燒結(jié)煙氣氨法脫硫控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例
摘要:介紹了某鋼廠198平米燒結(jié)機(jī)氨法脫硫系統(tǒng)的工藝流程、DCS控制系統(tǒng)的硬件配置、主要模擬量控制、順序控制及煙氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng),分析了控制系統(tǒng)配置的優(yōu)缺點(diǎn),提出系統(tǒng)改造的建議和方案。
關(guān)鍵詞:脫硫裝置,氨法脫硫,燒結(jié)煙氣,控制系統(tǒng)
燒結(jié)工序是鋼鐵工業(yè)產(chǎn)生SO2的主要來(lái)源。燒結(jié)煙氣量大、SO2濃度低,脫硫設(shè)備投資大且運(yùn)行費(fèi)用高,副產(chǎn)物復(fù)雜,處理難度大,國(guó)內(nèi)可借鑒的治理示范工程少,這些問(wèn)題都影響了燒結(jié)煙氣脫硫的實(shí)施。而控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理,直接關(guān)系到脫硫系統(tǒng)能否長(zhǎng)期安全穩(wěn)定地運(yùn)行。本文介紹了新華XCU-NET在燒結(jié)煙氣氨法脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用。
1 脫硫工藝原理
從燒結(jié)機(jī)出來(lái)的原煙氣,經(jīng)電除塵器除塵后,由脫硫塔底部進(jìn)入。同時(shí)在脫硫塔頂部將氨水溶液噴入塔內(nèi)與煙氣中的SO2在脫硫塔中發(fā)生化學(xué)反應(yīng),吸收SO2的同時(shí)生成亞硫酸銨,并與空氣進(jìn)行氧化反應(yīng),生成硫酸銨溶液,經(jīng)中間槽、過(guò)濾器、硫銨槽、加熱器、蒸發(fā)結(jié)晶器、離心機(jī)脫水、干燥器即制得化學(xué)肥料硫酸銨,從而完成脫硫過(guò)程。煙氣經(jīng)脫硫塔的頂部出口排出,凈化后的煙氣由煙囪排入大氣。
對(duì)于氨法脫硫工藝,二氧化硫與硫酸銨的產(chǎn)出比約為1∶2,即每脫除1噸SO2就產(chǎn)生2噸硫酸銨。在吸收塔里的硫酸銨不是以離子形式存在于溶液里,就是以固體結(jié)晶的形式存在于漿液里。系統(tǒng)里的主要成品—溶解或結(jié)晶的亞硫酸銨已完全被氧化成硫酸銨,因此在副產(chǎn)品中氮的含量很容易大于20.5%。
2 脫硫分散控制系統(tǒng)的組成及布置
氨法脫硫系統(tǒng)中的測(cè)點(diǎn)不是很多,但要控制的閥門(mén)和設(shè)備較多。總I/O點(diǎn)約200個(gè),控制對(duì)象約80個(gè)。采用集中控制的方式,控制系統(tǒng)采用新華XCU-NET分散控制系統(tǒng)(DCS)完成整套脫硫設(shè)備及其輔助系統(tǒng)(包括電氣設(shè)備)的監(jiān)視與控制。
2.1 控制范圍
采用分散控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硫裝置的煙氣系統(tǒng)、 SO2吸收系統(tǒng)、氧化空氣系統(tǒng)、氨水儲(chǔ)蒸發(fā)、結(jié)晶系統(tǒng)等運(yùn)行工況的監(jiān)視和報(bào)警;對(duì)電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)門(mén)、風(fēng)門(mén)擋板以及電氣供電回路的斷路器的順序控制;以及對(duì)一些工藝閉環(huán)的控制和聯(lián)鎖保護(hù)。
2.2 控制水平
以分散控制系統(tǒng)(DCS)的CRT和鍵盤(pán)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(shè)備(布置在CRT臺(tái)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(bào)警和緊急事故處理。
