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钢厂烧结烟气脱硫系统设计...

2019-05-30

摘 要:介绍了密相干塔烟气脱硫方法的原理及控制要求,并针对工艺要求设计了监测控制系统。系统选用西门子S7-300系列可编程控制器(PLC)作为现场控制主站,对系统的控制功能、系统的配置和软件编写进行了讨论。该系统具有良好的实用性和可靠性,已成功运用到实际生产中,对烧结烟气脱硫过程控制系统的设计具有一定的参考意义。
关键词:PLC;烟气脱硫;系统配置;烧结烟气
酸雨是环境的主要污染源之一,“十一·五”期间,减排S02成为中国环境保护的重点。钢厂烧结烟气脱硫作为保护环境及对大型污染源的排放进行控制的一项重要措施,对减少S02排放、提高人们生活质量有着重要意义。笔者针对二氧化硫总量削减目标中2006年必须开工建设的重点项目——河北省某钢厂二烧50 m2机头烟气脱硫项目,结合密相干塔烟气脱硫方法,采用西门子S7-300系列PLC为主站,对控制系统的硬件和软件进行了设计。
1.工艺简介
    从钢铁生产的工艺流程分析,钢铁生产过程产生的S02主要来源于烧结工序。烧结工序外排S02所占比例在50%左右。国外在20世纪70年代就开始对烧结烟气进行脱硫,但我国钢铁企业有烧结机烟气脱硫设备和脱硫措施的还很少。密相塔烟气脱硫方法是一种新型的半干法脱硫工艺,该法具有耗水量低、投资运行费用低、无腐蚀、无废水产生、对不同S02浓度的烟气及负荷变化的适应能力强等优点,适用于烧结脱硫。该脱硫系统主要由脱硫塔、增压风机、加湿器、循环系统等组成,其原理如图1所示。
    图1中,干粉状的钙基脱硫剂与塔下部、布袋除尘器收集的大量循环灰一起进入加湿器内进行增湿活化,然后进入塔内与含二氧化硫的烟气进行反应,从而达到脱硫的目的。反应塔内设有的搅拌器能够起到搅拌、破碎作用。处理后的洁净烟气通过增压风机由烟囱排出。脱硫剂可以不断循环利用,脱硫效率可达95%。针对该工艺,我们进行了监控系统的设计。

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2.监控系统的硬件构成
   监控系统选用西门子公司的SIMATICS7-300系列PLC产品,包括:CPU 315-2DP中央处理单元模板,SM 321数字量输入模板,SM 322数字量输出模板,SM 331模拟量输入模板,SM 332模拟量输出模板,接口模板,电源模板等。脱硫系统主站通过多点接口MPI子网与安装CP5611卡的上位机(操作员站、工程师站)通讯,同时通过PROFIBUS现场总线与从站通讯。系统的上位机选用研华工控机,完成系统的组态、监控画面、数据存储等功能。
    烟气分析选用BKS-3000型烟气在线监测系统(CEMS),采用抽取式伴热采样方式分析烟气成分,检测点分别设在脱硫装置的进口和出口烟道上,通过PROFIBUS现场总线与脱硫主站联网,为实现闭环控制和性能考核提供数据。CEMS系统主要包括GSP-3000型烟气采样器、KSP-I-1000D型颗粒物分析仪、KPV-2000型温压流分析仪、MGA-3000型多组分气体分析仪以及吹扫气过滤系统、伴热温控系统等装置。采样探头具有吹扫和自清洁装置,并具有耐高温、抗腐蚀的性能,末端的过滤器采用陶瓷材料,避免杂质渗入到样气系统中。流量监测探头使用耐酸不锈钢材料,热电阻采用不锈钢套管,以保证在高温和腐蚀性环境中的连续工作。
3.系统软件设计
    系统软件编程由PLC编程和上位机组态编程两个部分组成,分别选用西门子STEP7V5.3梯形图编程软件和力控PcAut03. 62组态软件。STEP7是可编程控制器S7-300/400的编程语言,包含了自动化项目中从项目启动、实施到测试以及服务每一阶段所需要的全部功能。
3.1STEP7软件设计
    软件编程采用结构化方法,将控制系统分解成功能上相对独立的组成部分,通过对应的控制功能块(FB、FC)来加以编程,然后通过系统组织块OB1将这些控制功能块及编制的中断动作功能块组成一个整体,来实现对系统的可靠、高效的实时监控。这样的结构优点在于提高了整个控制系统的可维护与可扩展性,可以根据生产的需要很方便地将某一部分控制功能从原控制系统中去除,也可以随着生产的发展很方便地加入其他功能。

