基于DCS的热电厂烟气净化系统研究

刘矿平 丁新方 杨旭峰

摘  要：该文以DCS控制系统作为切入点，简要叙述DCS系统的结构组成、配置方案与设计原则，为DCS系统大规模应用推广奠定坚实基础，也为DCS系统的实践应用指明方向。重點基于DCS技术搭建热电厂烟气净化控制系统的具体策略，重点解决控制系统在前期搭建与投运使用阶段面临的现实问题。旨在全方位改善烟气净化控制效果，保障烟气净化系统平稳运行，帮助热电厂实现绿色生产目标。

关键词：DCS技术；热电厂；烟气净化系统；建设策略；实践应用

中图分类号：X773        文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）05-0117-04

Abstract： Taking the DCS control system as a starting point， this paper briefly describes the structure， configuration scheme and design principles of the DCS system， which lays a solid foundation for the large-scale application of the DCS system and points out the direction for the practical application of the DCS system. This paper focuses on the specific strategy of building the flue gas purification control system of thermal power plant based on DCS technology， and focuses on solving the practical problems faced by the control system in the early stage of construction and operation. The purpose of this paper is to improve the control effect of flue gas purification in all directions， ensure the smooth operation of flue gas purification system， and help thermal power plants to achieve the goal of green production.

Keywords： DCS technology; thermal power plant; flue gas purification system; construction strategy; practical application

现阶段，我国发电事业正处于转型发展的关键时期，对热电厂烟气排放指标提出了更高要求，妥善处理发电期间持续产生的烟气污染物，维持烟气净化系统和总体生产系统协调运行，是各座热电厂亟待解决的重要问题。在这一背景下，如何依托DCS系统来搭建功能完善、运行稳定的烟气净化自动控制系统，显得尤为重要，本文以此开展研究。

1  DCS控制系统概述

1.1  系统结构

DCS集散控制系统本质上属于一类开放性系统，由操作站、现场控制器、ESB总线、工程师站、Vnet/IP网络和集成网关等部分组成，系统架构如图1所示。在DCS控制系统运行期间，依托Vnet/V Lent保持人机界面站与现场控制站通讯连接状态，并把人机界面站与现场控制站作为软件程序运行载体，既可以完全由系统后台基于程序准则来完成现场数据采集、烟气排放浓度控制等各项操作，同时，工作人员也可实时监测烟气净化系统的运行过程，通过操作界面远程下达控制指令[1]。

1.2  配置方案

第一，站点配置。为提高系统运行稳定性，确保现场控制器与操作站不会受到单一、少量故障部件影响，必须在热电厂现场分散布置各处控制站，把现场划分为若干区域，各区域内建立机柜室，保持控制站独立运行状态，并在烟气净化系统原有控制室内额外布置一台备用控制器作为操作员站。如此，工作人员可以全面监测烟气净化系统运行工况，还可以控制故障部件的实际影响范围。第二，网络配置。在现场控制室内配置交换机，依托交换机完成后台服务器与现场控制器、烟气净化设备的链接，根据设备接入数量、实际通信需求来确定交换机台数与选择交换机规格型号。同时，还应在现场控制室内部搭建独立的小型网络，如果中控室与现场控制室通讯中断，仍旧可以保证现场控制室内的操作站处于正常运行工况，离线运行一段时间，避免影响到烟气净化控制效果[2]。第三，子系统通信配置。主要依托RS485通信接口保持同级各套子系统的通信连接状态，在系统内安装通信卡件，可采取独立配置或是冗余配置方式。为改善通信效果，优先采取冗余配置方式，如果通信主卡件出现故障问题，立即把所需处理的通信任务转移至冗余通信卡件，从根源上预防数据丢失、运行不畅等问题出现。

1.3  设计原则

第一，安全可靠原则。在DCS系统内增设故障自检功能，系统定期采集、分析自检信号，判断软件程序与硬件设备是否存在异常状况，若存在异常立即发送报警信号与启动故障处理程序，避免因DCS系统自身原因而影响到烟气净化处理效果。第二，操作便捷原则。尽量设计一套流程简洁、自动化程度较高的控制系统，工作人员无需过多介入烟气净化控制活动，即可取得理想净化效果，以此来减轻工作负担、减少热电厂运维管理成本。同时，实现人机交互功能，工作人员通过系统界面来全面掌握烟气净化系统实时工况，并通过语音控制等形式来下达控制指令或修改既定控制方案内容。第三，功能适应原则。提前做好项目资料收集、控制需求分析等准备工作，根据实际需求来制定DCS控制系统搭建方案，避免后续出现功能冗余、功能不全等问题。