2.3 控制系統(tǒng)構(gòu)成
脫硫DCS系統(tǒng)的控制柜安裝在脫硫綜合樓電子設(shè)備間內(nèi)。在脫硫綜合樓內(nèi)設(shè)集中控制室,DCS的操作員站、打印機(jī)、電除塵控制上位機(jī)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(shè)備及其輔助系統(tǒng)(包括電氣設(shè)備)的監(jiān)視與控制。設(shè)置了一個(gè)操作員站和一個(gè)工程師站,工程師站也可作為操作員站,兩站互為備用。每個(gè)操作員站配置2臺(tái)CRT。FGD裝置的分散控制系統(tǒng)按分層分級(jí)的原則設(shè)計(jì)。DCS系統(tǒng)將分成系統(tǒng)監(jiān)控層和過(guò)程控制層,在過(guò)程控制層中將分為兩級(jí)控制,即子功能組級(jí)和驅(qū)動(dòng)級(jí)。在不同層次和級(jí)別之間,通過(guò)通訊連接起來(lái)。圖1為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成。
![]() |
2.4 控制功能
D C S系統(tǒng)主要具備四個(gè)功能:數(shù)據(jù)采集和處理(DAS);模擬量控制(MCS);開(kāi)關(guān)量順序控制(SCS)和熱工保護(hù)。
2.4.1 監(jiān)視系統(tǒng)
脫硫裝置的熱工檢測(cè)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(lái)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(bào)警、事件序列、事故追憶、性能與效率計(jì)算和經(jīng)濟(jì)分析、打印制表、屏幕拷貝、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。
2.4.2 開(kāi)關(guān)量順序控制、聯(lián)鎖
輔機(jī)的聯(lián)鎖保護(hù)和啟?刂埔约耙恍┲饕y門(mén)的開(kāi)閉控制由DCS中的開(kāi)關(guān)量順序控制系統(tǒng)(SCS)來(lái)完成,實(shí)現(xiàn)功能組或子組級(jí)的控制,以減輕運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度,防止誤操作。主要操作的對(duì)象有:脫硫塔循環(huán)泵、增壓風(fēng)機(jī)、氧化風(fēng)機(jī)、密封風(fēng)機(jī)、脫硫塔硫銨漿液排出泵、硫銨漿液輸送泵、工藝水泵、氨水輸送泵等。
(1)順序控制
脫硫裝置順序控制的目的是滿(mǎn)足裝置的啟動(dòng)、停止及正常運(yùn)行工況下的控制要求,并實(shí)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(yùn)行。
順序控制的具體功能包括:1)實(shí)現(xiàn)脫硫裝置主要工藝系統(tǒng)的自啟停;2)實(shí)現(xiàn)脫硫塔及輔機(jī)、閥門(mén)、煙氣擋板的順序控制、控制操作及試驗(yàn)操作;3)實(shí)現(xiàn)輔機(jī)與其相關(guān)的冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、密封系統(tǒng)的連續(xù)控制;4)在發(fā)生局部設(shè)備故障跳閘時(shí),聯(lián)鎖啟停相關(guān)設(shè)備;5)實(shí)現(xiàn)脫硫廠用電系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制。
