摘 要:利用JX-400過程分散控制系統(tǒng)（DCS），開發(fā)出300MW石灰石-石膏法脫硫控制系統(tǒng)，并對控制系統(tǒng)DCS的硬件配置、主要模擬量控制、順序控制、輔助系統(tǒng)及煙氣監(jiān)測系統(tǒng)等作了簡單介紹。

關鍵詞:煙氣脫硫;分散控制系統(tǒng)（DCS）;模擬量控制;順序控制

 

1 脫硫分散控制系統(tǒng)組成及布置

石灰石-石膏法脫硫過程如其他化工過程一樣，需要將一些化學、物理工藝參數(shù)值維持在規(guī)定的范圍內(nèi)，以獲得穩(wěn)定的性能和最佳的經(jīng)濟效益。

石灰石-石膏法脫硫系統(tǒng)中的測點不是很多，但要控制的閥門和設備較多?？倻y點約200個，控制對象約320個。I/O點數(shù)在2400點左右，整套系統(tǒng)以順序控制為主，閉環(huán)控制回路少、開環(huán)回路多，且實用性要求不高。但是，煙氣脫硫系統(tǒng)在工藝上還是有其特殊性，尤其是在儀表的選擇上。采用集中控制的方式，控制系統(tǒng)為JX-400分散控制系統(tǒng)（DCS），完成整套脫硫設備及其輔助系統(tǒng)（包括電氣設備）的監(jiān)視與控制。

1.1 控制范圍

采用JX-400系統(tǒng)實現(xiàn)對脫硫裝置的煙氣系統(tǒng)、SO2吸收系統(tǒng)、氧化空氣系統(tǒng)、石灰石制漿、石膏排放、石膏脫水系統(tǒng)等運行工況的監(jiān)視和報警；對電動機、電動門、風門擋板以及電氣供電回路的斷路器的順序控制；以及對一些工藝閉環(huán)控制和聯(lián)鎖保護。

1.2 控制水平

以分散控制系統(tǒng)（DCS）的CRT和鍵盤作為煙氣脫硫系統(tǒng)的主要監(jiān)視和控制中心，并配少量光字牌和控制設備（布置在CRT臺上），在集控室內(nèi)完成煙氣脫硫系統(tǒng)的啟停及正常工況的監(jiān)視和調(diào)整、異常工況的報警和緊急事故處理。

1.3 控制系統(tǒng)構成

脫硫DCS系統(tǒng)的控制柜安裝在脫硫綜合樓電子設備間內(nèi)。在脫硫綜合樓內(nèi)設集中控制室，DCS的操作員站、打印機、電除塵控制上位機等合并布置于其中。脫硫裝置控制系統(tǒng)（DCS）完成整套脫硫設備及其輔助系統(tǒng)（包括電氣設備）的監(jiān)視與控制。設置了一個操作員站和一個工程師站，工程師站也可作為操作員站，兩臺站互為備用。每個操作員站配置2臺CRT。FGD裝置的分散控制系統(tǒng)

按分層分級的原則設計。DCS系統(tǒng)將分成系統(tǒng)監(jiān)控層和過程控制層，在過程控制層中將分為兩級控制，即子功能組級和驅動級。在不同層次和級別之間，通過通訊連接起來。系統(tǒng)采用百兆冗余網(wǎng)絡，所有控制策略在兩對CPU內(nèi)實現(xiàn)。

1.4 DCS的可靠性指標

系統(tǒng)可用率≥99.9%；系統(tǒng)精度：輸入信號±0.1%（高電平），±0.2%（低電平）；輸出信號±0.25%；抗干擾能力：共模電壓≥250V，共模抑制比≥90dB，差模電壓≥60V，差模抑制比≥60dB。

1.5 DCS系統(tǒng)裕量

最繁忙時，控制器CPU的負荷≤60%，操作員站負荷率≤40%。內(nèi)部存儲器占用容量≤50%，外部存儲器占有容量≤40%。每種I/O點裕量≥15%。電源負荷裕量≥30%。通訊總線的負荷率：≤30%（令牌網(wǎng)），（以太網(wǎng)）≤20%。冗余：控制器冗余配置；數(shù)據(jù)高速公路冗余。DCS的I/O機柜供電電源冗余（一路來自脫硫島UPS電源，另一路來自脫硫島保安電源）。機柜內(nèi)供電雙重化；關鍵的模擬量參數(shù)冗余設置（吸收塔液位和漿液pH值測量）；DCS設置2臺操作員站，每個操作員站以兩個結點與數(shù)據(jù)公路相連，同時2臺操作員站互為備用。

