1、引言

經(jīng)濟(jì)發(fā)展使得人們的生活水平逐漸的提高，但同時(shí)也使人們周圍的生活環(huán)境不斷惡化，人們逐漸意識(shí)到環(huán)境污染的危害，并提出了經(jīng)濟(jì)與環(huán)境必須協(xié)調(diào)發(fā)展的要求。大氣污染與人們的生活息息相關(guān)，因?yàn)樗鼤?huì)直接造成人群死亡率增加，破壞生態(tài)系統(tǒng)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。而火電廠、煉鋼廠等工業(yè)所排放的廢氣正是大氣污染的主要來源。鑒于此，國家有關(guān)部委制定了法規(guī)要求電廠增加脫硫系統(tǒng)。當(dāng)前行業(yè)內(nèi)對(duì)減排二氧化硫的主要方法有：煙氣脫硫。將鍋爐燒煤后的煙氣通入石灰水中洗氣，將硫產(chǎn)物吸收，石灰水洗氣后加入氫氧化鈉NaOH再生，這就是脫硫。目前應(yīng)用較為廣泛的煙氣脫硫工藝有：石灰石（石灰）-石膏濕法脫硫、噴霧干燥法脫硫、煙氣循環(huán)流化床脫硫、海水脫硫、電子束法脫硫。國內(nèi)針對(duì)超過200MW的大型機(jī)組優(yōu)先考慮采用石灰石（石灰）-石膏濕法脫硫。本文結(jié)合西門子電氣公司西門子系列PLC在山西某自備發(fā)電廠（簡稱弘電）2×200MW機(jī)組煙氣脫硫系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，著重探討石灰石（石灰）-石膏濕法脫硫監(jiān)控系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用。脫硫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 脫硫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2、濕法脫硫工藝簡介  

石灰石（石灰）—石膏濕法脫硫工藝采用價(jià)廉易得的石灰石或石灰作脫硫吸收劑，石灰石經(jīng)破碎磨細(xì)成粉狀與水混合攪拌成吸收漿液。當(dāng)采用石灰為吸收劑時(shí)，石灰粉經(jīng)消化處理后加水磨制成吸收漿液。在吸收塔內(nèi)，吸收漿液與煙氣接觸混合，煙氣中的二氧化硫與漿液中的碳酸鈣以及鼓入的氧化空氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)被脫除，最終反應(yīng)產(chǎn)物為石膏。其反應(yīng)原理可用以下化學(xué)反應(yīng)方程來描述：CaCO3+SO2=CaSO3+CO2 2CaSO3+O2=2CaSO4

弘電脫硫工藝系統(tǒng)由三個(gè)子系統(tǒng)組成：#1爐系統(tǒng)， #2爐系統(tǒng)和公用系統(tǒng)。其中#1爐系統(tǒng)與#2爐系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)基本一樣，分別負(fù)責(zé)來自1號(hào)和2號(hào)鍋爐煙氣的脫硫任務(wù)，按功能分成煙道功能子系統(tǒng)和吸收塔功能子系統(tǒng)。公用系統(tǒng)是指#1爐和#2爐共同使用的功能設(shè)備的統(tǒng)稱，按功能劃分為公用輔助系統(tǒng)、石灰石卸料與磨制系統(tǒng)和廢水處理系統(tǒng)等。

3、脫硫控制系統(tǒng)

表1 脫硫系統(tǒng)控制測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

表1給出了各個(gè)系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)（IO）分配點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)上述脫硫系統(tǒng)的特點(diǎn)，整個(gè)控制系統(tǒng)也劃分三個(gè)子系統(tǒng)，共采用三對(duì)西門子電氣公司的西門子系列PLC300系列控制器組成冗余的控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，控制器通過西門子系列N以太網(wǎng)模塊與100M以太網(wǎng)交換機(jī)直接相聯(lián)。控制系統(tǒng)配置了三臺(tái)操作員站和一臺(tái)工程師站，采用雙機(jī)熱備運(yùn)行方式。附圖為脫硫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

