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上海交通大学 硕士学位论文 DCS 在大型燃煤电厂湿法烟气脱硫工程中的应用研究 姓名包明正 申请学位级别硕士 专业计算机技术 指导教师李治柱;陈建 20061001 摘 要 摘 要 研究表明，我国酸雨的 pH 值低，属典型的硫酸型酸雨。燃煤电厂 排烟中的二氧化硫总量极大，占全国排放量的 40-50。控制燃煤电 厂 SO2排放总量是抑制我国酸雨污染发展的关键所在。 本文以上海电气中央研究院承接的建设电站脱硫控制系统示范工 程-上海外高桥电厂湿法烟气脱硫控制系统为研究对象， 利用工业计算 机、数据采集卡、现场仪表和执行机构，并结合计算机软件，在一套 “虚机实电”的脱硫控制系统仿真平台上进行脱硫控制系统设计和试 验研究。在系统设计过程中，本文所进行的主要工作及应用研究是 1、以大型燃煤电厂石灰石－石膏法烟气脱硫控制系统为对象，依 托一系列自主品牌的分散控制系统、控制器、现场仪表和执行机构， 搭建一套“虚机实电”的脱硫控制系统仿真平台。 2、分析 SO2与吸收剂的化学反应机理，制定脱硫系统的控制策略。 石灰石石膏湿法烟气脱硫反应机理十分复杂，在深入分析系统机理 和工艺的基础上，提出控制 SO2脱硫效率的有效方法。 设计了前馈/反馈串级控制系统， 能及时克服来自石灰石浆液压力 和流量波动的干扰，使吸收塔内化学反应的 PH 值保持在一个恒定的 范围内，从而保证了稳定的脱硫效率。 3、开发了开放型工业控制通讯网络。采用 TCP/IP 通信协议，使 用市场上供应的第二层交换机作为网络接口。采用具有网络容错能力 的光纤分布式数据接口 FDDI 提高了网络的可靠性。在链路层使用定 时令牌传送协议，保证所有通信节点都能以均等的机会访问介质。保 证了现场采集数据的实时传输。 4、系统实时监控。运用 CitectHMI/SCADA 软件设计了 DCS 的实 时监控系统，能够确保系统高性能的响应和数据的高度完整性。人机 界面的画面显示能快速无误地从现场得到信息，更新画面的数据并执 行控制命令。使控制和显示功能结合到一个对象中，创建了一个实时 直观的操作接口。 该系统已在上海电气中央研究院 DCS 实验室投入运行， 运行结果 表明系统具有良好的实时性能和容错能力；主控卡使用 32 位嵌入式 微处理器的控制系统完全能够满足烟气脱硫工程的各种运行工况的要 求。 在任一操作员站上都可以对脱硫装置的仿真运行情况进行监视和 控制。还可以通过交换机进行远程数据交换或连接视频服务。 关键词关键词烟气脱硫；集散型控制系统；工业控制计算机；微型计 算机接口；光纤分布式数据接口。 Abstract According to some researches, the pH value of the acid rain in China is low. It is a typical sulphur acid rain. The SO2 amount exhausted by the coal-fired power plants is very large. It accounts for 40-50 of the total amount of the exhausted SO2 in China. Controlling the SO2 exhausting amount in the coal-fired power plants is the key point to control the acid rain in China. In this article an example of projects undertaken by the Shanghai Electric Group Co,. Ltd. Central Academe namely the WaiGaoQiao power plant FGD control system will be studied. The FGD control system designing and the research will be done on a “virtual machine real electric” simulating plat made up of industrial personal computer, data collecting cards, field instruments, cuting mechanism and software. In the design process of system, the major work and application study that this thesis carried on are 1. In order to study the wet limestone-gypsum FGD system in a coal-fired power plant, a “virtual machinery real electric” simulating plat was built using DCS, controller, field instruments and cuting mechanism. 