西門子DCS系統(tǒng)在水泥窯脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用

趙龍

1 前言

某水泥公司有兩條6 000t/d新型干法水泥熟料生產(chǎn)線，脫硫系統(tǒng)采用石灰石（窯灰）-石膏濕法全煙氣脫硫裝置（FGD），設(shè)置“加熱爐+脫硫塔”脫硫形式，利用原有煙囪合建，且不單獨(dú)設(shè)置增壓風(fēng)機(jī)。該脫硫系統(tǒng)按照生產(chǎn)線設(shè)計(jì)煤種100% BMCR（Boiler Maximum Continuous Rating，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量）工況下進(jìn)行煙氣脫硫設(shè)計(jì)，并考慮了極端情況，煙氣SO2排放濃度可滿足＜15mg/Nm3的排放要求。該脫硫系統(tǒng)配套的子系統(tǒng)有煙道系統(tǒng)、吸收塔系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、石灰石（窯灰）漿液制備系統(tǒng)、事故漿液系統(tǒng)、工藝水及廢水等排放系統(tǒng)、壓縮空氣及氧化空氣系統(tǒng)等。吸收塔直徑φ11m，循環(huán)漿液池直徑φ12m，高度35.59m。本文主要介紹該脫硫系統(tǒng)DCS 控制系統(tǒng)軟硬件構(gòu)成及各子系統(tǒng)控制策略，脫硫控制系統(tǒng)投運(yùn)以來，煙氣SO2排放穩(wěn)定，達(dá)到了國家A級排放限值標(biāo)準(zhǔn)（＜35mg/Nm3）。

2 脫硫控制系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)構(gòu)成

該生產(chǎn)線脫硫控制系統(tǒng)控制范圍為2 條水泥生產(chǎn)線的煙氣處理，包含“2 爐2 塔”及公用系統(tǒng)。整套脫硫控制系統(tǒng)包含現(xiàn)場控制站、操作員站和通訊網(wǎng)絡(luò)等。

現(xiàn)場控制站布置在脫硫島的電氣室，與現(xiàn)場設(shè)備直接相連，負(fù)責(zé)各種信號的輸入、輸出及信號轉(zhuǎn)換；主要用于檢測控制設(shè)備的啟停、運(yùn)行、故障預(yù)警處理和位置定位等開關(guān)量信號，檢測控制各子系統(tǒng)溫度、壓力、液位、流量、濃度、閥門開度等模擬量信號；同時(shí)，控制電機(jī)的順序啟停、正常運(yùn)行和故障時(shí)聯(lián)鎖停機(jī)，控制各閥門開度等。

操作員站布置在現(xiàn)有中央控制室，通過人機(jī)操作界面，輸入控制操作信息及給定值等信號，向操作員提供各種工藝、電氣和自動(dòng)化信息，實(shí)現(xiàn)操作員對生產(chǎn)過程的控制。在上位機(jī)畫面中，可實(shí)時(shí)顯示整個(gè)脫硫系統(tǒng)的工藝流程、電機(jī)啟停狀態(tài)、電動(dòng)開關(guān)閥開關(guān)狀態(tài)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度及全部工藝參數(shù)。

（2）硬件方案

脫硫控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1 所示。脫硫控制系統(tǒng)采用西門子S7-300 系列模塊化結(jié)構(gòu)硬件，共設(shè)置2 個(gè)現(xiàn)場控制站，分別負(fù)責(zé)2 條生產(chǎn)線的煙氣脫硫控制，公用部分劃歸到其中一個(gè)現(xiàn)場控制站。CPU 選用315-2PN/DP 處理器，現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控參數(shù)通過ET200分布式I/O模塊采集和輸出，其中，模擬量輸入模塊選用8 通道的4～20mA 模塊；模擬量輸出模塊選用4 通道的4～20mA 模塊；開關(guān)量輸入和輸出模塊選用16通道的開關(guān)量模塊。通信模塊選用IM155-6PN 接口模塊，CPU 與分布式I/O 模塊之間通過PROFINET現(xiàn)場總線完成通信。