脫硫DCS系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要與#1、#2鍋爐的DCS系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)信號(hào)的交流，從#1、#2過來到達(dá)脫硫DCS系統(tǒng)的狀態(tài)主要有：鍋爐的負(fù)荷、鍋爐油槍工作狀態(tài)、鍋爐煤層工作狀態(tài)、鍋爐吹掃、鍋爐MFT以及電除塵的運(yùn)行狀態(tài)。從脫硫DCS系統(tǒng)傳遞到#1、#2鍋爐DCS的信號(hào)有：旁路擋板、原煙氣擋板和凈煙氣擋板的開關(guān)狀態(tài)。這些信號(hào)都涉及到電廠鍋爐的運(yùn)行，所以鍋爐DCS與脫硫DCS之間的接口采用硬接線方式。

#1爐和#2爐設(shè)備是相對(duì)獨(dú)立的，它們共同調(diào)用公用系統(tǒng)中的石灰石供漿和石膏脫水子功能系統(tǒng)，#1爐與#2爐之間也存在著連鎖保護(hù)，這些在#1爐、#2爐和公用系統(tǒng)控制器之間傳遞的信號(hào)通過Modbus-TCP協(xié)議傳輸，從而節(jié)省了重復(fù)的IO電纜鋪設(shè)費(fèi)用。

脫硫DCS系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS），模擬量控制系統(tǒng)（MCS），組態(tài)軟件和順序控制系統(tǒng)（SCS）。

（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按所選定的數(shù)據(jù)采集前端設(shè)備的采樣速率，周期性地采集和處理現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和工藝的開關(guān)量和模擬量信息。并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示屏中顯示，作為運(yùn)行人員監(jiān)視和操作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的依據(jù)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能有：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、屏幕顯示、報(bào)警聲光顯示、事件記錄和追憶、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)檢索及打印、性能在線計(jì)算等功能。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)首先是通過采集卡周期性掃描外部測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)，然后經(jīng)過諸如正確性判斷、工程量換算、限值判斷等處理后，將處理過的信息作為新的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫乃數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，脫硫DCS系統(tǒng)擁有兩個(gè)數(shù)據(jù)庫：一個(gè)是控制器數(shù)據(jù)庫，另一個(gè)是上位機(jī)數(shù)據(jù)庫。上位機(jī)通過Modbus-TCP協(xié)議與控制器聯(lián)接，按一定的采樣周期循環(huán)掃描控制器數(shù)據(jù)庫的變化，并同時(shí)對(duì)上位機(jī)數(shù)據(jù)庫與畫面顯示進(jìn)行更新。

（2）模擬量控制系統(tǒng)（MCS）

模擬量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脫硫控制系統(tǒng)的模擬量閉環(huán)調(diào)節(jié)功能，脫硫控制系統(tǒng)的主要閉環(huán)調(diào)節(jié)回路有：增壓風(fēng)機(jī)入口壓力調(diào)節(jié)、吸收塔液位自動(dòng)調(diào)節(jié)、石灰石供漿流量調(diào)節(jié)，還有公用系統(tǒng)中的濾餅厚度調(diào)節(jié)等。

● 增壓風(fēng)機(jī)入口壓力調(diào)節(jié)

增壓風(fēng)機(jī)入口壓力調(diào)節(jié)的目的在于使鍋爐爐膛壓力保持穩(wěn)定。將鍋爐正常運(yùn)行時(shí)的引風(fēng)機(jī)出口壓力作為增壓風(fēng)機(jī)入口壓力調(diào)節(jié)的設(shè)定值，測(cè)量實(shí)際運(yùn)行的壓力，然后進(jìn)行比較得出偏差，偏差經(jīng)過控制算法計(jì)算，得出調(diào)節(jié)量作用在增壓風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)導(dǎo)葉上，使得增壓風(fēng)機(jī)入口壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。

增壓風(fēng)機(jī)入口壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)控制算法通常是PID調(diào)節(jié)，這是因?yàn)镻ID算法簡單而且能夠滿足工程的要求。為了提高壓力調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度，將鍋爐負(fù)荷作為前饋量引入到調(diào)節(jié)中，從而縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間和減小了超調(diào)量。

