基于PROFIBBUS—DP的火電廠脫硫控制系統的設計

宋娟　李明　范友峰

摘要：針對當前我國火電廠脫硫技術自動化水平不高、脫硫率較低等問題，設計了一套基于PROFIBBUS-DP技術的火電廠脫硫控制系統，具有實時性強，能夠實現信息管理（MIS）和實時監控（SIS）等特點。應用于河南豫新發電廠，脫硫效率達到80%以上，實現了減排效果。

關鍵詞：PROFIBBUS-DP技術；脫硫控制系統；SO2濃度；PLC；減排

中圖分類號：TK323；X701.3 文獻標識碼：B 文章編號：0439-8114（2013）07-1666-03

隨著我國工業的迅猛發展，生產力水平得到了大幅提高，但大氣污染日益嚴重，空氣質量進一步惡化，已對人類的生存安全構成威脅。其中，環境酸化已成為當今世界嚴重的環境問題之一，SO2也成為我國大氣污染的重要來源。我國SO2的排放量中大約有90%來源于燃煤[1]，而電力生產主要是火電，占全國發電總量的75%左右，而火電中約85%又是煤電[2]。煙氣脫硫（FGD）是控制SO2排放最有效的途徑。針對我國火電廠脫硫技術自動化水平不高、脫硫率較低等問題，設計了基于PROFIBBUS-DP的火電廠脫硫控制系統，采用先進的半干法煙氣脫硫工藝，以PLC為控制核心，運用數字PID控制方法，通過工業網絡PROFIBBUS-DP實現上位機與下位機之間的通信，實現了火電廠脫硫的自動化控制。

1 煙氣脫硫系統工藝流程分析

目前世界各國已開發并應用的煙氣脫硫技術多達200多種，主要分為燃燒前脫硫、燃燒中脫硫和燃燒后脫硫3種[3]。結合中電投河南豫新發電廠新建2×300 MW煙氣脫硫工程的實際情況，設計采用循環懸浮式半干法煙氣脫硫工藝。該工藝主要以CaO作為吸收劑，與水混合制成石灰漿后以霧狀噴入反應器中與SO2充分反應。為了達到脫硫效果和整個脫硫系統的穩定運行，反應器內的溫度要保證在最佳反應溫度范圍內，反應器的壓差也要始終保持在負壓差。系統主要包括制漿系統、反應區、除塵系統3部分，工藝流程如圖1。該系統設計處理量為3 000 mg/m3，河南豫新發電廠1號機組排放煙氣參數如表1。經過煙氣脫硫系統煙氣排放符合《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011），SO2濃度小于200 mg/m3，灰塵濃度小于30 mg/m3[4，5]。

2 煙氣脫硫控制系統的選擇

隨著工業控制的迅速發展，傳統的集中分散型控制系統（DCS）仍然是模擬量處理，整個系統的測量精度、控制速度和自我診斷能力具有一定的局限性。目前，以現場總線構成的控制系統——現場總線控制系統（FCS）成為新一代控制系統，具有現場通信、開放式等特點。PROFIBBUS總線作為眾多現場總線技術之一，具有實時性強，能夠實現信息管理（MIS）和實時監控（SIS）等優點[6]。根據火電廠設備分散、工藝要求復雜等特點，提出一種以PROFIBBUS-DP總線為主的火電廠脫硫控制系統，結構圖如圖2。

3 煙氣脫硫系統硬件設計

3.1 系統硬件選型

結合煙氣脫硫系統工藝流程，考慮到發電廠的粉塵濃度高、噪聲污染相當嚴重等實際環境情況，上位機選用研華工控機PIC-610，其配置有5個PCI插槽，1個PCIE X1插槽，1個PCIE X16插槽，3個RS-232串口，1個RS-422/485串口。并且配有板卡固定條和防震托架，能夠承受惡劣環境中常見的沖擊、振動和塵土，非常適合于現場的實際應用。下位機選取西門子S7-300，該控制器具有模塊化擴展功能，設計緊湊，并有DP口可與現場總線連接。分析整個系統工藝流程，下位機輸入多為模擬量，輸出也有數字量和模擬量，考慮到I/O口余量，結合運行速度、通信接口等因素，選擇CPU314-2DP并擴展SM323 DI16/DO16bit、SM334 AI/AO4*12、SM331 AI8*12bit等輸入輸出模塊。

