1、引言

經濟發展使得人們的生活水平逐漸的提高，但同時也使人們周圍的生活環境不斷惡化，人們逐漸意識到環境污染的危害，并提出了經濟與環境必須協調發展的要求。大氣污染與人們的生活息息相關，因為它會直接造成人群死亡率增加，破壞生態系統，造成巨大的經濟損失。而火電廠、煉鋼廠等工業所排放的廢氣正是大氣污染的主要來源。鑒于此，國家有關部委制定了法規要求電廠增加脫硫系統。當前行業內對減排二氧化硫的主要方法有：煙氣脫硫。將鍋爐燒煤后的煙氣通入石灰水中洗氣，將硫產物吸收，石灰水洗氣后加入氫氧化鈉NaOH再生，這就是脫硫。目前應用較為廣泛的煙氣脫硫工藝有：石灰石（石灰）-石膏濕法脫硫、噴霧干燥法脫硫、煙氣循環流化床脫硫、海水脫硫、電子束法脫硫。國內針對超過200MW的大型機組優先考慮采用石灰石（石灰）-石膏濕法脫硫。本文結合西門子電氣公司西門子系列PLC在山西某自備發電廠（簡稱弘電）2×200MW機組煙氣脫硫系統的實際應用，著重探討石灰石（石灰）-石膏濕法脫硫監控系統部分設計與實際應用。脫硫系統網絡結構圖如圖1所示。

圖1 脫硫系統網絡結構

2、濕法脫硫工藝簡介  

石灰石（石灰）—石膏濕法脫硫工藝采用價廉易得的石灰石或石灰作脫硫吸收劑，石灰石經破碎磨細成粉狀與水混合攪拌成吸收漿液。當采用石灰為吸收劑時，石灰粉經消化處理后加水磨制成吸收漿液。在吸收塔內，吸收漿液與煙氣接觸混合，煙氣中的二氧化硫與漿液中的碳酸鈣以及鼓入的氧化空氣進行化學反應被脫除，最終反應產物為石膏。其反應原理可用以下化學反應方程來描述：CaCO3+SO2=CaSO3+CO2 2CaSO3+O2=2CaSO4

弘電脫硫工藝系統由三個子系統組成：#1爐系統， #2爐系統和公用系統。其中#1爐系統與#2爐系統的組成結構基本一樣，分別負責來自1號和2號鍋爐煙氣的脫硫任務，按功能分成煙道功能子系統和吸收塔功能子系統。公用系統是指#1爐和#2爐共同使用的功能設備的統稱，按功能劃分為公用輔助系統、石灰石卸料與磨制系統和廢水處理系統等。

3、脫硫控制系統

表1 脫硫系統控制測點統計表

表1給出了各個系統的輸入輸出點（IO）分配點數。

根據上述脫硫系統的特點，整個控制系統也劃分三個子系統，共采用三對西門子電氣公司的西門子系列PLC300系列控制器組成冗余的控制系統和網絡，控制器通過西門子系列N以太網模塊與100M以太網交換機直接相聯。控制系統配置了三臺操作員站和一臺工程師站，采用雙機熱備運行方式。附圖為脫硫系統網絡結構圖。

脫硫DCS系統運行時需要與#1、#2鍋爐的DCS系統進行狀態信號的交流，從#1、#2過來到達脫硫DCS系統的狀態主要有：鍋爐的負荷、鍋爐油槍工作狀態、鍋爐煤層工作狀態、鍋爐吹掃、鍋爐MFT以及電除塵的運行狀態。從脫硫DCS系統傳遞到#1、#2鍋爐DCS的信號有：旁路擋板、原煙氣擋板和凈煙氣擋板的開關狀態。這些信號都涉及到電廠鍋爐的運行，所以鍋爐DCS與脫硫DCS之間的接口采用硬接線方式。

#1爐和#2爐設備是相對獨立的，它們共同調用公用系統中的石灰石供漿和石膏脫水子功能系統，#1爐與#2爐之間也存在著連鎖保護，這些在#1爐、#2爐和公用系統控制器之間傳遞的信號通過Modbus-TCP協議傳輸，從而節省了重復的IO電纜鋪設費用。

脫硫DCS系統主要實現的功能有：數據采集系統（DAS），模擬量控制系統（MCS），組態軟件和順序控制系統（SCS）。

（1）數據采集系統（DAS）

數據采集系統按所選定的數據采集前端設備的采樣速率，周期性地采集和處理現場設備和工藝的開關量和模擬量信息。并通過網絡傳輸到上位機顯示屏中顯示，作為運行人員監視和操作現場設備的依據。

數據采集系統的基本功能有：數據采集、數據處理、屏幕顯示、報警聲光顯示、事件記錄和追憶、歷史數據存儲檢索及打印、性能在線計算等功能。

數據采集系統首先是通過采集卡周期性掃描外部測點的狀態，然后經過諸如正確性判斷、工程量換算、限值判斷等處理后，將處理過的信息作為新的數據寫入數據庫中。數據庫乃數據采集系統的核心，脫硫DCS系統擁有兩個數據庫：一個是控制器數據庫，另一個是上位機數據庫。上位機通過Modbus-TCP協議與控制器聯接，按一定的采樣周期循環掃描控制器數據庫的變化，并同時對上位機數據庫與畫面顯示進行更新。

