脱硫控制系统的选型概要

脱硫控制系统的选型
The type selecti on of flue gas desulfurizati on contr ol system
张勇,栾瑞瑛
(中南电力设计院,湖北武汉430071
摘要:结合石灰石—石膏湿法烟气脱硫控制系统的特点,通过比较DCS和P LC 两种系统控制器的处理能力、数据通信、组态维护、人机交换装置、安全性以及发展方向等,给出了脱硫控制系统选型建议。

关键词:烟气脱硫;DCS;P LC;控制系统选型
Ab s trac t:B a se d o n the cha ra c te risti c s o f the li m e/li m e s t o ne w e t fl ue ga s de su l fu ri za ti o n co n tr o l system,the d is2 tri bu ti o n co n tr o l system(DC Sand PLC co n tr system w e re i n tr o duced.The p r o ce s s i ng cap a c ity,da ta comm u2 n i ca ti o n,ne t co nfi gu ra ti o n a nd deve l o pm en t d ire c ti o n o f DC S a nd PLC co n tr o l sys tem w e re com p a re d.Som e sugge s ti o n s o n co n tr o l sys tem se l e c ti o n w e re p r opo se d.
Ke y wo rd s:FGD;d is tri bu ti o n co n tr o l sys tem;PLC;co n tr o l system se l ec ti o n
中图分类号:X701.3文献标识码:B文章编号:1009-
4032(200904-026-04
脱硫控制系统监控范围为整个烟气脱硫系统(包括脱硫岛内所有的工艺系统和单体设备,分为脱硫单元机组部分和脱硫公用部分。

其中脱硫单元机组部分包括:烟气系统、S O
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吸收系统、氧化空气系统、石膏排放系统等;脱硫公用部分包括:石灰石制浆系统、工艺水系统、石膏脱水系统、电气系统等。

分散控制系统(DCS和P LC都是电力系统中广泛应用的控制系统。

DCS以其方便的组态软件、丰富的控制算法、高度的可靠性和开放的联网能力等优点,成为计算机工业控制系统的主流,逐步占领了机、炉主控领域。

同时,P LC以其结构紧凑、功能简单、速度快、可靠性高和价格低等优点得到广泛应用,多用于辅助系统的顺序控制和相对独立的小系统的自控领域。

在大多数的烟气脱硫工程中,控制系统采用与主控系统硬件一致的DCS系统,近年来,国内外烟气脱硫工程中也有一些采用P LC控制系统的案例。

1PLC与DCS控制系统的比较
1.1控制处理能力
(1处理I/O点数。

1台P LC控制器往往能够处理几千个I/O点(最多可超过8000点,而DCS 控制器,一般只能处理几百个I/O点(一般不超过500个。

(2运算速度。

在逻辑运算方面,P LC比DCS 快得多,其执行1K逻辑程序不到1m s,其控制周期(以D I输入直接送DO输出为例可以控制在50m s 以内;而DCS在处理逻辑运算和模拟运算时,其控制周期往往在100m s以上。

在执行模拟(闭环控制算法时,P LC执行一个P I D运算需要几毫秒,而DCS控制器运算P I D一般只需要1m s,某些型号的DCS控制器甚至更快。

控制周期上的差异主要与控制器的调度设计有关。

大型P LC往往使用副CP U 来完成模拟量的运算,主CP U高速完成开关量运算,所以即使模拟运算速度一般,在开关量控制方面的速度表现还是非常优秀的;而DCS是以同样的速度来处理开关量和模拟量运算,控制周期的指标确实不理想,新型的DCS控制器借鉴了大型P LC的设计,在控制周期方面得到了大幅度的提高,控制器可以设置4个不同优先级的任务,最小运算周期可以设为10m s,配合高速I/O卡件,控制周期能够达到15~20m s。

1.2数据通讯交换
数据通讯交换主要是指控制系统网络及其数据交换形式。

DCS在这方面有着先天的优势。

DCS 的“分散”主要体现在独立的控制器上,“集中”主要体现在具有完整数据的人机交互装置上,而将“分散”和“集中”集成为系统的是网络。

因此,网络就成为了DCS生产厂家的核心技术方向,冗余技术、窄带传输技术都是DCS厂家最早研发或应用成功
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的;而P LC主要按独立模块设计,其“网络”实际上是串行通讯。

