电除尘器设计及控制系统.doc

电除尘器原理及控制系统 摘 要 随着环境形式的日趋严峻 人们越来越重视环抱问题 电除尘器作为一种高效 率气体除尘设备得到越来越广泛的应用 目前 电除尘器正朝着完全自动化的方向 发展 与此相适应必须建立一套完善的科学治理办法和维护制度 才能发挥最佳除 尘效能和运行状态 本文对电除尘器进行了一系列的介绍 如电除尘器利用高压电来吸附气体中的 微小颗粒 并从电除尘器的主要结构的尺寸计算着手设计了一个电除尘器示例 按 照对电除尘器的各主要部件的计算结果 应用相关制图软件知识对其进行了一个初 步简单的设计 还介绍了电除尘器节能控制系统的构成及其功能 从总体的控制方 法到各部位的控制方法都有详细的介绍 并且详细地论述了电除尘器控制软件的程 序框图和步骤 具体包括可靠性处理 火花检测及其抑制 通信协议 故障和报警 电流控制算法设计 I O 的功能等 并对电除尘器安装了粉尘探测仪 在实际应用 中有着显著的效果 能够简单清晰的了解电除尘器工作时的效率变化 在遇到故障 时 根据有条理的分析方法对故障产生的原因 发生的部位 并有效的排除故障 关键词 电除尘器 控制 故障 电除尘器原理及控制系统 Abstract Form as the environment is grim One more round the question to electric precipitator as an efficient gas is dusting device widely used At present electric precipitator is to fully automate the direction and it must adapt to the development of a perfect scientific management and maintenance system and to its efficiency and dusting the best form Of electric precipitator had a series of information such as electric precipitator using a piezoelectric to hold the small particles of gas and electricity from electric precipitator s main structure of computing to design the size of an electric cleaner example according to electric precipitator s on the results of the major components applications related to the drawing of software knowledge on a preliminary simple design is made to electric precipitator energy control system constitutes and its functions the overall control method to various parts of the control And elaborated on the electric cleaner control software flow chart and includes reliability Specific attention the fire detection and suppression communications protocol and the police the current control algorithm design i turned around function and so on and to electric precipitator the dust detectors in their applications have significant effects can be simple and clear understanding of electric precipitator work efficiency of the changes in the face of failure According to a coherent analysis methods for the failure of the reasons the site and effective exclusion Key Words electric precipitator example control failure 目录 电除尘器原理及控制系统 1 1 引言引言 1 1 2 2 电除尘器简述电除尘器简述 2 2 2 1 电除尘器概述 2 2 2 电除尘器结构简述 2 2 2 1 电除尘器的本体 2 2 2 2 电除尘器的电气部分 5 3 3 电除尘器主要部件及设计电除尘器主要部件及设计 6 6 3 1 电除尘器的主要部件 6 3 1 1 集尘板 6 3 1 2 电晕线 7 3 1 3 