烟气脱硫过程在线监控系统设计与应用

陈勇 吴琳+曾昭健 李先祥+肖红军

摘要：基于某热电厂烟气在线监测系统现状，以热电厂锅炉烟气脱硫过程为对象，构建稳定可靠的企业污染物过程在线监控系统和环保状态监测网络，同时完成对远端脱硫设备状态在线监测与远程控制，完整地掌握系统的烟气排放对环境质量影响的动态变化，为上级环保部门决策提供依据。系统已经成功应用，运行效果良好，具有推广价值。

关键词：烟气；脱硫；过程监控；系统

中图分类号：TP29 文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.10036199.2017.01.009

1引言

当前我国大气环境形势十分严峻，在传统煤烟型污染尚未得到控制的情况下，以臭氧、细颗粒物和酸雨为特征的区域性复合型大气污染日益突出。《国家环境保护“十二五”规划》首次提到了“加强挥发性有机污染物和有毒废气控制”作为实施多种大气污染物综合控制的重要措施。推进区域大气环境联合执法监管机制、环境信息共享机制、区域大气污染预警应急机制，加强各地监测站对挥发性有机物、汞监督性监测能力建设，并与环保部门联网，积极推进挥发性有机物在线监测工作，工业污染源的有效控制体系构建是目前迫切解决的问题[1]。近年来，城市污染已经从一次污染为主转为复合型污染，工业废气是大气污染物的重要来源。工业废气中最难处理的就是有机废气，这些有机废气会造成大气污染，危害人体健康，而且还会造成浪费。有机废气中的重要污染来源是二氧化硫。据测算，中国早在1995年就己经成为世界二氧化硫的第一排放大国，二氧化硫排放治理势在必行[2]。烟气脱硫系统的前端装置在地理上分散性，设备复杂多样，系统的采集与监控存在负责性[3]。

在火电厂中，通常是在火电厂烟气通道或者烟囱处安装CEMS（Continuous Emission Monitoring System，烟气在线监测系统），记录烟气排放污染物浓度及污染物总量[4]。但在实际运行中， CEMS方式只能采集烟气数据，而不能记录脱硫装置运行数据。同时，单一CEMS方式由于生产管理和技术规范不完善、CEMS设备制造厂服务质量不到位等原因，使CEMS难以正常运行，影响了机组的正常运行和减排决策，存在一定缺陷[5-7]。基于目前烟气排放连续监测系统的现状分析[8-10]，针对现有热电厂脱硫监测系统基础上，构建稳定可靠的环保状态监测网络，同时完成对脱硫设备状态在线监测与远程控制，完整地掌握系统的烟气排放对环境质量影响的动态变化，已成为一个具有推广应用价值的工程实际问题。

2污染源监控系统框架

以某热电厂锅炉烟气脱硫过程为对象，构建企业污染物过程在线监控系统。系统架构如图1所示。数据采集控制系统处于污染源监控系统的前端，用于采集仪表和过程设备的数据。数据采集器控制站通过以太网与脱硫中控室及中控室的监控计算机进行通讯。脱硫系统和3套CEMS烟气在线监测系统通过网络和中控系统进行数据交换。

（1）中控室平台软件采用专用软件模拟显示整个废气处理流程，并在流程图上实时显示当前各监控点的监测因子数据；（2）监控人员通过该系统可以及时了解废气处理过程中各环保设施的运行状况和污染物的达标排放情况、设备的开关状态、脱硫水的酸碱度等，并通过报表或曲线了解历史数据。

热电厂厂区污染源监控系统中控室设备配置1个工程师站。整套系统另配置5个操作员站，分别放在3#炉控制室、4#炉控制室、5#炉控制室、6#炉控制室、7#炉控制室，以便于运行人员通过操作员站分别进行各种远程监控和相应操作。

