西門子DCS系統在水泥窯脫硫系統中的應用

趙龍

1 前言

某水泥公司有兩條6 000t/d新型干法水泥熟料生產線，脫硫系統采用石灰石（窯灰）-石膏濕法全煙氣脫硫裝置（FGD），設置“加熱爐+脫硫塔”脫硫形式，利用原有煙囪合建，且不單獨設置增壓風機。該脫硫系統按照生產線設計煤種100% BMCR（Boiler Maximum Continuous Rating，鍋爐最大連續蒸發量）工況下進行煙氣脫硫設計，并考慮了極端情況，煙氣SO2排放濃度可滿足＜15mg/Nm3的排放要求。該脫硫系統配套的子系統有煙道系統、吸收塔系統、石膏脫水系統、石灰石（窯灰）漿液制備系統、事故漿液系統、工藝水及廢水等排放系統、壓縮空氣及氧化空氣系統等。吸收塔直徑φ11m，循環漿液池直徑φ12m，高度35.59m。本文主要介紹該脫硫系統DCS 控制系統軟硬件構成及各子系統控制策略，脫硫控制系統投運以來，煙氣SO2排放穩定，達到了國家A級排放限值標準（＜35mg/Nm3）。

2 脫硫控制系統

（1）系統構成

該生產線脫硫控制系統控制范圍為2 條水泥生產線的煙氣處理，包含“2 爐2 塔”及公用系統。整套脫硫控制系統包含現場控制站、操作員站和通訊網絡等。

現場控制站布置在脫硫島的電氣室，與現場設備直接相連，負責各種信號的輸入、輸出及信號轉換；主要用于檢測控制設備的啟停、運行、故障預警處理和位置定位等開關量信號，檢測控制各子系統溫度、壓力、液位、流量、濃度、閥門開度等模擬量信號；同時，控制電機的順序啟停、正常運行和故障時聯鎖停機，控制各閥門開度等。

操作員站布置在現有中央控制室，通過人機操作界面，輸入控制操作信息及給定值等信號，向操作員提供各種工藝、電氣和自動化信息，實現操作員對生產過程的控制。在上位機畫面中，可實時顯示整個脫硫系統的工藝流程、電機啟停狀態、電動開關閥開關狀態、電動調節閥開度及全部工藝參數。

（2）硬件方案

脫硫控制系統網絡拓撲如圖1 所示。脫硫控制系統采用西門子S7-300 系列模塊化結構硬件，共設置2 個現場控制站，分別負責2 條生產線的煙氣脫硫控制，公用部分劃歸到其中一個現場控制站。CPU 選用315-2PN/DP 處理器，現場設備監控參數通過ET200分布式I/O模塊采集和輸出，其中，模擬量輸入模塊選用8 通道的4～20mA 模塊；模擬量輸出模塊選用4 通道的4～20mA 模塊；開關量輸入和輸出模塊選用16通道的開關量模塊。通信模塊選用IM155-6PN 接口模塊，CPU 與分布式I/O 模塊之間通過PROFINET現場總線完成通信。

圖1 脫硫控制系統網絡拓撲

脫硫控制系統共設置2 個操作員站，其中1 個操作員站兼作工程師站，工程師站、操作員站和現場控制站之間通過Ethernet TCP/IP 總線相連，通訊速率可達100M，通訊線纜采用屏蔽雙絞線和光纜。

3 軟件編程及組態

脫硫控制系統PLC 編程軟件采用的是西門子STEP7 V5.6 軟件，該軟件是西門子S7-300 系列PLC的集成開發軟件，可滿足從PLC軟件開發到仿真整個過程的編程需要。PLC 編程采用以梯形圖為主的編程語言，直觀易懂，編程效率高。

操作員站監控軟件使用的是西門子WINCC 7.4 SP1 軟件，WINCC 軟件為用戶提供了很好的操作環境。該脫硫控制系統操作員站利用WINCC自帶的圖形文件庫或自定義添加的圖形文件組態工藝流程畫面，通過上位監控畫面，監控脫硫系統所有設備的運行狀態及動態工藝參數，圖2為脫硫控制系統運行主畫面。

圖2 脫硫控制系統運行主畫面

在WINCC 畫面中，通過對各個設備控件的屬性進行編輯，可實現各個設備在不同狀態下，有不同顏色或不同文字指示，如設備處于備妥、運行、故障狀態或處于組啟動開、單機開、現場開等各種模式。另外，每臺水泵等設備均設有設備彈出窗口，如圖3所示。

