基于DCS的循環流化床鍋爐節能減排自控系統研究

張炳偉

（天津天保熱電有限公司，天津 300308）

我國是世界上幾個一次能源以煤為主的國家之一[1]，每年煤消費量約40億噸，其中80%通過燃燒被利用。煤炭的大量消耗，排放出的SO2、氮氧化物等對大氣污染十分嚴重。2015年12月國務院發布《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工程工作方案》，方案要求具備改造條件的燃煤電廠力爭實現超低排放（即在基準氧含量6%條件下，煙塵、SO2、氮氧化物排放濃度分別不高于 10、35、50mg/m3）。

在國家煤炭節能減排的政策推動下，熱電企業不斷更新鍋爐設備及工藝。循環流化床鍋爐是一個分布參數、非線性、實變、多變量耦合緊密的控制對象，其結構十分復雜[2]。隨著鍋爐與其連接的設備的不斷更新，同時對添加和更新節能降耗裝置其控制的算法和控制系統提出更高的要求。DCS綜合了計算機、通訊、顯示和控制等4C技術，能夠很好地應用于模擬量回路控制較多的工藝中[3]。針對循環流化床鍋爐特性，設計穩定、有效的節能減排自動控制系統，降低耗煤量，控制SO2、氮氧化物等大氣污染物排放濃度，實現節能減排。

1 流化床鍋爐脫硝脫硫工藝設計

1.1 SNCR+SCR脫硝工藝

煤的燃燒產生大量的NOX，為了充分脫硝，采用選擇性非催化還原法SNCR和選擇性催化還原法SCR相結合技術進行脫硝。SNCR技術用于循環流化床鍋爐內脫硝，而SCR技術用于鍋爐出口處的煙氣脫硝。

1.1.1 SNCR脫硝工藝

SNCR脫硝是把含有NHX基的還原劑噴入爐膛溫度為800℃～1100℃的區域，不使用催化劑，該還原劑迅速受熱分解成NH3及副產物[4]。選用氨水作為還原劑，將高濃度氨水與稀釋水在噴嘴處融合稀釋后，經布置在鍋爐四周的霧化噴嘴噴入爐膛。該還原劑迅速熱分解成NH3，與煙氣中的NOX反應生成N2和水。原理如圖1中所示。

圖1 SNCR脫硝流程Fig.1 Flow chart of SNCR denitration process

SNCR還原NO的反應對于溫度條件敏感，理想的溫度范圍為850℃～1100℃。當反應溫度過低時，由于停留時間的限制，容易引起化學反應程度較低反應不夠徹底，從而造成NO的還原率較低，同時未參與反應的NH3增加也會造成氨氣泄漏。而當反應溫度高于溫度窗口時，NH3的氧化反應開始起主導作用：4NH3+5O2→4NO+6H2O，從而 NH3的作用為氧化并生成NO，而不是還原NO為N2。為了充分脫硝，在鍋爐出口處對煙氣加入SCR脫硝處理。

1.1.2 SCR脫硝工藝

SCR脫硝裝置在鍋爐出口處，是爐外脫硝，如圖2所示。SCR脫硝技術原理與SNCR原理一樣，不同之處在于反應條件和效率。SCR脫硝工藝，在溫度280℃～420℃和催化劑作用下，通過向煙氣中噴入氨水實現脫硝的目的[5]，應用該工藝脫硝率最高可達90%。

圖2 SCR脫硝流程Fig.2 Flow chart of SCR denitration process

1.2 氧化鎂濕法脫硫工藝

脫硫工藝系統主要包括脫硫劑制備系統、脫硫吸收系統、空氣氧化系統、漿液循環系統、漿液排出系統。圖3為氧化鎂濕法脫硫的工藝流程。

圖3 濕法脫硫流程Fig.3 Flow chart of desulfuration by wet processes

1.2.1 脫硫劑制備

該工藝以輕燒MgO粉為脫硫劑，MgO經螺旋給料機送至熟化罐，用溫水消化處理。再由脫硫劑輸送泵打入脫硫劑漿液罐，產生Mg（OH）2乳濁液經脫硫劑供給泵送入脫硫吸收塔。

1.2.2 脫硫吸收

脫硫塔是煙氣脫硫工藝系統中的關鍵設備[6]。由于進入脫硫系統的煙氣仍含有少量粉塵，脫硫劑也含有硅、鈣鹽等雜質。為避免長期運行可能出現的結垢堵塞現象，采用4級噴淋塔工藝，煙氣進入吸收塔，自下而上流動，脫硫劑自上而下噴射。設計的噴嘴組能夠保證反應中的劇烈氣液逆流接觸，充分傳質、傳熱，確保脫硫效率。吸收了硫分的吸收液落入吸收塔底，吸收塔底部主要為氧化、循環過程。

