（电力电子与电力传动专业论文）流光放电等离子体烟气脱硫监控系统的研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 它们分别是监控子节点的软硬件设计、系统通信程序的设 计、监控系统适配卡的设计和系统监控界面的开发。 监控子节点以单片机8 0 c 1 9 6 k c 为核心，实现模拟信 号的采集、控制信号的输出、c a n 总线通信等功能，并 能够按照p i 算法对电源电压以及氨硫比进行准确控制。 通讯系统则采用s j a l 0 0 0 与p c a 8 2 c 2 5 0 作为c a n 通信接口电路。利用c a n 总线在支持网络多主通信、保 证通信的实时性方面的独特优势，编写监控系统各节点间 报文发送、接收和报警等通讯程序。 提出以新型u s b 接口作为监控系统适配卡与上位p c 机的接口，连接简单方便，数据传输快速灵活。文中使用 p d i u s b d l 2 作为u s b 接口芯片，详细讨论了u s b 接口 电路的硬件设计和固件编程。 系统监控界面采用v i s u a lc + + 6 o 作为主要开发工 具，以面向对象的程序设计为开发思想。此种方法能够在 w i n d o w s 操作系统下设计出画砸精美而功能强大的用户 界面。 中试试验结果表明，该监控系统的设计是成功的，为 流光放电等离子体烟气脱硫监控系统的研究 大型工业过程监控系统的开发提供了较好的解决方案，为 脱硫系统的工业化应用打下基础。 关键词：烟气脱硫，监控系统，集散控制，c a n ，u s b ， 界面 t h er e s e a r c ho f s t r e a m e rd i s c h a r g ep l a s m af l u eg a s d e s u l f u r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t a c j dr a i nt h a ti sc a u s e db ys u l 如ro x i d ea n dn j t r o g e n o x i d e d i s c h a r g e db y h u m a na n dn a t u r eh a s b e e n e n d a n g e r i n gm o s to fc i t i e so fo u rc o u n t r y ，a n dd o i n gal o t o fd a m a g eo fe c 蚰o m y 1 oa c h i e v et h e p o n n t ec o n t m l 蝴 流光放电等离子体烟气脱硫监控系统的研究 大型工业过程监控系统的开发提供了较好的解决方案，为 脱硫系统的工业化应用打下基础。 关键词：烟气脱硫，监控系统，集散控制，c a n ，u s b ， 界面 t h er e s e a r c ho f s t r e a m e rd i s c h a r g ep l a s m af l u eg a s d e s u l f u r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t a c i dr a i nt h a ti sc a u s e db ys u i f h ro x i d ea n d n i t r o g e n o x i d e d i s c h a i g e db yh u m a na n dn a t u r eh a sb e e n e n d a n g e r i n gm o s to fc i t i e so fo u rc o u n t r y ，a n dd o j n gal o t o fd a m a g eo fe c o n o m y t l oa c h i e v et h ep o h u t ec o n t i 田l m 北京交通大学硕士学位论文 o b j e c t i v e o f a c i dr a i na n ds 0 2 ， q u j c i i yr e s e a r c h j n g ， d e v e l o p i n g ，p o p h i a r j z i n g a n d a p p l y i n g d e s u i f b r a t i o n t e c h n o i o g y a n dd e v i c ei st h e l 【e yp o i n t s h e a m e r d i s c h a r g ep i a s m a n u e g a s d e s u i f h r a t i o n ( f g d ) t e c h n o l o g yi s an e wd e s u l 氯口r a t i o nt e c h n o l o g yo fl a i g e i n d u s t r ya p p l y i n gf b r e g i o u n d ， a n d i m p o r t a n t t o e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o