DCS在2×660MW機組脫硫控制系統中的應用與分析

王 楠 贠衛國 王 冰

(1. 西安建筑科技大學信息與控制工程學院，西安 710055；2. 國電寶雞第二發電有限責任公司，陜西 寶雞 721000)

統計數據表明，我國是世界上最大的煤炭生產和消費國，我國排放的SO2約90%來自于燃煤，火山噴發及燃油等過程排放的SO2只占10%左右。因此，控制燃煤電廠SO2的排放總量是抑制我國酸雨污染的關鍵[1]。煙氣脫硫技術分為燃燒前控制、燃燒中控制和燃燒后控制技術，其中應用最為廣泛的是燃燒后控制技術中的石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術[2]。

國電寶雞第二發電有限責任公司二期5#、6#機組建設兩臺660MW燃煤機組，采用海勒式間接空冷系統。煙氣脫硫裝置采用石灰石-石膏濕法(FGD)脫硫工藝，脫硫裝置采用單元制，一爐一塔。按鍋爐BMCR工況全煙氣脫硫，脫硫系統設計的含硫量按照1.2%進行，保證含硫量為1.2%時脫硫效率不小于95%，脫硫系統可用率不小于95%。

2×660MW機組脫硫系統主要由煙氣系統、吸收塔系統、石灰石漿液制備系統、石膏漿液脫水系統、工藝水、工業水、閉式循環冷卻水系統、儀用壓縮空氣系統、廢水處理系統、事故漿液排放系統、電氣系統和控制系統組成。

煙氣脫硫流程是從鍋爐送來的熱煙氣進入煙氣換熱器與脫硫塔出口冷煙氣進行熱交換后進入吸收塔。煙氣在塔內上升過程中與脫硫循環液霧化而成的液滴和在塔板上鼓泡而成的液膜相接觸，進行煙氣、泡沫、霧粒、石灰的氣、液、固三相之間的碰撞、接觸和交換混合，激烈地進行傳質、吸收、傳熱過程[3]。主要化學反應有：

吸收反應 2SO2+ H2O + CaCO3→Ca(HSO3)2+ CO2

氧化反應 Ca(HSO3)2+ O2+ CaCO3+ 3H2O→2CaSO4·2H2O + CO2

2 FGD-DCS配置

2.1 FGD-DCS系統架構

如圖1所示，脫硫控制系統采用國電智深EDPF-NT Plus系統，每臺爐配置1套脫硫分散控制系統，分別接入機組單元DCS控制系統網絡，完成脫硫設備和電氣設備的監視與控制。同時設置脫硫控制系統公用DCS控制系統，接入機組公用DCS控制系統網絡。機組脫硫系統的過程控制單元分別與脫硫公用系統過程控制單元進行通信，單元機組脫硫系統和脫硫公用系統分別采用獨立的控制器和I/O模件，并安置在獨立的機柜內，其硬件和電源配置相互獨立。另外，脫硫控制系統的監控范圍包括脫硫島內所有控制系統，并按工藝要求劃分為：主系統(含煙道區域、煙氣吸收區域、石膏漿液排放區域及排空區域等)、公用系統(石灰石漿液制備區域、石膏脫水區域、事故漿液區域、工藝水區域及廢水處理系統等)、電氣系統(煙氣檢測、成分分析)。

圖1 FGD-DCS網絡配置圖

每套脫硫系統配置兩臺操作員站，布置在主廠房集控室，通過一對交換機與放置在脫硫電控樓的脫硫系統主交換機相連；配置兩臺工程師站，工程師站主要完成系統組態，生成系統數據庫、監視操作圖形、控制算法及報表等，同時具有對過程控制站控制應用軟件的下載及上裝等功能，其中一臺工程師站同時兼做歷史站，對系統數據進行實時收集管理，包括報警、日志、SOE及事故追憶等事件的捕捉和記錄，模擬量參數和二次參數歷史趨勢收集記錄。

