脫硫虛擬DCS仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：尾部煙氣脫硫技術(shù)是當(dāng)前使用最廣泛的脫硫技術(shù)，脫硫虛擬DCS仿真系統(tǒng)就是利用尾部煙氣脫硫技術(shù)來達(dá)到脫硫的效果，如何合理、高效地運(yùn)行該系統(tǒng)直接關(guān)系到電廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和環(huán)境保護(hù)。基于此，文章主要結(jié)合實(shí)例對(duì)脫硫虛擬DCS仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：脫硫；虛擬DCS仿真系統(tǒng)；尾部煙氣脫硫技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2012）25-0026-03

仿真系統(tǒng)能較為真實(shí)地模擬脫硫工藝中主要的工作過程，包括煙氣系統(tǒng)、吸收塔系統(tǒng)、GGH系統(tǒng)、石灰石制漿系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)以及廢水處理系統(tǒng)等。整個(gè)仿真系統(tǒng)以局域網(wǎng)絡(luò)為硬件基礎(chǔ)，以實(shí)際DCS操作和顯示為人機(jī)界面，能真實(shí)模擬脫硫系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，能為運(yùn)行人員模擬操作和故障分析提供一套有效的虛擬操作工具。

1 工程概況

該脫硫工程DCS采用某品牌的DCS控制系統(tǒng)。脫硫工程DCS控制范圍包括煙氣系統(tǒng)、GGH系統(tǒng)、石灰石漿制備系統(tǒng)、吸收塔系統(tǒng)、脫水系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)。脫硫裝置自投運(yùn)以來，F(xiàn)GD系統(tǒng)的自動(dòng)控制和監(jiān)視能夠在脫硫系統(tǒng)控制室操作員站上完成，滿足各種運(yùn)行方式下FGD的啟動(dòng)、停機(jī)、正常運(yùn)行。在進(jìn)行故障情況的處理時(shí)，只需有少量的現(xiàn)場人員配合。

2 脫硫虛擬DCS仿真系統(tǒng)概述

要想實(shí)現(xiàn)脫硫虛擬DCS仿真，就必須跟實(shí)際脫硫DCS的控制算法模塊以及相關(guān)組態(tài)數(shù)據(jù)的識(shí)別和編譯緊密聯(lián)系，建立脫硫虛擬DCS仿真系統(tǒng)的運(yùn)行平臺(tái)。脫硫虛擬DCS仿真系統(tǒng)是開發(fā)并且運(yùn)行于開放的計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)上的，所以能夠和真實(shí)的脫硫DCS系統(tǒng)連接在一起，還能夠跟過程數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)共同閉環(huán)運(yùn)行，除此之外還可以跟SIS系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)或者是歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，這些不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)運(yùn)行工作人員的培訓(xùn)，還可以對(duì)熱控人員進(jìn)行培訓(xùn)，能夠進(jìn)一步優(yōu)化并改進(jìn)系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)故障、改進(jìn)系統(tǒng)的具體操作方案、進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的回放和事故的重演、檢查并且驗(yàn)證操作是否符合規(guī)程等，可以說包括了多種復(fù)雜的虛擬DCS仿真應(yīng)用功能。如下圖1所示為虛擬DCS仿真軟件模型。

圖1 虛擬DCS仿真軟件模型

3 脫硫虛擬DCS仿真系統(tǒng)中主要的硬件構(gòu)成

3.1 主機(jī)兼教練員臺(tái)

主機(jī)兼教練員臺(tái)也就是我們所說的仿真服務(wù)器，能夠?qū)φ麄€(gè)仿真系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控。并且在該服務(wù)器中集成了過去仿真機(jī)具有的模型機(jī)以及仿真控制站等功能，主機(jī)兼教練員臺(tái)里的仿真控制站是整個(gè)仿真系統(tǒng)中的核心部分，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)和通訊的管理、通訊的控制、模型的運(yùn)算等，還可以顯示出系統(tǒng)的具體工作狀態(tài)。

3.2 虛擬DPU

在虛擬DPU上面運(yùn)行著DCS系統(tǒng)中的全仿真模型，這個(gè)仿真模型主要是通過網(wǎng)絡(luò)的方式與對(duì)象模型進(jìn)行交流，具有DCS控制策略的功能。

3.3 工程師站

工程師站的主要功能是對(duì)模型進(jìn)行開發(fā)、修改、調(diào)試以及相關(guān)的維護(hù)，除此之外還可以設(shè)定DCS仿真系統(tǒng)具體的組態(tài)和運(yùn)行參數(shù)。