no fo u rc o u n t r y t b g u a r a n t e e t h ed e s u i f h r a t i o n s y s t e mr u n n i n g s a f b i y ，e c o n o m i c a i ，s t a b l ya n de f 矗c i e n t i y ，t h es t u d yo n m o n i t o r i n gs y s t e m ，w h i c hj sa ni n d i s p e n s a b l ep a r ti nt h e w h o l ep r o c e s s ，i su r g e n t t h e r e f b r e ，t h ep a p e ri n v o i v e s t h ei e s e a r c ho fm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nd i s t r i b u t e d c o n t m i ，a n d 岫eh a r d w a n - s o l t w a nd e s j 明o fm o n i t o r i n g s y s t e mi sf o c a - p o i n t f i r s u y ，a c c o r d j n gt od e v e i o p j n gs t a t u sa n dm a i n a f 托c tf a c t o ro f i n d u s t r i a i - p r o c e s sm o n j t o r i n gs y s t e m ， d i s t r i b u t e dc 佃t m is y s t e m ( d c s ) b a s e do nc a nb u si s e s t a b i i s h e d t h ew h o l ed e s i g w o r ki sc o n s i s to ff b u rp a r t ， l v t h a ta r eh a r d w a r e - s o f t w a r ed e s i g no fm o n i t o r i n g s u b - n o d e s ，c o m m u n i c a t i o np r o c e d u r ed e s i g no fs y s t e m ， c a na d a p t i v ec a r dd e s i g nb a s e do nu s b ，m o n i t o r i n g j n t e r f a c ed e v e i o p m e n to fs y s t e m t h em o n i t o r i n gs u b - n o d e s ，t h ek e r n e lo fw h i c hi s s c m8 0 c 1 9 6 k c ，c a n a c c o m p l i s ha n a i o gs i g n a i s c o e c t i o n ， c o n t r o - s i g n a l so u t p u t ， c a nb u s c o m m u n i c a t i o ne t c f u r 哳e r m o r e ，t h e ya l s oc a nn i c e t y c o n t r o l p o w e rv o n a g e a n da m m o n i a - s u l f u r阳o a c c o r d i n gt op ia r i t h m e t i c c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ， w h i c hi sm a d eu po f s j a l 0 0 0 a n d p c a 8 2 c 2 5 0 ， t a k e a d v a n t a g e o f m u h i - c o m m u i c a t i n ga n dr e a lt i m ec o m m u n j c a t i n go f c a nb u s ，a n di sc o m p o s e do fm e s s a g es e n d i n g ，种c e i v i n g ， a n da l a r m i n gp r o c e d u r eb e t w e e ns u b - n o d e s t h en o v e iu s bi n t e r f h c eu s e df o ra d a p t i v ec a r d c o n n e c 6 n gt om o n i t o r i n gp ci sd e v e l o p e d s i m p l ya n d c o n v e n i e n n yc o n n e c t i n gi sg o t t e n ，a n dd a t at r a