(中建中環(huán)工程有限公司1 ，江蘇 南京 210008；武漢大學動力與機械學院2 ，湖北 武漢 430072)

0 引言

面對嚴峻的環(huán)境形勢，為了實現(xiàn)電力工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，氮氧化物(NOX)成為繼粉塵和硫氧化物(SOX)之后燃煤電廠污染物治理的重點。在眾多控制NOX排放的措施中，選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)方法因技術成熟、脫硝效率高等優(yōu)點應用最為廣泛[1]。目前，SCR煙氣脫硝的主流控制技術為分散控制系統(tǒng)(DCS)，采用點對點硬接線的信號傳輸方式?，F(xiàn)場總線控制是近年來迅速發(fā)展起來的一種自動化技術，它以數(shù)字式、串行、多點通信的計算機數(shù)字網(wǎng)絡形式實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的管控一體功能，正逐漸取代DCS的主導地位[2]。

本文以Profibus為例，將現(xiàn)場總線技術應用于某2×300 MW燃煤機組的SCR煙氣脫硝項目，在控制系統(tǒng)配置上做了大膽的嘗試和方案設計，供讀者參考。

1 SCR煙氣脫硝工藝系統(tǒng)

SCR的原理是通過還原劑(如NH3)在適當?shù)臏囟炔⒂写呋瘎┐嬖诘臈l件下，將煙氣中的NOX轉化為氮氣(N2)和水(H2O)。電廠SCR煙氣脫硝裝置包括氨氣供應和脫硝反應兩大系統(tǒng)。典型的氨氣供應系統(tǒng)P&I圖如圖1所示。

圖1 氨氣供應系統(tǒng)P&I圖

氨氣供應系統(tǒng)按兩臺機組公用配置，由卸料壓縮機、液氨儲罐、蒸發(fā)槽、氨氣緩沖槽、稀釋槽、廢水池、廢水泵及消防噴淋等組成。在氨區(qū)，槽車內的液氨通過壓縮機卸至液氨儲罐，儲罐出口的液氨在蒸發(fā)槽中經(jīng)溫水加熱氣化成氨氣并送至氨氣緩沖槽，再通過管線輸送到鍋爐側的脫硝反應系統(tǒng)。系統(tǒng)中的廢氣經(jīng)工業(yè)水稀釋后排至廢水池，由廢水泵送往全廠工業(yè)廢水處理系統(tǒng)。消防噴淋氣動閥由氨氣泄漏報警儀聯(lián)動。

脫硝反應系統(tǒng)按單元機組配置，由催化還原反應器、氨噴射、稀釋空氣、吹灰等組成，布置在省煤器與空氣預熱器之間(熱段/高灰布置)。來自氨區(qū)的氨氣經(jīng)稀釋后通過噴氨格柵進入煙道與煙氣充分混合。在SCR反應器內，NH3與NOX在催化劑的作用下反應生成N2和H2O，從而完成煙氣中NOX的脫除。為了防止煙塵在催化劑上積灰板結，SCR反應器各層還設置了聲波吹灰器。

典型的脫硝反應系統(tǒng)P&I圖如圖2所示。

圖2 脫硝反應系統(tǒng)P&I圖

圖1和圖2中：ACV為氣動調節(jié)閥，AV為氣動開關閥，PT為壓力變送器，F(xiàn)T為流量變送器，LT為液位變送器，TT為溫度變送器，NH3為氨氣泄漏報警儀，M為馬達，PLC為可編程邏輯控制器，CEMS為煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)。

根據(jù)易燃物質(NH3)的性質、釋放源的級別和布置，對照《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》(GB 50058-92)，氨區(qū)及SCR氨噴射區(qū)域為防爆2區(qū)(液氨卸料區(qū)域為防爆1區(qū))。雖然工藝裝置采取露天或開敞式布置，上述區(qū)域可看作非爆炸危險區(qū)，但工程實施時出于安全考慮，相應的電氣設備(閥門、電機、儀表等)仍采用隔爆或本安類型。

