試論PLC 控制系統(tǒng)在干法煙氣脫硫系統(tǒng)中的應用

朱劍偉

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

電廠使用的干法煙氣脫硫系統(tǒng)，大多使用常規(guī)儀表進行控制，但是由于環(huán)境復雜、操作頻繁，經(jīng)常會出現(xiàn)控制命令執(zhí)行不到位、不及時的情況，對煙氣脫硫效果也造成了不利影響。PLC本質(zhì)上是一種微型的計算機，可利用預先設置好的程序，實現(xiàn)監(jiān)測、控制的一體化?；痣姀S利用PLC 技術(shù)創(chuàng)新干法煙氣脫硫系統(tǒng)時，應結(jié)合煙氣脫硫的基本流程，對其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行控制優(yōu)化，在提高脫硫效果的基礎上，實現(xiàn)火電廠經(jīng)濟效益和社會效益的提升。

1 干法煙氣脫硫系統(tǒng)的工藝原理

某熱電廠的鍋爐房共有4 臺130t/h 鍋爐，每臺鍋爐配備一套半干法高倍率鈣循環(huán)脫硫工藝系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 干法煙氣脫硫系統(tǒng)的運行原理圖

由鍋爐產(chǎn)生的煙氣，首先進入到立式反應器中，在該設備內(nèi)完成降溫、增濕，這一過程中煙氣中包含的二氧化硫與來自增濕混合器中的高鈣循環(huán)飛灰充分結(jié)合，并且與其中的氧化鈣、氫氧化鈣等發(fā)生化學反應，得到硫酸鈣、亞硫酸鈣等產(chǎn)物。進入到旋風分離器、布袋除塵器后，以固態(tài)顆粒物形式存在的脫硫產(chǎn)物，被分離出來進入到灰倉，而脫硫后的凈煙氣則排放到大氣中?；覀}內(nèi)的灰，一部分進入增濕混合器，參與循環(huán)脫硫。在滿足循環(huán)脫硫需要的前提下，多余的灰經(jīng)過排灰電磁閥的處理后，排出脫硫系統(tǒng)并收集起來集中處理。

2 干法煙氣脫硫系統(tǒng)中PLC 控制系統(tǒng)的組織架構(gòu)

2.1 硬件構(gòu)成

PLC 的硬件部分又可分為由上位機組成的監(jiān)控層和下位機組成的控制層。前者包含的硬件設備為兩臺工控計算機,1 臺打印機。計算機根據(jù)前端傳感器、監(jiān)測器提供的數(shù)據(jù),經(jīng)過處理后可以實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)控,并根據(jù)管理員的需要隨時打印運行數(shù)據(jù)。兩臺工控計算機分別對應工程師站、操作員站,相互之間實現(xiàn)無障礙信息交流,提高脫硫系統(tǒng)控制的協(xié)調(diào)性。后者采用“雙機架、雙CPU”結(jié)構(gòu)。兩臺CPU 一主一備，當主機發(fā)生異常工況后，在PLC 投切指令的控制下，自動切換至備用CPU，保證各項控制命令的實現(xiàn)。上位機和下位機之間依托工業(yè)以太網(wǎng)完成實時通信，結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示。

圖2 PLC 控制系統(tǒng)的硬件組成

2.2 軟件構(gòu)成

上位機所在的監(jiān)控層，使用Fix 軟件實現(xiàn)對系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計和分析，并且將處理結(jié)果與標準值進行對比，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)視。根據(jù)對比結(jié)果，由下位機發(fā)出相應的控制指令，完成遠程操控。下位機所在的控制層，使用Untily4.0 軟件進行組態(tài)編程，可實現(xiàn)對PLC 硬件配置、控制程序、模擬運行等方面的程序控制。

2.3 供電系統(tǒng)構(gòu)成

由于脫硫系統(tǒng)的運行環(huán)境比較惡劣，因此在應用PLC 控制系統(tǒng)時必須要進行可靠性設計，具體又分為接地系統(tǒng)的可靠性設計、供電系統(tǒng)的可靠性設計以及通訊系統(tǒng)的可靠性設計等幾部分。以供電系統(tǒng)為例，比較常用的有兩種，即采用隔離變壓器的供電系統(tǒng)，采用UPS 的供電系統(tǒng)。以UPS 電源為例，除了為控制器供電外，還能為若干臺斷路器供電。由于斷路器采用并聯(lián)方式連接，因此相互之間并不產(chǎn)生影響，從而提高了供電系統(tǒng)的可靠性。UPS 供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 UPS 供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