n s f e ri s v 北京交通大学硕士学位论文 f a t h e ra n dn e x m l e p d i u s b d l 2i su s e df o ru s bi n t e r f a c e c h i p h a r d w a 北d e s i g na n df i r e w a 地p m g r a mo fu s b i n t e r 置备c ea r ed e t a i ls t a t e di nt h ep a p e l m o n i t o r i n gi n t e r f a c e o fs y s t e mi sp 珊g r a m m e dw i t h v i s u a lc + + 6 ou n d e rt h eo o pd e v e l o p j n gt h i n l i n g a b e a u t i f h lm e n ua n dp o w e r f h lf h n c t i o nc a nb eo b t a i n e dj n w i n d o w so p e r a t i n gs y s t e mb ym a h n gu s eo ft h i sm e t h o d t h em o n i t o r i n gs y s t e mi sr e a l i z e di nt h et e s to ft h e e x p e r i m e n t ， a n dr u nd e m o n s t r a t e sf b r i a r g e i n d u s t r i a l p m c e s sm o n j t o r i n gs y s t e m ， a l s o f o r g e f b u n d a “o nf b ri n d n s t r i a la p p i i c a t i o no fd e s u l f u r a t j o n s y s t e m k e y w o r d s ：f g d ，m o n i t o r i n gs y s t e m ，d c s ，c a n ，u s b ， i n t e r f h c e 流光放电等离子体烟气脱硫监控系统的研究 1 1课题背景 第一章绪论 大气污染引起的环境问题主要是全球变暖、臭氧层破坏和酸雨。其 中酸雨或称之为酸沉降是人为和天然排放的s 仉( s 0 2 和s 0 3 ) 和n 仉 ( n o 和n 0 2 ) 所引起的。天然降水的本底p h 值为5 6 5 ，一般将p h 值 小于5 6 的降水称为酸雨。我国从2 0 世纪8 0 年代开始对酸雨污染进行 观测和调查研究。根据1 9 9 8 年的检测结果，全国降水年平均p h 值范围 在4 1 3 7 7 9 之间，降水平均值低于5 6 的城市占统计城市数的5 2 8 ， 7 3 的南方城市降水年均p h 值低于5 6 。酸雨对水生生态系统、农业生 态系统、森林生态系统、建筑物和材料以及人体健康等方面均有危害。 随着国民经济的迅速发展，我国已成为能源生产和消费大国，由此 产生的二氧化硫和氮氧化物排放量也逐年增加，1 9 9 5 年我国s 0 2 排放达 到2 3 7 0 万吨，已超过欧洲和美国，近几年排放量虽有下降，但仍居世 界第一位。1 9 9 8 年，由于电力行业增长缓慢，国家环境检测总站公布的 s 0 2 排放量为2 0 9 1 万吨，酸雨造成的各项污染损失超过1 1 0 0 亿元，相 当于1 吨s 0 2 的污染损失超过5 0 0 0 元。因此，控制s 0 2 和酸雨污染一 直是我国环保工作的中心任务之一。 另一方面。s 0 2 是生产硫酸和一系列重要化肥的必要原料。近年来， 由于我重的硫资源相对缺乏，为满足磷肥增长的需要，大量进口硫磺。 1 9 9 9 年我国进口硫磺总量突破2 5 0 万吨，相当于s 0 2 5 0 0 万吨。此外， 北京交通大学硕士学位论文 1 9 9 9 年的磷肥进口量为5 0 0 万吨，相当于进口硫酸6 0 0 万吨，折合s 0 2 4 0 0 万吨。到2 0 0 5 年，我国进口的硫资源折合s 0 2 将超过1 0 0 0 万吨。加上 国内自产的s 0 2 ，我国化肥行业需要的s 0 2 将超过2 0 万吨，与我国 s 0 2 废气排放总量相当。可见，发展回收烟气s 0 2 的酸雨治理技术具有 十分明显的意义。 要实现酸雨和s 0 2 污染控制目标，关键是加快国产脱硫技术和设备 的研究、开发、推广和应用。目前控制燃煤s 0 2 污染技术可分为四类， 即煤燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后烟气脱硫以及煤转化过程中脱硫， 其中烟气脱硫被认为是控制s 0 2 摊放和酸雨污染最行之有效的途径。 烟气脱硫( 玎u eg a sd e s u r i t i o n ，缩写f g d ) 是目前世界上惟一大 规模商业化应用的脱硫技术。世界各国研究开发的烟气脱硫技术达2 0 0 多种，但技术成熟，经济可行，已用于工业化的仅有1 0 余种。按脱硫 过程是否加水和脱硫产物的干湿形态，烟气脱硫可分为湿法、半千法和 干法三类。 