2. The chemical reaction of SO2 and absorber will be analyzed. And the entsulphuring control will be made. The reaction principle of the wet limestone-gypsum entsulphurization is very complex. After the careful study of the system working principle and technology, an effective entsulphurization will be made. A feed forward/feedback cascade control system is designed. The cascade control system can overcome the fluctuation of pressure and flow in the limestone liquid, so that the PH value of the chemical reaction in the absorbing tower will be kept in a limited range. This ensures a stable entsulphuring ratio. 3. An open industrial communication networks using TCP/IP protocol will be applied. Switches provided in the market will be used as network interfaces. The network reliability will be enhanced using the failure-tolerant optical fiber FDDI. In the data link layer, a timed token rotation protocol will be used; it ensures that all nodes in the communication network have same opportunities to access the media. And a real time transmission of the field-collected data is guaranteed. 4. System real time supervising. Rapid response and high level data integration can be achieved by using CitectHMI/SCADA as the DCS real time supervising system. Drawing of the Human Machine Interface can quickly and correctly display the field ination, update data on the drawing and cute the command. It integrates control and display functions into one object, and creates a real time, virtual interface. This system has been used in the DCS Lab of the Shanghai Electric Group Co., Ltd. Central Academe. The running result indicates the following The system has excellent real time perance and fault-tolerant ability; The control system which use a 32 bits embedded controller on the main control card can be used in all kinds of working condition in the FGD project. The simulating