3.4 操作員站

在DCS操作站中運(yùn)行著跟實(shí)際脫硫DCS操作畫面一樣的軟件，主要是通過網(wǎng)絡(luò)的方式跟服務(wù)器上面的模型以及虛擬DCS站中的模型進(jìn)行交流，并且采用的操作方式跟現(xiàn)場是一致的，可以對(duì)操作員進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。

3.5 就地操作站

就地操作站上運(yùn)行有模擬實(shí)際脫硫就地操作的就地操作軟件，通過網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器上的模型軟件打交道。就地操作站是向培訓(xùn)人員提供就地操作訓(xùn)練手段的終端設(shè)備，它的主要特點(diǎn)就是仿真不在集控室進(jìn)行，而是在其他場所進(jìn)行的操作。

4 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

4.1 仿真支撐軟件

仿真支撐軟件（數(shù)據(jù)管理、模型管理、I/O管理）是支持仿真模型的建立、修改、調(diào)試、運(yùn)行、管理、輸出等模型開發(fā)全過程的系統(tǒng)軟件。它既是一個(gè)工具軟件，也是一個(gè)管理軟件，對(duì)整個(gè)仿真機(jī)的資源進(jìn)行協(xié)調(diào)和管理。

仿真支撐軟件支持在線和離線兩種建模方式。離線建模方式是指仿真機(jī)建模過程是在仿真機(jī)模型不運(yùn)行的條件下，在提供的支持環(huán)境下實(shí)施建模，在該方式下完成仿真機(jī)模型從無到有的過程。在線建模方式是指在仿真機(jī)全部模型建立之后，可在不停止仿真機(jī)模型運(yùn)行情況下對(duì)個(gè)別模塊或模型進(jìn)行更新、修改，無需編碼和編譯等復(fù)雜過程，這種手段極大地提高了模型的開發(fā)調(diào)試效率。

在該系統(tǒng)中主要應(yīng)用了最近幾年以來在國內(nèi)外都比較先進(jìn)的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，它通常會(huì)在微機(jī)系統(tǒng)Windows NT/2000/XP平臺(tái)上運(yùn)行。仿真支撐系統(tǒng)的界面非常友好，各種功能都很齊全，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和開放性。

4.2 模型軟件及其算法庫

運(yùn)用現(xiàn)代仿真技術(shù)，采用一組能夠描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)或運(yùn)行過程的數(shù)字模型，對(duì)脫硫全范圍的數(shù)學(xué)仿真。模型算法采用適合于科學(xué)計(jì)算的FORTRAN語言編制。該模型具有機(jī)理性強(qiáng)、速度快、精確度高、重復(fù)性好、靈活性大、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。為了便于軟件的維護(hù)，模型軟件具備模塊化的結(jié)構(gòu)，用戶可以方便地將實(shí)際物理設(shè)備及相互之間的連接關(guān)系描述出來，生成對(duì)應(yīng)的設(shè)備對(duì)象模型。

模型的建立采用的是模塊化建模方式。將機(jī)理一樣的設(shè)備（或功能、流程）歸為一類，用一段代碼來描述其共性部分，而將其特性部分分離出來，用若干個(gè)參數(shù)來標(biāo)志，描述其共性的這段代碼稱為算法。

4.3 控制邏輯組態(tài)軟件和人機(jī)界面軟件

仿真機(jī)系統(tǒng)的控制邏輯組態(tài)軟件和人機(jī)界面在圖形外觀上和操作機(jī)制上與參考機(jī)組完全相同。在完全不需要DCS硬件的基礎(chǔ)上，采用與實(shí)際DCS相同的網(wǎng)絡(luò)特性及邏輯組態(tài)和畫面組態(tài)程序，在PC機(jī)環(huán)境下就可以仿真運(yùn)行實(shí)際DCS的所有功能。仿真系統(tǒng)將采用與實(shí)際脫硫系統(tǒng)完全一致的DCS操作員站界面，如圖2所示：

圖2 控制邏輯組態(tài)軟件和人機(jī)界面軟件

4.4 教練員站軟件

教練員站軟件是控制仿真系統(tǒng)運(yùn)行、指導(dǎo)培訓(xùn)過程的關(guān)鍵軟件，是支撐軟件包的一部分，支撐軟件提供的所有功能都通過工程師和教練員站來體現(xiàn)的，是集中展現(xiàn)仿真機(jī)各項(xiàng)實(shí)用化功能的窗口。

4.5 操作員站軟件

操作員站軟件是用來仿真參考機(jī)組控制室內(nèi)各種監(jiān)視與操作控制設(shè)備，是對(duì)參考機(jī)組DCS系統(tǒng)和綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的“虛擬”。

