液體與氣體潔凈程度作為儀表選型依據(jù)，盡量延長儀表使用壽命，避免因過度腐蝕而頻繁出現(xiàn)故障問題。在液體與氣體較為潔凈時，配備渦街流量計，具備強烈腐蝕性與含有過多懸浮物時則配備電磁六連體。第五，閥件選型。DCS控制系統(tǒng)主要配備調(diào)節(jié)閥、切斷閥等閥件，正常情況下采取氣動控制閥門，特殊工況時則選用電動控制閥門。確定閥件類型后，根據(jù)功能定位來選擇閥門種類，如配備球閥來實現(xiàn)開關(guān)切斷功能，配備智能型氣動調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)現(xiàn)場操作開關(guān)遠(yuǎn)程就地切換與開關(guān)聯(lián)鎖控制功能，配備自力式調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)輔助性流體調(diào)節(jié)功能。

2.2? 數(shù)據(jù)采集

第一，采集處理流程。以車間現(xiàn)場配備的檢測儀表作為數(shù)據(jù)采集裝置，持續(xù)采集現(xiàn)場監(jiān)測信號并發(fā)送給I/O模塊，經(jīng)過I/O模塊匯總整理后，把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最終提交給DCS系統(tǒng)后臺或是現(xiàn)場控制器進(jìn)行運算處理，在系統(tǒng)操作界面上以狀態(tài)量形式進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。第二，信號采集方式。常用采集方式分為周期性采集、隨機(jī)采集2種。其中，周期性采集是儀表設(shè)備以固定頻率來采集運行參數(shù)測量值，適用于電器開關(guān)、電動執(zhí)行器、啟動執(zhí)行器等普通設(shè)備。隨機(jī)采集是由DCS系統(tǒng)根據(jù)煙氣凈化系統(tǒng)運行工況來隨機(jī)采集現(xiàn)場監(jiān)測信號，或是在工作人員控制下采集監(jiān)測信號，適用于采集重要設(shè)備的開關(guān)量與保護(hù)聯(lián)鎖信號。工作人員需要在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)搭配應(yīng)用2種信號采集方式[4]。第三，采集參數(shù)?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集范圍涵蓋系統(tǒng)運行參數(shù)、附件信號與電氣設(shè)備信號，參數(shù)采集種類越多，則DCS控制系統(tǒng)的環(huán)境感知能力越強，但會加重數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)。其中，系統(tǒng)運行參數(shù)包括二氧化硫排放濃度、吸收塔入口煙氣溫度、粉塵濃度等煙氣凈化系統(tǒng)各項運行參數(shù)。附件信號是電動閥門、氣動閥門等配套裝置的狀態(tài)信號與位置信號，以及檢測儀表故障自檢信號。電氣設(shè)備信號則包括現(xiàn)場各臺電氣設(shè)備的狀態(tài)信號和單機(jī)運行參數(shù)。第四，流程圖畫面。以清晰顯示煙氣凈化系統(tǒng)運行工況作為操作員站顯示畫面的設(shè)計思路，在流程圖界面從上到下依次顯示重要參數(shù)、系統(tǒng)工藝流程畫面和子系統(tǒng)菜單。其中，重要參數(shù)包括煙氣出入口部位的二氧化硫濃度、氮氧化物濃度、粉塵濃度、脫硫脫氮效果。系統(tǒng)工藝畫面是以電子地圖形式展示煙氣凈化系統(tǒng)各處工藝段的實時工況，以特殊顏色符號來顯示故障部位。子系統(tǒng)菜單包括布袋除塵/電除塵系統(tǒng)、無聊循環(huán)系統(tǒng)、吸收劑供應(yīng)系統(tǒng)和吸收塔排灰系統(tǒng)等工藝系統(tǒng)的流程圖，工作人員根據(jù)實際需要，訪問工藝流程圖，深入了解各套工藝系統(tǒng)的運行情況。

