基于DCS的熱電廠煙氣凈化系統研究

劉礦平 丁新方 楊旭峰

摘? 要：該文以DCS控制系統作為切入點，簡要敘述DCS系統的結構組成、配置方案與設計原則，為DCS系統大規模應用推廣奠定堅實基礎，也為DCS系統的實踐應用指明方向。重點基于DCS技術搭建熱電廠煙氣凈化控制系統的具體策略，重點解決控制系統在前期搭建與投運使用階段面臨的現實問題。旨在全方位改善煙氣凈化控制效果，保障煙氣凈化系統平穩運行，幫助熱電廠實現綠色生產目標。

關鍵詞：DCS技術；熱電廠；煙氣凈化系統；建設策略；實踐應用

中圖分類號：X773? ? ? ? 文獻標志碼：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

現階段，我國發電事業正處于轉型發展的關鍵時期，對熱電廠煙氣排放指標提出了更高要求，妥善處理發電期間持續產生的煙氣污染物，維持煙氣凈化系統和總體生產系統協調運行，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系統來搭建功能完善、運行穩定的煙氣凈化自動控制系統，顯得尤為重要，本文以此開展研究。

1? DCS控制系統概述

1.1? 系統結構

DCS集散控制系統本質上屬于一類開放性系統，由操作站、現場控制器、ESB總線、工程師站、Vnet/IP網絡和集成網關等部分組成，系統架構如圖1所示。在DCS控制系統運行期間，依托Vnet/V Lent保持人機界面站與現場控制站通訊連接狀態，并把人機界面站與現場控制站作為軟件程序運行載體，既可以完全由系統后臺基于程序準則來完成現場數據采集、煙氣排放濃度控制等各項操作，同時，工作人員也可實時監測煙氣凈化系統的運行過程，通過操作界面遠程下達控制指令[1]。

1.2? 配置方案

第一，站點配置。為提高系統運行穩定性，確保現場控制器與操作站不會受到單一、少量故障部件影響，必須在熱電廠現場分散布置各處控制站，把現場劃分為若干區域，各區域內建立機柜室，保持控制站獨立運行狀態，并在煙氣凈化系統原有控制室內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測煙氣凈化系統運行工況，還可以控制故障部件的實際影響范圍。第二，網絡配置。在現場控制室內配置交換機，依托交換機完成后臺服務器與現場控制器、煙氣凈化設備的鏈接，根據設備接入數量、實際通信需求來確定交換機臺數與選擇交換機規格型號。同時，還應在現場控制室內部搭建獨立的小型網絡，如果中控室與現場控制室通訊中斷，仍舊可以保證現場控制室內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，子系統通信配置。主要依托RS485通信接口保持同級各套子系統的通信連接狀態，在系統內安裝通信卡件，可采取獨立配置或是冗余配置方式。為改善通信效果，優先采取冗余配置方式，如果通信主卡件出現故障問題，立即把所需處理的通信任務轉移至冗余通信卡件，從根源上預防數據丟失、運行不暢等問題出現。

1.3? 設計原則

第一，安全可靠原則。在DCS系統內增設故障自檢功能，系統定期采集、分析自檢信號，判斷軟件程序與硬件設備是否存在異常狀況，若存在異常立即發送報警信號與啟動故障處理程序，避免因DCS系統自身原因而影響到煙氣凈化處理效果。第二，操作便捷原則。盡量設計一套流程簡潔、自動化程度較高的控制系統，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，以此來減輕工作負擔、減少熱電廠運維管理成本。同時，實現人機交互功能，工作人員通過系統界面來全面掌握煙氣凈化系統實時工況，并通過語音控制等形式來下達控制指令或修改既定控制方案內容。第三，功能適應原則。提前做好項目資料收集、控制需求分析等準備工作，根據實際需求來制定DCS控制系統搭建方案，避免后續出現功能冗余、功能不全等問題。