圖1 脫硫控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

脫硫控制系統(tǒng)共設(shè)置2 個(gè)操作員站，其中1 個(gè)操作員站兼作工程師站，工程師站、操作員站和現(xiàn)場控制站之間通過Ethernet TCP/IP 總線相連，通訊速率可達(dá)100M，通訊線纜采用屏蔽雙絞線和光纜。

3 軟件編程及組態(tài)

脫硫控制系統(tǒng)PLC 編程軟件采用的是西門子STEP7 V5.6 軟件，該軟件是西門子S7-300 系列PLC的集成開發(fā)軟件，可滿足從PLC軟件開發(fā)到仿真整個(gè)過程的編程需要。PLC 編程采用以梯形圖為主的編程語言，直觀易懂，編程效率高。

操作員站監(jiān)控軟件使用的是西門子WINCC 7.4 SP1 軟件，WINCC 軟件為用戶提供了很好的操作環(huán)境。該脫硫控制系統(tǒng)操作員站利用WINCC自帶的圖形文件庫或自定義添加的圖形文件組態(tài)工藝流程畫面，通過上位監(jiān)控畫面，監(jiān)控脫硫系統(tǒng)所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及動(dòng)態(tài)工藝參數(shù)，圖2為脫硫控制系統(tǒng)運(yùn)行主畫面。

圖2 脫硫控制系統(tǒng)運(yùn)行主畫面

在WINCC 畫面中，通過對各個(gè)設(shè)備控件的屬性進(jìn)行編輯，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備在不同狀態(tài)下，有不同顏色或不同文字指示，如設(shè)備處于備妥、運(yùn)行、故障狀態(tài)或處于組啟動(dòng)開、單機(jī)開、現(xiàn)場開等各種模式。另外，每臺水泵等設(shè)備均設(shè)有設(shè)備彈出窗口，如圖3所示。

圖3 設(shè)備彈出窗口

設(shè)備彈出窗口分為操作區(qū)、接口區(qū)、參數(shù)區(qū)和故障區(qū)。操作區(qū)啟動(dòng)和停止按鈕用于設(shè)備在單機(jī)模式下的開啟和停止，當(dāng)設(shè)備處于組啟動(dòng)模式時(shí)，啟動(dòng)和停止按鈕將變成灰色，無法操作。接口區(qū)分為啟動(dòng)聯(lián)鎖、工藝聯(lián)鎖和保護(hù)聯(lián)鎖。啟動(dòng)聯(lián)鎖是設(shè)置的設(shè)備開啟前必須滿足的條件，如大功率電機(jī)的水電阻允許啟動(dòng)信號、大功率風(fēng)機(jī)開啟前的進(jìn)口閥門的關(guān)閉信號等均屬于啟動(dòng)聯(lián)鎖信號。工藝聯(lián)鎖用于組啟動(dòng)和設(shè)備的聯(lián)鎖跳停，一般用來接收下游設(shè)備的運(yùn)行信號。在設(shè)備組啟動(dòng)時(shí)，先收到下游設(shè)備的運(yùn)行信號，滿足條件后操作聯(lián)鎖，再收到組啟動(dòng)信號，該設(shè)備組啟動(dòng)；當(dāng)下游設(shè)備跳停后，操作聯(lián)鎖為0，該設(shè)備組跳停。不論是單機(jī)模式還是組啟動(dòng)模式，聯(lián)鎖跳停均有效。但當(dāng)設(shè)備處于“解鎖”狀態(tài)時(shí)，操作聯(lián)鎖的“聯(lián)鎖跳?！惫δ鼙黄帘?，即下游設(shè)備跳停后，該設(shè)備不跳停。保護(hù)聯(lián)鎖是對設(shè)備組啟動(dòng)時(shí)所設(shè)置的保護(hù)條件，如大功率電機(jī)溫度高報(bào)警等。此條件不滿足時(shí)，設(shè)備不能開啟；設(shè)備運(yùn)行后，若此條件丟失，則設(shè)備停機(jī)。參數(shù)區(qū)分為設(shè)備備妥、運(yùn)行、驅(qū)動(dòng)，均表示設(shè)備實(shí)際所處的狀態(tài)信號。故障區(qū)表示引起設(shè)備停機(jī)的各種故障類型。

