火电厂烟气脱硫控制系统分析和设计毕业设计说明书

南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 1 页 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要 根据“PLC 原理及应用”课程基于项目教学的教学需要，选定基于 PLC 的火电 厂烟气脱硫系统的应用研究作为教学项目的案例。针对案例，选定施耐德 M340 PLC 作为系统设计和实现的平台。在此基础上，本论文系统研究了施耐德 M340 PLC 系 统的特点，完成了教学实验系统初步设计；对教学实验内容进行了基本分析和设计； 最终对火电厂烟气脱硫控制系统进行了全面分析和设计，并在施耐德的 UNITY PRO 开发平台上进行了系统编程和调试。 关键词：烟气脱硫，施耐德 M340 PLC，PLC 控制 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 2 页 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要 TitleThe Schneider M340PLC flue gas desulfurization control system M340 PLC Control System forFGD Abstract PLC principles and applications curriculum-based teaching project teaching needs, selected cases as a teaching project-based thermal power plant flue gas desulfurization system application in the PLC. For the case selected Schneider M340 PLCs as system design and implementation platform. On this basis, on the field, this paper studied the characteristics of the Schneider M340 PLC system, completed the preliminary design of the experimental teaching system; the contents of the teaching experiment, the basic analysis and design; final conducted a comprehensive analysis of flue gas desulfurization control system Schneider of the UNITY PRO development platform and design, system programming and debugging. Keywords:,FlueGas Desulfurization，FGD Schneider M340 PLC, PLC control 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 3 页 目录 前言5 第一章 绪论7 1.1 课题背景7 1.2 国内外研究现状7 1.2.1PLC 下位机研究现状. 7 1.2.2 上位机研究现状.9 1.3 本文研究内容9 第二章 工作原理和流程分析10 2.1 石灰石湿法脱硫的基本原理12 2.2 石灰石湿法脱硫的系统组成和主要设备13 第三章 控制方案设计16 3.1 控制需求.16 3.2 控制系统分析17 3.2.1 系统架构.17 3.2.2 控制系统功能分析.18 3.2.2.1 启停控制功能实现分析20 3.2.2.2 石灰石浆液制备功能实现分析20 3.2.2.3 烟气通入功能实现分析20 3.2.2.4 石膏制备功能实现分析21 3.2.2.5 报警功能实现分析21 3.2.2.6 模拟量控制功能实现分析21 3.3 控制系统系统配置和 I/O 清单 22 3.3.1 脱硫浆液制备系统.22 3.3.2 烟气净化系统.24 3.3.3 循环液处理系统.25 3.4 系统配置26 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 4 页 第四章 火电厂烟气脱硫系统控制系统设计32 4.1 控制系统硬件设计33 4.2 控制系统软件设计33 4.2.1 编程环境33 4.2.2 PLC 控制程序设计 34 4.2.3 触摸屏监控界面设计40 第五章 控制方案实施44 5.1 控制程序的调试44 5.2 与上位机的连接45 5.3 程序的调试46 5.3.1 PLC 的通讯端口 46 5.3.1.1 Modbus 通讯和 USB 通讯46 5.3.1.2 TCP/IP 通讯方式通讯方式47 5.2.2 与上位机的连接.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.3.2 与上位机的连接与上位机的连接.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第六章 结论48 参考文献49 致谢50 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 5 页 前言 PLC 原理及应用课程是一门强调应用能力训练与培养， 以实践动手能力培养为显 著特征的控制及相近专业重要的专业课程。