2 Profibus概述

作為現(xiàn)場總線的標準之一，Profibus目前應用最為廣泛[3]。它在IEC現(xiàn)場總線國際標準IEC 61158第4版中被定義為Type3，由德國Siemens公司支持。Profibus家族主要包括適合于以邏輯順序控制為主的Profibus DP和適合于控制過程復雜、安全性要求嚴格的以模擬量為主的Profibus PA。具體技術條件可參見文獻[4]。

3 SCR就地儀表設備選型

現(xiàn)場就地儀表設備應適用于SCR工藝過程檢測工況，并通過Profibus產(chǎn)品的認證測試，符合相關標準及導則。選型時應充分調研并與潛在供貨商溝通，選擇在電廠過程控制中有良好業(yè)績的產(chǎn)品。

SCR煙氣脫硝中壓力、流量、液位測量選用帶Profibus PA接口的智能壓力/差壓/液位變送器，如SITRANS P、3051系列等。溫度測量選用帶Profibus PA接口的智能溫度變送器，如TF12等。超聲波液位計選用帶Profibus PA接口設備，如SITRANS Probe LU等。氣動調節(jié)閥控制選用帶Profibus PA接口的智能閥門定位器，如SIPART PS2等。當在危險區(qū)域中使用時，上述儀表應選用本安型。

氣動開關閥的控制選用帶Profibus DP接口的閥島，如FESTO CPV Direct。該類型閥島由現(xiàn)場總線節(jié)點、閥島和輸入模塊組成。閥位開/關反饋(硬接線信號)通過輸入模塊匯入Profibus網(wǎng)絡，安裝于隔爆箱內。

氨氣泄漏報警儀目前暫無帶Profibus總線接口的產(chǎn)品，仍采用常規(guī)產(chǎn)品(隔爆型)，輸出高一值(報警)、高二值(聯(lián)動消防噴淋氣動閥)兩個開關量信號。

卸料壓縮機、廢水泵、稀釋風機380 VAC電機控制選用帶Profibus DP接口的智能馬達控制器，如SIMOCODE等。

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)和聲波吹灰器控制采用的PLC應帶Profibus DP接口，如S7系列等。該子系統(tǒng)PLC可作為Profibus總線上的一個從站，其存儲器中一段特定區(qū)域為與主站通信的共享數(shù)據(jù)區(qū)，DP主站通過通信間接控制該從站子系統(tǒng)PLC的I/O。

4 現(xiàn)場總線系統(tǒng)配置方案

4.1 連接方案

從就地儀表設備型式可以看出，SCR煙氣脫硝系統(tǒng)測量從站主要包括單口DP設備、PA設備、本安型PA設備和常規(guī)開關量設備。這些設備采用下列方式接入冗余的Profibus主站網(wǎng)絡系統(tǒng)。

① DP設備(單口)的連接方案：采用Y型連接器(Y-LINK)實現(xiàn)冗余DP到非冗余DP之間的網(wǎng)絡轉換。對于主站控制器，Y-LINK為DP從站；對于現(xiàn)場DP設備，Y-LINK為DP主站。在高波特率通信下，現(xiàn)場DP設備到總線主干網(wǎng)的連接采用菊花鏈型連接。

② PA設備的連接方案：采用DP/PA連接器(DP/PA LINK)實現(xiàn)DP到PA之間的網(wǎng)絡轉換。對于主站控制器，DP/PA LINK為DP從站；對于現(xiàn)場PA設備，DP/PA LINK為DP主站?，F(xiàn)場PA設備使用分支線連接至總線主干網(wǎng)，PA設備和PA分配器(AFD)之間采用星型連接，PA分配器之間采用線型連接。

③ 本安型PA設備的連接方案：采用大功率主干網(wǎng)絡方式接入DP/PA連接器。即借助符合本質安全要求的有源現(xiàn)場分配器(AFDiS)，在主干網(wǎng)絡使用增安型保護(Ex e)，在分支電路使用本質安全(Ex i)。

