鄭國(guó)強(qiáng)

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

1 前言

電除塵器是工業(yè)除塵的重要設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于電力、冶金、建材、化工等行業(yè)。在大氣污染控制方面，其具有高效除塵、減少粉塵排放的作用。

以電力行業(yè)的燃煤鍋爐機(jī)組為例，每臺(tái)鍋爐機(jī)組需要配備一至兩臺(tái)電除塵器，每臺(tái)電除塵器由機(jī)械本體和電氣控制兩種設(shè)備組成。其中電氣控制設(shè)備可分為高壓電源和低壓設(shè)備兩部分，前者產(chǎn)生幾十千伏的直流高壓將煙塵吸附在電除塵器本體的極板極線上；后者則通過(guò)一定的控制時(shí)序?qū)O板極線上的煙塵振打擊落，再由相應(yīng)的卸輸灰機(jī)進(jìn)行處理。低壓設(shè)備還包括溫控加熱設(shè)備，目的在于使煙塵不至于結(jié)露，黏在極板極線上無(wú)法擊落。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，這些高、低壓控制設(shè)備已全部采用單片機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)微機(jī)化控制。所以在運(yùn)行過(guò)程中，電除塵器又是一個(gè)耗電設(shè)備，一般情況下其耗電量占機(jī)組發(fā)電量的0.2%～0.5%。

近年來(lái)，隨著環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的趨嚴(yán)、運(yùn)行能耗指標(biāo)的控制，以及管理技術(shù)水平的要求和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展等，對(duì)工廠設(shè)備的集中管理、分散控制、節(jié)能減排等提出了新的要求，電除塵器也不例外。因此應(yīng)開發(fā)設(shè)計(jì)一套電除塵節(jié)能控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使之在提高電除塵器設(shè)備的運(yùn)行管理水平和自動(dòng)化控制程度、提高除塵效率和降低能耗等多方面發(fā)揮重要作用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體目標(biāo)

通過(guò)分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用、調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，電除塵器節(jié)能控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：1）要能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電除塵高低壓設(shè)備等的數(shù)據(jù)采集及參數(shù)設(shè)定，對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行集中管理；2）要能夠?qū)r變化的自動(dòng)跟蹤、自動(dòng)適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電除塵的高效節(jié)能運(yùn)行；3）需要高的運(yùn)行穩(wěn)定性和靈活的信息共享性。因此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是要有良好的系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)、電除塵節(jié)能運(yùn)行控制功能、冗余控制功能、接口控制功能等，從而實(shí)現(xiàn)電除塵設(shè)備對(duì)集中管理、分散控制、節(jié)能減排運(yùn)行的要求。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行和高性能，系統(tǒng)選用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，同時(shí)選配相應(yīng)的具有最新功能的智能通訊卡、網(wǎng)絡(luò)前端機(jī)等采集設(shè)備，它們與高低壓設(shè)備等下位機(jī)構(gòu)成了一套完整的IPC系統(tǒng)硬件組合，使系統(tǒng)具有不凡的數(shù)據(jù)采樣能力和處理能力。

系統(tǒng)采用雙機(jī)冗余熱備功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而達(dá)到提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的目的，同時(shí)提供單機(jī)的應(yīng)用方案。系統(tǒng)單機(jī)硬件結(jié)構(gòu)示意見圖1，雙機(jī)硬件結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖1 系統(tǒng)單機(jī)硬件結(jié)構(gòu)示意

圖2 系統(tǒng)雙機(jī)硬件結(jié)構(gòu)示意

4 軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)上位機(jī)通過(guò)智能通訊卡、網(wǎng)絡(luò)前端機(jī)等采集各高、低壓控制設(shè)備的運(yùn)行工況數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的模擬量值和開關(guān)量信號(hào)，以各種動(dòng)畫、圖形、表格、曲線、文本等形式在畫面上顯示；在需要時(shí)將人工設(shè)定的有關(guān)參數(shù)送往下位機(jī)或根據(jù)反饋信號(hào)實(shí)施自動(dòng)控制，以獲得更好的控制效果。因此軟件設(shè)計(jì)需要完成系統(tǒng)初始化、人機(jī)交互接口、顯示畫面、數(shù)據(jù)采集通訊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、網(wǎng)絡(luò)接口等眾多功能。通過(guò)分析，整個(gè)軟件采用客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)體系如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)體系圖

軟件結(jié)構(gòu)主要分為三層：

第一層是設(shè)備通訊，主要是負(fù)責(zé)與高低壓等下位機(jī)設(shè)備的通訊及數(shù)據(jù)采集管理。

第二層主要是數(shù)據(jù)管理部分、與外部的數(shù)據(jù)連接接口、數(shù)據(jù)的封裝與分解。

第三層主要是用戶界面，用于顯示和設(shè)定參數(shù)。

軟件的主要功能有：

（1）高壓設(shè)備的運(yùn)行方式、電流極限、通訊狀態(tài)、啟動(dòng)/停止操作等參數(shù)的設(shè)定和控制；

（2）電磁振打設(shè)備的導(dǎo)通角、振打周期等參數(shù)的設(shè)定；振打/卸灰設(shè)備的強(qiáng)制請(qǐng)求狀態(tài)、工作時(shí)間、停止時(shí)間、起始時(shí)間和大周期等參數(shù)的設(shè)定；電加熱設(shè)備設(shè)定狀態(tài)、上限溫度、下限溫度等參數(shù)的設(shè)定；