working condition of the FGD can be supervised and controlled on each workstation. The remote data exchanging and video service are also possible through the switch. Keywords Flue gas desulfurization; Distributed Control System; Industrial Control Computer; Microcomputer Interface; Fiber distributed data interface 上海交通大学 学位论文版使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密□，在 1 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密□。 （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名包明正 指导教师签名李治柱 日期2006 年 10 月 30 日 日期2006 年 10 月 30 日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外， 本论 文不包含任何其他个人或者集体已经发表或者撰写过的作品成果。 对 本文的研究做出重要的贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名包明正 日期2006 年 10 月 30 日 上海交通大学工程硕士研究生学位论文上海交通大学工程硕士研究生学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 论文的背景和意义论文的背景和意义 本文研究的是如何对大型燃煤电厂所排放的废气进行脱硫处理。 电力是现代 社会运行的基础能源。随着经济的不断发展，对电力的需求在不断增长。我国是 燃煤大国，煤炭在我国资源结构中占优势，按热当量换算的能源资源总量中，煤 占67，而油气资源相对较缺乏。据有关资料统计，在我国的电力工业中，煤电 装机占总装机总量的75。目前，我国电厂仍以燃煤的火力发电为主，燃煤过程 中产生的烟气对周围大气环境会产生一定影响。 火力发电厂排烟中的二氧化硫浓 度虽然低，但总量极大。火电厂二氧化硫排放量居全国各行业的第一位，二氧化 硫排放量占全国排放量的40以上 [12]。随着燃煤机组单机容量的增大和机组数量 的增加，如果不加处理就排放废气，将会影响大气环境质量，造成酸雨污染。对 空气质量和生态环境造成严重影响。因此，控制并减少二氧化硫排放，建立一个 清洁的、高效的、安全的电力生产行业，是我国能源战略的紧迫任务。 目前， 我国投入运行的烟气脱硫工程绝大部分是全套引进设备或部分引进技 术和设备的。 通过消化吸收并开发具有自主知识产权的火力发电厂烟气脱硫电气 控制系统，应用集散型控制系统对脱硫生产过程进行分散控制、集中监控管理。 不仅可以解决进口设备造价昂贵， 投资巨大的问题， 而且将为烟气脱硫装置实现 国产化奠定重要的基础。 1.2 集散型控制系统的发展情况集散型控制系统的发展情况 集散控制系统Distributed Control System ,DCS 。它综合了计算机 （Computer） 、通信（Communication） 、控制（Control）和图象显示（CRT）技 术,称为 4C 技术。是一个多层次、多任务的控制系统。 传统方式， 在生产过程控制中采用的是简单的常规模拟式调节仪表组成的过 程控制系统。但是，模拟式调节仪表控制系统难以实现复杂控制，难以实现集中 操作和显示，难以实现各分系统之间的通信、协调，并且缺乏灵活性。 自从 1975 年，美国 Honeywell 公司首先推出 TDC2000,诞生了第一套 DCS 以来,用计算机过程控制系统代替了由模拟仪表完成的，对流量、压力、温度等 量的控制。至今 DCS 经历了三个大的发展阶段[15] 上海交通大学工程硕士研究生学位论文上海交通大学工程硕士研究生学位论文 2 1）初创期比较注重控制功能的实现。系统的直接控制功能比较成熟可靠。 2） 80 年代引入了局域网， 按照网络节点的概念组织各过程控制站、 操作站、 系统管理站和网关。 但在通信标准方面， 不同厂家的系统之间基本上不能进行数 据交换。各厂家产品存在极强的专用性、缺乏兼容性。在功能上 DCS 逐步走向 完善，除回路控制外，还增加了顺序控制、逻辑控制功能，可实现一些优化控制 和生产管理功能。 在人机界面方面， 随显示技术的发展， 图形用户界面逐步丰富， 操作人员可以通过 CRT 显示得到更多的现场信息。 