（机械设计及理论专业论文）电除尘器控制系统研究开发.pdf

捅要 随着人们对环境问题关注度的不断提高，煤的烟气除尘成为最需考虑解决的 问题之一。同时，随着计算机技术和烟气除尘技术的迅速发展以及烟气除尘过程 自动化程度要求的不断提高，利用先进的控制技术和设备对烟气除尘过程进行监 控已十分必要。必须应用先进技术，将自动化控制引入烟气除尘中。 本文首先回顾了国内外烟气除尘的历史和现状，对烟气除尘的作业原理和物 理过程进行了详细的分析，在此基础上结合烟气除尘过程中的具体作业特点，确 定了烟气除尘的控制系统方案。开发了基于$ 7 - 2 0 0p l c 的电除尘器低压控制系 统，实现了除尘过程中的振打、卸灰、灰斗加热、消防报警等的控制，基于m c s g 组态软件开发了电除尘器远程监控系统，实现了烟气处理系统的自动监控，提高 了技术管理水平，对于解决环境污染和日益严峻的能源危机具有现实意义。 关键词：烟气除尘，p l c ，m c g s ，监控系统 a b s t r a c t a m o n gm a n yo ft h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s ，d u s tr e m o v a li so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tt a s k st os o l v e w i t h t h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to f c o m p u t e ra n dc o n t r o l ， t h ed e m a n du p o nt h ea u t o m a t i o no fd u s tr e m o v a li sr i s i n ga l lt h ew h i l e a n dm a k i n g u s eo ft h ea d v a n c e dc o n t r o lt e c h n i q u ea n de q u i p m e n t st os u p e r v i s ea n dc o n t r o ld u s t r e m o v a lt r e a t m e n ti sv e r yn e c e s s a r y s o ，i n t r o d u c t i o no fa d v a n c e dt e c h n o l o g ya r e d e c i s i v ei no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fd u s tr e m o v a l t h i sa r t i c l ei l l u s t r a t e s ：f n - s t ，t h eh i s t o r ya n dd e t a i l e da n a l y s i si n t ot h e p h y s i c a l p r o c e s so fd u s tr e m o v a l ；s e c o n d ，o nt h eb a s i so ft h i sc o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e ro f d u s tr e m o v a l ，ac o n t r o lm m h o di sa c h i e v e da n das 7 - 2 0 0p l cb a s e dc o n t r o l s y s t e m u n d e rl o wv o l t a g ei sd e v d o p e df o ri t s v i b r a t i n g ，d u s t i n g ，b u c k e th e m i n ga n df n e a l a r m i n g ，e t c ；t h i r d l y , b a s e do nm c s g , ad i s t a n tm o n i t o r i n gs y s t e mi sp r o d u c e d ，t h e a u t o m a t i cm o n i t o r i n gr e a l i z e d ，t h em a n a g e m e n tl e v e li m p r o v e da n di th a sg r e a t r e a l i s t i cs i g n i f i c a n c ef o rs o l v i n ge n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n de n e r g yc r i s i s k e y w o r d s ：d u s tr e m o v a l ，p l c ，m c g s ，s u p e r v i s o r ys y s t e m n 长安大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 能源的利用是人类社会进步和发展的动力，煤炭的利用直接造就了第一次工 业革命的发生。