基于PROFIBBUS—DP的火电厂脱硫控制系统的设计

宋娟　李明　范友峰

摘要：针对当前我国火电厂脱硫技术自动化水平不高、脱硫率较低等问题，设计了一套基于PROFIBBUS-DP技术的火电厂脱硫控制系统，具有实时性强，能够实现信息管理（MIS）和实时监控（SIS）等特点。应用于河南豫新发电厂，脱硫效率达到80%以上，实现了减排效果。

关键词：PROFIBBUS-DP技术；脱硫控制系统；SO2浓度；PLC；减排

中图分类号：TK323；X701.3 文献标识码：B 文章编号：0439-8114（2013）07-1666-03

随着我国工业的迅猛发展，生产力水平得到了大幅提高，但大气污染日益严重，空气质量进一步恶化，已对人类的生存安全构成威胁。其中，环境酸化已成为当今世界严重的环境问题之一，SO2也成为我国大气污染的重要来源。我国SO2的排放量中大约有90%来源于燃煤[1]，而电力生产主要是火电，占全国发电总量的75%左右，而火电中约85%又是煤电[2]。烟气脱硫（FGD）是控制SO2排放最有效的途径。针对我国火电厂脱硫技术自动化水平不高、脱硫率较低等问题，设计了基于PROFIBBUS-DP的火电厂脱硫控制系统，采用先进的半干法烟气脱硫工艺，以PLC为控制核心，运用数字PID控制方法，通过工业网络PROFIBBUS-DP实现上位机与下位机之间的通信，实现了火电厂脱硫的自动化控制。

1 烟气脱硫系统工艺流程分析

目前世界各国已开发并应用的烟气脱硫技术多达200多种，主要分为燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后脱硫3种[3]。结合中电投河南豫新发电厂新建2×300 MW烟气脱硫工程的实际情况，设计采用循环悬浮式半干法烟气脱硫工艺。该工艺主要以CaO作为吸收剂，与水混合制成石灰浆后以雾状喷入反应器中与SO2充分反应。为了达到脱硫效果和整个脱硫系统的稳定运行，反应器内的温度要保证在最佳反应温度范围内，反应器的压差也要始终保持在负压差。系统主要包括制浆系统、反应区、除尘系统3部分，工艺流程如图1。该系统设计处理量为3 000 mg/m3，河南豫新发电厂1号机组排放烟气参数如表1。经过烟气脱硫系统烟气排放符合《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011），SO2浓度小于200 mg/m3，灰尘浓度小于30 mg/m3[4，5]。

2 烟气脱硫控制系统的选择

随着工业控制的迅速发展，传统的集中分散型控制系统（DCS）仍然是模拟量处理，整个系统的测量精度、控制速度和自我诊断能力具有一定的局限性。目前，以现场总线构成的控制系统——现场总线控制系统（FCS）成为新一代控制系统，具有现场通信、开放式等特点。PROFIBBUS总线作为众多现场总线技术之一，具有实时性强，能够实现信息管理（MIS）和实时监控（SIS）等优点[6]。根据火电厂设备分散、工艺要求复杂等特点，提出一种以PROFIBBUS-DP总线为主的火电厂脱硫控制系统，结构图如图2。

3 烟气脱硫系统硬件设计

3.1 系统硬件选型

结合烟气脱硫系统工艺流程，考虑到发电厂的粉尘浓度高、噪声污染相当严重等实际环境情况，上位机选用研华工控机PIC-610，其配置有5个PCI插槽，1个PCIE X1插槽，1个PCIE X16插槽，3个RS-232串口，1个RS-422/485串口。并且配有板卡固定条和防震托架，能够承受恶劣环境中常见的冲击、振动和尘土，非常适合于现场的实际应用。下位机选取西门子S7-300，该控制器具有模块化扩展功能，设计紧凑，并有DP口可与现场总线连接。分析整个系统工艺流程，下位机输入多为模拟量，输出也有数字量和模拟量，考虑到I/O口余量，结合运行速度、通信接口等因素，选择CPU314-2DP并扩展SM323 DI16/DO16bit、SM334 AI/AO4*12、SM331 AI8*12bit等输入输出模块。

