工业窑炉半干法脱硫自动控制的应用研究

 工业窑炉半干法脱硫自动控制的应用研究

张智勇

神华新疆能源有限责任公司活性炭分公司 新疆乌鲁木齐 830027

摘要：随着人们环保意识的日益提高，国家环保政策的日趋严格，对待污染物排放的指标要求也越来越高，结合当地缺水情况和燃煤中低含硫量，选取高效石灰石半干法脱硫工艺应用于工业生产，可大力改善周遭环境污染。

关键词：半干法脱硫  联锁逻辑  自动控制  工艺应用

Application of semi dry desulfurization automatic control in industrial kiln

Zhang Zhiyong

（Shenhua Xinjiang Energy Co., Ltd，Urumqi, Xinjiang，830027）

Abstract: With the increasing awareness of environmental protection and the increasingly strict national environmental protection policies, the index requirements for pollutant emission are also higher and higher. Combined with the local water shortage and low sulfur content of coal, the efficient limestone semi dry desulfurization process is applied to industrial production, which can greatly improve the surrounding environmental pollution.

Key words: Application of semi dry desulfurization interlock logic automatic control process

引 言

脱硫控制采用分散控制系统(DCS)，确立DCS操作员站的主导地位。形成以操作员站位操作手段，通过DCS的数据采集、顺序控制、闭环自动调节和完善的连锁保护来实施，以满足工艺系统监视、控制、报警和保护的要求。

一、控制方式与自动化水平

在自动化脱硫控制系统的工程实践中，确定合适的符合工程实际的控制方式、提高自动化水平，对于满足工程实际需要、发挥系统的总体控制作用具有非比寻常的意义。目前，湿法脱硫技术因为系统过于庞大、情况比较复杂，因此大多采用独立的集中控制室和分散控制系统对其进行实时监督与控制；而在系统相对而言比较简单的系统中，多采用干法或者半干法脱硫技术，也正因为如此，不但可以采用独立的控制系统和单独集中的控制方式外，也可以采用在电厂中央控制室进行控制的方式，而且他的控制系统也可以纳入单元机组DCS系统，系统硬件当然也就可以采用PLC进行可编程控制。本文以H矿业煤矸石发公司50MW×2机组循环流化床脱硫、脱硝、除尘系统改造工程为研究依托，项目应用在H矿业煤矸石发公司的电厂脱硫系统改造工程中，该电厂的控制室和控制系统己建成并投入生产应用[1]。

本文将根据这一生产实际情况和电厂现有的控制系统的自动化程度确定本项目的控制方式和自动化程度。于此同时，为了保证获得良好的效果，同时也兼顾烟气的脱硫效果以及烟气脱硫设备的安全、稳定、经济的正常工作运行，综合考虑系统生产工艺的各种特点、各种控制系统是否兼容，控制设备也要考虑最大限度的保证其在工作中的可用性、可靠性、可控性和易维修性，也正因为如此，综合考虑分析上述问题，本工程选用控制系统与机组主系统(DCS)硬件一致的HOLLIAS公司的DCS系统。

（一）控制方式设计

考虑到本工程的具体实际情况，脱硫控制系统应采用集中控制的方式，两台锅炉的脱硫系统综合利用一个集中控制室，并且要将脱硫控制的监控设备安装在脱硫集中控制室中。脱硫区域应该设有就地控制盘和DCS的远程控制柜。脱硫集中控制室以DCS系统的操作员站作为监视控制的中心，从而实现对整个脱硫系统的实时在线监控。

（二）自动化控制系统描述

控制系统网络采用和利时的V4MACSHOLLY系统，硬件采用SM系列硬件产品。控制系统配置3个操作员站，其中两台操作员站兼做历史站记录历史数据，一台操作员站兼做工程师站，对逻辑配置进行维护。从现场采集的信号进入主机柜，再通过交换机传输至操作员站，期间先转换为20mA-4电信号，再将电信号转换为数字信号，显示在操作员站。控制系统配置2面I/O柜。脱硫系统采用以微处理器为基础的分散控制系统，从而对现场进行实时监控。在经过少量现场操作，就可以实现对工艺系统的启、停和正常运行时的监督控制。分散控制系统(DCS)，其功能包括数据采集及处理(DAS)、模拟量控制(MCS)、顺序控制(SCS)及联锁保护、脱硫变压器和脱硫厂用电源系统实时监控。通过DCS可以对系统设备进行操作、实时监视以及控制；而且DCS也可以实现对参数的自动巡回检测，数据的处理，进行制表打印，参数越限报警等。当脱硫系统发生故障时，DCS可以通过自动联锁和保护的功能，实现自动切除有关设备和系统，并与机组DCS总系统进行联锁保护、以保证机组可以正常运行。脱硫控制系统在建成以后，自动化控制水平就已经达到了，在极少数的机组工作人员的配合下，就可以在控制室内实现以CRT为中心，完成对整个FGD系统的正常启、停及其运行实时监视、操作以及对故障进行紧急处理等工作[2]。