集尘极及电晕线的振打 8 3 1 4 进气烟箱和出气烟箱 8 3 1 5 气流分布板 8 3 1 6 灰斗和壳体 8 3 1 7 高压供电设备 8 3 2 电除尘器主要部件设计示例 9 4 4 电除尘节能控制系统总体方案电除尘节能控制系统总体方案 1313 4 1 概述 13 4 2 电除尘器节能系统的主要功能 13 4 2 1 数据显示及参数设定 13 4 2 2 专家系统故障诊断 14 4 2 3 参数的综合优化功能 15 4 2 4 其他功能 15 4 3 电除尘器节能控制系统构成 15 4 3 1 数字信号处理 16 4 3 2 微控制器 17 5 5 电除尘器软件模块设计电除尘器软件模块设计 1818 5 1 数据测量与信号处理 18 5 2 可靠性处理 19 电除尘器原理及控制系统 5 2 1 系统自检概述 19 5 2 2 RAM 自检 19 5 2 3 Watchdog 复位 20 5 2 4 FRAM 自检 21 5 2 5 A D 自检 21 5 3 故障与报警 21 5 4 通信协议 22 5 5 火花检测和抑制 23 5 6 电流控制算法 25 5 6 1 目标电流的计算 25 5 6 2 电场模型 26 5 6 3 模型的在线建立 26 5 6 4 电流控制策略 27 5 6 5 极限环境的控制策略 27 5 7 VI 曲线采集 28 5 8 I O 应用程序的 28 5 8 1 DI 功能 29 5 8 2 DO 功能 29 5 8 3 AI 功能 30 6 6 运行效果及故障分析运行效果及故障分析 3131 6 1 电除尘器除尘效果的分析 31 6 1 1 粉尘探测仪的安装 31 6 1 2 实际应用效果 32 6 2 实际故障 32 6 2 1 故障分析一 32 6 2 2 故障分析二 33 7 7 结论结论 3434 致谢致谢 3535 参考文献参考文献 3636 电除尘器原理及控制系统 1 1 引言 随着工业粉尘及废气排放量的日益增加 其对环境的污染也越来越严重 特别是在冶金 矿山 建材 化工等行业中 目前 电除尘器已成为对含尘气体进行净化的首选设备 电除尘器具有阻力小 处理烟气量大 能耗低 适应性广 除尘效率高等优势 在冶金 化工 建材 火 力发电 电子等行业中等到广泛应用 电除尘器设计的合理与否 直接关系到除尘 效率的高低 生产工况是否正常 设备运行是否可靠 安全及使用寿命的长短 而 由于所处理的烟尘性质和浓度不同 因此设计时在选择每个参数时必须考虑诸多因 素对其影响 即认为电压升得越高越好 电流越大越好 这是因为对一台设备来说 必须综合考虑各种因素 为保证长期稳定可靠的运行 在不影响生产工况条件的前 提下 通过调整二次电压 二次电流 一般把运行参数调整到最佳除尘效果为适度 做到高效 节能 经济合理运行 若达不到以上效果 应对有关部分进行检查 调 整及改进 有了良好的设计前提 严谨的安装和调试过程 要管好和用好电除尘 器 离不开人为因素的影响 假若电除尘器的治理和维护跟不上 就不能充分发挥 作用 因此严格治理和维护制度是保证电除尘器高效持久运行必不可少的条件 目 前 电除尘器正朝着完全自动化的方向发展 与此相适应必须建立一套完善的科学 治理办法和维护制度 才能发挥最佳除尘效能和运行状态 电除尘器能否安全 稳 定 高效 经济运行 科学合理的设计是前提 正确的安装方面和严谨的调试手段 是基础 而严格执行科学的治理和维护制度是保障 只有这些工作做好了 电除尘 器才能真正发挥其可观的环境效益 经济效益和社会效益 电除尘器原理及控制系统 2 2 电除尘器简述 电除尘器是含尘气体在通过高压电场电离 尘粒荷电在电场力作用下 尘粒沉 积于电极上 从而使尘粒与含尘气体分离的一种除尘设备 能有效地回收气体中的 粉尘 以净化气体 使用条件合适 其除尘效率可达 99 甚至更高 目前在化工 发电 水泥 冶金 造纸和电子等工业部门已得到广泛应用 2 1 电除尘器概述 自 1906 年 F G Cittrell 第一次将电除尘器应用于工业生产以来 已有 90 余年历 史 20 世纪 50 年代以前 虽有为数众多专家学者对其理论研究和实践应用作了大 量工作 但受当时条件 如供电机组和绝缘材料的可靠程度 技术和经验积累等 限制 在较长时期内进展缓慢 只是在最近二三十年来 随着工业化水平不断提高 对环境保护要求日趋严格 以及人们对净化空气 保护环境和回收有价金属粉 烟 尘以充分利用矿物资源有了进一步认识 理解和重视 特别是高压供电设备不断完 善 绝缘体耐高电压 耐高温研制成功与不断提高 机械化制作极板极线设备问世 和生产工艺确立 电除尘技术有关学术活动不断增多 以及实践经验不断丰富等 电除尘技术才得到非常迅速发展 当前 理论研究是以美国为中心 试图对 Deutsch 所代表的传统除尘效率计算 理论有所突破 迄今为止 许多学者所提出的实验或经验式 都是对 Deutsch 式的 修正 而这些修正式 只能适用于某些特定条件 在生产实践方面 西欧处于领先地位 近年来日本着重对电除尘设备的结构 诸如电极形式 振打方式 气流分布 供电方式 控制方法 绝缘形式及材料 故 障排除等等 以谋求制造出除尘效率高 不需维护或少维护的电除尘设备 即一次 安装投产后 能满足工艺要求地使用到设计服务年限 2 2 电除尘器结构简述 2 2 1 电除尘器的本体 