2.2 過程控制站及I/O的分配

脫硫分散控制系統配置5套過程控制站(DPU)。過程控制站用于對現場過程信號進行數據采集和處理，并按照組態的控制策略進行控制運算，輸出控制信號實現對現場設備和過程的控制。過程控制站由冗余主備控制器、智能I/O模件、電源、現場I/O總線及控制機柜等部分組成。I/O分配見表1。

表1 I/O分配表

3 FGD-DCS的功能

FGD-DCS系統基本功能為DAS、SCS、MCS，并保留必要的與單元機組控制系統DCS間的信號聯系。各功能相互作用完成對煙氣系統、吸收塔系統、石灰石漿液制備系統、石膏漿液脫水系統、工藝水、工業水及閉式循環冷卻水系統等的統一監視、控制、報警、聯鎖保護以及FGD效率、性能的計算等。

3.1 DAS

DAS將連續采集和處理所有與工藝系統有關的熱力過程信號和設備狀態信號，及時向操作人員提供運行信息，實現系統安全經濟運行，一旦發生任何異常工況能及時報警。其包含的功能有：數據采集及人機界面，報警、事故分辨和事故追憶，報表打印歷史數據。

3.2 SCS

SCS完成脫硫系統和輔助系統中各類輔機的啟停順序控制，設置必要的程序斷點，并且有完備的操作指導，以幫助運行人員快速、準確地處理系統啟停和運行過程中出現的各種情況[4]。

現以除霧器沖洗順控為例進行說明。5#機組吸收塔內共設除霧器沖洗門48個，一級上游、一級下游、二級上游和二級下游各12個。為實現良好的霧化效果，需常清洗除霧器以防堵塞，所以這些閥要周期性依次開啟[4]。其中除霧器沖洗總順控步序的邏輯實現如圖2所示。

圖2 除霧器沖洗子組啟動步序——啟動各個沖洗子組

3.3 MCS

將脫硫島作為一個整體進行控制，確保系統快速、穩定地滿足工況的變化，并保持穩定的運行。控制的基本策略是快速地響應代表負荷或能量指令的前饋信號，并通過閉環反饋控制和其他先進策略對該信號進行靜態精確度和動態補償的調整。

基本閉環控制回路為：吸收塔漿液pH值控制、吸收塔液位自動控制、真空皮帶濾餅厚度控制、工藝水泵出口壓力控制。

在石灰石-石膏濕法脫硫過程中,吸收塔漿液pH值是影響脫硫效率和副產物(石膏)品質的關鍵因素。經過大量實踐研究得知[5，6]：漿液pH值應維持在5.0～5.8范圍內，在其他參數基本不變的情況下，提高pH值可在一定程度上提高脫硫效率，但會導致石膏品質下降；相反，pH值降低則會抑制SO2的吸收。所以，研究pH值的測量和控制具有十分重要的意義。

3.3.1現有漿液pH值控制

吸收塔漿液pH值的控制是通過調節流入吸收塔內石灰漿液的流量(即石灰石供漿調節閥開度的調節)來實現的，5#機組吸收塔漿液pH值控制系統SAMA圖如圖3所示。

現階段，有兩種控制漿液pH值的方法被廣泛使用，即單回路前饋-反饋控制法和串級前饋-反饋法[7]。

單回路前饋-反饋控制系統如圖4a所示，調節器是根據被控對象相較于原設定值的偏差來進行工作的，測量信號是漿液pH值，控制動作發生在出現偏差以后。控制作用影響被調量，被調量又會反過來影響輸入，從而產生控制作用。再加上前饋部分進行提前粗調，使控制作用一開始就能大致抵消干擾的影響，最終達到調節塔內漿液pH值的目的。串級前饋-反饋控制系統如圖4b所示，有兩個閉環回路，由兩個調節器(主、副調節器)串接工作，主調節器的輸出作為副調節器的給定值，副調節器的輸出則操縱調節機構實現參數的調節。即漿液的pH值經傳感器測定后與原設定值進行比較，偏差e1經主調節器后，輸出作為給定值，再與石灰石漿液流量值比較，計算出偏差e2后輸入副調節器，副調節器輸出與前饋信號(SO2濃度及煙氣負荷等)經運算后，進而控制石灰石漿液管線調節閥開度，從而調節吸收塔漿液pH值。