3）90 年代，IEC 认识到工业仪表和控制系统需要一个开放型系统 “来自 不同厂家的设备能在一个大的系统内运行的办法” 。作为在日内瓦的国际标准化 组织的兄弟组织，IEC 邀请世界各工业国家的标准人员参加工作，从 1992-1999 年完成 IEC6113-3 的各种标准“自动控制程序设计标准语言” 。使实现开放型系 统成为可能。 随着计算机技术、 通信技术、 控制技术和图象显示技术的迅速发展和工业控 制领域市场的竞争力要求，集散控制系统的性能指标及其性能价格比进一步提 高。而数据通信的趋势向着开放系统互连模型（OSI）方向发展，向着通用网络 标准、统一通信规程，实现现场通信网络与控制系统集成的方向发展。 21 世纪初 DCS 和实时数据库系统相结合，实现优化控制和各工艺过程的协 调生产，并与管理信息系统（MIS）组成综合管理信息系统[15]。 1.3 国内外燃煤电厂脱硫工程应用情况国内外燃煤电厂脱硫工程应用情况 自 70 年代初日本、美国率先实施控制 SO2排放战略以来，许多国家相继制 定了严格的 SO2排放标准和中长期控制战略， 加速了控制 SO2排放的步伐， 大大 促进了有关控制技术的发展。其中，清洁煤技术是一个主要的控制手段。清洁煤 技术种类很多，包括洗选煤技术、型煤技术、高效低污染燃烧技术、烟气除尘脱 硫技术等。电力系统习惯将这些技术分为燃烧前、燃烧中、燃烧后清洁煤技术。 燃烧后烟气脱硫技术是目前世界上唯一大规模商业化应用的脱硫方式。 烟气脱硫 技术分为干式、半干式和湿式三种。以湿式脱硫为主的国家有日本（98） 、 美国（92） 、德国（90）[10]。 据伦敦国际能源机构煤炭研究中心 1998 年对美国和全世界的调查表明，湿 法（石灰石-石膏法）烟气脱硫（Flue Gas Desulfurization,FGD）技术是一种普遍 上海交通大学工程硕士研究生学位论文上海交通大学工程硕士研究生学位论文 3 受欢迎的技术。 调查情况（参见表 1-1 和表 1-2） 。 表 1-1 1998 年投入运行的 FGD 的总容量[10] Table 1-1 The total capacity of the FGD equipments to run in 1998 表 1-2 1998 年投入运行的各种湿法 FGD 装置的容量[10] Table 1-2 The capacity of all kinds of wet FGD equipments to run in 1998 目前，我国火电行业已经将湿式石灰石-石膏法作为大型火电厂采用的主要 烟气脱硫技术。湿式石灰石-石膏法设备也是脱硫设备中比较昂贵的一种，投资 费用约占燃煤发电厂的 15-20，运行费用也相对较高。这种方法虽然已经循环 利用了水，但是水的消耗量仍很大。尽管如此，因该法具有脱硫效率高、技术 成熟、设备投运率高、对煤种含硫量变化适应性强等优点，这种脱硫方法仍然 在大型火电机组的烟气脱硫中得到了最广泛的应用。而且我国石灰石资源丰富、 价廉、多数地区石灰石品位高、质优。脱硫渣可进行综合利用如做建筑材料、 水泥缓凝集等，避免二次污染。 我国近年引进国外技术已投入运行的部分脱硫装置的基本情况 [10]（参见附 录一）。 FGD 技术 美国国内 所占比例（）全世界 所占比例（） 湿法 82859 82.8 199233 86.8 干法 14386 14.4 25394 11.1 其他 2798 2.8 4857 2.1 全部 FGD 100043 100 229484 100 湿法 FGD 技术 美国 所占比例（）全世界 所占比例（） 石灰石 55540 69.4 163330 83.8 石灰 14196 17.7 21172 10.9 白云石灰石 10292 12.9 10342 5.3 全部湿法 FGD 80028 100 194844 100 上海交通大学工程硕士研究生学位论文上海交通大学工程硕士研究生学位论文 4 从附录一中可以看出，燃煤发电机组大多选用湿法石灰石-石膏技术，就吸 收塔的类型而言，喷淋空塔、液柱塔、填料塔和鼓泡塔都有采用，但应用最多 的是喷淋空塔，其次是后三种。仅低容量的发电机组在改造中选用干法或半干 法 FGD 工艺。 1.4 本文研究的内容及其章节安排本文研究的内容及其章节安排 本文的主要内容就是以上海电气中央研究院承接的建设电站脱硫控制系统 示范工程-上海外高桥电厂湿法烟气脱硫控制系统为研究对象， 利用工业计算机、 数据采集卡、现场仪表和执行机构，并结合计算机软件，搭建一套“虚机实电” 的脱硫控制系统仿真平台并进行脱硫控制系统设计和试验研究。 论文研究的主要内容及章节安排 1）论文第一章的绪论部分主要对 DCS 的三个大的发展阶段、燃煤电厂脱 硫技术分类及国内外燃煤电厂脱硫工程应用情况作简单介绍，并阐述本文的背 景、意义和主要研究内容。 2论文第二章介绍集散型计算机控制系统（DCS）的概念、系统特点、体 系结构。 