工业以太网技术的发展和广泛应用,从形式上拉平了DCS和P LC在网络方面的差距。

从表面上看,很多DCS和P LC都应用了工业以太网,但其实质上的差距依然存在。

以很多P LC采用的MODB2 US-TCP为例,它虽然具有了网络的外形,但依然是一主多从的管理方式,数据表的传输结构。

而在DCS控制网络上,各站平等,不存在主要管理站,而且数据通讯是以模块为单位的结构化数据,数据管理能力非P LC 的数据表方式可比。

1.3组态维护功能
组态维护功能主要包括逻辑组态、下载修改、运行调试、。

早期,P LC以梯形图为主,DCS以模块功能图为主。

经过多年的发展,国际电工委员会(I EC通过I EC1131-3标准规定了5种编程语言,目前主流的DCS和P LC都表示符合这个标准,支持其中的几种或全部编程语言。

从开发效率和程序可读性来看,模块功能图和顺序功能图越来越成为主要的编程方式,梯形逻辑和结构化文本成为了自定义模块的开发工具。

目前,大型P LC在组态方式上越来越像DCS,而小型P LC仍然以梯形图为主。

DCS经过多年的发展,积累了大量的高级算法模块,在一个模块中集中完成了面向设备的基本控制和故障报警功能,在网络通讯中也以此模块为单位进行传递,大大提高了软件开发效率。

一个设备极模块相当于0.5K的梯形图逻辑量,P LC要完成同样的功能,就要烦琐得多,因此,在组态的工期上, P LC要比DCS长很多。

在下载修改、运行调试、远程诊断方面,P LC缺乏解决方案。

而DCS从设计开发之初就是从满足系统需要的角度出发,有着完善的解决方案。

DCS 系统一般可以在线修改和下载控制策略,而且在修改和下载过程中,对系统的正常运行没有影响。

DCS系统有完善的虚拟仿真功能,不但可以用于组态逻辑的验证,而且能够构建成完整的虚拟DCS与模型相连,完成系统的仿真调试,特别适用于设计控制方案和控制方案研究。

1.4人机交互装置
在早期,DCS作为一个控制系统,其人机交互装置是厂家提供的专用装置,而P LC厂家一般不提供人机交互装置,往往由工程承包商自主采用通用的监控软件来完成(如iFix、I nT ouch、组态王等。

DCS 集成的人机交互装置往往有着功能较专业、稳定性较好的特点,但其价格也很昂贵。

随着PC技术的快速发展,一些通用的监控软件发展很快,功能和性能逐渐超过了DCS厂家提供的专用装置,因此,不少DCS厂家逐步放弃了专用的人机交互装置,转而和P LC一样也使用通用监控软件。

但是,DCS厂家使用的通用监控软件并不是简单地拼装,而是在通用监控软件的基础上,通过合作开发,将自已的网络通讯技术、系统自诊断技术以专用软件包的形式保留和继承下来。

DCS在整个设计上留有大量的可扩展性接口,外接系统或扩展系统都十分方便,缺点是成本高,各公司产品不能互换,不能互操作。

P LC所构建的控制系统完成后,
想要扩展监视区域或增加操作员站都是很难实现的。

1.5安全性
DCS系统为保证控制设备的安全可靠,采用了双冗余的控制器及I O卡件冗余分配方式,当重要控制器出现故障时,都会有对应的冗余控制器实时无扰动地切换为工作单元,保证整个系统的安全、可靠运行;另外,DCS在卡件分配时一般会冗余分配,当I/O模块出现故障时,系统会自动使用冗余模块; DCS系统所有I/O模块都带有CP U,可以实现对采集及输出信号品质的判断与标量变换,支持带电插拔,随机更换,确保系统的安全可靠运行。

P LC所构建的系统基本没有冗余的概念,更谈不上冗余控制
策略。

P LC模块只是简单的电气转换单元,没有智能芯片,发生故障时,整个控制系统必须停运,才能进行模块更换、维护并重新编程。

为了提高系统可靠性,P LC往往采用双机热备方式实现硬件上的冗余。

所以DCS系统的安全、可靠性更高。

1.6发展方向
在热工自动化领域,机、炉控制系统基本上都采用DCS,一般辅助车间采用P LC,其主要原因是早期的DCS系统非常昂贵,加之人们认为辅助车间的自动化要求不高,运行可以间断,对于可靠性的要求不高,且模拟量控制调节回路较少,因此,从降低成本的角度出发,选择P LC来构建辅助车间控制系统。

而锅炉、汽机和发电机的控制系统,则要求长期稳定、可靠地运行,且信号中含有相当比例的模拟量调
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节回路,从系统的安全性能出发,必然选择安全、可靠的DCS。

我们发现:机、炉控制系统的竞争往往在不同品牌DCS的供应商或代理商之间展开,而辅助车间控制系统的竞争往往在同一品牌P LC的各个工程承包商之间进行。

P LC的价格下调幅度不如DCS明显,主要原因是DCS的生产商直接参与竞争,在市场压力下不断下调设备制造费用和工程实施费用;而P LC的生产商不直接参与竞争,各个工程承包商只能下调自身有限的工程费用,所以,下调空间有限。