湿法脱硫技术成熟，效率高，运行可靠，操作简单，但脱硫产物的 处理比较麻烦，烟温降低不利于扩散，且普遍存在腐蚀严重及易造成二 次污染问题。目前世界上已开发的湿法烟气脱硫技术，主要有石灰石一 石膏洗涤法、双碱法、海水脱硫、氨吸收法、氧化镁等。 半干法利用烟气显热蒸发石灰浆液中的水分，脱硫产物为干粉状， 处理容易，工艺较简单，投资一般低于传统湿法，但脱硫效率和脱硫剂 的利用率低半千法烟气脱硫技术主要有喷雾干燥法、循环硫化床反应 器技术、烟道喷钙脱硫工艺等。 干法烟气脱硫是在无液相介入的完全干燥的状态下进行的，反应产 物也为干粉状，不存在腐蚀、结露等问题，但反应速度较慢，脱硫效率 也不高干法烟气脱骧研究较活跃的是电法干式脱硫，他主要包括电子 2 流光放电等离子体烟气脱硫监控系统的研究 束法、脉冲电晕法、苟电干粉喷射脱硫、超高压脉冲活化分解法等。 流光放电等离子体烟气脱硫法是在脉冲电晕放电法的基础上提出 来的，却有着自己独特的优点。它采用高频高压交直流叠加电源解决了 窄脉冲电源寿命短和价格昂贵的问题：采用湿式反应系统解决了能耗偏 高和副产物粘壁的问题。由此看出，它已经脱离了千法的范畴，而是一 种半湿法技术。该法的基本原理是利用高频高压交直流叠加电源使反应 器发生电晕放电，放电产生的高能电子激发电离烟气中的气体分子( 0 2 、 h 2 0 、n 2 等) ，产生极富氧化性的离子和自由基，这些活性粒子将污染 物组分( 如s 0 2 、n o ，等) ，在有添加剂n h 3 存在的条件下通过一系列 的链反应生成并氧化成稳定的铵盐，从而达到烟气脱硫的目的。 2 0 0 1 年4 0 k w 交直流叠加电源在北京交通大学研制成功，并在烟 气脱硫的工业试验装置上，成功发生了分布良好的流光电晕。该技术受 国家科技部8 6 3 计划( 2 0 0 2 a a 5 2 9 1 4 0 ) 支持，于2 0 0 4 年通过验收。并 获8 6 3 计划继续支持产业化工作( 2 0 0 4 a a 5 2 9 3 1 0 ) ，目前正在产业化实 施中。 1 2 工业过程监控系统的发展概况 在生产和科学技术的发展过程中，自动监测和控制起着重要的作 用，目前已经广泛应用于工农业生产、交通运输和国防建设。早在1 9 5 8 年，国外就已经开始研究用计算机进行生产过程的监测与测量，并获得 了初步的成功。1 9 5 8 年9 月，在美国l 伽j s i n a 公司的s t e r g 电厂安装 了第一台计算机监视系统。日本在1 9 6 1 年开始，在北海道龙川火力发 3 北京交通大学硕士学位论文 电厂设置计算机系统。欧洲则要迟1 2 年，前苏联予1 9 6 0 年左右也开 始进行早期计算机监控系统的试验。当时由于受到计算机硬件和软件水 平的限制，所开发的系统功能简单，人机联系方式落后。所有该时期的 系统往往采用机器语言或汇编语言编制，能完成简单的数据采集、报警、 计算和简单的显示功能，人机对话设备一般是数码管和按键，这也是后 来计算机监控系统的基础。 工业过程监控系统的发展经历了以下几个阶段： ( 1 ) 初级阶段：本世纪5 0 年代前后，工业生产过程主要是凭生产 实际经验，局限于一般的控制元件和机电式控制仪器，采用比较笨重的 基地式仪表实现生产过程各自独立、分散的局部自动控制。各控制系统 之间没有或很少有联系。过程控制的目的主要是温度、压力、流量以及 液位的定值控制，所应用的理论为经典控制理论。 ( 2 ) 仪表化阶段：5 0 年代末及以后十年问，先后出现了电动单元 仪表和巡回监测装置，因而实现了把主要生产设备作为一单元整体来进 行集中控制，对提高设备效率和强化生产过程有所促进，适应了工业生 产设备日益大型化与连续化的需要。此时所用的仪表有电动仪表及组装 仪表，所应用的理论依然为经典控制理论。 ( 3 ) 综合自动化阶段：7 0 年代至今，由于集成电路及计算机技术 的飞速发展，由分散的机组或车间控制，向全车问甚至全企业的综合控 制发展，实现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的分散计算机 控制此时所用的仪表有气动仪表、电动组合仪表、组装仪表及计算机， 所用理论大多为经典控制理论，少量为现代控制理论。 近年来随着计算机技术的迅速发展，集散控制系统得到了广泛的应 用，它是一种比较合理的新型计算机控制系统。 集散控制系统( 璜s 嫡b t e dq m n o ls y s 蛔晦简记为d c s ) 也称为 流光放电等离子体烟气脱硫监控系统的研究 分布式计算机控制系统( d i s t i b u t e dc o l l l p u t e rc o n t r o ls y s t e m s ，简 记为d c c s ) ，是以微处理机为核心，采用数据通讯技术和图形显 示技术的新型计算机控制系统，它是一种利用计算机技术对生产过 程进行集中监视、操作、管理和现场测控分散控制相统一的新型控 制技术。自上世纪7 0 年代中期第一套集散控制系统问世以来，集 散控制系统已经在工业控制领域得到了广泛的应用，遍及石油化 工、电力、冶金、建材、纺织、制药等各行各业。 集教控制系统的主要特性是它的集中管理和分散控制。与模拟 电动仪表比较，它具有连接方便、显示方式灵活、显示内容多样、 数据存储量大等优点：与计算机集中控制系统比较，它具有操作监 督方便、危险分散、功能分散等优点。 