圖3 設備彈出窗口

設備彈出窗口分為操作區、接口區、參數區和故障區。操作區啟動和停止按鈕用于設備在單機模式下的開啟和停止，當設備處于組啟動模式時，啟動和停止按鈕將變成灰色，無法操作。接口區分為啟動聯鎖、工藝聯鎖和保護聯鎖。啟動聯鎖是設置的設備開啟前必須滿足的條件，如大功率電機的水電阻允許啟動信號、大功率風機開啟前的進口閥門的關閉信號等均屬于啟動聯鎖信號。工藝聯鎖用于組啟動和設備的聯鎖跳停，一般用來接收下游設備的運行信號。在設備組啟動時，先收到下游設備的運行信號，滿足條件后操作聯鎖，再收到組啟動信號，該設備組啟動；當下游設備跳停后，操作聯鎖為0，該設備組跳停。不論是單機模式還是組啟動模式，聯鎖跳停均有效。但當設備處于“解鎖”狀態時，操作聯鎖的“聯鎖跳停”功能被屏蔽，即下游設備跳停后，該設備不跳停。保護聯鎖是對設備組啟動時所設置的保護條件，如大功率電機溫度高報警等。此條件不滿足時，設備不能開啟；設備運行后，若此條件丟失，則設備停機。參數區分為設備備妥、運行、驅動，均表示設備實際所處的狀態信號。故障區表示引起設備停機的各種故障類型。

對于脫硫控制系統中的電流、溫度、壓力、流量、液位等模擬量信號，利用WINCC軟件的數據歸檔功能，對生產參數進行歸檔，再利用自帶的趨勢窗口控件調用歸檔數據，查看各工藝參數某個時間段的歷史趨勢，指導系統控制操作。

4 子系統控制策略

（1）煙道系統

煙道系統設置有2 套煙氣排放連續監測（CEMS）設備，其中，位于煙道入口處的監測設備為新增設備；出口處的監測設備利用原有在線監測設備，分別采集煙道入口和出口煙氣連續監測數據。煙氣中SO2、O2含量及溫度等信號均通過硬接點方式接入脫硫控制系統。脫硫控制系統可顯示SO2、O2含量及溫度檢測值，煙氣溫度的初始報警值設置為180℃，可根據脫硫控制系統運行情況予以調整。脫硫控制系統開啟時，需開啟煙道系統，打開尾排風機，打開煙道進口、出口閥門，延時關閉旁路閥門，使煙氣進入吸收塔。

為控制煙氣溫度，保證設備及煙道系統的安全穩定運行，設置了3 個煙道事故噴淋冷卻水控制閥，噴淋閥開啟的數量與煙道進出口煙氣的溫度聯鎖。噴淋閥與煙道進出口溫度聯鎖關系見圖4。

圖4 噴淋閥與煙道進出口溫度聯鎖關系

煙道系統運行時，當煙道進口煙氣溫度＜160℃，且至少有一臺循環泵運行，并進行10min延時判斷，關閉所有煙道事故噴淋冷卻水控制閥。當所有循環泵均未運行時，啟動3臺煙道事故噴淋冷卻水控制閥。

（2）吸收塔系統

吸收塔系統是脫硫控制系統的核心組成部分，主要包含吸收塔漿液池注漿控制、吸收塔攪拌器控制、氧化風機控制、循環泵控制、除霧器控制等。

在吸收塔漿液池注漿前，確認吸收塔排空閥門、石膏排出泵入口閥門以及攪拌器沖洗水閥門均處于關閉狀態；確認后，先打開石灰石漿液入吸收塔控制閥，再開啟石灰石漿液輸送泵，向吸收塔內注漿。注漿過程中需密切關注吸收塔漿液池的液位指示，當漿液池達到合適液位時，啟動吸收塔內攪拌器；氧化風機為“一用一備”，當吸收塔漿液池液位＞6m 時，開啟1 個氧化風機，當氧化風管總壓力達不到要求時，開啟備用氧化風機；當吸收塔漿液池液位達到7m時，停止注漿。

吸收塔注漿完畢后，開啟脫硫系統循環泵，開啟前確認入口閥門、出口壓力表閥門、冷卻水閥門、沖洗水閥門均處于開啟狀態，至少啟動2臺漿液循環泵。根據具體工況及脫硫效果，調整啟動循環泵的數量，同時監控循環泵的運行壓力、電流等。

