PLC实现大型火力发电厂烟气脱硫控制系统.doc

PLC实现大型火力发电厂烟气脱硫控制系统 2007-09-14来源：中国自动化浏览：483 推荐朋友打印本稿字体：大小 1、引言经济发展使人们生活水平逐渐提高，但同时也使人们周围生活环境不断恶化，人们逐渐意识到环境污染危害，并提出了经济与环境必须协调发展要求。大气污染与人们生活息息相关，它会直接造成人群死亡率增加，破坏生态系统，造成巨大经济损失。而火电厂、炼钢厂等工业所排放废气正是大气污染主要来源。鉴于此，国家有关部委制定了法规要求电厂增加脱硫系统。当前行业内对减排二氧化硫主要方法有：烟气脱硫。将锅炉烧煤后烟气通入石灰水中洗气，将硫产物吸收，石灰水洗气后加入氢氧化钠NaOH再生，这就是脱硫。目前应用较为广泛烟气脱硫工艺有：石灰石（石灰）-石膏湿法脱硫、喷雾干燥法脱硫、烟气循环流化床脱硫、海水脱硫、电子束法脱硫。国内针对超过200MW大型机组优先考虑采用石灰石（石灰）-石膏湿法脱硫。本文结合西门子电气公司西门子系列PLC山西某自备发电厂（简称弘电）2200MW机组烟气脱硫系统实际应用，着重探讨石灰石（石灰）-石膏湿法脱硫监控系统部分设计与实际应用。2、湿法脱硫工艺简介石灰石（石灰）石膏湿法脱硫工艺采用价廉易石灰石或石灰作脱硫吸收剂，石灰石经破碎磨细成粉状与水混合搅拌成吸收浆液。当采用石灰为吸收剂时，石灰粉经消化处理后加水磨制成吸收浆液。吸收塔内，吸收浆液与烟气接触混合，烟气中二氧化硫与浆液中碳酸钙以及鼓入氧化空气进行化学反应被脱除，最终反应产物为石膏。其反应原理可下化学反应方程来描述：CaCO3+SO2=CaSO3+CO22CaSO3+O2=2CaSO4弘电脱硫工艺系统由三个子系统组成：#1炉系统，#2炉系统和公用系统。其中#1炉系统与#2炉系统组成结构基本一样，分别负责来自1号和2号锅炉烟气脱硫任务，按功能分成烟道功能子系统和吸收塔功能子系统。公用系统是指#1炉和#2炉共同使用功能设备统称，按功能划分为公用辅助系统、石灰石卸料与磨制系统和废水处理系统等。3、脱硫控制系统表1脱硫系统控制测点统计表表1给出了各个系统输入输出点（IO）分配点数。上述脱硫系统特点，整个控制系统也划分三个子系统，共采用三对西门子电气公司西门子系列PLC300系列控制器组成冗余控制系统和网络，控制器西门子系列N以太网模块与100M以太网交换机直接相联。控制系统配置了三台操作员站和一台工程师站，采用双机热备运行方式。脱硫DCS系统运行时需要与#1、#2锅炉DCS系统进行状态信号交流，从#1、#2过来到达脱硫DCS系统状态主要有：锅炉负荷、锅炉油枪工作状态、锅炉煤层工作状态、锅炉吹扫、锅炉MFT以及电除尘运行状态。从脱硫DCS系统传递到#1、#2锅炉DCS信号有：旁路挡板、原烟气挡板和净烟气挡板开关状态。这些信号都涉及到电厂锅炉运行，锅炉DCS与脱硫DCS之间接口采用硬接线方式。#1炉和#2炉设备是相对独立，它们共同调用公用系统中石灰石供浆和石膏脱水子功能系统，#1炉与#2炉之间也存着连锁保护，这些#1炉、#2炉和公用系统控制器之间传递信号Modbus-TCP协议传输，节省了重复IO电缆铺设费用。脱硫DCS系统主要实现功能有：数据采集系统（DAS），模拟量控制系统（MCS），组态软件和顺序控制系统（SCS）。（1）数据采集系统（DAS）数据采集系统按所选定数据采集前端设备采样速率，周期性采集和处理现场设备和工艺开关量和模拟量信息。并网络传输到上位机显示屏中显示，作为运行人员监视和操作现场设备依据。数据采集系统基本功能有：数据采集、数据处理、屏幕显示、报警声光显示、事件记录和追忆、历史数据存储检索及打印、性能线计算等功能。