集散控制系统的一个突出特点是分级递阶控制。它在垂直方向 或水平方向都是分级的。最简单的集散控制系统至少在垂直方向分 为两级，即操作管理级和现场测控级。在水平方向各个过程控制级 之间是相互协调的分级，它们把数据向上送达操作管理级，同时接 收操作管理级的指令，各个水平分级间相互也进行数据的交换。分 级递阶系统的优点是各个分级具有各自的分工范围，相互之间有协 调。 分散控制是集散控制系统的另一特点，分散是针对集中而言 的。随着生产过程规模的不断扩大，设备的安装位置也越来越分散， 把大范围内的各种过程参数集中到一个中央控制室变得不经济，而 且操作也不方便因此，地域的分散和人员的分散也提了出来。分 散的目的是为了使危险分散，提高设备的可利用率，是解决集中计 算机控制系统不足的较好的途径。 集散控制系统主要由三大基本部分构成：分散控制装置、集中 5 北京交通大学硕士学位论文 管理装置和通信系统。分散过程控制装置是一个自治的系统，它完 成数据的采集、信号处理、计算及数据输出等功能。操作管理装置 完成数据的显示、操作监视和操纵信号的发送等功能。通信系统则 完成分散控制装置之间及与集中管理装置问的数据通信。集散控制 系统的各部分是各自独立的自治系统，但是，在系统中它们又是互 相协调工作的。 集散控铝4 系统自1 9 7 5 年问世以来，世界上已有许多国家生产数十 种型号的集散型综合控制系统。我国目前已经引进了一些系统，但是距 离实际需要差距还很大，因此集散控制在我国是大有发展前途的。 1 3 本课题的主要研究内容 本文首先针对流光放电等离子体烟气脱硫系统的工艺流程以及影 响脱硫效率的主要因素进行分析，在此基础上，采用集散控制系统方案， 以c _ n 总线作为通讯系统，对监控系统进行整体结构设计。因为流光放 电等离子体烟气脱硫工艺过程涉及的领域较多，具有特殊性，对其监控 系统的研究又是刚刚起步，有许多问题等待研究解决。本论文的主要工 作包括： ( 1 ) 以1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 k c 为核心，对监控系统子节点的软硬 件进行设计包括对各状态量进行检测，对交直流叠加电源电压和 氨硫摩尔比进行准确控制，对上位管理机和其他节点进行c a n 通 讯等任务。 ( 2 ) 按照c a n2 0 b 规范设计监控系统通讯报文的发送、接收 6 流光放电等离子体烟气脱硫监控系统的研究 和报警程序。c a n 总线在支持网络多主通信、保证通信的实时性 方面的独特优点在本文得到具体应用。 ( 3 ) 提出u s b 接口应用在监控系统c a n 适配卡上的新方案， 获得了方便的连接和快速的数据传输。详细讨论基于p d l u s b d l 2 的u s b 接口电路硬件设计和固件编程。 ( 4 ) 采用v i s u a lc + + 6 o 作为主要开发工具，基于面向对象 的程序设计方法进行上位机监控软件的分析和设计。 课题研究的目的是为了使流光放电等离子体烟气脱硫系统安全、 经济、稳定、高效运行，为脱硫系统的工业化应用打下基础。 7 北京交通大学硕士学位论文 第二章系统工艺过程及总体设计 2 1流光放电等离子体烟气脱硫系统的工艺流程 流光放电等离子体烟气脱硫系统的工艺流程如图2 1 所示。烟 气经除尘后，尘浓度在1 0 0 m g ，n m 3 以下，温度约1 5 0 。c ，然后经 热交换器送入喷雾干燥器，将湿式反应器系统生成的硫酸铵溶液脱 水，同时烟气也得到增湿降温。增湿降温后的烟气即进入分区湿式 图2 - 1 漉舣电等离子体烟气脱硫系统工艺流程因 f i g i i l e2 - 1 1 1 e p r o o 啉m w c h a n o f 帅砌c r d i s c h a 学p 1 笛m a f g ds y s t 锄 反应器系统的热化学反应区，在该区有氨水喷入，约可吸收气体中 8 0 以上的s 0 2 ，吸收液在热化学反应区循环喷雾继续参加吸收 s 0 2 ，并使溶液中四价硫浓度达到摩尔量级，在保持物流平衡条件 下，适量地将热化学反应区的生成液输送并喷雾到下游的流光放电 等离子体反应区。反应器系统约5 0 。c 的尾气，经热交换器抬升温 度至9 0 。c 后，送入烟囱捧放。等离子体反应区末端生成的溶液浓 度控制在约每升3 摩尔以上，适量提取，经等离子体氧化处理使硫 s 流光放电等离子体烟气脱硫监控系统的研究 酸铵达到9 0 以上后，调为中性，送干燥器，可利用系统入口气 体的热能脱水，生成硫酸铵干粉。脱水过程蒸发的水和亚硫酸铵分 解产生的n h 3 及s 0 2 输送入主气路，进入反应器系统。 半湿法的特征在于反应器是湿式的，反应器生成物是液态：该液态 生成物经进来的热烟气脱水，生成哥4 产物干粉。所有环节都没有物料积 累问题，全流程连续稳定，与主生产线兼容。半湿法的实现，使流光放 电烟气脱硫技术工业应用近在眼前。 2 2 烟气脱硫过程主要影响因素分析 烟气脱硫过程中，交直流叠加电源的电压、氨硫摩尔比、反应器中 烟气的温度及流量等都直接影响到脱硫的效果和系统的运行。因此，这 些参数也是本监控系统的主要监控对象。 2 2 1 交直流叠加电源电压的影响 高频高压交直流叠加电源是整个烟气脱硫系统的关键，也是产生流 光放电的物质基础。