濕法煙氣脫硫控制系統(tǒng)方案研究

張春燕

（華北電力大學(xué) 北京 102206）

隨著國家越來越嚴(yán)格的環(huán)保減排規(guī)定以及環(huán)保核查要求，脫硫設(shè)施數(shù)據(jù)監(jiān)測的準(zhǔn)確與否和脫硫設(shè)備控制的穩(wěn)定與否，決定著環(huán)境質(zhì)量管理和總量控制。作為監(jiān)測和控制手段的煙氣脫硫控制系統(tǒng)，是整個脫硫系統(tǒng)的一個重要組成部分[1]，控制系統(tǒng)的選型和設(shè)計(jì)的成功，既能保證脫硫系統(tǒng)的正常工作和異常工況的系統(tǒng)安全，又能與單元機(jī)組控制系統(tǒng)相協(xié)調(diào)，從而保證鍋爐及機(jī)組的安全運(yùn)行。因此，脫硫控制系統(tǒng)方案的研究和設(shè)計(jì)，就顯得尤為重要。

文中在研究石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)和工藝的基礎(chǔ)上，以北京高井熱電廠脫硫改造工程為實(shí)例，詳細(xì)探討了濕法脫硫控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。

1 濕法脫硫技術(shù)概述

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)具有脫硫效率高、技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠性好、吸收劑資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，是世界上實(shí)用業(yè)績最多的煙氣脫硫技術(shù)[2]。在我國，濕法煙氣脫硫已占98%以上。該技術(shù)原理是：以石灰石漿液作為脫硫劑，煙氣由原煙氣通道進(jìn)入吸收塔內(nèi)向上流動，被向下流動的石灰石漿液滴以逆流方式所洗滌。石灰石漿液滴通過噴漿層噴射到吸收塔中，與吸收塔內(nèi)二氧化硫反應(yīng)，生成副產(chǎn)品石膏，從而達(dá)到脫除二氧化硫的目的[3]。

北京高井熱電廠脫硫工程由美國常凈環(huán)保工程公司承建、Marsulex環(huán)保技術(shù)公司提供技術(shù)支持。該項(xiàng)目包括3套煙氣脫硫系統(tǒng)，1號脫硫系統(tǒng)處理1～4號鍋爐的煙氣，2號脫硫系統(tǒng)處理5～6號鍋爐的煙氣，3號脫硫系統(tǒng)處理7～8號鍋爐的煙氣。3套脫硫系統(tǒng)各包括1臺增壓風(fēng)機(jī)、1臺GGH、1座吸收塔、2臺氧化風(fēng)機(jī)及3臺漿液循環(huán)泵。3套脫硫系統(tǒng)公用1套石灰石制漿系統(tǒng)、1套石膏脫水系統(tǒng)、1套事故漿液罐和1套廢水處理系統(tǒng)。

2 控制方案的設(shè)計(jì)和研究

2.1 控制方式設(shè)計(jì)

采用集中控制方式，設(shè)置了2套分散控制系統(tǒng)，分別監(jiān)控1、2、3號脫硫設(shè)備和公用系統(tǒng)。運(yùn)行人員在脫硫控制室內(nèi)通過DCS進(jìn)行監(jiān)視和操作，實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)啟/停、正常運(yùn)行的監(jiān)視和調(diào)整以及異常與事故工況的處理。

2.2 控制系統(tǒng)硬件配置

控制系統(tǒng)采用大連正興電氣控制有限公司配套的德國西門子公司SIMATIC PCS7過程控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理（DAS）、開關(guān)量順序控制（SCS）以及模擬量控制（MCS）等功能。

DCS控制系統(tǒng)配置了3套操作員站，每套操作員站配2臺液晶顯示器，配置2套工程師站，各配1臺液晶顯示器，同時配有控制室打印機(jī)和工程師站打印機(jī)共2臺。整個DCS系統(tǒng)按照CPU冗余、通訊冗余、電源冗余進(jìn)行配置。脫硫DCS與鍋爐主機(jī)DCS系統(tǒng)的信號連接通過硬接線方式連接。DCS電源系統(tǒng)由一臺專用UPS和APS兩路供電，以確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2.3 I/O清單設(shè)計(jì)