（3）基于工況診斷分析的節(jié)能運(yùn)行控制功能；

（4）振打優(yōu)化、復(fù)合式功率控制振打功能；

（5）數(shù)據(jù)管理功能；

（6）缺省參數(shù)庫(kù)系統(tǒng)功能 ；

（7）用戶管理系統(tǒng)；

（8）多種網(wǎng)絡(luò)接口功能，如Modbus協(xié)議接口和OPC接口；

（9）雙機(jī)冗余功能；

（10）參數(shù)分析診斷功能。

5 節(jié)能控制功能

近年來(lái)的研究及實(shí)踐表明：在滿足排放要求的前提下，電除塵器具有很大的節(jié)電潛力，經(jīng)濟(jì)效益明顯。由于電除塵工況是經(jīng)常變化的，煤種、負(fù)荷也是經(jīng)常變化的，因此單純的一種除塵方式運(yùn)行，無(wú)法保證電除塵器長(zhǎng)期高效運(yùn)行。

通過(guò)眾多在運(yùn)行的電除塵器檔案數(shù)據(jù)和大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，分析電除塵器的電場(chǎng)動(dòng)態(tài)伏安曲線族（平均值曲線、峰值曲線、谷值曲線）與工況特性變化的關(guān)系規(guī)律，建立有關(guān)工況特性分析診斷模型，并通過(guò)量化指標(biāo)來(lái)反映電場(chǎng)工況，來(lái)識(shí)別電場(chǎng)反電暈發(fā)生與否、程度嚴(yán)重與否。同時(shí)以現(xiàn)場(chǎng)工況分析為基礎(chǔ)，自動(dòng)獲取鍋爐負(fù)荷、煤種、濁度、煙氣溫度等各種遠(yuǎn)程傳感信號(hào)，并以這些信號(hào)為反饋，開發(fā)實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制功能軟件，使新系統(tǒng)能隨時(shí)響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷、煤種、煙氣濁度、煙氣溫度和其它重要工況參數(shù)的變化，按照一定的算法生成最佳參數(shù)，并將最佳參數(shù)輸入電除塵器，自動(dòng)對(duì)遠(yuǎn)程電除塵器的運(yùn)行進(jìn)行修正、調(diào)整和控制，達(dá)到提效最優(yōu)化和節(jié)能最大化的目標(biāo)。

6 雙機(jī)冗余功能

由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣（如存在電磁輻射、粉塵、電源波動(dòng)等），系統(tǒng)有時(shí)會(huì)受到干擾而發(fā)生停機(jī)現(xiàn)象，給現(xiàn)場(chǎng)管理和控制造成影響。因此，系統(tǒng)上位機(jī)有必要采取雙主機(jī)冗余備份組成容錯(cuò)系統(tǒng)，消除系統(tǒng)存在的單點(diǎn)失效問(wèn)題，減少系統(tǒng)的停機(jī)時(shí)間，最大限度增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

所謂雙機(jī)冗余備份，就是采用兩套配置完全一致的工控機(jī)對(duì)電除塵設(shè)備進(jìn)行管理和控制，其中一臺(tái)稱為主機(jī)，另一臺(tái)稱為備機(jī)。正常情況時(shí)，主機(jī)一邊與各下位機(jī)進(jìn)行通訊，采集高低壓設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和工況參數(shù)，一邊與備機(jī)之間建立TCP連接，并通過(guò)此TCP連接將新的數(shù)據(jù)傳輸給備機(jī)，實(shí)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)同步。備機(jī)則定時(shí)檢測(cè)主機(jī)的工作狀態(tài)，主機(jī)把自身工作狀態(tài)作為應(yīng)答告訴備機(jī)。一旦主機(jī)發(fā)生故障，備機(jī)自動(dòng)切換為主機(jī)運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)的可靠性。設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮以下情況：1）主機(jī)/備機(jī)對(duì)下位機(jī)的控制互斥，當(dāng)主機(jī)取得對(duì)數(shù)據(jù)采集端的控制權(quán)時(shí)，備機(jī)無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)采集端進(jìn)行相關(guān)控制操作，反之依然；2）主機(jī)/備機(jī)保持?jǐn)?shù)據(jù)同步，包括實(shí)時(shí)曲線數(shù)據(jù)、歷史檔案數(shù)據(jù)、VI曲線、波形曲線、下位機(jī)配置信息等；3）主機(jī)發(fā)生故障時(shí)，備機(jī)能立刻感知并立即自動(dòng)切換，無(wú)須人工干預(yù)，主機(jī)/備機(jī)切換的時(shí)間以用戶無(wú)法感覺(jué)到數(shù)據(jù)采集延遲的臨界時(shí)間為準(zhǔn)；4）主機(jī)/備機(jī)的切換后，各下位機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)應(yīng)保持不變，即不因主機(jī)/備機(jī)的切換影響系統(tǒng)各下位機(jī)的正常運(yùn)行。