数据采集系统首先是采集卡周期性扫描外部测点状态，然后诸如正确性判断、工程量换算、限值判断等处理后，将处理过信息作为新数据写入数据库中。数据库乃数据采集系统核心，脱硫DCS系统拥有两个数据库：一个是控制器数据库，另一个是上位机数据库。上位机Modbus-TCP协议与控制器联接，按一定采样周期循环扫描控制器数据库变化，并同时对上位机数据库与画面显示进行更新。（2）模拟量控制系统（MCS）模拟量控制系统实现脱硫控制系统模拟量闭环调节功能，脱硫控制系统主要闭环调节回路有：增压风机入口压力调节、吸收塔液位自动调节、石灰石供浆流量调节，还有公用系统中滤饼厚度调节等。增压风机入口压力调节增压风机入口压力调节目使锅炉炉膛压力保持稳定。将锅炉正常运行时引风机出口压力作为增压风机入口压力调节设定值，测量实际运行压力，然后进行比较出偏差，偏差控制算法计算，出调节量作用增压风机调节导叶上，使增压风机入口压力稳定设定值附近。增压风机入口压力闭环调节控制算法通常是PID调节，这是PID算法简单能够满足工程要求。提高压力调节响应速度，将锅炉负荷作为前馈量引入到调节中，缩短了调节时间和减小了超调量。吸收塔液位自动调节高温烟气进入吸收塔反应后冷却和饱和作用会带走一部分水，使浆液变稠，脱硫吸收效果变差。这部分损失掉水，吸收塔上部除雾器冲洗系统进行补充。除雾器冲洗系统由32个电磁阀组成，每组8个，共四组。它们是按一定顺序轮流开关，两个工艺相邻阀门之间开启间隔时间则是依据吸收塔液位来进行调节。所能参考资料中还没有精确吸收塔液位与烟气流量关系数学模型，热力学原理，由进入吸收塔内烟气流量及其塔内热量交换可以计算出蒸发与饱和作用带走水量率，假定吸收塔除雾器冲洗阀每次开阀冲洗时间为常数，烟气所带走水量率按时间作积分所值等于每次冲洗所能补充水量时，则进行冲洗。由此到了吸收塔除雾器两次冲洗时间间隔，它烟气流入量波动而变化。弘电项目吸收塔液位调节算法中，增加了一个阈函数，意使液位能够尽快收敛到设定值附近。其基本原理是当吸收塔液位偏差绝对值大于预先设定阈值时，吸收塔调节时间将乘以一个惩罚系数，促使调节往收敛方向加速发展。惩罚系数可以是偏差函数是常数，弘电脱硫系统中，液位偏差落偏差阈值内时，惩罚系数为1，当出现正偏差并超出阈值时，惩罚系数可取为大于零而小于1数值，这样就能减少除雾器冲洗门两次冲洗等待时间；当出现负偏差并超出阈值时，可将惩罚系数取为大于1数值，延长冲洗间隔时间，添加了惩罚系数能使控制效果到更好改善。石灰石供浆流量调节石灰石供浆流量调节目调节吸收塔内pH值，使烟气与石灰石浆液最适合pH值下发生化学反应，这是保证脱硫质量关键之处。采用普通PID控制时，pH值具有较大滞后，控制效果并不理想。考虑到影响吸收塔pH值主要因数是烟气中硫元素与浆液中钙元素摩尔比，弘电脱硫系统中使用了串级PID控制思想。引入了硫钙比闭环调节石灰石供浆流量调节后使系统反应速度和超调量等都有了较大改善。硫元素和钙元素摩尔比不能直接测出，只能间接方式求出。脱硫系统安装有原烟气分析仪和烟气差压计，流体力学中伯努利方程计算可以粗略到烟气流量值，进一步算出硫摩尔数，将主控回路中输出作为修正系数算出与硫摩尔数对应钙摩尔数，现场安装石灰石浆液密度和供浆流量算出钙摩尔数，比较出偏差，经副控回路计算后作用供浆调节阀上。滤饼厚度调节石膏浆旋流后，底流将输送到真空皮带进行真空脱水，保证脱水效果，滤饼厚度要控制一定范围之内。滤饼厚度往往容易受到底流浆液密度和流量变化干扰，设立一个滤饼厚度调节降低操作人员手动介入操作频率，降低操作人员劳动强度。滤饼厚度调节是测量滤饼厚度与工艺设定值做比较，进行偏差抑制PID运算，到输出作用真空皮带变频器上，以达到运行期望。其原理比较简单，采用常规PID算法即可。