3）论文第三章研究分析了湿法烟气脱硫工艺机理，搭建 SUPMAX 集散型控 制系统的烟气脱硫控制系统研发平台。 建立了控制策略。 并对控制站和工作站进 行了硬件配置和控制组态。控制烟气脱硫效率的控制回路组态在附录二中。 4 论文第四章将针对烟气脱硫效率进行研究， 分析影响烟气脱硫效率的几 种因素，提出应用 DCS 控制脱硫效率的有效方案及算法。 5 论文第五章运用 CitectHMI/SCADA 实时监控软件完成 DCS 的数据采 集、 分析研究了 FDDI 计算机通信网络、 人机接口及 DCS 中的计算机监控技术在 烟气脱硫控制领域中的应用。 6 DCS 应用效果分析。 7不足与展望。 1.5 本章小结 1.5 本章小结 本章首先从环境保护的角度讲述了烟气脱硫的背景和意义， 介绍了集散型计 算机控制系统 DCS 的三大发展阶段，国内外烟气脱硫工程的应用情况。最后简 要说明本论文研究的主要内容及其章节安排，以此阐述论文的主要任务。 上海交通大学工程硕士研究生学位论文上海交通大学工程硕士研究生学位论文 5 第二章 第二章 集散型控制系统集散型控制系统 DCS 是一个以通信网络为纽带的集中显示、操作、管理控制相对分散的多 级计算机网络控制系统，具有功能分散、危险分散的特点，能够适应工业生产过 程的各种需要。在电力、化工方面广泛应用。 2.1 集散型控制系统的体系结构2.1 集散型控制系统的体系结构 DCS 是最近 20 年来发展非常迅速、应用非常广泛的一种计算机工业控制系 统。它以微处理机为核心，实现地理位置上分散的现场过程控制，同时通过高速 数据通道把各个分散点的信息集中起来， 进行集中的监视和操作， 并实现复杂的 控制和优化。DCS 的定义[13] 1 由现场控制站完成以回路控制为主要功能的系统，系统可有多台现场控 制站，每台控制一部分回路； 2 除变送和执行单元外，各种控制功能及通信、人机界面均采用数字技术； 3人机界面由操作员站实现，系统可有多台操作员站； 4 系统中所有的现场控制站、操作员站均通过数字通信网络实现连接。 DCS 采用分散控制、 集中操作、 综合管理的设计原则， 从下而上可以将 DCS 的层次分为三级，如分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级。 DCS 的体系结构（参见图 2-1） ，DCS 各级计算机之间由通信网络连接，控 工程师 站 现场 控制站 PLC 智能 调节器 其他测 控装置 操作员 站 实时数据 服务器 网间 连接器 网间 连接器 管理 计算机 综合信息管理级综合信息管理级 集中操作监控级集中操作监控级 分散过程控制级分散过程控制级 综合信息管理网络 控制网络主干网 控制子网 图2-1 DCS体系结构 Figure 2-1 The architecture of DCS 第一级计算机 第二级计算机第三级计算机 至其他局域网 上海交通大学工程硕士研究生学位论文上海交通大学工程硕士研究生学位论文 6 制网络是通信（传输实时数据）的主干网，其上连接着各通信节点。现场控制站 就是主干网上的一个通信节点，现场控制站本身又拥有一个控制子网-完成控制 功能现场数据采集、控制运算、数据交换等。 2.2 集散型控制系统各层次的功能集散型控制系统各层次的功能 目前，层次化已成为 DCS 的体系特点，使其体现集中操作管理、分散控制 的思想 [14]。 集散型控制系统是一个多计算机的分层控制系统， 不同层次的计算机 完成不同的任务， 下层的计算机用于现场生产过程的控制与数据采集； 上层的计 算机用于人机接口（控制过程显示与操作，控制策略设定，控制系统组态等） 。 1）第一级计算机-分散过程控制级 是直接面向生产过程的，是 DCS 的 基础。 过程控制计算机直接与现场各类装置（变送器等）相连，完成生产过程 的数据采集。对被控设备中的每个过程量和状态信息进行快速采集，作 为对现场设备进行控制、监测及形成状态报告的输入信息。 它还完成直接过程控制（调节控制、顺序控制等）功能。根据采集的来 自传感器的输入信息，经控制算法模块运算，确定是否对被控装置进行 调节。其输出（开关量、模拟量）驱动执行机构。 同时它还向上与第二级计算机相连，接收上层的管理信息，并向上传递 现场各装置的特性数据和采集到的实时数据。构成这一级的主要装置 有工业控制计算机（IPC） ；可编程序控制器（PLC） ；智能调节器及 其他测控装置。 2）第二级计算机-集中操作监控级 这一级是面向工程师和操作员的。综 合监控第一级各过程控制计算机的所有信息， 集中显示操作， 进行系统组态及控 制回路组态和参数修改，优化控制等。以操作监控为主要任务，兼有管理功能。 配有技术手段齐备、功能强的计算机系统及各类外部装置，特别是键盘和 CRT 显示器，以及有较大存储容量的硬盘和软盘。