2.3? I/O點分配

I/O點是DCS系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)場控制功能的關(guān)鍵，首先，工作人員需要根據(jù)現(xiàn)場情況來合理分配I/O點數(shù)，從而奠定系統(tǒng)軟件組態(tài)基礎(chǔ)，充分滿足煙氣凈化控制需求。隨后，在系統(tǒng)內(nèi)額外設(shè)置一定比例的I/O點作為冗余備份，用于滿足DCS控制系統(tǒng)未來擴(kuò)建升級需求，并在系統(tǒng)內(nèi)加裝卡件裝置，卡件持續(xù)把現(xiàn)場設(shè)備模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再把數(shù)字信號發(fā)送給DCS系統(tǒng)服務(wù)器。最后，根據(jù)信號類型來確定I/O點在各部位的分配數(shù)量，并確定輸入輸出方式。例如，信號類型為AO時，把煙氣凈化系統(tǒng)內(nèi)單臺鍋爐的I/O點數(shù)量控制在16個左右，以4～20 mA信號輸入作為輸入輸出方式。信號類型為DI干接點時，把單臺鍋爐I/O點分配數(shù)量控制在140個左右，采取干接點信號輸入與24 V/DC查詢電壓作為輸入輸出方式。而在信號類型為RTD時，把單臺鍋爐I/O分配數(shù)量控制在18～24個，以三線制Pt100信號輸入作為輸入輸出方式[5]。

2.4? 模擬量控制

第一，吸收塔出口煙氣溫度控制。采取熱電阻計作為檢測儀表，吸收塔出口部位分散布置數(shù)量不少于3個的熱電阻計，出口煙氣溫度和熱電阻值成正比，煙氣溫度越高，則內(nèi)部阻值越高，最終向輸入模塊發(fā)送阻值變化模擬量信號，如果檢測到煙氣溫度超出規(guī)定范圍，立即采取噴水冷卻等方式來降低吸收塔內(nèi)部煙氣溫度，溫度控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。正常情況下，把煙氣露點溫度設(shè)定為煙氣溫度下限值，煙氣溫度上限值略高于溫度標(biāo)準(zhǔn)值，出口煙氣溫度過低會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，出口煙氣溫度過高則會大幅降低鍋爐風(fēng)量，嚴(yán)重時迫使鍋爐停機(jī)[6]。

第二，煙氣風(fēng)量控制。在風(fēng)量出口部位配置超聲波流量計等檢測儀表，在引風(fēng)機(jī)出口煙道部位配置電動調(diào)節(jié)閥，以除塵器出口煙氣作為過程控制量，出口煙氣流量作為反饋值。系統(tǒng)運行期間，持續(xù)采集煙氣風(fēng)道流量信號，把流量信號轉(zhuǎn)換為電流變化信號，發(fā)送給控制柜內(nèi)I/O模塊處理，最終發(fā)送給主控單元，判斷實際煙氣風(fēng)量是否滿足吸收塔運行需求或是超出承受能力，向電動調(diào)節(jié)閥下達(dá)控制指令，通過調(diào)節(jié)閥門開度來改變煙氣風(fēng)量。正常情況下，把煙氣風(fēng)量下限值設(shè)定為70%標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量，煙氣風(fēng)險上限值設(shè)定為100%標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量，允許波動范圍與吸收塔最佳運行煙氣量保持一致[7]。

第三，系統(tǒng)壓降控制。以除塵器灰斗部件作為控制區(qū)域，在灰斗內(nèi)部加裝流量控制閥，分別在灰斗入口部位和出口部位各布置數(shù)量不少于3個的壓力變送器，提前設(shè)定系統(tǒng)壓降標(biāo)準(zhǔn)值和允許偏差范圍。系統(tǒng)運行期間，持續(xù)采集除塵器灰斗出入口部位的壓力值，根據(jù)對比結(jié)果向流量調(diào)節(jié)閥下達(dá)開度調(diào)節(jié)指令，通過改變空氣斜槽返回吸收塔的物料量來控制系統(tǒng)差壓。對壓降控制功能的實現(xiàn)，有利于提高吸收劑實際利用率、保持流化床層工況穩(wěn)定。

2.5? 開關(guān)量順序控制

第一，除塵器振打控制。提前在除塵器底部設(shè)置噴吹風(fēng)機(jī)，除塵器頂部設(shè)置儲氣罐與氣動錘，并設(shè)定控制順序、振打間隔時間、振打持續(xù)時間等參數(shù)。在煙氣凈化系統(tǒng)運行期間，采取固定頻率控制方式，定期向氣動錘下達(dá)控制指令，操縱振動錘持續(xù)振打除塵器積灰部位，由多只氣動錘輪流振打，到達(dá)預(yù)定時間后結(jié)束振打作業(yè)，后續(xù)重復(fù)上述控制過程。如此，可以有效預(yù)防積灰問題出現(xiàn)，確保積灰厚度不超過正常水準(zhǔn)，避免影響到除塵器工作效率。

