DCS在焦炉地面除尘系统中的应用

郭 杰 杨会海 朱德明 王雷雷 韩顺利

(河南利源燃气有限责任公司，河南 安阳 455000)

0 引言

目前在我国焦化行业中，针对焦炉炼焦生产出焦时散发粉尘量大、环境污染严重的问题，广泛采用干式袋式除尘系统来控制，并取得了一定的的经济效益和社会效益。

近几年来，DCS系统以其强大的控制功能和较高的可靠性，在焦化、热电、化工等行业的生产过程自动化控制中得到了广泛应用。焦化厂地面降尘系统在融入了DCS系统后，自动化程度进一步提高，操作界面简明易懂，对岗位操作工人的业务素质要求较低，同时也改善了工人工作和厂区周边环境，响应了国家能源与环境的可持续发展的要求。

1 工艺流程与原理

焦炉炼焦出焦时，首先由推焦车向除尘系统风机组发送除尘提速信号，风机组在液力耦合器的控制作用下由怠速向高速运行，配风阀随着风机组速度的提升而慢慢关闭，当风机转速达到一定程度时推焦车开始推焦。推焦过程中焦侧会产生大量阵发性高温烟尘，这些烟尘在热浮力和风机产生的负压吸力的作用下，经连接管道引入蓄热式冷却器内。冷却器将高温烟尘冷却到120℃以下，经过灰斗导流装置的粗分离后，含尘气体被送入脉冲袋式除尘器，其经过滤袋时即被细分离，净化后的空气经由排气筒排入大气。出焦完毕后由推焦车提供除尘风机组减速信号，则风机组由高速转入怠速运行，配风阀会在风机组减速过程中逐渐打开。

地面除尘工艺流程图如图1所示。

图1 地面除尘工艺流程图Fig.1 The technological process of ground dust removing process

粗分离出来的固体粉尘直接落入粉尘仓内暂存，细粉尘则会由于截留、惯性碰撞、静电和扩散等原因被吸附在滤袋外表面，需经反吹、振打后落入粉尘仓。当粉尘仓内粉尘达到一定量时，可以打开各粉尘仓的格式阀，粉尘在振打电机的作用下落入刮板机，然后再由刮板机输送到卸灰仓，最后微粒状粉尘在星型卸灰系统内被加湿搅拌后卸到料车运走。

2 除尘工艺联锁与控制要求

本系统是DCS控制系统与传统的布袋除尘系统的结合，在由DCS实现复杂的控制中主要考虑并分析如下工艺联锁与控制要求。

2.1 风机自动提速

风机组转速由液力耦合器的勺管执行器调整控制，勺管执行器接收来自DCS SM511模块输出的4～20 mA控制信号。4 mA时对应为低速，此时勺管执行器开度为15%、液力耦合器输出转速为260 r/min;20 mA时对应为高速，勺管执行器开度为55%、液力耦合器输出转速为900 r/min。勺管执行器同时又将开度实时反馈给DCS系统SM481模块。推焦车摘下机侧炉门后风机组开始提速，30 s内速度上升到额定转速开始高速运行，推焦杆后退时即可降速，稍后恢复到低速运行，其实际高速运行时间仅为60 s左右。采用液力耦合器调速的风机系统节能效果显著。

2.2 自动反吹清灰

除尘布袋上的积灰厚度与设备运行时除尘滤袋前、后的压力差ΔP成正比。ΔP表明了除尘风机组的阻力，决定着整个系统的吸力，也直接影响到系统的工作状况和除尘效果，所以一般用ΔP来确定滤袋反吹清灰时机。根据试验运行，ΔP一般在1 400～1 800 Pa，所以设定1 800 Pa为反吸清灰压力值。当压力达到该值且能保持一定时间(10 s)时，反吹系统会自动运行，以保证除尘系统的正常运行和代谢。该系统既可在线启用反吹，也可利用检修时间或交接班时间采用离线反吹，使用灵活。

2.3 空压器联锁

反吹清灰和气动阀门用气由空气压缩站提供，系统工作压力为0.3～0.6 MPa，耗量为 6 m3/min。若系统压力太低，会使除尘反吹清灰效果大打折扣;压力太高又会减少滤袋的使用寿命甚至损坏滤袋，所以系统压力必须与空气压缩机启、停建立联锁。当压力低于0.3 MPa时，空气压缩机自动启动补充气量;回升到0.6 MPa时，则自动停止。

2.4 阀门开度调节

除尘系统根据风机组的转速来调节配风阀和通风机组入口电动翻板的开度。配风阀和电动翻板都是4～20 mA模拟量信号接口，方便与DCS系统的AI和AO模块连接。当风机低速运行时，配风阀全开，电动翻板关至20%;当风机高速运行时，配风阀关闭，电动翻板开至60%。

2.5 风机组联锁

根据液力耦合器进出油温度、压力、主电机三相绕组温度，与风机主电机建立联锁。当耦合器进出油温度和主电机三相绕组温度超过一定数值或液力耦合器出油口工作压力低于0.03 MPa时，系统给出提示并报警;若温度继续上升且达到紧急停车温度或压力下降达到紧急停车压力时，则DCS向主电机发送紧急停车指令，迫使系统停车，以起到保护作用。