● 吸收塔液位自動(dòng)調(diào)節(jié)

高溫?zé)煔膺M(jìn)入吸收塔反應(yīng)后由于冷卻和飽和作用會(huì)帶走一部分水，使得漿液變稠，脫硫吸收效果變差。這部分損失掉的水，通過吸收塔上部的除霧器沖洗系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充。除霧器沖洗系統(tǒng)由32個(gè)電磁閥組成，每組8個(gè)，共四組。它們是按一定的順序輪流開關(guān)，兩個(gè)工藝相鄰閥門之間的開啟間隔時(shí)間則是依據(jù)吸收塔液位來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在所能參考的資料中還沒有精確的吸收塔液位與煙氣流量關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)熱力學(xué)原理，由進(jìn)入吸收塔內(nèi)的煙氣流量及其在塔內(nèi)的熱量交換可以計(jì)算出蒸發(fā)與飽和作用帶走的水量率，假定吸收塔除霧器沖洗閥每次開閥沖洗的時(shí)間為常數(shù)，只要煙氣所帶走的水量率按時(shí)間作積分所得的值等于每次沖洗所能補(bǔ)充的水量時(shí)，則進(jìn)行沖洗。由此得到了吸收塔除霧器兩次沖洗的時(shí)間間隔，它隨著煙氣流入量的波動(dòng)而變化。

在弘電項(xiàng)目的吸收塔液位調(diào)節(jié)算法中，增加了一個(gè)閾函數(shù)，意在使液位能夠盡快地收斂到設(shè)定值附近。其基本原理是當(dāng)吸收塔液位偏差的絕對(duì)值大于預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，吸收塔調(diào)節(jié)時(shí)間將乘以一個(gè)懲罰系數(shù)，促使調(diào)節(jié)往收斂方向加速發(fā)展。懲罰系數(shù)可以是偏差函數(shù)或者是常數(shù)，在弘電的脫硫系統(tǒng)中，液位偏差落在偏差閾值內(nèi)時(shí)，懲罰系數(shù)為1，當(dāng)出現(xiàn)正偏差并超出閾值時(shí)，懲罰系數(shù)可取為大于零而小于1的數(shù)值，這樣就能減少除霧器沖洗門兩次沖洗的等待時(shí)間；當(dāng)出現(xiàn)負(fù)偏差并超出閾值時(shí)，可將懲罰系數(shù)取為大于1的數(shù)值，從而延長沖洗間隔時(shí)間，添加了懲罰系數(shù)能使控制效果得到更好的改善。

● 石灰石供漿流量調(diào)節(jié)

石灰石供漿流量調(diào)節(jié)的目的在于調(diào)節(jié)吸收塔內(nèi)的pH值，使煙氣與石灰石漿液在最適合的pH值下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這是保證脫硫質(zhì)量的關(guān)鍵之處。

采用普通的PID控制時(shí)，由于pH值具有較大的滯后，控制效果并不理想。考慮到影響吸收塔pH值的主要因數(shù)是煙氣中的硫元素與漿液中的鈣元素的摩爾比，因此在弘電脫硫系統(tǒng)中使用了串級(jí)PID控制的思想。引入了硫鈣比閉環(huán)調(diào)節(jié)的石灰石供漿流量調(diào)節(jié)后使得系統(tǒng)的反應(yīng)速度和超調(diào)量等都有了較大的改善。

硫元素和鈣元素的摩爾比不能直接測(cè)出，只能經(jīng)過間接的方式求出。脫硫系統(tǒng)安裝有原煙氣分析儀和煙氣差壓計(jì)，經(jīng)過流體力學(xué)中的伯努利方程計(jì)算可以粗略得到煙氣的流量值，進(jìn)一步算出硫的摩爾數(shù)，將主控回路中的輸出作為修正系數(shù)算出與硫摩爾數(shù)對(duì)應(yīng)的鈣摩爾數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝的石灰石漿液密度和供漿流量算出鈣的摩爾數(shù)，比較得出偏差，經(jīng)副控回路計(jì)算后作用在供漿調(diào)節(jié)閥上。