需要功能强的软件支持，确保工程 师进行组态并与操作员对系统进行监视和操作；对生产过程实行高级控制策略、 故障诊断和质量评估。 其具体组成包括 工程师站； 操作员站； 实时数据服务器； 域服务器等。 3） 第三级计算机- 综合信息管理级 综合信息管理主要包括生产管理和经 上海交通大学工程硕士研究生学位论文上海交通大学工程硕士研究生学位论文 7 营管理。规划产品结构与规模、协调生产。它的管理范围很广，包括工程技术、 商务、人事等，实现整个企业的综合管理。 4） 通信网络系统 DCS 各级之间的信息传输主要依靠通信网络系统。根 据各级的不同要求，通信网络也分成低速、中速、高速通信网络。低速网络面 向分散过程控制级；中速网络面向集中监控级；高速网络面向综合管理级。 2.3 集散型控制系统的主要特点2.3 集散型控制系统的主要特点 集散型控制系统是具有灵活配置、 组态方便的多级计算机网络系统结构。 具 有以下主要特点 自主性 各工作站独立自主地完成合理分配给自已的规定任务。 协调性 DCS 通过通信网络传送信息、协调工作，实现信息共享。 友好性 DCS 的人机接口显示直观、了解生产状况直观。 适应性 DCS 硬件和软件采用开放式、标准化和模块化设计，系统为 积木式结构，具有灵活的配置，可适应不同用户的需要。 在线性 通过人机接口和 I/O 接口，DCS 对过程对象进行实时数据采 集、处理、记录、操作控制，并包括组态的在线修改和在线维护，提高 了系统的可用性。 可靠性 高效率、高可靠性和高可用性是 DCS 的生命所在。采取容错 设计、 冗余设计技术以及一系列抗干扰措施。 系统可靠性得到全面提高。 2.4 DCS 的硬件结构与软件体系的硬件结构与软件体系 目前,世界上有名的 DCS 厂家有近百家。不同的系统采用的计算机硬件差别 很大。对于现场控制器，从可编程控制器PLC到单片机组成的小型控制采集装 置， 从工业小型 PC 机到各种 16 位和 32 位总线型工业控制计算机系统都是可被 选择作为现场控制站。所以，仅从功能类型角度谈硬件（参见图 2-2） 。 系统硬件，一般根据现场的具体要求确定配置。包括 工程师站－完成组态及参数修改，优化控制等，是 DCS 的工程接口。 操作员站－以操作监控为主要任务兼有管理功能，是 DCS 的人机接口。 控制站－完成对生产过程的数据采集。 并对现场设备进行直接过程控制 （调节控制、顺序控制等） 。控制器是 DCS 的生产过程接口。 上海交通大学工程硕士研究生学位论文上海交通大学工程硕士研究生学位论文 8 DCS 的软件体系一般有以下几部分组成实时多任务操作系统，面向过程 的编程软件，工具软件（参见图 2-3） 。 2.5 本章小结本章小结 本章介绍了集散型控制系统 DCS 的体系结构、 各层次功能及 DCS 的主要特 点，并从功能类型角度谈 DCS 的软、硬件结构及其功能接口。从图 2-2 中看出 通信网络是 DCS 的主动脉，承担系统实时数据传输任务。 实时多任务操作系统 编程语言 工具软件诊断软件 图 2-3 软件系统 Figure 2-3 Software system 在线诊断 离线诊断 维护软件 编辑器 仿真器 链接器 宏汇编 C 函 数 pascal 操作员站操作员站 操作监视功能 系统组态 工程师站工程师站 系统维护 控制数据库 控制功能 人机数据库 显示操作功能 人机接口 工程接口 控制站 通信网络系统 与其他系统的通信接口 实时服务器实时服务器 实时数据库 操作员站操作员站 操作监视功能 人机数据库 显示操作功能 域服务器 信息中心 图2-2 DCS硬件及其接口 Figure 2-2 DCS hardware and interface 控制数据库 控制功能 上海交通大学工程硕士研究生学位论文上海交通大学工程硕士研究生学位论文 9 第三章第三章 DCS 在湿法烟气脱硫工程中的应用在湿法烟气脱硫工程中的应用 湿法烟气脱硫工艺过程分为五大系统烟气系统、吸收塔系统、石灰石浆液 制备系统、石膏脱水系统及工艺水、电等公用系统。 湿法烟气脱硫的工艺过程像任何一个化工生产过程一样需要将一些化学和 物理工艺参数值维持在规定的范围内，以获得稳定的性能和最佳经济效益。 DCS 主要完成湿法烟气脱硫工艺过程的数据采集、模拟量控制、顺序控制 及保护、联锁。使脱硫设备能适应不同含硫量煤种及锅炉负荷变化等各种干扰， 保证脱硫效率（SO2 排放量）、连续、稳定运行。 Figure 3-1 The computer control architecture for the FGD process 烟气脱硫工艺过程（参见图 3-1 ） 。此外，还有一些控制如，石灰石浆液制 备系统的控制与检测（其浆液密度、石灰石粉的颗粒度等也与脱硫质量相关） 、 石膏脱水系统控制、增压风机控制、冲洗工艺水系统等。未在图中示出。 