濕法脫硫系統(tǒng)I/O點(diǎn)較多，高井熱電廠脫硫系統(tǒng)I/O點(diǎn)具體分配情況如表1所示。

表1 I/O點(diǎn)分配Tab.1 I/O Point distribution

2.4 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

濕法脫硫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包括增壓風(fēng)機(jī)入口壓力控制、石灰石給料量控制、石膏濾餅厚度控制、球磨機(jī)給水量控制、工藝水箱液位控制等。

2.4.1 增壓風(fēng)機(jī)入口壓力控制

增壓風(fēng)機(jī)位于鍋爐引風(fēng)機(jī)后，根據(jù)上游設(shè)備的運(yùn)行工況控制其壓力。增壓風(fēng)機(jī)入口壓力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)采用單回路PID調(diào)節(jié)，測量值為增壓風(fēng)機(jī)入口壓力，量程范圍-500～500 Pa，調(diào)節(jié)器設(shè)定值為-200 Pa左右。2、3號脫硫系統(tǒng)增壓風(fēng)機(jī)動葉角度變化范圍為25～67°，1號脫硫系統(tǒng)增壓風(fēng)機(jī)動葉角度變化范圍-40～15°。

當(dāng)調(diào)節(jié)回路投入自動模式時，調(diào)節(jié)器根據(jù)實(shí)際壓力變化自動調(diào)節(jié)增壓風(fēng)機(jī)動葉角度，從而保證主機(jī)鍋爐爐膛負(fù)壓，完成良好的調(diào)節(jié)功能。當(dāng)設(shè)定值與測量值偏差超過設(shè)定偏差值，或增壓風(fēng)機(jī)入口壓力1、2壓力差超過設(shè)定壓差，或增壓風(fēng)機(jī)入口壓力1、2測量通道故障時，自動調(diào)節(jié)回路自動切換為手動模式，并且調(diào)節(jié)器輸出保持切換前的輸出值。

2.4.2 石灰石給料量控制

石灰石給料量控制吸收塔中SO2去除量，石灰石給料量控制系統(tǒng)采用單回路PID調(diào)節(jié)。測得的原煙氣流量、原煙氣SO2濃度和化學(xué)計(jì)量比計(jì)算得出的石灰石漿液流量，通過PH測量值及折減因子疊加校正后作為設(shè)定值。測量值為石灰石給料量，量程范圍0～10噸/小時，經(jīng)送至主控器的漿液密度修正后作為實(shí)際量，并與設(shè)定值比較，通過偏差量來控制調(diào)節(jié)閥的開度。

根據(jù)計(jì)算出的漿液總流量和測得的密度 （固體成份）來計(jì)算加入到吸收塔中的固態(tài)石灰石量。再循環(huán)吸收塔漿液的PH值被疊加到SO2和煙氣量信號來提供吸收塔中溶解石灰石密度的校正值。

設(shè)定值具有內(nèi)給定和外給定兩種選擇，當(dāng)選擇內(nèi)給定方式時，由操作員根據(jù)工藝運(yùn)行需要設(shè)定給料量。當(dāng)選擇外給定方式時，給料量設(shè)定值根據(jù)石灰石漿液濃度變化按照設(shè)定的函數(shù)曲線而變化。調(diào)節(jié)回路輸出控制稱重給料機(jī)變頻器從而自動改變給料量。

石灰石給料量與濃度變化關(guān)系如下：

x——操作員設(shè)定的濃度（%），合格的濃度范圍50～61%，設(shè)定值為55%

y——給料量（t/h）

G——稱重給料機(jī)的最大安全輸送量t/h，可設(shè)定，高井脫硫系統(tǒng)設(shè)為10（t/h）

當(dāng) x＜55，則 y=G。

當(dāng) x＞ 61；則 y=0

注：當(dāng)濃度設(shè)定值改變時，本式也隨之改變。

2.4.3 石膏濾餅厚度控制

石膏濾餅厚度控制系統(tǒng)采用單回路PID調(diào)節(jié)，測量值為石膏厚度，測量范圍0～50 mm。石膏厚度設(shè)定值一般為25 mm，也可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需要在0～50 mm范圍內(nèi)設(shè)定。調(diào)節(jié)回路輸出控制帶速變頻器，變頻器變化范圍0～50 Hz。當(dāng)調(diào)節(jié)回路投入自動模式時，調(diào)節(jié)回路根據(jù)石膏厚度變化自動調(diào)節(jié)皮帶速度，從而維持恒定的石膏厚度，保證了皮帶脫水系統(tǒng)真空泵穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4.4 球磨機(jī)給水量控制系統(tǒng)

