基于DCS的FGD脫硫效率控制方案設計與應用

柳永剛，馬瑞

（1.河北省石油化工設計院有限公司，石家莊050061；2.河北省電力研究院，石家莊050021）

中國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，煤炭在國內的能源結構仍占很大比例。隨著經濟的發展，在能源消費中帶來的環境污染也越來越嚴重。燃煤煙氣所含的煙塵、氮氧化物、SO2等有害物質是造成大氣污染、酸雨和溫室效應的主要根源。因此，對燃煤煙氣進行脫硫是刻不容緩的任務。

1 工藝概述

石灰石（CaCO3）－石膏（CaSO4·2H2O）濕法脫硫工藝采用價廉易得的CaCO3作脫硫吸收劑，CaCO3經破碎磨細成粉狀與水混合攪拌制成吸收劑漿。在吸收塔內，吸收劑漿液與煙氣接觸混合，煙氣中的SO2與漿液中的Ca（HSO3）2以及氧化風機吹入的氧化空氣進行化學反應，最終反應產物為CaSO4·2H2O。脫硫后的煙氣經過除霧器除去隨其帶出的細小液滴，然后排入煙囪。脫硫石膏漿液經脫水裝置脫水后回收。由于吸收劑漿的循環利用，脫硫吸收劑的利用率很高。該工藝適用于任何含硫量煤種的煙氣脫硫，脫硫效率可達95%以上。

濕法煙氣脫硫裝置（FGD）內反應原理如圖1所示［1］：用于去除SO2和SO3的漿液收集在吸收塔漿池內。吸收塔漿池分為氧化區和結晶區，在塔上部氧化區內，氧化空氣通過一個分配系統吹入，在pH值為4～5的漿液中生成石膏；在結晶區，石膏晶種逐漸增大，并生成為易于脫水的較大的晶體，新的石灰石漿液也被加入這個區域。

圖1 FGD內反應原理

1.1 化學反應過程

石灰石的溶解：

與SO2反應：

氧化反應：

石膏生成：

去除SO2總反應方程式：

1.2 rCa／r（S＋N）的定義及脫硫效率的計算方法

對于煙氣脫硫，定義rCa／r（S＋N）是衡量吸收劑脫除SO2時的利用率，其計算公式為

固體顆粒物質量濃度和鈣硫摩爾數比對脫硫的影響結果如圖2所示（實驗條件：煙氣溫度為55℃；SO2質量濃度為2.46kg／m3；煙氣濕度為6%；煙氣體積流量為60m3／h）。

結果表明固體顆粒物質量濃度逐漸增大，脫硫效率也隨著增高。顆粒之間的碰撞使得吸收劑表面的反應產物不斷地磨損剝落，新的石灰及添加劑表面連續暴露在煙氣中，初始狀態下脫硫效率會隨rCa／r（S＋N）增加而增高，但到一定水平，將不再變化（rCa／r（S＋N）≈1.03）。

圖2 顆粒物質量濃度和鈣硫摩爾數比對脫硫效率的影響

脫硫效率定義為進出反應器的煙氣中SO2質量濃度差與反應器進口煙氣中SO2質量濃度之比：

式中：ES——脫硫效率，%；ρSO2in——反應器進口SO2質量濃度，kg／m3；ρSO2out——反應器出口SO2質量濃度，kg／m3。

2 控制方案的選擇

2.1 主控制回路

石灰石漿液閉環控制回路按照脫硫塔入口的SO2質量控制脫硫塔的漿液供應量。進入脫硫塔的SO2質量乘以SO2脫除系數K0以及ES后，再乘以副控制回路輸出值——脫硫塔內漿液pH值調節回路的輸出值（一定范圍），得到脫硫塔所需的CaCO3質量，即主調節回路的設定點。比較實際需要CaCO3的質量與實際加入CaCO3的質量，如果實際需要CaCO3的質量大于實際加入CaCO3的質量，則開大閥門；如果實際需要CaCO3的質量小于實際加入CaCO3的質量，則關小閥門。同時pH值可以校核調整CaCO3的加入質量，系數K0可由操作員進行設定（注：K0一般在首次調試后設置為固定值，一般不改變，除非是改變了鍋爐的燃煤煤種或改變了脫硫劑的品質）。

