邱榮華

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628040)

0 引言

國(guó)外垃圾焚燒發(fā)電廠常采用濕法和機(jī)械旋轉(zhuǎn)噴霧半干法煙氣凈化工藝，國(guó)內(nèi)已建成的垃圾焚燒發(fā)電廠大多采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)噴霧半干法工藝或循環(huán)流化法和干法凈化工藝[1]。

旋轉(zhuǎn)噴霧半干法采用的裝置為“旋轉(zhuǎn)噴霧器+袋式除塵器”的組合[2]。燒結(jié)煙氣經(jīng)過在旋轉(zhuǎn)噴霧塔中的吸收處理之后，進(jìn)入位于吸收塔和引風(fēng)機(jī)之間的袋式除塵器中，袋式除塵器上的濾料纖維過濾掉煙氣中的大顆粒粉塵，并且采用活性炭用吸附的一次粉塵進(jìn)一步吸收其余粉塵，形成二次吸收，調(diào)高對(duì)固體顆粒污染物的清除。工作示意圖如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)噴霧半干法煙氣脫硫技術(shù)示意圖

1 總體設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)噴霧半干法采用的裝置為“旋轉(zhuǎn)噴霧器+袋式除塵器”的組合[2]。其旋轉(zhuǎn)噴霧器主要由活性炭噴射裝置組成，示意圖如圖2所示。

圖2 活性炭噴射裝置示意圖

由圖2可以看到，活性炭噴射裝置主要部件有碳倉(cāng)、給料倉(cāng)、液氮儲(chǔ)罐等構(gòu)成。主要的工作流程為：根據(jù)從煙道中檢測(cè)到的煙氣流量來控制活性炭的噴射量[3]?；钚蕴吭蟽?chǔ)存在碳倉(cāng)中，當(dāng)裝置工作時(shí)，根據(jù)控制需要進(jìn)一步將原料輸送至臨時(shí)儲(chǔ)存?zhèn)}-給料倉(cāng)中。再由給料倉(cāng)按照控制量的多少經(jīng)由螺旋給料機(jī)輸送至文丘里管，然后經(jīng)過引風(fēng)機(jī)啟動(dòng)輸送至吸收塔中。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)任務(wù)控制要求和PLC的性能及設(shè)備特點(diǎn)，選用SIEMENS S7-300PLC作為控制器。根據(jù)工藝，活性炭噴射裝置控制系統(tǒng)主要分成4個(gè)大部分，分別是碳倉(cāng)物料狀態(tài)管理、給料倉(cāng)物料狀態(tài)管理、活性炭自動(dòng)噴射、裝置的報(bào)警保護(hù)。根據(jù)控制要求，碳倉(cāng)物料狀態(tài)管理主要是判斷碳倉(cāng)物料狀態(tài)從而根據(jù)變化改變碳倉(cāng)物料進(jìn)料狀態(tài)。給料倉(cāng)物料狀態(tài)管理主要是判斷給料倉(cāng)物料狀態(tài)，當(dāng)物料缺乏時(shí)自動(dòng)上料的功能?；钚蕴孔詣?dòng)噴射是本次設(shè)計(jì)的核心，主要需要實(shí)現(xiàn)活性炭根據(jù)煙氣流量的變化改變注入量。

1.2 軟件設(shè)計(jì)要求分析

1.2.1 碳倉(cāng)物料狀態(tài)管理程序設(shè)計(jì)

碳倉(cāng)補(bǔ)料充分條件：(1)當(dāng)碳倉(cāng)溫度未處于允許的上限；(2)當(dāng)碳倉(cāng)物料物位沒有達(dá)到允許的上限；(3)當(dāng)碳倉(cāng)物料重量沒有達(dá)到允許的上限；(4)當(dāng)碳倉(cāng)的進(jìn)料閥的閥門處于關(guān)位；(5)當(dāng)碳倉(cāng)的壓力處于正常范圍。

如圖3所示，當(dāng)碳倉(cāng)補(bǔ)料充分條件都滿足的時(shí)候，若出現(xiàn)物料重量下限信號(hào)時(shí)，碳倉(cāng)進(jìn)入允許進(jìn)料狀態(tài)，提示可以補(bǔ)料(補(bǔ)料為人工補(bǔ)料)。補(bǔ)料時(shí)，打開除塵閥，除塵閥到位后打開除塵電機(jī)。

圖3 碳倉(cāng)物料監(jiān)控程序流程圖

1.2.2 給料倉(cāng)自動(dòng)補(bǔ)料程序設(shè)計(jì)

給料倉(cāng)作為中間倉(cāng)，補(bǔ)料為自動(dòng)補(bǔ)料，自動(dòng)補(bǔ)料的充分條件為：(1)噴射塔進(jìn)口煙氣的溫度處于正常范圍；(2)給料倉(cāng)內(nèi)溫度處于正常范圍；(3)給料倉(cāng)內(nèi)壓力處于正常范圍；(4)給料倉(cāng)內(nèi)活性炭物料重量處于允許范圍；(5)給料倉(cāng)內(nèi)活性炭物料物位處于正常范圍。