电除尘器本体主要部件包括 烟箱系统 电晕极系统 收尘极系统 槽形板系 统 储灰系统 壳体 管路 壳体保温和梯子平台等 图 2 1 为电除尘器结构图 电除尘器原理及控制系统 3 1 灰斗 2 电场 电晕线和集尘板 3 出气口 4 振打系统 5 高压电极 6 壳 体 7 进气口 8 支架 9 绝缘板 图 2 1 电除尘器结构图 1 烟箱系统 烟箱系统包括进气烟箱和出气烟箱两部分 进气烟箱是烟道与电场之间的过渡 段 烟气经过进气烟箱要完成由进气烟箱的小管道截面到电场大截面的扩散 此时 保持烟气流速 流场分布均匀性的平衡过渡显得尤为重要 因此 为了达到整个电 场截面上气流分布的均匀 进气烟箱采用喇叭形 并在其中装有两层以上的气流均 布板 同时在进气烟箱上要有对湿度 温度 流速 动静压及含尘浓度等进行监测 的监测孔 出气烟箱是已经净化过和烟气由电场到出气烟道的过渡段 这里对气流 分布的要求比较低 只需注意不要因为烟气流速的急剧变化对电场内的气流分布造 成大的影响就可行了 2 电晕极系统 电晕极系统是产生电晕 建立电场的最主要构件 决定了放电的强弱 影响烟 气中粉尘荷电的性能 直接关系着除尘效率 另外 电晕线的强度和可靠性也直 接关系着整个电除尘器的安全运行 所以电晕极系统是电除尘器设计 制造和安装 电除尘器原理及控制系统 4 的关键部件 必须选配良好的线型 合理的结构和适宜的振打 安装时要保证严格 的极间距 保证整个电晕极系统与电除尘器其他部件良好的绝缘性能和足够的放电 距离 实际运行中常发生电晕极系统因振打 热膨胀 积灰等造成极板或极线略发 生变形而引发极间距变化的故障 其在运行中的直接表现就是二次电压升至较低电 压便发生闪络 无法使二次电压保持较高水平 除尘性能恶化 3 收尘极系统 收尘极系统是由若干排极板与电晕极相间排列 与电晕极共同组成电场 是粉 尘沉积的重要部件 直接影响着电除尘器的效率 收尘极一般由钢材轧制 4 槽形板系统 排列在最后一个电场的出口端 较常见的形状为 形与 形钢错落组成 的类似百叶窗的装置 其原理是利用烟气中残余粉尘的惯性力对逸出电场的尘粒进 行再捕集 同时还具有改善气流分布和控制二次飞扬的功能 所以对提高除尘效率 同样具有显著作用 5 储灰系统 储灰系统的功能是把从电极上落下来的粉尘进行集中 并经排灰系统送到其他 装置中去 一般集灰斗为四棱台状或棱柱状 四棱台状灰斗多采用星形排灰阀顺序 定时排灰 棱柱状灰斗多采用链式输送机连续排灰 电除尘器的储灰系统事故较多 特别是定时排灰的灰斗 往往由于灰斗积灰过满造成电晕极接地 连续排灰的灰斗 积灰太少或斗壁密封不严会使空气泄入引起二次飞扬 此外 如果下部排灰装置能 力不够也容易引起运行故障 灰斗倾角过小或斗壁加热保温不良 会造成落灰不畅 甚至结块堵塞 所以储灰系统的设计 制造和安装都应引予以足够重视 为了保证 灰斗的安全运行 有的电除尘器还采用了灰斗加热 蒸汽加热 电加热或热风加热 装置和料位显示 高低灰位报警等检测装置 为了防止气流半旁路 在灰斗中要设 置若干块阻流板 6 壳体 壳体可以分为两部分 一部分是承受电除尘器全部结构重量及外部附加荷载 北方地区还须考虑冬季雪载 的框架 另一部分是用以将外部空气与电除尘内部 隔开 独立形成一个电除尘环境的墙板 现代电除尘器几乎都采用钢质壳体 壳体 也有用钢筋混凝土或砖砌筑的 当捕集高温及腐蚀性较大的烟气时 则采用瓷砖或 铅板作内衬 一般壳体耗钢量占除尘器总钢量的 1 5 1 3 所以是影响电除尘器经 济性的重要因素 壳体不仅要有足够的风度 强度及严密性 而且要考虑工作环境 下的耐腐蚀性和稳定性 因为在运行前后 电除尘器各构件受热要发生变形 所以 电除尘器壳体下部的支座不能都与基础固定 而是只有一点固点 其余各点采用各 种形式的活动支座 使其沿指示方向滑动 1 电除尘器原理及控制系统 5 2 2 2 电除尘器的电气部分 高压供电系统一般分布于电除尘器的顶部 一般为一个电场一套对应一套高压 供电装置 通过除尘器顶部的绝缘子箱与电晕极相连 低压控制系统即为在集控制 室的各个控制柜 与高压供电系统相对应 低应控制系统同样为一个电场对应一套 低压控制系统 一般提到的电除尘器供电控制系统即为高压供电与低压控制的总称 两者不可分割 1 高压供电 电除尘器的电源控制装置的主要功能 是根据烟气和粉尘的性质 随时调整供 给电除尘器的最高电压 使之能够保持平均电压稍低于即将发生火花放电的电压 即伴有一定火花放电的电压 下运行 国内通常采用的可控硅自动控制高压硅整 流机组 由高压硅整流器和可控硅自动控制系统组成 可将工频交流电变换成高压 直流电并进行火花频率控制 长乐电厂的火花频率约控制在 600 次 小时 2 低压控制 电除尘器低压控制装置包括温度检测和恒温加热控制 振打周期控制 灰位指 示 高低位报警和自动卸灰控制 检修门 孔和柜的安全连锁控制等 这些都是保 证电除尘器长期安全可靠运行所必不可少的 电除尘器原理及控制系统 6 3 电除尘器主要部件及设计 3 1 电除尘器的主要部件 其主要部件有集尘板 电晕线 进气烟箱与出气烟箱 灰斗 气流均匀分布 板等 3 1 1 集尘板 小型管式电除尘器的集尘板为直径 15cm 长 3m 左右的管 大型的直径可增大 到 40cm 6m 每个除尘器所含积尘管数目少则几个 多则可达 100 个以上 板式电除尘器的集尘伴垂直安装 