對于脫硫控制系統(tǒng)中的電流、溫度、壓力、流量、液位等模擬量信號，利用WINCC軟件的數(shù)據(jù)歸檔功能，對生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行歸檔，再利用自帶的趨勢窗口控件調(diào)用歸檔數(shù)據(jù)，查看各工藝參數(shù)某個(gè)時(shí)間段的歷史趨勢，指導(dǎo)系統(tǒng)控制操作。

4 子系統(tǒng)控制策略

（1）煙道系統(tǒng)

煙道系統(tǒng)設(shè)置有2 套煙氣排放連續(xù)監(jiān)測（CEMS）設(shè)備，其中，位于煙道入口處的監(jiān)測設(shè)備為新增設(shè)備；出口處的監(jiān)測設(shè)備利用原有在線監(jiān)測設(shè)備，分別采集煙道入口和出口煙氣連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。煙氣中SO2、O2含量及溫度等信號均通過硬接點(diǎn)方式接入脫硫控制系統(tǒng)。脫硫控制系統(tǒng)可顯示SO2、O2含量及溫度檢測值，煙氣溫度的初始報(bào)警值設(shè)置為180℃，可根據(jù)脫硫控制系統(tǒng)運(yùn)行情況予以調(diào)整。脫硫控制系統(tǒng)開啟時(shí)，需開啟煙道系統(tǒng)，打開尾排風(fēng)機(jī)，打開煙道進(jìn)口、出口閥門，延時(shí)關(guān)閉旁路閥門，使煙氣進(jìn)入吸收塔。

為控制煙氣溫度，保證設(shè)備及煙道系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了3 個(gè)煙道事故噴淋冷卻水控制閥，噴淋閥開啟的數(shù)量與煙道進(jìn)出口煙氣的溫度聯(lián)鎖。噴淋閥與煙道進(jìn)出口溫度聯(lián)鎖關(guān)系見圖4。

圖4 噴淋閥與煙道進(jìn)出口溫度聯(lián)鎖關(guān)系

煙道系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)煙道進(jìn)口煙氣溫度＜160℃，且至少有一臺循環(huán)泵運(yùn)行，并進(jìn)行10min延時(shí)判斷，關(guān)閉所有煙道事故噴淋冷卻水控制閥。當(dāng)所有循環(huán)泵均未運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)3臺煙道事故噴淋冷卻水控制閥。

（2）吸收塔系統(tǒng)

吸收塔系統(tǒng)是脫硫控制系統(tǒng)的核心組成部分，主要包含吸收塔漿液池注漿控制、吸收塔攪拌器控制、氧化風(fēng)機(jī)控制、循環(huán)泵控制、除霧器控制等。

在吸收塔漿液池注漿前，確認(rèn)吸收塔排空閥門、石膏排出泵入口閥門以及攪拌器沖洗水閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)；確認(rèn)后，先打開石灰石漿液入吸收塔控制閥，再開啟石灰石漿液輸送泵，向吸收塔內(nèi)注漿。注漿過程中需密切關(guān)注吸收塔漿液池的液位指示，當(dāng)漿液池達(dá)到合適液位時(shí)，啟動(dòng)吸收塔內(nèi)攪拌器；氧化風(fēng)機(jī)為“一用一備”，當(dāng)吸收塔漿液池液位＞6m 時(shí)，開啟1 個(gè)氧化風(fēng)機(jī)，當(dāng)氧化風(fēng)管總壓力達(dá)不到要求時(shí)，開啟備用氧化風(fēng)機(jī)；當(dāng)吸收塔漿液池液位達(dá)到7m時(shí)，停止注漿。