3数据采集系统

3.1结构设计

为了简化网络布局、降低工程成本，所有监测设备的数据通讯采用485通讯方式组网构建，所有监控的对象通过485信号线接入专用的控制系统进行数据收集和远程控制，控制系统把接收到的数据通过网络打包發送到中控平台，如图2所示。中控系统安装数据接收软件和数据展示软件完成数据采集和数据展示任务。控制系统接收中控系统发出的控制指令，分别发出485控制信号给下游控制单元。

图2数据采集结构框图

3.2设备工作状况监控

整套系统中的脱硫水的流动控制是通过水泵进行提升、返流控制，为了对整套系统脱硫水的实际运行状况进行监控，需要对使用的全部水泵工作状况进行监控。针对水泵的监控就采用监控水泵的运行电压、电流进行。通过电流、电压的监控数据判断水泵的运行是否正常，由此推断脱硫水的运行是否正常。

为了满足对水泵的工作电压、电流进行实时监控的目的，针对脱硫系统中的21个水泵（一次脱

硫入口水泵7个、二次脱硫池入口4个、一次脱硫废水回流人工湿地用水泵4个、二次脱硫打入沉灰池水泵6个），安装具备485信号传输端口的电量传感器对水泵的运行状态进行监控。

（1）水泵开关控制的具体实施方法

11信号柜配置多功能485模块HY-J01，该模块具备8路继电器输出端口；22每个水泵手动控制开关引出两条控制线接入HY-J01的继电器输出端口，从而实现远程控制控制目的；33变频调速水泵控制部分需要现场确认目前手工控制方式。

（2）蝶阀控制的具体实施方法

11信号柜布置4～20mA模拟量输出模块WJ31，由控制系统通过485信号线路远程控制WJ31实现远程控制目的；22每个WJ31控制一个蝶阀，利用WJ31的2路4～20mA模拟量输出端口实现蝶阀的开合控制和备用开关控制目的；33蝶阀的位置反馈信号接入HY-J01的模拟量信号采集端口，由HY-J01把反馈信号转换为数字信号通过485数据线传送到控制系统进行蝶阀位置的监控数据。

（3）PH在线分析仪数据获取

PH在线分析仪的模拟量输出信号接入多功能485模块HY-J01的模拟量信号端口，由HY-J01将模拟量数据转换为数字信号通过485数据线传送到控制系统进行实时监控。

3.3设备控制实施

3.3.1水泵控制

为了实现人工或自动控制脱硫水的流动，针对厂区内一次脱硫入口水泵7个、二次脱硫池入口4个、二次脱硫出口6个、一次脱硫废水回流人工湿地用水泵7个，分别安装远程控制开关进行控制。

通过电量传感器检测水泵的工作电流来检查水泵是否工作正常。为防止单一远程开关有时执行失效，采用双控制开关方式来执行，当第一路开关控制失效时，立即启动第二路开关进行控制。

水泵控制开启流程和停运流程分别如图3所示。

3.3.2蝶阀控制

为了实现对脱硫系统中每个脱硫塔的脱硫水运行进行控制，避免脱硫水的非使用性浪费；需要增设蝶阀控制每个脱硫塔脱硫水的进出。选择电动蝶阀来实现脱硫水流动方向的控制，该设备通过4-20mA模拟量信号进行开合控制和位置信号反馈。

蝶阀控制流程如图4所示。阀门的开合通过模拟量输出模块接收远端发出的开合控制信号，分别控制相应的阀门开合；为了确保阀门的动作正确执行，通过读取阀门的反馈信号获取阀门的开合程度；从而确保阀门的动作是按要求正确执行。每个电动阀蝶阀供电回路安装一个电量传感器监控蝶阀的动作是否按控制指令正确执行，都有一个手动开关可以现场手工控制，从而避免远程控制失效时无法正常生产的状况发生。

3.4系统接口及远程控制实现

现场数据采集和设备控制采用485网络通信方式实现，控制系统设计兼顾功能扩充需要；设计对整个流程中的用电设备实现远程手工控制（通过继电器、开关量控制模块组网实现指定设备的手工控制）。