球磨機(jī)給水量控制系統(tǒng)采用單回路PID調(diào)節(jié)，測量值為漿液循環(huán)箱液位，測量范圍為0～1.383 m，正常運(yùn)行時設(shè)定值為1.0 m。調(diào)節(jié)回路輸出控制給水閥門，當(dāng)調(diào)節(jié)回路投入自動方式時，完成自動調(diào)節(jié)以維持漿液循環(huán)箱穩(wěn)定的液位，最終保證工藝需要的漿液濃度。

2.4.5 工藝水箱液位控制系統(tǒng)

為了既保證整個脫硫系統(tǒng)工藝水供應(yīng)，又能保證上游供水穩(wěn)定。工藝水箱液位控制系統(tǒng)采用單回路PID調(diào)節(jié)，測量值為工藝水箱液位。正常運(yùn)行時設(shè)定值為5.0 m。當(dāng)調(diào)節(jié)回路投入自動方式時，完成自動調(diào)節(jié)以維持工藝水箱穩(wěn)定的液位。

2.5 順序控制系統(tǒng)（SCS）設(shè)計(jì)

SCS系統(tǒng)完成對脫硫系統(tǒng)轉(zhuǎn)動設(shè)備的啟停控制、電動門的控制以及聯(lián)鎖保護(hù)功能[4]。 順控系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)可以大大減輕運(yùn)行人員的勞動強(qiáng)度，減少運(yùn)行人員的誤操作[5]。

SCS主要采用3種基本控制方式[6]：

1）驅(qū)動級控制，負(fù)責(zé)對脫硫系統(tǒng)某個設(shè)備如電動門、電磁閥、電動機(jī)和電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)的啟?；蜷_關(guān)；

2）子組級控制，以一個輔機(jī)為主及相關(guān)設(shè)備的啟停提供子組級控制；

3）功能組級控制，整個脫硫系統(tǒng)啟停的自動控制并對子組發(fā)出控制命令。

下面首先對脫硫系統(tǒng)重要設(shè)備增壓風(fēng)機(jī)的聯(lián)鎖保護(hù)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，接著對脫硫系統(tǒng)的順序控制功能進(jìn)行詳細(xì)介紹，并舉例說明。

2.5.1 增壓風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖保護(hù)條件的設(shè)計(jì)

1）增壓風(fēng)機(jī)允許啟動條件

啟動增壓風(fēng)機(jī)時，應(yīng)同時滿足如下條件：

①出口擋板打開位置；

②增壓風(fēng)機(jī)潤滑油流量不低；

③增壓風(fēng)機(jī)油泵A運(yùn)行或油泵B運(yùn)行；

④增壓風(fēng)機(jī)電機(jī)潤滑油泵A運(yùn)行或油泵B運(yùn)行；

⑤增壓風(fēng)機(jī)軸承1-6號溫度低于85℃；

⑥電機(jī)非驅(qū)動端軸承溫度低于70℃；

⑦電機(jī)驅(qū)動端軸承溫度低于70℃；

⑧增壓風(fēng)機(jī)軸承X方向振動低于6.3；

⑨增壓風(fēng)機(jī)軸承Y方向振動低于6.3；

⑩增壓風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)潤滑油壓力正常；

(11)增壓風(fēng)機(jī)電機(jī)潤滑油壓力不低；

(12) 增壓風(fēng)機(jī)動葉開度最?。?/p>

(13)增壓風(fēng)機(jī)軸后密封冷卻風(fēng)機(jī)1、2任一運(yùn)行與增壓風(fēng)機(jī)軸后密封冷卻風(fēng)機(jī)3、4任一運(yùn)行；

(14)循環(huán)泵A、B、C至少兩臺泵運(yùn)行；

(15)電氣開關(guān)啟動條件具備。

2）增壓風(fēng)機(jī)保護(hù)跳閘條件

當(dāng)出現(xiàn)以下任一情況時，增壓風(fēng)機(jī)保護(hù)跳閘：

①增壓風(fēng)機(jī)軸承1-6號溫度高高跳閘，定值為100℃；

②A相線圈溫度1高高跳閘，定值為135℃；

③B相線圈溫度1高高跳閘，定值為135℃；

④C相線圈溫度1高高跳閘，定值為135℃；

⑤電機(jī)驅(qū)動端軸承溫度高高跳閘，定值為80℃；

⑥電機(jī)非驅(qū)動端軸承溫度高高跳閘，定值為80℃；

⑦增壓風(fēng)機(jī)軸承X方向振動高高跳閘；

⑧增壓風(fēng)機(jī)軸承Y方向振動高高跳閘；

⑨增壓風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)潤滑油壓力低延時900 s；

⑩增壓風(fēng)機(jī)電機(jī)潤滑油壓力低延時900 s。

2.5.2 重要順控設(shè)計(jì)

