电厂脱硫控制系统与顺序控制设计

周森

摘要：由于脱硫系统比较复杂，包括多个系统，位置也相对分散，而分布式控制系统DCS 是适合大型工业生产过程的主流控制系统。所以脱硫控制系统采用 DCS 进行集中控制和监视，控制脱硫系统的启停和调控。在机组正常运行工况下，DCS 控制系统对脱硫装置的运行参数和设备的运行状态进行的有效的监控和控制，并能够自动控制二氧化硫等大气污染物的排放总量及浓度在规定的要求范围内，以达到环境保护的目的。

关键词：脱硫系统；DCS；顺控

1 脱硫控制系统的组成

整套脱硫控制系统采用脱硫控制室集中控制的方式。以 DCS 的液晶显示屏 LCD和鼠标作为机组的主要控制监视中心，在脱硫控制室内完成两台炉脱硫装置及其公用系统的启停及各参数的调整和正常运行情况的监测、报警和处理紧急事故。脱硫控制系统主要具备三个功能：数据采集和处理（DAS），模拟量控制（MCS）以及开关量顺序控制（SCS）。分散控制系统监控的范围主要包括下列系统：石灰石浆液制备系统、烟气系统（烟道和烟气挡板）、湿法烟气脱硫装置系统、浆液排空系统、石膏脱水系统、废水处理系统、工业水系统。除以上工艺系统外，脱硫系统的电气的监控也纳入脱硫系统。DCS 控制系统最大的优点就是功能分级，每级信息反馈到上级，上级再把命令传到下级。所以脱硫系统将分成机组监控层和过程控制层，而过程控制层又分成子功能组级和驱动级。

在子功能组级中，可以体现出分散或分组的概念，各组之间相对独立又可相互通讯，每一组承担机组的一个局部控制功能，这一级接受来自各工作站的指令（即操作员站），又向驱动级发出指令。驱动级（即基本控制级），属于最低的一级，是单一控制项目的控制手段。这一级接受子功能组的控制指令或运行人员手动操作指令，并具有必要的联锁保护功能。驱动级的输出指令主要控制电动机、电动门、执行机构、电磁阀等就地设备。

2 脱硫控制系统的软硬件配置

脱硫系统采用 DCS 控制，在脱硫综合楼设有脱硫控制室及脱硫系统电子设备间，脱硫控制室设有操作员站，方便调试和投运。脱硫系统就地仪表控制设备随脱硫岛成套供货。主要设备有控制器及 I/O 机柜；操作员站；工程师站；冗余的 DPU处理单元；打印机、图形硬拷贝打印机、工程师站打印机、冗余的网络系统以及通讯接口等。系统体系结构如图。

系统主要硬件设备选定以后，对系统 I/O 点数进行了统计并确定，然后选取相应的输入输出模块。系统 I/O 点分脱硫 DCS 系统单元机组和脱硫 DCS 系统公用系统进行统计，其中又分为工艺和电气两部分。经过统计分析并充分考虑冗余 I/O 点数，得到脱硫 DCS 系统单元机组 I/O 点数和公用系统 I/O 点数统计表。脱硫 DCS 系统过程 I/O 可分为模拟量输入/输出、数字量输入/输出、热电阻输入/输出。经分析统计硬件设备的 I/O 数量且考虑冗余。软件组成有人机界面、控制组态、现场控制器运行、浏览器软件、设备管理系统以及工具包软件等。其中控制组态软件所起的作用非常大，它可以对数据总控进行组态、对设备和控制器算法进行组态并能生成图形和报表；能够搭建功能块图和逻辑编程。人机界面友好，方便操作人员对回路进行操作（设定、手动、修改参数、顺控调整），操作方式切换，报警限制调控等，还可以对报表进行打印、复制流程等操作。工程师属性包括系统组态和系统维护。

3 脱硫系统主要顺序控制设计

3.1脱硫烟气系统

烟气系统在脱硫的顺序控制系统中非常重要，因为烟气是引风机从锅炉经过电除尘引入吸收塔的，所以它直接影响到机组的安全稳定运行，因此对于烟气系统来说最基本的就是保障机组的安全。为减少二氧化硫的排放量，烟气直接进入吸收塔经过脱硫后排出，坚决不设置旁路烟道，不允许不经净化的烟气直接排入空气中。同时为了让烟气顺利进入吸收塔，在烟气进入吸收塔前设置增压风机，并在增压风机上设置压力和温度检测装置，从而方便调控风量。烟气进入脱硫塔后逆流而上与喷嘴从上往下喷出来的雾化浆液滴进行充分反应，净化过的烟气再经过高效除雾器后进入烟囱直接排入空气中。