(2)保護(hù)與聯(lián)鎖
保護(hù)動(dòng)作主要分四大類(lèi):1)報(bào)警信號(hào):向操作人員提示裝置運(yùn)行中的異常情況;2)聯(lián)鎖保護(hù):必要時(shí)按程序自動(dòng)啟動(dòng)或自動(dòng)切除某些設(shè)備及系統(tǒng),使脫硫裝置保持原負(fù)荷運(yùn)行或減負(fù)荷運(yùn)行;3)跳閘保護(hù):當(dāng)發(fā)生重大故障,危及設(shè)備或人身安全時(shí),實(shí)施跳閘保護(hù),停止整個(gè)裝置(或某一部分設(shè)備)運(yùn)行,避免事故擴(kuò)大;4)熱工保護(hù):脫硫系統(tǒng)的熱工保護(hù)由DCS獨(dú)立的分散處理單元來(lái)完成。主要實(shí)現(xiàn)的保護(hù)功能:脫硫裝置的保護(hù)動(dòng)作條件包括脫硫裝置進(jìn)口溫度異常、進(jìn)口壓力異常、出口壓力異常、燒結(jié)機(jī)主燃料跳閘(MFT)、增壓風(fēng)機(jī)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開(kāi)等。當(dāng)發(fā)生上述情況時(shí),脫硫裝置停運(yùn)并自動(dòng)打開(kāi)煙氣旁路擋板,通過(guò)關(guān)閉原煙氣擋板和凈煙氣擋板來(lái)斷開(kāi)進(jìn)入脫硫裝置的煙氣通道,使用煙氣旁路,直達(dá)煙囪排放。
控制室設(shè)旁路擋板門(mén)手動(dòng)按鈕,在緊急狀態(tài)時(shí),可強(qiáng)制開(kāi)關(guān)旁路擋板門(mén),保證鍋爐安全運(yùn)行。脫硫裝置的DCS系統(tǒng)與燒結(jié)機(jī)的DCS控制系統(tǒng)之間的接口采用硬接線方式。主要信號(hào):燒結(jié)機(jī)側(cè)風(fēng)量信號(hào);燒結(jié)機(jī)狀態(tài)(MFT、火焰、吹掃等信號(hào));燃燒器運(yùn)行(或停止)信號(hào);煙道壓力信號(hào);電除塵電場(chǎng)投入狀況信號(hào)等。脫硫側(cè):增壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行(或停止)信號(hào);旁路擋板狀態(tài)信號(hào);脫硫裝置運(yùn)行(或停止)信號(hào)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,減少氨水的供應(yīng)量。
2.5 儀表測(cè)量
2.5.1 主要檢測(cè)儀表
為了防止原煙氣中SO2溶于凝結(jié)水腐蝕煙道壁,原煙氣溫度必須大于120℃;為了防止吸收塔內(nèi)漿液溫度過(guò)高,且保證原煙氣溫度要小于180℃,在脫硫裝置原煙道和凈煙道上均裝有煙氣溫度測(cè)量元件,而且采用三取二測(cè)量方式。
脫硫裝置主要檢測(cè)儀表有:出入口煙氣壓力、旁路擋板差壓、原煙氣SO2濃度、原煙氣O2濃度、凈煙氣 SO2濃度、凈煙氣O2濃度、凈煙氣NOX濃度、凈煙氣煙塵濃度、增壓風(fēng)機(jī)出入口壓力、氨水箱液位、硫酸銨漿液密度、氨水流量、吸收塔液位、硫銨漿液pH值、塔底pH值、中間箱pH值、濁度儀等。
2.5.2 煙氣分析測(cè)量
煙氣分析測(cè)量采用美國(guó)KVB公司的多組分氣體分析儀,將測(cè)量信號(hào)送入DCS并在脫硫控制室中進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。分析設(shè)備能自動(dòng)完成機(jī)械控制、數(shù)據(jù)采集、初級(jí)計(jì)算、樣品稀釋、探頭清洗切換的自動(dòng)控制和校準(zhǔn)。
2.5.3 儀表設(shè)置原則