多年来，高校开设的此类课程以训练基 本概念和基本应用能力为主，导致学生在走上工作岗位后仍然需要进行二次培训。 这在采用中、高端 PLC 的热能动力工程专业，热工过程自动化专业方向表现的更为 特出。为了改变这一情况，能源与动力工程学院基于“南京工程学院-施耐德电气联 合实验与培训中心”的建设，选择了施耐德最新的中端产品 Modicon M340 PLC 作为 该课程的教学系统，建设了“施耐德电气 M340 PLC 实验室” 。 作为全球领先的自动化产品供应商，施耐德电气在各种类型的应用领域都拥有 性能卓越的可编程控制器。Modicon M340 PLC 集各种强劲功能和创新设计于一身， 为复杂设备制造商和中小型项目提供各种自动化系统的最佳技术和高效、灵活、经 济的解决方案。 M340 是仅次于 Unity 的施耐德投资第二大研发项目， 于 2007 年 7 月 1 日开始接 受订货，其开发平台基于 Unity Pro 3.0 及更高版本。Modicon M340 可编程控制器 集各种强劲功能和创新设计于一身，完美无缺地满足复杂设备制造商和中小型项目 的要求， 提供各种自动化功能的最佳技术和高效、 灵活、 经济性的解决方案。 Modicon M340 充分支持工业和基础设施自动化控制系统的“透明就绪”架构，成为 Modicon Premium 和 Quantum 系列产品线的最佳拓展。使得该平台几乎具有了高端 PLC 应用 系统开发的所有特征，很好地满足了热工过程自动化专业方向在 PLC 原理及应用课 程的教学需要。 为了满足 PLC 课程的教学需要， “施耐德电气 M340 PLC 实验室”的 M340 PLC 实 验教学系统不仅要包括如交通灯实验、电机起停等经典教学实验，同时为使学生更 加系统全面的了解 PLC 应用系统，而且选择了一个完整的过程控制系统案例火 电厂烟气脱硫控制系统，作为课程教学的主线。此次毕业设计即是结合该实验教学 系统的设计，完成试验台的初步的结构设计和功能设计，并主要完成火电厂烟气脱 硫控制系统案例的全面设计、编程和调试工作。 火电厂烟气脱硫控制系统是一个非常典型的过程控制系统案例，综合了脱硫、 液位、压力、温度控制功能，涉及到顺序控制、模拟量调节、安全报警等控制系统 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 6 页 中必不可少的功能，可以向学生展示一个完整的 PLC 控制应用系统，帮助学生全面 的了解 PLC 控制系统，对学习 PLC 原理和 PLC 应用系统开发有一个全面的认识。 火电厂烟气脱硫控制系统教学案例采用典型的监控上位机+PLC 下位机的两层架 构系统。本部分设计内容主要是完成案例的下位机 PLC 层的设计、组态、编程和调 试工作。该部分工作是从火电厂烟气脱硫的工艺流程分析入手，进行控制需求分析， 设计出一套的功能完备、系统简单、低成本的 PLC 控制系统解决方案。 为了完成毕业设计任务，需要全面了解 PLC，掌握根据实际使用情况对 PLC 进行 选型和配置的原则，根据火电厂烟气脱硫的工艺过程特点确定控制需求，进行控制 系统进行分析，确定火电厂烟气脱硫控制系统的 P&ID 图和 I/O 清单，设计火电厂烟 气脱硫控制系统拓扑和控制原理图（SAMA） 。毕业设计的另一项重要工作是完成控制 系统的编程和调试，这需要借助施耐德 Unity Pro 软件平台来完成。Unity Pro 是施 耐德新开发的综合控制系统开发和调试平台，该平台的开发思想和方法与 DCS 系统 几乎一致。Unity Pro 开发平台的教学应用可以很好地满足热工过程自动化专业方向 在 PLC，以及后续的计算机控制系统课程教学的需要。 本次毕业设计工作是对 PLC 控制系统设计、过程控制系统设计以及计算机控制 系统的全面、系统的综合训练，为 PLC 原理及应用课程的案例教学方法进行较全面 的实验平台、教学方法和教学内容的设计。所设计的成果对“南京工程学院-施耐德 电气联合实验与培训中心”的建设和 PLC 及计算机控制系统课程配套教学方法的改 革具有较大的参考价值。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 7 页 第一章 绪论 1.1 课题背景 SO2是大气污染的重要来源，是形成硫酸型酸雨的最直接原因。目前，煤电仍是 我国电力生产的主要形式，煤电生产量约占全国发电量的 75%以上。因此，除了需要 全面提高燃煤发电技厂的发电技术，获得更高的发电效率外，还必须面临如何控制 其燃烧排放物的重大问题。以燃烧化石燃料为基础的火力发电厂，其烟气排放物中 带给环境带来污染和危害，的主要有有氧化物（大部分为 SO2，少部分 SO3） 、氮氧化 物、二氧化碳和粉尘等，其中烟气排放产生的 SO2是世界上最大的 SO2排放源之一。 因此，控制火力发电厂 SO2的排放，保护环境，是电力生产发展中急需解决的问题之 一。 火电厂脱硫工艺选择脱硫技术可分为燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后脱硫三 种。燃烧后脱硫即烟气脱硫（Flue Gas Desulfurization，FGD）技术它是在烟道处 加装脱硫设备，对尾部烟气进行脱硫处理，净化咽气，降低烟气中 SO2排放量。燃烧 后脱硫（FGD）是目前唯一可以进行大规模商业运行的脱硫方式，大型电厂 90%是采 用这种方式。