中国是世界上最大的煤炭生产国和煤炭消费国。在我国，煤炭作 为主要的一次能源，是我国国民经济的支柱。在煤炭资源的带动下，我国的经济 得到了迅猛的发展，但是这一发展的代价却是沉重的。不可否认，煤炭在开发、 利用以及运输等过程中产生的污染，对环境造成的影响也是十分严重的，这已引 起了国人和周边国家的关注。由于煤炭等能源的使用，我国已成为世界上大气污 染最严重的国家之一。根据1 9 9 8 年国际卫生组织公布的一项报告，我国共有七 个“世界十大污染严重的城市 ，其中大多数污染均与煤炭有直接的联系【l 】。 近年来，随着全世界人们对环境问题关注度的逐步增加以及“低碳经济 ( l o w - c a r b o ne c o n o m i c ) ”概念的提出，国家将强制要求我国大中型企业的大气排 放要求也要达到欧美发达国家的排放水平，而煤的排放问题则成为了首当其冲的 需要解决的问题。中国8 5 的煤炭是通过直接燃烧使用的，主要包括火力发电、 工业锅( 窑) 炉、民用取暖和家庭炉灶等。煤炭的燃烧向空气中排放了大量的 s 0 2 、c 0 2 和烟尘，造成中国以煤烟型为主的大气污染【2 】。为治理上述污染，最 基本的就是首先除去煤燃烧后的废气中的烟尘。为达到国家规定的煤炭燃烧排放 标准，各企业必须采用高效的除尘设备，而静电除尘无疑是解决工业烟尘、粉尘 污染的有效方法。 1 2 背景及意义 我国的能源构成主要以煤炭为主，而煤炭又是一种不清洁的能源。随着我国 经济建设事业的快速发展，煤炭的消耗量与日俱增，在煤的装卸、运输传送以及 火电厂燃煤的过程中，都会产生大量的煤尘和烟气污染。据不完全统计，从火电 厂排放到大气的颗粒物一般由以下成分构成：除主要的占总排放量的8 0 - 9 0 的 a 1 2 0 3 、s i 0 2 和f e 2 0 3 外，其他非爆炸性的微量元素还包括c a 、n a 、m g 、k 、 t i 、s 等，它们的含量高于lm g g ，还含有有毒的金属元素包括s e 、a s 、c d 、 第一章绪论 h g 、n i 、p b 、c r 、s r 、b e 、v 和u 等。根据卫生部公布的相关行业标准，上述 污染物严重影响了人类的身体健康和生产的顺利进行，所以必须对含煤废气和燃 烧烟气进行净化【3 】。为了减少粉尘的排放，各火力发电站均需要配置电除尘器。 电除尘器将带静电颗粒清除，能极大的降低大气层中的烟尘量，此种设备的应用 可以显著地改善环境，降低环境污染，提高空气质量。采用静电除尘技术具有净 化效率高，耗电少，运行费用低，操作维护方便等优点，因此在煤炭工业中的推 广应用具有很大潜力1 4 1 ，【5 】。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 电除尘器的发展现状 利用静电进行除尘的原理早在公元前六世纪就已经被古希腊的哲学家撒勒 斯所发现，他发现经过摩擦的琥珀能够吸引细小物体。而利用静电除尘的历史仅 能追溯到两百年前，1 8 2 4 年，m h o h l f e l d 用莱顿瓶的电荷通过金属线将一个盛 满烟雾的玻璃瓶使烟气被净化，这是人类历史上第一次成功地进行了静电除尘。 二十世纪， o l i v e rl o d g e 、c o t t r e l l 和m o e l l e r 教授等人开始致力于将这一技术应 用于工业烟气净化中。l o d g e 教授在1 9 0 3 年获得了该专利权。1 9 0 7 年，c o t t r e l l 在捕集硫酸雾中应用了该技术。1 9 1 2 年，美国进行了一次里程碑式的创举，他 们成功地将该技术应用于水泥厂的除尘设备中，这是该技术第一真正的应用于工 业生产中。从此，电除尘器开始广泛的应用于产生粉尘较大的工业生产中：水泥 工业于三十年代开始大量采用该技术净化回转窑的烟气；五十年代，该技术推广 至冶金、建材、火力发电、化肥、造纸、石油等行业；六十年代以后，几乎所有 的工业部门均开始采用该技术川。 电除尘理论的研究始于1 9 1 1 年，s t r o n g 最先对尘粒荷电、除尘效率等的问 题开展了研究，为电除尘奠定了理论基础。1 9 2 2 年，d e u t c h 在层流假设下推导 出除尘效率的理论公式，目前该公式仍然是电除尘过程的理论基础嗍。 近几十年里，各国学者围绕电场荷电、捕集高比电阻粉尘反电晕影响以及建 立影响电除尘器性能的理论和经验在内的数学模型方面开展了大量的工作，并且 取得了重要成果。尽管电除尘理论获得了不小的进展，但仍不能满足实际的需要。 九十年代以后，电除尘器的应用进入了电气化时代，随着高电压技术、自动控制 2 长安大学硕士学位论文 技术，计算机技术、化学反应技术的发展和融通，全新的脉冲放电技术应运而生， 实现了将含氮、硫的烟气变成化肥回收，实现了废物的再一次利用，为电除尘技 术的利用提供了新的生命力【9 】。单片机、计算机智能控制系统的使用和推广使得 电除尘器工作精确、高效，操作和维护也变得十分简单。 国内方面，早在西汉末年，我国就开始有文献记载静电吸附。但真正开始将 其应用于工业生产却开始于2 0 世纪5 0 年代，该技术是从前民主德国引进，并安 装在山西大同、甘肃永登、四川江油和陕西耀县等水泥厂0 0 。 