采用微處理器技術的控制系統(tǒng)，均具有自診斷功能，在內(nèi)部故障還沒有干擾生產(chǎn)過程之前，即能在系統(tǒng)本身范圍內(nèi)探測到故障并實行防止故障擴大的措施，同時進行報警和記錄。

脫硫DCS與機組的DCS之間關鍵信號的交換采用硬接線的方式。

1.6 主要控制功能

D C S系統(tǒng)主要具備四個功能：數(shù)據(jù)采集和處理（D A S）；模擬量控制（M C S）；開關量順序控制（SCS）和熱工保護。

（1）監(jiān)視系統(tǒng)

脫硫裝置的熱工檢測系統(tǒng)由分散控制系統(tǒng)DCS中的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)（DAS）來完成。DAS系統(tǒng)的基本功能包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、屏幕顯示、參數(shù)越限報警、事件序列、事故追憶、性能與效率計算和經(jīng)濟分析、打印制表、屏幕拷貝、歷史數(shù)據(jù)存儲等。

（2）開關量順序控制、聯(lián)鎖

輔機的聯(lián)鎖保護和啟?？刂埔约耙恍┲饕y門的開閉控制由DCS中的開關量順序控制系統(tǒng)（SCS）來完成，實現(xiàn)功能組或子組級的控制，以減輕運行人員勞動強度防止誤操作。操作的主要對象有：脫硫塔石灰石漿液循環(huán)泵、增壓風機、氧化風機、密封風機、脫硫塔石膏漿液排出泵、石膏漿液輸送泵、工藝水泵、石灰石漿液輸送泵等。

（3）順序控制

脫硫裝置順序控制的目的是滿足裝置的啟動、停止及正常運行工況下的控制要求，并實現(xiàn)脫硫裝置在事故和異常工況下的控制操作，保證裝置的安全運行。

順序控制的具體功能包括：

1）實現(xiàn)脫硫裝置主要工藝系統(tǒng)的自啟停；

2）實現(xiàn)脫硫塔及輔機、閥門、煙氣擋板的順序控制、控制操作及試驗操作；

3）實現(xiàn)輔機與其相關的冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、密封系統(tǒng)的連續(xù)控制；

4）在發(fā)生局部設備故障跳閘時，聯(lián)鎖啟停相關設備；

5）實現(xiàn)脫硫廠用電系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制。

（4）保護與聯(lián)鎖

保護動作主要分四大類：

1）報警信號：向操作人員提示裝置運行中的異常情況；

2）聯(lián)鎖保護：必要時按程序自動啟動或自動切除某些設備及系統(tǒng)，使脫硫裝置保持原負荷運行或減負荷運行；

3）跳閘保護：當發(fā)生重大故障，危及設備或人身安全時，實施跳閘保護，停止整個裝置（或部分設備）運行，避免事故擴大；

4）熱工保護：脫硫系統(tǒng)的熱工保護由DCS獨立的分散處理單元來完成。主要實現(xiàn)的保護功能有：脫硫裝置的保護動作條件包括脫硫裝置進口溫度異常、進口壓力異常、出口壓力異常、鍋爐主燃料跳閘（MFT）、增壓風機故障、換熱器故障、循環(huán)漿泵投入數(shù)量不足、原煙氣擋板或凈煙氣擋板未打開等。當發(fā)生上述情況時，脫硫裝置停運并自動打開煙氣旁路擋板，通過關閉原煙氣擋板和凈煙氣擋板來斷開進入脫硫裝置的煙氣通道，使煙氣旁路，直達煙囪排放。