1.2.3 空氣氧化

由曝氣鼓風機向塔底漿液內強制提供大量壓縮空氣，使得造成化學需氧量的MgSO3氧化成MgSO4。

1.2.4 漿液循環

塔內經充分氣液接觸、傳質反應的脫硫漿液中含 MgSO3、MgSO4及未反應完全的 Mg（OH）2等物質。這些未完全反應的脫硫劑漿液經循環泵再次循環噴淋，與煙氣多次反應，使整個反應的當量比接近于1。如增加噴淋量，可以進一步提高脫硫效率。經多次循環的脫硫漿液，pH值下降，MgSO3、MgSO4含量逐漸增加，脫硫能力逐漸降低。塔底吸收液pH由自動噴注的氫氧化鎂漿液調整，而且與酸堿計連鎖控制。當塔底漿液pH低于設定值時，脫硫劑漿液閥將打開，氫氧化鎂漿液通過輸送泵自動補充到吸收塔底，在塔底攪拌器的作用下使漿液混合均勻，至pH達到設定值時停止補充氫氧化鎂漿液。而脫硫能力逐漸降低的混合漿液將在其濃度達到設定數值后外排。

1.2.5 漿液循環漿液排出

從脫硫塔內排出的失去脫硫能力的漿液中，脫硫副產物為含有 MgSO3、少量 MgSO4及其它雜質（主要來源于煙氣中的煙塵及氧化鎂脫硫劑中的雜質）的物料體系。脫硫后的漿液經沉淀壓縮后，固體排出進行再回收利用，液體進入脫硫塔底部與底部漿液攪拌，循環利用。

2 自控系統的設計

2.1 系統概述

本文中設計的DCS系統采用自主研發的控制機柜，自行開發系統組態軟件包作為人機界面應用軟件，實現工藝參數的實時采集顯示、實時采集數據，顯示鍋爐工藝畫面，操作指導、集中操作、歷史數據記錄、定時報表打印、控制回路組態和參數修改、故障報告和處理、超限語音報警等功能。應用自行開發的脫硝、脫硫優化控制軟件包，通過系統人機界面組態畫面，可以實時監視、控制脫硝、脫硫工藝流程的參數和設備狀態。本系統采用上層的軟硬件系統來實現整個監控過程的自動化。

2.2 系統組成結構

DCS控制系統一般由4個基本部分組成，即過程控制機柜、系統網絡、操作員站和工程師站[7]，圖4為循環流化床鍋爐節能減排自控系統的DCS系統結構圖。

圖4 DCS系統結構Fig.4 Structure of DCS system

2.2.1 過程控制機柜

過程控制柜的機柜內部應裝有多層機架，以供安裝電源及各種模件之用。其外殼采用金屬材料，活動部分有良好的電氣連接，能夠為內部電子設備提供完善的電磁屏障?？刂茩C柜內有電源模塊、分散處理單元（DPU）、通訊模塊、I/O模塊、繼電器，端子等。電源模塊、分散處理單元（DPU）、通訊模塊應是冗余的，以備一路處理器發生故障，系統能自動切換到另一路處理器，保證系統的連續穩定運行。

2.2.2 系統網絡

通訊網絡使用與以太網兼容的工業以太網，工業以太網基于以太網和TCP/IP技術，能夠解決現場總線標準多、傳輸速率低、支持應用有限以及互聯網集成等諸多問題?？梢赃B接自動化系統與企業內網、外部互聯網及因特網，實現管理PC與現場設備控制DCS/PLC間的數據共享。

2.2.3 操作員站

操作員站的主要功能是匯集和顯示運行信息，輔助運行人員根據相關數據對機組運行情況進行監視和控制。

2.2.4 工程師站

工程師站采用工業計算機，用于程序開發、系統診斷、控制系統組態和數據庫以及畫面的編輯及修改。使用工程師站可任意調出已生成的系統顯示畫面和趨勢圖等，并能夠通過通訊總線加載到操作員站。

2.3 系統組態

組態是DCS里一個重要的概念，組態技術是DCS實施中的重要環節。組態就是將各類書面文件（圖形、報表等）轉變為可被計算機接收并執行的軟件過程[8]。組態過程需要系統內各種應用軟件包的支持，主要涉及數據庫建立、圖形建造、報表制作和服務器、控制器算法編程等內容，把功能塊連接起來形成控制方案，然后編譯下載程序至工程師站、操作員站來執行控制。

系統組態主要邏輯：

新建工程在正式進行應用工程的組態之前，針對該應用工程建立一個工程名，新建工程后便新建起了該工程的數據目錄。

硬件組態在新建的工程中，搭建與實際工程中相同的模塊型號，并進行硬件屬性的配置。

數據庫建立定義和編輯工程中應用到的各站的點信息；數據庫基本編譯：在設備組態編譯成功的基礎上，進行數據庫的基本編譯。

服務器邏輯算法組態根據控制系統功能，分別對泵和閥門的設備、采集模擬數據，PID控制算法、連鎖保護算法等多種功能進行編程，形成許多功能塊，供主程序調用，實現系統所需功能。

