DCS在火力發電廠脫硫系統中的應用分析

摘要：隨著經濟的發展和科技的進步，DCS的應用范圍日益廣泛。火力發電廠通過燃煤進行發電，在這一過程中會產生大量的二氧化硫等有害氣體，如果不加以處理就進行排放將對大氣造成嚴重的污染，誘發酸雨等自然災害。文章對DCS在火力發電廠脫硫系統實際應用中的相關問題進行了探討。

關鍵詞：DCS控制；火力發電廠；煙氣脫硫系統；二氧化硫；發電效率 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2016）35-0113-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.055

DCS即分散控制系統，與傳統的控制系統相比其可靠性更高，運行更為穩定，操作也更為簡便。近些年來DCS技術不斷進步，硬件設備和軟件系統的成本也有所降低，進一步促進了其市場占有率的擴大。我國的一些火力發電廠已經引進了DCS脫硫控制系統，系統運行的穩定性得到了有效的提升，排放氣體的各項參數均已達標，憑借其良好的性能和實踐表現，DCS在我國電力領域擁有廣闊的發展前景。

1 火電廠脫硫技術概述

火力發電在我國現階段的電力行業中仍然占據主要的地位，如何在保證發電效率的前提下提高其對環境的利好性也是業內的研究重點。煙氣脫硫是世界范圍內應用最廣的火電廠廢氣脫硫處理方式，其中又以石灰石-石膏濕法脫硫技術最為常見。與其他煙氣脫硫技術相比，石灰石-石膏濕法脫硫所需要的材料較為容易獲得，脫硫的成本更低，有利于保證火電廠的經濟效益。此外，由于該技術目前的發展和應用已經較為成熟，因而系統運行較為穩定，脫硫的效果也可以得到保證，而且實現了廢棄物零排放。脫硫過程中所產生的副產品還可以作為建筑材料，有利于火力發電廠綜合效益的提升。

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫的環保性和技術成熟程度已經得到了國內外眾多權威部門和學術專家的認可。結合我國實際的經濟發展狀況以及電力行業發展情形來看，石灰石-石膏脫硫技術無疑是比較合理的火電廠脫硫技術選擇。目前，我國脫硫技術的自主能力還有待提升，近些年來，從發達國家引進了大量的硬件設備，并對國外先進的火電廠脫硫系統設計思想和理念進行了借鑒。在現代化電力生產過程中，自動化控制系統的應用范圍愈加廣泛，DCS和PLC作為兩大主流控制系統，在火力發電廠石灰石-石膏脫硫自動化控制系統中均有所應用且各有優勢，本文主要針對脫硫分散控制系統DCS進行了較為深入的研究。

2 主流脫硫控制系統對比

2.1 PLC控制系統

即可編程控制器控制系統，近些年來PLC技術發展迅速，憑借其強大的數字邏輯運算能力和程序存儲控制能力可以對多種類型的生產過程進行自動化的控制，也正是因為如此其應用范圍十分廣泛。為了適應市場的需求和工業的發展，PLC的處理速度必須要加快，因而未來的數據存儲容量將更大，此外為了提高其適應性，超大型或者超小型的PLC也將出現。目前PLC的可靠性還有待加強，編程語言也較為單一，對不同控制系統的適應性還存在進步的空間，這些問題的解決也將是PLC重要的發展趨勢。

2.2 DCS控制系統

控制功能的分散和現實操作的集中是分散控制系統的基本含義。DCS最初是為了對控制系統中的回路進行計算而產生的，然而隨著生產復雜化的提高，傳統儀表控制無法適應社會經濟發展的需求，此時DCS得到了進一步的發展以模擬反饋量為主，模擬開關量和開關量順序控制為輔的新型DCS產品出現，模擬量控制作為DCS技術的核心也是其在自動化控制系統競爭中的主要優勢所在。我國的DCS自主研發目前也已經進入管控一體化的新階段，且朝著開放化、智能化、綜合化的計算機集成生產控制發展。

2.3 其他控制系統

隨著工業生產的進步和發展，近些年來還涌現出了一些新興的系統控制技術。FCS即現場總線控制系統，總線協議不同其對應的控制系統也不同，總線標準是FCS的核心技術，現場智能化是FCS系統運行的基礎，與傳統控制系統相比，現場總線控制系統的可靠性和信息集成能力都得到了提升，且更加易于維護，應用成本也更低。PCBCS控制系統的出現時間更晚，該系統通過對計算機的加固實現了控制系統的軟件和硬件充分結合，該系統兼具控制實施、操作顯示和通信的功能，集合了PLC和DCS系統的優點，將操作集中在計算機平臺上，擺脫了信號電纜的束縛，PCBCS系統的開放性也是傳統控制系統發展的主要方向。