电除尘技术在工业水平和计算机技术的飞速发展的同时也得到了飞跃式的 发展。国内的相关学者对于电除尘的理论也进行了相应的研究，该技术的许多问 题正在被逐步认识，其中包括荷电粒子在湍流中的迁移问题，通过控制湍流强度 可以改善其吸收性能。通过将电流体动力学( 或称电风) 引入电除尘技术的分析 中，学者们证明了电风功率基本上等量于电晕功率，并与极间距与气压成正比； 在非均匀电晕对具有粘附力粉尘层形成的影响研究以及振打与二次扬尘的研究 等方面，我国学者也取得了可喜的进展【l o 】。 电除尘器的供电电源随着电力及电子技术的进步仍然具有很大的发展空间。 2 0 0 6 年9 月，在浙江金华召开的第11 届电除尘供电电源研讨会在高频开关电 源和三相电源等相关技术进行了大量的讨论。国内外使用经历表明它们具有很好 p 的效果，并且成功的降低了排放量。其他电源通过不断完善和改进性能得到了很 大的提升，具体的例子有大连电子所通过改进多种控制功能，从而研发出新一代 遥程监控系统。该系统可通过上位机系统实现异地监控，从而极大地提高了调试、 检修效率。【1 1 1 目前，他们正在进行一体化项目以实现柜间通讯与高速总线的传输 功能。 我国的电除尘器在机械本体、供电电源相关技术得到了飞速的提高，其中特 别是2 0 0 6 年。正因为我国的电除尘技术在很多方面均取得了十分显著的成效， 因此，电除尘器的工作性能有很大的提高。其中福建龙净、浙江菲达是很典型的 代表。另外，许多企业还开发了新的高频电源、三相电源技术；很多厂家在配套 件上进行了改造，提高了电除尘器的质量和水平。福建龙净在本体技术方面进行 了大量的研发工作，成功开发了多种电除尘器；浙江菲达在电机振动和机械振打 方面进行了大量有意义的工作，提出不同极配形式，其目的在于提高微细粉尘收 3 第一章绪论 集，并针对阴极振打针轮开发出传动装置、自转式振打锤组件、阴极连接保护套 并且在超高浓度进口槽形板、新型r s 线、螺旋线等部件和技术方面进行了大量 的再创新和改进。 我国的电除尘器在机械本体、供电电源相关技术得到了飞速的提高，其中特 别是2 0 0 6 年。正因为我国的电除尘技术在很多方面均取得了十分显著的成效， 因此，电除尘器的工作性能有很大的提高。其中福建龙净、浙江菲达是很典型的 代表。另外，许多企业还开发了新的高频电源、三相电源技术；很多厂家在配套 件上进行了改造，提高了电除尘器的质量和水平。福建龙净在本体技术方面进行 了大量的研发工作，成功开发了多种电除尘器；浙江菲达在电机振动和机械振打 方面进行了大量有意义的工作，提出不同极配形式，其目的在于提高微细粉尘收 集，并针对阴极振打针轮开发出传动装置、自转式振打锤组件、阴极连接保护套 并且在超高浓度进口槽形板、新型r s 线、螺旋线等部件和技术方面进行了大量 的再创新和改进。 随着电除尘器日益广泛的应用，电除尘器的应用给治理固体颗粒物污染带来 了希望，它也越来越受到火电厂等煤炭用户的重视，同时也对其提出了更高的要 求 6 1 。解决烟气污染必须结合生产实际对电除尘器进行升级改造。一方面，要根 据实际状况的不同，根据不同的需要，开发出不同的电除尘器。例如除一般工业 窑炉所需配套的普通电除尘器外，还要根据不同的工艺要求研制不同的电除尘 器，如湿法、移动电极式、电袋复合式、透镜式、屋顶电除尘器等；另一方面， 对电除尘器进行自动化改造升级，使用各种自动化控制硬件和软件对原有的手 动、半自动控制的电除尘器改造升级，提高电除尘器的可靠性。例如，在满足电 除尘器的一般配套的供电电源基础上，通过新增加新型微机控制可控硅调压电 源，在控制功能和精度上取得了明显的技术进步 7 1 。 随着控制技术与计算机技术的不断发展，相关控制系统不断被引进到电除尘 的实际工业项目中。电除尘器的高压供电的控制是最关键的一部分，它己经由简 单的模拟控制发展为计算机控制，并且在精度和速度方面都得到了很大的改进。 通过将多台计算机组成工业控制网络，按照管理集中和分散控制的基本原则，实 现集散控制。这些新技术的引入对于提高电除尘器设备的运行管理水平、自动化 控制程度以及除尘效率和效果等诸多方面发挥了重要的作用。同时，随着工业自 4 长安大学硕十学位论文 动化控制水平的不断提高以及操作人员素质的进一步发展，电除尘器管理与控制 系统将进一步发展与完善。 目前，在西方发达国家在电除尘的自动化程度已经相当成熟，特别是其监控 系统已经发展比较成熟。然而，在我国，电除尘监控系统的发展刚处于起步阶段， 多数应用电除尘的厂矿企业还是人工监视和操作设备。 1 3 2 组态软件发展现状 在国外，美国w o n d e r 、a r e 公司是最早开发组态化软件的公司，因此该 公司是组态软件领域的“鼻祖 。由于该公司最早推出组态软件，因此曾在国际 市场上有较高的市场占有率。澳大利亚c i t 公司是组态软件中的后起之秀。与其 他公司开发的同类型的软件相比，c 1 t 虽然在使用的方便性以及图形功能方面不 及i n t o u c h 产品，但是它在组态软件上的众多的独特性还是让该软件的使用在世 界范围内获得极大的扩展，成为该领域的后起之秀。近年来，一些国外著名硬件 或系统厂商，g e 公司开发的c i m p l i c i t y ，a b 公司开发的r s v i e w ，也推出了一 系列日趋成熟的组态软件，已经改变了过去仅为其本身硬件配套的o e m 形式或 面孔。