（2）模擬量控制系統（MCS）

模擬量控制系統實現脫硫控制系統的模擬量閉環調節功能，脫硫控制系統的主要閉環調節回路有：增壓風機入口壓力調節、吸收塔液位自動調節、石灰石供漿流量調節，還有公用系統中的濾餅厚度調節等。

● 增壓風機入口壓力調節

增壓風機入口壓力調節的目的在于使鍋爐爐膛壓力保持穩定。將鍋爐正常運行時的引風機出口壓力作為增壓風機入口壓力調節的設定值，測量實際運行的壓力，然后進行比較得出偏差，偏差經過控制算法計算，得出調節量作用在增壓風機的調節導葉上，使得增壓風機入口壓力穩定在設定值附近。

增壓風機入口壓力閉環調節控制算法通常是PID調節，這是因為PID算法簡單而且能夠滿足工程的要求。為了提高壓力調節的響應速度，將鍋爐負荷作為前饋量引入到調節中，從而縮短了調節時間和減小了超調量。

● 吸收塔液位自動調節

高溫煙氣進入吸收塔反應后由于冷卻和飽和作用會帶走一部分水，使得漿液變稠，脫硫吸收效果變差。這部分損失掉的水，通過吸收塔上部的除霧器沖洗系統進行補充。除霧器沖洗系統由32個電磁閥組成，每組8個，共四組。它們是按一定的順序輪流開關，兩個工藝相鄰閥門之間的開啟間隔時間則是依據吸收塔液位來進行調節。

在所能參考的資料中還沒有精確的吸收塔液位與煙氣流量關系的數學模型，根據熱力學原理，由進入吸收塔內的煙氣流量及其在塔內的熱量交換可以計算出蒸發與飽和作用帶走的水量率，假定吸收塔除霧器沖洗閥每次開閥沖洗的時間為常數，只要煙氣所帶走的水量率按時間作積分所得的值等于每次沖洗所能補充的水量時，則進行沖洗。由此得到了吸收塔除霧器兩次沖洗的時間間隔，它隨著煙氣流入量的波動而變化。

在弘電項目的吸收塔液位調節算法中，增加了一個閾函數，意在使液位能夠盡快地收斂到設定值附近。其基本原理是當吸收塔液位偏差的絕對值大于預先設定的閾值時，吸收塔調節時間將乘以一個懲罰系數，促使調節往收斂方向加速發展。懲罰系數可以是偏差函數或者是常數，在弘電的脫硫系統中，液位偏差落在偏差閾值內時，懲罰系數為1，當出現正偏差并超出閾值時，懲罰系數可取為大于零而小于1的數值，這樣就能減少除霧器沖洗門兩次沖洗的等待時間；當出現負偏差并超出閾值時，可將懲罰系數取為大于1的數值，從而延長沖洗間隔時間，添加了懲罰系數能使控制效果得到更好的改善。

● 石灰石供漿流量調節

石灰石供漿流量調節的目的在于調節吸收塔內的pH值，使煙氣與石灰石漿液在最適合的pH值下發生化學反應，這是保證脫硫質量的關鍵之處。

采用普通的PID控制時，由于pH值具有較大的滯后，控制效果并不理想。考慮到影響吸收塔pH值的主要因數是煙氣中的硫元素與漿液中的鈣元素的摩爾比，因此在弘電脫硫系統中使用了串級PID控制的思想。引入了硫鈣比閉環調節的石灰石供漿流量調節后使得系統的反應速度和超調量等都有了較大的改善。

硫元素和鈣元素的摩爾比不能直接測出，只能經過間接的方式求出。脫硫系統安裝有原煙氣分析儀和煙氣差壓計，經過流體力學中的伯努利方程計算可以粗略得到煙氣的流量值，進一步算出硫的摩爾數，將主控回路中的輸出作為修正系數算出與硫摩爾數對應的鈣摩爾數，根據現場安裝的石灰石漿液密度和供漿流量算出鈣的摩爾數，比較得出偏差，經副控回路計算后作用在供漿調節閥上。

● 濾餅厚度調節

石膏漿經過旋流后，底流將輸送到真空皮帶進行真空脫水，為了保證脫水效果，濾餅厚度要控制在一定的范圍之內。濾餅的厚度往往容易受到底流漿液密度和流量變化的干擾，因此通過設立一個濾餅厚度調節降低操作人員手動介入操作的頻率，降低操作人員的勞動強度。

濾餅厚度調節是通過測量濾餅的厚度與工藝設定值做比較，進行偏差抑制的PID運算，得到的輸出作用在真空皮帶的變頻器上，以達到運行的期望。其原理比較簡單，采用常規的PID算法即可。實際南通弘電石膏濾餅厚度測量儀表安裝位置不當，造成了極為嚴重的滯后，采用常規PID算法會出現不穩定的效果。為此，在工程中應用了其他的控制方法，譬如適當延長PID調節的采樣周期或者采用智能控制方法，都可以使系統穩定在一定范圍之內，效果有了較大的提高。

