如何設(shè)計鍋爐煙氣脫硫控制系統(tǒng)？

1、引言

我國是燃煤大國，燃煤排放的SO2成為影響我國城市空氣質(zhì)量的主要污染物。因此，鍋爐煙氣脫硫是減排SO2的重要手段。

鍋爐煙氣脫硫系統(tǒng)具有很高的復雜性，其對控制系統(tǒng)的要求往往很高。而使用PLC控制已經(jīng)成為一種較先進，應用勢頭強勁，應用越來越廣泛的一種控制設(shè)備。它具有可靠性極高、能經(jīng)受惡劣環(huán)境的考驗、功能齊全、性價比高等特點，廣泛應用于鍋爐煙氣脫硫工程。作者參與設(shè)計山東某熱源廠2×75t/h鍋爐煙氣脫硫控制系統(tǒng)，采用了西門子S7-200可編程控制器，上位機采用北京亞控公司組態(tài)王KINGVIEW 6.53工業(yè)控制軟件，實現(xiàn)對脫硫系統(tǒng)的監(jiān)控。

2、脫硫系統(tǒng)工藝流程

本熱源廠采用石灰石—石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)。該技術(shù)以石灰石漿液作為脫硫劑，在吸收塔內(nèi)對煙氣進行噴淋洗滌，使煙氣中的二氧化硫反應生成亞硫酸鈣，同時向吸收塔的漿液中鼓入空氣，強制使亞硫酸鈣轉(zhuǎn)化為硫酸鈣，脫硫劑的副產(chǎn)品為石膏。該法脫硫效率高(大于95%)，工作可靠性高。

該系統(tǒng)包括煙氣換熱系統(tǒng)、吸收塔脫硫系統(tǒng)、給料系統(tǒng)、石膏脫水和廢水處理系統(tǒng)。本文設(shè)計的是給料系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)。

3、鍋爐脫硫系統(tǒng)簡介

(1)本系統(tǒng)為2x75t/h鍋爐煙氣脫硫工程，每臺鍋爐前有三臺氣動雙插板閥，系統(tǒng)運行時打開，系統(tǒng)停止時關(guān)閉;可現(xiàn)場操作，控制室操作員站操作，每套系統(tǒng)有一臺22kw羅茨風機，用于將石灰石粉吹入鍋爐，進行脫硫;帶有就地/遠控轉(zhuǎn)換開關(guān)，可由現(xiàn)場控制柜或控制室操作員站操作，并能與爐前氣動閥連鎖，氣動閥不能全部打開，羅茨風機不能運行。

(2)每套系統(tǒng)有一臺4kw給料機，可變頻調(diào)速。帶有柜門安裝的控制面板，可由現(xiàn)場控制柜或控制室操作員站操作給料機的啟停，故障復位和給料機轉(zhuǎn)速的控制，并能與羅茨風機連鎖，羅茨風機不運行，給料機亦不能運行。

(3)兩套系統(tǒng)共用一個石灰石粉倉，粉倉上安裝有一個高料位、兩個低料位三個射頻導納物位開關(guān)，帶有就地/遠控轉(zhuǎn)換開關(guān)，可由現(xiàn)場控制柜、現(xiàn)場除塵器操作箱或控制室操作員站操作;現(xiàn)場除塵器操作箱安裝于0m層，石灰石粉倉進料口附近，用于進料時操作粉倉除塵器并能檢測粉倉內(nèi)的石灰石粉的高度。

4、PLC控制系統(tǒng)硬件組成

(1)中央處理單元

S7-200選用CPU226 CN作為中央處理單元，具有24個數(shù)字量輸入以及16個數(shù)字量輸出，可擴展到248點數(shù)字量和35路模擬量。S7-200 CPU的指令功能強大，可以進行數(shù)字量邏輯控制、數(shù)據(jù)處理及閉環(huán)過程控制等。