3.2脱硫吸收塔系统

吸收塔是脱硫系统的核心子系统，它相当于一个大反应器，烟气的净化就是在这里完成的，同时还能形成副产物二水石膏，具有经济价值，真正实现废物利用。吸收塔内包括除雾器、喷淋层等，通常吸收塔系统是与集水坑系统、浆液系统和石膏脱水系统互相制约互相配合，必须满足一定的要求才能进行启动和工作。

3.3脱硫除雾器系统

设置除雾器的目的是脱除净化后烟气中的雾滴，因为雾滴中会含有二氧化硫，如果跟随烟气排放到空气中，就会导致硫排放超标，降低效率，污染大气。所以在吸收塔烟气出口处设置三级高效屋脊式除雾器装置进行高效除雾。但是当除雾器投入使用一段时间后，随着对烟气中浆液雾滴的脱除，除雾器上会累积一些浆液颗粒，时间长了还会结垢，造成除雾器的堵塞，大大影响除雾效果，所以应该定期对除雾器进行冲洗。给除雾器设计冲洗装置，及时对除雾器进行冲洗，可以大大减少结垢率。冲洗装置设计共三层且每层冲洗设计四台冲洗电动阀门。如果冲洗的时候各个电动阀门一起出水，那会影响出水压力，冲洗效果不好，所以这里选择逐层逐个冲洗，既保证了出水压力又能使除雾器保持干净。冲洗需要有一个合理的顺序，这样才不会产生石膏雨，所以设计除雾器的冲洗顺序是先冲最上面一层，再冲第二层，然后再冲洗第三层，返回来再一次冲洗第二层，最后再冲洗第一层，在冲洗的过程中冲洗时间以及相邻层之间的时间间隔都能通过上位机设定，操作人员可以随时调整。除雾冲洗时间指每个除雾器的电动阀从开到关的时间。循环间隔时间为一层除雾器全部冲洗结束到开启下一层除雾器的时间间隔。

4 浆液 PH值的 PID 控制

石灰石浆液的给浆量对脱硫系统的效率的影响非常大。如果给浆量太少，则吸收剂不够，就不能把烟气中的二氧化硫全部吸收掉，使烟气出口含硫量增加，导致脱硫效率降低。如果给浆量太多的话，则会使石膏中的碳酸钙含量增加，降低了石膏的品质。所以这里需要一个合适的给浆量，给浆量可以通过吸收塔内的 PH 值、吸收塔入口和出口的二氧化硫的浓度进行调节，这里通过调节浆液的PH 值来对给浆量进行调节。

吸收塔内 PH 的大小是影响脱硫反应的一个非常关键的因素，PH 越大，二氧化硫溶解的越快，但是当 PH 升高到一定值时会降低反应速度，而 PH 过低时，虽然有利于溶解石灰石，但是不利于二氧化硫的吸收，所以，当 PH 值大于 6 时，说明给浆量太大，不仅耗费大量的石灰石，也影响了石膏的品质，还增加了吸收塔中浆液的浓度，使吸收塔的搅拌器不能正常工作，不能正常搅拌的结果是吸收塔底部累积沉浆，造成石膏排出泵出入口管道堵塞，搅拌器的搅拌出力不足，最终导致搅拌器损毁；当 PH 值过低且低于 5 时，说明给浆量过少，石膏中混入 CaSO3，使得石膏脱水困难，纯度降低，还会降低脱硫效率，同时造成设备和管道的腐蚀和结垢，缩短使用寿命。根据现场的运行经验，PH 控制在 5-6 之间最好。

由 PID 控制给浆出口阀门的开度可以控制给浆流量，当 PH 值增加时，减小给浆量出口阀门的开度，减少给浆量。当 PH 值降低时，增大给浆量的出口阀门的开度，增加给浆量；然而，由于吸收塔浆液池的体积很大，导致 PH 值调节的响应很慢，不能立刻达到目标值，所以普通 PID 调节不合适，故而使用串级 PID 控制。串级控制系统通过串联两个调节器来工作，一个主调节器一个副调节器，主调节器的输出是副调节器的输入。当吸收塔浆液 PH 值发生变化时，两个调节器共同作用来调节，以便能够快速响应，使 PH 能在允许的时间内达到目标值。

5.总结

脱硫系统包含多个子系统，控制比较分散，而 DCS 系统具有分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便等优点，实现系统的调整、监视、报警和事故处理等功能。

参考文献:

1. 彭飞. 燃煤锅炉烟气脱硫提效系统的设计与实现[D]. 华北电力大学 2018

2. 张晓春. 分散控制系统在烟气脱硫工程中的应用[J]. 电子技术与软件工程, 2014（11）, 268-269.