通过加强与其他硬件产品的兼容问题，而发展成为专业化的、通用的组态 软件。这些公司也投入了大量的技术力量进行研发，如g e 有近百人研发团队， 他们已将其c i m p l i c i t y 开发成为通用组态软件产品，并且加强了服务器、网络冗 余、管理层方面的功能，这一改变立即适应了潮流，在国际市场上也争取到了一 定的市场份额1 2 1 。 在国外组态软件的冲击下，我们国家国产的组态软件产品也取得了极大的发 展，正在成为市场上的一支强有力的生力军。像先后出现的组态王、s y n a l l 、 m c g s 、虎翼、力控等等，都是国内具有一定影响力的产品。同时，国内的一些 高校，研究所，公司等抱着极大的兴趣积极投入到组态软件的研究开发中，这也 必将推动我国组态软件的飞速发展。在这些研发团队中，m c g s 组态软件的思想 是比较独特的，有很多特殊的概念和使用方式特别适合可编程控制器p l c 的组 态化应用。 在国内，北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的监视与控制通用系统 ( m o n i t o ra n dc o n t r o lg e n e r a t e ds y s t e m ，以下简称“m c g s ”) 是这方面的先驱者。 5 第一章绪论 它是一套基于w i n d o w s 平台，可用来实现快速构造和生成上位机监控系统的组 态软件系统。它的主要的功能是实现现场作业数据的采集、监测以及对相关数据 进行分析、处理，并根据控制要求对作业过程进行控制等，可广泛运行于w i n d o w s 9 5 、w i n d o w s9 8 、w i n d o w sm e 、w i n d o w s2 0 0 0 、w i n d o w sx p 等操作系统。m c g s 软件系统由两个部分组成：组态环境和运行环境。从功能上来说，组态环境可以 看做是一套完整的工具软件，用户利用它可以根据自己实际控制要求设计和开发 要实现自己既定要求的控制应用系统，而系统的运算结果、控制指令可以通过一 个数据库文件对外进行输出，即组态结果数据库。m c g s 的运行环境也是一个独 立运行的系统，它接收组态结构数据库中的运算结果，按照组态结果数据库中用 户指定的方式进行各种处理和控制，完成用户组态设计的目标和功能。 和其他工业控制软件的发展历程一样，组态软件也在向着大型化和小型化两 个极端发展。随着计算机软件的发展，工业控制对组态化软件的功能要求是越来 越多，这就推动工业组态软件越来越向大型化，复杂化的方向发展。各种成熟的 商用软件技术也逐渐被运用到了组态软件的开发上，比如高级动画技术、分布式 运算以及大型数据库技术等相近的商用软件技术在组态软件上的应用。同时，组 态软件也渐渐有了开始向分布式、网络化的方向发展的趋势。例如，组态软件支 持直接远程访问功能，目前这已成为组态软件的一个基本要求。但是，由于工控 软件对可靠性要求的门槛较高，相对而言其技术应用比商用软件就显得滞后不 少。组态软件的小型化发展主要还是为了满足嵌入式计算机的应用。需要注意区 分的是，组态软件的小型化并不意味着其功能的弱化，恰恰相反，组态软件的小 型化对组态软件的开发提出了更高的要求。 总的来看，从1 9 9 9 年开始我国组态软件的发展就进入了一个快速增长的黄 金时期。经过近十年的发展，尽管各家组态软件开发公司相互之间存在着一定的 差距，但还没有哪一家公司能够在此领域达到事实上的垄断地位，各公司之间的 竞争还是处于相对公平的环境下，属于良性竞争。这跟其他行业比起来，组态软 件的市场竞争相对来说还是较小的，市场发展的空间比较大，通过良性竞争，各 组态软件公司共同进步，推动我国工业控制的发展。组态软件的市场竞争对客户 是个好消息，这无疑增加了客户对产品的选择的机会，客户也就更容易寻找到技 术领先的、性价比高且服务周到的产品和供应商。因此可以说，组态软件在中国 6 长安大学硕士学位论文 的推广使用，对我们来说绝对是一件大好事。它将促使我国工业自动控制技术的 发展不断迈上新的台阶，有利于在我国造就一支行业内的高技术队伍，有利于缩 短我国与发达国家在自动化控制领域的差距。 1 3 3 电除尘自动控制分类 目前的电除尘自动控制系统大致可以分为三种类型：1 继电器控制，2 基于 p l c 的电除尘控制，3 基于现场总线的电除尘控制。 1 3 3 1 继电器控制 由于对除尘的要求非常高，除尘器的设计也十分的复杂，对除尘器的每一 个作业过程的要求都有很高的要求，所以要求继电器控制的性能要求要能满足 设计的需要。继电器控制装置在过去的几十年里作为主要的工业控制装置，自 有它的优点。概括的说主要有这几个方面：首先，继电器控制的动作较为敏捷， 可以在非常短的时间里启动或者断开某条控制线路，实现控制行为的快速动作； 其次，继电器控制系统的成本较低，不论是对生产厂家还是客户来说都是好事。 对生产厂家来说，可以降低制造成本，使产品在行业里具有很好的竞争力；对 客户来说可以降低生产成本，获得更大的利润；再次，继电气控制系统的抗干 扰能力比较强，它不受周围环境中其他地磁产品或通电导线的影响，并且当继 电器系统出现故障时，工作人员能很快的辨识出故障地，拆下发生故障的继电 器，换上新的就可以使系统重新工作。