控制室設旁路擋板門手動按鈕，在緊急狀態(tài)時，可強制動作旁路擋板門，保證鍋爐安全運行。脫硫裝置的DCS系統(tǒng)與鍋爐的DCS控制系統(tǒng)之間的接口采用硬接線方式。主要信號：鍋爐側風量信號；鍋爐狀態(tài)（MFT、火焰、吹掃等信號）；燃燒器運行（或停止）信號；煙道壓力信號；電除塵器電場投入狀況信號等。脫硫側：增壓風機運行（或停止）信號；旁路擋板狀態(tài)信號；脫硫裝置運行（或停止）信號等。在煙氣量減少的情況下，根據(jù)吸收塔硫銨漿液的pH值及漿液濃度，減少石灰石漿液的供應量。

1.7 電源和氣源

脫硫車間的熱控設備用電擬單獨設置。共考慮設置兩種等級電源。

UPS：脫硫島所需UPS電源由主廠房引接。

DCS：由UPS和廠用電雙路供電。

氣源：根據(jù)本工程實際情況，不采用氣動閥門。煙道壓力/差壓變送器儀表導管反吹等儀用氣源由一期儀用氣源處理設備供給。氣源管路的設置及氣源品質的要求與主廠房儀用氣源設計相同。

2 脫硫過程主要控制回路

2.1 SO2脫除效率控制

脫硫效率（或SO2排放量）是FGD工藝過程中要控制的最主要的變量。無論機組在穩(wěn)定狀態(tài)還是處于負荷變化時，脫硫效率的調(diào)節(jié)系統(tǒng)都必須滿足環(huán)保法規(guī)的強制要求，同時調(diào)節(jié)系統(tǒng)還要尋找出運行費用最低的運行條件。

脫硫效率的調(diào)節(jié)采用控制石灰石漿液流量，由此來提高或降低L/G比，使L/G比維持在一定的范圍內(nèi)。來達到控制脫硫效率的目的。當鍋爐負荷降至30%～60%時，在90%脫硫條件下，噴淋層可減少1～2層。這種方式實行起來簡單方便，通過手動操作，脫硫塔效率能迅速隨著L/G比變化，對脫硫工藝的正常運行沒有明顯影響。

2.2 石灰石漿液供給流量控制

采用入口SO2負荷作為前饋信號，反應罐漿液pH值為反饋信號來控制脫硫率和石灰石漿液流量。根據(jù)石灰石品質和漿液密度修正石灰石漿液流量控制。由于CaCO3流量的調(diào)節(jié)影響著吸收塔反應池中漿液的pH值，為了使化學反應更完全，應該將pH值保持在某一設定值；當pH值降低，所需的CaCO3流量應按某一修正系數(shù)增加。將實際測量的pH與設定值進行比較，通過pH值控制器產(chǎn)生一修正系數(shù)，對所需的CaCO3流量進行修正。將經(jīng)pH值修正后的所需CaCO3流量與實際的CaCO3流量進行比較，通過一比例積分控制器控制石灰石漿調(diào)節(jié)閥的開度。

優(yōu)點：比pH值簡單調(diào)節(jié)回路有較好的響應時間，可以使過程pH值處于合適的范圍內(nèi)；脫硫效率設定值ηSO2隨鍋爐負荷改變，鍋爐負荷低，設定值ηSO2高，這使得在負荷變化時，要保持漿液pH值和漿液中過剩CaCO3含量不變，從而使石膏的質量保持穩(wěn)定，也使得脫硫效率能很快跟蹤負荷變化。

缺點：需要入口煙氣CEME或連續(xù)分析燃料含硫量，pH值傳感器需要經(jīng)常維護和校驗；最佳pH值范圍隨時間變化。

2.3 脫硫塔液位和漿液密度控制

脫硫塔液位和漿液密度是脫硫過程中重要的兩個控制參數(shù)，在運行中脫硫塔的水平衡是負平衡?？刂泼摿蛩何粚嵸|是維持這一水平衡，維持脫硫塔液位所需的平衡水來自回收水罐的回收水。而維持脫硫塔漿液密度的穩(wěn)定，對于保持脫硫塔中適當?shù)幕瘜W反應是十分必要的，對脫硫效率、固體物的停留時間、石膏結晶、石膏純度和防止結垢有直接、明顯的影響。而液位與漿液密度調(diào)節(jié)則是密切相關。

