电除尘器节能控制计算机系统的设计与应用

2014-01-16郑国强

中国环保产业 2014年2期

郑国强

（福建龙净环保股份有限公司，福建龙岩 364000）

1 前言

电除尘器是工业除尘的重要设备，已广泛应用于电力、冶金、建材、化工等行业。在大气污染控制方面，其具有高效除尘、减少粉尘排放的作用。

以电力行业的燃煤锅炉机组为例，每台锅炉机组需要配备一至两台电除尘器，每台电除尘器由机械本体和电气控制两种设备组成。其中电气控制设备可分为高压电源和低压设备两部分，前者产生几十千伏的直流高压将烟尘吸附在电除尘器本体的极板极线上；后者则通过一定的控制时序将极板极线上的烟尘振打击落，再由相应的卸输灰机进行处理。低压设备还包括温控加热设备，目的在于使烟尘不至于结露，黏在极板极线上无法击落。随着计算机应用技术的发展，这些高、低压控制设备已全部采用单片机技术，实现微机化控制。所以在运行过程中，电除尘器又是一个耗电设备，一般情况下其耗电量占机组发电量的0.2%～0.5%。

近年来，随着环保排放标准的趋严、运行能耗指标的控制，以及管理技术水平的要求和网络信息技术的发展等，对工厂设备的集中管理、分散控制、节能减排等提出了新的要求，电除尘器也不例外。因此应开发设计一套电除尘节能控制计算机系统，使之在提高电除尘器设备的运行管理水平和自动化控制程度、提高除尘效率和降低能耗等多方面发挥重要作用。

2 系统设计总体目标

通过分析并结合现场使用、调试经验，电除尘器节能控制计算机系统：1）要能够实现对电除尘高低压设备等的数据采集及参数设定，对所有设备进行集中管理；2）要能够对工况变化的自动跟踪、自动适应，实现电除尘的高效节能运行；3）需要高的运行稳定性和灵活的信息共享性。因此系统的设计目标就是要有良好的系统软硬件结构、电除尘节能运行控制功能、冗余控制功能、接口控制功能等，从而实现电除尘设备对集中管理、分散控制、节能减排运行的要求。

3 系统硬件结构

为保证系统的稳定可靠运行和高性能，系统选用工业控制计算机作为上位机，同时选配相应的具有最新功能的智能通讯卡、网络前端机等采集设备，它们与高低压设备等下位机构成了一套完整的IPC系统硬件组合，使系统具有不凡的数据采样能力和处理能力。

系统采用双机冗余热备功能进行设计，从而达到提高系统可靠性和稳定性的目的，同时提供单机的应用方案。系统单机硬件结构示意见图1，双机硬件结构示意见图2。

图1 系统单机硬件结构示意

图2 系统双机硬件结构示意

4 软件结构

系统上位机通过智能通讯卡、网络前端机等采集各高、低压控制设备的运行工况数据以及相应的模拟量值和开关量信号，以各种动画、图形、表格、曲线、文本等形式在画面上显示；在需要时将人工设定的有关参数送往下位机或根据反馈信号实施自动控制，以获得更好的控制效果。因此软件设计需要完成系统初始化、人机交互接口、显示画面、数据采集通讯、数据库管理、网络接口等众多功能。通过分析，整个软件采用客户机/服务器结构体系如图3所示。

图3 系统软件结构体系图

软件结构主要分为三层：

第一层是设备通讯，主要是负责与高低压等下位机设备的通讯及数据采集管理。

第二层主要是数据管理部分、与外部的数据连接接口、数据的封装与分解。

第三层主要是用户界面，用于显示和设定参数。

软件的主要功能有：

（1）高压设备的运行方式、电流极限、通讯状态、启动/停止操作等参数的设定和控制；

（2）电磁振打设备的导通角、振打周期等参数的设定；振打/卸灰设备的强制请求状态、工作时间、停止时间、起始时间和大周期等参数的设定；电加热设备设定状态、上限温度、下限温度等参数的设定；

（3）基于工况诊断分析的节能运行控制功能；

（4）振打优化、复合式功率控制振打功能；

（5）数据管理功能；

（6）缺省参数库系统功能；

（7）用户管理系统；

（8）多种网络接口功能，如Modbus协议接口和OPC接口；

（9）双机冗余功能；

（10）参数分析诊断功能。

5 节能控制功能

近年来的研究及实践表明：在满足排放要求的前提下，电除尘器具有很大的节电潜力，经济效益明显。由于电除尘工况是经常变化的，煤种、负荷也是经常变化的，因此单纯的一种除尘方式运行，无法保证电除尘器长期高效运行。