吸收塔注漿完畢后，開啟脫硫系統(tǒng)循環(huán)泵，開啟前確認(rèn)入口閥門、出口壓力表閥門、冷卻水閥門、沖洗水閥門均處于開啟狀態(tài)，至少啟動(dòng)2臺漿液循環(huán)泵。根據(jù)具體工況及脫硫效果，調(diào)整啟動(dòng)循環(huán)泵的數(shù)量，同時(shí)監(jiān)控循環(huán)泵的運(yùn)行壓力、電流等。

除霧器的沖洗操作與開啟除霧器前后的壓差與吸收塔的液位相關(guān)聯(lián)。當(dāng)壓差高于報(bào)警值時(shí)，需啟動(dòng)除霧器沖洗；當(dāng)吸收塔液位＜6.3m 時(shí)，可通過縮短沖洗時(shí)間間隔和延長沖洗時(shí)間增大沖洗量。除霧器沖洗操作方式以自動(dòng)為主，手動(dòng)為輔。當(dāng)脫硫塔系統(tǒng)未運(yùn)行時(shí)，除霧器的沖洗程序可以在“手動(dòng)”的方式下進(jìn)行，由操作員在上位機(jī)界面選擇，此時(shí)各個(gè)除霧器的沖洗閥門均可以單獨(dú)控制開啟和關(guān)閉。當(dāng)除霧器滿足投運(yùn)條件后，可執(zhí)行順序控制沖洗程序，通過分層、分區(qū)域，設(shè)定不同的沖洗時(shí)間來完成沖洗工作，在保證沖洗效果的同時(shí)，盡可能控制吸收塔內(nèi)液位不會大幅上漲。在自動(dòng)沖洗過程中，如果除霧器停運(yùn)超時(shí)并發(fā)出警告，控制人員應(yīng)首選手動(dòng)沖洗，防止除霧器堵塞，再檢查自動(dòng)沖洗功能，若沖洗后仍不能消除報(bào)警，應(yīng)進(jìn)一步檢查原因，嚴(yán)重時(shí)需停運(yùn)吸收塔系統(tǒng)，進(jìn)行檢修。

（3）石灰石（窯灰）漿液制備系統(tǒng)

石灰石漿液的制備采用廠內(nèi)窯灰作為原料，通過管道直接輸送至石灰石漿液制備罐中混合使用，石灰石漿液制備系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制漿。制漿時(shí)，首先開啟石灰石漿液制備罐的進(jìn)水電動(dòng)閥，通過工藝水泵向制備罐加水，當(dāng)加水液位達(dá)到0.5m時(shí)，啟動(dòng)漿液制備罐攪拌器；當(dāng)加水液位達(dá)到既定值后，關(guān)閉進(jìn)水閥，停止進(jìn)水，延時(shí)120s 后，開啟螺旋稱重給料機(jī)及石灰石粉倉下卸料閥門，開始制漿。當(dāng)石灰石粉量達(dá)到既定值后，停止添加窯灰，螺旋稱重給料機(jī)停機(jī)，待石灰石漿液混合均勻，完全制備完成后，啟動(dòng)漿液轉(zhuǎn)存泵轉(zhuǎn)存漿液。

（4）石膏脫水系統(tǒng)

石膏脫水系統(tǒng)的運(yùn)行取決于石膏漿液濃度的控制，當(dāng)石膏漿液密度未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，石膏脫水系統(tǒng)處于熱態(tài)備用狀態(tài)，當(dāng)石膏漿液密度達(dá)到設(shè)定值并滿足啟動(dòng)條件后，石膏脫水系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。石膏漿液排出泵和攪拌器均受液位控制系統(tǒng)控制。