當(dāng)滿足上述條件時(shí)，若出現(xiàn)給料倉(cāng)物料重量低位或者物位低位，則給料倉(cāng)物料狀態(tài)變?yōu)椤霸试S進(jìn)料狀態(tài)”。此時(shí)打開給料倉(cāng)進(jìn)料閥，當(dāng)給料倉(cāng)進(jìn)料閥開到位的時(shí)候，打開碳倉(cāng)/給料倉(cāng)壓力平衡閥，碳倉(cāng)/給料倉(cāng)壓力平衡閥開到位后，啟動(dòng)碳倉(cāng)送料電機(jī)。自此，給料倉(cāng)進(jìn)入上料狀態(tài)，當(dāng)給料倉(cāng)獲得物位高位和重量高位時(shí)，物料狀態(tài)變?yōu)樯狭贤瓿蔂顟B(tài)，此刻完成給料倉(cāng)補(bǔ)料。給料倉(cāng)自動(dòng)上料流程圖如圖4所示。

圖4 給料倉(cāng)自動(dòng)補(bǔ)料流程圖

1.2.3 活性炭自動(dòng)噴射程序設(shè)計(jì)

活性炭自動(dòng)噴射程序設(shè)計(jì)的主要原理是采集煙道煙氣流量，根據(jù)煙道煙氣流量值經(jīng)過一定的計(jì)算得出活性炭注入的量值。然后通過刮料機(jī)、螺旋給料機(jī)、稱重傳感器等配合工作，將一定量的活性炭噴射進(jìn)入吸收塔。

噴射充分條件：(1)噴霧塔進(jìn)口煙氣的溫度處于正常范圍；(2)給料倉(cāng)內(nèi)溫度處于正常范圍；(3)給料倉(cāng)內(nèi)壓力處于正常范圍；(4)給料倉(cāng)活性炭物位處于正常范圍；(5)給料倉(cāng)內(nèi)活性炭重量處于正常范圍；(6)引風(fēng)機(jī)處于正常工作狀態(tài)。

當(dāng)滿足以上充分條件時(shí)，裝置狀態(tài)變?yōu)樵试S噴射，進(jìn)入允許噴射狀態(tài)后打開給料倉(cāng)活性炭出料閥，啟動(dòng)螺旋給料機(jī)，延時(shí)一段時(shí)間以后(清空出料管內(nèi)殘留)啟動(dòng)給料倉(cāng)刮料機(jī)，同時(shí)稱重傳感器測(cè)量需要噴射的活性炭的重量，經(jīng)測(cè)量之后的一定量活性炭由螺旋給料機(jī)噴射進(jìn)入文丘里管，而后由引風(fēng)機(jī)送入煙道，然后進(jìn)入吸收塔中[4]。流程圖如圖5所示。

圖5 活性炭噴射程序流程圖

1.2.4 系統(tǒng)報(bào)警保護(hù)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)報(bào)警主要分為碳倉(cāng)保護(hù)報(bào)警、給料倉(cāng)報(bào)警保護(hù)、管道報(bào)警保護(hù)等幾個(gè)方面，主要有溫度報(bào)警、壓力報(bào)警、物料狀態(tài)報(bào)警等幾方面。壓力檢測(cè)主要是碳倉(cāng)壓力檢測(cè)、給料倉(cāng)壓力檢測(cè)、除氮?dú)夤芡夤艿缐毫z測(cè)、氮?dú)夤艿缐毫z測(cè)。前三者的壓力標(biāo)準(zhǔn)相同，第四者由于液氮的特性原因，壓力標(biāo)準(zhǔn)有一些不同。當(dāng)檢測(cè)到壓力值高于設(shè)定的壓力值上限時(shí)系統(tǒng)報(bào)警，并且采取保護(hù)動(dòng)作，具體的保護(hù)動(dòng)作如圖6所示。當(dāng)壓力值高于設(shè)定的上限時(shí)采取關(guān)閉系統(tǒng)的動(dòng)作。溫度報(bào)警的主要目的在于確保活性炭工作時(shí)的吸附活性，由于其吸附活性對(duì)于溫度有一定要求，所以溫度檢測(cè)是有必要的。當(dāng)出現(xiàn)溫度上限時(shí)，系統(tǒng)采取保護(hù)動(dòng)作。具體的溫度檢測(cè)報(bào)警保護(hù)功能程序流程和系統(tǒng)報(bào)警保護(hù)程序流程圖如圖6所示。