所谓烟气脱硫，就是把烟气中的 SO2和 SO3转化为液体或固体化合物， 使其从排出的烟气中分离出去。脱硫的方法主要有干法、半干法和湿法，工业上应 用最多，技术最成熟的是湿法脱硫。湿法烟气脱硫工艺绝大多数采用碱性浆液或溶 液作为吸收剂，脱硫效率高。火电厂烟气脱硫的主要困难在于 SO2的浓度低烟气体积 大，SO2的总量大，由于 SO2是酸性气体，因此碱性物质耗量很大。烟气中 SO2浓度具 体由燃料的含硫量决定的。我国引进的技术以石灰/石灰石法为主。FGD 工艺方案中， 石灰石或石灰为吸收剂的强制氧化湿式脱硫方式是目前使用最广泛的脱硫技术。 1.2 国内外研究现状 1.2.1PLC 下位机研究现状 针对 PLC 下位机的设计，周宏英、王君、杨继志 1 等针对电厂脱硫控制系统主 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 8 页 要功能及工艺流程，使电厂脱硫控制系统中脱硫浆液制备与输送系统、烟气净化系 统以及循环液处理系统这三部分密切配合，从而提高了脱硫的效率。郑晅 2根据烟气 脱硫系统的工艺特点，提出了自动控制要求和控制方式。采用可编程控制器 PLC 作 为控制主机,将脱硫控制纳入全厂辅助系统网络集中监控,既保证可靠性,又提高了 经济性。在脱硫系统设计时详细对设计方案分析并选择合适的可编程控制器，电源 电路和数据采集电路。曾志新 3针对控制项目提出主要控制方案及联锁系统说明，才 工艺中采用特殊的热工保护来维持脱硫系统正常运行以及发生事故时保护系统及设 备。徐鹏 4锅炉负荷、燃煤质量、烟气浓度及烟气流量等情况实现各类磨机、泵、阀 门等设备的自动控制，给出了石灰石- 石膏湿法全烟气脱硫系统中 PLC 系统的分组。 吴明亮、 随晶晶等 5在石灰石制粉控制系统中的应用中体现了 PLC 控制系统可控制良 好的经济型、可靠性和灵活性。 李国峰 6针对岱庄煤矿热电厂原有烟气脱硫系统脱 硫效率低，运用 PLC 实现氨法烟气脱硫综合自动化监控，大大提高了热电厂的自动 化水平。梁冬青 7结合 PLC 的特点，着重探讨了 PLC 在电厂石灰石（石灰）石膏 湿法脱硫监控系统中的应用，根据脱硫系统的特点采用三台上位计算机和三套 PLC 控制系统组成冗余的控制系统和网络，整个系统采用双机热备冗余方式，体现了 PLC 控制的可靠性。黄红艳 陈华东 8针对安顺电厂二期 3 号、4 号机组建设的 2300MW 机组的湿法脱硫系统，结合了 DCS 和 PLC，分析了全厂控制配置的优缺点，介绍其工 艺流程，软硬件配置、主要模拟量控制和顺序控制等，提出了良好的改造建议和方 案。另外介绍了采用 PLC 的脱硫辅助控制系统，对石灰石的制备系统、废水处理系 统和石膏脱水系统的硬件和流程，使整个烟气脱硫系统更加全面可靠。孟宪朋、李 璐、田林 9在硬件设计中考虑了控制站 PLC 的设计和现场变频器的选型。关于变频器 以前很少接触，在整个烟气脱硫工艺中，有很多需要用到变频器调速的地方，根据 系统工艺要求变频器有足够的低频转矩提升能力和短视过流能力，选型时应该充分 考虑各种情况。张勇, 栾瑞瑛 10结合石灰石石膏湿法烟气脱硫控制系统的特点， 从控制处理能力，数据通讯交换，组态维护功能，人机交流方式，安全性和发展方 向等方面比较了分散控制系统（DCS）和 PLC，并且总结了脱硫系统的主要特点。针 对湿式脱硫的缺点和干式脱硫的特点，干式脱硫主要调节反应塔内温度、压力、灰 浆浓度以及锅炉热负荷。干式脱硫在我国北方具有很高的推广价值。邹瑞强、朱晓 莉、毛伟峰 11介绍了用施耐德 PLC 在济钢 AV-71 鼓风机组控制中的应用，施耐德 PLC 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 9 页 的应用减弱了仪表的复杂程度， 接线简单明了， 大大降低了事故率。肖漓, 周国荣 12 介绍了湿式钙/镁法烟气脱硫自动控制系统的工艺流程和自动控制系统结构与功能。 PLC 是整个控制系统的核心，负责现场的数据采集，逻辑控制，系统故障处理以及同 上位机的通讯。 1.2.2 上位机研究现状 目前，工业自动化控制技术已经发展到一个新的高度，可编程控制器已经在工 业控制领域得到广泛的应用，它是经济全球化和中国走向世界的一个必然。在 PLC 与上位机组成的集散控制系统中，PLC 作为下位机，完成数据采集、逻辑分析、数 学运算、输出控制等功能，上位机完成数据存储、结果处理、状态显示、打印输出 等功能，实现对系统的实时监控和在线处理。这样不仅提高了 PLC 的控制功能，扩 大了它的控制范围，而且能够使 PLC 间的资源共享，便于实现集中控制和网络化管 理。 1.3 本文研究内容 本次毕业设计的内容是：在掌握施耐德可编程控制器（PLC）的原理，编程以及 使用方法的基础上，通过深入仔细研究火电厂烟气脱硫控制系统的工艺流程。 烟气脱硫控制系统采用施耐德 M340 系列 PLC 控制上位机管理的方式设计，PLC 综合了计算机技术与自动控制技术为一体的工业控制产品，运用 PLC 对上位机的软 件设计实现自动控制、数据显示、记录整个工艺过程。下位机用 UnityPro 软件根据 设计需要对 PLC 进行硬件配置，用下位机软件编写代码，使其模拟火电厂烟气脱硫 过程，对控制系统进行仿真。 上位机组态软件采用 Vijeo Designer 触摸屏上位机软件来配合 PLC 工作。用组 态软件画出烟气脱硫控制系统主画面，监视画面，报警画面，趋势画面等，通过网 络通信功能连接 PLC，能够直观的准确的控制各机械或生产过程，使之控制过程更加 直观，方便控制调整。 