高井熱電廠脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)了除霧器沖洗、漿液循環(huán)泵沖洗、排漿泵沖洗、GGH高壓水/低壓水/空氣吹掃、溢流箱排出泵自動沖洗、脫水皮帶啟/停、脫水給料箱排出管路自動沖洗、濾液箱排出泵自動沖洗、石灰石卸料系統(tǒng)啟/停、漿液循環(huán)箱排出泵自動沖洗等順控共計(jì)52項(xiàng)。下面就GGH空氣吹掃順控步序進(jìn)行舉例說明。

GGH空氣吹掃順控：

1）PLC控制吹槍前進(jìn)至開始位置，由編碼器判斷；

2）PLC打開氣動閥門；

3）PLC確認(rèn)閥門在開位置；

4）PLC確認(rèn)空氣壓力為6 bar左右 （大于 5.3 bar，小于6.7 bar）；

5）PLC確認(rèn)空氣壓力符合要求，吹槍停留一圈（40秒）；

6）PLC控制吹槍步進(jìn)75 mm并停留40秒；直至到達(dá)“全伸縮位置”，由編碼器判斷；

7）PLC 控制吹槍停留一圈（40 s）；

8）PLC關(guān)閉氣動閥門；

9）PLC確認(rèn)氣動閥門在關(guān)閉位置；

10）PLC控制吹槍停留5 min，防止凝露；

11）PLC控制吹槍連續(xù)回退，直到達(dá)到“停止位”，由編碼器判斷；

12）PLC控制吹槍停留2 min；

13）PLC控制吹槍回退到“停留位”，由限位開關(guān)判斷；

14）空氣吹灰流程結(jié)束。

2.6 重要儀表的選型和設(shè)計(jì)

2.6.1 密度計(jì)

密度計(jì)最初選用德國E+H公司產(chǎn)品，放射源采用CS137。后來考慮到放射源的危險性較大，改造為不帶放射源的CMF系列質(zhì)量流量計(jì)，廠家為北京科力博奧儀表技術(shù)有限公司。密度測量采用2選1測量，互為備用，由運(yùn)行人員在DCS畫面切換選擇。

2.6.2 PH計(jì)

PH計(jì)采用美國ABB公司產(chǎn)品，型號為TB557。PH計(jì)設(shè)計(jì)為2選1方式，配置兩個探頭和一套兩路變送器。PH值測量范圍為0～14，為4～20 mA電流輸出。探頭需要定期校驗(yàn)，分別在PH=4和PH=7處進(jìn)行兩點(diǎn)校驗(yàn)。

2.6.3 液位計(jì)

脫硫系統(tǒng)中的溢流箱、脫水給料箱、濾液箱、石灰石給料箱、區(qū)域地坑和事故漿液罐液位測量全部采用德國E+H公司制造的超聲波液位計(jì)。其中事故漿液罐液位測量超聲波液位計(jì)供電電源為220 VAC，4～20 mA輸出。其它超聲波液位計(jì)為 2線制，24 VDC，4～20 mA 輸出。

2.6.4 石灰石粉倉料位測量

石灰石粉倉料位測量采用德國E+H公司制造的導(dǎo)波雷達(dá)式料位測量，220 VAC供電，4～20 mA輸出。

3 結(jié)束語

以上控制方案的設(shè)計(jì)已經(jīng)在高井熱電廠脫硫[7]項(xiàng)目上得以實(shí)施應(yīng)用，所有模擬量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、設(shè)備順控以及連鎖保護(hù)全部實(shí)現(xiàn)了自動控制，并且取得了良好的效果。

實(shí)踐證明，一套考慮周全、設(shè)計(jì)合理的自動控制系統(tǒng)會為設(shè)備的運(yùn)行帶來很大的便利，使得運(yùn)行人員能方便地監(jiān)視各設(shè)備參數(shù)，控制就地各設(shè)備，確保了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，提高了工作效率。另外，脫硫效率滿足國家和北京市排放標(biāo)準(zhǔn)，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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