圖3 5#機組吸收塔漿液pH值控制系統SAMA圖

a. 單回路前饋-反饋控制

b. 串級前饋-反饋控制

3.3.2存在的問題和改進方案

因為塔內漿液池體積較大，漿液pH值的變化較慢，所以單回路前饋-反饋的控制對象的響應滯后性和慣性非常嚴重。并且由于pH值的反饋響應是關鍵因素，因此即使調整反饋控制器的參數也難以改善控制對象的品質。對于串級前饋-反饋控制系統，雖然能夠較好地適應石灰石漿液側的擾動，響應也很快速，但其克服外部擾動的能力依然較差。針對以上不足，筆者提出一種優化方案，要求對內部和外部擾動均具有較好的響應特性。所以嘗試將內部擾動偏差和外部煙氣擾動偏差都納入主副控制器的輸入，并且優化主控制器參數，進而改善控制品質。優化后的漿液pH值控制策略基本結構如圖5所示。

圖5 優化后的漿液pH值控制框圖

G2(x)計算式如下[7]：

G2(x)=(GpH(x)-60)×0.04+QL

(1)

(2)

式中G2(x)——副調節器輸入給定值，m3/h；

GpH(x)——pH主調節器輸出值，m3/h；

Q1——FGD入口煙氣量，m3/h；

QL——石灰石漿液流量，m3/h；

s1——鈣硫比，取值為1.03；

s2——石灰石含量，取值為0.97；

s3——石灰石漿液含固量，取值為0.18～0.23；

[SO2]in——SO2煙氣流入時間；

ρ——石灰石漿液密度，取值為1 080～1 130kg/m3。

對優化后的控制系統用MATLAB進行大量仿真研究，且在各自都整定到最佳的情況下，吸收塔pH值的響應曲線如圖6所示。

圖6 pH值響應曲線

從圖6可以看出，優化后系統克服了對外部擾動響應差的缺點，控制質量有了很大提高。

4 結束語

筆者以國電寶雞第二發電有限責任公司2×660MW脫硫工程項目為背景，應用EDPF-NT Plus DCS系統實現整個脫硫系統的自動控制。優化后的FGD-DCS已正式投入運行，實踐證明，該系統設計合理，操作人員可以方便地控制、修改各項參數，操作簡單，降低了操作員的工作量，確保系統安全穩定高效的運行。

[1] 中國環境保護產業協會脫硫脫硝委員會.我國脫硫脫硝行業2012年發展綜述[J].中國環保產業，2013，(7)：8～20.

[2] 王淇，趙霞.DCS系統在火電廠煙氣脫硫控制系統的實現[J]. 自動化與儀表，2008，23(2)：36～39.

[3] 吳安.工業鍋爐煙氣濕法脫硫使用技術設計[M].北京：機械工業出版社，2013：30.

[4] 董玉強，白焰.DCS在某電廠脫硫系統的應用[J].化工自動化及儀表，2012，39(12)：1561～1566.

[5] 劉向東.模糊PID在濕法脫硫pH控制中的應用[J].電力環境保護，2009，24(3)：15～18．

[6] Jerzy W.Optimum Values of Process Parameters of the Wet Limestone Flue Gas Desulphurization System[J].Chemical Engineering Technology，2002，25(4)：427～432.

[7] 李駿，沈凱，周長城，等.煙氣脫硫吸收塔pH值控制策略優化研究[J].環境科學與技術，2012，35(4)：43～46.