上位机软件与下位机进行网络通信功能连接，可以通过操作监控界面完成对脱 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 10 页 硫装置的启停操作，使脱硫装置的控制均能自动进行。所以本次课题需要完成对 PLC 下位机的控制过程的软件编程，给出 I/O 清单。 最后，依靠工业以太网来完成下位机与上位机的通讯，使之成为一个整体，再 进行仿真模拟修改，最终完成火电厂烟气脱硫控制系统。 第二章 工作原理和流程分析 火电厂烟气脱硫工艺选择脱硫技术可分为燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后脱 硫三种。燃烧前脱硫主要指选煤（如物理法，微生物法脱硫） 、煤气化和水煤浆技术； 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 11 页 燃烧中脱硫指低污染燃烧、型煤加工和流化床方式燃烧技术以及目前推广的燃气 蒸汽联合循环发电技术；燃烧后脱硫即烟气脱硫（Flue Gas Desulfurization，FDG） 技术。FGD 是目前唯一可以进行大规模商业运行的脱硫方式，大型电厂脱硫的 90% 是采用这种方式。 从脱硫方法看，主要有如下几种： （1）抛弃法和回收法； （2）干法和湿法。工 业上应用最多、技术最成熟的是湿法脱硫，是伐是利用水或碱性吸收液或触媒离子 的溶液，吸收烟气中的二氧化硫，它是目前世界上应用最广泛的脱硫方式，脱硫效 率高，全世界该工艺装置的容量占绝大部分。我国重庆的珞璜电厂、深圳沙角 A 电 厂、上海石洞口电厂都是采用的湿法脱硫。其他工业化的工艺还有喷雾干燥法 （SDA） 、 炉内喷钙尾部增湿活化 （LIFAC） 、 亚纳循环法 （W-L 法） 、 电子束法 （EBA） 。 火电厂烟气脱硫的主要困难在于 SO2的浓度低烟气体积大，SO2的总量大，由于 SO2 是酸性气体，因此碱性物质耗量很大。烟气中 SO2浓度具体由燃料的含硫量决定的。 常见的湿法烟气脱硫技术主要有石灰/石灰石石膏法、双碱法(Na-Ca)、氧化镁法、 海水脱硫法、磷铵肥法等。第一代的 FDG 以石灰/石灰石湿法为代表，其装置主要安 装在美国和日本。在美国，大多数大中型燃煤锅炉所采用的 FDG 工艺均为湿法，湿 法约占 FDG 总容量的 92%。在日本，烟气脱硫技术主要采用湿法和回收法，其中湿 法石灰石-石膏法约占总容量的一半。我国引进的技术以石灰/石灰石法为主。 FGD 工艺方案中，石灰石或石灰为吸收剂的强制氧化湿式脱硫方式是目前最成 熟、应用最广泛的脱硫技术。 典型的湿式烟气脱硫工艺流程图如图所示 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 12 页 2.1 石灰石湿法脱硫的基本原理 石灰石（石灰）-石膏湿法脱硫系统基本工艺流程如下 石灰石（石灰）-石膏湿法脱硫工艺系统主要有：烟气系统、吸收氧化系统、浆 液制备系统、石膏脱水系统、排放系统组成。其基本工艺流程如下： 锅炉烟气经电除尘器除尘后，通过增压风机、GGH(气体-气体换热器)降温后进 入吸收塔。在吸收塔内烟气向上流动且被向下流动的循环浆液以逆流方式洗涤。循 环浆液则通过喷浆层内设置的喷嘴喷射到吸收塔中，以便脱除 SO2、SO3、HCl 和 HF， 与此同时在“强制氧化工艺”的处理下反应的副产物被导入的空气氧化为石膏 （CaSO42H2O） ，并消耗作为吸收剂的石灰石。循环浆液通过浆液循环泵向上输送到 喷淋层中，通过喷嘴进行雾化，可使气体和液体得以充分接触。每个泵通常与其各 自的喷淋层相连接，即通常采用单元制。 在吸收塔中，石灰石与二氧化硫反应生成石膏，这部分石膏浆液通过石膏浆液 泵排出，进入石膏脱水系统。脱水系统主要包括石膏水力旋流器（作为一级脱水设 备） 、浆液分配器和真空皮带脱水机。 经过净化处理的烟气流经两级除雾器除雾，在此处将清洁烟气中所携带的浆液 雾滴去除。同时按特定程序不时地用工艺水对除雾器进行冲洗。进行除雾器冲洗有 两个目的，一是防止除雾器堵塞，二是冲洗水同时作为补充水，稳定吸收塔液位。 烟气脱硫技术属于燃烧后的脱硫。在吸收塔出口，烟气一般被冷却到 4655左 右，且为水蒸气所饱和。通过气-气换热器将烟气加热到 80以上，以提高烟气的抬 升高度和扩散能力。 最后，洁净的烟气通过烟道进入烟囱排向大气。 脱硫过程主要反应有吸收反应、中和反应和氧化反应： 1. SO2+ H2O H2SO3(2-1) 2. CaCO3+ H2SO3 CaSO3+ CO2+ H2O(2-2) 3. CaSO3+ 1/2 O2 CaSO4(2-3) 4. CaSO3+ 1/2 H2O CaSO31/2 H2O 结晶(2-4) 5. CaSO4+ 2H2O CaSO42H2结晶(2-5) 6. CaSO3+ H2S3Ca (HSO3)2(2-6) 石灰/石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺的化学原理如下， 1.烟气中二氧化硫溶解于水中生成亚硫酸并离解成 H氢离子和 HS离子； 2.烟气中的氧(由氧化风机送入的空气)溶解在水中，将 HSO3氧化成 SO4 2-； 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 13 页 3. 吸收剂中的碳酸钙在一定条件下于水中生成 Ca 2+离子。在吸收塔内，溶解的二氧 化硫、碳酸钙及氧发生化学反应生成石膏(CaSO42H2O)。 