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    由于我國絕大多數火電廠采用的燃料是煤，其帶來的嚴重后果是大量SO2氣體對外排放，造成對環境的嚴重污染。根據《國務院關于酸雨控制區和二氧化硫污染控制區有關問題的批復》，對火電廠二氧化硫排放提出了明確要求，即要求“兩控區”的火電廠做到：到2000年底達標排放；新建、改造燃煤含硫量大于1%的電廠，必須建設脫硫設施；現有燃煤含硫量大于1%的電廠，要在2000年前采取減排措施；在2010年前分期分批建成脫硫設施或采取其他具有效果的減排二氧化硫措施。因而對煙氣脫硫工藝過程控制系統的研究成為我國當前一個緊迫和重要的問題。
    本文闡述了在構建煙氣脫硫工藝過程控制系統中，一種將FCS與DCS相結合的控制系統，也就是基于PROFIBUS總線技術的FDCS[2]，取代了傳統的DCS分散控制系統。探討了基于PROFIBUS總線的火電廠煙氣脫硫過程控制系統的設計與應用。

1 石灰石-石膏濕法脫硫工藝簡介

    石灰石-石膏濕法脫硫工藝采用價廉物美的石灰石或石灰作為脫硫吸收劑，石灰石經破碎磨細成粉狀與水混合攪拌制成吸收劑，其生產工藝流程如圖1所示。在脫硫塔內，吸收劑與煙氣接觸混合，煙氣中的SO2首先被吸收劑中的水吸收然后與吸收劑中的碳酸鈣（CaCO3）反應生成CaSO3, CaSO3被鼓入的空氣中的O2氧化，最終生成石膏晶體（CaSO4. H2O）。其主要化學反應式為：

吸收過程：SO₂+ H₂OH₂SO₃   = HSO₃^- + H⁺  ; CaCO₃ + 2H⁺Ca²⁺ + CO₂+H
氧化過程：HSO₃^- +1/2 O₂SO4^2- +H⁺   ;  Ca²⁺ + SO₄^2- + H₂OCaSO₄. H₂O

    石灰石-石膏濕法脫硫是目前世界上技術最成熟、應用最廣、運行最可靠的方法，已成為世界FGD的主導。應用該脫硫工藝的機組占電廠脫硫總裝機容量的90%，應用的最大單機容量已達到1000MW。

2 控制系統設計

    整個煙氣脫硫過程控制系統邏輯上按照三層結構設計：過程控制級、監控級、上一級監控和管理級。其功能包括數據采集和處理（DAS）、模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）以及保護、聯鎖、報警等。 

2.1 過程控制級
    控制級中主要采用PLC和執行機構（電動調節閥、變頻器）控制生產過程，另采用智能儀表采集現場壓力、溫度、流量等各項數據。系統正常運行時，采用閉環控制，系統根據設定值和實測值的差值實現自動控制，使被控量自動穩定于設定值；當需要人為干預時，可采用開環控制，控制室內操作人員可通過調整控制值來保證系統正常運轉；當自動控制系統發生異常時，可由現場操作人員直接對調節閥、變頻器等執行機構進行操作，即通過手動控制以確保整個系統的安全、穩定、有效運行。過程控制級的控制范圍包括：
    （1）脫硫塔循環水量控制；
    （2）循環池、鈉堿池、氧化池、泥漿池、電石渣漿化池濃度及液位控制；
    （3）泥漿泵、循環泵、變頻泵工作狀態控制；
    （4）調節閥門工作狀態的控制。過程控制級與監控級之間通過PROFIBUS現場總線按一定的通訊協議進行通訊。

2.2 監控級
    監控級運行SCADA實時數據采集和控制軟件（監控組態軟件）完成煙氣脫硫系統監控與管理以及過程優化數學模型運算。監控級包括： 1臺工程師站，用于對整個系統進行組態，編程和調試；2臺操作員站（一主一備），均采用工業控制計算機，并安裝WinCC6.0監控軟件，用于操作人員對整個系統進行監控。監控范圍包括：
    （1）現場控制設備的啟停操作及運行狀態；
    （2）煙氣脫硫控制系統的動態參數；
    （3）脫硫除塵后煙氣中煙塵、SO2排放濃度。

整個系統功能范圍內的全部報警項目可在顯示器上顯示并可在打印機上打印，報警范圍包括：
    （1）脫硫塔入口煙溫過高，出口煙溫過低；
    （2）脫硫塔進、出口壓差過大；
    （3）循環池、鈉堿池、氧化池、泥漿池、電石渣漿化池液位過高或過低；
    （4）pH值調節池、循環池pH值過高或過低；
    （5）電動機運行中跳閘；
    （6）煙氣出口含硫、含塵量過高。

