黄昕昀

(高斯图文印刷系统(中国)有限公司，上海 200062)

0 引言

我国经济的蓬勃发展对电力能源提出了迫切性需求，国家在新建电厂项目和旧厂改造方面投入了大量资金，根据我国电力发展的规划，到2020年我国装机总容量将达到900，000MW，其中火电占到70.6%。随着装机容量的递增，SO2的排放量不断递增。目前我国的SO2排放量己严重超过环境容量，这种污染对可持续发展及人类居住生态环境都造成不可逆转的影响[1]。2005年5月19日，国家发展改革委印发了《关于加快火电厂烟气脱硫产业化发展的若干意见》。《意见》的发布将对规范火电厂烟气脱硫产业市场，提高烟气脱硫设施建设、运行水平，加快烟气脱硫产业的健康快速发展产生积极的促进作用。

目前，我国烟气脱硫技术的研发力量主要集中在专业院校和科研院所，由于受资金和生产场所等条件限制，绝大部分自主开发的新技术仅停留在小试或中试阶段，难以在大型火电厂烟气脱硫工程中得到实际应用。以企业为主体的烟气脱硫工程创新体系尚未形成，且没有一家企业能够对烟气脱硫过程控制、优化控制和状态监控、大型机电设备状态监控进行有机的整合，做脱硫控制的多侧重脱硫过程控制情况，做脱硫机电设备的多侧重状态监控和优化，往往忽略了各系统间的联系，很难发挥其应有的效益。

仿真可分为计算机仿真和半实物仿真。计算机仿真是系统设计阶段不可缺少的一项工作，通过计算机仿真验证设计的正确性和可实现性。半实物仿真一般是把数学模型、实体模型和系统的实际设备联系在一起进行运行，组成仿真系统。与纯计算机软件仿真相比，半实物仿真的实验结果更接近实际，它是一种更接近实际的仿真试验技术。现阶段，半实物仿真系统多应用于航空、航海、军事等[2]方面。

烟气脱硫系统仿真平台可用于运行人员培训以及对整个脱硫系统设备运行进行分析和研究，而且不受现场各种条件的约束，大大节省了系统设计、试验以及优化的时间和经费，提高了脱硫系统的运行经济性。目前，电厂烟气脱硫系统的仿真平台大都处于纯软件仿真的阶段，即用软件模拟方式来模拟脱硫系统本体、物理化学反应过程、数据的输入/输出等过程，这样建立的仿真平台逼真度不高，很难模拟现场的复杂工况和突发事件。本质上讲，纯软件仿真是建立在合理简化和精确建模基础之上，对难以精确建模的过程纯软件仿真难免失真，将现场输入/输出设备和计算机软件仿真有机结合起来的半实物仿真模型将成为未来电厂仿真的发展方向。

1 仿真平台的基本构成

电厂烟气脱硫系统半实物仿真平台是一种将现代控制理论、计算机技术、网络通讯技术以及实际现场仪表和执行机构有机结合在一起的应用于烟气脱硫控制系统的“虚机实电”半实物仿真平台;包括独立的模拟烟气脱硫FGD过程的仿真计算机和仿真软件、烟气脱硫分散控制系统DCS、现场仪表和执行机构，如图1所示。

2 硬件系统

该部分是烟气脱硫仿真平台的“实电”部分。主要包括SUPMAX－800分散控制系统[3]及部分现场仪表和执行机构，如图2所示。

2.1 DCS 系统

SUPMAX－800分散控制系统大量采用了标准化产品，组态方式符合IEC1131－3国际标准，系统由控制站、工作站和连接它们的100M双冗余光纤环型通讯网络组成，功能包括数据采集DAS、模拟量控制MCS、顺序控制SCS等，可完成运行分析、画面显示、报表生成、打印、事件记录、事件追忆等功能。

