電廠脫硫煙氣在線監測系統運行與維護

摘   要：針對電廠煙氣脫硫在線監測系統存在的采集數據精確度低、實時性差的問題，基于ARM控制對原系統進行優化。根據電廠煙氣脫硫系統要求，設計在線監測系統整體方案，并基于該方案從硬件、軟件2個方面展開論述，給出關鍵硬件選型、關鍵電路設計、C軟件設計及平臺設計等。將優化后的煙氣脫硫在線監測系統應用于某電廠，并對傳感器數據、開關量進行統計和分析。實際應用結果表明，優化方案在數據精確度、實時性等方面表現較好，能夠保證煙氣脫硫在線監測系統安全、穩定、連續地運行。

電廠燃煤裝置排放的煙氣成為大氣二氧化硫排放的主要途徑，為保護生態環境，各電廠安裝了煙氣脫硫設施。為充分發揮已經安裝的煙氣脫硫裝置作用，滿足排放標準，建立電廠煙氣脫硫在線監測系統成為亟需解決的問題。煙氣在線監測系統（簡稱CEMS）可實時查看電廠脫硫機組運行狀態、脫硫效率、二氧化硫濃度等信息，國內外專家、學者針對CEMS展開一系列研究。龐海宇等針對電廠4×600 MW機組煙氣脫硫系統配備的連續排放監測系統存在的可靠性和有效性較差的問題，提出了基于S7-200 PLC控制的優化方案，重點增加污染物濃度計算方法，增加分析儀大小量程自動切換功能，增加系統反吹和標定時數據保持功能，增加煙塵、流量、煙霧濕度自動切換功能以及電源監視信號；陳勇等針對某火電廠CEMS實際運行時存在的只能采集煙氣數據，無法記錄脫硫裝置數據且無法連續、穩定運行的問題，構建功能完善、穩定連續的CEMS，在分析監控系統框架的基礎上，分別從結構設計、設備工作狀態監控、設備控制實施、系統接口和遠程控制實現以及后臺監控實現5個方面展開論述；殷曉紅等重點分析了脫硫煙氣在線監測系統中煙道內速度相對穩定點的選擇問題，基于煙道內煙氣平均流速采用截面網格法對選擇點進行測量并甄別、獲取煙氣流速相對穩定點，以真實反應SO₂的排放量；張承鋼等以火電廠脫硫技術煙氣排放達標、節能減排為目標，對運行中的CEMS進行監督，對發現的實際問題，如低品質石灰石脫硫運行參數控制、SO₂質量濃度數據修正、煙氣速度場系數修正以及GGH泄露導致脫硫效率降低等問題進行梳理和分析，并提出針對性的解決方案，持續改進并優化該火電廠的脫硫裝置。本文針對某電廠原CEMS進行優化，解決采集數據精度不夠、實時性差的問題。

某電廠脫硫煙氣在線監測系統以ARM9S3C2240工業用處理器為核心，整體結構如圖1所示。

圖1 某電廠脫硫煙氣在線監測系統整體結構

為實時、連續監測煙氣脫硫數據，該系統設計并安裝了SO₂濃度、O₂濃度、煙塵濃度、流量、濕度、靜壓以及溫度傳感器，傳感器采集到的數據以電壓或電流信號進行傳輸。為保證信號傳輸質量和實時性，經隔離電路、電子開關以及模數轉換后進入ARM9 S3C2240處理器進行處理。ARM9處理器將接收并進行邏輯處理后的傳感器數據以TCP/IP通信模式傳送至在線監測系統平臺進行顯示。在該整體設計中，還包括DCS通道的風道擋板開度、風機運行電流、機組負荷、脫硫裝置運行狀態等信號經調理電路后傳送至ARM9處理器。為方便在線監測系統開發、調試，還設計了LCD觸摸屏、JTAG電路、串口通信等。

2.1 硬件選型

中央處理器選用嵌入Linux操作系統的S3C2240工業用處理器，由ARM9TDMI、MMU以及高速緩存3部分組成。該處理器的供電電源等級標準由1.2 V內核供電、3.3 V存儲器供電、3.3 V外部I/O供電；配置有3個RART、2個SPI、1個多主I2C、1個I2S通信總線；多達130個通用I/O口且可復用；60個中斷源；8通道多路復用ADC；兼具標準、休眠、慢速以及掉電運行模式。S3C2240處理器滿足電廠脫硫煙氣在線監測系統設計要求。其中，SO₂傳感器選用CITYTECH公司的EZT3SF Ci Tice L型定電位電解化學氣體傳感器，監測范圍在（0～2 000）×10^-6，輸出信號為2線制4～20 m A電流信號，檢測精度為1×10^-6，最大零漂<5×10^-6，響應時間<30 s;O₂傳感器選用英世博測控的TY-MZ型氧氣變送器，輸出電流精度可達0.001 m A，具有可靠性、穩定性、高精度和智能化的特點，可將檢測誤差控制在1%以內；煙塵傳感器選用的型號為HS-200在線煙氣含塵量檢測儀，利用激光背散射原理對煙道內的顆粒污染物進行實時連續測量，靈敏度為2 mg/m³，測量誤差可控制在2%以內，耐溫高達300℃，以4～20 mA電流信號將檢測煙氣數據傳送至中央處理器；流量傳感器用于測量煙道內煙氣的質量流量，選用EPI9000型流量傳感器，量程比在100∶1，輸出信號在0～5 V DC或4～20 mA 2種模式。

