随着我国经济的发展,能源消费带来的环境污染也越来越严重。燃煤烟气中排放的二氧化硫和氮氧化物占全国总排放量的90%[1],是造成大气污染、酸雨和温室效应的主要根源。目前世界上比较先进的烟气脱硫(Flue Gas Desulphurization,FGD)技术中比较典型的方法有湿式石灰-石膏/氨催化还原法、电子束/氨法、电晕放电/氨法,而流光放电等离子体烟气脱硫技术是电晕放电法中具有强大市场潜力和应用前景的烟气脱硫新工艺。本文针对这种技术,应用CAN总线设计了一套微机监控系统,使整个烟气脱硫过程经济、高效、安全可靠。
1 流光放电等离子体烟气脱硫监控系统介绍
流光放电等离子体烟气脱硫的原理是利用高频高压交直流叠加电源使反应器发生电晕放电,放电产生的高能激发电子电离烟气中的气体分子(O2、H2O、N2等),产生极富氧化性的离子和自由基,这些活性粒子在有添加剂NH3存在的条件下通过一系列的链反应将污染物成分(如SO2、NOX等)氧化生成稳定的铵盐,从而达到烟气脱硫的目的。系统工艺流程图见图1。
锅炉烟气经除尘后,温度约为150℃,然后经热交换器将其送入湿式反应器系统,气相的SO2在有NH3存在的条件下,在湿式反应器中氧化生成硫酸铵溶液而被脱除,反应后温度约为60℃。尾气经换热器与入口烟气换热后温度提高到90℃以上而被排放,反应器生成的硫酸氨溶液经热烟气干燥脱水浓缩成为固体硫酸氨化肥。
反应器中的烟气流量、SO2浓度、烟气温度、氨注入量、蒸汽注入量、交直流叠加电源电压、生成液PH值和生成液摩尔浓度等都直接影响系统的运行状况,利用相应的检测仪可对各参数的状态进行采集,而主要的监控回路包括氨注入监控、交直流叠加电源电压监控、烟气温度监控、蒸汽注入监控和生成液PH值监控等。CAN总线凭借其突出的数据通信可靠性、实时性、灵活性和抗干扰性[2]而在本系统中得到应用。
整个监控系统由上位管理机、CAN接口适配卡和多个现场测控节点三部分组成。具体结构如图2所示,其它数据采集节点没有在图上示出。上位管理机选用普通PC机,负责与下位机的通信、动态显示各节点的工作状态或报警信息以及按照一定的数学模型对现场测控节点的各控制参数进行调整。CAN总线通信接口适配卡负责PC机与现场测控节点之间数据和控制参数的传递。现场测控节点负责从现场采集数据并以CAN协议发送到总线上,传给上位机或其它节点,并根据需要对现场设备就地进行实时控制和监视。利用CAN总线方便的可扩展性,可以在总线上增加更多的测控节点而无需改变系统的总体结构。CAN总线上的节点数主要取决于总线驱动电路,目前可达112个(RT=120Ω,RL=45Ω)[3],这为日后系统的改进带来了极大的方便。
图2 系统总体结构图
2 系统硬件设计
系统硬件设计包括现场测控节点的设计和CAN接口适配卡的设计。现场测控节点作为现场数据采集与控制层完成的功能包括:对各状态量的检测;对交直流叠加电源电压的控制,达到直流基压0～60kV,交流峰峰值电压40kV,交流频率16～50kHz;对进入反应器的烟气温度进行控制(60～80℃);对氨注入的控制,准确地控制氨硫摩尔比(不大于2:1)。各个现场测控节点具体的功能可能不一样,但硬件结构大同小异,下面以交直流叠加电源电压测控节点为例进行介绍,其硬件结构图如图3所示。该电路主要包括输入信号调理电路、单片机外围电路、模拟控制信号输出电路、液晶显示电路和CAN通信电路等。CPU采用Intel公司的16位单片机80C196KC作为微处理器,其内部设有256字节的RAM,带有28个中断源,运算速度快,它本身还带有三路PWM输出和高速输入输出HSI和HSO,尤其适用于快速控制系统。CAN总线通信电路采用Philips公司的SJA1000独立控制器和82C250驱动器。SJA1000有基本的Basic CAN和增强的Peli CAN两种模式,全面支持具有新功能的CAN2.0B协议[4]。82C250可以提供总线的差动发送和接收功能,提高系统总线的节点驱动能力,增大通信距离、降低干扰。控制单元采用高速光耦6N137隔离各个前后通道,被隔离部分分别使用不同的电源和地线,以提高抗干扰性能。
CAN接口适配卡的结构相对比较简单,专门负责在上位微机与CAN总线之间传递消息,其结构如图4所示。从图中可以看出适配卡由微控制器电路、双口RAM电路和CAN通信控制电路三部分组成。有了前面测控节点的设计经验,这里依然选择80C196KC作为微控制器,比较常用的是采用功能相对简单的89C51(ATMEL公司的产品)[5]。选择双口RAM IDT7132作为PC机与80C196KC交换数据的通道,并采用内存映像法[6],把IDT7132数据存储器地址直接映射到PC机内存空间的高端。CAN通信部分与测控节点相同,这里不再详述。设计中若采用中断接收数据方式,应注意在SJA1000的INT引脚和VCC引脚间接一上拉电阻(约5kΩ),否则会一直处于中断状态。
图3 交直流电源电压测控节点硬件图
图4 CAN接口适配卡结构图
3 系统软件设计
系统软件设计包括现场测控节点的数据采集与处理软件设计、CAN接口适配卡通信软件设计和上位机管理软件设计。上位机管理软件采用Visual C++编写,主要完成设备状态和工艺参数的数据采集;向测控节点发送请求修改控制参数;显示动态实时数据和历史曲线图;对历史数据进行保存和打印报表。现场测控节点软件采用80C196汇编语言编程,主要完成三项任务:一是检测系统各项物理参数以及设备的工作状态参数并传到CAN总线上,以监视系统运行状况和趋势;二是根据控制算法对相应的量进行实时控制;三是对异常状况的报警处理。CAN接口适配卡通信软件跟测控节点CAN通信软件基本相同。下面着重介绍CAN通信软件的设计。程序首先对SJA1000进行初始化,设置好工作模式、滤波功能、通信波特率和输出特性后,就处于接收中断中。在接收完毕后,对接收的信息进行处理,或响应远程帧,或调用发送子程序发送数据,或向上位机报警。在此期间若有错误发生,可以利用SJA1000方便的错误代码捕捉功能了解详细信息并启动错误处理机制。主程序流程图如图5所示。在整个通信软件设计中,SJA1000的初始化至关重要,直接关系到系统能否正常运行。其流程图如图6所示。注意,SJA1000有个测试寄存器(地址为0x09),可以通过写入并读它的数值来判断CPU与SJA1000的硬件连接是否正确。 本系统以国家863科技攻关项目为依托,在广东杰特科技发展有限公司和北京交通大学等单位开发的流光放电等离子体烟气脱硫实验平台上进行了试验和调试,系统工作稳定、高效。交直流叠加电源可以在工业规模的反应器中产生分布良好的流光放电等离子体,通过12000Nm3/h烟气量试验,在SO2初始浓度约1000ppm条件下,脱硫率>95%,满足工业实用的要求。
图5 CAN通信主程序流程图
图6 SJA1000初始化流程图