濕法煙氣脫硫控制系統方案研究

張春燕

（華北電力大學 北京 102206）

隨著國家越來越嚴格的環保減排規定以及環保核查要求，脫硫設施數據監測的準確與否和脫硫設備控制的穩定與否，決定著環境質量管理和總量控制。作為監測和控制手段的煙氣脫硫控制系統，是整個脫硫系統的一個重要組成部分[1]，控制系統的選型和設計的成功，既能保證脫硫系統的正常工作和異常工況的系統安全，又能與單元機組控制系統相協調，從而保證鍋爐及機組的安全運行。因此，脫硫控制系統方案的研究和設計，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和工藝的基礎上，以北京高井熱電廠脫硫改造工程為實例，詳細探討了濕法脫硫控制系統的方案設計。

1 濕法脫硫技術概述

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術具有脫硫效率高、技術成熟、運行可靠性好、吸收劑資源豐富等優點，是世界上實用業績最多的煙氣脫硫技術[2]。在我國，濕法煙氣脫硫已占98%以上。該技術原理是：以石灰石漿液作為脫硫劑，煙氣由原煙氣通道進入吸收塔內向上流動，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，與吸收塔內二氧化硫反應，生成副產品石膏，從而達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保工程公司承建、Marsulex環保技術公司提供技術支持。該項目包括3套煙氣脫硫系統，1號脫硫系統處理1～4號鍋爐的煙氣，2號脫硫系統處理5～6號鍋爐的煙氣，3號脫硫系統處理7～8號鍋爐的煙氣。3套脫硫系統各包括1臺增壓風機、1臺GGH、1座吸收塔、2臺氧化風機及3臺漿液循環泵。3套脫硫系統公用1套石灰石制漿系統、1套石膏脫水系統、1套事故漿液罐和1套廢水處理系統。

2 控制方案的設計和研究

2.1 控制方式設計

采用集中控制方式，設置了2套分散控制系統，分別監控1、2、3號脫硫設備和公用系統。運行人員在脫硫控制室內通過DCS進行監視和操作，實現脫硫系統啟/停、正常運行的監視和調整以及異常與事故工況的處理。

2.2 控制系統硬件配置

控制系統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，以實現數據采集和處理（DAS）、開關量順序控制（SCS）以及模擬量控制（MCS）等功能。

DCS控制系統配置了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和工程師站打印機共2臺。整個DCS系統按照CPU冗余、通訊冗余、電源冗余進行配置。脫硫DCS與鍋爐主機DCS系統的信號連接通過硬接線方式連接。DCS電源系統由一臺專用UPS和APS兩路供電，以確保系統的安全運行。

2.3 I/O清單設計

濕法脫硫系統I/O點較多，高井熱電廠脫硫系統I/O點具體分配情況如表1所示。

表1 I/O點分配Tab.1 I/O Point distribution

2.4 自動調節系統設計

濕法脫硫自動調節系統主要包括增壓風機入口壓力控制、石灰石給料量控制、石膏濾餅厚度控制、球磨機給水量控制、工藝水箱液位控制等。

2.4.1 增壓風機入口壓力控制

增壓風機位于鍋爐引風機后，根據上游設備的運行工況控制其壓力。增壓風機入口壓力調節控制系統采用單回路PID調節，測量值為增壓風機入口壓力，量程范圍-500～500 Pa，調節器設定值為-200 Pa左右。2、3號脫硫系統增壓風機動葉角度變化范圍為25～67°，1號脫硫系統增壓風機動葉角度變化范圍-40～15°。

當調節回路投入自動模式時，調節器根據實際壓力變化自動調節增壓風機動葉角度，從而保證主機鍋爐爐膛負壓，完成良好的調節功能。當設定值與測量值偏差超過設定偏差值，或增壓風機入口壓力1、2壓力差超過設定壓差，或增壓風機入口壓力1、2測量通道故障時，自動調節回路自動切換為手動模式，并且調節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采用單回路PID調節。測得的原煙氣流量、原煙氣SO2濃度和化學計量比計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定值。測量值為石灰石給料量，量程范圍0～10噸/小時，經送至主控器的漿液密度修正后作為實際量，并與設定值比較，通過偏差量來控制調節閥的開度。

根據計算出的漿液總流量和測得的密度 （固體成份）來計算加入到吸收塔中的固態石灰石量。再循環吸收塔漿液的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。

設定值具有內給定和外給定兩種選擇，當選擇內給定方式時，由操作員根據工藝運行需要設定給料量。當選擇外給定方式時，給料量設定值根據石灰石漿液濃度變化按照設定的函數曲線而變化。調節回路輸出控制稱重給料機變頻器從而自動改變給料量。

石灰石給料量與濃度變化關系如下：

x——操作員設定的濃度（%），合格的濃度范圍50～61%，設定值為55%

y——給料量（t/h）

G——稱重給料機的最大安全輸送量t/h，可設定，高井脫硫系統設為10（t/h）

當 x＜55，則 y=G。

當 x＞ 61；則 y=0

注：當濃度設定值改變時，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采用單回路PID調節，測量值為石膏厚度，測量范圍0～50 mm。石膏厚度設定值一般為25 mm，也可根據實際運行需要在0～50 mm范圍內設定。調節回路輸出控制帶速變頻器，變頻器變化范圍0～50 Hz。當調節回路投入自動模式時，調節回路根據石膏厚度變化自動調節皮帶速度，從而維持恒定的石膏厚度，保證了皮帶脫水系統真空泵穩定運行。

