廖琎，王林，謝劍英

0 引言

循環(huán)流化床半干法煙氣脫硫（CFB-FGD）技術(shù)是目前煙氣脫硫綜合效益最優(yōu)越的一種半干法煙氣脫硫技術(shù)，它以循環(huán)流化床（CFB）原理為基礎(chǔ)，使吸收劑在反應(yīng)器內(nèi)多次再循環(huán)，延長(zhǎng)了吸收劑與煙氣的接觸時(shí)間，從而大大提高了吸收劑的利用率。它不但具有一般半干法脫硫工藝的許多優(yōu)點(diǎn)，如流程簡(jiǎn)單、占地少、投資低以及副產(chǎn)品可以綜合利用等，而且能在鈣硫比很低（Ca/S=1.1～1.2）的情況下達(dá)到與濕法脫硫工藝相當(dāng)?shù)拿摿蛐?，達(dá) 95%左右。圖 1表示了CFB-FGD脫硫工藝流程。

圖1 循環(huán)流化床半干法煙氣脫硫工藝流程

隨著工業(yè)自動(dòng)化過程控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，以及生產(chǎn)工藝對(duì)集散控制系統(tǒng)的可靠性、運(yùn)算能力、擴(kuò)展能力、開放性、操作及監(jiān)控水平等方面提出了愈來(lái)愈高的要求。傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在過程自動(dòng)化控制的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求，迫切需要新的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

目前，各大自動(dòng)化公司均有各自的控制系統(tǒng)產(chǎn)品，他們的產(chǎn)品結(jié)合了最先進(jìn)的電子制造技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、圖形及圖像處理技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和先進(jìn)自動(dòng)化控制理論，能夠應(yīng)用于各種需求的場(chǎng)合。

幾個(gè)主要的自動(dòng)化公司的控制系統(tǒng)均是以三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為主，基于三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)本文設(shè)計(jì)了半干法煙氣脫硫控制系統(tǒng)，它以工業(yè)以太網(wǎng)為核心，以智能控制器（或PLC）為控制主體，以現(xiàn)場(chǎng)總線為連接控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、分布式I/O的通道，以工控機(jī)和PC機(jī)為系統(tǒng)編程、組態(tài)、維護(hù)、監(jiān)控和管理的一體化工作平臺(tái)，通過工業(yè)以太網(wǎng)連接控制器，通過快速以太網(wǎng)連接企業(yè)的MES系統(tǒng)，本系統(tǒng)很好地解決了傳統(tǒng)DCS中存在的問題，實(shí)現(xiàn)了高可靠性、高性能的半干法煙氣脫硫網(wǎng)絡(luò)通信與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)的CFB-FGD半干法煙氣脫硫控制系統(tǒng)是結(jié)合了快速以太網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線，構(gòu)造成三層網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)了從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控到脫硫系統(tǒng)內(nèi)部信息管理系統(tǒng)的集成以及工廠其余系統(tǒng)信息交互的集成，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

如圖所示，本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)分為三層。最下層現(xiàn)場(chǎng)總線層，冗余的控制器和PLC通過各類現(xiàn)場(chǎng)總線與各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行通訊；中間控制層采用的是工業(yè)以太網(wǎng)的環(huán)形光纖環(huán)網(wǎng)連接控制器、工程師站和服務(wù)器；最上層操作和管理層同樣采用光纖環(huán)網(wǎng)進(jìn)行通訊，是快速以太網(wǎng)，連接操作員站和工程師站、服務(wù)器，還有企業(yè)局域網(wǎng)用以過程控制和公司管理層之間的通訊。設(shè)計(jì)都盡量采用了冗余結(jié)構(gòu)，提高的系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

最上網(wǎng)絡(luò)層是由光纖交換機(jī)（OSM）構(gòu)成的終端總線光纖環(huán)網(wǎng)。本層是整個(gè)脫硫系統(tǒng)的操作管理，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，信息讀取，使工廠對(duì)脫硫系統(tǒng)進(jìn)行直接的控制。操作員站盡量采用了冗余策略，操作員站之間互為冗余，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控分站的監(jiān)控和管理。工程師站作用是完成對(duì)系統(tǒng)工藝參數(shù)的設(shè)定和修改、報(bào)警上下限的設(shè)定、設(shè)備的組態(tài)以及系統(tǒng)運(yùn)行、生產(chǎn)、報(bào)警歷史資料的顯示和查詢等功能。SIS接口站用于把系統(tǒng)連接到SIS監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)脫硫控制系統(tǒng)通過網(wǎng)關(guān)連接企業(yè)的MES系統(tǒng)。