电晕极至于相邻的两极之间 集尘板长一般 为 10 20cm 高 10 15m 板间距 0 2 0 4cm 处理气量 1000 立方米每秒以上 效 率高达 99 5 的大型除尘器含有上百对极板 对极板的要求如下 1 具有良好的电性能 2 具有良好的电晕放电性能 么有锐边 也没有阿玛尼芒刺 不产生尖 端放电 3 具有良好的振打传递性能 振打加速度分布均匀 4 具有良好的防止二次飞扬的性能 5 制造方便 钢耗少 重量轻 集尘板结构型式很多 常见的几种型式如图 3 1 极板两侧通常设有沟槽和挡 板 既能加强板的刚性 又能防止气流直接冲刷板的表面 从而降低二次扬尘 a 平板形 b Z 形 c C 形 d 波浪形 e 曲折形 图 3 1 集尘板的结构型式图 电除尘器原理及控制系统 7 本次设计采用的为 C 型板 其具有如下特点 1 防止气流直接吹到极板表面 2 导电性能好 有足够的强度 3 板面的振打分布均匀 粉尘二次飞扬少 4 通常采用普通的碳素钢 通常为 1 2 1 5mm 5 重量轻 耗钢少 常规电除尘器的集尘板的间距通常采用 300mm 国内 外研究结果表明 加大 极板板间间距 增大了绝缘距离 可以抑止电场火花放电 同时可以提高电除尘器 的工作电压 增大粉尘的驱进速度 另外还可使电极板面积也会相应减小 由于这 种除尘器的工作电压比常规的高 故称为宽间距超高压电除尘器 宽间距电除尘器 的极板间距一般为 400 600mm 根据目前的试验研究 采用 400mm 为好 其工作电 压为 120 180kV 这种除尘器目前已在电站 水泥等行业应用 3 1 2 电晕线 电晕线形式很多 目前常用的有直径 3mm 左右的圆形线 星形线及锯齿线 芒刺线等 其形状如图 3 2 电晕线固定方式有两种 一种为重锤式 重锤重量为 5 10kg 另一种为管框绷线式 a 圆形 b 星形 c 芒刺角形 图 3 2 电晕线形式 对电晕线的一般要求是 起晕电压低 电晕电流大 机械强度高 能维持准 确的极距以及易清灰 本次设计采用的电晕线为芒刺电晕线 其优点为 起晕电压低 强度好 不 电除尘器原理及控制系统 8 易变型 对烟气的适应性强 成本低 安装方便 因此 其性能很好 集尘极与电晕极的配置 目前电厂多采用集尘极高度大于电晕极 而电晕极的宽度大于集尘极这种形式 这种配置形式饿电晕极多制成框架式 电晕极的振打可以设置在框架中部 有较好 的清灰效果 其缺点是 除尘器的长度较大 3 1 3 集尘极及电晕线的振打 集尘极板表面上的粉尘清除 以及电晕线上的粉尘清楚 靠对其进行周期性振 打 并使其产生一定的振打加速度实现 振打周期 频率和强度与含尘气体 粉尘 性质 电除尘器的结构形式等很多因素 集尘极一般采用间歇振打 振打频率为每 分钟 4 8 次 振打周期随气体含尘浓度而定 集尘板的振打结构有捶打机构 电磁振打等结构形式 电磁振打装置由于结 构复杂 目前工业上很少使用 而绕臂锤击结构简单 运转可靠的优点 被国内外 的电除尘器广泛使用 3 1 4 进气烟箱和出气烟箱 电除尘器的进出气烟箱通常做成喇叭形 当进口烟气含尘浓度较高时 进气箱 下部需设置灰斗 以避免由于分布板分离出的大量粉尘在进气箱底板动堆积或大量 流入第一电场前的振打装置 采用水平进气方式 由于含尘浓度较高 采用双进风口装置且在进气烟箱下部 设置灰斗 出气烟箱断面面积与进气烟箱相同 在出气烟箱设一槽形板以减小气流 的回旋涡流作用 3 1 5 气流分布板 电除尘器内气流分布对除尘器效率具有较大影响 为了减少涡流 保证气流分 布均匀 在进出口处应设变径通道 进口变径管内应设有气流分布板 最常见的气 流分布板有百叶窗式 多孔板分布格子 槽型钢式和栏杆型分布板等 而以多孔板 使用最为广泛 通常采用厚度为 3 3 5mm 的钢板 孔径为 30 50mm 分布板层数为 2 3 层 开孔率需要通过试验确定 空隙率一般在 30 40 之间 3 1 6 灰斗和壳体 壳体多采用箱形的钢结构 仅仅在处理高压烟气时才做成圆柱形 壳体的顶盖 有户内式和户外式两种 规格在 10 平方米以上的电除尘器一般均设计成户外式 3 1 7 高压供电设备 高压供电设备提供离子荷电和捕集所需要的高场强的电晕电流 为满足现场需 电除尘器原理及控制系统 9 要 供电设备操作必须十分稳定 希望工作寿命在 20 年以上 通常高压供电设备 的输出峰值电压为 70 100kV 电流为 100 200mA 为使电除尘器能在高压下操作 避免过大的火花损失 高压电源不能太大 必 须分组供电 大型电除尘器常常采用 6 个或更多的供电机组 但是增加供电机组数 和增加电场分组数 必然增加投资 因此电场分组数的确定必须考虑保证效率和减 少投资两方面因素 2 3 2 电除尘器主要部件设计示例 已知其烟气量为 48m3 s 除尘需达到的效果为 93 含尘量 38g m3 驱进速度 0 13m s 1 烟气的预处理设计 由于烟气的烟尘浓度大雨 30g m3 达到 38g m3 为了保证后续电除尘器的正常 运转 必须对烟气进行预处理 或称前期处理或一级处理 在烟气进入电除尘器 之前 先设置一道惯性除尘装置 使烟气预处理后进入电除尘器 设计惯性除尘器 除尘效率 不小于 25 2 计算所需集尘板面积 A qvln 1 k 3 1 式中 驱进速度 m s A 总除尘面积 m2 k 