2.4 接地系統(tǒng)設計

為保障PLC 系統(tǒng)穩(wěn)定運行和各項控制功能的實現(xiàn)，需要保證接地可靠，提高信號與指令的抗干擾能力。PLC 系統(tǒng)可選擇的接地方式有兩種，分別是獨立接地和串聯(lián)接地，接地方式如圖4所示。兩種接地形式各有優(yōu)缺點，例如獨立接地的控制邏輯更加簡單，避免控制器與其他設備相互串擾，尤其是在電磁干擾比較強烈的環(huán)境下，選擇獨立接地可保證PLC 系統(tǒng)穩(wěn)定運行。但是其缺點也比較明顯，例如不同系統(tǒng)之間存在較大電位差，在電壓較高的區(qū)域可能會引起弱點設備燒毀的情況。串聯(lián)接地則是使用CAN 總線將控制器、I/O 設備等串聯(lián)起來，然后在CAN 總線末端統(tǒng)一接地。其優(yōu)勢在于平衡了各設備的電位差，提高了整體的穩(wěn)定性。但是布線較為復雜。

圖4 PLC 控制系統(tǒng)的兩種接地方式

3 干法煙氣脫硫工藝中PLC 控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

在干法煙氣脫硫工藝中，影響脫硫效果的不確定性因素較多?；赑LC 控制系統(tǒng)的自動調(diào)控功能，是利用前端監(jiān)測裝置、傳感設備，實時采集工藝設備的狀態(tài)，然后由PLC 識別之后下達相應的指令，控制前端動作單元作出響應。像給水量的自動調(diào)控、循環(huán)灰給料量的自動調(diào)控、煙氣溫度的自動調(diào)控等，都是基于PLC 實現(xiàn)的。

3.1 模擬量自動調(diào)節(jié)

3.1.1 恒壓變頻給水調(diào)節(jié)

在脫硫系統(tǒng)的增濕混合器中，需要保持供水穩(wěn)定，才能實現(xiàn)脫硫效果的最優(yōu)化。相反，如果水壓波動較為明顯，煙氣增濕不均勻，會導致部分二氧化硫無法轉(zhuǎn)化為硫酸鈣，出現(xiàn)脫硫不徹底、不達標的情況。為解決這一問題，使用了基于PLC 控制的恒壓變頻給水調(diào)節(jié)技術(shù)。其控制流程為：利用母管內(nèi)放置的壓力傳感器，實時監(jiān)測母管給水壓力，并將壓力信號傳遞給PLC。PLC 會根據(jù)設定值（SP）與實測值（PV）的對比結(jié)果，若SP＞PV，說明實際給水壓力偏小，則PLV 發(fā)出指令控制變頻水泵增加轉(zhuǎn)速，提高給水壓力，直到SP=PV。反之，若SP＜PV，則由PLC 發(fā)出指令降低變頻水泵的轉(zhuǎn)速，這樣就實現(xiàn)了母管給水壓力的恒定。

3.1.2 循環(huán)灰給料量調(diào)節(jié)

增濕混合器會循環(huán)向箱立式反應器提供高鈣飛灰，保證灰的給料量穩(wěn)定也是決定脫硫效果的一項重要因素。為了靈活調(diào)控灰的給料量，也使用了基于PLC 控制的循環(huán)灰給料量調(diào)節(jié)技術(shù)?？刂圃砼c上文的恒壓變頻給水調(diào)節(jié)類似，調(diào)節(jié)原理如圖5所示。