控制系統(tǒng)的作用是啟動回收水電動閥門，接受開關量信號，在W=1時開啟閥門，進行補償回收水。結束后關閉閥門，開關量是基于運算回路形成的。

2.4 增壓風機壓力控制

增壓風機壓力控制回路采用復合控制系統(tǒng)，為了跟蹤鍋爐的負荷變化，采用鍋爐負荷作為控制系統(tǒng)前饋信號，以增壓風機入口煙道壓力作為反饋信號，將壓力測量值與不同鍋爐負荷下的設定值進行比較，得到差值與鍋爐負荷信號相疊加，偏差經(jīng)過PID運算后來調(diào)節(jié)增壓風機入口動葉的轉角，將增壓風機的入口壓力控制在設定值。當鍋爐負荷變化時將同時調(diào)節(jié)增壓風機的出力，可以減少引風機后至FGD進口段煙氣的壓力偏移。

2.5 除霧器沖洗控制

進入吸收塔的熱煙氣由于冷卻和飽和作用將帶走汽化了的水，這部分損失的水量通過除霧器沖洗系統(tǒng)進行補充。除霧器沖洗為一順控系統(tǒng)，按一定的順序對除霧器粗分離器和葉片式分離器的進、出口側進行沖洗，每一側沖洗管路上有噴水器和相應的沖洗電動蝶閥，這些電動蝶閥按一定的間隔時間輪流開關，補充到吸收塔中的沖洗水量與上述順控程序中的間隔時間的長短有關。因此，通過控制間隔時間的長短可以調(diào)節(jié)吸收塔液位。

通過煙氣量和吸收塔液位的函數(shù)關系可以計算出所需的間隔時間，與實際累計的間隔時間進行比較，當累計的間隔時間達到所需的間隔時間時，沖洗程序中相應的電動蝶閥打開，沖洗開始，同時，間隔時間累計器復置為0，當沖洗完畢后，新的間隔時間開始累計，從而達到除霧器沖洗和吸收塔液位控制的雙重目的。

2.6 脫硫塔漿液pH值控制

脫硫塔內(nèi)漿液pH值是由送入塔內(nèi)的石灰石流量進行控制的，其控制的目的是獲得最高的漿液石灰石利用率、保證預期的脫硫效果及提高脫硫裝置適應鍋爐負荷變化的靈活性。脫硫塔內(nèi)漿液pH值是脫硫系統(tǒng)中最主要也是相對較復雜的控制回路。

脫硫裝置運行中，可能引起塔內(nèi)漿液pH值變化或波動的主要因素為煙氣量與煙氣中SO2濃度，還有石灰石漿液的濃度及供給量等。

塔內(nèi)漿液pH值控制系統(tǒng)的前饋控制器用來克服由于煙氣量與煙氣中SO2濃度的變化對被控變量pH值造成的影響；而反饋控制器起反饋作用。將漿液pH值與設定的pH值進行比較，得到的差值信號與作為前饋信號的鍋爐煙氣與煙氣中SO2濃度的綜合信號相疊加，前饋與反饋共同作用產(chǎn)生一個調(diào)節(jié)信號，來控制石灰石漿液水供給閥門的開度，使塔內(nèi)漿液pH值維持在設定值上。另外，由于增加了石灰石漿液流量中間信號，流量測量值要比pH值測量值更快、更直接。用流量信號后，改善了對象的特性，使調(diào)節(jié)過程加快，且有超前控制的作用，并且有一定的自適應能力從而有效地克服滯后，提高了控制質量。

2.7 石膏脫水及濾餅厚度的控制

（1）旋流器入口壓力調(diào)節(jié)

機組及公用系統(tǒng)共有兩臺旋流器，1#入口壓力分別由兩臺石膏排出泵及兩臺廢水旋流器給料泵控制入口壓力，由于這種工藝比較簡單，沒有其它的變量影響。所以入口壓力能夠很好地被控在設定值上，波動范圍基本上在±1Pa之內(nèi)。

（2）石膏漿液回收罐液位自動調(diào)節(jié)