2.4.4 球磨機給水量控制系統

球磨機給水量控制系統采用單回路PID調節，測量值為漿液循環箱液位，測量范圍為0～1.383 m，正常運行時設定值為1.0 m。調節回路輸出控制給水閥門，當調節回路投入自動方式時，完成自動調節以維持漿液循環箱穩定的液位，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

為了既保證整個脫硫系統工藝水供應，又能保證上游供水穩定。工藝水箱液位控制系統采用單回路PID調節，測量值為工藝水箱液位。正常運行時設定值為5.0 m。當調節回路投入自動方式時，完成自動調節以維持工藝水箱穩定的液位。

2.5 順序控制系統（SCS）設計

SCS系統完成對脫硫系統轉動設備的啟停控制、電動門的控制以及聯鎖保護功能[4]。 順控系統的合理設計可以大大減輕運行人員的勞動強度，減少運行人員的誤操作[5]。

SCS主要采用3種基本控制方式[6]：

1）驅動級控制，負責對脫硫系統某個設備如電動門、電磁閥、電動機和電動執行機構等設備進行單獨的啟停或開關；

2）子組級控制，以一個輔機為主及相關設備的啟停提供子組級控制；

3）功能組級控制，整個脫硫系統啟停的自動控制并對子組發出控制命令。

下面首先對脫硫系統重要設備增壓風機的聯鎖保護條件進行設計，接著對脫硫系統的順序控制功能進行詳細介紹，并舉例說明。

2.5.1 增壓風機聯鎖保護條件的設計

1）增壓風機允許啟動條件

啟動增壓風機時，應同時滿足如下條件：

①出口擋板打開位置；

②增壓風機潤滑油流量不低；

③增壓風機油泵A運行或油泵B運行；

④增壓風機電機潤滑油泵A運行或油泵B運行；

⑤增壓風機軸承1-6號溫度低于85℃；

⑥電機非驅動端軸承溫度低于70℃；

⑦電機驅動端軸承溫度低于70℃；

⑧增壓風機軸承X方向振動低于6.3；

⑨增壓風機軸承Y方向振動低于6.3；

⑩增壓風機風機潤滑油壓力正常；

(11)增壓風機電機潤滑油壓力不低；

(12) 增壓風機動葉開度最小；

(13)增壓風機軸后密封冷卻風機1、2任一運行與增壓風機軸后密封冷卻風機3、4任一運行；

(14)循環泵A、B、C至少兩臺泵運行；

(15)電氣開關啟動條件具備。

2）增壓風機保護跳閘條件

當出現以下任一情況時，增壓風機保護跳閘：

①增壓風機軸承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電機驅動端軸承溫度高高跳閘，定值為80℃；

⑥電機非驅動端軸承溫度高高跳閘，定值為80℃；

⑦增壓風機軸承X方向振動高高跳閘；

⑧增壓風機軸承Y方向振動高高跳閘；

⑨增壓風機風機潤滑油壓力低延時900 s；

⑩增壓風機電機潤滑油壓力低延時900 s。

2.5.2 重要順控設計

高井熱電廠脫硫系統設計了除霧器沖洗、漿液循環泵沖洗、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、石灰石卸料系統啟/停、漿液循環箱排出泵自動沖洗等順控共計52項。下面就GGH空氣吹掃順控步序進行舉例說明。

GGH空氣吹掃順控：

1）PLC控制吹槍前進至開始位置，由編碼器判斷；

2）PLC打開氣動閥門；

3）PLC確認閥門在開位置；

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

5）PLC確認空氣壓力符合要求，吹槍停留一圈（40秒）；

6）PLC控制吹槍步進75 mm并停留40秒；直至到達“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關閉氣動閥門；

9）PLC確認氣動閥門在關閉位置；

10）PLC控制吹槍停留5 min，防止凝露；

11）PLC控制吹槍連續回退，直到達到“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”，由限位開關判斷；

14）空氣吹灰流程結束。

2.6 重要儀表的選型和設計

2.6.1 密度計

密度計最初選用德國E+H公司產品，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系列質量流量計，廠家為北京科力博奧儀表技術有限公司。密度測量采用2選1測量，互為備用，由運行人員在DCS畫面切換選擇。

2.6.2 PH計

PH計采用美國ABB公司產品，型號為TB557。PH計設計為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，分別在PH=4和PH=7處進行兩點校驗。

2.6.3 液位計

脫硫系統中的溢流箱、脫水給料箱、濾液箱、石灰石給料箱、區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。其中事故漿液罐液位測量超聲波液位計供電電源為220 VAC，4～20 mA輸出。其它超聲波液位計為 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公司制造的導波雷達式料位測量，220 VAC供電，4～20 mA輸出。

3 結束語

以上控制方案的設計已經在高井熱電廠脫硫[7]項目上得以實施應用，所有模擬量調節系統、設備順控以及連鎖保護全部實現了自動控制，并且取得了良好的效果。

實踐證明，一套考慮周全、設計合理的自動控制系統會為設備的運行帶來很大的便利，使得運行人員能方便地監視各設備參數，控制就地各設備，確保了系統穩定運行，提高了工作效率。另外，脫硫效率滿足國家和北京市排放標準，取得了明顯的經濟效益和社會效益。

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