④ 無總線接口儀表的接入方案：氨氣泄漏報警儀開關量信號由于數(shù)量不多且與消防噴淋氣動閥聯(lián)動，可與氣動閥閥位反饋一起接入閥島輸入模塊，無需另行配置分布式過程I/O。

⑤ 電纜連接方案：Profibus DP的傳輸介質采用標準Profibus DP A型屏蔽雙絞線電纜。該電纜通信長度受限于網(wǎng)絡波特率，500 kbit/s時總線分段長度為400 m，1.5 Mbit/s時總線分段長度為100 m。當需較長傳輸距離時，可采用多模光纖。Profibus PA的傳輸介質采用IEC 61158-2中規(guī)定的Type A屏蔽雙絞線電纜。從功能上考慮，電纜總長度限制在1 900 m(有防爆要求1 000 m)以內，當分支電纜根數(shù)小于12時，每一根分支導線的最大長度為120 m(有防爆要求60 m)。

4.2 網(wǎng)段劃分

現(xiàn)場總線網(wǎng)段的劃分原則可類似于常規(guī)DCS中I/O測點分配[5]。根據(jù)工藝系統(tǒng)相關性，控制相關的儀表測點和控制對象原則上掛接在同一總線段上;冗余設置的現(xiàn)場儀表應接入不同網(wǎng)段;工藝上并列運行或冗余配置的設備，其相關驅動裝置應連接在不同的網(wǎng)段上。

受PA總線電流消耗、線性電阻、通信字節(jié)數(shù)等影響，Profibus PA網(wǎng)段可連接的節(jié)點數(shù)目應不多于31個。受通信速率、通信字節(jié)數(shù)等影響，Profibus DP網(wǎng)段可連接的節(jié)點數(shù)目應不多于64個。在配置過程中，除了需符合Profibus協(xié)議規(guī)定外，還應考慮備用的容量。當任一條件超出規(guī)定值時，應增加相應的總線網(wǎng)段數(shù)量。

PA網(wǎng)段電流消耗為：

(1)

式中：ISEG為回路總電流；IBn為總線設備基本電流消耗；IFDE為總線故障電流；IS為耦合器供電電流；m為總線設備數(shù)量。

基于PA網(wǎng)段連接設備數(shù)量的導線長度可通過式(2)計算，即：

(2)

式中：UBn為最后設備的電壓；US為耦合器的電壓；ISEG為回路總電流；R′為單位長度導線阻抗；LGES為導線總長度。

Profibus PA循環(huán)時間(tPA)和Profibus DP循環(huán)時間(tDP)計算公式如下：

tPA=NbPA×[OvPB+BitPA×NbByte]/BdsPAtDP=NbDP×[OvPB+BitDP×(NbE+NbA)]/BdsDP

(3)

式中：NbPA為PA從站數(shù)量；OvPB為Profibus一般性報文，317 bit；BitPA為數(shù)據(jù)格式，8 bit/B；NbByte為輸入輸出字節(jié)數(shù)，典型值5 B；BdsPA為數(shù)據(jù)傳輸速率，31.25 kbit/s；NbDP為DP從站數(shù)量；BitDP為數(shù)據(jù)格式，11 bit/B；NbE、NbA為輸入輸出字節(jié)數(shù)，最大值244 B；BdsDP為數(shù)據(jù)傳輸速率，500 kbit/s或1.5 Mbit/s。

根據(jù)計算結果[3]及以往工程經(jīng)驗[6]，現(xiàn)場總線網(wǎng)段可連接的設備數(shù)量主要受限于總線網(wǎng)絡循環(huán)時間?！痘鹆Πl(fā)電廠分散控制系統(tǒng)技術條件 DL_T 1083-2008》中要求“所有模擬量輸入每秒至少掃描和更新4次，所有數(shù)字量輸入每秒至少掃描和更新10次”。因此，建議每條Profibus PA總線網(wǎng)段掛接的PA設備數(shù)量宜不超過10個；每條Profibus DP總線掛接的DP設備數(shù)量不宜超過30個。