（三）DCS控制系统的组成

（1）控制系统总体构成以及分层、分组原则脱硫控制系统（DCS）的构成

按照工艺可以将系统分为吸收塔系统、布袋除尘器系统、烟气系统等。两台炉子的公用系统，以及各设备状态及仪表信号均可以分成两路，这两路分别接入两台炉的DCS系统并会被进行实时监控，因此任一台炉停机就不会影响另一台炉子的正常运行。人机界面是以工艺厂家PID图为基础，实时反馈设备运行状态。主要用户画面有：#1脱硫系统，#2脱硫系统，#3脱硫系统，#4脱硫系统，#4脱硫系统，公用部分画面，环保数据画面，#1、2、3进出口烟气监视画面，#4、5炉进出口烟气监视画面。所有传感器信号经过IO柜中的AI，DI模块进入IO柜中的DPU模块，经过DPU模块的逻辑运算后，就会将测量到的值转换成工程量并显示在操作员的工作界面上。主要显示所有设备的运行，停止故障状态，以及所有测量的模拟量。操作员在操作员站的操作或者参数设置，经过IO柜的DPU进行逻辑运算，将命令转化位控制信号，经过DO，AO模块加载到现场设备的MCC柜内，去启动和停止设备或打开或关闭阀门[2]。

图1.1脱硫控制系统构成图

（2）各系统之间的通讯方式以及信息共享范围

脱硫除尘岛的通讯系统采用开放性的工业通讯网络系统，如图3.3所示。这种工业通讯网络系统拥有丰富灵活的网络层级。中央控制站与I/O站通过IO总线进行相互通讯，拓扑结构采用的是双线冗余结构，个别节点故障时会被绕过，因此并不会影响全局，也就不会影响正常的数据交换[3]。采用光纤环网的结构作为过程监视层网络的结构；上位机与主控制器采用的是工业以太网进行通讯，并可优化；系统SIS接口站通过工业以太网采用OPC方式与厂级管理系统、机组主DCS系统等进行通讯，从而实现信息的共享，脱硫DCS与SIS、MIS以及其它控制子系统的接口均选择OPC方案。

（3）保护联锁与控制逻辑在控制系统总结构中的设置

DCS系统的保护联锁与顺控逻辑均在DCS的控制器中实现。通过操作员站的监控画面，操作员可以手动或者自动运行的各种操作命令。并可选择解联与否；故障及保护控制操作可选择切除/投入操作。典型模拟量调节回路设计如图1.2所示。

图1.2脱硫系统模拟量调节回路设计

图1.2上图是脱硫系统的模拟量调节回路的自动控制设计，下图是脱硫系统的模拟量调节回路的手动设计。

1.被调量为二氧化硫进口浓度，HSFOP为一阶惯性功能模块，对输入信号进行滤波，保持稳定变化，惯性时间一般设置为5S，输出一个相对稳定的值乘以系数，输入到PID调节器PV端。HSVPID有两种工作模式：自动、跟踪。当TS=1时，PID单元停止演算，其值随被跟踪量而变化。当TS=0时，在自动方式下，PID按公式进行定值运算，其状态受手操器的手自动状态控制。

2、HSVMAN为自平衡模拟手操器，手操器功能块可让操作者直接设置模块的输出值，并用该值去控制最终的控制单元，如电机频率。还有一个功能就是配合PID完成自动控制运行方式[4]。

3、SP为设定值，用于PID给定。PID强制切手动的条件：①被调量信号质量坏。②被调量和设定值偏差大于所设定的偏差值。③设备输出开度和实际反馈开度偏差大于设定的偏差。以上三个条件为或的关系，任何一个满足都会使PID强制切到手动状态。为了防止被调量的突变引起调节回路频繁作用，在输入处增加一个一阶惯性回路。同时一阶惯性的输出送到手操器上进行显示。为了调整调节作用大小，被调量和设定值都同时乘以相同的系数。PID的输出经过手操器后发给模拟量输出模块。当被调量测点信号故障时，PID设定值与当前值超过限度时，或者调节量与被调量偏差大于允许范围时，为了保证系统安全，调节切手动。图功能块为和利时顺控设备功能块，该功能块具备以下功能：①在就地信号为0时（远方状态），功能块允许输出；②具有手动启动/手动停止，自动启动/自动停止功能；③当保护信号要求强行开启设备。或者在开允许条件为1时系统发自动开或手动开时，开指令为14当保护信号要求强行关停设备；或者在关允许条件为1时，系统发自动关或手动关时，关指令为15当开指令为1时，14秒内没有开反馈；或者关指令为1时，14秒内没有关反馈（时间可调）包设备延时故障。