7 接口功能

電除塵器是工廠眾多的設(shè)備之一，孤立的系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足企業(yè)管理者或其他部門對(duì)信息交流、資源共享的要求。因此必須實(shí)現(xiàn)接口功能，增加網(wǎng)絡(luò)互連能力，實(shí)現(xiàn)與工廠MIS系統(tǒng)或主機(jī)DCS系統(tǒng)或輔機(jī)網(wǎng)控系統(tǒng)等的互通互連，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行信息上傳、必要控制指令下達(dá)的交互功能，提高電除塵器設(shè)備的運(yùn)行管理水平和自動(dòng)化控制程度。

接口功能主要設(shè)計(jì)了兩種接口方式：1）Modbus接口；2）OPC接口。

Modbus接口采用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)廣泛使用的Modbus通訊協(xié)議，工廠其它系統(tǒng)作為主機(jī)方，電除塵系統(tǒng)作為從機(jī)方，雙方通過(guò)RS485總線在物理上實(shí)現(xiàn)連接。一般情況下，工廠其它系統(tǒng)根據(jù)事先定義的數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)出查詢命令，電除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)專用的通訊接口程序，接收來(lái)自DCS系統(tǒng)的報(bào)文命令并進(jìn)行響應(yīng)，根據(jù)命令類別將電除塵器的運(yùn)行工況參數(shù)返回給DCS系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)雙方的相互通訊。

OPC接口是為工業(yè)控制設(shè)備和系統(tǒng)與人機(jī)界面軟件之間的數(shù)據(jù)信息交換提供標(biāo)準(zhǔn)接口。根據(jù)數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口規(guī)范，在開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中將系統(tǒng)作為服務(wù)器對(duì)象，高壓控制單元、低壓控制單元（如加熱器、振打器等）作為組對(duì)象，電流、電壓、溫度、振打時(shí)間等作為數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)象，然后有機(jī)地組織起來(lái)，編寫相應(yīng)的接口程序并編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，將數(shù)據(jù)標(biāo)簽等接口提供給輔控系統(tǒng)等OPC客戶使用，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)系統(tǒng)的互連互通、信息交換。

8 應(yīng)用

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在許多電廠得到應(yīng)用并取得了良好效果。

（1）系統(tǒng)運(yùn)行畫面

系統(tǒng)運(yùn)行畫面豐富，主要畫面見圖4、圖5、圖6。

圖4 運(yùn)行主畫面

圖5 TR運(yùn)行表

圖6 電場(chǎng)伏安特性曲線

（2）應(yīng)用實(shí)例

廣西某電廠300MW機(jī)組電除塵器，應(yīng)用節(jié)能控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造后，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能控制功能、雙機(jī)冗余備份功能、OPC接口功能，運(yùn)行一段時(shí)間后經(jīng)測(cè)試電除塵器除塵效率從99.65%提高到99.70%，運(yùn)行平均電耗下降了421kW，節(jié)電率達(dá)到了53.1%。

廣東某電廠兩臺(tái)600MW機(jī)組，電除塵器配置完全一樣，平時(shí)機(jī)組運(yùn)行情況也基本一樣，鍋爐負(fù)荷基本一致。其中1#爐利用大修時(shí)間實(shí)施了節(jié)能控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)改造，使之與2#爐電除塵器對(duì)比具有了節(jié)能控制功能等。通過(guò)對(duì)除塵變平均電流一個(gè)月的觀察與統(tǒng)計(jì)，1#爐電除塵器每小時(shí)耗電為395.73kW·h，整月耗電為294,423kW·h，2#爐電除塵器每小時(shí)耗電為675.7kW·h，整月耗電為502,750kW·h，1#爐電除塵器的節(jié)電率為41.44%，假定每度電的價(jià)格按0.529元、年運(yùn)行時(shí)間按10個(gè)月計(jì)算， 1#爐電除塵器的年節(jié)電量約為208,327kW·h，年節(jié)省電費(fèi)為110.205萬(wàn)元，節(jié)能效益十分可觀。同時(shí)1#爐電除塵器出口煙塵濃度的平均值為28.48mg/Nm3，比改造前的30mg/Nm3左右還略有下降。

9 結(jié)語(yǔ)

電除塵節(jié)能控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的成功應(yīng)用，說(shuō)明電除塵器在節(jié)能降耗方面大有可為，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。節(jié)能控制不影響除塵效率，并且改造采取的最優(yōu)控制方式和斷電振打技術(shù)應(yīng)用都進(jìn)一步提高了電除塵器的除塵效率，降低了排放濃度。該節(jié)能控制系統(tǒng)值得大力推廣。

根據(jù)各除塵器應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，未來(lái)還要進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)反饋控制策略，使節(jié)能控制系統(tǒng)能更加完善和智能，更好地實(shí)現(xiàn)提效節(jié)能或保效節(jié)能。

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