5 現(xiàn)場總線系統(tǒng)配置實例

某2×300 MW燃煤機組采用Siemens公司基于Profibus總線技術的SPPA-T3000控制系統(tǒng)及其系列產(chǎn)品為硬件平臺。與該工程配套的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡[7]配置如圖3、圖4所示。

圖3 氨氣供應系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡圖

圖4 脫硝反應系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡圖

氨氣供應系統(tǒng)的控制以遠程站的形式納入機組公用控制系統(tǒng)，設置1臺操作員站、1面總線控制柜和1面通信柜，布置在氨區(qū)就地電控間。氨氣供應系統(tǒng)使用1對冗余控制器用作Profibus主站?，F(xiàn)場總線由該DP主站引出，采用DP A型屏蔽雙絞線電纜連接2個DP網(wǎng)段和3個PA網(wǎng)段。

氨區(qū)現(xiàn)場26臺本安型PA儀表按工藝和布置分組并通過6只AFDiS有源現(xiàn)場分配器接入DP/PA連接器。17臺氣動開關閥(含電磁閥、行程開關)和4臺氨氣泄漏報警儀通過2只閥島與3臺DP馬達保護裝置接入Y型連接器。圖3中的現(xiàn)場設備代號1～50對應于圖1中的設備編號。

脫硝反應系統(tǒng)的控制直接納入單元機組(鍋爐)控制系統(tǒng)，按機組各設置兩面通信柜，分別布置在SCR反應區(qū)A、B側CEMS分析室內。脫硝反應系統(tǒng)現(xiàn)場總線由單元機組(鍋爐)控制器下的雙DP主站引出，通過光電轉換模塊(OLM)經(jīng)光纖延伸到現(xiàn)場。一路連接SCR區(qū)A側的1個DP網(wǎng)段、3個PA網(wǎng)段，另一路連接B側的1個DP網(wǎng)段、2個PA網(wǎng)段。

脫硝反應系統(tǒng)可不另行配置Pfofibus主站，現(xiàn)場26個PA儀表按A/B側分組，通過8只AFD有源現(xiàn)場分配器接入DP/PA連接器。6臺本安型PA儀表通過2只AFDiS有源現(xiàn)場分配器接入DP/PA連接器。2臺氣動開關閥(含電磁閥、行程開關)和1臺氨氣泄漏報警儀通過1只閥島與2臺DP馬達保護裝置和5套帶DP接口的PLC接入Y型連接器。其中，三冗余配置的溫度變送器可以進/出口交叉和A/B側交叉方式連接，以減少PA網(wǎng)段的設置。圖4中的現(xiàn)場設備代號1～42對應于圖2中的設備編號。

6 結束語

SCR煙氣脫硝采用現(xiàn)場總線技術，有利于提升電廠的控制水平，減少投產(chǎn)后運行維護工作量，同時也為現(xiàn)場總線的推廣積累經(jīng)驗。與常規(guī)控制系統(tǒng)(DCS)相比，采用現(xiàn)場總線技術可以減少大量的現(xiàn)場電纜、電纜橋架，并省去相當數(shù)量的I/O模件和機柜，從而減少電子設備間的占地空間。與火力發(fā)電廠其他工藝系統(tǒng)相比，SCR與主廠房電子設備間距離較遠且多為模擬量測量，并有防爆安全要求，特別適合采用現(xiàn)場總線控制技術，以充分發(fā)揮其特長。在控制系統(tǒng)設計時，應遵循現(xiàn)場總線相關標準的規(guī)定，結合工程實際情況，與系統(tǒng)供應商積極配合，在保證可用性與可靠性的同時，合理劃分并充分利用網(wǎng)段，力求達到較高的性價比。

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