圖6 報(bào)警保護(hù)流程圖

1.3 HMI人機(jī)界面設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)控程序，主要分為2個(gè)界面，一是系統(tǒng)部件狀態(tài)監(jiān)控界面，如圖7所示，包括閥位動(dòng)作監(jiān)控、電機(jī)故障監(jiān)控、溫度監(jiān)控、壓力檢測(cè)。此界面的主要功能是監(jiān)控噴射裝置的各個(gè)部件是否出現(xiàn)狀態(tài)異常，上述監(jiān)測(cè)的變量是導(dǎo)致系統(tǒng)異常的幾種原因。主要的顯示效果通過信號(hào)燈來實(shí)現(xiàn)，各個(gè)部件都設(shè)定一個(gè)報(bào)警信號(hào)燈，當(dāng)裝置狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)對(duì)應(yīng)的信號(hào)燈出現(xiàn)閃爍或者顏色變化。用以提示操作人員并且提供出現(xiàn)問題的部件位置。二是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體運(yùn)行情況界面，不同于第一個(gè)界面的純監(jiān)控兼報(bào)警功能，第二個(gè)系統(tǒng)界面主要是顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)如圖8所示，檢測(cè)并顯示系統(tǒng)裝置的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，讓操作人員能夠隨時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)的運(yùn)行，同時(shí)在第二個(gè)界面設(shè)置參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)，讓操作人員能夠根據(jù)工藝的變化對(duì)一些控制變量賦值，提高系統(tǒng)的靈活性。

圖7 活性炭噴射裝置監(jiān)測(cè)報(bào)警與控制

圖8 裝置運(yùn)行界面

2 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試的主要目的在于確定控制要求基本實(shí)現(xiàn)。由于硬件設(shè)備受限，調(diào)試采取硬件仿真調(diào)試并且調(diào)試時(shí)的模擬量和數(shù)字量輸入都是人為設(shè)定，假定設(shè)定值為在工作狀態(tài)的采集值，查看系統(tǒng)是否能進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)。

調(diào)試主要分2步進(jìn)行，下位機(jī)調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)試。下位機(jī)調(diào)試使用STEP 7編程軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。當(dāng)未出現(xiàn)碳倉(cāng)物料上限的時(shí)候，碳倉(cāng)處于允許補(bǔ)料狀態(tài)。此時(shí)若出現(xiàn)按下碳倉(cāng)物料下限，則進(jìn)入碳倉(cāng)補(bǔ)料流程，除塵閥打開，然后按下除塵閥開到位，可以看到除塵電機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)進(jìn)料完成之后，即按下碳倉(cāng)物料上限之后進(jìn)料閥關(guān)閉，按下碳倉(cāng)進(jìn)料閥關(guān)閉到位之后除塵電機(jī)關(guān)閉。

系統(tǒng)開機(jī)，給料倉(cāng)默認(rèn)為允許進(jìn)料狀態(tài)，當(dāng)按下給料倉(cāng)物料重量下限時(shí)，可以觀察到給料倉(cāng)/碳倉(cāng)壓力平衡閥打開，按下給料倉(cāng)/碳倉(cāng)壓力平衡閥開到位，可以觀察到給料倉(cāng)進(jìn)料閥打開，按下給料倉(cāng)進(jìn)料閥開到位按鈕之后可以觀察到碳倉(cāng)送料電機(jī)啟動(dòng)。給料倉(cāng)上料完成之后，即按下給料倉(cāng)重量上限之后，可以觀察到給料倉(cāng)進(jìn)料閥關(guān)閉，按下給料倉(cāng)進(jìn)料閥關(guān)到位之后，可以觀察到碳倉(cāng)送料電機(jī)停止。

上位機(jī)的調(diào)試主要是調(diào)試上位機(jī)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和手動(dòng)控制操作兩項(xiàng)功能。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)主要的監(jiān)測(cè)對(duì)象有：碳倉(cāng)溫度、壓力值；給料倉(cāng)溫度、壓力值；煙道氣體流量值；螺旋電子稱返回值；主要的操作對(duì)象有各個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)和停止；各個(gè)閥的啟動(dòng)和關(guān)閉。進(jìn)入上位機(jī)界面，在PLCSIM仿真軟件中對(duì)模擬量輸入通道賦值，觀察上位機(jī)界面中相應(yīng)的工程量值，可以看到兩者工程量值相等。模擬噴射過程時(shí)分別對(duì)PIW310和PIW308模擬通道進(jìn)行賦值，觀察當(dāng)兩者基本相等時(shí)，螺旋給料機(jī)啟動(dòng)。調(diào)試手動(dòng)操作使系統(tǒng)進(jìn)入遠(yuǎn)控模式，分別操作各個(gè)閥的啟停，可以觀察到相應(yīng)的閥動(dòng)作。電機(jī)的手控模式的調(diào)試也一樣。調(diào)試顯示，手控模式能夠?qū)崿F(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套基于PLC的活性炭輸送裝置控制系統(tǒng)，采用WinCC組態(tài)軟件結(jié)合PLC仿真軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)噴霧半干法煙氣脫硫技術(shù)的活性炭噴射裝置自動(dòng)控制，主要解決碳倉(cāng)物料狀態(tài)管理、給料倉(cāng)自動(dòng)補(bǔ)料狀態(tài)、活性炭自動(dòng)噴射、裝置報(bào)警保護(hù)等自動(dòng)控制，采用WinCC組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行部件狀態(tài)及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。本設(shè)計(jì)可有效解決垃圾焚燒產(chǎn)生的重金屬、二噁英及酸性成分等煙氣造成的環(huán)境污染問題，也有助于提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。