由于吸收剂循环量大和氧化空气的送入，吸收塔下部浆池中的邢化一或亚硫酸 盐几乎全部被氧化为硫酸根或者硫酸盐， 最后在 CaSO4达到一定过饱和度后结晶形成 石膏CaSO42H2O，石膏可根据需要进行综合利用或者抛弃处理。 同时烟气中的 HCl、HF 与 CaCO3的反应，生成 CaCl2或 CaF2。吸收塔中的 pH 值通 过注入石灰石浆液进行调节与控制，一般 pH 值在 5.56.2 之间。 脱硫原理主要是使用碱性浆液如石灰石、石灰或碳酸钠等，喷入吸收塔中对烟 气进行洗涤，从而除去烟气中的 SO2，其反应式是 CaCO3+SO2+1/2 H2CaSO41/2 H2O+CO2 CaO+S2+1/2H2CaSO31/2 H2O 湿式石灰石（石灰）石膏回收法中的烟气脱硫的全部化学反应是在吸收塔和 氧化池两部分内完成的。除尘后的锅炉烟气经过增压风机增压，通过热交换器交换 热量降温后从底部进入脱硫塔，与石灰石浆液发生反应，烟气中的 S2被吸收而生 成 H2SO3。 随后 H2S 3被离解为 H +和 HSO 3离子， 一部分 HSO3被烟气中的 O2氧化成 H2SO4， 在和循环液中 CaCO3惊醒中和反应，成为 CaSO42H2O；另一部分 HSO3在吸收塔储槽 中被空气氧化成 H2SO4，再和原料中的 CaCO3中和，形成 CaSO42H2O。净化后的烟气经 除雾器除去烟气中携带的液滴，通过热交换器升温后从烟囱排出。反应物 CaSO3进入 脱硫塔底部的浆液池，被通过氧化风机鼓入的空气强制氧化，生成 CaSO4，继而生成 石膏。为了使生成的石膏不断排除，新鲜的石灰石/石灰浆液需要连续补充，才能得 到纯度较高的石膏。 本工艺先经除尘器除去 99.5%以上的烟尘，再进行脱硫。在电除尘器后的引风机 后面引出两路烟道，一路接至脱硫系统，一路作为旁路系统，当脱硫系统发生故障 时可及时切换至旁路，保证锅炉系统的安全稳定运行。 2.2 石灰石湿法脱硫的系统组成和主要设备 石灰石湿法烟气脱硫的工艺流程主要包括石灰石浆液制备系统、烟气系统、SO2 吸收系统、石膏脱水及输送系统、排放系统、工艺和工业水系统、废水处理系统、 杂用和仪用压缩空气系统。每个系统都是一个完整的子系统,当以 PLC 作为系统主控 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 14 页 机时,每个子系统可以作为 PLC 的一个功能模块。 （1）石灰石浆液制备系统。石灰石粉从粉仓下部出来，经给料机、输粉机进入 石灰制浆池，加入工艺水控制将夜浓度为 30%的质量浓度。石灰石制浆池中的浆液经 药液输送泵送人石灰浆液储罐。石灰浆液储罐中装有搅拌器，用以防止石灰石沉淀。 石灰浆液储罐中的石灰石浆液通过药业泵送入吸收塔。石灰石浆液有一定的设计浓 度，其给料速度需根据锅炉负荷、烟气中的 SO2浓度、石灰石浆液的 pH 值确定。 石灰石制浆系统的主要设备包括石灰石储藏、制浆池搅拌泵、石灰浆液储罐、 储浆罐搅拌器、药液搅拌泵、药液泵等。 （2）烟气系统。烟气系统为脱硫运行提供烟气通道，配合烟气脱硫装置的投入 和切除，一方面，降低吸收塔入口的烟温，以满足吸收塔化学反应所需的最佳烟气 温度要求；另一方面，提高净化烟气温度，保护尾部烟道和烟囱。 在烟气进口及旁路烟道上分别设置有挡板门，脱硫装置运行时 FGD 进、出口挡 板打开，烟气通过脱硫装置；当脱硫装置发生故障或检修时，FGD 进、出口挡板门关 闭，烟气通过旁路挡板门进入烟囱，不会影响到机炉运行。 该系统还设有烟气烟气换热器（GGH） ，用 FGD 上游的热烟气来加热下游的净 烟气。当烟气通过烟气进口烟气挡板后首先进入 GGH 的吸热侧，放热降温后进入吸 收塔顶部脱硫，经脱硫后的净化烟气再经过 GGH 放热侧被加热到 90，通过引风机 经烟囱排入大气。 烟气系统的主要设备包括烟道挡板、烟气换热器、增压风机等。 （3）SO2吸收系统。SO2吸收利用石灰石浆液吸收烟气中的 SO2生成亚硫酸产物， 然后被氧化空气氧化，以石膏的形式晶体析出。吸收塔由吸收塔浆池和吸收区组成， 塔内布置有若干喷淋层，由再循环泵吧吸收塔浆池中的浆液输送至喷淋层，将夜通 过喷嘴成雾状喷出，SO2与喷淋浆液或逆流接触并与之反应。通过吸收器的经验净烟 气经位于吸收塔上部的除雾器排除。 S2吸收系统是 FGD 的核心装置，主要设备包括吸收塔、石灰石浆液循环泵、氧 化风机、除雾器等。 （4）石膏脱水及输送系统。来自吸收塔浓度比较稀的石膏浆，经排出泵送入水 里旋流器浓缩后进入皮带真空脱水机脱水成含水量小于 10%的石膏粉状晶粒， 其纯度 可达 90%以上，在经过皮带运输机存入石膏仓库。系统的主要设备包括石膏浆液排出 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 15 页 泵、石膏水泵、水力旋流器、真空皮带脱水机、石膏储藏等。 （5）排放系统。排风系统用于储存 FGD 装置大修或发生故障时由 FGD 装置排出 的浆液。事故将夜排放系统主要由事故水泵、事故浆罐、搅拌器等组成。 （6）工艺和工业水系统。工艺和工业水系统为脱硫系统提供补给、冲洗等功能 的各类用水，其主要设备包括工艺水箱、工业水箱、工艺水泵等。 （7）废水处理系统。废水处理系统处理石膏脱水系统产生的废水，以满足排放 要求。 （8） 杂用和仪用压缩空气系统。 杂用和仪用压缩空气系统为系统提供控制用气， 主要设备有空气压缩机等。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 16 页 第三章 控制方案设计 石灰石湿法烟气脱硫控制系统由石灰石浆液制备控制、烟气脱硫控制、脱硫塔 液位控制、脱硫塔压力控制、循环液控制、石膏制备回收控制等部分组成。