石膏漿液回收罐液位的影響因素有很多，回收罐入口有廢水旋流器、濾液泵、脫水區(qū)排水坑、石膏旋流器等多根進水管道，而且進水管的管徑并不相同，所以每根進水管對水位的影響也不相同。這個調(diào)節(jié)回路最難處理的是無法判斷回收罐有沒有進水，因為石膏旋流器至回收罐的管道沒有設計回收罐的入口門。如果回收罐沒有進水，那這個調(diào)節(jié)系統(tǒng)將是無法調(diào)節(jié)的，而且有可能造成變頻泵長期在低轉速范圍內(nèi)運行，這是不允許的，所以我們在回路中增設了一條。如果測量水位與設定值相差1米，控制系統(tǒng)切回手動運行。

（3）真空過濾機及濾餅厚度自動調(diào)節(jié)

為了控制石膏漿液的進料流量和防止石膏漿液的分配不均勻，采用超聲波測厚儀測量石膏餅厚度，并與工藝設定值做比較，進行偏差抑制PID運算，到輸出作用真空皮帶變頻器上，以達到運行期望。如果石膏餅厚度過大，真空皮帶脫水機運行速度就快；石膏餅厚度過小，真空皮帶脫水機運行速度就慢。真空皮帶脫水機為變頻調(diào)速，通過調(diào)節(jié)轉速來控制真空皮帶脫水機上的石膏層厚度以確保脫水性能，當石膏餅厚度為23～27mm時，真空皮帶脫水機保持恒速；當石膏餅厚度＜23mm時，真空皮帶脫水機以0.1m/min的速率，每20s時間為一步，一步步遞減；當石膏餅厚度＞27mm時，真空皮帶脫水機以0.2m/min的速率，每20s時間為一步，一步步遞增。

2.8 事故擋板門保護功能

事故擋板門主要實現(xiàn)的保護功能為：FGD裝置的保護動作條件包括FGD進口溫度異常、進口壓力異常、出口壓力異常、鍋爐主燃料跳閘（MFT）、增壓風機故障、換熱器故障、循環(huán)漿泵投入數(shù)量不足、原煙氣擋板或凈煙氣擋板未打開等。當發(fā)生上述情況時，F(xiàn)GD裝置停運并自動打開煙氣旁路擋板，通過關閉原煙氣擋板和凈煙氣擋板來斷開進入FGD裝置的煙氣通道，使煙氣旁路直達煙囪排放。

控制室設旁路擋板門手動按鈕，在緊急狀態(tài)時，可強制動作旁路擋板門，保證鍋爐安全運行。FGD裝置的DCS系統(tǒng)與鍋爐的DCS控制系統(tǒng)之間的接口采用硬接線方式。主要信號：鍋爐側風量信號；鍋爐狀態(tài)（MFT、火焰、吹掃等信號）包括：燃燒器運行（或停止）信號；煙道壓力信號；電除塵器電場投入狀況信號等。脫硫側信號：增壓風機運行（或停止）信號；旁路擋板狀態(tài)信號；FGD運行（或停止）信號等。當機組任意一臺爐MFT動作的時候，關閉已停爐的原煙氣擋板，停一臺循環(huán)泵，在煙氣量減少的情況下，根據(jù)吸收塔漿液的pH值及漿液濃度，減少石灰石漿液的供應量。

3 小結

脫硫系統(tǒng)1#爐單元和公用系統(tǒng)已投運2年，由1#爐的實際運行效果來看，采用該系列DCS控制后，大大降低了操作人員勞動強度,提高了系統(tǒng)運行可靠性與連續(xù)性，而成本與國外品牌相比也有較大優(yōu)勢。國內(nèi)煙氣脫硫項目工程施工和調(diào)試階段暴露了很多問題，而這些問題的最直接原因是自控系統(tǒng)設計不合理。因而可以說，自控系統(tǒng)的好壞直接決定了脫硫工程項目實施的成敗。

脫硫工藝有上百種，而自控系統(tǒng)則是煙氣脫硫工程的神經(jīng)中樞，其將脫硫工藝和工業(yè)自動化系統(tǒng)有機地結合起來，可達到最大的脫硫效果，但在實際應用中也存在許多技術和工程方面的難題，尚待業(yè)界同行深入探索和思考。