储备系数 1 0 1 3 取 1 2 qv 烟气量 m3 s 除尘效率 A k 1178 31180m2 1 qLn 3 初定电场断面 F qv V 3 2 式中 F 初定电场断面 m3 V 电场风速 m s 此处假设电场风速 v 1 2m s F qv V 48 1 2 40m2 4 电场高度 当 F 80m2 h F 当 F 80m2 h 2 F 电除尘器原理及控制系统 10 式中 h 电场高度 m H 6 326 4mF40 5 电除尘器的通道数 N F 2s h 3 3 式中 2s 相邻两极板中心距 0 4m 将 N 调整为整数 当选用双进风口时 N 值应取偶数 N F 2s h 40 0 4 6 415 63 此处约整为 16 6 电场有效宽度 B有效 2sN 3 4 B有效 2sN 0 4 16 6 4m 7 实际电场断面 F h B有效 3 5 F h B有效 6 4 6 4 40 96m2 大于初定电场断面 此值可取 8 每个电场的长度 L A 2hNn 3 6 式中 n 电场数量 取 2 L A 2hNn 1180 2 2 88m2164 6 验证实际除尘面积 A实际及实际效率实际 A实际 2 3 7 NnLh 实际 1 e qv A 3 8 A实际 2m2 等于初设面积 采用 118088 2 24 6 实际 96 经验算 当实际除尘效率为 93 或 96 时 对电除尘器整体外形影响不大 故 接受上述数学计算 9 进气箱进气口面积 进气箱的进气方式采用水平进气 进气箱的尺寸按下式计算 电除尘器原理及控制系统 11 F0 Q V0m2 3 9 式中 F0 进气口面积 V0 进气口处的流速 m s 在电场的电除尘器设计中 进气风速可取 8m S 左右 F0 Q V0m2 48 8 6m2 10 进气箱长度 LZ 0 55 1 2 3 10 式中1 2 是 Fk及 F0处最大边长 m LZ 0 55 1 2 2 5m 11 进气箱灰斗 由于进气烟尘浓度较高 在进气箱末端须设置畜灰斗 设计安息角为 70 12 灰斗高 h1 1 732 B n1 B1 2 3 11 式中 h1 沿除尘器方向的斗数 取 2 B1 灰斗下灰口尺寸 mm 取 400mm h1 1 732 B n1 B1 2 1 732 6 4 2 0 4 2 2 43m 13 单区供电面积 Ai A实际 Ni 3 12 式中 Ni 供电分区数 取 2 Ai A实际 Ni 1180 2 590m2 14 气流分布板层数 当 6 F F0时 N 2 15 气体分布板开孔率 多孔板阻力系数与开孔率 f 间的关系由下式确定 0 707 1 f 21 f2 3 f 1 13 N0 Fk F0 2 n 1 3 14 式中 阻力系数 N0 气流在入口处按气流动量计算的速度场系数 对于直管 N0 1 2 n 多孔板层数 取 2 电除尘器原理及控制系统 12 7 2 F 0 32 16 初定除尘率 0 93 17 斗排灰量 G0 3Qq入 n1 3 15 式中 q入 粉尘进口浓度 g m3 Q 烟气量 m3 h 当采用角锥形斗时 近似取 0 9 n1 为沿除尘器方向的斗数 取 2 G0 3Qq入 n1 3 4 3 324t h 38 75360048 9 0 根据计算结果 对计算结果运用 AUTOCAD 进行构造示意图 如图 3 3 和 3 4 图 3 3 电除尘器设计示意图 侧视 电除尘器原理及控制系统 13 图 3 3 电除尘器设计示意图 正视 电除尘器原理及控制系统 14 4 电除尘节能控制系统总体方案 4 1 概述 随着人类环境保护意识的增强 电除尘器因为高效率 低能耗而得到越来越广 泛的应用 就其控制方式而眼 因具体应用场合不同而形式各异 难以用一种固定 的配置覆盖各种各样的设计 因此 如何提高电除尘器系统的自动化水平及控制能 力 同时使产品的设计 制造更加灵活 工作量减少 是一个很有显示意义的课题 计算机技术 电力电子技术 网络通讯技术 自动控制技术等的发展 使得单台 微机控制的电除尘器高 低压设备通过通讯电缆组成工业控制网络 实现集散控制 的设想成为可能 电除尘器节能控制系统实现了电尘尘器工艺过程的自动控制 智能化闭环控制 网络化通讯和数据库管理 使得电除尘器不仅在设备的技术水平上 而且在生产运 行管理和设备维护上跟上了世界最新的科技发展趋势 享受计算机技术革命 Internet 浪潮带来的便利 采用 分散控制 集中管理 的原则 将分散在工业 现场的电除尘器各电场供电电源 低压配套设备的控制处理连接成一个分布式网络 对电除尘器实施远方监控 实现遥控和集中管理 大大提高电除尘器的效率和工作 质量 减少操作人员 降低运行维护费用 提高运行管理档次 4 2 电除尘器节能系统的主要功能 4 2 1 数据显示及参数设定 主机应从下位机获得电除尘设备的运行参数和状态信息 通过各种点检测装置 得浊度信号 锅炉信号 温度 压力和其他电除尘器的运行 管理密切相关的参数 在系统软件的管理下 生成运行报表 运行趋势 报警记录 并能以图形 表格 曲线 文本等方式进行存储 显示和打印 记录历史运行参数主要包括高压运行参 数 各电场的伏安特性曲线 所有高低压设备的故障报警 所有高低压设备的启停 高压投运率 各电场运行功率及总功率 各浊度仪的浊度值 用户操作 系统投运 情况等 以上各种记录均自动完成 