許小雷

合肥中亞環(huán)保科技有限公司

1 前言

在工業(yè)生產(chǎn)中，為了達(dá)到高效的工業(yè)除塵效果，都必須配備專門的電除塵器設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)中，該設(shè)備的應(yīng)用極為廣泛，如在建材、電力、化工等都有被普遍應(yīng)用，有效地治理和減少了空氣污染方面的粉塵排放。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，在電除塵器的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，普遍采用單片機(jī)技術(shù)，并利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“微機(jī)”控制。但在使用過程中，電除塵器能耗較大，耗電量通常占0.2%～0.5%。近幾年來，隨著環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)和能源消耗控制標(biāo)準(zhǔn)的提高，開發(fā)一套計(jì)算機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)電除塵設(shè)備的自動(dòng)化控制，提高電除塵設(shè)備的除塵效率，提高電除塵設(shè)備的管理水平，降低設(shè)備能耗，具有重要意義。

2 電除塵器工作原理

電除塵器的主體為鋼結(jié)構(gòu)，由各種類型的焊接鋼材組成，外表面覆有蒙皮（薄板）和絕緣材料，設(shè)計(jì)和安裝十分方便。該結(jié)構(gòu)采用層次化結(jié)構(gòu)，每一層次化結(jié)構(gòu)由多個(gè)框架梁連接板梁構(gòu)成。對(duì)于這樣龐大的結(jié)構(gòu)，如何全部實(shí)體連接，其工作量和單元數(shù)都會(huì)非常大，為適應(yīng)安裝蒙皮和絕緣層的需要，主梁之間加焊接次梁這一環(huán)節(jié)就顯得極為重要。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體目標(biāo)

在分析和結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用調(diào)試經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了電除塵節(jié)能控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

（1）必須能夠?qū)﹄姵龎m設(shè)備的高、低壓運(yùn)行數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集，并能夠?qū)崿F(xiàn)各設(shè)備的模塊化管理。

（2）自適應(yīng)能力要高，對(duì)于工況變化能夠自動(dòng)追蹤記錄，以此實(shí)現(xiàn)電除塵器的節(jié)能運(yùn)行。

（3）信息交換要求高度穩(wěn)定和靈活，保證軟硬件結(jié)構(gòu)質(zhì)量良好，并具有一定的界面控制、冗余控制、節(jié)能控制以及除塵等功能[2]。

4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

為了使系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性得到有效提升，在本次設(shè)計(jì)中，選用的上位機(jī)為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，并配以相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括現(xiàn)代智能卡、網(wǎng)絡(luò)接口、高低壓設(shè)備等設(shè)備，組成完整的工業(yè)控制硬件包，使系統(tǒng)具有獨(dú)特的數(shù)據(jù)選擇和處理能力[3]。

為使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提高，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將采用雙機(jī)冗余熱備功能，并增設(shè)了單機(jī)應(yīng)用程序。系統(tǒng)的單機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，雙機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示[4]。

圖1 系統(tǒng)單機(jī)硬件結(jié)構(gòu)示意

圖2 系統(tǒng)雙機(jī)硬件結(jié)構(gòu)示意

5 軟件結(jié)構(gòu)

根據(jù)需要，反饋信號(hào)可手動(dòng)下送或自動(dòng)控制，通過智能卡通信、網(wǎng)絡(luò)接口等方式在屏幕上顯示相應(yīng)的模擬值和信號(hào)，以供系統(tǒng)上級(jí)設(shè)備采集高低壓設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并在屏幕上顯示[5]。在軟件的開發(fā)過程中，需要初始化系統(tǒng)內(nèi)容，并配以顯示界面、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)采集與連接、網(wǎng)絡(luò)接口等，這些都是軟件開發(fā)過程中需要完成的。

軟件結(jié)構(gòu)主要分為三層：第一，通信設(shè)備，主要負(fù)責(zé)與低電壓等定位設(shè)備的通訊和數(shù)據(jù)采集；第二，數(shù)據(jù)管理、外部數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)封裝與分解；第三，顯示和配置選項(xiàng)的用戶界面。該軟件具有以下功能：（1）高電壓設(shè)備的工作模式、電流限制、通信狀態(tài)、起停操作等參數(shù)的設(shè)定和控制；（2）電磁振打設(shè)備導(dǎo)角、振打周期等參數(shù)的設(shè)置；（3）基于狀態(tài)診斷分析的節(jié)能型運(yùn)行控制功能；（4）振蕩優(yōu)化、復(fù)合功率控制振蕩功能；（5）數(shù)據(jù)管理職能；（6）缺省參數(shù)庫(kù)系統(tǒng)的功能：（7）用戶管理制度；（8）Modbus 協(xié)議接口和OPC 接口等多種網(wǎng)絡(luò)接口功能；（9）雙機(jī)冗余功能；（10）參數(shù)分析與診斷功能。