控制器算法工程生成在服務器邏輯算法組態和數據庫基本編譯成功之后進行數據庫聯編，生成控制器算法工程。

服務器與人機界面軟件組態服務器與上位機人機界面軟件進行搭建，使其連通，把服務器上的點的數據庫傳遞到上位機軟件上。

繪制圖形（圖形組態）運用人機界面軟件繪制工藝流程圖并綁定數據點。

制作報表制作反映現場工藝數據的報表。

完善其他功能設置報警畫面，儲存歷史數據等。

2.4 軟件系統

DCS控制系統軟件結構如圖5所示。

圖5 DCS軟件系統結構Fig.5 Structure of DCS soft system

數據采集系統采集所需要的數據并存儲到實時數據庫中。

實時數據庫存儲和傳輸數據采集系統采集到的數據。

關系數據庫包括物料流模擬模型庫和能流模擬模型庫，用于存儲和傳輸優化所需數據及模擬結果。

能流優化模型庫存儲生產過程中的能流優化結果。

3 系統實現

3.1 組態與畫面的實現

針對循環流化床的系統控制，利用自行開發的硬件和軟件，以DCS為控制平臺，實現了鍋爐DCS控制系統及相關的控制回路和操作畫面?？刂葡到y連續采集和處理所有與鍋爐有關的重要測點信號及設備狀態信號，功能包括操作顯示、報警顯示、歷史記錄、事故記錄等。

循環流化床鍋爐控制系統主要包括鍋爐燃燒系統、鍋爐汽包水位控制系統、鍋爐點火控制系統、鍋爐冷渣水系統、減溫減壓控制系統、公用系統、MFT控制邏輯等。系統主要流程畫面如圖6所示。

圖6 系統主要界面Fig.6 Interfaces of the system

3.2 脫硝、脫硫優化控制

3.2.1 脫硝優化控制

通過開發脫硝控制系統及組態畫面，實時監視NOX的排放濃度，并通過脫硝工藝參數設置控制現場的調節閥、泵、噴嘴等，操作便捷。系統畫面顯示NOX排放濃度，氧氣濃度、SO2的濃度、泵的PID控制畫面和調節狀態畫面等。系統參數包括氨水母管的壓力、壓縮空氣的壓力，稀釋水的液位，氨水儲罐的壓力、溫度和流量等參數。系統畫面如圖7所示。

圖7 脫硝控制系統畫面Fig.7 Interfaces of denitration system

3.2.2 脫硫優化控制

通過開發脫硫控制系統及組態畫面，實時監視SO2的排放濃度，通過控制脫硫工藝參數設置控制現場的調節閥、泵等。當鍋爐排煙中SO2超標，系統自動報警，操作員可立即采取控制措施，排除故障，有效控制SO2的排放量。系統畫面顯示SO2排放濃度、O2含量、NOX排放量、脫硫塔內部數據、二級控制畫面顯示調節閥和沖洗泵的狀態、報警記錄、數據曲線圖等，如圖8所示。

圖8 脫硫控制系統畫面Fig.8 Interfaces of desulfuration system

3.3 運行結果分析

根據實際運行單位2017年11月NOX和SO2的排放量濃度統計數據如表1中所示，滿足循環流化床鍋爐設施類型的火電廠大氣污染物排放濃度國家標準[9]。

表1 2017年11月份排放統計數據Tab.1 Emissions statistics for november 2017

4 結語

基于DCS技術，對循環流化床鍋爐節能減排自控系統進行了現場應用。投入運行情況表明，采用本DCS系統脫硝脫硫控制效果良好，系統運行穩定。2017年運行數據表明，根據脫硫、脫硝工藝開發的脫硝和脫硫優化控制軟件包對SO2、NOX的排放量的控制有顯著效果。系統能夠較好地實現循環流化床鍋爐的煙氣脫硝、脫硫控制，保證發電項目的順利進行。

[1]韓志遠.煤礦中人員角色與不安全行為的動態灰色關聯分析[J].中國安全生產科學技術，2013，9（3）：171-175.

[2]孟祥寶.DCS系統在循環流化床鍋爐控制中的應用研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2009.

[3]柴慶凱.循環流化床鍋爐DCS系統的研究與應用[D].重慶：重慶大學，2011.

[4]李穹.循環流化床鍋爐SNCR脫硝關鍵技術開發[D].北京：清華大學，2011.

[5]馬平，王凱宸，梁薇.基于前饋有約束DMC的鍋爐煙氣脫硝控制系統設計[J].熱力發電，2013，30（7）：213-217.

[6]孫承朗.燃煤工業鍋爐臭氧化結合鎂基濕法聯合脫硫脫硝工藝研究[D].杭州：浙江大學，2015.

[7]帕孜來·馬合木提，楊華偉.基于DCS的電鍋爐溫度控制系統設計[J].實驗技術與管理，2016，33（3）：82-85.

[8]于永茂.基于DCS的鍋爐優化控制系統設計與開發[D].青島：青島科技大學，2013.

[9]GB/T 13223—2011火電廠大氣污染物排放標準[S].北京：中國環境科學出版社，2011.