对交直流叠加电源电压的控制能够从原理上改善脱 硫效果。 图2 - 2 示出针一板电极系统在针电极为直流正高压和直流正高压叠加适 当交流电压( a c m c ) 发生的不同放电模式。当只有直流正电压时，从 9 北京交通大学硕士学位论文 o 上升，在0 至v c 范围没有电晕，从v c 至v g 范围有微弱的流光电晕， 因为功率密度低虽有化学效果，但较弱；在电压v g 到v p s 很宽的范 围，放电模式为辉光放电，辉光放电模式稳定，但化学效果不及流光放 电的千分之一，因此，应当尽量避免辉光电晕的出现。电压达到v p s ， 进入预击穿流光放电模式，它有显著化学效果，但再提高一个很小幅度 的电压，达到v s ，即转化为火花放电。直流供电虽然也有流光放电模式， 但其电压范围太窄，电极间距的允许变动范围太小，大型反应器不能采 用。 当在电极上施加不同d c 基压，叠加不同a c 电压时就出现如 图2 2 所示的五种放电模式。 卜 卜、 、j 一n 蠢光虻 i i t 盘 卜 、| 贼：t + 广。 c 、一n蕾赶 夺 嚆甓誊毫党 无电圣龟抬鞋茸竞黏孽毫竞火花m ot ch即l 图2 2d c + a c 的五种放电模式 f i g l i 忙2 - 2f i v cd i s c h a r g i 丑gm o d c lo fd c + a c 情况l ：v d c v c 或v c ，但v c v d c + v p p ，2 v g ，则电压峰值 进入起始滚光区。放电为脉冲流光模式。 情况h ：v p s v d c c v s ，v p s v d c + v p 昨v s ，v g = v d c v p p 2 ， l o 流光放电等离子体烟气脱硫监控系统的研究 这时d c 已在预击穿流光范围，a c 的加入加强了流光放电。在交 流负半周时，电压进入辉光范围，不过这时仍不产生辉光。这是因 为辉光生成是由于电负性气体负离子包围正极尖端表面附近，在电 压不很高的条件下，屏蔽了正电场，阻塞了正流光向外延伸。然而 电负性气体离子形成屏蔽层需要一定的时间( 约o 1 m s ) ，因此， 如果a c 频率大于1 0 k h z ，在辉光生成之前，电压又回升到预击穿 流光区域，故放电保持为预击穿流光电晕。 情况i l j ：v g v d c v p s ，v d c v p p 2 = v g ，虽 然只加d c 时为辉光电晕，但是只要叠加a c 频率大干1 0 k h z 就 变为流光电晕。 怕彗况i v ：v g v d c v p s ，v p s = v d c + v p p 2 ( v s ，v c v d c v p p 2 = v g ， 这时也只有流光电晕。 情况v ：v g v d c ( v p s ，v d c + v p p 2 = v p s ，v g = v d c v p p 2 。这 时可能出现辉光，也可出现流光。 从上述的五种情况可以看出，只要叠加高频交流就可以破坏辉 光的形成，使得流光在一个很大的电压范围内产生。显然第三种情 况流光产生的化学效应更强。这就使得在工业用的特大功率的窄脉 冲电源目前无法实现的情况下，可以采用适当的极配、反应器结构、 直流基压叠加相应峰值电流、频率的交流电压，使放电状态在最佳 流光区域，消除无化学效应的辉光放电成分，发挥流光电晕脱硫脱 硝的最大效能 1 1 北京交通大学硕士学位论文 2 2 2 氨硫摩尔比的影响 为了确定氨硫比对脱硫效率的影响，我们进行了如下实验。实 验条件：针一板电极间距为5 c m ，入日s 0 2 = 】0 2 0 p p m ；d c a c = 2 1 k v 1 3 k v ，处理气量= 3 1 0 0 m 3 h ：出口温度= 6 0 5 。c ，增湿段o = o ，热化学段q = 1 0 0 u h ，放电段q = 】o o u h 。得到氨硫比与脱 硫率关系曲线如图2 3 所示。 1 0 0 9 5 舔 6 5 6 0 一 ， ， 7 1 21 41 61 82 氨硫比 图2 - 3 氨硫比与_ 日j f 瓣关系曲线 h 伊m2 - 3r e i 蛳b c 晰n b 6 0 2i 叫f a t 硫川d cs 0 2c 仿c i e m y 从上图中我们可以看到，随着氨硫比的增大，脱硫率显著上升，在 氨硫比为1 5 时，脱硫率已经达到9 5 。当氨硫比为2 时，脱硫率接近 1 0 0 。可见，增大氮气的注入量可提高s 0 2 的脱除率。 理论上氮气注入越多，脱硫效果越理想，但是过量的氨气不能完全 反应，使得捧放的尾气中氨含量过高，造成氨泄漏而形成二次污染。因 此，应该将氨硫比控制在1 5 2 之间，这样既能高效的脱除s 啦，又能 流光放电等离子体烟气脱硫监控系统的研究 将尾气中的氨浓度控制在5 p p m 以内( 可以通过监测生产液的p h 值来 控制) 。 2 2 3 其他影响因素 反应器中烟气的温度和流量也是影响脱硫效果的重要因素。 烟气温度升高，产物中h 一) ：，的分解量增多，这样就使得 ( h 。) 2 s d 的含量增大；另一方面，气相中片：s d 4 的饱和蒸汽压随着温 度的升高而增大，从而降低了“酸雾”的生成量，促使反应生成的 ( w 一) z s d - 减少。