6 節(jié)能制功能

通過大量電收塵文件資料和大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)電收塵動(dòng)態(tài)族關(guān)系進(jìn)行了分析。通過建立一個(gè)分析診斷模型，對(duì)平均曲線、峰值曲線進(jìn)行分析，說明相關(guān)工作模式的特點(diǎn)，從而改變工作模式；確定電場(chǎng)反電暈的發(fā)生與否和嚴(yán)重程度，用量化的指標(biāo)來反映電場(chǎng)工況[6]。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況的分析，自動(dòng)獲得不同鍋爐負(fù)荷、煤種、濁度的遙感信號(hào)，根據(jù)這些反饋信號(hào)，使新系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)組負(fù)荷的變化作出反應(yīng)，煤、煙氣濁度、煙氣溫度等重要參數(shù)隨時(shí)根據(jù)工況來確定最佳參數(shù)，并將最佳參數(shù)輸入電除塵器，達(dá)到優(yōu)化效率、提高節(jié)能效果的目的。

7 雙機(jī)冗余功能

針對(duì)工業(yè)設(shè)備的缺點(diǎn)，有必要對(duì)高系統(tǒng)機(jī)器進(jìn)行備份，建立故障管理系統(tǒng)，解決單點(diǎn)系統(tǒng)故障問題，減少系統(tǒng)故障時(shí)間，提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。

雙機(jī)冗余備份是用來控制靜電除塵裝置的，其中一個(gè)叫作主機(jī)，另一個(gè)叫作備用。一般情況下，主機(jī)與下級(jí)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，采集高壓設(shè)備的工作及參數(shù)數(shù)據(jù)，與備份設(shè)備建立TCP 連接，并將新數(shù)據(jù)傳送到備份設(shè)備，保證數(shù)據(jù)同步。隨時(shí)準(zhǔn)備檢查主機(jī)的狀態(tài)并報(bào)告。在服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)切換到備用設(shè)備服務(wù)器，提高了系統(tǒng)可靠性。另外，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下因素：（1）低端機(jī)器在主機(jī)/備份機(jī)的控制下，當(dāng)主機(jī)獲得數(shù)據(jù)采集終端的控制時(shí)，計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)采集結(jié)束后不能進(jìn)行正常的控制，而是保持相反的狀態(tài)；（2）當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，它會(huì)立即被接受并自動(dòng)切換，不需要人工干預(yù)，節(jié)點(diǎn)間切換的時(shí)間取決于用戶在數(shù)據(jù)采集過程中的不確定性；（3）在主機(jī)與備份機(jī)之間進(jìn)行切換后，第二臺(tái)機(jī)器的參數(shù)和操作保持不變，也就是，每個(gè)工作站/備份機(jī)的容量和功能保持不變。

8 接口功能

電除塵是工廠眾多設(shè)備之一，單獨(dú)的電除塵系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足企業(yè)或其他部門負(fù)責(zé)人交流信息和資源的需要。因此，有必要實(shí)現(xiàn)接口功能，增加MIS 系統(tǒng)或主要DCS 系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)等輔助設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)作、通信，以獲取現(xiàn)場(chǎng)所需信息，控制命令和交互功能，提高電除塵設(shè)備的控制和自動(dòng)化水平。接口功能主要設(shè)計(jì)了以下兩種接口方式。

8.1 Modbus接口

Modbus 接口是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常使用的Modbus 通信協(xié)議。以其他系統(tǒng)為主機(jī)，電除塵系統(tǒng)為機(jī)器，雙方實(shí)際通過RS485總線相連。一般情況下，電廠的發(fā)電機(jī)組都會(huì)根據(jù)預(yù)定的信息發(fā)出查詢指令，開發(fā)ESP系統(tǒng)的專用接口，接收并響應(yīng)DCS系統(tǒng)的信息，按照指令分類，將發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)恢復(fù)到DCS 系統(tǒng)，從而保證發(fā)電機(jī)組之間的相互連接。