从现在的情况来看,DCS与国际品牌P LC的价格差距已不明显。

随着国内电厂装机容量的不断扩大及电力系统改革的推进,
高,在这个大环境下,DCS系统用于辅助车间控制已成为趋势。

2脱硫控制系统的特点
烟气脱硫控制系统主要有以下特点:
(1烟气脱硫装置的控制对象主要为电动机、管道、阀门等;
(2系统中闭环控制较少,开环控制较多,实时性要求不太高;
(3控制对象相对比较分散;
(4控制使用的P I D较少,顺控较多;
(5注重的是时间控制,保护要求不多。

作为火电厂的一个局部控制系统,脱硫系统的控制相对单一、独立,是以开关量逻辑控制为主,模拟量为辅并伴有少量调节回路的系统。

因此,应选用适合其特点的控制设备,最大化地利用其功能资源,降低造价。

FG D控制系统应具备三个主要功能:数据采集和处理(DAS,模拟量控制(MCS及顺序控制(SCS。

2.1数据采集和处理系统(DAS
DAS的基本功能包括:数据采集、数据处理、屏幕显示、参数越限报警、事件顺序记录、事故追忆记录、操作员记录、性能与效率计算和经济分析、打印制表、屏幕拷贝、历史数据存储和检索等。

该系统监测的主要参数有:FG D装置工况及工艺系统的运行参数;主要辅机的
运行状态;主要阀门的启、闭状态及调节阀门的开度;电源及其他必要条件的供给状态;主要的电气参数等。

脱硫系统报警信息在LCD上显示并可打印,其
报警项目主要包括:工艺系统热工参数偏离正常值;热工保护项目动作及主、辅机设备故障;辅助系统故障;热工控制设备故障;热工控制电源故障;主要电气设备故
障等。

2.2模拟量控制系统(M CS
FG D控制系统应实现以下的调节控制:
(1增压风机入口压力控制。

为保证锅炉的安全、稳定运行,通过调节增压风机导向叶片的开度进行压力控制,保持增压风机入口压力的稳定。

为了获得更好的动态特性,引入锅炉负荷和引风机状态信号作为辅助信号。

在FG D烟气系统投入过程中,需协调控制烟气旁路档板门以及增压风机导向叶片的开度,从而保证增压风机入口压力的稳定;在旁路档板门关闭到一定程度后,压力控制闭环投入,关闭旁路档板门。

(2石灰石浆液浓度控制。

石灰石浆液制备控制系统必须保证连续向吸收塔供应浓度合适并足够的石灰石浆液,设定恒定的石灰石供应量,并按比例调节供水量,通过石灰石浆液密度测量的反馈信号修正进水量并进行细调。

(3浆液pH值及出口烟气中S O
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浓度控制。

测量吸收塔前、后烟气中S O
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浓度、烟气温度、压力
和烟气量,以此来计算进入吸收塔的S O
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负荷和S O2脱除率。

根据S O2负荷换算出实际需要的吸收剂量作为供浆量的设定值,并与石灰石浆液流量和密度之积所表征的实际吸收剂加入量进行比较,其偏差作为P I D调节器的输入。

调节器的输出信号控制石灰石浆液调节阀的开度来实现石灰石量的调
节。

而吸收塔排出浆液的pH值作为S O
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吸收过程的校正值参与调节。

(4吸收塔液位控制。

石灰石浆液供应量、石膏浆排出量及烟气进入量等因素变化将造成吸收塔液位波动。

根据测量的液位值,调节加入的滤液水量及除雾器冲洗时间间隔,维持液位的稳定。

(5石膏浆液排出量及石膏脱水控制。

根据排出石膏浆的密度,通过控制阀门调节浆液排至石膏浆池或返回吸收塔,从而控制石膏排出量。

测量膏饼的厚度,控制带式过滤器的速度,实现石膏脱水的自动控制。

过滤器速度的控制采用变频控制器。

(6除上述主要闭环控制回路外,还将设置石灰石浆液池液位控制、工艺水箱液位控制等。

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2.3顺序控制功能(SCS
SCS的主要控制功能组包括:烟气挡板控制功能组;S O
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吸收系统功能组;石灰石浆液制备系统功
能组;石灰石供浆系统功能组;排放系统功能组;石膏脱水控制功能组。

2.4脱硫控制系统I/O点数
控制系统的I/O点数量必须满足脱硫自动化水平要求,达到运行人员在控制室内通过操作员站对脱硫系统进行启/停控制、正常运行的监视和调整以及异常、事故工况的处理。