2.3 上一級監控和管理級
    上一級監控和管理級由實時監控系統（SIS）和計算機管理信息系統（MIS）兩部分組成。煙氣脫硫控制系統作為發電機組正常安全生產的一部分，必須與機組中其它相關控制系統及管理系統交換生產實時數據和歷史數據，必須接受管理系統的生產指令，因此要求煙氣脫硫系統的SCADA控制系統應有很強的數據處理能力，工業以太網是目前工控界最流行的局域網技術，市場占有率高達80%。它具有良好的數據開放性和擴展性，能夠在系統不停機的情況下與其它程控系統通訊。本文采用NETDDE方式通過工業以太網交換數據。

3 基于PROFIBUS總線技術的FDCS

3.1 PROFIBUS總線介紹[1]
    PROFIBUS是Process Fieldbus的縮寫，是一種國際性的開方式的現場總線標準。PROFIBUS根據應用特點分為PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三個兼容的版本。本文根據實際工程的需要選用的是PROFIBUS-DP，其特點有：經過優化的高速、廉價的通信連接，專為自動控制系統和設備級分布式I/O之間通信設計，使用PROFIBUS-DP模塊可取代昂貴的24V或4~20mA并行信號線。用于分布式控制系統的高速數據傳輸。

3.2 FCS與DCS的比較  
    傳統的DCS與新型的FCS的比較：
    （1）DCS是封閉式系統，各公司產品基本不兼容。而FCS是開放式系統，用戶可以選擇不同廠商、不同品牌的各種設備連入現場總線，達到最佳的系統集成。
    （2）DCS必須整體投資一步到位，事后的擴容難度較大。而FCS將功能下放，實現控制與數據采集的現場化。因此，FCS系統投資起點低，可以邊用、邊擴、邊投運。
    （3）FCS由于控制與數據采集現場化，與DCS相比可以節省大量電纜與敷設電纜用的橋架等，同時也節省了設計、安裝和維護費用。
    （4）FCS相對于DCS組態簡單，由于結構、性能標準化，便于安裝、運行、維護。

3.3 FDCS的特點及其優越性[2]
    由于FCS較之DCS更具優越性，且煙氣脫硫系統的被控制點很多，分布比較分散，因而FCS將逐步取代DCS。值得一提的是，文中所闡述的控制系統FDCS與理想的FCS是有很大區別的。理想的FCS應該是全數字化的，即傳統的4~20mA模擬信號完全被雙向數字通信現場總線信號所取代。實現全數字化FCS的基礎是數字智能現場裝置，而目前市場上的數字智能現場裝置還不夠理想有待完善，且尚無在火電廠環境中長期運行的業績。由于考慮到實際工程的需要，本文中所設計的控制系統是保留了DCS部分特點的FCS，也就是FDCS。其特點是：各分布式I/O（ET200M）放置在現場信號比較集中的位置，每個現場裝置到分布式I/O仍使用一對專用的雙絞線，以傳送4~20mA模擬信號，分布式I/O到中央控制室則采用一根雙絞線完成雙向數字通信。
    FDCS相對于傳統的DCS能節省大量的隔離器件、端子柜、I/ O 卡件、模擬卡件等，簡化二次接線、節省大量的控制電纜, 減輕了CT、PT 負載,減少施工、安裝、維護工作量,節省大量的人力、物力資源,從而降低了綜合投資成本。另外,各分布式I/O相互獨立, 分布式I/O之間通過PROFIBUS-DP總線連接,系統組態靈活,整個系統的可靠性得到很大提高,任一分布式I/O的故障不會影響其他分布式I/O,縮小了故障范圍，更重要的是，實現了真正的地理分散，使控制風險幾乎徹底分散。