2.2 關鍵電路

電廠脫硫煙氣在線監測系統布置的傳感器較多，輸出多為模擬量電壓或者電流信號，在進入ARM9處理器前，需經A/D轉換，并以5 V電壓為基準電源，采用AD586芯片實現。該芯片具有精度高、噪聲低、輸出信號調節方便等優點，其可變電阻R6最大阻值為10 kΩ。A/D轉換電路如圖2所示。

圖2 A/D轉換電路（5 V基準源）

電廠在脫硫過程中，需要對風機運行狀態、脫硫裝置運行負荷狀態、機組負荷以及風道擋板開度等進行實時監測。上述信號均來自DCS通道，其觸點電壓在12～24 V，在進入ARM9 S3C2240處理器前，需進行電平匹配，由74LV245三態總線轉換器將其輸出電平拉至3.3 V，可隔離破碎性電壓和噪聲，并完成邏輯電平轉換。74LV245三態總線轉換器四通道開關量采集調理電路如圖3所示。

圖3 四通道開關量采集調理電路

3.1 邏輯處理程序設計

電廠脫硫煙氣在線監測系統邏輯處理程序基于Keil軟件平臺，采用C語言編程實現，其軟件框架如圖4所示。

圖4 邏輯處理程序框架

為保證監測數據傳輸的實時性，采用多進程多線程編程實現。啟動進程1完成傳感器數據的采集和通信功能，在該進程下開啟線程1用于對模擬量進行采集，開啟線程2對開關量進行采集，開啟線程3完成TCP/IP通信；啟動進程2完成用戶界面的設計，在該進程2下開啟線程1對標準的輸入數據進行處理和映射；啟動進程3完成在線監測系統主機服務器端功能，如用戶界面數據的實時顯示、存儲和記錄等。

3.2 監測系統平臺設計

電廠脫硫煙氣在線監測系統平臺基于320×240像素的8.89 cm TFT性LCD觸摸液晶顯示器實現，以TCP/IP通信模式實現數據傳送。監測系統平臺設計有主界面、參數設置界面、故障信息界面、歷史曲線界面以及趨勢曲線界面等，在該界面中可以顯示、設置SO₂濃度、煙塵濃度、溫度、流量、靜壓、濕度等傳感器信息，同時還可展示風道擋板開度、機組負荷、脫硫裝置運行狀態等。在每一個界面中，有“返回”與“確認”2個按鈕，實現界面之間的無縫切換。在線監測系統參數設備界面如圖5所示。

圖5 電廠脫硫煙氣在線監測系統參數設置界面

4.1 數據分析

為驗證某電廠脫硫煙氣在線監測系統性能，在試驗運行中，統計進、出口處的SO₂濃度、O₂濃度、煙塵濃度、煙道流量、濕度、靜壓以及溫度等數據，其實測數據對比情況如表1所示。

表1 電廠煙氣脫硫實測數據對比

由表1分析可知，采用現設計方案后，系統各監測量的精確度更高，可達小數點后3位，同時滿足系統實時性要求。

4.2 運行與維護

在設計并實現的電廠煙氣脫硫在線監測系統運行時，不間斷地監測煙氣處理量、原煙氣中SO₂濃度、脫硫效率等，發現煙氣脫硫系統運行存在如下問題：(1)脫硫劑品質差且細度不滿足標準；(2)吸收塔漿液pH控制精度差；(3)吸收塔漿液密度控制精度差；(4)脫硫劑旋流器的壓力控制不合理。針對系統運行過程中發現的上述問題，進行系統維護，采取的主要方法是：根據該電廠煙氣脫硫系統實時運行情況，將脫硫劑顆粒度控制在62 um左右，通過率達92%，脫硫劑純度由原來的75.82%提高至86.53%；吸收塔漿液pH濃度由原來的5.2～5.8調整為4.8～5.0；調整吸收塔漿液密度計算公式，增加軟件濾波處理環節，同時修正煙氣速度場習俗以及GGH煙氣換熱器漏風率，保證煙氣脫硫效率。

基于ARM控制器完成了電廠原煙氣脫硫在線監測系統的優化并成功試運行，并將采集傳感器數據的精度提高至小數點后3位；采用TCP/IP通信保證了數據傳送的實時性；基于LCD觸摸屏設計了在線監測系統多界面顯示，完善了數據、參數、故障信息的顯示，使得通過該CEMS可準確、及時地掌握電廠煙氣脫硫系統的運行狀態，保證了該系統安全、高效、有序運行。