这两方面的协同作用，使得烟气脱硫率降低，产物中 ( h 。) z s d 4 的含量增大。通过实验证明，要保证烟气脱硫率和产物中 ( 删t ) ：s d 的含量都大于8 0 ，反应器中烟气的温度范围应该控制在 5 0 6 0 。c 。 烟气的流量决定着烟气在反应器中的停留时间，从而影响化学反应 时间。理论上，烟气停留时间越长，s 0 2 脱除率就越高，但这样会影响 系统的整体运行效果。实验发现，烟气停留时间从2 秒增加到6 秒，脱 硫率增加6 左右。单位体积烟气注入能量2 6 w 1 l ，m 3 ，烟气中s 0 2 脱除 率8 0 ，烟气在反应器中的停留时间选择在3 4 秒是比较舍适的。 在目前的实验装置中，我们只对它们进行监测，有效的控制还有待 进一步的开发。 北京交通大学硕士学位论文 2 3 监控系统的总体结构设计 通过上一节的分析，我们了解了影响脱硫过程的主要因素。准确地 测量并控制各主因素不仅是整个监控系统的基础，还可以进一步实现监 控系统的优化。 由于此工艺过程处于工业试验阶段，目前监控系统主要控制的对象 有两个，交直流叠加电源电压和氨硫比。主要检测的对象有交直流叠加 电源电压、烟气中n h 3 、s 0 2 、n 仉等的含量、气体流量、流程中各个 点的温度、生成液p h 值等。图2 - 4 是系统主要监控对象示意图。计算 目2 4 系统主要监控对象示毒图 脚m m 咄c t c h m p o f 岫s y 蜘姗j t o 血g0 b j e c t 机的作用是根据指定的运行策略对各个监控对象进行期望值设定和状 态显示。 流光放电等离子体烟气脱硫监控系统的研究 2 3 1 监控系统总体方案设计 整个监控系统采用集散式结构，通信系统采用c a n 总线，主要监控 对象是湿式反应器。为了能在脱硫反应器中实现流光放电的时空优 化分布，利用集散控制技术，采取对反应器分级控制的方式来代 替传统的集中供电方式给以解决。如图2 5 所示，整个监控系统 由集中管理装置( 上位机) 、分散控制装置( 监控系统子节点) 以 及通信系统( c a n 总线) 组成。 上位管理机选用普通p c 机，负责与下位机的通信、动态显示各节 点的工作状态或报警信息以及按照一定的数学模型对监控系统子节点 的各控制参数进行调整。c a n 总线通信接口适配卡负责p c 机与监 控系统子节点之同传递数据和控制参数。监控系统子节点负责从现 【p c 枫l u 燃u l c a n 总线 l 监控节点，ll 监控节点zll 监控节点nl lli| 。 l| i 反应器il 反应器zil 反应器nl 图2 5 系统硬件总体结构图 f i 驴他2 - 5 n e h a 咖玳酗咖咖托o f s y 醴锄 北京交通大学硕士学位论文 场采集数据以c a n 协议发送到总线上，传给上位机或其他节点， 并根据需要对现场设备就地进行实时控制和监视。 n h 3 、s 0 2 和n 仉等气体的含量使用德国m r u 公司生产的烟气 分析仪v a r i op l u s 进行检测，它具有功能强大的自动测试软件和硬 件，结果通过r s 2 3 2 接口直接输出到计算机。在计算机计算完成 氨和硫的比值后，通过c a n 总线传输到监控子节点，而氨气注入 量通过z a z p n 型电动调节阀进行调节。交直流叠加电源电压监控 回路，则由科海k v 5 0 a ，p 霍尔传感器和c a 6 1 0 0 晶闸管触发板组 成。各个点的温度通过x s l 系列智能温度巡检仪进行检测，它能 够进行8 路通道温度巡检，巡回检测速度每通道o 2 秒，通过命令 应答方式直接与管理计算机进行r s 2 3 2 通讯。气体流量由s i e r r a 插入式质量流量计检测。生成液p h 值的检测可以采用p h 值检测 仪，目前工业试验阶段采用的是人工酸碱滴定法。 2 3 2 系统通讯网络的选定 在集散控制系统中，选择什么样的通讯网络对整个系统起着举 足轻重的作用。目前，许多数字化分布式工业监控系统都是基于 r s 4 8 5 网络构建的，这种基于r s 4 8 5 网络的分布式监控系统由于 具有结构简单、传输距离远、成本低等优点，而被广泛应用于各种 工业现场。但在构建大型复杂工业现场的实时监控网络时，r s 4 8 5 网络显现出了它的缺陷。由于r s 4 8 5 是一种半双工的电气协议， 工作方式为命令响应型，主站只能以轮询方式获取各个从站的信息， 流光放电等离子体烟气脱硫监控系统的研究 这就大大降低了总线上数据传输的效率。利用r s - 4 8 5 只能构成主 从式结构的通信网络，一旦主节点出现故障，就会导致整个系统处 于瘫痪状态，系统的总体可靠性较低。r s 4 8 5 在双绞线对上传输的 是一对极性相反的信号，在任意时刻，总线只能允许其上的一个节 点向总线发送数据，如果总线上的某些节点发生故障，或者系统上 位机的调度出现不该有的失误，导致多于一个以上的节点同时向总 线发送数据时，就极有可能使总线呈现短路状态。 对于这些问题，r s 一4 8 5 网络本身无法给出良好的解决办法， 而新兴的c a n 总线技术则使这些问题得到了较好的解决。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的，由于它 适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，一经 产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。 