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    图2为系统的主要控制框图,在系统控制逻辑的设计中,我们考虑到以下几个方面。
    1)该系统在启动和停机时有多个设备参与的动作,不同的设备有不同的时序要求。例如在系统启动过程中,启动轴流式增压风机以前,为防止过载,要求关闭进风阀、关闭前导叶、打开出风阀。当增压风机启动,其主电机正常运行后,要在1min内将进风阀打开并将前导叶调至所需开度,否则会导致失速;在启动和关闭循环系统时,要按照一定的时序和联锁关系,否则会导致物料堵塞、传动电机过载。根据这些情况,我们把系统启动逻辑专门独立出来,便于系统调试与维护。
2)系统根据故障后果的严重程度划分故障级别,对故障进行自动监测、报警和处理。当发生故障时,能够自动检测故障位置,并根据事先设定的故障级别进行处理,同时进行声光报警。如果发生影响整个系统安全的严重故障时,系统能按照预先设计.
    图2系统运行控制框图的停机逻辑进行自动停机。
    3)由于使用的是新工艺,考虑系统的可靠性和安全性,控制系统设计包含三种运行模式:就地操作箱手动控制模式、远程自动控制、远程软手动控制模式。系统通过自动模式实现系统联锁启动和联锁停机,远程软手动模式可以在上位机实现单个设备点动,这种模式可以方便调试阶段的运行。系统正常运行时,通过编制的程序,可以在就地操作箱实现远程和就地无扰切换,便于现场检修和处理故障。
3.2反应温度控制回路设计
    在反应过程中,脱硫塔出口烟气温度与烟气绝热饱和温度之差(近绝热饱和温度At)对脱硫效率和稳定运行起着重要作用。/ 越小,蒸发越慢,液相存在时间也越长,脱硫剂与烟气中SO。的离子反应时间长,脱硫效率越高。另一方面,必须保证脱硫剂到达脱硫塔出口前完全干燥,以及整个脱硫系统在露点以上安全运行,否则将引起系统粘壁阻塞和结露。根据工程综合考虑,At控制在10℃左右。系统采用以下方案:在控制过程中,根据锅炉负荷、烟气温度函数关系曲线和脱硫塔入口烟气量计算得出锅炉烟气热量,与循环灰加湿水量、降温喷水量总和计算得到的吸热量进行比较,两者偏差作为改变喷水量的前馈信号,脱硫塔出口温度作为微量调节的偏差校正信号。调节回路采用串级调节方式:级调节器为温度调节器,下级调节器为喷水量调节器,当温度变化时,调节喷水调节阀的开度使水量相应变化。温度检测采用PT100热电阻并选用不锈钢保护套管,由于其在信号响应上有一定的滞后,因此在调节回路中增加了负荷突变的微分环节,以改善系统的动态响应特性。

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3.3上位机软件开发
    上位机组态软件采用北京三维力控PcAuto3. 62,用以实现上位机和PLC的通讯和设备状态显示,软件具有根据用户权限级别登录、查阅历史纪录、趋势分析和报表打印等功能,使操作者可以方便地对系统运行所产生、收集的各种数据进行统计和处理。操作人员可以对整个系统的运行情况进行有效的监控,并可根据现场的实际情况,在上位机对某些自控设备等进行软手动、自动间无扰切换,从而灵活地参与控制。同时,利用PcAuto提供了“控制策略”的计算推理功能,由上位机来进行机电设备故障诊断专家知识的获取和存储,若发现系统有故障,经过判断推理,上位机会给出具体故障的部位及排除故障的技术路线。这样可以及时发现和解决系统问题,提高系统的可靠性和安全性。
4.系统调试与运行
    为了高效优质完成调试工作,确保工艺试车进度,并实现长期、安全稳定生产的目标,脱硫控制系统实施了以下调试步骤。
    1)对已经编写好的程序进行审核,验证其设计的合理性。
    2)在工控机上使用仿真软件进行模拟试运行与测试,对发现的潜在问题进行调整。
    3)在设备运行条件满足时,进行分部调试,即对
各设备、电气及仪表进行检查与校订,并对机电设备进行空转试验。在设备具备运转条件后,再对主要设备如增压风机、脱硫塔搅拌器等进行连续运转试验,检查其运行工况。检查过程中,各设备运行正常。
    4)在冷态试验中,检查FGD系统的控制逻辑。在程序启动控制逻辑检查核对完好后,进行紧急跳闸试验,检验系统在事故状态时是否按预定的方式动作。试验中各项内容符合设计要求。

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    5)冷态试验完成后,系统在锅炉带负荷下进行热态调试试验。热态试验的主要目的是进一步检测系统的脱硫效率、设备运行性能以及确定优化参数。
    系统较好地完成了上述调试。从调试结果来看,控制系统程序运行正常,满足设计要求。
5.结束语
    经过适当的硬件配置、软件设计以及调试,以西门子S7-300系列PLC为主站的控制系统基本上实现了密相干塔烟气脱硫工艺流程监控的自动化,并具有很好的稳定性、安全性和可维护性,达到了设计要求。密相干塔烟气脱硫系统在烧结脱硫中已经完成中试,目前已完成建设并投入试运行,效果良好。同时,由于密相于塔烟气脱硫工艺较新,更多的相关理论还需在实践中不断研究和总结,使其更加

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