可以随时提供用户查询 追踪设备的运行情况 为维护和检修设备提供依据 伏安曲线保存 可供用户对不同阶段的电场特性进行 比较 可按时间 各电场等多种方式进行查询浏览 并存档打印 对于故障的历史 记录 可按故障发生的时间 类型 发生的频繁次数查询 并进行统计 可将选定 范围内的记录进行打印 对相关的数据可做出日报表 月报表 季报表 年报表等 还可对数据进行统计 如设备的投运率 出现的故障次数 开机和停机时间等 生 电除尘器原理及控制系统 15 成显示运行趋势曲线 报警记录并以图形 表格 曲线 文本等或按用户要求打印 输出 主要曲线有 伏安特性曲线 各电场电流及电压曲线 出口粉尘浓度曲线 各加热点温度曲线 除尘效率曲线 电压 电流的重复波形与瞬时波形 提供更多 的信号量用语专家对故障进行分析处理等 另外 系统可自动显示记录各设备的运 行参数和工作状态并六下历史挡案 这些记录为设备运行状态评价和检修工作提供 了很好的帮助 针对不同要求可以对数据进行实时曲线显示或历史曲线显示 并可 用不同的图线类型显示出来 如二维曲线图 柱状图 三维立体图等 系统还提供 数据压缩功能 节省磁盘空间 改善系统性能 3 4 2 2 专家系统故障诊断 以信号监测量为基础 以知识库为依据 按照一定的推理机制 提供一套诊断 型专家系统 首先建立预报算法对一些重要的运行参数进行在线检测 当检测值异 常时可调用专家系统进行实时诊断 或者当电除尘设备发生故障时 该系统能及时 发出警报 同时调用知识库里的相关内容 帮助用户分析故障原因 指导运行维护 人员及时判断和解决故障 并且将故障发生时间 类型 原因及解决方案存入故障 库 供以后查询 利用诊断的结果 及时给运行人员一些必要的提示和操作指导 这对于防止设备在运行过程中由参数异常变为事故 或者避免事故进一步扩大是很 有必要的 该系统还可以对事故或故障原因进行分析 并给出解决办法 同时使运 行人员从中学习达到专家系统的推理过程 用以提高运行人员的水平和技能 电除尘器故障诊断步骤是 通过后台调用电除尘器实时参数 经过一定的推理 机制和调用专家知识库中的理论知识判断电除尘器是否正常工作 如果有异常现象 则会通过故障图标显示出来 此时点击故障界面可以知道具体的故障原因和处理方 法 推理机制和专家知识的调用采用动态连接库 该库采用 VC 语言编写 将推理 机理与专家知识相结合 进而形成动态连接库 被该系统调用 具体如图 4 1 4 电除尘器原理及控制系统 16 图 4 1 专家系统故障诊断系统 4 2 3 参数的综合优化功能 系统可自动测试电场动态伏安曲线 自动分析电场内部工况特性 检测反电晕 程度和放电能力 通过分析可选择最佳工作方式和振打程序 实现优化控制 实现以提高除尘效率为目的的整体参数优化设计出效率优化模型 以浊度仪传 送过来的浊度信号为反馈信号 对高压供电 低压振打优化组合 防止粉尘二次飞 扬 1 电机振打最优化控制为防止二次扬尘 提高除尘效率 减少振打能量损耗 可 以选择振打最优化控制 当选择振打最优化控制程序时 系统根据出口烟道浊度 数值和有关参数自动调整振打周期 时间或强度 振打时序图可由系统 CRT 显示 据此来综合判断振打效果 最后自动调整到最佳的振打控制方式 2 断电或减少供电功率振打根据工况及粉尘性质当启动振打 可自动关闭或减小 相应的高压供电装置的供电功率 振打过后恢复正常供电 保证除尘效率前提下 的节能以烟道浊度为反馈信号的闭环控制的能量管理系统可根据电除尘器出口烟 尘排放浓度反馈信号 通过高压控制柜自动调整 T R 设备输出功率 在保证烟尘 排放达标基础上 降低输入电量 节约电耗 系统可通过设定对话框和能量设定 滚动条 较容易地完成能量升降点和幅值的调节与设定 4 2 4 其他功能 除上述主要功能之外 系统还提供一些其他常用功能 包括系统启动自检查功 能 通讯和网络功能 操作权限管理功能 设备启 停及手动 自动 远动操作功 能 控制参数的设定功能 运行状态显示及工作方式调整功能 缺省值库管理功能 事件报警功能 帮助功能 统一网络时间功能和系统组态功能等 4 3 电除尘器节能控制系统构成 电除尘器节能控制系统由一台工业控制机和一定数量的远程计算机终端等组成 上位机控制系统 由电除尘器高 低压控制设备及烟尘检测仪组成下位机控制系统 各下位机设备通过扩展的以太网接口实现与上位机联网 工控机通过以太网监控各 下位机的运行 上位机通过除尘器出口的粉尘浊度检测仪测量信号 以及下位机提 供的电场动态伏安曲线图 实时波形等构成电除尘器的闭环控制 实现除尘器最优 化运行 各下位机设备既可在上位机监控下运行 又可脱机自动运行 并且所有运 行参数可在本地或远方进行设定 最终实现下位机实时分布控制和上位机集中管理 与优化控制 同时 工控机以 OPC 方式与电厂 DCS 联网 实现电厂管控一体化 远 程计算机终端通过特定客户端软件 与现场控制机上运行的服务器程序互联 便可 电除尘器原理及控制系统 17 实现远程监控和技术支持 控制全部电场的中央机控制器系统 包括一台工业控制机 显示器 UPS 电源 打印机和操作键盘等 是该控制系统的中心 接受下位机的信号 除显示 打印 存储外 还按程序要求监控下位机运行方式和数据 主控机抗干老能力强 具有容 量大 防尘 防震等功能 采用多处理器构建高起点 大资源的硬件平台 有效地解决了制约系统性能提 