因此对工作人员来说系统的故障维修非 常的方便，这也是继电器装置应用范围广的一个原因；最后，由于继电器本身 的特点，继电器控制不仅可以应用于工业生产的自动控制过程中，而且根据它 本身的特点，它还能满足一些特殊的控制要求，比如大容量远距离的控制等。 继电器控制的也有较为明显的缺点：从继电器的本质出发，继电器就是一 个电控制的起到接通或断开电路的一个装置，每一个继电器都是相互独立的控 制元件，因此，要想实现较为复杂的逻辑控制的话，只能通过改变继电器间的 不同联系来实现用户所要求的控制要求，因此它最大的缺点就是通用性差，每 一个控制系统都是独特的，对于每一个控制要求都要专门设计其控制系统；其 次，随着控制系统控制要求的提高，系统所用继电器数量也急剧的增加，这将 导致整个控制系统的体积十分庞大，系统的运用成本也将相应提高；再次，继 电器工作会产生很大的噪声，操作人员的作业环境较差，容易造成操作人员听 7 第一章绪论 觉疲劳，引发生产事故；最后，由于继电器本身的特点，继电器控制系统的运 行不是很稳定，系统的可靠性较差。 1 3 3 2 基于p l c 的电除尘控制 p l c 控制系统的出现基本解决了继电器控制系统存在的问题。p l c 是一种 以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，它综合了计算机技术、自动 控制技术以及通信技术，是最新发展起来的工业自动化装置，是专门设计用于工 业环境中的控制的。它运用其内部存储程序执行逻辑运算，实现顺序控制、定时、 计数与算术操作等功能。它是一种采用可编程的存储器、面向用户的指令，并通 过数字信号或模拟信号控制各种类型的机械。利用p l c 进行逻辑控制，它可以 实现继电器控制的所有功能，而且还能实现比继电器更为复杂的控制，同时操作 十分简单，例如开关量逻辑控制，数据处理，通信联网，运动控制以及机器人控 制等方面，因此如今基于p l c 的工业控制方法在国内外各行各业都已被广泛应 用开来。 由于p l c 具有可联网的功能，因此可以通过通信处理单元或者通信转换单 元将它跟计算机联系起来构成网络，实现信息的实时在线交换，构成“集中管理、 分散控制”的多级分布式控制系统，满足从单个机械的自动化控制到一条或几条 生产线的自动化控制，甚至是整个工厂工业生产控制的自动化。由于可编程序控 制器及其相关的一些设备都比较容易于跟工业控制系统形成一个整体、易于对其 功能进行扩充的优点，因此已经成为当代工业自动化过程中必不可少的装置之 一。可编程控制器的优点归纳起来就是：性能稳定可靠，抗干扰能力强；编程简 单、一般人员稍作学习就可使用，使用方便；控制器的安装、调试工作量少等等， 所以在工业过程控制中被广泛使用。但它还有自身的缺点：( 1 ) 当前的可编程控 制器p l c 多为现场控制，编程人员将控制程序编写完毕写入控制器后，控制器 就按程序控制作业，但不支持对程序进行及时修改，人机交互性较差，不便于管 理人员了解现场突发状况，对控制过程进行修改和改变；( 2 ) p l c 没有自带的存 储设备，不能将相关历史数据进行记录，因此不能为人们提供相关的有价值的可 参考的资料。 1 3 3 3 基于现场总线的电除尘控制 随着人们对环境保护的要求的不断提高，对电除尘技术除尘要求的不断提 8 长安大学硕士学位论文 高，自然而然的，我们需要更高要求的、更好的控制系统，随着现场总线技术 被应用到电除尘系统中，现在的电除尘控制系统可以实现对整个系统的实时动 态的监控，使系统达到自动控制、自动操作的功能，实现了现代生产所要求的 集中管理、分散控制、数据共享等要求，同时也大大提高了系统运行的稳定性 和可靠性。在欧美等西方发达国家；一些城市火电厂通过将现场总线技术运用 到电除尘装置的控制系统中，实现生产过程的数据记录以及设备运行过程控制， 甚至有的生产过称已经实现全自动化无人值守控制模式，极大的减轻了工人的 劳动强度，根据实际生产的效果来看，控制的效果还是比较理想的。 对高压供电的控制是电除尘器控制自动化的关键，目前的电除尘器高压供 电装置的控制基本上是由计算机来控制完成的，从控制的精度和速度方面来讲， 控制系统的效果已经十分完善了。随着将计算机网络技术应用到电除尘器的控 制系统中，可以通过计算机网络技术将设在指控中心的计算机主机和各个现场 计算机联系起来，计算机主机通过现场计算机收集现场数据，将收集的现场数 据经过分析处理，为操作人员提供现场情况的图表显示、曲线显示、各设备动 作记录以及设备故障报警等信息。同时，当现场电子自动控制系统发生故障时， 每一个自动控制过程都可由手动控制来完成。 一国内火电厂的除尘装置的控制基本上还处于起步阶段，仅有少数几家企业 在电除尘器集散控制系统方面有所成果并已应用到实际的生产控制过程中，但 大多数产品功能都是集成自国外产品，自主研发的产品很少。 本文将两种技术结合起来，运用p l c 对电除尘器进行自动化控制，简化操 作简单。 1 4 主要研究内容 本本文将p l c 技术应用于电除尘控制系统中，主要实现如下功能： 1 ) 、在对电除尘器工作原理进行分析的基础上，完成了控制系统的方案设计。 劲、开发了基于$ 7 - 2 0 0 p l c 的电除尘器低压控制系统，实现了除尘过程中 的振打、卸灰、灰斗加热、消防报警等的控制，并得到了应用。 