除霧器的沖洗操作與開啟除霧器前后的壓差與吸收塔的液位相關聯。當壓差高于報警值時，需啟動除霧器沖洗；當吸收塔液位＜6.3m 時，可通過縮短沖洗時間間隔和延長沖洗時間增大沖洗量。除霧器沖洗操作方式以自動為主，手動為輔。當脫硫塔系統未運行時，除霧器的沖洗程序可以在“手動”的方式下進行，由操作員在上位機界面選擇，此時各個除霧器的沖洗閥門均可以單獨控制開啟和關閉。當除霧器滿足投運條件后，可執行順序控制沖洗程序，通過分層、分區域，設定不同的沖洗時間來完成沖洗工作，在保證沖洗效果的同時，盡可能控制吸收塔內液位不會大幅上漲。在自動沖洗過程中，如果除霧器停運超時并發出警告，控制人員應首選手動沖洗，防止除霧器堵塞，再檢查自動沖洗功能，若沖洗后仍不能消除報警，應進一步檢查原因，嚴重時需停運吸收塔系統，進行檢修。

（3）石灰石（窯灰）漿液制備系統

石灰石漿液的制備采用廠內窯灰作為原料，通過管道直接輸送至石灰石漿液制備罐中混合使用，石灰石漿液制備系統可實現自動制漿。制漿時，首先開啟石灰石漿液制備罐的進水電動閥，通過工藝水泵向制備罐加水，當加水液位達到0.5m時，啟動漿液制備罐攪拌器；當加水液位達到既定值后，關閉進水閥，停止進水，延時120s 后，開啟螺旋稱重給料機及石灰石粉倉下卸料閥門，開始制漿。當石灰石粉量達到既定值后，停止添加窯灰，螺旋稱重給料機停機，待石灰石漿液混合均勻，完全制備完成后，啟動漿液轉存泵轉存漿液。

（4）石膏脫水系統

石膏脫水系統的運行取決于石膏漿液濃度的控制，當石膏漿液密度未達到設定值時，石膏脫水系統處于熱態備用狀態，當石膏漿液密度達到設定值并滿足啟動條件后，石膏脫水系統進入運行狀態。石膏漿液排出泵和攪拌器均受液位控制系統控制。

當石膏漿液固體懸浮物密度＞1 120kg/m3時，確認壓縮空氣正常、石膏漿液管路電動蝶閥處于打開狀態、石膏漿液回流管路電動蝶閥處于關閉狀態，石膏旋流器水沖洗電動閥處于關閉狀態后，石膏漿液進入石膏旋流器，石膏脫水系統進入運行狀態。石膏脫水系統控制流程如圖5所示。

圖5 石膏脫水系統控制流程

（5）事故漿液系統

當脫硫系統檢修或長期停運時，可通過石膏漿液排出泵將吸收塔內漿液全部注入事故漿液池，排出吸收塔內漿液。當吸收塔內漿液液位下降到石膏漿液排出泵入口管路以下時，停用石膏漿液排出泵和吸收塔攪拌器，通過吸收塔排空閥將殘液通過排水溝排入集水坑。當集水坑達到一定液位時，啟動集水坑攪拌器，同時開啟集水坑泵，將吸收塔的殘液沿著集水坑至事故漿液池的管路注入事故漿液池。在吸收塔漿液排入事故漿液池的過程中，密切關注事故漿液池液位，達到攪拌器啟動值后，通過人工或順序控制程序自動啟動事故漿液池攪拌器。

脫硫系統檢修完畢后，打開事故漿液返回泵出口母管控制閥門，導通事故漿液池至吸收塔的漿液輸送管路，啟動事故漿液返回泵，將事故漿液池中的漿液重新注入吸收塔，根據事故漿液池和吸收塔的液位情況，控制漿液返回泵及吸收塔系統的運行。

在脫硫系統運行過程中，吸收塔內漿液的pH值是影響脫硫效率和石膏品質的關鍵參數之一，當吸收塔內漿液的pH值在4～6時，CaCO3溶解速率呈線性增加，pH 值為6 時的CaCO3溶解速率是pH 值為4 時的5～10 倍。因此，為了提高SO2的俘獲率，吸收塔內漿液應盡可能地保持在較高的pH值。然而，高pH值會增加石灰石的消耗量，漿液中的殘余石灰石也會增加，影響石膏的品質。因此，將脫硫系統吸收塔漿液的pH 值穩定在合適的值至關重要。為控制吸收塔內漿液的pH 值，我們設置了多重控制回路閉環控制漿液的pH 值，實現了石灰石漿液輸入和輸出的自動控制，使吸收塔內漿液pH值、石灰石與石膏的比例控制在合理范圍內。

5 結語

本文以某水泥公司生產線為例，介紹了西門子DCS 系統在水泥窯脫硫系統中的應用。脫硫系統中各子系統，如工藝水、事故噴淋、除霧器、漿液制備與供給、石膏脫水及事故漿液等，均可根據工藝控制要求，實現全自動控制運行。該生產線脫硫控制系統自投運以來，運行平穩可靠，SO2排放濃度穩定，均值＜15mg/Nm3，達到了國家A級排放限值標準。