2  基于DCS的热电厂烟气净化系统建设策略

2.1  仪表选型

第一，温度仪表选型。以烟气净化系统工作温度测量范圍作为仪表选型依据，主要配备铠装热电阻温度计，系统工作温度低于500 ℃时以Pt100作为测量元件，系统工作温度超出500 ℃时则配备热电偶测量元件。同时，无论配备各类温度计与测量元件，都需要搭配使用法兰式保护套管，避免温度计受外部环境干扰而出现运行故障或精度下滑现象。第二，压力仪表选型。配备不锈钢弹簧管作为压力表，采取差压指示或是就地压力测量方式，根据量程与现场环境条件来选择压力表具体种类。例如，在测量量程较小时配备常规膜盒压力表，周边分布腐蚀性与易堵性介质时配备隔膜密封压力表，周边易堆积沉淀物与固体颗粒时则配备法兰隔膜密封式压力表。第三，液位仪表选型。正常情况下，配备磁性翻板液位计，采取就地液位指示测量方式，连续完成液位测量作业。现场分布腐蚀性介质或是悬浮物时，配备平法兰式或是深入法兰式的隔膜密封液位计。以烟气净化装置顶部作为安装位置时，可以配备雷达液位计，但需要液位计和测量目标间保持良好光学通视条件。同时，为提高测量精度，优先配备电容式液位开关，不宜配备浮球等机械结构的开关仪表[3]。第四，流量仪表选型。根据液体与气体洁净程度作为仪表选型依据，尽量延长仪表使用寿命，避免因过度腐蚀而频繁出现故障问题。在液体与气体较为洁净时，配备涡街流量计，具备强烈腐蚀性与含有过多悬浮物时则配备电磁六连体。第五，阀件选型。DCS控制系统主要配备调节阀、切断阀等阀件，正常情况下采取气动控制阀门，特殊工况时则选用电动控制阀门。确定阀件类型后，根据功能定位来选择阀门种类，如配备球阀来实现开关切断功能，配备智能型气动调节阀来实现现场操作开关远程就地切换与开关联锁控制功能，配备自力式调节阀来实现辅助性流体调节功能。

2.2  数据采集

第一，采集处理流程。以车间现场配备的检测仪表作为数据采集装置，持续采集现场监测信号并发送给I/O模块，经过I/O模块汇总整理后，把模拟信号转换为数字信号，最终提交给DCS系统后台或是现场控制器进行运算处理，在系统操作界面上以状态量形式进行可视化呈现。第二，信号采集方式。常用采集方式分为周期性采集、随机采集2种。其中，周期性采集是仪表设备以固定频率来采集运行参数测量值，适用于电器开关、电动执行器、启动执行器等普通设备。随机采集是由DCS系统根据烟气净化系统运行工况来随机采集现场监测信号，或是在工作人员控制下采集监测信号，适用于采集重要设备的开关量与保护联锁信号。工作人员需要在数据采集系统内搭配应用2种信号采集方式[4]。第三，采集参数。现场数据采集范围涵盖系统运行参数、附件信号与电气设备信号，参数采集种类越多，则DCS控制系统的环境感知能力越强，但会加重数据处理负担。其中，系统运行参数包括二氧化硫排放浓度、吸收塔入口烟气温度、粉尘浓度等烟气净化系统各项运行参数。附件信号是电动阀门、气动阀门等配套装置的状态信号与位置信号，以及检测仪表故障自检信号。电气设备信号则包括现场各台电气设备的状态信号和单机运行参数。第四，流程图画面。以清晰显示烟气净化系统运行工况作为操作员站显示画面的设计思路，在流程图界面从上到下依次显示重要参数、系统工艺流程画面和子系统菜单。其中，重要参数包括烟气出入口部位的二氧化硫浓度、氮氧化物浓度、粉尘浓度、脱硫脱氮效果。系统工艺画面是以电子地图形式展示烟气净化系统各处工艺段的实时工况，以特殊颜色符号来显示故障部位。子系统菜单包括布袋除尘/电除尘系统、无聊循环系统、吸收剂供应系统和吸收塔排灰系统等工艺系统的流程图，工作人员根据实际需要，访问工艺流程图，深入了解各套工艺系统的运行情况。