高的两个问题 一是将高低压控制功能合一后 由于装置控制对象的增加 客观上 对系统硬件的处理能力有更高的要求 采用多处理器构建高起点 大资源的硬件平 台 有效地解决了系统性能提升的硬件瓶颈问题 二是电除尘器电源从本质上来讲 是一个实时控制系统 控制的实时性是系统重要的性能指标 例如 火花的捕捉和 处理对电除尘器电源来讲是非常重要的控制内容 当电厂内产生火花后下一个供电 半波的供电电压 如果电除尘器电源设备没有捕捉到火花的产生或没有及时处理 将有可能在电场内产生拉弧 对本体和电源设备产生危害 控制方法如图 4 2 图 4 2 电除尘器控制系统示意图 4 3 1 数字信号处理 从提高整个系统的控制实时性和可靠性的角度出发 将除尘器的控制器分解成 高低压设备控制模块和人机交互控制模块两个部分 各部分严格分工 各司其职 并独立地进行设计 高低压设备控制模块采用 TI 公司的 DSP 处理器 专门用于电 除尘器高压供电和低压设备的控制 工作的实时性非常强 该模块运行于高速状态 负责初级电压电流 次级电压电流 温度 放电火花及偏离磁等信号的采集处理 及相关控制算法的实现 输出的控制信号控制可控硅导通角的大小 人机交互控制 模块采用 ARM 处理器 用于处理模式选择 数据存储 网络通讯 实时时钟等事务 相对来说工作的实时性要求较弱 该模块可工作于较低速度状态 DSP 控制器设计 电除尘器原理及控制系统 18 如图 4 3 图 4 3 控制器 DSP 部分设计方案 4 3 2 微控制器 人机交互部分 在 ARM 处理器外围扩展以太网控制芯片 并移植 TCP IP 网络 协议栈 构建以太网服务器端 上位机通过软件的编写 运用 socket 模块 构建 以太网客户端程序 由此通过以太网这样物理连路使得上位机和控制器之间建立连 接 通过显示器设备将控制器采集到的实时数据 运行参数及控制器信息传递给用 户 用户可以通过键盘 鼠标等输入设备设置参数 传递指令 ARM 控制器设计如 图 4 4 5 图 4 4 控制器 ARM 部分设计方案 电除尘器原理及控制系统 19 5 电除尘器软件模块设计 5 1 数据测量与信号处理 电压电流的测量及参数的设置 其中实时测量值包括一次电源端电压有效值 电流有效值 电流平均值 有功功率 实际功率 二次电源端电压平均值 电压峰 值 电压谷值 电流平均值和电流密度 二次电压各参数如图 5 1 图 5 1 二次侧的电压蜂值 平均值和谷值 一次侧电源输入为 380V 交流 50Hz 工频电压 由两个反极性并联的可控硅控 制触发 即对每个半波进行控制 控制周期缩短为 10ms 兼顾到波形拟合性和计 算的便利性 选取采样点数为每个半波 64 个点 即每 10ms 采样 64 个点 采集数 据包括一次侧电压 电流和二次侧电压 电流 统计完每个半波的数据后 在对 128 个半波的数据进行累加求和 统计后的数据上传到上位机 供有关技术人员监 控 电除尘系统运行于复杂的工况环境 受外界信号干扰严重 需要对测量信号进 行滤波 1 一阶滞后滤波法 取 a 0 1 本次滤波结果 1 a a 本次采样值 上次滤波结果 对周期性干扰具有良好的抑制作用 适用于波动频率较高的场合 但相应滞后 灵 敏度低 滞后程度取决于 a 值大小 不能消除滤波频率高于采样频率的 1 2 的干扰 信号 2 加权递推平均滤波法 电除尘器原理及控制系统 20 即不同时刻的数据加以不同的权重 通常是 越接近现时刻的数据 权取得越 大 给于新采样值的权系数越大 则灵敏度越高 但信号平滑度越低 适用于有较 大纯滞后时间常数的对象和采样周期较短的系统 但对于纯滞后时间常数较小 采 样周期较长 变化缓慢的信号不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度 滤波效 果差 在控制系统中 需要对测量值进行加权递推平均滤波法 设计中选取 N 4 保 存最近 4 个点的值 权重取 1 2 1 4 1 8 1 8 3 防脉冲干扰平均值滤波法 在脉冲干扰比较严重的场合 若采用一般的平均值法 则干扰将 平均 到计 算结束 故平均值法不易消除由于脉冲干扰而引起的采样值偏差 防脉冲干扰平均 值法先对 N 个数据进行比较 去掉其中的最大值和最小值 然后计算余下的 N 2 个 数据的算术平均值 具有计算方便 速度快 存储量小 减少脉冲干扰等特点 在火花发生的时刻 由于二次电压瞬时下降为 0 二次电流出现了巨大的跳变 比正常值偏高很多 因此需要采用防脉冲干扰平均值滤波对二次电流进行滤波 才 能获得正确的火花电流值 8 5 2 可靠性处理 5 2 1 系统自检概述 电除尘控制系统的可靠性是十分重要的 电除尘系统的失误往往会引起生产停 顿 甚至造成事故而电除尘系统一般是安装在工作现场 条件相对恶劣 干扰较强 接地情况复杂 温度湿度变化大等 因此在设计软件时必须把系统的可靠性放在重 要位置 5 2 2 RAM 自检 系统中 RAM 是其中一个重要组成部分 RAM 的正常于否 直接关系到系统能 否正常工作 在系统开始正常工作之前 如能对系统 RAM 进行自检 则可有数地避 免因 RAM 失常对系统带来的损害 因此 对系统 RAM 进行自检是十分重要的 常用的方法有 方法 1 首先向整个数据区写入某一数据 再一一读出比较 若不一样 则出错 方法 2 