3 DCS在煙氣脫硫系統中的實際應用

3.1 DCS總體控制方案

一套完整的火電廠脫硫控制系統一般來說主要包括DCS、就地控制裝置和輔助自控設備三部分。其中DCS主要負責的是對煙氣脫硫過程的監視和控制，其中工程師站、控制器以及冗余信息數據處理裝置等是常見的DCS最為主要的構成部分。和利時DCS是火電廠脫硫應用十分廣泛的DCS產品，它具備了分散控制系統高效率和高穩定性的特點，過程I/O數據層、過程數據管理層、過程控制數據層和企業數據管理層是該系統網絡構成的四大層次。DCS在火電廠脫硫應用中除了需要對脫硫系統本身進行控制外，還承擔漿液制備系統的公用控制職責，因而DCS一般需要配備兩對CPU以保證工作效率及穩定，DCS的應用實現了實際脫硫的無人化操作，工作人員可以在控制室直接通過DCS系統對脫硫裝置進行啟動或者關閉，還可以對脫硫過程進行監視以及時發現故障。

3.2 數據采集和處理系統（DAS）

DAS是DCS系統中極為重要的組成部分，承擔著對脫硫設備以及材料的各項信息數據的采集和處理的功能。對火電廠在進行煙氣脫硫工作時，所有相關設備以及工藝流程執行中的狀態信號和數據變量信號進行采集，DAS將這些數據信息處理轉化為人們常見的數據類型后，再反映在控制系統的界面上，相關工作人員可以根據這些實時數據信息實現對脫硫設備的監視以及對脫硫過程的監視，有利于確保火電廠脫硫運行的穩定性。信息數據的輸入輸出、數據轉化、信息變量圖形化顯示、設備故障報警、設備運行狀態監控及記錄、信息檢索、信息數據打印輸出等都是DAS較為常用的功能。

3.3 順序控制系統（SCS）

SCS可以對脫硫相關設備的按照既定的順序和相關標準進行啟動、關閉、暫停等基本操作，該系統可以對設備的狀態進行采集，并與流程中設備應當處在的狀態進行對比，實現邏輯判斷后自動對相應的設備發出對應的指令，設備在接到指令后完成相關的動作。現代自動化控制系統力求降低人們的勞動強度，提高工業生產的智能性和安全性，SCS作為分散控制系統的關鍵組成之一通過對設備的自動順序控制除了節省了人力成本之外，還可以有效避免在對設備的直接操控中由于人為原因造成的操作失誤或者是設備故障現象的出現。除霧器順序控制和漿液循環泵停止順序控制是火電廠脫硫中比較常見的SCS。

火電廠所采用的除霧器順序控制系統由上中下三層平板式的除霧器組成，這樣保證了除霧器的清潔，同時也確保了順序控制的實現，一般來說每層保證8個左右的除霧器沖洗門較為合理，并按照先上后下最后中間的順序對各層除霧器進行清洗，至于每次清洗所間隔的時間可以根據系統狀態和人員設置進行適當的調整。除霧器順控沖洗裝置的設計可以對燃料煙氣中所含的石膏進行及時的處理，避免石膏阻塞裝備造成故障。

漿液循環泵停止順控系統主要是為了防止循環泵關閉后殘留漿液處理不及時，造成的漿液板結影響后續漿液循環泵正常啟用。其基本的流程如下：首先對漿液循環泵停運后入口門要及時關閉，當關閉信號傳回順控系統之后方可進行下一步的操作，之后需要對泵體進行沖洗處理。先將漿液循環泵排放門打開，待排放完泵體內的漿液后將閥門關閉，入口門的關閉是沖洗水門打開的必要條件，沖洗的時間一般在5分鐘左右，沖洗需要對循環泵的漿液入口管道及泵體本身進行沖洗，待所有沖洗工作完成后直接將水門關閉打開排水門并將沖洗后的液體沿著管道排出，排水時間保證在3分鐘左右，最后將排水門關閉，該順控流程執行完畢。

3.4 脫硫系統聯鎖保護設計

與傳統的火電廠脫硫系統設計不同，目前我國很多火電廠的脫硫系統封閉了原有的旁路擋板，實現了對火電廠脫硫保護裝置的完善和改進，保護性能得到了有效的提升。現有的脫硫保護體系一般包括增壓風機、氧化風機、漿液循環泵以及鍋爐主保護等。在測量信號的收集中盡量避免由于設備故障傳回的錯誤保護信號，避免關鍵設備誤動、拒動等情況的出現。當保護裝置發生故障無法起到對脫硫設備的保護時就需要啟動備用裝置，漿液循環泵停運后增壓風機如果同時出現跳閘，這時需要迅速將增壓風機的旁路擋板打開，避免鍋爐故障造成的經濟損失。如果有漿液循環泵全停的緊急情況出現，為了確保吸收塔除霧器不被影響需要將噴淋裝置開啟，一般來說該裝置會在緊急情況下自動開啟。

3.5 模擬量控制系統（MCS）

模擬量控制系統對于脫硫系統的穩定性以及脫硫效率保證具有重要的意義，其主要控制策略為多變量協調的前饋-反饋控制。火電廠脫硫DCS的模擬量控制系統中所包含的內容較多且較為復雜，因而也是DCS應用中需要解決的難點內容之一。