中間網(wǎng)絡(luò)層是整個(gè)控制系統(tǒng)的主干網(wǎng)。同樣配有光纖交換機(jī)（OSM），構(gòu)成工廠總線光環(huán)環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器、工程師站與各控制系統(tǒng)主站的CPU之間的通訊。由于這里的實(shí)時(shí)性要求較高，是工作在工業(yè)環(huán)境下的，所以采用的是冗余的工業(yè)以太網(wǎng)，確保了PLC與工程師站、服務(wù)器之間通訊的實(shí)時(shí)性。

最底層是現(xiàn)場(chǎng)總線層。傳輸數(shù)據(jù)少，但實(shí)時(shí)性要求很高，所以現(xiàn)場(chǎng)總線采用的是現(xiàn)場(chǎng)總線和光纖模塊（OLM），用于控制系統(tǒng)主站的CPU和分布式I/O設(shè)備之間的通訊，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集。采用冗余總線將具有冗余功能的分布式I/O設(shè)備、一些總線耦合器等同主控制器聯(lián)網(wǎng)，一些冗余的分布式I/O還能實(shí)現(xiàn)即插即用，盡可能減小器件損壞對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。系統(tǒng)采用冗余的控制器，實(shí)現(xiàn)熱備功能，在故障事件發(fā)生時(shí)自動(dòng)無(wú)擾地切換到備用單元，使系統(tǒng)幾乎無(wú)需因?yàn)楣收隙C(jī)，確保了系統(tǒng)的高可靠性。同時(shí)，系統(tǒng)通過各種網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)冗余和非冗余總線，以及不同公司的現(xiàn)場(chǎng)總線之間的連接。而儀器儀表可以借助儀表總線連接到現(xiàn)場(chǎng)總線，從而把溫度、壓力等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接入到系統(tǒng)之中。

2 系統(tǒng)功能描述

由于CFB-FGD半干法煙氣脫硫工藝對(duì)控制系統(tǒng)的控制功能要求很高，因此如何選擇正確有效的控制方案和控制策略對(duì)于工藝能否實(shí)現(xiàn)起到了很重要的作用，該網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的控制功能有：模擬量控制、順序控制及設(shè)備控制；并且實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和處理的相關(guān)功能。

該系統(tǒng)的模擬量控制主要實(shí)現(xiàn)對(duì)SO2排放濃度的控制、CFB-FGD吸收塔入口煙氣流量控制及吸收塔的溫度和壓差控制，通過合理的優(yōu)化控制策略[1]，實(shí)現(xiàn)控制對(duì)工藝的最優(yōu)配合。

SO2排放濃度的控制是CFB-FGD半干法煙氣脫硫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它是一個(gè)延時(shí)較大且強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，在技術(shù)上有一定難度。我們?cè)O(shè)計(jì)了模糊控制算法[1]，系統(tǒng)根據(jù)控制器采集的吸收塔溫度、壓差、鍋爐負(fù)荷及吸收塔出入口 SO2濃度等參數(shù)的大小，經(jīng)模糊控制器調(diào)整后，由控制器改變下料流速，以此控制吸收劑進(jìn)入吸收塔的量，最終達(dá)到 SO2排放濃度的最有控制，達(dá)到了較好的控制效果，降低了系統(tǒng)的Ca/S比，提高了系統(tǒng)的脫硫效率。

吸收塔內(nèi)的固體顆粒濃度（或稱固－氣比）是保證流化床良好運(yùn)行的重要參數(shù)，在運(yùn)行中它是通過控制吸收塔的壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的，從而保證反應(yīng)器始終處于良好的運(yùn)行工況。通過調(diào)整布袋除塵器的物料再循環(huán)量，達(dá)到控制吸收塔壓降的目的，從而保證了床內(nèi)脫硫反應(yīng)所需的穩(wěn)定的物料濃度。