在方法 1 中 并不能完全检查出 RAM 的错误 如 RAM 中某一位出现错误并使得 CPU 读出来的数据与进出的数据不一致 则用前面给出的程序是不能检查出来的 准确的方法是分两步来检查 先后向整个数据区分别写入 5555H 和 AAAAH 再先 电除尘器原理及控制系统 21 后读出比较 若不一样 则说明出错 方法 3 采用方法 2 能够检查出 RAM 本身的缺陷及数据线 片选线和读 写信号线等出 现错误的情况 但在许多情况下对地址线发生断路的错误是无能为力的 先用方法 2 中的程序检查无误后 再向第 0 个单元写入立即数 00H 向第 1 个 单元送 0001H 第 256 个单元写入立即数 00ffH 直至写完整个 RAM 然后每 256 个 单元为一组 从 RAM 中读书数据后并检验累加和是否等于 32640 如不等 则说明 低位地址线有错 如果全部相符 则在作进一步检查 以 256 个单元为一组 在第 一组所有单元都送立即数 00H 在第二组的所有单元都送立即数 0001H 最后一组 所有单元都送立即数 00ffH 然后在每组中任取一个单元的数作累加和 如果累加 合等于 7FS0H 则说明高 8 位地址线无误 否则 即说明高 8 位地址线有错误 9 综合以上 3 种方法的特点 按方法 3 进行 RAM 的自检 如图 5 2 图 5 2 RAM 自检流程图 5 2 3 Watchdog 复位 Watchdog 的结构是一个 定时器 工作时一旦启动 就必须在溢出前对其复 位 否则将产生溢出信号 通常以该溢出信号作为系统的复位控制信号并与系统的 RESET 引脚相连 根据其原理 在软件设计时 设置启动 WTD 指令 然后在程序适 当的位置插入 WTD 的复位指令 当指令正常运行时 由于喂狗指令对 Watchdog 的 电除尘器原理及控制系统 22 复位作用 使其不会溢出 当 CPU 被干扰时 由于程序跑飞 Watchdog 不能及时 被喂狗指令复位 而 Watchdog 产生溢出使系统复位 从而使 CPU 恢复正常的状态 在 DSP 系统中 配置看门狗定时器溢出时间为 500ms 选择程序模块的执行时 间小于 500ms 并在程序模块之间加入喂狗指针 其原理图如图 5 3 所示 图 5 3 看门狗实现框图 5 2 4 FRAM 自检 铁电存储器 FRAM 将 ROM 的非易失性数据存储特性和 RAM 的无限次读写 高 速读写以及低功耗等优势结合在一起 FRAM 通过实时存储数据解决了突然断电数 据丢失的问题 参数存储用于跟踪系统在过去时间内的改变 目的包括在上电状态 时恢复系统状态或者确认一个系统错误 在工业控制中 FRAM 被广泛用于参数存储 因此 对 FRAM 的自检也十分重要 一旦出错 将使控制参数获得非法值 对控制系统造成严重的后果 上电之前 需 要对各个重要控制参数进行范围性的检验 出错则报错 5 2 5 A D 自检 A D 的自检也十分重要 关系到控制的精度 一旦 A D 采样不准确 将影响整 个控制系统 严重的可能引发事故 在 DSP 的 A D 中 2 个通道介入 2 个基准源 一个为 1V 一个为 2V 如果采样 电除尘器原理及控制系统 23 值在标准值的 10 的范围 则正常 5 3 故障与报警 电除尘器结构复杂 运行的工况也是瞬息万变 万一出现故障 检修困难大 如果能够设计一套完善的故障检测 报警提示系统 将在工作上给工程技术人员及 电除尘器维护人员带来极大的方便 控制器设计了两类报警 警告报警和跳闸报警 当控制器检测到有一个或多个 非严重的事件发生时发出相应的警告报警信息 同时警告报警输出有效 ALARM 灯 闪烁 警告报警不影响控制器正常运行 当控制器检测到一个或多个严重的事件时 会发出跳闸报警信号 同时控制器切断主回路接触器 跳闸报警输出有效 ALARM 灯常亮 控制器能检测多达数十种的报警 大大增加了系统的可靠性和稳定性 部分故障的判别方法 1 输出开路 输出开路处理以二次电流和二次电压为判断依据 在 5S 时间内 二次电压大于设定值 则判断为输出开路 2 输出过流 过流处理以一次电流为判断依据 在 1S 时间内 当一次电流大 于设定值 则判断为输出过流 3 可控硅温度过高 以可控硅温度传感器信号为判断依据 分为跳闸和报警 两种 4 输出欠压 输出欠压 处理以二次电压为判断依据 在 20S 时间内 二次 电压低于设定值 则判断为输出欠压 5 可控硅不平衡 在 1S 时间内 A 相的电流值明显比 B 相的电流值偏大 或 者 B 相电流值明显比 A 相的电流值偏大 则可判断为可控硅不平衡 6 A B 相不导通 处理以二次电流为依据 当导通角输出到一定值后 A B 相 电流近似于 0 而 B A 相电流超过一定的阀值 则可判断为 A B 相不导通 5 4 通信协议 在数据通信过程中 ARM 与 DSP 是双口 RAM 进行数据交换 在通信的过程中 数据是按照帧为单位进行传输的 因此帧协议的有效设计成为通信可靠的关键 帧设计格式如下 1 数据帧头 SYN LEN LEN SYN 其中 SYN 为初始同步消息 值为定义好 的 8 位常数数据 LEN 为一个字节 用以说明除帧头以外的帧数据总长度 2 数据类型 指明数据包内信息的类型 共三个字节 第一个字节为数据包 电除尘器原理及控制系统 24 的方向 即上位