在该系 统中，氧化池 Ph 值、脱硫塔内压力、烟气温度、增压风机压力是控制的关键参数。 火电厂烟气脱硫系统要兼顾安全和调节的功能。其安全功能要求实现系统顺序 控制、报警、故障连锁的功能；调节功能要求保证脱硫塔氧化池中的石灰浆液 pH 值 稳定，脱硫塔内液位保证在安全范围内。 反应后的石灰浆液 pH 值主要靠控制石灰石药液流量实现的 3.1 控制需求 石灰石湿法烟气脱硫控制系统既包括顺序启停功能、模拟量调节控制功能、报 警功能等系统必备的功能，又包含指示灯测试功能、pH 调节功能等特有功能。石灰 石湿法烟气脱硫控制系统需要实现的主要功能如下： 1、自动顺序启动功能 为防止设备启停冲击电网，系统需要实现顺序启动。按下启动按钮 2s 后石灰石 制浆子系统、烟气脱硫子系统和循环液处理子系统的装置设备会按规定的顺序开启。 2、安全自动停机功能 设备按一定的顺序停机能保证系统运行安全。按下停止按钮后自动按烟气挡板、 给料机、循环泵、搅拌泵的的顺序停止洗。停机公车公众提供自动清洗和自动复位 功能。 3、安全脱硫运行功能 当通入烟气条件成立时才能允许通入烟气，若不具备通入烟气的条件时无法将 烟气脱硫系统，烟气经旁路挡板直接通往烟囱。 4、系统安全保护功能 脱硫吸收塔的液位高于紧急处理值时启动事故排放系统可将吸收塔内液位维持 在正常值 5、状态监测和报警功能 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 17 页 当系统设备故障时，模拟量单数达到警报值 6、运行目标参数在线修改功能 运行人员在上位机上可以在给定范围内方便的修改吸收塔液位目标值、增压风 机压力目标值、石灰药业流量目标值等。 维护工程师可以在上位机上修改烟气进口温度、增压风机压力目标值和报警偏 差值、脱硫塔内液位报警值和紧急处理值、pH 值目标值和报警偏差值、石膏生成浓 度等在线修改。 7、自动投入除雾器和工艺水功能 脱硫系统运行时除雾器按自动一定的频率工作，当锅炉负荷变化时改变除雾器 阀门的数量。吸收塔内液位低时开启吸收塔工艺水阀，液位正常时自动关闭。 8 指示灯测试功能 系统在长期运行后，指示灯可能会出现一些故障，为了方便测定指示灯是否能 够正常使用，在程序中特别加入指示灯测试功能。 按 “灯测试”按钮，所有指示灯点亮，取消“灯测试”按钮，所有指示灯熄灭。 9、自动 pH 值控制功能 10、手动自动切换功能 烟气通入后之后系统进入手动控制，当满足一定条件后系统自动切到自动控制。 3.2 控制系统分析 3.2.1 系统架构 系统架构一般有三种， 不带上位机的单纯控制柜系统，带基于 HMI 与 PLC 直接 连接的上、下位机监控系统以及基于数据高速公路的上、下位机两层架构的可扩展 监控系统。本次毕业设计的案例采用典型的监控上位机+PLC 下位机的两层架构系 统。 火电厂烟气脱硫控制系统涉及设备多，逻辑性强。脱硫控制系统主要完成脱硫 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 18 页 过程中系统状态参数的监测和调节、相关设备的启停和连锁保护，包含启停控制、 制浆控制、风烟控制、石膏制备控制、工艺水和循环液控制、报警等控制功能。用 PLC 构成分布式控制系统的控制站，通过工业以太网和上位机连接监控上位机+PLC 下位机的两层架构系统具有自动化程度高、数据采集量大、实时性强、可靠性和 系统冗余要求高等特点。这种架构系统中，上位机用于参数设定和修改，状态参 数的在线显示，现场控制的执行者为 PLC。针对脱硫系统操作环境特点，上位机运 用施耐德 XBTGT5330 触摸屏，在 PLC 在运行过程中可以设定和修改参数，状态参 数在线显示。 图 3系统网络拓扑图 3.2.2 控制系统功能分析 火电厂烟气脱硫控制系统 PLC 控制系统的功能包括数据采集和出路、模拟量控 制、顺序控制及联锁保护三部分。 以下系统的控制直接由 FGD_PLC 的硬件实现： 烟气系统（所有设备，包括增压风机、风门挡板、热交换器等） 二氧化硫吸收系统（所有设备，包括吸收塔、除雾器、氧化风机、循环泵等） 石灰石浆液制备系统（所有设备，报了给料机、制浆池、石灰石药液输送泵等） 气力输送系统（所有设备，包括石灰储浆罐、电磁阀、药液泵等） 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 19 页 石膏脱水系统（所有设备，包括真空皮带脱水机、真空泵、滤液箱等） 排空系统 工艺水和仪用压缩空气系统 脱硫废水系统 1.模拟量控制系统 根据烟气脱硫控制系统的工艺要求，模拟量控制系统提供了以下控制功能。 （1）增压风机控制。来自锅炉侧的烟气经增压风机(BUF)增压，补偿烟气在整 个脱硫系统中的压力损失，是脱硫系统中举足轻重的设备。为了弥补引风机出力的 不足, 克服脱硫系统形成的阻力, 脱硫增压风机设计了入口压力自动调节系统或旁 路挡板前后差压自动调节系统。 （2）脱硫塔 pH 值控制。为保证 SO2的脱除率、氧化率、吸收剂利用率及防止 系统结垢，需要控制塔内 pH 值，在实际运行中主要通过控制石灰石浆液供给量来控 制 PH 值，一般随着 PH 值的增加脱硫效率也增加，但增加到一定程度，脱硫率就几 乎不再增加。因此选择合适的 PH 值，对脱硫系统运行至关重要，通常，吸收塔浆池 的 PH 值维持在 5261 之间。 （3）吸收塔液位控制。