2? 基于DCS的熱電廠煙氣凈化系統建設策略

2.1? 儀表選型

第一，溫度儀表選型。以煙氣凈化系統工作溫度測量范圍作為儀表選型依據，主要配備鎧裝熱電阻溫度計，系統工作溫度低于500 ℃時以Pt100作為測量元件，系統工作溫度超出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套管，避免溫度計受外部環境干擾而出現運行故障或精度下滑現象。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，根據量程與現場環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膜盒壓力表，周邊分布腐蝕性與易堵性介質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，連續完成液位測量作業。現場分布腐蝕性介質或是懸浮物時，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，可以配備雷達液位計，但需要液位計和測量目標間保持良好光學通視條件。同時，為提高測量精度，優先配備電容式液位開關，不宜配備浮球等機械結構的開關儀表[3]。第四，流量儀表選型。根據液體與氣體潔凈程度作為儀表選型依據，盡量延長儀表使用壽命，避免因過度腐蝕而頻繁出現故障問題。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控制系統主要配備調節閥、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，根據功能定位來選擇閥門種類，如配備球閥來實現開關切斷功能，配備智能型氣動調節閥來實現現場操作開關遠程就地切換與開關聯鎖控制功能，配備自力式調節閥來實現輔助性流體調節功能。

2.2? 數據采集

第一，采集處理流程。以車間現場配備的檢測儀表作為數據采集裝置，持續采集現場監測信號并發送給I/O模塊，經過I/O模塊匯總整理后，把模擬信號轉換為數字信號，最終提交給DCS系統后臺或是現場控制器進行運算處理，在系統操作界面上以狀態量形式進行可視化呈現。第二，信號采集方式。常用采集方式分為周期性采集、隨機采集2種。其中，周期性采集是儀表設備以固定頻率來采集運行參數測量值，適用于電器開關、電動執行器、啟動執行器等普通設備。隨機采集是由DCS系統根據煙氣凈化系統運行工況來隨機采集現場監測信號，或是在工作人員控制下采集監測信號，適用于采集重要設備的開關量與保護聯鎖信號。工作人員需要在數據采集系統內搭配應用2種信號采集方式[4]。第三，采集參數。現場數據采集范圍涵蓋系統運行參數、附件信號與電氣設備信號，參數采集種類越多，則DCS控制系統的環境感知能力越強，但會加重數據處理負擔。其中，系統運行參數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各項運行參數。附件信號是電動閥門、氣動閥門等配套裝置的狀態信號與位置信號，以及檢測儀表故障自檢信號。電氣設備信號則包括現場各臺電氣設備的狀態信號和單機運行參數。第四，流程圖畫面。以清晰顯示煙氣凈化系統運行工況作為操作員站顯示畫面的設計思路，在流程圖界面從上到下依次顯示重要參數、系統工藝流程畫面和子系統菜單。其中，重要參數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。系統工藝畫面是以電子地圖形式展示煙氣凈化系統各處工藝段的實時工況，以特殊顏色符號來顯示故障部位。子系統菜單包括布袋除塵/電除塵系統、無聊循環系統、吸收劑供應系統和吸收塔排灰系統等工藝系統的流程圖，工作人員根據實際需要，訪問工藝流程圖，深入了解各套工藝系統的運行情況。

2.3? I/O點分配

I/O點是DCS系統實現現場控制功能的關鍵，首先，工作人員需要根據現場情況來合理分配I/O點數，從而奠定系統軟件組態基礎，充分滿足煙氣凈化控制需求。隨后，在系統內額外設置一定比例的I/O點作為冗余備份，用于滿足DCS控制系統未來擴建升級需求，并在系統內加裝卡件裝置，卡件持續把現場設備模擬信號轉換為數字信號，再把數字信號發送給DCS系統服務器。最后，根據信號類型來確定I/O點在各部位的分配數量，并確定輸入輸出方式。例如，信號類型為AO時，把煙氣凈化系統內單臺鍋爐的I/O點數量控制在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，則內部阻值越高，最終向輸入模塊發送阻值變化模擬量信號，如果檢測到煙氣溫度超出規定范圍，立即采取噴水冷卻等方式來降低吸收塔內部煙氣溫度，溫度控制結構如圖2所示。正常情況下，把煙氣露點溫度設定為煙氣溫度下限值，煙氣溫度上限值略高于溫度標準值，出口煙氣溫度過低會出現結露現象，出口煙氣溫度過高則會大幅降低鍋爐風量，嚴重時迫使鍋爐停機[6]。

第二，煙氣風量控制。在風量出口部位配置超聲波流量計等檢測儀表，在引風機出口煙道部位配置電動調節閥，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。系統運行期間，持續采集煙氣風道流量信號，把流量信號轉換為電流變化信號，發送給控制柜內I/O模塊處理，最終發送給主控單元，判斷實際煙氣風量是否滿足吸收塔運行需求或是超出承受能力，向電動調節閥下達控制指令，通過調節閥門開度來改變煙氣風量。正常情況下，把煙氣風量下限值設定為70%標準風量，煙氣風險上限值設定為100%標準風量，允許波動范圍與吸收塔最佳運行煙氣量保持一致[7]。

