湿法烟气脱硫控制系统方案研究

张春燕

（华北电力大学 北京 102206）

随着国家越来越严格的环保减排规定以及环保核查要求，脱硫设施数据监测的准确与否和脱硫设备控制的稳定与否，决定着环境质量管理和总量控制。作为监测和控制手段的烟气脱硫控制系统，是整个脱硫系统的一个重要组成部分[1]，控制系统的选型和设计的成功，既能保证脱硫系统的正常工作和异常工况的系统安全，又能与单元机组控制系统相协调，从而保证锅炉及机组的安全运行。因此，脱硫控制系统方案的研究和设计，就显得尤为重要。

文中在研究石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术和工艺的基础上，以北京高井热电厂脱硫改造工程为实例，详细探讨了湿法脱硫控制系统的方案设计。

1 湿法脱硫技术概述

石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术具有脱硫效率高、技术成熟、运行可靠性好、吸收剂资源丰富等优点，是世界上实用业绩最多的烟气脱硫技术[2]。在我国，湿法烟气脱硫已占98%以上。该技术原理是：以石灰石浆液作为脱硫剂，烟气由原烟气通道进入吸收塔内向上流动，被向下流动的石灰石浆液滴以逆流方式所洗涤。石灰石浆液滴通过喷浆层喷射到吸收塔中，与吸收塔内二氧化硫反应，生成副产品石膏，从而达到脱除二氧化硫的目的[3]。

北京高井热电厂脱硫工程由美国常净环保工程公司承建、Marsulex环保技术公司提供技术支持。该项目包括3套烟气脱硫系统，1号脱硫系统处理1～4号锅炉的烟气，2号脱硫系统处理5～6号锅炉的烟气，3号脱硫系统处理7～8号锅炉的烟气。3套脱硫系统各包括1台增压风机、1台GGH、1座吸收塔、2台氧化风机及3台浆液循环泵。3套脱硫系统公用1套石灰石制浆系统、1套石膏脱水系统、1套事故浆液罐和1套废水处理系统。

2 控制方案的设计和研究

2.1 控制方式设计

采用集中控制方式，设置了2套分散控制系统，分别监控1、2、3号脱硫设备和公用系统。运行人员在脱硫控制室内通过DCS进行监视和操作，实现脱硫系统启/停、正常运行的监视和调整以及异常与事故工况的处理。

2.2 控制系统硬件配置

控制系统采用大连正兴电气控制有限公司配套的德国西门子公司SIMATIC PCS7过程控制系统，以实现数据采集和处理（DAS）、开关量顺序控制（SCS）以及模拟量控制（MCS）等功能。

DCS控制系统配置了3套操作员站，每套操作员站配2台液晶显示器，配置2套工程师站，各配1台液晶显示器，同时配有控制室打印机和工程师站打印机共2台。整个DCS系统按照CPU冗余、通讯冗余、电源冗余进行配置。脱硫DCS与锅炉主机DCS系统的信号连接通过硬接线方式连接。DCS电源系统由一台专用UPS和APS两路供电，以确保系统的安全运行。

2.3 I/O清单设计

湿法脱硫系统I/O点较多，高井热电厂脱硫系统I/O点具体分配情况如表1所示。

表1 I/O点分配Tab.1 I/O Point distribution

2.4 自动调节系统设计

湿法脱硫自动调节系统主要包括增压风机入口压力控制、石灰石给料量控制、石膏滤饼厚度控制、球磨机给水量控制、工艺水箱液位控制等。

2.4.1 增压风机入口压力控制

增压风机位于锅炉引风机后，根据上游设备的运行工况控制其压力。增压风机入口压力调节控制系统采用单回路PID调节，测量值为增压风机入口压力，量程范围-500～500 Pa，调节器设定值为-200 Pa左右。2、3号脱硫系统增压风机动叶角度变化范围为25～67°，1号脱硫系统增压风机动叶角度变化范围-40～15°。

当调节回路投入自动模式时，调节器根据实际压力变化自动调节增压风机动叶角度，从而保证主机锅炉炉膛负压，完成良好的调节功能。当设定值与测量值偏差超过设定偏差值，或增压风机入口压力1、2压力差超过设定压差，或增压风机入口压力1、2测量通道故障时，自动调节回路自动切换为手动模式，并且调节器输出保持切换前的输出值。