為保證測(cè)量可靠,重要保護(hù)用的過(guò)程狀態(tài)信號(hào)和自動(dòng)調(diào)節(jié)的模擬量信號(hào)等采用三重或雙重測(cè)量方式。如吸收塔液位、脫硫裝置進(jìn)出口壓力采用三取二測(cè)量方式,硫銨漿pH值、氨水箱液位、中間槽液位、工藝水箱液位等采用雙重測(cè)量方式。
2.6 可靠性措施
2.6.1 冗余
控制器冗余配置;數(shù)據(jù)高速公路冗余;D C S的 I/O機(jī)柜供電電源冗余(一路來(lái)自脫硫島UPS電源,另一路來(lái)自脫硫島保安電源);機(jī)柜內(nèi)供電雙重化;關(guān)鍵的模擬量參數(shù)冗余設(shè)置(吸收塔液位和漿液pH值測(cè)量);DCS設(shè)置2臺(tái)操作員站,每個(gè)操作員站以?xún)蓚(gè)結(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)公路相連,同時(shí)2臺(tái)操作員站互為備用。如圖2所示。
![]() |
采用微處理器技術(shù)的控制系統(tǒng),均具有自診斷功能,在內(nèi)部故障還沒(méi)有干擾生產(chǎn)過(guò)程之前,即能在系統(tǒng)本身范圍內(nèi)探測(cè)到故障并實(shí)行防止故障擴(kuò)大的措施,同時(shí)也能進(jìn)行報(bào)警和記錄。
脫硫DCS與機(jī)組的DCS之間關(guān)鍵信號(hào)的交換采用硬接線的方式。
2.6.2 DCS的可靠性指標(biāo)
系統(tǒng)可用率≥ 9 9 . 9 % ; 系統(tǒng)精度: 輸入信號(hào) ±0.1%(高電平),±0.2%(低電平),輸出信號(hào) ±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。
2.6.3 DCS系統(tǒng)裕量
最繁忙時(shí),控制器CPU的負(fù)荷不大于60%,操作員站負(fù)荷率不大于40%;內(nèi)部存儲(chǔ)器占用容量不大于50%,外部存儲(chǔ)器占有容量不大于40%;每種I/O點(diǎn)裕量不少于15%;I/O模件槽裕量不少于15%;電源負(fù)荷裕量不少于30%;通訊總線的負(fù)荷率不大于30%(令牌網(wǎng)), 20%(以太網(wǎng))。
3 主要控制回路
3.1 脫硫塔系統(tǒng)
脫硫塔系統(tǒng)包括SGC(Subgroup Circuit)脫硫塔硫銨漿液循環(huán)、SGC除霧器沖洗、SGC脫硫塔排水坑、 SGC氧化空氣及攪拌器裝置、SGC事故漿液槽、DCM吸收塔濾液補(bǔ)水閥。
脫硫塔漿液循環(huán)泵連續(xù)運(yùn)行,加入吸收塔的氨水量根據(jù)煙氣流量、SO2含量、SO2脫除率和脫硫塔漿液的pH值進(jìn)行控制;脫硫塔的液位通過(guò)脫硫塔排出泵來(lái)控制,硫銨排出泵連續(xù)運(yùn)行,到中間槽漿液及返塔漿液通過(guò)關(guān)斷閥連鎖(保持1開(kāi)1關(guān)),均以間斷方式運(yùn)行;通過(guò)吸收塔濾液補(bǔ)水調(diào)節(jié)閥控制吸收塔漿液密度。
3.2 脫硫塔內(nèi)漿液pH值控制
脫硫塔內(nèi)漿液pH值是由送入塔內(nèi)的氨水流量進(jìn)行控制的,其控制的目的是為了獲得最高的氨水利用率、保證預(yù)期的脫硫效果及提高脫硫裝置適應(yīng)燒結(jié)機(jī)負(fù)荷變化的靈活性。脫硫塔內(nèi)漿液pH值是氨法煙氣脫硫系統(tǒng)中最主要、也是相對(duì)較復(fù)雜的控制回路。
脫硫裝置運(yùn)行中,可能引起塔內(nèi)漿液pH值變化或波動(dòng)的主要因素為煙氣量與煙氣中SO2濃度,還有氨水的濃度及供給量等。