2.3  I/O点分配

I/O点是DCS系统实现现场控制功能的关键，首先，工作人员需要根据现场情况来合理分配I/O点数，从而奠定系统软件组态基础，充分满足烟气净化控制需求。随后，在系统内额外设置一定比例的I/O点作为冗余备份，用于满足DCS控制系统未来扩建升级需求，并在系统内加装卡件装置，卡件持续把现场设备模拟信号转换为数字信号，再把数字信号发送给DCS系统服务器。最后，根据信号类型来确定I/O点在各部位的分配数量，并确定输入输出方式。例如，信号类型为AO时，把烟气净化系统内单台锅炉的I/O点数量控制在16个左右，以4～20 mA信号输入作为输入输出方式。信号类型为DI干接点时，把单台锅炉I/O点分配数量控制在140个左右，采取干接点信号输入与24 V/DC查询电压作为输入输出方式。而在信号类型为RTD时，把单台锅炉I/O分配数量控制在18～24个，以三线制Pt100信号输入作为输入输出方式[5]。

2.4  模拟量控制

第一，吸收塔出口烟气温度控制。采取热电阻计作为检测仪表，吸收塔出口部位分散布置数量不少于3个的热电阻计，出口烟气温度和热电阻值成正比，烟气温度越高，则内部阻值越高，最终向输入模块发送阻值变化模拟量信号，如果检测到烟气温度超出规定范围，立即采取喷水冷却等方式来降低吸收塔内部烟气温度，温度控制结构如图2所示。正常情况下，把烟气露点温度设定为烟气温度下限值，烟气温度上限值略高于温度标准值，出口烟气温度过低会出现结露现象，出口烟气温度过高则会大幅降低锅炉风量，严重时迫使锅炉停机[6]。

第二，烟气风量控制。在风量出口部位配置超声波流量计等检测仪表，在引风机出口烟道部位配置电动调节阀，以除尘器出口烟气作为过程控制量，出口烟气流量作为反馈值。系统运行期间，持续采集烟气风道流量信号，把流量信号转换为电流变化信号，发送给控制柜内I/O模块处理，最终发送给主控单元，判断实际烟气风量是否满足吸收塔运行需求或是超出承受能力，向电动调节阀下达控制指令，通过调节阀门开度来改变烟气风量。正常情况下，把烟气风量下限值设定为70%标准风量，烟气风险上限值设定为100%标准风量，允许波动范围与吸收塔最佳运行烟气量保持一致[7]。

第三，系统压降控制。以除尘器灰斗部件作为控制区域，在灰斗内部加装流量控制阀，分别在灰斗入口部位和出口部位各布置数量不少于3个的压力变送器，提前设定系统压降标准值和允许偏差范围。系统运行期间，持续采集除尘器灰斗出入口部位的压力值，根据对比结果向流量调节阀下达开度调节指令，通过改变空气斜槽返回吸收塔的物料量来控制系统差压。对压降控制功能的实现，有利于提高吸收剂实际利用率、保持流化床层工况稳定。

2.5  开关量顺序控制

第一，除尘器振打控制。提前在除尘器底部设置喷吹风机，除尘器顶部设置储气罐与气动锤，并设定控制顺序、振打间隔时间、振打持续时间等参数。在烟气净化系统运行期间，采取固定频率控制方式，定期向气动锤下达控制指令，操纵振动锤持续振打除尘器积灰部位，由多只气动锤轮流振打，到达预定时间后结束振打作业，后续重复上述控制过程。如此，可以有效预防积灰问题出现，确保积灰厚度不超过正常水准，避免影响到除尘器工作效率。