增壓風機入口壓力控制是火電廠主鍋爐穩定安全運行的重要保障，通過對增壓風機動葉開度的調節來實現風機出口壓力的穩定，避免脫硫系統運行中的煙道擋板、吸收塔等的壓力下降影響增壓風機的正常運行。增壓風機的入口壓力控制屬于單回路的控制系統，其中被調量為壓力，調節量為動葉的開度。當增壓風機動葉處于正常的運行狀態時，測量的實際壓力值與標準壓力值的偏差會被比例積分調節器接收到，之后調節器對偏差進行數據的轉換，并將其轉化為操作指令傳達到增壓風機的動葉上，動葉的開度進行變動從而確保增壓風機入口壓力值的穩定。此外，技術人員還可以通過DCS系統直接對手動狀態下的增壓風機動葉開度進行調整，一般來說動葉都是處于自動狀態，只有當動葉指令反饋值偏大或者壓力測點故障等情況出現時才會轉化為手動狀態。

石膏是濕法煙氣脫硫的主要材料，而吸收塔的pH值直接影響著石膏的純度因而必須對其進行嚴格的控制，適宜的吸收塔內pH值為5.4左右，當pH值低于5.2時，需要對原有的漿液輸入量進行增加，而當pH值高于5.6時則需要將石膏排出，在此過程中石膏旋流器至關重要，因此要避免旋流子堵塞現象的出現。脫硫效率與吸收塔內的pH值直接相關，在一定的范圍內pH值與脫硫效率成正比，這主要是由于碳酸鈣的存在。與此同時，二氧化硫的排出量也受到pH值的影響，一般來說，為了保證吸收塔內反應的順利進行漿液pH值也需要保持在一個合適的區間內。

吸收塔的供漿流量控制回路分為主控制回路和副控制回路，其中處理前，煙氣中的二氧化硫的含量是主控制回路進行漿液供給量調節的主要參考指標，而漿液的pH值則是副回路的重要參考標準。石灰石-石膏濕法脫硫技術中石灰石漿液的流量對脫硫效果具有直接的影響，且由于碳酸鈣在水中的溶解度的問題石灰石漿液容易出現沉淀堵塞漿液管道，為此必須要對其流量進行限制，并根據吸收塔的pH值對漿液循環泵的工作狀態進行調整，當吸收塔的pH值過小時石灰石漿液流量需要手動進行調整，而pH值過大時則采取漿液循環泵停運、閥門關閉、管道沖洗等操作。

4 DCS脫硫系統調試

4.1 單體調試

單體調試工作需要在設備安裝完畢基本脫硫安裝過程執行結束且與主系統的連接未建立時進行，單體調試的主要作用是確定實際應用效果、設備運行狀態以及產品質量等，在調試中相關人員需要對脫硫技術、脫硫系統、關鍵設備、保護裝置等進行熟悉和檢驗。單體調試的主要內容包括四個方面：一是脫硫設備個體保護裝置的調試；二是對電氣系統的調試檢查，需要進行電路回路檢查、機械裝置接電試運行、電機試操控等；三是對系統中儀表的檢查，需要進行的工作有安全閥門試驗、定值設置、調節閥門試驗等；四是對工藝系統的調試檢查，包括溫度測試、工藝設備狀態檢查以及壓力調等。

4.2 分系統調試

分系統調試一般在單體調試結束后確定各單體回路、單體設備無故障后進行，其目的是對各分系統在正常負荷下的各項參數進行調試，確保子系統足以支撐脫硫系統的穩定運行。分系統調試的主要工作內容包括檢查脫硫設備及安裝質量、運行條件檢驗、系統運行時各單體設備的配合度、系統聯鎖及保護調試等。技術人員需要根據一般脫硫系統運行時的基本要求和各項參數作為分系統調試的設置，以確保分系統可以適應脫硫系統實際運行的要求。

4.3 整套調試

整套調試是系統分散控制系統調試的最后也是最為重要的環節，在上述兩項調試無誤后方可進行。實際脫硫過程中需要運行的所有裝置、電路、設備等在整套調試的過程中應當全部運行，為了確保調試的有序性和有效性可以分步進行，首先對手動操作程序進行檢查之后再對自動程度進行調試，脫硫過程中需要用到的各種參數測量儀器溫度計、流量計以及調節閥等也需要進行充分的檢查，當全部裝置設備運行都沒有問題時整機的調試才可以開始。需要注意的是當整套調試結束后要對實驗過程中產生的污水、垃圾等進行恰當的處理。

5 結語

綜上所述，降低火力發電廠有害物質的排出量，提高其環保性是我國電力行業發展的必由之路，也是我國經濟發展方式轉型升級的具體要求。火力發電廠需要根據自身的實際情況，加快脫硫系統的改造升級，積極選用DCS作為脫硫的控制系統，提高電廠煙氣脫硫效率以及脫硫系統本身的穩定性和安全性，促進火力發電廠的健康發展，用實際行動踐行可持續發展戰略。

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作者簡介：周海平（1982-），男，陜西銅川人，神華陜西國華錦界能源有限責任公司工程師，研究方向：熱工控制、自動化儀表、DCS日常維護。

（責任編輯：王 波）