2.2 副控制回路

如主控回路所述，脫硫塔漿液的pH值閉環控制回路——副控制回路，可以影響一定范圍內的漿液供應量。比較測量pH值（吸收塔系統共安裝2臺pH計，測量pH值取2臺pH測量值的平均值）和吸收塔設定pH值（pH值由操作人員設定與調整，初始參考值為5.5，列在5.4～5.6內調節）。如果測量pH值小于設定pH值，則適當加大調節閥流量，即實際需要CaCO3的質量應適當加大；如果測量pH值大于設定pH值，則適當減小調節閥流量，即實際需要CaCO3的質量應適當減小。

2.3 小流量控制

由于漿液管道具有防沉淀、防堵塞的特點，石灰石漿液管線的介質需要一個最低流速；當進入脫硫塔的SO2質量小于一定值時，所需的石灰石管道的流速也將小于最低要求流速。

為了不出現上述情況，在小流量的情況下不采用前面所述的控制回路而是采用簡單的兩位控制，即：

a）當脫硫塔的pH值大于pH值設定點加上0.1時，將完全停止供漿，漿液供應量調節器設為手動，閥門全關并且對供漿管線進行沖洗。

b）當脫硫塔的pH值小于pH值設定點減去0.1時，將按照一個手動設置的最小流量設定值進行供漿，漿液供應量調節器設為自動。

3 控制系統結構及控制效果

FGD－DCS采用新華TiSNet－P600＋系統，此系統包括控制柜、端子柜、通信網絡、歷史站、OPC站、操作員站、工程師站以及打印機等設備，如圖3所示，控制器1∶1冗余設置確保系統在關鍵控制場合使用的可靠性。系統以其高可靠性的硬件設計和內嵌專業化的控制算法，開放式的結構，冗余的以太網通信網絡，構成一個面向整個生產過程的過程控制系統［3］。FGD－DCS包括數據采集（DAS）、模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）等控制功能，以滿足各種運行工況的要求，確保FGD裝置安全、高效運行。運行人員在控制室通過FGDDCS的操作員站實現對脫硫吸收系統全廠脫硫公用部分進行啟動控制、正常運行的監視和調整，停機及事故工況的處理，無需現場人員的操作配合［4］。

圖3 FGD－DCS配置示意

FGD－DCS是一套各項控制功能完善的軟硬件一體化控制系統，該系統在鍋爐總的最低負荷（30%BMCR，其中BMCR為鍋爐最大連續蒸發量，即在滿足蒸汽參數、爐膛安全情況下的鍋爐最大出力）到鍋爐滿負荷（100%BMCR）范圍內的脫硫效率－時間調整曲線如圖4所示。

圖4 不同負荷時脫硫效率－時間調整曲線

從圖4中可以看出在鍋爐負荷等于100% BMCR，負荷不小于50%BMCR，負荷小于50% BMCR三種工況下，FGD均能夠處于穩定的運行狀態，并達到了脫硫效率不小于95%的設計要求。

4 結束語

基于DCS的煙氣脫硫自動控制系統是一個復雜系統，系統中任何一個儀表設備的失靈或誤動作都將會影響調節質量與脫硫效率，甚至會危及發電主機的安全運行，引起不可預見的巨大損失。在該系統中采用雙閉環串級控制，經過不斷地調試和診斷，并通過長時間運行測試，在發電主機負荷波動時，FGD能夠處于穩定的運行狀態，并達到SO2脫除效率的設計要求。

［1］ 楊敏.LurgiLentjesBischoff大氣污染控制及環境保護技術介紹［C］／／中國二氧化硫污染治理技術國際會議大會發言匯編.1999：22－24.

［2］ 胡壽松.自動控制原理［M］.5版.北京：科學出版社，2007.

［3］ 國家發展和改革委員會.DL／T 5227—2005火力發電廠輔助系統（車間）熱工自動化設計技術規定［S］.北京：中國電力出版社，2005.

［4］ 國家發展和改革委員會.DL／T 5196—2004火力發電廠煙氣脫硫設計技術規程［S］.北京：中國電力出版社，2004.

［5］ 國家發展和改革委員會.DL／T 744—2001火力發電廠分散控制系統運行檢修導則［S］.北京：中國電力出版社，2001.

［6］ 國家發展和改革委員會.DL 5000—2000火力發電廠設計技術規定［S］.北京：中國電力出版社，2000.

［7］ 吳勤勤，王士杰.控制儀表及裝置［M］.3版.北京：化學工業出版社，2007.

［8］ 侯志林.過程控制與自動化儀表［M］.2版.北京：機械工業出版社，2011.

［9］ 邱宣振，賀大運，姜國平.工程自動化設計應用手冊［M］.國際科教文出版社，2004.

［10］ 王樹清，樂嘉謙.自動化與儀表工程師手冊［M］.北京：化學工業出版社，2010.