3 ) 、设计电除尘器远程监控系统的监控界面，主要实现两个方面的功能：1 实 现对电除尘器主要工作参数和设备工作状态的有关参数的采集和监控；2 实现 9 第一章绪论 电除尘器生产过程的自动化，并在紧急情况时实现自动消防报警功能。 1 5 技术路线 本文利用m c g s 实现以p l c 控制的电除尘过程组态化控制，实现电除尘器 工作的自动化。首先，需要对电除尘的工作原理和物理过程进行分析，建立数值 模型；其次，建立电除尘器控制系统控制结构，选择合适的通讯方式进行组网。 再次，研究电除尘过程各部分基于p l c 的过程控制；最后，应用m c g s 对整个 系统进行组网，实现现场作业情况的信号采集，图形显示，作业控制以及紧急情 况时的自动报警等功能。 1 0 长安大学硕士学位论文 第二章电除尘器控制系统方案研究 2 1 电除尘器组成及工作原理 2 1 1 电除尘器组成及分类 2 111 电除尘器的组成 电除尘器主要由电晕极，沉淀极，振打装置，气体均布装置，电除尘的壳体， 保温箱，排灰装置以及高压整流装置等组成。电晕极和集尘机为它的主要工作装 置。一般情况下，电晕极，沉淀极，振打装置，气体均布装置，保温箱，排灰装 置等都是由除尘器壳体包裹，所以电除尘器也可分为本体和供电系统两部分。由 于本体部分长期承受周期性打击，因此电除尘器的本体结构采用的是钢结构，全 部由型钢焊接而成。外表面使用薄钢板对其进行覆盖蒙皮，起到保护和保温的作 用【1 8 】。供电电源由升压变压器、整流器和控制装置三个部分组成。升压变压器和 整流器又可称之为高压供电系统，控制装置又称为低压控制系统。升压变压器的 作用是将工业或家庭电源( 交流电压为3 8 0 v 或2 2 0 v ) 调压到电除尘器所需要的高 电压( 一般为5 0 6 2 k v ) ；整流器的作用是对交流电进行整流，将交流电变换成成 直流电；控制装置的作用是维持工作电压，将工作电压始终保持在击穿电压情况 下，为除尘器的高效稳定工作提供必要的保证。 潮i 誊管 承冷曩 图2 - 1 电除尘器装置工艺示意图 l l 第二章电除尘器控制系统方案研究 艇供懒i l i 图2 - 2 电除尘系统组成示意图 升压变压器将工频3 8 0 v 交流电升到6 0 k v 或更高的电压，然后经整流器将 交流电整流成为高压直流电。输出的负高压通过阻尼电阻与本体的电晕极相连， 其中阻尼电阻可缓冲瞬时火花放电电流，并起到抑制高频分量的作用。高压供电 控制系统采用的是可控硅调压装置。可控硅调压自动控制器的作用是调节可控硅 的导通角，使输入的交流电源电压发生变化，硅整流变压器的一侧输入电压改变 后，输出的直流高压也随之改变。自动指控回路以给定和反馈信号为调压的基准 量来自动调节可控硅的导通角，是高压电源输出的电压跟踪电场工况条件变化， 以达到自动调节电压的目的，同时自动控制回路还具有保护功能，在高压供电机 组或电场发生短路、开路、过流、偏激磁、拉弧等状况时，对供电机组进行封锁 和保护【1 5 1 。 2 1 1 2 电除尘器分类 电除尘器的分类方法很多，按照不同的分类方法可以分成不同的类型。表 2 1 给出了一些不同分类方法下的分类结果。 表2 - l 电除尘器的不同分类方法及结果 分类标准分类结果 集尘极静电除尘器、管式除尘器 内部荷电区和分离区的布置卧式电除尘器、立式电除尘器 结构形式和电压 布袋式除尘器，袋式除尘器、脉冲布袋除尘器、 电袋复合除尘器 2 1 2 电除尘器工作原理 电除尘器的工作原理就是利用了物理学中互异的正负电荷相互吸引的原理 1 2 长安大学硕士学位论文 将烟气中的尘粒除去，尽最大可能降低排入大气层中的烟气中的含尘量。即通过 一定的方法让烟气中的固体烟尘颗粒带上一定量的电荷，同时让收集烟尘颗粒的 集灰板上带上相异的电荷，通过一定的方式让带电的烟尘通过集灰板，通过电荷 之间的异性相吸，即可实现烟气中固体颗粒的定向收集，从而达到清除烟气中固 体颗粒的目的。 为了进一步提高电除尘器的利用效率，有人将电除尘器收集的烟灰进行收 集，通过一定的工艺制作成肥料加以使用，提高电除尘器的利用率，也提高了它 的经济效率，此举为电除尘器的广泛应用注入了新的生命力。总而言之，电除尘 器在改善环境污染和提高空气质量方面具有不可替代的作用。 电除尘器的基本工作过程包括气体的电离和尘粒的捕集两个过程，下面对其 分别进行阐述。 2 1 2 1 气体的电离 气体在正常情况下一般是中性的，气体中不存在自发的离子。当气体分子获 得一定的能量后，就会分解成电子，正离子和负离子，从而使得气体由中性变成 具有导电特性的介质，这一过程就称之为气体的电离。气体的电离分为自发性电 离和非自发性电离两种情况。非自发性电离是在外界能量的作用下发生的气体电 离。非自发性电离在外加能量停止后，气体中的电荷也就随之消失了。自发性电 离是在气体上外加高压电场，气体就会发生自发性电离。 将烟尘置于高压电场中，在电场的作用下，自由离子要向两极移动，移动的 速度取决于电势差，电势差越大，离子的运动速度也就越快。因此，在上述离子 的运动下将会形成极间电流。随着电场两级间电压的加强，放电极附近的离子获 得的能量和速度逐渐增大，当电压达到一定值时，放电极附近的离子撞击空气中 的中性原子而使其分解成为带电的正、负离子，此时电场中的气体发生电离现象。 