通过众多在运行的电除尘器档案数据和大量现场测试数据，分析电除尘器的电场动态伏安曲线族（平均值曲线、峰值曲线、谷值曲线）与工况特性变化的关系规律，建立有关工况特性分析诊断模型，并通过量化指标来反映电场工况，来识别电场反电晕发生与否、程度严重与否。同时以现场工况分析为基础，自动获取锅炉负荷、煤种、浊度、烟气温度等各种远程传感信号，并以这些信号为反馈，开发实现节能控制功能软件，使新系统能随时响应机组负荷、煤种、烟气浊度、烟气温度和其它重要工况参数的变化，按照一定的算法生成最佳参数，并将最佳参数输入电除尘器，自动对远程电除尘器的运行进行修正、调整和控制，达到提效最优化和节能最大化的目标。

6 双机冗余功能

由于工业现场环境比较恶劣（如存在电磁辐射、粉尘、电源波动等），系统有时会受到干扰而发生停机现象，给现场管理和控制造成影响。因此，系统上位机有必要采取双主机冗余备份组成容错系统，消除系统存在的单点失效问题，减少系统的停机时间，最大限度增强系统的可靠性和稳定性。

所谓双机冗余备份，就是采用两套配置完全一致的工控机对电除尘设备进行管理和控制，其中一台称为主机，另一台称为备机。正常情况时，主机一边与各下位机进行通讯，采集高低压设备的运行数据和工况参数，一边与备机之间建立TCP连接，并通过此TCP连接将新的数据传输给备机，实现两者的数据同步。备机则定时检测主机的工作状态，主机把自身工作状态作为应答告诉备机。一旦主机发生故障，备机自动切换为主机运行，从而提高系统的可靠性。设计时要充分考虑以下情况：1）主机/备机对下位机的控制互斥，当主机取得对数据采集端的控制权时，备机无法对数据采集端进行相关控制操作，反之依然；2）主机/备机保持数据同步，包括实时曲线数据、历史档案数据、VI曲线、波形曲线、下位机配置信息等；3）主机发生故障时，备机能立刻感知并立即自动切换，无须人工干预，主机/备机切换的时间以用户无法感觉到数据采集延迟的临界时间为准；4）主机/备机的切换后，各下位机的运行参数和状态应保持不变，即不因主机/备机的切换影响系统各下位机的正常运行。

7 接口功能

电除尘器是工厂众多的设备之一，孤立的系统已经难以满足企业管理者或其他部门对信息交流、资源共享的要求。因此必须实现接口功能，增加网络互连能力，实现与工厂MIS系统或主机DCS系统或辅机网控系统等的互通互连，实现现场运行信息上传、必要控制指令下达的交互功能，提高电除尘器设备的运行管理水平和自动化控制程度。

接口功能主要设计了两种接口方式：1）Modbus接口；2）OPC接口。

Modbus接口采用工业现场广泛使用的Modbus通讯协议，工厂其它系统作为主机方，电除尘系统作为从机方，双方通过RS485总线在物理上实现连接。一般情况下，工厂其它系统根据事先定义的数据报文发出查询命令，电除尘系统设计开发专用的通讯接口程序，接收来自DCS系统的报文命令并进行响应，根据命令类别将电除尘器的运行工况参数返回给DCS系统，从而实现双方的相互通讯。

OPC接口是为工业控制设备和系统与人机界面软件之间的数据信息交换提供标准接口。根据数据访问接口规范，在开发设计过程中将系统作为服务器对象，高压控制单元、低压控制单元（如加热器、振打器等）作为组对象，电流、电压、温度、振打时间等作为数据项对象，然后有机地组织起来，编写相应的接口程序并编译成动态链接库，将数据标签等接口提供给辅控系统等OPC客户使用，实现了两个系统的互连互通、信息交换。

8 应用

系统设计完成后，在许多电厂得到应用并取得了良好效果。

（1）系统运行画面

系统运行画面丰富，主要画面见图4、图5、图6。

图4 运行主画面

图5 TR运行表

图6 电场伏安特性曲线

（2）应用实例

广西某电厂300MW机组电除尘器，应用节能控制计算机系统进行改造后，实现了节能控制功能、双机冗余备份功能、OPC接口功能，运行一段时间后经测试电除尘器除尘效率从99.65%提高到99.70%，运行平均电耗下降了421kW，节电率达到了53.1%。

广东某电厂两台600MW机组，电除尘器配置完全一样，平时机组运行情况也基本一样，锅炉负荷基本一致。其中1#炉利用大修时间实施了节能控制计算机系统改造，使之与2#炉电除尘器对比具有了节能控制功能等。通过对除尘变平均电流一个月的观察与统计，1#炉电除尘器每小时耗电为395.73kW·h，整月耗电为294,423kW·h，2#炉电除尘器每小时耗电为675.7kW·h，整月耗电为502,750kW·h，1#炉电除尘器的节电率为41.44%，假定每度电的价格按0.529元、年运行时间按10个月计算， 1#炉电除尘器的年节电量约为208,327kW·h，年节省电费为110.205万元，节能效益十分可观。同时1#炉电除尘器出口烟尘浓度的平均值为28.48mg/Nm3，比改造前的30mg/Nm3左右还略有下降。