圖3為塔內(nèi)漿液pH值控制系統(tǒng),前饋控制器用來(lái)克服由于煙氣量與煙氣中SO2濃度的變化對(duì)被控變量pH值造成的影響;而反饋控制器起反饋?zhàn)饔。將漿液pH值與設(shè)定的pH值進(jìn)行比較,得到的差值信號(hào)與作為前饋信號(hào)的燒結(jié)煙氣與煙氣中SO2濃度的綜合信號(hào)相疊加,前饋與反饋共同作用產(chǎn)生一個(gè)調(diào)節(jié)信號(hào),來(lái)控制氨水供給閥門(mén)的開(kāi)度,使塔內(nèi)漿液pH值維持在設(shè)定值上。另外,由于增加了氨水流量中間信號(hào),流量測(cè)量值要比pH值測(cè)量值更快、更直接。采用流量信號(hào)后,改善了對(duì)象的特性,使調(diào)節(jié)過(guò)程加快,且有超前控制的作用,并且有一定的自適應(yīng)能力從而有效地克服滯后,提高了控制質(zhì)量。
![]() |
3.3 脫硫塔液位控制
脫硫塔液位應(yīng)保持在某一范圍內(nèi),以維持塔內(nèi)足夠的持液量,保證脫硫效果。塔內(nèi)液位是由調(diào)節(jié)進(jìn)入的氨水量來(lái)控制的,由于漿液的蒸發(fā)和攜帶的原因,流出塔的煙氣所攜帶的水分要大于進(jìn)入塔內(nèi)的煙氣水分。因此,需要不斷地向塔內(nèi)補(bǔ)入氨水,在維持塔內(nèi)的液位的同時(shí)也起到了調(diào)節(jié)塔內(nèi)漿液濃度的作用?刂扑䞍(nèi)漿液濃度的主導(dǎo)手段是控制硫酸銨漿液的排放量。
由于塔內(nèi)漿液的損失量與煙氣量成正比,當(dāng)煙氣量增加時(shí),蒸發(fā)與攜帶的量也增大,將使塔內(nèi)液位下降速率加快;而且,塔的橫截面很大,單靠液位偏差信號(hào)調(diào)節(jié)進(jìn)入塔內(nèi)的量,其調(diào)節(jié)速度比較緩慢。因此,塔內(nèi)液位控制系統(tǒng)將煙氣量作為液位調(diào)節(jié)的提前補(bǔ)償信號(hào),來(lái)補(bǔ)償煙氣量變化對(duì)液位的影響,以克服液位調(diào)節(jié)的較大慣性,加快調(diào)節(jié)速度。
圖4為塔內(nèi)液位控制回路原理?刂葡到y(tǒng)的作用是啟動(dòng)氨水電動(dòng)閥門(mén),接受開(kāi)關(guān)量信號(hào),在W=1時(shí)開(kāi)啟閥門(mén),進(jìn)行補(bǔ)償氨水。結(jié)束后關(guān)閉閥門(mén),開(kāi)關(guān)量是基于運(yùn)算回路形成的。
![]() |
3.4 氨水供應(yīng)系統(tǒng)
氨水流量控制回路根據(jù)脫硫量的需要調(diào)節(jié)供給吸收塔的氨水流量,通過(guò)測(cè)量原煙氣流量和SO2含量而得到。由于氨水流量的調(diào)節(jié)影響著吸收塔反應(yīng)池中漿液的 pH值,為了使化學(xué)反應(yīng)更完全,應(yīng)該將pH值保持在某一設(shè)定值;當(dāng)pH值降低,所需的氨水流量應(yīng)按某一修正系數(shù)增加。將實(shí)際測(cè)量的pH值與設(shè)定值進(jìn)行比較,通過(guò)pH值控制器產(chǎn)生一修正系數(shù),對(duì)所需的氨水流量進(jìn)行修正。將經(jīng)pH值修正后的所需氨水流量與實(shí)際的氨水流量進(jìn)行比較,通過(guò)比例積分控制器控制氨水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。氨水輸送泵與氨水槽液位聯(lián)鎖,以保證輸送泵安全。氨水輸送泵共設(shè)2臺(tái),1運(yùn)1備。
3.5 硫銨溶液排出系統(tǒng)
從脫硫塔出來(lái)的硫銨溶液的流量作為脫硫量的函數(shù)從脫硫塔底部溶液池中排出?梢酝ㄟ^(guò)硫銨溶液流量閉環(huán)控制回路中氨水溶液的實(shí)際流量間接地確定應(yīng)排放的硫銨溶液的實(shí)際流量,該流量值經(jīng)脫硫塔出口溶液濃度的修正,即濃度高時(shí)延長(zhǎng)硫銨溶液排放時(shí)間,濃度低時(shí)縮短硫銨溶液排放時(shí)間。溶液通過(guò)排放泵排到硫銨溶液中間槽。