实际南通弘电石膏滤饼厚度测量仪表安装位置不当，造成了极为严重滞后，采用常规PID算法会出现不稳定效果。为此，工程中应用了其他控制方法，譬如适当延长PID调节采样周期采用智能控制方法，都可以使系统稳定一定范围之内，效果有了较大提高。（3）组态软件选择众多组态软件中，常见组态软件有wincc、ifix、intoch和国内开发组态软件组态王等。其软件各种开发功能各有千秋。其中IFIX软件是美国最著名工控组态软件，美国工控软件中销量名列前茅。IFIX软件适用于各种PLC,例如支持西门子200300400,三菱A系列，Fx系列;莫迪康，GE等。支持各种工控板卡，RS_232，RS_485，honywell公司R_150，R_160，S9000，各种智能变送器。也可用于工业控制管理网络。IFIX是一个软件系统。其核心部分提供了各种基本功能，这些功能使应用程序可以执行指定任务。其中两个最基本功能是数据采集和数据处理。IFix提供了大量高性能IO驱动器。这些驱动器具有查错、报告、恢复、内置数据报告以及支持冗余通讯。IFIX软件还支持DDE服务器。IFix提供最畅销和特殊IO设备各种IO驱动程序，每个IO驱动支持特定硬件，每个IO驱动由各自手册介绍。IFIX软件是真正32位软件,支持WINDOWSNTWINDOWS2000。IFIX软件具有强大网络功能,支持NetbiosTcpip。IFIX软件支持200多种国内外PLC,DCS,IO板卡产品,可为产品定做驱动程序。IFIX软件采用DLL通讯方式，采样速度更快，可靠性更高；IFIX软件具有强大ODBC技术，支持Oracle，Sybase，FoxPro等关系数据库；IFIX增加了OPC功能(OLE方式IO设备驱动程序接口)；IFIX内嵌VBA,以及双机热冗余功能。采用那种组态软件并不重要，关键是利用软件实现工程设计中控制思想和控制模式。IFIX软件有这么多优点，把它作为自控系统开发软件是最好选择之一。（4）顺序控制系统（SCS）顺序控制系统（SCS）可以使操作人员控制室内监视和控制脱硫系统所有电机、阀门，并实现设备连锁及保护。顺序控制系统（SCS）能完成大量设备高度智能化控制，它将设备按功能相关原则归组和划分为功能组和功能子组，所编写程序一步一步执行下去，减少了操作人员手动介入，降低了操作人员劳动强度和误操作风险。系统中任一种设备或功能组都可以抽象为一个函数模块。设备不同，其函数模块也会表现为形式参数、内部条件判断和输出不同。函数模块一般都包括以下形式参数操作员输入指令;自动控制输入指令;保护连锁输入指令;各种指令屏蔽条件;指令互锁;设备状态反馈。函数内部条件判断是编程人员依据工艺要求编写判断程序,以保证各种指令人们期望执行下去。输出则是输入内部判断所希望出结果，譬如说某电机或功能组具有自动控制ON指令输入内部条件判断满足，则输出为电机或功能组启动。脱硫系统主要顺序控制组有：烟道系统、挡板密封风机、气气换热器、净化风机、增压风机、吸收塔系统、石灰石浆液泵、循环浆泵、除雾器、石膏排出泵、石膏溢流浆液泵、真空皮带脱水系统、工艺水泵、废水处理系统和石灰石输送及制浆系统等。每个单元热工保护直接各个单元控制器中实现，它们作为设备函数模块保护参数输入驱动设备。一些参与保护重要模拟量采用三取二表决原则或采用双重测量方式，以保证系统运行可靠性。旁路挡板脱硫系统中特殊位，远程操作站上专门设有紧急开启按钮，直接硬接线操作旁路挡板和向DCS控制系统发送紧急开启信号。4、分析及讨论弘电脱硫系统#1炉单元和公用系统已投运，#2炉单元也将年底投运。由#1炉实际运行效果来看，采用西门子系列PLC控制后大大降低了操作人员劳动强度和系统运行可靠性与连续