(2)擴展模塊

數(shù)字量擴展模塊包括：EM223 CN，8輸入DC 24V/8繼電器輸出;EM221 CN，8輸入DC24V。

模擬量擴展模塊：2個EM231 CN，4路模擬量輸入，12位分辨率;EM232 CN，2路模擬量輸出，12位分辨率。

5、PLC控制系統(tǒng)功能

PLC控制系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集、模擬量控制以及順序控制等功能。

(1)數(shù)據(jù)采集功能

上位機(工控機)安裝了組態(tài)王KINGVIEW 6.53監(jiān)控軟件，它與S7-200之間通過自由口通信方式建立連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)采集功能將按照所要求的采樣速度，模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度及掃描周期，對生產(chǎn)過程的各種信息量(模擬量、開關(guān)量)進行采集、處理、運算、檢索及儲存等，并以文字、圖表、曲線等形式組態(tài)成各種畫面，通過上位機的液晶顯示屏顯示出來，向操作員及時提供機組運行狀態(tài)的信息。

數(shù)據(jù)采集的具體功能：

·顯示：包括模擬圖顯示、操作顯示、成組顯示、報警顯示等。

·制表記錄：包括定期記錄、實時記錄、事故順序記錄等。

·歷史數(shù)據(jù)存儲與檢索。

(2)模擬量控制

脫硫系統(tǒng)運行參數(shù)輸入到PLC，利用PLC和PID軟件功能控制模擬量輸出，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)功能。此模擬量控制的功能將對給料機變頻器進行頻率控制。脫硫劑石灰石量的多少是由給料機變頻器進行控制的，由于給料量的多少直接影響脫硫的效率，為了經(jīng)濟運行又達到環(huán)保標準，需要根據(jù)SO2含量控制給料量。SO2含量設(shè)定值可以在上位機上進行修改，脫硫后的SO2監(jiān)測值與設(shè)定值進行比較，經(jīng)PID運算后調(diào)節(jié)給料機變頻器的頻率進而控制給料量。

(3)順序控制SCS

SCS控制對象包括機組的電動機、氣動門、電磁閥等，本工程SCS系統(tǒng)，將按可選的功能組級、子組級、單項控制方式考慮，各子組級控制功能的啟、停能獨立運行。運行人員能在CRT鍵盤上選擇自動程序控制或手動操作方式。在程序自動執(zhí)行期間，出現(xiàn)任何故障可向運行人員發(fā)出中斷信號，可使正在運行的程序中斷并回到安全狀態(tài)，屏幕上可顯示程序中斷的故障原因。當選擇手動操作方式時，SCS系統(tǒng)設(shè)置的許可文件，可預防運行人員誤操作。設(shè)備的聯(lián)鎖、保護指令具有最高優(yōu)先級，手動指令則比自動指令優(yōu)先，被控設(shè)備的“啟動”、“停止”或“開”、“關(guān)”指令互相閉鎖，且使被控設(shè)備向安全方向動作。SCS的保護和閉鎖功能始終有效，不允許運行人員手動切除。

6、控制軟件的設(shè)計思路

軟件部分是實現(xiàn)脫硫控制的關(guān)鍵部分。軟件按照模塊化結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，以便達到較強的移植性和今后的功能擴展。

(1)程序流程

脫硫系統(tǒng)程序流程如圖1所示：

圖1 脫硫系統(tǒng)程序流程圖

(2)閉環(huán)控制

為了經(jīng)濟運行又達到環(huán)保標準，需要根據(jù)SO2含量控制給料量。本脫硫系統(tǒng)PLC模擬量閉環(huán)控制PID功能圖如圖2所示，用SO2濃度傳感器檢測反應爐內(nèi)的SO2濃度，變送器將傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為標準量程的電流信號，然后送給模擬量輸入模塊，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到與SO2濃度成比例的數(shù)字量，CPU將它與SO2設(shè)定值進行比較，按照PID控制算法對誤差值進行計算，將運算結(jié)果(數(shù)字量)送給模擬量輸出模塊，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡娏餍盘枺脕砜刂平o料機的輸送量的多少，通過它控制鍋爐內(nèi)的SO2濃度，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

S7-200 PLC提供了內(nèi)置的PID運算指令。在進行模擬量閉環(huán)控制時，使用模擬量擴展模塊(EM231、EM232)來完成PID控制。只需設(shè)定好PID參數(shù)，運行PID控制指令，就能求得輸出控制值，實現(xiàn)模擬量閉環(huán)控制。本系統(tǒng)采用了現(xiàn)場實驗整定法，直接在過程控制系統(tǒng)中進行參數(shù)整定。在上位機界面通過SO2實時曲線觀察SO2濃度變化并修改PID參數(shù)，來達到理想的控制值。