3经济比较
P LC系统平均每点价格约为800元(包括P LC 系统的机柜、、I/O模件、通讯模件等必要的软、硬件,加上组网费用总价约350万元。

根据中南电力设计院设计的数台600MW机组的DCS招标价格统计,合资品牌DCS系统均价约为1200元/点,国产品牌DCS均价约为900元/点,以上价格不仅包括了硬件,也包含了相应软件及组态、现场服务、培训等工程实施价格,DCS系统总价约为400万元(进口和320万(国产。

由此可见,P LC控制方案的性价比略高于DCS控制方案。

另外,DCS系统对接地电阻要求比较严格,一般要求在4Ω以下,否则容易烧坏模件。

DCS备品备件的费用一般较订货时更高,也间接增加了DCS的维护费用。

相反,P LC模块购买相对容易,维护费用相对较低。

4结语
近年来,DCS与P LC之间互相渗透,提高了各自的性能,都能组成大型网络。

新型的DCS已有很强的开关量顺序控制功能;P LC紧跟微处理技术的发展,已能进行软件编程,并可提供在线监视、仿真模拟和维护等手段,使顺控系统的开发、组态、调试和维护达到新的高度。

脱硫控制系统的选型不是一个孤立的问题,还应结合全厂的总体运行管理模式和控制网络规划等因素统筹考虑。

与电厂其他的辅助系统相比,石灰石湿法烟气脱硫系统有其特殊性,除了大量的开关量,还有一些重要的模拟量,其工艺
系统如S O
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吸收系统、石灰石浆液制备系统、石膏脱水系统均有重要的闭环控制回路,采用DCS控制系统是比较适宜的。

在《火电厂烟气脱硫工程技术规范石灰石/石灰—石膏法》(HJ/T179-2005、《火力发电厂烟气脱硫设计技术规程》(DL/T5196-2004中,均有烟气脱硫装置“宜采用分散控制系统(DCS”的建议。

考虑到P LC控制系统的经济性和其控制功能的不断升级和发展,可以逐步将其应用于脱硫控制系统中。

但因为应用实例不多,组态功能往往不如DCS系统,安全性及扩展能力不强,还需要进一步开发和完善,建议谨慎采用。

参考文献:
[1]武文江.石灰石—石膏湿法烟气脱硫技术[M].北京:中国水利
水电出版社,2006.
[2]陆海珠,韩兵.电厂脱硫工程控制系统的分析与论证[J].电力
环境保护,2004,25(4:13-14.
[3]潘时勇.135MW机组烟气脱硫系统工艺及控制策略[J].江苏电
机工程,2006,20(4:24-25.
[4]姚媛.浅谈湿法烟气脱硫系统的控制及就地测量仪表的选型
[J].电力学报,2005,20(4:397-399.
[5]浙江大学罗克韦尔自动化技术中心.可编程序控制器[M].杭
州:浙江大学出版社,2000.
[6]郭亚军,章必雄.数据通信[M].武汉:华中科技大学出版社,
2006.
[7]侯庆伟,石荣桂.湿法烟气脱硫系统的pH值及控制步骤分析
[J].山东大学学报(工学版,2005,35(5:38-40.
[8]李光,陈素珍,高善彬.国电费县电厂脱硫制浆系统的调试及运
行优化[J].电力环境保护,2007,23(增刊:37-39.
[9]陈莲芳,徐夕仁,马春元.石灰和石灰石湿法脱硫系统运行控制
指标探讨[J].环境污染与防治,2005,27(1:50-51.
[10]谷林.200MW火电机组烟气脱硫控制系统[J].电力环境保
护,2006,22(3:32-35.
[11]郑慧莉.烟气脱硫的仪表与控制系统[J].电力设计,2005,(5:
61-63.
[12]赵小如,梅江平.基于P LC的燃煤锅炉烟气干式脱硫设备控制
系统设计[J].天津冶金,2003,(2:6-8.
[13]中国电力企业联合会.电力建设工程概算定额(2006版[M].
北京:中国电力出版社,2007.
[14]电力工程造价与定额管理总站.电力建设工程概算定额2007
年价格水平调文件汇编[M].北京:中国电力出版社,2008. [15]胡志光,张雪杰,常爱玲.湿法烟气脱硫系统优化控制的仿真研
究[J].电力环境保护,2008,24(3:15-17.
[16]张永武,惠润堂.湿法烟气脱硫系统中档板门的控制及安全性
建议[J].电力环境保护,2008,24(3:24-25.
收稿日期:2009203226;修回日期:2009205212
作者简介:张勇(19782,男,湖南常德人,硕士,主要从事火力发电厂烟气脱硫热控设计工作。

E-mail:zhangyong-tl@
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