4 系統硬件組成

    本系統共需108個開關量輸入，包括：補水泵狀態、補水截止閥狀態、進口閘板狀態、水池高低液位報警、系統故障報警、斗式提升機狀態、石灰倉高低料位狀態、給料機狀態、脫硫吸收劑輸送泵狀態、循環池攪拌機狀態、循環泵狀態、泥漿泵狀態、煙道閘門狀態等；74個開關量輸出，包括：信號指示燈、補水泵控制、進口閘板控制、斗式提升機控制、給料機控制、脫硫吸收劑輸送泵控制、循環池攪拌機控制、循環池補水控制、循環泵控制、泥漿泵控制、煙道閘門控制等；32個模擬量輸入，包括：pH值大小、脫硫塔出口溫度、脫硫塔出口壓力、脫硫塔阻力、主煙道壓力、主煙道溫度、引風機轉速等；8個模擬量輸出，包括：引風機轉速控制、電動調節閥控制等。整個系統有液位控制、pH值的控制、排灰漿控制、噴淋循環控制等8個控制部分，其中最重要最關鍵的是pH值調節池pH值的閉環控制。通過性價比的市場調研，本文選用西門子公司的SMATIC S7-300系列PLC，分布式I/O采用ET200M，其模板包括：采集4~20mA模擬信號的模擬量輸入模板、PT100采集模板、開關量采集模板、模擬量輸出模板、開關量輸出模板等。系統硬件配置如表1所示。
    現場儀表和執行機構通過雙絞線傳送4~20mA信號到分布式I/O（ET200M），分布式I/O再通過PROFIBUS-DP現場總線完成與中央控制器（CPU315-2DP）之間的雙向數字通訊。系統硬件結構原理如圖3所示。

表1 系統硬件配置

5系統功能的實現

5.1 液位自動控制
    水池液位控制有兩條基本要求。
    第一, 水池不能過滿,產生溢出。如不這樣,不僅會造成經濟損失,還會嚴重污染周邊環境。
    第二，不能流空，產生斷流。否則會對煙氣脫硫工藝產生嚴重影響，使煙氣脫硫工藝過程無法正常進行。由于受煙氣脫硫工藝流程的影響，液位的變化不是很穩定。如果液位控制全憑現場操作人員根據系統工藝流程，人為地手動或電動操作水池的進出口閥門來實現液位控制，使其液位保持在正常的工作狀態范圍內，現場操作人員在工作中就要時時監測液位的變化，不得有半點疏忽，這樣就較大地增加了現場操作人員的勞動強度，而且容易發生事故。因而采用德國E+H公司的FMU40E超聲波液位計、電動調節閥和西門子公司的S7-300PLC組成控制回路來實現對水池液位的自動控制。當檢測到液位過高時關閉電動調節閥，停止對水池的供水。當檢測到液位過低時開啟電動調節閥，恢復對水池的供水。整個控制回路簡單、可靠、運行穩定。

5.2 pH值的PID調節[3]
    在該系統中,pH值調節池、循環池的pH值需進行PID調節, 它們都是通過控制電動調節閥的開度來實現pH值控制的。本文是通過軟件來實現這種PID調節功能。pH值PID控制系統原理如圖4所示。

PID的模擬表達式為:
                (1)
式中　P ――調節器的輸出
　　　K_p ――比例系數
　　　T_I  ――積分時間
　　　T_D  ――微分時間
　　　e ――測量值與給定值之差
若設　T_S  ――采樣周期
　　　P_n  ――第n次采樣輸出
　　　e_n ――第n次采樣偏差
則式(1)換成離散形式為:
            (2)
將式（2）換成增量式，并設K_I = K_pT_s/ T_I ，K_D = K_pT_D/T_s ，則

 Pn = K_p（e_n - e_n-1 ）+ K_{I en} + K_D（e_n - 2_en-1 + e_n-2 ）   （3）
     式（3）為本控制系統的pH值PID調節器，具體的K_P、K_I 和K_D三個參數可根據現場調試獲得。

5.3 排灰漿控制

    在實際使用中發現泥漿泵雖然運行時間很短，但是損壞率很高。其主要原因是由于灰漿沉積速度很快，特別是鍋爐壓火或停爐一段時間后，脫硫除塵箱體內未排盡的余灰沉淀板結在泥漿泵的入口處，造成泥漿泵每次重載啟動，甚至堵轉，使泵的密封圈、軸承、電機等損壞。為了解決以上問題，控制系統增加了預沖漿和防板結的功能。在泥漿泵每次啟動前20秒自動開啟沖洗閥，用具有一定壓力的自來水沖松泥漿泵入口處板結的灰漿。在鍋爐壓火或停爐后，仍讓控制系統按照原設定的間隙時間繼續運行3個循環，以排盡脫硫除塵箱體內的余灰。

6 結論

    通過用戶實際運行表明，經該煙氣脫硫系統處理后所排放的煙氣已達到國家環保標準。其脫硫效率可達92.2%，脫硫吸收塔出口取樣處SO²的排放濃度為104mg/Nm³。該套控制系統可靠、高效、經濟，且在啟、停、運行及事故處理情況下均不影響機組正常運行，受到用戶的歡迎。同時，也為在火電廠中應用完整的、徹底的FCS打下了良好的工程和實踐基礎。