试论PLC 控制系统在干法烟气脱硫系统中的应用

朱剑伟

（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）

电厂使用的干法烟气脱硫系统，大多使用常规仪表进行控制，但是由于环境复杂、操作频繁，经常会出现控制命令执行不到位、不及时的情况，对烟气脱硫效果也造成了不利影响。PLC本质上是一种微型的计算机，可利用预先设置好的程序，实现监测、控制的一体化。火电厂利用PLC 技术创新干法烟气脱硫系统时，应结合烟气脱硫的基本流程，对其中的关键环节进行控制优化，在提高脱硫效果的基础上，实现火电厂经济效益和社会效益的提升。

1 干法烟气脱硫系统的工艺原理

某热电厂的锅炉房共有4 台130t/h 锅炉，每台锅炉配备一套半干法高倍率钙循环脱硫工艺系统，如图1 所示。

图1 干法烟气脱硫系统的运行原理图

由锅炉产生的烟气，首先进入到立式反应器中，在该设备内完成降温、增湿，这一过程中烟气中包含的二氧化硫与来自增湿混合器中的高钙循环飞灰充分结合，并且与其中的氧化钙、氢氧化钙等发生化学反应，得到硫酸钙、亚硫酸钙等产物。进入到旋风分离器、布袋除尘器后，以固态颗粒物形式存在的脱硫产物，被分离出来进入到灰仓，而脱硫后的净烟气则排放到大气中。灰仓内的灰，一部分进入增湿混合器，参与循环脱硫。在满足循环脱硫需要的前提下，多余的灰经过排灰电磁阀的处理后，排出脱硫系统并收集起来集中处理。

2 干法烟气脱硫系统中PLC 控制系统的组织架构

2.1 硬件构成

PLC 的硬件部分又可分为由上位机组成的监控层和下位机组成的控制层。前者包含的硬件设备为两台工控计算机,1 台打印机。计算机根据前端传感器、监测器提供的数据,经过处理后可以实现动态监控,并根据管理员的需要随时打印运行数据。两台工控计算机分别对应工程师站、操作员站,相互之间实现无障碍信息交流,提高脱硫系统控制的协调性。后者采用“双机架、双CPU”结构。两台CPU 一主一备，当主机发生异常工况后，在PLC 投切指令的控制下，自动切换至备用CPU，保证各项控制命令的实现。上位机和下位机之间依托工业以太网完成实时通信，结构组成如图2 所示。

图2 PLC 控制系统的硬件组成

2.2 软件构成

上位机所在的监控层，使用Fix 软件实现对系统运行数据的采集、统计和分析，并且将处理结果与标准值进行对比，实现动态监视。根据对比结果，由下位机发出相应的控制指令，完成远程操控。下位机所在的控制层，使用Untily4.0 软件进行组态编程，可实现对PLC 硬件配置、控制程序、模拟运行等方面的程序控制。

2.3 供电系统构成

由于脱硫系统的运行环境比较恶劣，因此在应用PLC 控制系统时必须要进行可靠性设计，具体又分为接地系统的可靠性设计、供电系统的可靠性设计以及通讯系统的可靠性设计等几部分。以供电系统为例，比较常用的有两种，即采用隔离变压器的供电系统，采用UPS 的供电系统。以UPS 电源为例，除了为控制器供电外，还能为若干台断路器供电。由于断路器采用并联方式连接，因此相互之间并不产生影响，从而提高了供电系统的可靠性。UPS 供电系统的结构如图3 所示。

图3 UPS 供电系统的结构组成

2.4 接地系统设计

为保障PLC 系统稳定运行和各项控制功能的实现，需要保证接地可靠，提高信号与指令的抗干扰能力。PLC 系统可选择的接地方式有两种，分别是独立接地和串联接地，接地方式如图4所示。两种接地形式各有优缺点，例如独立接地的控制逻辑更加简单，避免控制器与其他设备相互串扰，尤其是在电磁干扰比较强烈的环境下，选择独立接地可保证PLC 系统稳定运行。但是其缺点也比较明显，例如不同系统之间存在较大电位差，在电压较高的区域可能会引起弱点设备烧毁的情况。串联接地则是使用CAN 总线将控制器、I/O 设备等串联起来，然后在CAN 总线末端统一接地。其优势在于平衡了各设备的电位差，提高了整体的稳定性。但是布线较为复杂。

图4 PLC 控制系统的两种接地方式

3 干法烟气脱硫工艺中PLC 控制系统的功能实现

在干法烟气脱硫工艺中，影响脱硫效果的不确定性因素较多。基于PLC 控制系统的自动调控功能，是利用前端监测装置、传感设备，实时采集工艺设备的状态，然后由PLC 识别之后下达相应的指令，控制前端动作单元作出响应。像给水量的自动调控、循环灰给料量的自动调控、烟气温度的自动调控等，都是基于PLC 实现的。