第二，倉泵輸灰控制。以灰斗內(nèi)部料位高度作為脫硫灰輸送控制依據(jù)，在現(xiàn)場控制器內(nèi)接入倉泵進(jìn)料閥開關(guān)，采取料位觸發(fā)或是連續(xù)輸送模式。其中，料位觸發(fā)模式是對灰斗低點物料位置壓力進(jìn)行監(jiān)測，如果位置壓力明顯低于進(jìn)料設(shè)定壓力，則切換進(jìn)料閥開關(guān)狀態(tài)來停止進(jìn)料，直到位置壓力到達(dá)設(shè)定壓力。連續(xù)輸送模式?jīng)]有觸發(fā)條件，提前按照預(yù)定控制方案來有序下達(dá)、執(zhí)行倉泵進(jìn)料指令等現(xiàn)場控制指令，保持物料連續(xù)輸送狀態(tài)，唯有在開展保護(hù)條件動作時，系統(tǒng)才會清除輸入指令。同時，需要對氣力輸送程序、清堵程序?qū)嵤┗ユi控制，相同時間段內(nèi)僅能運行單一程序。

第三，吸收劑輸送控制。在吹掃壓力出口與倉流化風(fēng)出口部位各設(shè)置一臺壓力表，在連續(xù)料位處設(shè)置雷達(dá)料位計，并在DCS現(xiàn)場控制柜內(nèi)設(shè)置若干AO點、AI點和DI點。AO點用于控制給料機(jī)頻率輸出值，AI點用于控制旋轉(zhuǎn)給料機(jī)頻率表機(jī)電流反饋值，DI點負(fù)責(zé)控制電動液插板閥與氣動關(guān)斷閥的開關(guān)狀態(tài)。在吸收劑輸送啟動過程，順序下達(dá)開啟倉頂流化風(fēng)機(jī)、啟動給料器、啟動預(yù)選下料插板閥、啟動循環(huán)下料功能組的控制指令，直至功能組完全啟動后，自動結(jié)束。在吸收劑輸送停止過程，順序下達(dá)停止循環(huán)下料功能組、等待一段時間后停止倉流化風(fēng)機(jī)運行、停止下料插板閥運行、停止調(diào)頻旋轉(zhuǎn)給料器運行、切換給料機(jī)手動控制模式的指令。而在循環(huán)下料過程，DCS系統(tǒng)順序下達(dá)啟動順控程序、流化槽重點低于下限值后開啟流化啟動閥和下料氣動閥、流化槽重點超出上限值后關(guān)閉流化啟動閥和下料氣動閥的控制指令。

2.6? 抗干擾改造

在DCS系統(tǒng)運行期間，由于煙氣凈化車間現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜，持續(xù)受到空間輻射、系統(tǒng)外引線、接地系統(tǒng)混亂、系統(tǒng)內(nèi)部元器件與電路相互電磁輻射等干擾源的影響，使得控制系統(tǒng)穩(wěn)定性大打折扣，最終引發(fā)裝置拒動、誤動等連鎖問題出現(xiàn)。對此，在煙氣凈化DCS系統(tǒng)建設(shè)期間，必須進(jìn)行抗干擾升級改造，具體可采取設(shè)備選型、更換電源、硬件濾波和優(yōu)選接地方式等改造措施。

第一，設(shè)備選型。優(yōu)先配備具備良好電磁兼容性的硬件設(shè)備，在設(shè)備安裝完畢后，對共模擬制比、耐壓性能等抗干擾指標(biāo)進(jìn)行檢驗。第二，更換電源。挑選隔離性電源，如選用UPS在線式不間斷供電電源，加裝變送器配電器。第三，硬件濾波。在信號線和地間并接電容組件，在信號兩極間設(shè)置濾波器，這有利于減少共模干擾。第四，優(yōu)選接地方式。DCS控制器本質(zhì)上屬于一款高速低電平控制裝置，考慮到信號交換頻率較低，還會受到信號電纜分布電容等因素影響，工作人員優(yōu)先采取串聯(lián)一點接地方式或是并聯(lián)一點接地方式。

3? 結(jié)束語

綜上所述，DCS系統(tǒng)是煙氣凈化系統(tǒng)當(dāng)前最為適用的自動化控制系統(tǒng)，也是推動熱電廠項目升級改造和實現(xiàn)清潔發(fā)電目標(biāo)的關(guān)鍵。各座熱電廠與工作人員都應(yīng)提高對DCS系統(tǒng)的重視程度，依托DCS系統(tǒng)搭建新一代煙氣凈化控制系統(tǒng)，全面掌握在儀表選型、數(shù)據(jù)采集、模擬量控制等方面的DCS系統(tǒng)建設(shè)要點，為控制系統(tǒng)自動化平穩(wěn)運行提供有力保障。

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