2.4.2 石灰石给料量控制

石灰石给料量控制吸收塔中SO2去除量，石灰石给料量控制系统采用单回路PID调节。测得的原烟气流量、原烟气SO2浓度和化学计量比计算得出的石灰石浆液流量，通过PH测量值及折减因子叠加校正后作为设定值。测量值为石灰石给料量，量程范围0～10吨/小时，经送至主控器的浆液密度修正后作为实际量，并与设定值比较，通过偏差量来控制调节阀的开度。

根据计算出的浆液总流量和测得的密度 （固体成份）来计算加入到吸收塔中的固态石灰石量。再循环吸收塔浆液的PH值被叠加到SO2和烟气量信号来提供吸收塔中溶解石灰石密度的校正值。

设定值具有内给定和外给定两种选择，当选择内给定方式时，由操作员根据工艺运行需要设定给料量。当选择外给定方式时，给料量设定值根据石灰石浆液浓度变化按照设定的函数曲线而变化。调节回路输出控制称重给料机变频器从而自动改变给料量。

石灰石给料量与浓度变化关系如下：

x——操作员设定的浓度（%），合格的浓度范围50～61%，设定值为55%

y——给料量（t/h）

G——称重给料机的最大安全输送量t/h，可设定，高井脱硫系统设为10（t/h）

当 x＜55，则 y=G。

当 x＞ 61；则 y=0

注：当浓度设定值改变时，本式也随之改变。

2.4.3 石膏滤饼厚度控制

石膏滤饼厚度控制系统采用单回路PID调节，测量值为石膏厚度，测量范围0～50 mm。石膏厚度设定值一般为25 mm，也可根据实际运行需要在0～50 mm范围内设定。调节回路输出控制带速变频器，变频器变化范围0～50 Hz。当调节回路投入自动模式时，调节回路根据石膏厚度变化自动调节皮带速度，从而维持恒定的石膏厚度，保证了皮带脱水系统真空泵稳定运行。

2.4.4 球磨机给水量控制系统

球磨机给水量控制系统采用单回路PID调节，测量值为浆液循环箱液位，测量范围为0～1.383 m，正常运行时设定值为1.0 m。调节回路输出控制给水阀门，当调节回路投入自动方式时，完成自动调节以维持浆液循环箱稳定的液位，最终保证工艺需要的浆液浓度。

2.4.5 工艺水箱液位控制系统

为了既保证整个脱硫系统工艺水供应，又能保证上游供水稳定。工艺水箱液位控制系统采用单回路PID调节，测量值为工艺水箱液位。正常运行时设定值为5.0 m。当调节回路投入自动方式时，完成自动调节以维持工艺水箱稳定的液位。