● 濾餅厚度調(diào)節(jié)

石膏漿經(jīng)過旋流后，底流將輸送到真空皮帶進(jìn)行真空脫水，為了保證脫水效果，濾餅厚度要控制在一定的范圍之內(nèi)。濾餅的厚度往往容易受到底流漿液密度和流量變化的干擾，因此通過設(shè)立一個(gè)濾餅厚度調(diào)節(jié)降低操作人員手動(dòng)介入操作的頻率，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

濾餅厚度調(diào)節(jié)是通過測(cè)量濾餅的厚度與工藝設(shè)定值做比較，進(jìn)行偏差抑制的PID運(yùn)算，得到的輸出作用在真空皮帶的變頻器上，以達(dá)到運(yùn)行的期望。其原理比較簡單，采用常規(guī)的PID算法即可。實(shí)際南通弘電石膏濾餅厚度測(cè)量儀表安裝位置不當(dāng)，造成了極為嚴(yán)重的滯后，采用常規(guī)PID算法會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的效果。為此，在工程中應(yīng)用了其他的控制方法，譬如適當(dāng)延長PID調(diào)節(jié)的采樣周期或者采用智能控制方法，都可以使系統(tǒng)穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)，效果有了較大的提高。

（3）組態(tài)軟件的選擇

在眾多的組態(tài)軟件中，常見的組態(tài)軟件有wincc、ifix、intoch和國內(nèi)開發(fā)的組態(tài)軟件組態(tài)王等。其軟件各種開發(fā)功能各有千秋。其中IFIX軟件是美國最著名的工控組態(tài)軟件，在美國工控軟件中銷量名列前茅。IFIX軟件 適用于各種PLC, 例如支持西門子200300400, 三菱A系列，F(xiàn)x系列; 莫迪康，GE等。支持各種工控板卡，RS_232，RS_485，honywell公司R_150，R_160，S9000，各種智能變送器。也可用于工業(yè)控制管理網(wǎng)絡(luò)。IFIX是一個(gè)軟件系統(tǒng)。其核心部分提供了各種基本功能，這些功能使得應(yīng)用程序可以執(zhí)行指定的任務(wù)。其中兩個(gè)最基本的功能是數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。IFix提供了大量的高性能IO驅(qū)動(dòng)器。這些驅(qū)動(dòng)器具有查錯(cuò)、報(bào)告、恢復(fù)、內(nèi)置數(shù)據(jù)報(bào)告以及支持冗余通訊。IFIX軟件還支持DDE服務(wù)器。IFix提供最暢銷和特殊的IO設(shè)備的各種IO驅(qū)動(dòng)程序，由于每個(gè)IO驅(qū)動(dòng)支持特定的硬件，因此每個(gè)IO驅(qū)動(dòng)由各自的手冊(cè)介紹。IFIX軟件是真正32位軟件,支持WINDOWS NTWINDOWS2000。IFIX軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能,支持NetbiosTcpip。 IFIX軟件支持200多種國內(nèi)外PLC, DCS, IO板卡產(chǎn)品,可為產(chǎn)品定做驅(qū)動(dòng)程序。

● IFIX軟件采用DLL通訊方式，采樣速度更快，可靠性更高；

● IFIX軟件具有強(qiáng)大的ODBC技術(shù)，支持Oracle， Sybase，F(xiàn)oxPro等關(guān)系數(shù)據(jù)庫；

● IFIX增加了OPC功能(OLE方式的IO設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口)；

● IFIX內(nèi)嵌VBA, 以及雙機(jī)熱冗余功能。

采用那種組態(tài)軟件并不重要，關(guān)鍵是利用軟件實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)中的控制思想和控制模式。IFIX軟件有這么多優(yōu)點(diǎn)，把它作為自控系統(tǒng)的開發(fā)軟件是最好的選擇之一。