8.2 OPC接口

OPC 接口是一種標(biāo)準(zhǔn)接口，其主要應(yīng)用于工業(yè)控制設(shè)備和人機(jī)界面軟件之間的數(shù)據(jù)信息交換。

9 高頻電源與脈沖電源組合技術(shù)

電除塵器除塵前粉塵濃度較高，當(dāng)收集各種粉塵顆粒時(shí)，電除塵器內(nèi)的氣體應(yīng)盡量電離，并增大總工作電壓，使粉塵顆粒電荷增大。采用常規(guī)電源時(shí)，高頻電源脈沖寬度較窄，總電壓上升率較“陡”，能有效地抑制電暈，提高高密度介質(zhì)中的除塵速度，提高電爐除塵效率，大大節(jié)省能源。但目前在我國(guó)，高頻能量并不能產(chǎn)生有效的粒子電荷效應(yīng)來收集這些能量。

電收塵前用電場(chǎng)收集粉塵，收塵率99%以上。電磁場(chǎng)作用后，基本都是細(xì)粒，因?yàn)榧?xì)粒直徑較小，質(zhì)量和面積較大，并且由于二次揚(yáng)塵等原因，造成電場(chǎng)難收尾塵，脈沖部分可單獨(dú)輸入或輸出，高頻基座部分可單獨(dú)工作。脈沖源中更有效的微粒電荷，以毫秒為單位，還有一些微粒，能產(chǎn)生相當(dāng)大的收集量。但是，目前的脈沖電源成本比較高，而且常常不能充分利用脈沖電源技術(shù)。

所以，前四個(gè)電場(chǎng)采用高頻電源來收集大部分塵埃，第五個(gè)電場(chǎng)采用脈沖電源來收集從原始電場(chǎng)逸出的細(xì)小塵埃，并提供最終的控制電路。脈沖高頻能結(jié)合工況，能有效提高除塵器的總效率，降低總能耗。

10 電除塵器的具體應(yīng)用

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在許多電廠得到應(yīng)用并取得了良好效果。

（1）應(yīng)用實(shí)例一。廣西某電廠300MW 機(jī)組電除塵器，在應(yīng)用改進(jìn)后的節(jié)能控制系統(tǒng)之后，增設(shè)了多種功能，如雙機(jī)冗余備份功能、OPC接口功能、節(jié)能控制功能，在使用一定的時(shí)間之后，電除塵器的能耗降低了421kW，節(jié)電率達(dá)到了53.1%。除塵效率從原來的99.65%提高到了99.70%。

（2）應(yīng)用實(shí)例二。廣東某電廠有兩臺(tái)600MW機(jī)組，配置的電除塵器功能性質(zhì)全部相同，運(yùn)行情況也基本一致，其鍋爐負(fù)荷也大致相同。在這里我們將兩個(gè)機(jī)組分為1#和2#，其中1#機(jī)組在大修期間對(duì)其節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，2#機(jī)組電除塵器保持原樣，以便于和改造后的1#機(jī)組進(jìn)行對(duì)比。在近一個(gè)月的觀察與統(tǒng)計(jì)過程中，1#機(jī)組的電除塵器每小時(shí)耗電量為395.73kW·h，2#電除塵器的每小時(shí)耗電量為675.7kW·h，一整個(gè)月的耗電量為502750kW·h。經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，1#電除塵器的節(jié)電率為41.44%，如果每度電的價(jià)格按照0.529 元，按照10 個(gè)月對(duì)其耗電量進(jìn)行計(jì)算，1#電除塵器的年節(jié)電約208327kW·h，一年算下來，能夠節(jié)省110.205萬元，具有較高的節(jié)能效益。

11 結(jié)語

通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用，證明了電除塵器的節(jié)能降耗效果明顯，經(jīng)濟(jì)效益顯著。節(jié)電不影響除塵效率，優(yōu)化控制，采用減振沖擊技術(shù)，進(jìn)一步提高電爐除塵效率，降低排放濃度。加強(qiáng)節(jié)能管理體系建設(shè)。

針對(duì)不同類型除塵器的實(shí)際情況，有必要進(jìn)一步優(yōu)化和完善反饋管理策略，使節(jié)能管理系統(tǒng)現(xiàn)代化、智能化，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。