圖5 基于PID 控制的循環(huán)會給料量調(diào)節(jié)原理框圖

利用壓差測量傳感器，分別采集進入PID 調(diào)節(jié)器前的給定值，以及經(jīng)過PID 調(diào)節(jié)器處理后的過程值，若增濕混合器進口、出口的壓力差偏大，代表煙氣量較小，待反應的二氧化硫含量偏少。此時由PLC 根據(jù)具體的差值，計算出需要的循環(huán)灰量。然后通過信號傳輸，調(diào)節(jié)變頻卸料閥的轉(zhuǎn)速，通過增大轉(zhuǎn)速減少循環(huán)灰量，讓煙氣中的二氧化硫能夠得到充分反應，提高去除效果。

3.1.3 溫度自動調(diào)節(jié)

在半干法脫硫工藝中，煙氣中的二氧化硫與氧化鈣、氫氧化鈣充分反應，比較好的溫度區(qū)間通常為60-70℃。石灰粉受熱分解成為氧化鈣、二氧化碳，氧化鈣再與二氧化硫反應生成亞硫酸鈣，達到脫硫目的。溫度過高或過低，都會影響脫硫效果，因此設計了基于PLC 控制的溫度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其原理如圖6 所示。

圖6 基于PID 的溫度自動調(diào)節(jié)原理框圖

將吸收塔后的煙氣溫度2 取1 后，與設定溫度（K）對比，若輸出溫度低于設定溫度，則由PLC 發(fā)送調(diào)節(jié)指令，減小回流控制閥的開度，這樣回流到水箱的工藝水減少，溫度上升；直到PLC 分析結(jié)果表明設定溫度與輸出溫度相等，維持此時的回流閥開度。

3.2 在線監(jiān)視和實時報警

為實時掌握脫硫系統(tǒng)的運行情況，以及各臺設備的當前工況，引進了在線監(jiān)視系統(tǒng)。利用前端傳感器將運行信號、振動信號等收集起來，并在PLC 控制系統(tǒng)的作用下，轉(zhuǎn)化為可視化的圖像，在人機交互界面上呈現(xiàn)出來。這樣管理人員就能夠遠程監(jiān)視脫硫系統(tǒng)各部分的運行情況和數(shù)據(jù)變動，從而為加強操作管理提供了必要的支持。PLC 將前端傳輸信號，與數(shù)據(jù)庫內(nèi)預設的標準值進行比對，若兩者之間的實際誤差，超出了允許誤差，則進行實時報警。根據(jù)異常信號的所在位置，幫助管理人員快速鎖定故障源，為脫硫系統(tǒng)的運維和檢修提供必要支持。

3.3 開關(guān)量順序控制

在干法煙氣脫硫系統(tǒng)中，需要使用開關(guān)量順序控制的設備有脫硫增濕混合器、變頻卸料閥、變頻給水泵等?；赑LC 的開關(guān)量順序控制，通過編程的方式，提前設計好每一種設備的執(zhí)行動作，保證設備按照程序按部就班的完成各項動作。以增濕水電磁閥組為例，通過閥門開閉控制，達到對循環(huán)灰水含量的動態(tài)調(diào)節(jié)。其控制原理為：位于反應器出口處的濕度傳感器，可實時監(jiān)測從反應器出口處排出煙灰的濕度。如果循環(huán)灰的濕度低于設定值，則PLC 根據(jù)實測值與設定值之間的差距，確定閥門開啟幅度。然后增濕水物化閥噴出水霧，提高循環(huán)灰含水量，達到降低煙氣溫度、提高煙氣濕度的效果。同時，采用PLC 集中控制模式，還能夠顯著提高整個脫硫系統(tǒng)各部分的協(xié)調(diào)性，對實現(xiàn)煙氣脫硫效果的最大化也有積極幫助。

結(jié)束語

將PLC 應用于鍋爐的煙氣脫硫系統(tǒng)中，可以根據(jù)脫硫需要靈活調(diào)節(jié)變頻水泵的轉(zhuǎn)速，以及回流控制閥、變頻卸料閥的開度，通過維持水壓、給灰量的動態(tài)平衡，讓脫硫系統(tǒng)始終維持在最佳工況，以較低的成本實現(xiàn)了脫硫效果的最大化。另外，PLC控制系統(tǒng)提供的在線監(jiān)視、實時報警等功能，也能夠滿足鍋爐干法煙氣脫硫系統(tǒng)自動化運行的需要，應用效果理想。