3.2 傳感器選型

整個煙氣脫硫系統需檢測量有煙氣溫度、SO2濃度、反應塔出入口壓力以及冷卻水和石灰漿液的流量、液位等。依據傳感器能夠與PLC連接方便，系統設計選擇HY-2100 投入式液位變送器、MF5000電磁流量計、SBWZ-2260熱電阻溫度傳感器、WT500-SO2檢測儀、FWP-T20X壓力變送器、WMY2012-B液位計。

4 系統軟件設計

4.1 上位機軟件設計

系統軟件包括上位機監控界面和下位機PLC控制程序兩部分。上位機采用WinCC組態軟件，是為了便于操作，能有效地進行人機對話[7]。監控界面主要由登錄界面、反應塔監控、脫硫準備、分離床料循環系統等監控界面組成。可以完成數據采集、數據處理、流程控制、數據顯示、過程報警等功能。煙氣脫硫系統各個環節的工藝數據以及運行狀態顯示在上位機上，操作人員可以看到整個煙氣脫硫系統的運行情況，也可以以報表的形式存檔打印，便于操作人員進行工藝分析或故障查找。圖3為反應塔監控界面。

4.2 下位機軟件設計

下位機PLC采用編程軟件STEP7中的梯形圖實現。用戶程序由開始、主程序、子程序、中斷程序等組成。主要有反應塔工作、石灰漿準備、煙道系統等子程序。每個程序都是相互獨立的，不會受到上位機故障和停機的影響，方便了技術人員安裝、調試和維護。編寫每段PLC程序包括硬件組態與地址分配、邏輯控制功能、模擬量控制及算法實現、與工控機的通訊實現。其主程序PLC流程如圖4。

5 煙氣脫硫系統算法研究

分析煙氣脫硫系統的控制過程，主要包括SO2的濃度控制、溫度控制、壓力控制，這些量也是工業控制常見的被控對象。目前，最普遍的算法便是PID控制算法，其控制規律為Y（t）=Kpe（t）+Ki∫e（t）dt+Kdde（t）/dt，式中，Kp為比例系數，Ki為積分時間常數，Kd為微分時間常數。在實際應用中，煙氣脫硫系統采用PLC編程方法實現PID算法，屬于數字算法，上式控制規律不能直接使用[8]，需要進行離散化處理，轉換為：y（k）=Kpe（k）+KI■e（j）+KD[e（k）-

e（k-1）]，式中，k為采樣序號，k=0，1，…，n，KI=KP ■，為積分系數，KD=KP■，為微分系數，T為采樣周期。

在設計SO2濃度、溫度控制、壓力控制方案時應采用串級控制系統，SO2濃度是整個煙氣脫硫系統中最主要的控制參數，降低其濃度至標準值是設計脫硫系統的主要目的。對SO2濃度的控制可采用MATLAB的SIMULINK建模和軟件環境來實現計算機仿真，根據控制要求，并按照上述PID參數整定步驟，得到SO2濃度隨時間變化的控制曲線如圖5。分析得到采用PID控制器控制SO2濃度總體為192.598 mg/m3，可以達到控制效果。

6 小結

針對中電投河南豫新發電廠的現場實際情況，設計了基于PROFIBBUS-DP的火電廠脫硫控制系統，在實際應用中實現了SO2排放濃度小于 200 mg/m3、粉塵排放濃度小于30 mg/m3的要求，脫硫效率達到80%以上，獲得了良好的減排效果。

參考文獻：

[l] 袁莉莉.半干法煙氣脫硫技術研究進展[J].山東化工，2009， 38（8）：19-22，25.

[2] 石在玉.火電廠脫硫存在問題及工藝選擇方法探討[J].上海電力，2008（3）：238-241.

[3] 黃東生，王榮恩，湯楚貴.燒結煙氣脫硫技術探討[J].燒結球團，2008，33（3）：6-10.

[4] 蔣文舉.煙氣脫硫脫硝技術手冊[M].北京：化學工業出版社，2006.

[5] 谷 林.200 MW火電機組煙氣脫硫控制系統[J].電力環境保護，2006（3）：32-35.

[6] 程啟明，鄭 勇.火電廠石灰石/石膏濕法煙氣脫硫技術中的關鍵控制系統[J].上海電力學院學報，2007，23（2）：141-146.

[7] 廖常初.西門子人機界面觸摸屏組態與應用技術[M].北京：機械工業出版社，2006.

[8] 唐賢倫，仇國慶，李銀國，等.基于MATLAB的PID算法在串級控制系統中的應用[J].重慶大學學報（自然科學版），2005， 28（9）：61-63.