为维持 FDG 系统的水平衡，吸收塔的液位需要维持在设 定值上，吸收塔的液位通过调节进入吸收塔内的工艺水量来维持。 （4）烟气温度实际运行过程中，机组负荷变化较频繁，FGD 进口烟温也会随之 波动，对脱硫率有很大的影响。因此，对烟气温度的控制也十分重要。 2.顺序控制系统 顺序控制系统有以下功能： （1）脱硫装置启停顺序控制； （2）除雾器和吸收塔顺序控制； （3）石灰石石膏系统顺序控制； （4）石膏脱水系统顺序控制； （5）废水系统顺序控制。 3.FDG 系统的联锁保护 脱硫系统的热工保护主要有以下保护功能： （1）旁路挡板保护连锁； 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 20 页 （2）吸收塔排浆泵事故连锁； （3）吸收塔除雾器清洗保护连锁； （4）石灰石浆液事故连锁。 4 热工信号及报警 热工信号及报警均由 PLC 完成，除指示灯报警外，同时还发错音响信号。报警 项目主要包括如下内容： （1）工艺系统热工参数偏离正常； （2）热工保护项目动作及主辅机设备故障； （3）辅助系统故障； （4）热工控制设备故障。 3.2.2.1 启停控制功能实现分析 因马达启动电流远大于工作电力，启动时会对动力线路形成冲击，为了减 少冲击并且更符合工艺要求，各设备按顺序启动时，每两个设备之间启动设有 延时。 在停机或故障时， 根据工艺要求自动按进出口风门挡板、 石灰给料机、 循环泵、 搅拌泵、石膏出口阀的顺序停止系统。 3.2.2.2 石灰石浆液制备功能实现分析 在启动系统且机炉运行状况良好时启动石灰浆液制备系统，石灰浆液制备系统 主要由石灰料仓、石灰定量供给装置制浆池（消化池） 、储药罐搅拌水泵和供药水泵 组成。石灰粉料送入料仓，定时定量向制浆池中加料，消化好的浆液存于储药罐， 需要时通过供药水泵和调节阀定量供给 （氧化槽或直接打入主供水管路） ，浆液的 供给量通过 pH 值调节。 3.2.2.3 烟气通入功能实现分析 锅炉烟气进入脱硫除尘主设备下稳压室后，被一级喷淋水降温增湿，然后被相 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 21 页 对均匀地分配给过滤器，按一定角度和速度高速旋转，与过滤器壁面形成的液膜旋 切 由于气动力的作用， 极大地增强了气液固三相的接触， 从而使烟气中的烟尘和 SO2 被浆液充分捕集随着速度的衰减，吸收了有害物的液滴因凝结而下沉，在重力作用 下汇入氧化槽，较干净的烟气上升进入二级过滤器 由于同样的作用，烟气中残留的 少部分烟尘和SO2被新鲜浆液进一步充分吸收 从四个过滤器出来的洁净烟气进入上 稳压室，被脱水装置（特殊设计）去除细小雾滴 3.2.2.4 石膏制备功能实现分析 当氧化池中的浆液达到一定浓度就开始排浆，石膏浆液进入石膏浆液缓冲箱， 再用石膏浆液输送泵送往石膏旋流站， 浓缩到浓度大约 55%时送往真空皮带脱水机， 一部分废水废水旋流站，其余部分流到滤液水箱。 3.2.2.5 报警功能实现分析 火电厂烟气脱硫控制系统报警的最大特点是实现声光报警。吸收塔内的温度、 压力、液位反应后浆液 pH 值等模拟量值均从现场读取。 塔内温度小于 80，大于 180报警； 塔内液位小于-50cm，大于 50cm 报警； 塔内负压小于 1000kPa，大于 2000kPa 报警； pH 值小于 5，大于 7 报警。 3.2.2.6 模拟量控制功能实现分析 (1)吸收塔内浆液的 PH 值该值是 WFGD(湿法烟气脱硫)装置运行最重要的控制参 数之一，是影响脱硫率、氧化率、吸收剂利用率及系统结垢的主要因素之一。在实 际运行中主要通过控制石灰石浆液供给量来控制 PH 值，一般随着 PH 值的增加脱硫 效率也增加，但增加到一定程度，脱硫率就几乎不再增加。因此选择合适的 PH 值， 对脱硫系统运行至关重要，通常，吸收塔浆池的 PH 值维持在 5261 之间。 (2)增压风机入口压力 来自锅炉侧的烟气经增压风机(BUF)增压，补偿烟气 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 22 页 在整个脱硫系统中的压力损失，是脱硫系统中举足轻重的设备。进入脱硫系统的烟 气流量通过增压风机的动叶进行调节。其动叶的调整、控制不仅关系到整个脱硫系 统的稳定运行，同时也关系到整个系统是否能运行在低耗能、高效率的最佳工况。 (3)烟气温度实际运行过程中，机组负荷变化较频繁，FGD 进口烟温也会随之 波动，对脱硫率有很大的影响。因此，对烟气温度的控制也十分重要。 3.3 控制系统系统配置和 I/O 清单 整个脱硫除尘系统的运行可分为三个部分：脱硫浆液制备与输送系统烟气净化 系统循环液处理系统。其过程为：从电除尘器出来的锅炉烟气进入风洞式脱硫除尘 设备下稳压室，经高效脱硫除尘净化后至上稳压室脱水，再由风机引入烟囱实现达 标排放吸收了烟尘和 SO2的富液落入主设备下面的氧化槽曝气处理， 将其中的 CaSO3、 Ca(HSO3)2氧化成 CaSO4，再经过沉淀池沉淀分离，灰渣定期清理，上清液排入清水 池后循环使用。 设计时针对这三部分分别设计控制子系统。I/O 清单详见附录。 3.3.1 脱硫浆液制备系统 设备主要由石灰料仓 石灰定量供给装置制浆池（消化池） 储药罐搅拌水泵和 供药水泵组成石灰粉料送入料仓，定时定量向制浆池中加料 消化好的浆液存于储药 罐，需要时通过供药水泵和调节阀定量供给 （氧化槽或直接打入主供水管路） ，浆 液的供给量通过 pH 值调节在制药池中制好药后，向药液储罐输送药液，依次将各风 机、泵等开启，打开加药调节阀向脱硫塔内加入药液，当脱硫塔内溶液 PH 值大于 设定值时减小脱硫塔加药调节阀的开度减少向脱硫塔中输送药液量，当脱硫塔内溶 液 PH 值小于设定值时增加脱硫塔加药调节阀的开度增加向脱硫塔中输送药液量。 