而在几种有影响的现场总线技术中，c a n 总线凭借其卓越的特性、 极高的可靠性和独特的设计，越来越受到工业界的重视，并已被公 认为最有前途的现场总线之一。c a n 总线有如下优良特性： ( 1 ) 多主性。在c a n 总线上，报文有几个固定的格式( 但长 度有限制) 。每个节点在总线开放时都可以主动地发送新的报文， 具有最高优先权的报文单元赢得总线的访问权。因此c a n 可以多 主方式工作，通信方式灵活。利用这一特点，可以方便地构成冗余 ( 容错) 多机备份系统，提高系统的可靠性。 ( 2 ) 非破坏性总线仲裁技术由于c a n 采用总线监视技术 ( 即发送器对发送位电平与总线上监视到的电平进行比较) ，在总 线仲裁期间，用这种技术，可以及时发现是否有优先级高的节点在 发送。若有，则当前节点主动退出仲裁，而优先级高的节点不受影 响地继续传送数据利用这种技术，有效地避免了总线冲突，提高 1 7 北京交通大学硕士学位论文 了总线速度。面总线速度的提高，相应地提高了整个系统的实时性。 ( 3 ) 良好的故障隔离能力。c a n 总线的收发接口通过它的两 个输出端c a n h 和o n l 与物理总线进行连接。在任意时刻， c a n h 端的电平只能是高电平和悬浮状态，而c a n l 端的电平则 只能是低电平和悬浮状态，c a n 的这种电平特性，使得即使多个 节点同时向总线发送数据，也不会使总线呈现像r s 4 8 5 总线那样 的短路状态。另外c a n 节点有识别永久性故障和短暂扰动的功能。 对于知暂的扰动，c a n 给予错误标定并重发。对错误严重的故障， c a n 具有自动关闭总线的功能，切断它与总线上的其它节点的联 系，以保证总线上其它节点的操作不受影响。 ( 4 ) 错误检测和恢复能力。c a n 的每帧信息均有c r c 校验、 总线监测、位填充及其报文格式检查等检错措施。使用这些措施以 后，c a n 的检测机构可以检测到所有的全局性错误、发送器所有 的局部错误、报文中多至5 个随机分布错误、报文中任何奇数个错 误等。对是错误而不能检出的报文概率低于1o ”。并且，检测到 错误的节点对报文作出标志，这样的报文将失效，并将主动重发， 使数据传输的可靠性得到进一步的提高。自检出错误至下一个报文 开始发送的恢复时间，如果不存在新的错误最多为2 9 个位时间。 c a n 总线还有其他许多功能，如借助接受滤波的多地址帧传 送、远程数据请求、配置灵活、睡眠，唤醒方式等。基于以上原因， 本系统选用c a n 总线作为各部分的通信网络，为确保监控系统能 够安全可靠运行提供了有力的保障。 流光放电等离子体烟气脱硫监控系统的研究 2 3 - 3 系统传输波特率和传输介质的选择 c a n 系统内两个任意节点之间的最大传输距离与其位速率有 关，具体情况见下表2 1 所示。 表2 一l 位速率总线长度的关系 t a b l c2 1t h er e l a t i o no f b i tr a l e ，b u sk n g l h 位速率 1 m5 0 0 k2 5 0 k1 2 5 k1 0 0 k5 0 k2 5 x1 0 k5 k ( b p s ) 最大总 4 0 m】3 0 m2 7 0 m5 3 0 m 6 2 0 m1 - 3 k m3 3 k m6 7 k m1 0 k m 线长度 在充分考虑了电磁干扰以及实际需要的情况下，本系统选择了 2 5 0 k b p s 的位速率作为数据传送速率。选择这个速率综合考虑了传 输速率和传输距离，能满足网络连线的要求，在系统中达到比较理 想的效果。由于化工系统存在大惯性，在这样的速率下传输数据同 样能满足系统实时性的要求。 通常用于c a n 总线的传输介质主要有双绞线、同轴电缆和光 纤。本系统信号传输距离较短，干扰性强，考虑到双绞线的价格相 对便宜，选用屏蔽双绞线作为传输介质。尽管双绞线不适合传输频 率太高的信号( 最大可用频率约为1 m h z ) ，但是系统的c a n 总线 数据通信采用2 5 0 k b p s 的传输速率，属于较低频率，在这种情况下， 利用双绞线进行传输根本不受影响。同时箔屏蔽又能很好的减少干 扰和串音。总的来看，选用双绞线作为传输介质具有良好的性能价 格比。 北京交通大学硕士学位论文 第三章监控系统子节点的设计 3 1交直流叠加电源的控制原理 从前面介绍的流光放电等离子体烟气脱硫机理和工艺流程可 知，高频高压交直流叠加电源是产生流光放电的关键，对脱硫率和 产物组成有重大影响。 如图3 1 所示为交直流叠加电源的结构框图。其中左边为直流 电源，右边为交流电源，它们的电路结构基本相似，中间为交直流 叠加电路。 图孓l 交直漉叠加电源结构框图 f i 母睇3 1 伽n n 俨强曲n b i o c kd j a 舻啦o f a c + d c 该电源采用高频电能变换技术，首先将3 8 0 v 的三相工频交流 电经由晶闸管组成的三相全桥可控整流电路，并通过由支撑电容 c l c 2 和滤波电抗器l 1 ，l 2 组成的l c 滤波电路变成平直的直流； 然后通过由l p m 组成的高