浆液池 循环泵 吸收塔 烟气出口温度控制模块烟气出口so2浓度检测模块 除雾器冲洗控制模块 石灰石浆液供给量控制模块 脱硫产物--石膏浆液 排放/脱水控制模块 pH值 检测模块 氧化风机控制模块 吸收塔液位控制模块 烟气入口温度/烟气量 控制模块 烟气入口so2浓度 检测模块 压力差 已净化烟气 原烟气 图3-1 围绕烟气脱硫工艺过程的计算机控制结构简图 上海交通大学工程硕士研究生学位论文上海交通大学工程硕士研究生学位论文 10 烟气脱硫工艺过程简介[9] 由锅炉排出的含有 SO2 的热烟气（亦称为原烟气） ，从吸收塔的下方进入， 并向上流动；位于吸收塔上部的喷淋装置向下均匀的喷出石灰石浆液液滴。这 种以逆流运动的方式，使烟气中的 SO2 与液滴（吸收剂）得到充分接触，即石 灰石浆液液滴充分地洗涤了烟气中的 SO2，达到湿法烟气脱硫的目的。净化后 的洁净烟气由引风机排入烟囱。 整个脱硫系统位于燃煤锅炉烟道的末端，除尘系统之后，脱硫过程在溶液 中进行，脱硫剂和脱硫生成物均为湿态。 3.1 烟气脱硫控制系统研发平台烟气脱硫控制系统研发平台 大型燃煤电厂烟气脱硫 DCS 控制系统仿真平台采用上海电气集团自主品牌 的 SUPMAX-800 分散控制系统[5]，具有良好的实时性能和容错能力，组态方式 符合 IEC1131-3 国际标准， 主控卡使用 32 位嵌入式微处理器并采用 VxWorks 嵌 入式实时控制系统，保证了系统的实时、可靠运行。 烟气脱硫控制系统研发平台 SUPMAX 集散控制系统主要由三部分组成 控制站、 工作站和连接两者的系 统网络；共配置控制站柜一个、工程师站一个、操作员站 3 个，其中操作员站兼 做历史数据站， 还配有彩色网路打印机一台和单色激光打印机一台。 在任一操作 员站上都可以对脱硫装置的仿真运行情况进行监视和控制， 在工程师站上还可以 运行组态程序 SUPTOOLS，用于进行脱硫控制系统的组态和参数修改，工程师 通过工程师站进行组态、 下装和系统的维护。 操作员站、 工程师站、 网络打印机、 实时数据服务器均通过双环冗余的 100M 工业控制网，实现数据信息的高速通 讯， 还可以通过交换机进行远程数据交换或连接视频服务。 烟气脱硫控制系统研 发平台（参见图 3-2） 。 控制策略 SUPMAX 集散控制系统按照功能分散和物理分散相结合的原则设计。其控 制范围包括脱硫系统的吸收塔烟气系统、增压风机系统、石灰石浆液制备系统、 石膏脱水系统等。按功能划分，包括模拟量控制系统 MCS（Modulating Control System） 、顺序控制系统 SCS（Sequence Control System）以及报警和热工保护功 能。模拟量控制系统包括增压风机压力控制、石灰石浆液流量控制、吸收塔液位 上海交通大学工程硕士研究生学位论文上海交通大学工程硕士研究生学位论文 11 控制和石膏浆排放控制； 顺序控制系统包括增压风机系统， 石灰石浆液制备系统、 吸收塔系统、石膏脱水系统、工艺水系统的启停控制等。控制系统完全能够满足 FGD 系统的各种运行工况的要求，确保 FGD 系统安全、可靠、高效地运行。 操作员站操作员站工程师站操作员站操作员站工程师站 打印机打印机 DCS控 制器 控 制器1 DCS控 制器 控 制器n 视频服务 器 交换机 交换机 交换机 交换机 BT G 操作员站操作员站 回路控制回路控制 增压风机压力控制 石灰石浆液流量控制 吸收塔液位控制 石膏浆排放控制 顺序控制顺序控制 增压风机系统 石灰石浆液制备系统 吸收塔系统 石膏脱水系统 工艺水系统 现场仪表和 执行装置 图 3-2 烟气脱硫控制系统研发平台 Figure 3-2 The development plat of the FGDcontrol system 通过 100Mb/s 高性能的工业控制网络及其 DPU 处理单元、I/O、人机接口和 控制软件 SUPTOOLS/ ISaGRAF 来完成整个 FGD 系统的 “虚机实电” 仿真模拟。 3.2 SUPMAX 系统系统 SUPMAX 系统以最简单的结构实现脱硫工程的数据采集和过程控制的完 善功能。它由控制站、光纤数据高速公路和工作站三部分构成。 1）控制站 脱硫系统设置一个控制站（柜） ，它具有自己的 IP 地址，是环型网络上的一 个通信节点。它由分散处理单元（DPU） 、输入/输出模块（I/O） 、控制子网构成， 上海交通大学工程硕士研究生学位论文上海交通大学工程硕士研究生学位论文 12 它执行脱硫过程控制和数据采集功能。 分散处理单元（DPU）根据组态编译的程序执行调节控制、顺序控制， 数据交换 （I/O 交换和环网节点交换） 。 DPU 是双 CPU （I/O CPU、 运算 CPU） 协调工作。 I/O 模块与现场变送器/执行器直接相连，完成数据采集、信号处理、数 据转换（模/数与数/模） ；通过高速的 I/O 总线（SBUS 总线）与 DPU 相连。 提供计算机与执行器所需的输入/输出信号（模拟