2 1 2 2 电晕放电 在电晕极和除尘极施加一合适电压时，处于电场中的带电离子就会在电场 力的作用下向两极运动，从而形成电流。随着施加于两极的电压的进一步加大， 分解的电子加速运动，与气体分子发生碰撞，使气体分子分解成正、负离子，这 第二章电除尘器控制系统方案研究 样使电离过程进一步加强，生成更多的正、负离子，这就是自发性的电离导电过 程。当气体中参加碰撞的电子增加到一定程度，电子会发生雪崩式增长，正离子 加速向阴极移动，与阴极发生碰撞，使其释放出更多的电子。这样，会在电晕极 附近的狭小区域发生激烈的碰撞电离，可以看到淡蓝色光环并且可以听到轻微的 爆裂声，这就是电离放电。 2 1 2 3 起始电晕电压 对电除尘器施加电压，电压数值从零开始慢慢增长。开始时，由于电压过 低，回路中没有电流，当电压增加到一定数值后，回路中开始有电流出现，说明 电晕线周围的气体已经开始出现电离。这是使气体开始电离的电压称之为起始电 晕电压。要使气体发生电离，对电除尘器施加的电压必须高于起始电晕电压。不 同的电除尘器的起始点晕电压是不同的，这取决于电除尘器的几何尺寸及气体的 性质【1 3 1 。 2 1 2 4 电压一电流关系( 伏安特性) 电除尘的除尘效率主要取决于电场强度的大小，而电场强度大小与电极之 间的电晕电压和通过电极的电晕电流有关。这种关系称之为伏安特性。电除尘器 极板的伏安特性受很多因素的影响，比如气体成分、气体温度和压力、电极的几 何形状、电压波形、电极上的粉尘层、粉尘的比电阻等【1 4 1 。 ， m 抽 抛柏 e 艚 图2 - 3 伏安特性曲线图 1 4 长安大学硕士学位论文 2 125 粉尘粒荷电 尘粒荷电是电除尘的前提。电除尘器中，尘粒的荷电量与尘粒的直径、比 电阻、电场强度以及尘粒在电场中的停留时间等因素有关。尘粒荷电如图2 4 。 尘粒的荷电机理有两种：电场荷电、扩散荷电。其中，电场荷电是最主要的方法。 粉尘未被荷电粉尘部分荷电粉尘饱和荷电 图2 - 4 粉尘荷电图 电场荷电就是离子在电场中按照电力线的方向作定向移动，与电场中的尘 粒发生碰撞，从而在其表面附上负电荷。之后，在集尘板正极电荷的吸附作用下 向集尘板运动，达到除尘的目的。粉尘吸附如图2 - 5 所示。 2 126 荷电粉尘的捕集 受【i 如上所述，在电场的作用下使烟尘成功带电后，通过引导使带电烟尘进入 设置了多层阴极板的电除尘器通道。在电场力的作用下，这些带电烟尘在电场力 的作用下向电极的集尘极运动。调整电场长度和电场速度，使其处于合适的数值 时，大多数的尘粒最后将会堆积在集尘极上。集尘极可以采用板式和管式两种。 板式集尘器可有多条长形板安装在一个悬挂架上组成；管式集尘器有圆形和六角 形等。图2 - 6 给出了上述电除尘的基本过程【”】。 1 5 第二章电除尘器控制系统方案研究 ： ( aj 4 - ) 集尘板 2 127 振打清灰 a ) 曩尘槿t + 图2 - 6 电除尘器的原理简图 在电场力作用下收集到集灰板上的粉尘颗粒经过一段时间的积累就会形成 一定厚度的粉尘层。如果不对其及时进行清除，就会影响除尘器的除尘效率，同 时还会引起二次扬尘，所以工业除尘器中一般都设有振打装置，定时对集灰板进 行敲打，将集灰板上的灰尘震落。 2 1 2 8 电除尘的基本过程 综上所述，电除尘器的过程可以描述如下：首先，在烟尘通过电除尘器主体 结构前的烟道时，通过使用外加电场等方式使通过烟道的烟尘充分荷电；然后， 将带电的烟尘中的颗粒导入设置了多层阴极板的电除尘器通道，带电烟尘在通道 中电场力的作用下向电极移动，在阴极电板的吸附作用下使烟气中的带电烟尘颗 粒吸附在阴极上。通过设置振打设备定时击打阴极板，使积聚在阴极板上的一定 厚度的烟尘在自重和振打的作用下跌落到灰斗中，然后周而复始的工作，实现烟 1 6 长安大学硕士学位论文 尘中的颗粒物的收集清除。 2 2 数学模型分析 从电除尘器的概念被提出来到如今的被广泛应用于工业生产中，人们对电 除尘器的数学模型的研究从来都没有停止过。电除尘器的数学模型是设计、分析 和研究电除尘器的一种重要辅助手段。本文研究中假设含尘气体在电除尘器内作 层流运动而非湍流运动。模型的研究中，最关心的有两个问题，分别是粒子的驱 进速度和电除尘效率。在这样最简单的理论假设下，便能够对电除尘过程形成最 直观的理解。在此，主要对烟气中带电尘粒进行受力分析和运动学分析，获得电 除尘器内部粒子的运动规律以及带电尘粒捕集的规律。 电除尘器的数学模型是以烟气中的典型带电颗粒物为对象建立的。由于烟气 中的尘粒的质量一般很小，因此在建立模型时一般忽略尘粒重力的影响。在此假 设下，荷电后的尘粒在电场内主要受到以下两个力的影响：静电力和空气阻力。 在此基础上，下面对尘粒进行运动学和力学分析。 ，嘏 实际中电除尘器的效果所受的影响因素很多。有些因素是不可测也不可控 的，而有些是可测但是不可控的，这些因素都对分析研究除尘过程的对象特性， 建立除尘过程的数学模型带来了很大困难。实际经验表明：电除尘器的除尘效率 与粉尘属性、电场的强度、气流的速度、气体的固有性质以及电除尘器的结构等 因素有关，因此如果要从理论上推导出实际的除尘效率是相当困难的。