当 脱硫塔内溶液液位高时，打开调节阀排放。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 23 页 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 24 页 3.3.2 烟气净化系统 锅炉烟气进入脱硫除尘主设备下稳压室后，被一级喷淋水降温增湿，然后被相 对均匀地分配给过滤器，按一定角度和速度高速旋转，与过滤器壁面形成的液膜旋 切 由于气动力的作用， 极大地增强了气液固三相的接触， 从而使烟气中的烟尘和 SO2 被浆液充分捕集随着速度的衰减，吸收了有害物的液滴因凝结而下沉，在重力作用 下汇入氧化槽，较干净的烟气上升进入二级过滤器 由于同样的作用，烟气中残留的 少部分烟尘和SO2被新鲜浆液进一步充分吸收 从四个过滤器出来的洁净烟气进入上 稳压室，被脱水装置（特殊设计）去除细小雾滴（使烟气含水量小于 ） 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 25 页 3.3.3 循环液处理系统 主要包括曝气、沉淀、过滤、循环液输送等几个环节进入氧化槽的富液所含的 CaSO3 等粒度较细在水中悬浮，不易沉淀去除，在管路和设备中易造成结晶而堵塞 通过曝 气可使它生成 CaSO4， 曝气也使水中的 H2SO3生成 H2SO4， H2SO4与新加入的 Ca(OH)2反应 生成 CaSO4，这样氧化槽中的固体物绝大部分为 CaSO4。CaSO4经过结晶沉淀达到一定 浓度后由水泵抽出，可直接喷洒渣灰（降温） ，也可打入沉淀池经沉淀处理，沉淀物 混入渣灰，上清液由水泵打回氧化槽循环使用 氧化槽中的循环液经过曝气沉淀后， 由两路供脱硫使用： 一路直接进入主设备下稳压室， 给烟气降温增湿（一级喷淋水） ； 另一路与新鲜石灰水汇合，经调制 值后进入过滤器脱硫。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 26 页 3.4 系统配置 施耐德 M340PLC 系列产品采用模块结构，由机架（背板） 、电源、CPU、 I/O 模块、通信模块及其它专用模块组成。应用系统可以根据系统需求灵活配 置，配置完成的系统在应用中仍可以根据应用需求变化具有一定的伸缩性。 根据火电厂烟气脱硫控制系统的控制需求和控制点数，以及 M340 PLC 的主要模块及特性，进行了系统配置。 1、M340 机架 机架机架 BMX XBP 0400 BMX XBP 0600 BMX XBP 0800 BMX XBP 1200 描述4 槽机架6 槽机架8 槽机架12 槽机架 CPU 模块，离散量输入/输出模块，模拟量输入/输出模块加上计数器模块共需要 12 个槽，12 槽机架能够满足系统的需求，故选择了 BMXXBP01200 槽机架。 2、M340 处理器单元 特性特性标准标准高性能高性能 型号BMX P34 1000 BMX P34 2010 BMX P34 2020 BMX P34 2030 内置通讯口 USB 口 MOdbus USB 口 MOdbus CANOpen USB 口 MOdbus Ethemet TCP/IP USB 口 CANOpen Ethemet TCP/IP 离散量通道数5121024 模拟量通道数128256 计数通道和串口2036 内存2Mb4Mb 数据128Kb256Kb 程序指令数35Kinst70Kinst 执行 时间 布尔0.18s0.12s 浮点数1.74s1.16s 任务主任务1 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 27 页 快速任务1 事件任务3264 为了减少配置专门的通讯模块，配置 CPU 模块时需要选择一个带有 TCP/IP 通 讯口的 CPU 模块。故选择 BMXP342020 CPU 模块。 3、M340 电源 特性特性标准标准高功率高功率标准标准高功率高功率 型号BMX CPS2000BMX CPS3500 BMX CPS2010 BMX CPS3020 额定电压 100240VAC 输入 100240VAC 输入 24VDC 输入 24VDC48V DC 输入 额定电流 0.61A/115V 0.31A/240V 1.04A/115V 0.52A/240V 1A/24V 1.65A/24V 0.83A/48V 电压及频率 范围 85&264VAC 47-63Hz 85&264VDC 47-67Hz 18-31.2VDC18-62.4VDC 内置保护内置保险丝内置保险丝内置保险丝内置保险丝 输出总功率20W36W16.5W31.2W 3.3V 输出 2.5A 8.3W 4.5A 15W 2.5A 8.3W 4.5A 15W 24V 输出 0.69A 16.5W 1.3A 31.2W 0.69A 16.5W 1.3A 31.2W 24V 输出传 感器电源 0.45A 10.8W 0.9A 21.6W 最大输出功 率 （3.3V 输出 +24V 输出） 16.5W31.2W16.5W31.2W 为了实验的扩展，选择了高性能的 BMXCPS3500 电源模块。 4、M340 离散量输入 型号型号 BMX DDI 1602 BMX DDI 1603 BMX DAI 1604 BMX DAI 1602 BMX DAI