（4）順序控制系統(tǒng)（SCS）

順序控制系統(tǒng)（SCS）可以使操作人員在控制室內(nèi)監(jiān)視和控制脫硫系統(tǒng)的所有電機(jī)、閥門，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備的連鎖及保護(hù)。順序控制系統(tǒng)（SCS）能完成大量設(shè)備的高度智能化控制，它將設(shè)備按功能相關(guān)原則歸組和劃分為功能組和功能子組，按照所編寫的程序一步一步執(zhí)行下去，從而減少了操作人員的手動(dòng)介入，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和誤操作風(fēng)險(xiǎn)。

系統(tǒng)中的任一種設(shè)備或功能組都可以抽象為一個(gè)函數(shù)模塊。根據(jù)設(shè)備的不同，其函數(shù)模塊也會(huì)表現(xiàn)為形式參數(shù)、內(nèi)部條件判斷和輸出的不同。

函數(shù)模塊一般都包括以下形式參數(shù)操作員輸入指令;自動(dòng)控制輸入指令;保護(hù)連鎖輸入指令;各種指令屏蔽條件;指令互鎖;設(shè)備狀態(tài)反饋。

函數(shù)內(nèi)部條件判斷是編程人員依據(jù)工藝的要求編寫的判斷程序,以保證各種指令按照人們的期望執(zhí)行下去。

輸出則是輸入經(jīng)過內(nèi)部判斷所希望得出的結(jié)果，譬如說某電機(jī)或功能組具有自動(dòng)控制ON指令輸入并且內(nèi)部條件判斷滿足，則輸出為電機(jī)或功能組啟動(dòng)。

脫硫系統(tǒng)的主要順序控制組有：煙道系統(tǒng)、擋板密封風(fēng)機(jī)、氣氣換熱器、凈化風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)、吸收塔系統(tǒng)、石灰石漿液泵、循環(huán)漿泵、除霧器、石膏排出泵、石膏溢流漿液泵、真空皮帶脫水系統(tǒng)、工藝水泵、廢水處理系統(tǒng)和石灰石輸送及制漿系統(tǒng)等。

每個(gè)單元的熱工保護(hù)直接在各個(gè)單元控制器中實(shí)現(xiàn)，它們作為設(shè)備函數(shù)模塊的保護(hù)參數(shù)輸入驅(qū)動(dòng)設(shè)備。一些參與保護(hù)的重要模擬量的采用三取二的表決原則或采用雙重測(cè)量方式，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。由于旁路擋板在脫硫系統(tǒng)中的特殊地位，在遠(yuǎn)程操作站上專門設(shè)有緊急開啟按鈕，直接通過硬接線操作旁路擋板和向DCS控制系統(tǒng)發(fā)送緊急開啟信號(hào)。

4、分析及討論

弘電脫硫系統(tǒng)#1爐單元和公用系統(tǒng)已投運(yùn)，#2爐單元也將在年底投運(yùn)。由#1爐實(shí)際運(yùn)行效果來看，采用西門子系列PLC控制后大大降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與連續(xù)性，完全能夠?qū)崿F(xiàn)大型DCS控制系統(tǒng)的功能，并且它們的運(yùn)算處理時(shí)間相差并不大，而在成本與開放性上PLC比DCS有較大的優(yōu)勢(shì)。自控系統(tǒng)是煙氣脫硫工程的神經(jīng)中樞，是有機(jī)地把脫硫工藝和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)合起來，達(dá)到最大脫硫效果。自控系統(tǒng)的好壞直接決定了脫硫工程項(xiàng)目實(shí)施的成敗，國內(nèi)煙氣脫硫項(xiàng)目在工程施工和調(diào)試階段暴露很多問題，而這些問題最直接的原因是自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不合理。脫硫工藝有上百種，只有把脫硫工藝和自動(dòng)化系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合起來，才能發(fā)揮最大的效益；當(dāng)兩者結(jié)合到一起時(shí)也帶來了許多技術(shù)方面和工程方面的難題，值得國內(nèi)業(yè)界同行的思考和探索。