图1 电厂烟气脱硫控制系统半实物仿真平台

图2 烟气脱硫控制系统硬件平台

图3 吸收塔子系统人机界面图

图4 石灰石浆液制备子系统人机界面图

图5 浆液给料子系统人机界面图

图6 石膏脱水子系统人机界面图

远程处理单元是系统在烟气脱硫控制系统虚机实电仿真平台中跟实际电控平台相连接的接口。由机柜、电源、机笼、分散控制单元(DPU)和I/O卡件等。DPU分散处理单元是一个多功能控制器和数据处理器的集合，它实现控制算法、1ms分辨力的时间顺序记录SOE和数据采集功能。DPU通过2条冗余的以太网线直接接在通讯网络上，不需要服务器，并通过冗余的RS－485总线连接I/O卡件，并具有远程I/O能力。DPU为冗余传输，当工作的主DPU故障时，能无扰动的切换到从DPU上，切换时间小于1ms，保证控制连接性和系统安全性。I/O模板总线扩展卡和机架系列，连接着全厂数千个过程变量和可控制的终端元件设备，还可以提供可编程控制器和过程控制器的特性，提供平滑执行多变量控制算法和顺序控制。包括总线扩展卡模拟量和数字量I/O卡、热电偶(T/C)卡、热电阻(RTD)卡、二进制控制(BCM)卡、脉冲量(PI)卡、SOE卡和特种快速模拟量输出卡，卡件技术指标。烟气脱硫控制系统仿真平台中共使用了模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出几种I/O类型。

大型燃煤电厂烟气脱硫DCS控制系统仿真平台具有良好的容错能力和实时性能，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;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，在工程师站上运行组态程序SUPTOOLS，用于进行脱硫控制系统的组态。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、服务器以及I/O处理器均挂在100M以太网络上，实现数据信息的高速通讯，还可以通过交换机与远程进行数据交换或连接视频服务。

分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。功能包括模拟量控制系统MCS、顺序控制系统SCS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。功能满足脱硫系统的多种运行工况的要求，确保脱硫系统安全、高效运行。

烟气脱硫DCS分散控制系统仿真平台采用了具有国际先进水平的实时监控软件，开发出了满足工程系统要求的功能强大的人机界面。

2.2 现场仪表和执行机构

该部分包括现场输入信号采集系统以及软件仿真输出信号的执行机构。将与现场信号一致的模拟信号和设备状态通过该部分采集，通过DCS控制系统送入计算机软件仿真模型，进行性能核算和控制运算后，输出信号通过DCS控制系统到执行机构，完成对实际设备的控制。

现场测控仪表和执行机构包括各类控制阀、执行电动机及液压伺服系统等。这些现场测控仪表和执行机构分布于烟气脱硫过程的各个子系统控制点上，如吸收塔单元、石灰石浆液制备单元、磨煤机单元、氧化风机单元等，用于检测各个系统关键设备的状态以及关键参数的变化，并将这些信号通过DCS控制系统送入FGD过程模型或控制模型，模型的输出信号最终也输出到执行机构，实现设备和系统的控制。

3 仿真软件

该部分是烟气脱硫仿真平台的“虚机”部分，包括烟气脱硫若干子系统的物理数学模型、若干控制回路、烟气脱硫启停顺序控制系统、报警及热工连锁保护等。其中整个烟气脱硫系统按照工艺分成的子系统包括:吸收塔单元、烟气再热单元、石灰石浆液制备单元和石膏脱水单元等。关键控制回路如增压风机压力控制回路、石灰石浆液流量控制回路、吸收塔液位控制回路、石膏脱水控制回路等。部分回路的仿真界面如图3～6所示。

4 结语

随着我国经济的高速发展和电力需求的不断扩大，电力行业对于自动控制的经济性和精确性日益提高。基于此，本文将具有自主品牌的DCS分散控制系统应用于电厂烟气脱硫自动控制系统，提出了“虚机实电”半实物仿真平台;用于运行人员培训以及对整个脱硫系统设备运行进行分析和研究，大大节省了系统设计、试验以及优化的时间和经费，提高了脱硫系统的运行经济性。

[1] 秦钟，《燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例》[M].北京:化学工业出版社，2002.

[2] 刘延斌，金光.半实物仿真技术的发展现状[J].光机电信息，2003(1):27～32

[3] 《SUPMAX800分散控制系统用户向导》[J].上海电气集团自动化仪表股份有限公司