在本文的 分析中，为获取除尘效率，做了如下假设1 8 】： ( 1 ) 本文仅考虑二维流动，假设电除尘器横断面上有两个区域，集尘极附近 为层流边界层，整个断面为紊流运动； ( 2 ) 烟气中的尘粒在整个横断面上的浓度分布是均匀的； ( 3 ) 尘粒在边界层上具有垂直于壁面的分速度； ( 4 ) 计算中忽略电场和气流分布等因素的影响。 根据上述假设及物理学相关知识可知：烟尘中荷电尘粒在强度为b 的电场 中所受到的电场力为： f=qes(2-1) 式中：f 荷电尘粒受到的电场力； 1 7 第二章 电除尘器控制系统方案研究 q 荷电尘粒携带的电荷量； 弓电场强度。 根据流体力学的有关知识，尘粒与气流在横向的相对运动速度为国时，尘粒 受到的空气阻力为： p=3ntdc缈(2-2) 由式2 - 2 可知，空气阻力主要受尘粒跟气流的相对运动的速度影响。 当上述两个力平衡时尘粒的运动速度为驱进速度。当静电力跟尘粒所受到的 空气阻力相等时，尘粒所受到的各外力的和将等于零，根据物理学基本定理，此 时尘粒将作匀速运动。将式2 - 1 代入式2 - 2 中，尘粒在力平衡时的速度如下式所 示： ( - 0 ：型王 ( 2 - 3 ) = 上 【2 - 3 ) 3 n a d c 另外，根据相关研究结论，电量值由以下公式求得： 州砜c 鲁，等量 c 2 4 ， 将式2 4 代入式2 - 3 中，驱进速度可以写成如下形式： 国：d c e 2 ( 2 - 5 ) ( s 。+ 2 ) 式中：岛一真空介电常数， 0 烟气介电常数， 一烟气粘度， 吐一粉尘颗粒直径， e _ 供电能量，e ：k u l 。 1 8 长安大学硕士学位论文 y 1 目 尘气 图2 - 7 电除尘效率分析模型图 如图2 _ 7 所示，假定气体和尘粒在水平方向上的流速均为v ；在气流运动的 方向上，单位长度聚集的尘粒量为口；在除尘器内任选一断面，在该断面上的气 体的尘粒浓度为y ；在气流运动方向上，除尘器的截面积为f ，电场长度为1 。 依据以上假设，则在d f 时间内，在出空间捕集到的尘粒量d m 为【1 8 】： d m = c t c o y d r d x = f d x d y ( 2 - 6 ) 对式2 - - 6 求解，可得除尘效率r 为： a r = l eq (2-7) 一一脚 式中：刁一除尘效率； a 一沉淀极板的面积； q 一被处理的烟气量； 国一粉尘趋进速度。 从式2 - 7 可知，粉尘量和沉淀极板的面积一定的情况下，电除尘器的除尘效 率与趋进速度成正比，增大趋进速度可以提高除尘效率。 从式2 - 5 可知，粉尘在电场中的趋进速度与电场强度的平方成正比关系，增 加操作电压，也可以提高除尘效率。但是随着操作电压的提高，火花放电次数也 会迅速增加，火花放电现象将导致平均电压下降，从而导致除尘效率反而降低， 因此电除尘的操作电压不可能无限制的提高。此外，除尘效率还会随操作电压的 增加按负指数曲线上升，当操作电压增加到某一值后，除尘效率增加的就非常缓 慢了，因此这时再通过增加操作电压的方式来提高除尘效率在经济上考虑不可 取。 电除尘器高压电源的总的消耗效率等于各电场高压电源消耗功率之和。高压 1 9 第二章电除尘器控制系统方案研究 电源总消耗功率和总的除尘效率可以用式2 - 8 、2 - 9 来表示： 焉= e = u ；( 2 - 8 ) 他= 1 - 兀( 1 - r ；) ( 2 - 9 ) 由2 - 8 、2 - 9 可知，不同电场的功率变化对电除尘器总除尘效率的影响是不同 的，如式2 1 0 、2 一1 1 ， 鬻= 鬻警= i 州i - r h 警 协 象哦= k , d p , ( 2 - 从式2 1 0 、2 一1 1 中可知，每个电场的功率对除尘功率的贡献是不同的。 与 自身功率有关。由此，可以通过给定不同系数来调节不同电场之间的功率分配来 实现电除尘器除尘效率的最大化。 在进行除尘效率计算公式推导的过程中虽然进行了很多的假设，但还是抓住 了电除尘器工作的关键因素，对电除尘器的设计和使用仍然具有重要的指导意 义。 为了提高除尘效率，在下一章中，本文主要研究对电除尘器进行自动化控制。 对电除尘器本体的控制，主要是通过控制除尘体的荷电量，达到控制带电尘粒的 速度，从而控制清除烟尘中颗粒物的速度。但是，并不是清除的速度越快越好， 速度过快，将会影响清除的效果。振打频率的控制则要根据除尘速度和除尘器长 度选择合适的振打频率，要保证除尘速度和除尘器长度的比值在合理的范围，从 而提高电除尘器的除尘效率。 2 3 控制系统方案 控制系统分为高压控制和低压控制，本文只完成低压控制部分。本文采用 p l c 对电除尘装置的各部件动作进行控制，实现电除尘器各部分协同作业，高效 完成除尘任务。采用工控机实现对现场p l c 控制器的监控和控制。本节主要研 究了电除尘器监控系统的结构以及现场控制器p l c 与监控计算机通信的实现方 式。 长安大学硕士学位论文 2 3 1 设计思想 现场控制器设置在电除尘器设备现场，通过采集点传感器采集电压、电流、 风机风力、风向、除尘室温度、振打力度、振打时间、卸灰料位等信号，并输入 到控制系统与设定值进行比较，然后根据比较指令发出调控指令，实现对振打、 风机、卸灰的调控。同时，可以完成数据采集、处理、显示、报警以及监控等功 能。 2 3 2 系统组成及主要功能 控制系统按功能划分可以分为三级网络结构：监控级、控制层级和现场设 备级。如下图2 - 8 。 图2 -