第三，系統壓降控制。以除塵器灰斗部件作為控制區域，在灰斗內部加裝流量控制閥，分別在灰斗入口部位和出口部位各布置數量不少于3個的壓力變送器，提前設定系統壓降標準值和允許偏差范圍。系統運行期間，持續采集除塵器灰斗出入口部位的壓力值，根據對比結果向流量調節閥下達開度調節指令，通過改變空氣斜槽返回吸收塔的物料量來控制系統差壓。對壓降控制功能的實現，有利于提高吸收劑實際利用率、保持流化床層工況穩定。

2.5? 開關量順序控制

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

第二，倉泵輸灰控制。以灰斗內部料位高度作為脫硫灰輸送控制依據，在現場控制器內接入倉泵進料閥開關，采取料位觸發或是連續輸送模式。其中，料位觸發模式是對灰斗低點物料位置壓力進行監測，如果位置壓力明顯低于進料設定壓力，則切換進料閥開關狀態來停止進料，直到位置壓力到達設定壓力。連續輸送模式沒有觸發條件，提前按照預定控制方案來有序下達、執行倉泵進料指令等現場控制指令，保持物料連續輸送狀態，唯有在開展保護條件動作時，系統才會清除輸入指令。同時，需要對氣力輸送程序、清堵程序實施互鎖控制，相同時間段內僅能運行單一程序。

第三，吸收劑輸送控制。在吹掃壓力出口與倉流化風出口部位各設置一臺壓力表，在連續料位處設置雷達料位計，并在DCS現場控制柜內設置若干AO點、AI點和DI點。AO點用于控制給料機頻率輸出值，AI點用于控制旋轉給料機頻率表機電流反饋值，DI點負責控制電動液插板閥與氣動關斷閥的開關狀態。在吸收劑輸送啟動過程，順序下達開啟倉頂流化風機、啟動給料器、啟動預選下料插板閥、啟動循環下料功能組的控制指令，直至功能組完全啟動后，自動結束。在吸收劑輸送停止過程，順序下達停止循環下料功能組、等待一段時間后停止倉流化風機運行、停止下料插板閥運行、停止調頻旋轉給料器運行、切換給料機手動控制模式的指令。而在循環下料過程，DCS系統順序下達啟動順控程序、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系統運行期間，由于煙氣凈化車間現場環境較為復雜，持續受到空間輻射、系統外引線、接地系統混亂、系統內部元器件與電路相互電磁輻射等干擾源的影響，使得控制系統穩定性大打折扣，最終引發裝置拒動、誤動等連鎖問題出現。對此，在煙氣凈化DCS系統建設期間，必須進行抗干擾升級改造，具體可采取設備選型、更換電源、硬件濾波和優選接地方式等改造措施。

第一，設備選型。優先配備具備良好電磁兼容性的硬件設備，在設備安裝完畢后，對共模擬制比、耐壓性能等抗干擾指標進行檢驗。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，在信號兩極間設置濾波器，這有利于減少共模干擾。第四，優選接地方式。DCS控制器本質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，工作人員優先采取串聯一點接地方式或是并聯一點接地方式。

3? 結束語

綜上所述，DCS系統是煙氣凈化系統當前最為適用的自動化控制系統，也是推動熱電廠項目升級改造和實現清潔發電目標的關鍵。各座熱電廠與工作人員都應提高對DCS系統的重視程度，依托DCS系統搭建新一代煙氣凈化控制系統，全面掌握在儀表選型、數據采集、模擬量控制等方面的DCS系統建設要點，為控制系統自動化平穩運行提供有力保障。

參考文獻：

[1] 吳慶康.基于DCS的熱電廠煙氣凈化系統研究與應用[D].徐州：中國礦業大學，2020.

[2] 陳寶華.基于DCS的焦爐煙氣凈化系統設計[D].包頭：內蒙古科技大學，2019.

[3] 安麗鵬，丁小勇，王晨.垃圾焚燒發電廠煙氣凈化處理自動控制系統的設計及應用[J].科技風，2021（24）：7-8.

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[7] 蘇雷，羅培鐘，袁佳.垃圾焚燒發電廠煙氣污染控制及防治對策[J].科技風，2022（21）：71-73.