脫硫塔底部溶液槽內(nèi)溶液混合物的濃度應(yīng)保持某一水平,使固體懸浮物保持在最佳水平,防止結(jié)垢并使晶體成片,以便能夠?qū)崿F(xiàn)最大脫水率。通過(guò)調(diào)節(jié)脫硫塔氨水閥開(kāi)度來(lái)保持脫硫塔內(nèi)溶液的密度。為加快系統(tǒng)響應(yīng)速度,加入燒結(jié)機(jī)負(fù)荷作為前饋信號(hào),并通過(guò)煙氣中 SO2成分和脫硫塔溶液的密度來(lái)控制從脫硫塔循環(huán)中排出的硫銨溶液量。
3.6 增壓風(fēng)機(jī)壓力(流量)控制
增壓風(fēng)機(jī)壓力(流量)控制回路采用復(fù)合控制系統(tǒng),以增壓風(fēng)機(jī)入口為被控量。為了跟蹤燒結(jié)機(jī)的負(fù)荷變化,采用燒結(jié)機(jī)負(fù)荷作為控制系統(tǒng)前饋信號(hào),將壓力測(cè)量值與不同燒結(jié)機(jī)負(fù)荷下的設(shè)定值進(jìn)行比較,得到差值與燒結(jié)機(jī)負(fù)荷信號(hào)相疊加,前饋與反饋控制共同作用產(chǎn)生一個(gè)調(diào)節(jié)信號(hào),來(lái)控制增壓風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),使增壓風(fēng)機(jī)入口煙道壓力值維持在設(shè)定值上,以減少引風(fēng)機(jī)后至脫硫裝置進(jìn)口段煙氣的壓力偏移。增壓風(fēng)機(jī)壓力(流量)復(fù)合控制系統(tǒng)見(jiàn)圖5。
![]() |
4 小結(jié)
在工程實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,依照DCS的特點(diǎn)采用典型的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)燒結(jié)煙氣脫硫工程中的控制,可以保證不出現(xiàn)誤操作事故,并增加了相當(dāng)部分的判據(jù)條件和 I/O測(cè)點(diǎn),這種方式的優(yōu)點(diǎn)是能較方便地對(duì)DCS進(jìn)行檢查,同時(shí)也增大了控制的可靠性。
參考文獻(xiàn):
[1] 汪波.氨法在燒結(jié)煙氣脫硫中的應(yīng)用[J].中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè),2008(5).
[2] 辜勝阻,等. 發(fā)展我國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略對(duì)策[J].科技進(jìn)步與對(duì)策,2000,17 (1):17-19.
[3] 胡昌華. 氨吸收法(NADS氨-肥法)煙氣脫硫技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].四川電力技術(shù),2001(5):1-3.
[4] 肖文德,吳志泉,等.二氧化硫脫除與回收[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2001,5:129-163.
![使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”](http://www.www.bestschotzproductions.com/gtech_pic/images/images/qrcode_for_gh_7f21ccef0be4_430.jpg)
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”