（3）組態軟件的選擇

在眾多的組態軟件中，常見的組態軟件有wincc、ifix、intoch和國內開發的組態軟件組態王等。其軟件各種開發功能各有千秋。其中IFIX軟件是美國最著名的工控組態軟件，在美國工控軟件中銷量名列前茅。IFIX軟件 適用于各種PLC, 例如支持西門子200300400, 三菱A系列，Fx系列; 莫迪康，GE等。支持各種工控板卡，RS_232，RS_485，honywell公司R_150，R_160，S9000，各種智能變送器。也可用于工業控制管理網絡。IFIX是一個軟件系統。其核心部分提供了各種基本功能，這些功能使得應用程序可以執行指定的任務。其中兩個最基本的功能是數據采集和數據處理。IFix提供了大量的高性能IO驅動器。這些驅動器具有查錯、報告、恢復、內置數據報告以及支持冗余通訊。IFIX軟件還支持DDE服務器。IFix提供最暢銷和特殊的IO設備的各種IO驅動程序，由于每個IO驅動支持特定的硬件，因此每個IO驅動由各自的手冊介紹。IFIX軟件是真正32位軟件,支持WINDOWS NTWINDOWS2000。IFIX軟件具有強大的網絡功能,支持NetbiosTcpip。 IFIX軟件支持200多種國內外PLC, DCS, IO板卡產品,可為產品定做驅動程序。

● IFIX軟件采用DLL通訊方式，采樣速度更快，可靠性更高；

● IFIX軟件具有強大的ODBC技術，支持Oracle， Sybase，FoxPro等關系數據庫；

● IFIX增加了OPC功能(OLE方式的IO設備驅動程序接口)；

● IFIX內嵌VBA, 以及雙機熱冗余功能。

采用那種組態軟件并不重要，關鍵是利用軟件實現工程設計中的控制思想和控制模式。IFIX軟件有這么多優點，把它作為自控系統的開發軟件是最好的選擇之一。

（4）順序控制系統（SCS）

順序控制系統（SCS）可以使操作人員在控制室內監視和控制脫硫系統的所有電機、閥門，并實現設備的連鎖及保護。順序控制系統（SCS）能完成大量設備的高度智能化控制，它將設備按功能相關原則歸組和劃分為功能組和功能子組，按照所編寫的程序一步一步執行下去，從而減少了操作人員的手動介入，降低了操作人員的勞動強度和誤操作風險。

系統中的任一種設備或功能組都可以抽象為一個函數模塊。根據設備的不同，其函數模塊也會表現為形式參數、內部條件判斷和輸出的不同。

函數模塊一般都包括以下形式參數操作員輸入指令;自動控制輸入指令;保護連鎖輸入指令;各種指令屏蔽條件;指令互鎖;設備狀態反饋。

函數內部條件判斷是編程人員依據工藝的要求編寫的判斷程序,以保證各種指令按照人們的期望執行下去。

輸出則是輸入經過內部判斷所希望得出的結果，譬如說某電機或功能組具有自動控制ON指令輸入并且內部條件判斷滿足，則輸出為電機或功能組啟動。

脫硫系統的主要順序控制組有：煙道系統、擋板密封風機、氣氣換熱器、凈化風機、增壓風機、吸收塔系統、石灰石漿液泵、循環漿泵、除霧器、石膏排出泵、石膏溢流漿液泵、真空皮帶脫水系統、工藝水泵、廢水處理系統和石灰石輸送及制漿系統等。

每個單元的熱工保護直接在各個單元控制器中實現，它們作為設備函數模塊的保護參數輸入驅動設備。一些參與保護的重要模擬量的采用三取二的表決原則或采用雙重測量方式，以保證系統運行的可靠性。由于旁路擋板在脫硫系統中的特殊地位，在遠程操作站上專門設有緊急開啟按鈕，直接通過硬接線操作旁路擋板和向DCS控制系統發送緊急開啟信號。

4、分析及討論

弘電脫硫系統#1爐單元和公用系統已投運，#2爐單元也將在年底投運。由#1爐實際運行效果來看，采用西門子系列PLC控制后大大降低了操作人員的勞動強度和系統運行的可靠性與連續性，完全能夠實現大型DCS控制系統的功能，并且它們的運算處理時間相差并不大，而在成本與開放性上PLC比DCS有較大的優勢。自控系統是煙氣脫硫工程的神經中樞，是有機地把脫硫工藝和工業自動化系統結合起來，達到最大脫硫效果。自控系統的好壞直接決定了脫硫工程項目實施的成敗，國內煙氣脫硫項目在工程施工和調試階段暴露很多問題，而這些問題最直接的原因是自控系統的設計不合理。脫硫工藝有上百種，只有把脫硫工藝和自動化系統有機的結合起來，才能發揮最大的效益；當兩者結合到一起時也帶來了許多技術方面和工程方面的難題，值得國內業界同行的思考和探索。