第二，倉泵输灰控制。以灰斗内部料位高度作为脱硫灰输送控制依据，在现场控制器内接入仓泵进料阀开关，采取料位触发或是连续输送模式。其中，料位触发模式是对灰斗低点物料位置压力进行监测，如果位置压力明显低于进料设定压力，则切换进料阀开关状态来停止进料，直到位置压力到达设定压力。连续输送模式没有触发条件，提前按照预定控制方案来有序下达、执行仓泵进料指令等现场控制指令，保持物料连续输送状态，唯有在开展保护条件动作时，系统才会清除输入指令。同时，需要对气力输送程序、清堵程序实施互锁控制，相同时间段内仅能运行单一程序。

第三，吸收剂输送控制。在吹扫压力出口与仓流化风出口部位各设置一台压力表，在连续料位处设置雷达料位计，并在DCS现场控制柜内设置若干AO点、AI点和DI点。AO点用于控制给料机频率输出值，AI点用于控制旋转给料机频率表机电流反馈值，DI点负责控制电动液插板阀与气动关断阀的开关状态。在吸收剂输送启动过程，顺序下达开启仓顶流化风机、启动给料器、启动预选下料插板阀、启动循环下料功能组的控制指令，直至功能组完全启动后，自动结束。在吸收剂输送停止过程，顺序下达停止循环下料功能组、等待一段时间后停止仓流化风机运行、停止下料插板阀运行、停止调频旋转给料器运行、切换给料机手动控制模式的指令。而在循环下料过程，DCS系统顺序下达启动顺控程序、流化槽重点低于下限值后开启流化启动阀和下料气动阀、流化槽重点超出上限值后关闭流化启动阀和下料气动阀的控制指令。

2.6  抗干扰改造

在DCS系统运行期间，由于烟气净化车间现场环境较为复杂，持续受到空间辐射、系统外引线、接地系统混乱、系统内部元器件与电路相互电磁辐射等干扰源的影响，使得控制系统稳定性大打折扣，最终引发装置拒动、误动等连锁问题出现。对此，在烟气净化DCS系统建设期间，必须进行抗干扰升级改造，具体可采取设备选型、更换电源、硬件滤波和优选接地方式等改造措施。

第一，设备选型。优先配备具备良好电磁兼容性的硬件设备，在设备安装完毕后，对共模拟制比、耐压性能等抗干扰指标进行检验。第二，更换电源。挑选隔离性电源，如选用UPS在线式不间断供电电源，加装变送器配电器。第三，硬件滤波。在信号线和地间并接电容组件，在信号两极间设置滤波器，这有利于减少共模干扰。第四，优选接地方式。DCS控制器本质上属于一款高速低电平控制装置，考虑到信号交换频率较低，还会受到信号电缆分布电容等因素影响，工作人员优先采取串联一点接地方式或是并联一点接地方式。

3  结束语

综上所述，DCS系统是烟气净化系统当前最为适用的自动化控制系统，也是推动热电厂项目升级改造和实现清洁发电目标的关键。各座热电厂与工作人员都应提高对DCS系统的重视程度，依托DCS系统搭建新一代烟气净化控制系统，全面掌握在仪表选型、数据采集、模拟量控制等方面的DCS系统建设要点，为控制系统自动化平稳运行提供有力保障。

参考文献：

[1] 吴庆康.基于DCS的热电厂烟气净化系统研究与应用[D].徐州：中国矿业大学，2020.

[2] 陈宝华.基于DCS的焦炉烟气净化系统设计[D].包头：内蒙古科技大学，2019.

[3] 安丽鹏，丁小勇，王晨.垃圾焚烧发电厂烟气净化处理自动控制系统的设计及应用[J].科技风，2021（24）：7-8.

[4] 齐盛.火力发电厂烟气脱硫控制系统中的DCS应用研究[J].电气时代，2022（9）：82-85.

[5] 陈文静.DCS在火力发电厂烟气脱硫控制系统中的实践应用与探索[J].自动化应用，2019（8）：68-69.

[6] 赵闰年.自动控制技术在火力发电厂烟气湿法脱硫中的应用[J].科协论坛（下半月），2012（6）：55-56.

[7] 苏雷，罗培钟，袁佳.垃圾焚烧发电厂烟气污染控制及防治对策[J].科技风，2022（21）：71-73.