3.1 模拟量自动调节

3.1.1 恒压变频给水调节

在脱硫系统的增湿混合器中，需要保持供水稳定，才能实现脱硫效果的最优化。相反，如果水压波动较为明显，烟气增湿不均匀，会导致部分二氧化硫无法转化为硫酸钙，出现脱硫不彻底、不达标的情况。为解决这一问题，使用了基于PLC 控制的恒压变频给水调节技术。其控制流程为：利用母管内放置的压力传感器，实时监测母管给水压力，并将压力信号传递给PLC。PLC 会根据设定值（SP）与实测值（PV）的对比结果，若SP＞PV，说明实际给水压力偏小，则PLV 发出指令控制变频水泵增加转速，提高给水压力，直到SP=PV。反之，若SP＜PV，则由PLC 发出指令降低变频水泵的转速，这样就实现了母管给水压力的恒定。

3.1.2 循环灰给料量调节

增湿混合器会循环向箱立式反应器提供高钙飞灰，保证灰的给料量稳定也是决定脱硫效果的一项重要因素。为了灵活调控灰的给料量，也使用了基于PLC 控制的循环灰给料量调节技术。控制原理与上文的恒压变频给水调节类似，调节原理如图5所示。

图5 基于PID 控制的循环会给料量调节原理框图

利用压差测量传感器，分别采集进入PID 调节器前的给定值，以及经过PID 调节器处理后的过程值，若增湿混合器进口、出口的压力差偏大，代表烟气量较小，待反应的二氧化硫含量偏少。此时由PLC 根据具体的差值，计算出需要的循环灰量。然后通过信号传输，调节变频卸料阀的转速，通过增大转速减少循环灰量，让烟气中的二氧化硫能够得到充分反应，提高去除效果。

3.1.3 温度自动调节

在半干法脱硫工艺中，烟气中的二氧化硫与氧化钙、氢氧化钙充分反应，比较好的温度区间通常为60-70℃。石灰粉受热分解成为氧化钙、二氧化碳，氧化钙再与二氧化硫反应生成亚硫酸钙，达到脱硫目的。温度过高或过低，都会影响脱硫效果，因此设计了基于PLC 控制的温度自动调节系统，其原理如图6 所示。

图6 基于PID 的温度自动调节原理框图

将吸收塔后的烟气温度2 取1 后，与设定温度（K）对比，若输出温度低于设定温度，则由PLC 发送调节指令，减小回流控制阀的开度，这样回流到水箱的工艺水减少，温度上升；直到PLC 分析结果表明设定温度与输出温度相等，维持此时的回流阀开度。

3.2 在线监视和实时报警

为实时掌握脱硫系统的运行情况，以及各台设备的当前工况，引进了在线监视系统。利用前端传感器将运行信号、振动信号等收集起来，并在PLC 控制系统的作用下，转化为可视化的图像，在人机交互界面上呈现出来。这样管理人员就能够远程监视脱硫系统各部分的运行情况和数据变动，从而为加强操作管理提供了必要的支持。PLC 将前端传输信号，与数据库内预设的标准值进行比对，若两者之间的实际误差，超出了允许误差，则进行实时报警。根据异常信号的所在位置，帮助管理人员快速锁定故障源，为脱硫系统的运维和检修提供必要支持。

3.3 开关量顺序控制

在干法烟气脱硫系统中，需要使用开关量顺序控制的设备有脱硫增湿混合器、变频卸料阀、变频给水泵等。基于PLC 的开关量顺序控制，通过编程的方式，提前设计好每一种设备的执行动作，保证设备按照程序按部就班的完成各项动作。以增湿水电磁阀组为例，通过阀门开闭控制，达到对循环灰水含量的动态调节。其控制原理为：位于反应器出口处的湿度传感器，可实时监测从反应器出口处排出烟灰的湿度。如果循环灰的湿度低于设定值，则PLC 根据实测值与设定值之间的差距，确定阀门开启幅度。然后增湿水物化阀喷出水雾，提高循环灰含水量，达到降低烟气温度、提高烟气湿度的效果。同时，采用PLC 集中控制模式，还能够显著提高整个脱硫系统各部分的协调性，对实现烟气脱硫效果的最大化也有积极帮助。

结束语

将PLC 应用于锅炉的烟气脱硫系统中，可以根据脱硫需要灵活调节变频水泵的转速，以及回流控制阀、变频卸料阀的开度，通过维持水压、给灰量的动态平衡，让脱硫系统始终维持在最佳工况，以较低的成本实现了脱硫效果的最大化。另外，PLC控制系统提供的在线监视、实时报警等功能，也能够满足锅炉干法烟气脱硫系统自动化运行的需要，应用效果理想。