2.6 入口烟尘温度监视

除尘器布袋是纤维织物，不耐高温，如果入口烟尘温度过高，会加速布袋的老化，甚至直接烧毁布袋，它直接影响到布袋的使用寿命。因此，一般要实时监视和记录进入口布袋前的烟尘温度，并在温度超过报警温度时能提示并报警。一般将报警温度设定为120℃。

3 DCS系统实现方案

3.1 MACS 系统简介

本系统采用和利时公司开发的第四代DCS系统——Hollias_MACS。MACS系统是由以太网和使用现场总线技术的控制网络连接的各工程师站、操作员站、现场控制站、通信控制站、数据服务器组成的综合自动化控制系统，以完成对现场生产设备的分散控制和集中管理操作。

3.2 硬件配置

除尘DCS系统硬件主要由2台工程师站工控机、1台现场操作员站工控机、1套现场控制站(包括由主控机笼、I/O机笼、端子模块、电源模块、主控模块、现场总线及以光电收发器为主的网络通信设备组成的SM系列硬件系统)组成。现场控制站定义为10#站，整套系统处理的现场信号点和使用模块统计如表1所示。

根据以上硬件配置，在工程师站工控机上使用MACSV5.0进行设备组态，并根据以上I/O测点进行数据库组态和服务器算法组态;根据工艺联锁与控制要求完成控制算法组态，最后生成控制算法源代码并下载到现场控制站。

表1 I/O模块配置表Tab.1 Configuration of I/O module

3.3 软件配置

现场操作室工控机定义为OPS52，可安装操作员运行软件MACSV-OPS，可以完成用户对人机交互界面的监控，包括流程图、趋势、参数列表、报警、日志的显示和控制调节以及参数整定等操作功能。

集控室工控机定义为OPS50和OPS51，可安装工程师离线组态软件MACSV-ENG、操作员运行软件MACSV-OPS和服务器运行软件MACSV-Server。它不仅可以完成操作员的所有功能，又还可完成用户对测点、控制方案、人机界面的组态、相关系统参数的设置和现场控制站下装与调试，以及服务器、操作员站的下装(工程师站)，还可以完成用户对系统实时、历史数据的集中管理和监视，并为各站的数据请求提供服务(服务器)。集控室两台工控制机作为服务器互为冗余结构，使用一台备用一台，当其中一台出现问题后，另外一台可以自动无缝切换运行。

现场控制站主控制单元内运行控制算法软件，用以完成数据采集与输出、工程单位转换以及控制运算，并通过监控网络与工程师站和操作员站进行通信，完成数据交换。

现场控制站配置有两块互为冗余的主控制单元，主控制单元上有硬件冗余切换电路和故障自检电路，一旦工作中的主控单元发生故障，另一个主控单元自动进入工作状态，可实现热插拔和不间断切换。

3.4 网络配置

Hollias_MACS系统的网络由上到下分为监控网络(即 MNET)、系统网络(即 SNET)和控制网络(即CNET)3个层次。监控网络采用工业以太网双网冗余配置，可实现工程师站、操作员站与系统服务器的互连。系统网络可实现现场控制站与系统服务器的互连，双网冗余配置。控制网络实现现场控制站与过程I/O模块和主控单元的连接与通信，采用Profibus-DP现场总线技术。系统网络和控制网络完成相对独立的数据采集和设备控制功能，以有效隔离工业自动化系统和IT系统。

3.5 工程组态实施过程

将控制器算法下装到控制器后，就可以制作报表并定时打印。根据工艺流程图制作图形组态，完成后通过工程师下装软件下装到操作员电脑上，以监控系统运行。

4 地面除尘系统运行状况

某焦化厂地面除尘DCS生产过程自动化控制系统自2010年5月正式投入运行至今，经过一段时间的运行和考验，其运行状况现总结如下。

①液力耦合器由怠速向高速提升时，由于提速太快造成主电机过电流跳闸。经反复调试，得到如下规律:使液力耦合器提速时速度与高压电机运行电流呈一定的线性关系，尽量使速度平稳地提升或下降，以避免电流跳闸现象的发生。

②由于其他原因该DCS系统的上级电源出现过几起停电事故，因此，为了避免系统因停电影响生产，保证供电的连续性，我们在中控室、除尘操作室和现场控制站都投用了UPS电源系统。

③使用了DCS的地面除尘系统的工控机、服务器、通信网络、控制单元等均采用双机主备冗余技术，且又有UPS电源保障供电，大大提高了系统的安全性和可靠性。

5 结束语

融入了和利时DCS的地面除尘系统保证了与焦炉生产系统的配套运行，大幅改善了厂区生产环境，且系统免维护。和利时DCS控制系统在焦化厂地面除尘系统中得到了成功应用。

［1］高乃文，邹爽.和利时DCS系统在电除尘器上的应用［J］.水泥，2008(7):53－56.

［2］王晓琴.煤焦工艺［M］.北京:化学工业出版社，2005:148－150.

［3］中国环境保护产业协会袋式除尘委员会.我国袋式除尘行业2009的发展综述［J］.中国环保产业，2010(8):11－17.

［4］劳有兰，曾文波，宁常红，等.基于PLC焦化出焦除尘控制系统的设计［J］.广西工学院学报，2005，16(3):73－76.