為了給吸收塔內(nèi)的脫硫反應(yīng)創(chuàng)造一個(gè)良好的化學(xué)反應(yīng)條件，進(jìn)入脫硫塔內(nèi)的煙氣必須降溫，降溫水通過高壓水泵將水注入吸收塔內(nèi)，從而使吸收塔出口溫度穩(wěn)定控制在75℃左右。當(dāng)脫硫系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，工藝水要自動(dòng)停止注入。由于溫度是化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)重要參數(shù)，因此對(duì)吸收塔溫度的控制我們采用了在 PID回路前加入一個(gè)濾波器，防止開機(jī)或者過程中溫度發(fā)生的突變，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生致命的影響。

為了保證吸收塔低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的煙氣量不低于 75%，在煙氣進(jìn)入煙囪的前端引了一條循環(huán)煙道，通過清潔煙氣調(diào)節(jié)風(fēng)擋到吸收塔入口煙道，從而保證吸收塔在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)最佳的傳熱、傳質(zhì)狀態(tài)。當(dāng)引風(fēng)機(jī)下游流量變送器顯示值低于75%設(shè)計(jì)流量時(shí)，清潔循環(huán)煙氣系統(tǒng)啟動(dòng)，調(diào)節(jié)風(fēng)擋開始調(diào)節(jié)吸收塔煙氣量到80%負(fù)荷流量，保證吸收塔內(nèi)穩(wěn)定的煙氣流速和文丘里管速。我們使用了 PID控制器，加入了檢測(cè)吸收塔煙氣量在75%－80%之間的功能，并用此控制PID調(diào)節(jié)的開啟和跟蹤，確保了煙氣流量保持在75%－80%。

設(shè)備控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)工藝過程中相關(guān)設(shè)備的控制（如電機(jī)、閥門等）。該系統(tǒng)中閥門、電機(jī)、風(fēng)機(jī)具有單獨(dú)開啟、成組開啟，設(shè)備聯(lián)鎖，跳停等控制功能，同時(shí)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的機(jī)械、電路等多種故障具有監(jiān)控報(bào)警功能。

該系統(tǒng)的順序控制設(shè)計(jì)有各種順序控制功能組，各順序控制組下又分子順序控制功能組，子順序控制功能組的啟、停在安全的基礎(chǔ)上能獨(dú)立進(jìn)行。CFB-FGD半干法煙氣脫硫的順序控制主要包括以下子系統(tǒng)的順序控制：煙道系統(tǒng)，吸收塔系統(tǒng)，脫硫電除塵器系統(tǒng)，脫硫灰循環(huán)及排放系統(tǒng)，吸收劑制備及供應(yīng)系統(tǒng)，工藝水系統(tǒng)，儀用空氣系統(tǒng)，脫硫灰輸送系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

除了上述的控制功能之外，系統(tǒng)還具備了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和處理功能。系統(tǒng)連續(xù)采集和處理所有與系統(tǒng)有關(guān)的測(cè)點(diǎn)信號(hào)及設(shè)備狀態(tài)信號(hào)，這些數(shù)據(jù)按系統(tǒng)設(shè)備對(duì)象被合理分類組織，儲(chǔ)存和顯示，并及時(shí)向操作人員提供有關(guān)的運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。一旦發(fā)生任何異常工況，及時(shí)報(bào)警，提高系統(tǒng)的可利用率。系統(tǒng)提供多種數(shù)據(jù)采集和處理功能，如

數(shù)據(jù)顯示，制表記錄，歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索，報(bào)警系統(tǒng)，性能計(jì)算等等。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有造價(jià)低、功能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)靈活實(shí)用、可靠性高且開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，能降低Ca/S，減少吸收劑的使用，從而降低用戶的運(yùn)行成本；同時(shí)提高系統(tǒng)的脫硫效率。且根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)情況與用戶要求，系統(tǒng)可以擴(kuò)展為不同的模式。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)通信、自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的有效無(wú)縫集成?？梢哉f，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，將大大提高工業(yè)控制的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化的水平。

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