3.2 传感器选型

整个烟气脱硫系统需检测量有烟气温度、SO2浓度、反应塔出入口压力以及冷却水和石灰浆液的流量、液位等。依据传感器能够与PLC连接方便，系统设计选择HY-2100 投入式液位变送器、MF5000电磁流量计、SBWZ-2260热电阻温度传感器、WT500-SO2检测仪、FWP-T20X压力变送器、WMY2012-B液位计。

4 系统软件设计

4.1 上位机软件设计

系统软件包括上位机监控界面和下位机PLC控制程序两部分。上位机采用WinCC组态软件，是为了便于操作，能有效地进行人机对话[7]。监控界面主要由登录界面、反应塔监控、脱硫准备、分离床料循环系统等监控界面组成。可以完成数据采集、数据处理、流程控制、数据显示、过程报警等功能。烟气脱硫系统各个环节的工艺数据以及运行状态显示在上位机上，操作人员可以看到整个烟气脱硫系统的运行情况，也可以以报表的形式存档打印，便于操作人员进行工艺分析或故障查找。图3为反应塔监控界面。

4.2 下位机软件设计

下位机PLC采用编程软件STEP7中的梯形图实现。用户程序由开始、主程序、子程序、中断程序等组成。主要有反应塔工作、石灰浆准备、烟道系统等子程序。每个程序都是相互独立的，不会受到上位机故障和停机的影响，方便了技术人员安装、调试和维护。编写每段PLC程序包括硬件组态与地址分配、逻辑控制功能、模拟量控制及算法实现、与工控机的通讯实现。其主程序PLC流程如图4。

5 烟气脱硫系统算法研究

分析烟气脱硫系统的控制过程，主要包括SO2的浓度控制、温度控制、压力控制，这些量也是工业控制常见的被控对象。目前，最普遍的算法便是PID控制算法，其控制规律为Y（t）=Kpe（t）+Ki∫e（t）dt+Kdde（t）/dt，式中，Kp为比例系数，Ki为积分时间常数，Kd为微分时间常数。在实际应用中，烟气脱硫系统采用PLC编程方法实现PID算法，属于数字算法，上式控制规律不能直接使用[8]，需要进行离散化处理，转换为：y（k）=Kpe（k）+KI■e（j）+KD[e（k）-

e（k-1）]，式中，k为采样序号，k=0，1，…，n，KI=KP ■，为积分系数，KD=KP■，为微分系数，T为采样周期。

在设计SO2浓度、温度控制、压力控制方案时应采用串级控制系统，SO2浓度是整个烟气脱硫系统中最主要的控制参数，降低其浓度至标准值是设计脱硫系统的主要目的。对SO2浓度的控制可采用MATLAB的SIMULINK建模和软件环境来实现计算机仿真，根据控制要求，并按照上述PID参数整定步骤，得到SO2浓度随时间变化的控制曲线如图5。分析得到采用PID控制器控制SO2浓度总体为192.598 mg/m3，可以达到控制效果。

6 小结

针对中电投河南豫新发电厂的现场实际情况，设计了基于PROFIBBUS-DP的火电厂脱硫控制系统，在实际应用中实现了SO2排放浓度小于 200 mg/m3、粉尘排放浓度小于30 mg/m3的要求，脱硫效率达到80%以上，获得了良好的减排效果。

参考文献：

[l] 袁莉莉.半干法烟气脱硫技术研究进展[J].山东化工，2009， 38（8）：19-22，25.

[2] 石在玉.火电厂脱硫存在问题及工艺选择方法探讨[J].上海电力，2008（3）：238-241.

[3] 黄东生，王荣恩，汤楚贵.烧结烟气脱硫技术探讨[J].烧结球团，2008，33（3）：6-10.

[4] 蒋文举.烟气脱硫脱硝技术手册[M].北京：化学工业出版社，2006.

[5] 谷 林.200 MW火电机组烟气脱硫控制系统[J].电力环境保护，2006（3）：32-35.

[6] 程启明，郑 勇.火电厂石灰石/石膏湿法烟气脱硫技术中的关键控制系统[J].上海电力学院学报，2007，23（2）：141-146.

[7] 廖常初.西门子人机界面触摸屏组态与应用技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[8] 唐贤伦，仇国庆，李银国，等.基于MATLAB的PID算法在串级控制系统中的应用[J].重庆大学学报（自然科学版），2005， 28（9）：61-63.