2.5 顺序控制系统（SCS）设计

SCS系统完成对脱硫系统转动设备的启停控制、电动门的控制以及联锁保护功能[4]。 顺控系统的合理设计可以大大减轻运行人员的劳动强度，减少运行人员的误操作[5]。

SCS主要采用3种基本控制方式[6]：

1）驱动级控制，负责对脱硫系统某个设备如电动门、电磁阀、电动机和电动执行机构等设备进行单独的启停或开关；

2）子组级控制，以一个辅机为主及相关设备的启停提供子组级控制；

3）功能组级控制，整个脱硫系统启停的自动控制并对子组发出控制命令。

下面首先对脱硫系统重要设备增压风机的联锁保护条件进行设计，接着对脱硫系统的顺序控制功能进行详细介绍，并举例说明。

2.5.1 增压风机联锁保护条件的设计

1）增压风机允许启动条件

启动增压风机时，应同时满足如下条件：

①出口挡板打开位置；

②增压风机润滑油流量不低；

③增压风机油泵A运行或油泵B运行；

④增压风机电机润滑油泵A运行或油泵B运行；

⑤增压风机轴承1-6号温度低于85℃；

⑥电机非驱动端轴承温度低于70℃；

⑦电机驱动端轴承温度低于70℃；

⑧增压风机轴承X方向振动低于6.3；

⑨增压风机轴承Y方向振动低于6.3；

⑩增压风机风机润滑油压力正常；

(11)增压风机电机润滑油压力不低；

(12) 增压风机动叶开度最小；

(13)增压风机轴后密封冷却风机1、2任一运行与增压风机轴后密封冷却风机3、4任一运行；

(14)循环泵A、B、C至少两台泵运行；

(15)电气开关启动条件具备。

2）增压风机保护跳闸条件

当出现以下任一情况时，增压风机保护跳闸：

①增压风机轴承1-6号温度高高跳闸，定值为100℃；

②A相线圈温度1高高跳闸，定值为135℃；

③B相线圈温度1高高跳闸，定值为135℃；

④C相线圈温度1高高跳闸，定值为135℃；

⑤电机驱动端轴承温度高高跳闸，定值为80℃；

⑥电机非驱动端轴承温度高高跳闸，定值为80℃；

⑦增压风机轴承X方向振动高高跳闸；

⑧增压风机轴承Y方向振动高高跳闸；

⑨增压风机风机润滑油压力低延时900 s；

⑩增压风机电机润滑油压力低延时900 s。

2.5.2 重要顺控设计

高井热电厂脱硫系统设计了除雾器冲洗、浆液循环泵冲洗、排浆泵冲洗、GGH高压水/低压水/空气吹扫、溢流箱排出泵自动冲洗、脱水皮带启/停、脱水给料箱排出管路自动冲洗、滤液箱排出泵自动冲洗、石灰石卸料系统启/停、浆液循环箱排出泵自动冲洗等顺控共计52项。下面就GGH空气吹扫顺控步序进行举例说明。

GGH空气吹扫顺控：

1）PLC控制吹枪前进至开始位置，由编码器判断；

2）PLC打开气动阀门；

3）PLC确认阀门在开位置；

4）PLC确认空气压力为6 bar左右 （大于 5.3 bar，小于6.7 bar）；

5）PLC确认空气压力符合要求，吹枪停留一圈（40秒）；

6）PLC控制吹枪步进75 mm并停留40秒；直至到达“全伸缩位置”，由编码器判断；

7）PLC 控制吹枪停留一圈（40 s）；

8）PLC关闭气动阀门；

9）PLC确认气动阀门在关闭位置；

10）PLC控制吹枪停留5 min，防止凝露；

11）PLC控制吹枪连续回退，直到达到“停止位”，由编码器判断；

12）PLC控制吹枪停留2 min；

13）PLC控制吹枪回退到“停留位”，由限位开关判断；

14）空气吹灰流程结束。

2.6 重要仪表的选型和设计

2.6.1 密度计

密度计最初选用德国E+H公司产品，放射源采用CS137。后来考虑到放射源的危险性较大，改造为不带放射源的CMF系列质量流量计，厂家为北京科力博奥仪表技术有限公司。密度测量采用2选1测量，互为备用，由运行人员在DCS画面切换选择。

2.6.2 PH计

PH计采用美国ABB公司产品，型号为TB557。PH计设计为2选1方式，配置两个探头和一套两路变送器。PH值测量范围为0～14，为4～20 mA电流输出。探头需要定期校验，分别在PH=4和PH=7处进行两点校验。

2.6.3 液位计

脱硫系统中的溢流箱、脱水给料箱、滤液箱、石灰石给料箱、区域地坑和事故浆液罐液位测量全部采用德国E+H公司制造的超声波液位计。其中事故浆液罐液位测量超声波液位计供电电源为220 VAC，4～20 mA输出。其它超声波液位计为 2线制，24 VDC，4～20 mA 输出。

2.6.4 石灰石粉仓料位测量

石灰石粉仓料位测量采用德国E+H公司制造的导波雷达式料位测量，220 VAC供电，4～20 mA输出。

3 结束语

以上控制方案的设计已经在高井热电厂脱硫[7]项目上得以实施应用，所有模拟量调节系统、设备顺控以及连锁保护全部实现了自动控制，并且取得了良好的效果。

实践证明，一套考虑周全、设计合理的自动控制系统会为设备的运行带来很大的便利，使得运行人员能方便地监视各设备参数，控制就地各设备，确保了系统稳定运行，提高了工作效率。另外，脱硫效率满足国家和北京市排放标准，取得了明显的经济效益和社会效益。

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