4.6 就地操作臺(tái)軟件

學(xué)員為完成操作任務(wù)，除了必須在主控室內(nèi)進(jìn)行監(jiān)視操作外，還需要對(duì)控制室外的設(shè)備進(jìn)行操作和觀察。將這些室外設(shè)備作為對(duì)象加以仿真，由就地操作臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)。在該站畫面上，具有必要的監(jiān)視用系統(tǒng)圖和形象逼真的操作對(duì)象。

5 脫硫虛擬DCS仿真系統(tǒng)功能

5.1 性能計(jì)算

通過工程師站，可以讓仿真機(jī)自動(dòng)并且連續(xù)不斷地對(duì)脫硫性能的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，主要指標(biāo)包括水平衡、煙氣積累量、脫硫的效率、系統(tǒng)的耗電量、Ca/S比、GGH換熱率以及工藝水積累流量等，并且根據(jù)這些指標(biāo)對(duì)影響脫硫效率的各種因素進(jìn)行分析，確保系統(tǒng)能夠經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行。

5.2 運(yùn)行分析

通過計(jì)算和對(duì)比處在不同工況下、采取不同的操作手段的各項(xiàng)性能指標(biāo)，進(jìn)一步分析脫硫系統(tǒng)的具體運(yùn)行方式。除此之外還可以通過利用仿真裝置中的支撐軟件建立模型并檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停谟脩艏尤胄滤惴〞r(shí)進(jìn)行新技術(shù)的開發(fā)與新系統(tǒng)原理的實(shí)驗(yàn)等。

5.3 功能齊全

脫硫仿真機(jī)的操作員界面不僅跟實(shí)際脫硫界面完全相同，而且二者的工程師界面也完全相同。脫硫仿真培訓(xùn)環(huán)境還與實(shí)際脫硫具有很高的逼真度，所以它不但可以對(duì)脫硫人員進(jìn)行進(jìn)一步的培訓(xùn)，同時(shí)還可以對(duì)電廠熱工人員進(jìn)行有效的培訓(xùn)。

5.4 周期短

培訓(xùn)工作在電廠就可以直接進(jìn)行，不需要再將運(yùn)行人員派遣到其他地方，所以能夠有效縮短時(shí)間。

5.5 事故的仿真

在經(jīng)過非常多的事故工況，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行很好的處理之后，電廠脫硫值班人員才能夠積累豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，從而真正成為一名合格的值班員。

5.6 運(yùn)行分析

虛擬脫硫DCS具有的軟件結(jié)構(gòu)跟實(shí)際的完全一致，而在實(shí)際脫硫DCS過程中記錄下的事故都可以在虛擬DCS仿真機(jī)中展現(xiàn)出來，以此作為事故之后的分析數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行水平。

6 結(jié)語

在脫硫虛擬DCS仿真系統(tǒng)上會(huì)對(duì)脫硫系統(tǒng)做出下述幾個(gè)運(yùn)行優(yōu)化分析：對(duì)吸收塔系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化分析：在仿真分析試驗(yàn)中主要包括循環(huán)泵的運(yùn)行、氧化空氣量、pH值等的優(yōu)化分析；對(duì)煙氣系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化分析：在仿真實(shí)驗(yàn)中主要包括旁路擋板的運(yùn)行方式和開關(guān)時(shí)間運(yùn)行以及仿真分析、增壓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行優(yōu)化分析、GGH沖洗仿真分析、由于煙氣系統(tǒng)造成鍋爐跳閘現(xiàn)象的仿真分析和FGD仿真分析、煙氣系統(tǒng)的啟停程序的仿真分析等；漿液制備系統(tǒng)的運(yùn)行分析：主要包括對(duì)石灰石漿液的密度以及石灰石本身的密-度等進(jìn)行的仿真分析；廢水系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化：其中有廢水的具體排放量以及加藥量等的仿真分析。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡達(dá)清．石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置的DCS控制研

究[J]．能源工程，2009，（4）．

[2] 張東平，孫克勤，潘效軍，李乾軍．濕法煙氣脫硫吸收塔仿真模型開發(fā)及應(yīng)用[J]．環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2011，（3）．

[3] 張凱，賽俊聰，鄭鵬，吳少華．液柱射流式脫硫反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)研究[J]．電站系統(tǒng)工程，2007，（5）．

[4] 禾志強(qiáng)，祁利明．石灰石/石膏法脫硫效率分析[J]．電站

系統(tǒng)工程，2009，（6）．

作者簡介：戴時(shí)煒（1965-），男，浙江杭州人，浙江天地環(huán)保工程有限公司工程師，研究方向：環(huán)保工程設(shè)計(jì)、售后服務(wù)及調(diào)試。

（責(zé)任編輯：周加轉(zhuǎn)）