3.4.1数据采集

分区域设置数据采集箱，内设485控制接口模块、模拟量输出模块组和485模块、485无线传输模块（长距离传输时），分别实现治理过程中检测因子的获取、上传功能。8通道模拟量转485模块可以实现8个模拟量信号的采集转换功能；485无线传输模块可以在485信号传输距离较远时减少现场线路布线和人工费用。

脱硫系统出口PH数据采集通过PH在线分析仪获取实时数据后转换成485数据信号组网。

电动阀及其它用电设备的控制采用485模拟量输出模块、开关量模块进行控制（针对不同设备接入不同的控制继电器分别控制）。监测因子信号和控制设备信号采用485方式组网，在厂区分布6个控制信号集中区把现场信号汇总在6个集中区后与控制中心进行通讯。

3.4.2远程控制

分区域设置控制箱柜，内设485多功能模块、模拟量输出模块和固态继电器实现远程控制功能。

485多功能模块把远程发送的控制指令转化成开关控制输出信号，并读取蝶阀的反馈信号判定蝶阀的工作是否按发出的指令正常运作；485模拟量输出模块：把远程发送的控制信号转化成4～20mA控制信号控制蝶阀开合程度。4后台监控实现

主控制室设置一个主站服务器，通过中控软件实现过程数据的获取和集中展示。5个操作员站通过WEB访问方式共享主站的控制界面，通过用户级别管控操作员站的工作内容，从而实现不同操作员站管控不同工作区域的目的。

（1）中控室平台软件模拟显示整个废气处理流程，并在流程图上实时显示当前各监控点的监测因子数据；

（2）监控人员通过该系统可以及时了解废气处理过程中各环保设施的运行状况和污染物的达标排放情况、设备的开关状态、脱硫水的酸碱度等，并通过报表或曲线了解历史数据。

4.1上位机和监控软件配置

整个控制系统设置监控工程师站1套、操作子站5套，报表打印机1台，并编制上位机监控软件，实现所有监控数据集中展示和远程控制。操作子站远程登陆工程师站后，只能进行工艺流程浏览、设备远程操控、数据查询及报表导入。不能对监控系统的相关参数进行修改。

通过用户登陆权限的设置，实现不同登陆用户工作内容管控，如表1所示。

4.2.1工艺流程展示

通过静止图形展示监控对象在企业脱硫系统中的具体位置、相应监控设备的运转状况的显示（开、关、异常）、监测数据实时显示及远程控制实施等，如图5所示。

在显示界面将鼠标指针移动到每个设备图示处，点击一次即可切换设备的工作状态（运行、停止状态的切换）。点击后弹出相应动作内容描述并提示操作员首先输入操作员编号及密码，然后显示操作确认菜单提示操作员是否需要执行该操作，操作员可以选择“否”退出该操作或“是”执行该操作。

4.2.2监控系统界面

主界面在图示数据显示位置每30秒刷新一次3套烟气在线监测系统传输过来的数据、9个PH在线分析仪（一次脱硫系统出口（1、2、3#脱硫室出口以及4#脱硫室出口、5#脱硫室出口、6#脱硫室出口、7#脱硫室出口）安装5套普通pH在线分析仪、二次脱硫室出口（1、2、3#脱硫室出口以及4#脱硫室出口、5#脱硫室出口、6&7#脱硫室出口）以及人工湿地入水口安装管道式pH在线分析仪5套）的监控数据、两个管道流量计的瞬时流量值。

功能菜单界面图图6所示，每点击一次即可切换一次设备的工作状态，同一设备点击时间间隔不能低于3分钟（避免相关控制设备频繁切换导致过热、烧毁现象）。

5结束语

当前，环境污染甚至威胁到中国经济增长的可持续性。继续改进并实施污染控制政策已经成为解决环境问题，改善人们生活质量，避免经济增长遭遇环境灾难的当务之急。环保监测系统的不完善，治理技术的不先进，致使环境污染严重事件时常发生。企业污染源的在线检测属于环保物联网的范畴，其中的技术研究与应用推广对促进转变经济发展模式，实现产业升级已经并将产生深远的积极影响。

参考文献

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