當(dāng)石膏漿液固體懸浮物密度＞1 120kg/m3時(shí)，確認(rèn)壓縮空氣正常、石膏漿液管路電動(dòng)蝶閥處于打開狀態(tài)、石膏漿液回流管路電動(dòng)蝶閥處于關(guān)閉狀態(tài)，石膏旋流器水沖洗電動(dòng)閥處于關(guān)閉狀態(tài)后，石膏漿液進(jìn)入石膏旋流器，石膏脫水系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。石膏脫水系統(tǒng)控制流程如圖5所示。

圖5 石膏脫水系統(tǒng)控制流程

（5）事故漿液系統(tǒng)

當(dāng)脫硫系統(tǒng)檢修或長期停運(yùn)時(shí)，可通過石膏漿液排出泵將吸收塔內(nèi)漿液全部注入事故漿液池，排出吸收塔內(nèi)漿液。當(dāng)吸收塔內(nèi)漿液液位下降到石膏漿液排出泵入口管路以下時(shí)，停用石膏漿液排出泵和吸收塔攪拌器，通過吸收塔排空閥將殘液通過排水溝排入集水坑。當(dāng)集水坑達(dá)到一定液位時(shí)，啟動(dòng)集水坑攪拌器，同時(shí)開啟集水坑泵，將吸收塔的殘液沿著集水坑至事故漿液池的管路注入事故漿液池。在吸收塔漿液排入事故漿液池的過程中，密切關(guān)注事故漿液池液位，達(dá)到攪拌器啟動(dòng)值后，通過人工或順序控制程序自動(dòng)啟動(dòng)事故漿液池?cái)嚢杵鳌?/p>

脫硫系統(tǒng)檢修完畢后，打開事故漿液返回泵出口母管控制閥門，導(dǎo)通事故漿液池至吸收塔的漿液輸送管路，啟動(dòng)事故漿液返回泵，將事故漿液池中的漿液重新注入吸收塔，根據(jù)事故漿液池和吸收塔的液位情況，控制漿液返回泵及吸收塔系統(tǒng)的運(yùn)行。

在脫硫系統(tǒng)運(yùn)行過程中，吸收塔內(nèi)漿液的pH值是影響脫硫效率和石膏品質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)之一，當(dāng)吸收塔內(nèi)漿液的pH值在4～6時(shí)，CaCO3溶解速率呈線性增加，pH 值為6 時(shí)的CaCO3溶解速率是pH 值為4 時(shí)的5～10 倍。因此，為了提高SO2的俘獲率，吸收塔內(nèi)漿液應(yīng)盡可能地保持在較高的pH值。然而，高pH值會增加石灰石的消耗量，漿液中的殘余石灰石也會增加，影響石膏的品質(zhì)。因此，將脫硫系統(tǒng)吸收塔漿液的pH 值穩(wěn)定在合適的值至關(guān)重要。為控制吸收塔內(nèi)漿液的pH 值，我們設(shè)置了多重控制回路閉環(huán)控制漿液的pH 值，實(shí)現(xiàn)了石灰石漿液輸入和輸出的自動(dòng)控制，使吸收塔內(nèi)漿液pH值、石灰石與石膏的比例控制在合理范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

本文以某水泥公司生產(chǎn)線為例，介紹了西門子DCS 系統(tǒng)在水泥窯脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用。脫硫系統(tǒng)中各子系統(tǒng)，如工藝水、事故噴淋、除霧器、漿液制備與供給、石膏脫水及事故漿液等，均可根據(jù)工藝控制要求，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制運(yùn)行。該生產(chǎn)線脫硫控制系統(tǒng)自投運(yùn)以來，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，SO2排放濃度穩(wěn)定，均值＜15mg/Nm3，達(dá)到了國家A級排放限值標(biāo)準(zhǔn)。