（四）工程师站

在工程师站，如果想查询历史数据，或者需要观察趋势图，还可以使用历史曲线缓存器，来观察历史趋势显示，并获得数据，并且当新的数据更新后，系统可以自动更新，从而保证数据为最新数据，方便工作人员调用。同时，只有工作人员可以通过动态密码登录系统，这样就避免了数据丢失等问题。

（五）操作员

站操作员站网络结构分为两层，分别是sTerminalBu和SystemBus。SystemBus用于PC和控制器AS之间的进行数据交换，sTerminalBu用于PC之间进行通讯，采用的是环形总线型拓扑网络结构。总线系统的作用是将各机柜处理单元、输入/输出处理系统、人机接口、外设联接起来，并保证可以提供可靠，高效的系统通讯。如果有任何一个系统或者相关设备在总线系统上发生故障时，并不会影响总线系统正常工作或者更为严重，引起总线系统瘫痪。为了避免系统发生跳闸现象，站点和总线系统之间的借口均采用无源电气隔离。总线系统与总线接口均是采用冗余方式设计，因此可以保证总线系统在任何时候都可以同时工作。在正常工作情况下，总线系统的负载率理论上不应该超过20%，这样做的目的是为了方便系统进行扩展。为了增加通讯系统的稳定性及可靠性，所以在数据通讯协议中设计有奇偶校验、循环冗余校验CRC等，与此同时随时监测通讯系统的误差并采取相对应的安全防范措施，这样也可以改善通讯系统的安全稳定性[5]。在面对数据通讯系统中出现某个差错的情况下，可以自动要求通讯系统重发该数据，并由硬件告知系统软件，根据相应的情况，软件根据相关的条件来采取相对应的方法来弥补过失，但是假如经过多次弥补仍然没有办法产生效果，则系统就会自动采取相应的安全手段，例如立刻切除发生故障的设备、更换备用设备等方法，同时在操作员画面上也会出现安全警告进行报警，以便可以及时通知系统管理员及时进行人为干预并快速找到解决方案。各个站点上的时钟是通过“主时钟”装置来进行同步时钟的，即使“主时钟”有时候发生错误时，系统也会自动修正或者跳转到预先设定好的的工程师站或操作员站上的时钟，因此可以保证整个系统中时钟的一致性，所以所有时间均保持一致。

（六）仪表及CEMS系统

脱硫除尘岛的出入口处均安装了在线烟气连续排放监测统（CEMS）；三重冗余压力变送器目的是为了确保脱硫吸收塔进出口和布袋除尘器出口的压力在正常范围内；三重冗余温度计是用来测量吸收塔出口温度值，保证温度不至于过高或者过低。其他硬件还包括脱硫除尘器灰斗料位计（连续料位计和料位开关）、压缩空气压力、高压水系统压力和流量、流化风系统温度、各控制阀限位开关、阀位变送器等。CEMS安装在脱硫塔进气烟道处，采用一对一在线实时检测，二氧化硫、氧气、NOx、流量、压力等均会被监测并上传数据至检测系统中。脱硫系统出口CEMS安装于每套脱硫系统脱硫布袋除尘器与脱硫引风机间的烟道上，其主要监测的项目有：二氧化硫、粉尘、NOx、氧气、温度、压力、流量等。

二、脱硫系统控制流程设计应用

（一）脱硫系统启动步序

脱硫系统在启动前的准备工作包括：首先打开旁路挡板并关闭脱硫塔的进出口挡板、调节挡板并关闭，其次查看仪表和控制系统是否正常，斜槽风机是否正常运行，引风机油站是否投运，最后观察锅炉是否正常运行、有无停脱硫保护条件。

（二）脱硫系统停运步序

脱硫系统停运前的状态：首先关闭旁路挡板，打开脱硫塔的进出口挡板。其次检查仪表和控制系统是否正常。再次，观察净烟气再循环自动调节挡板、脱硫塔的出口自动控制温度、物料循环系统自动作用、脱硫塔入口烟气压力控制（即脱硫引风机入口静叶控制）是否自动作用。最后，看锅炉是否正常工作运行。

三、自调系统设计应用

（1）工艺水自动控制系统工艺水自动控制系统控制的设备有水箱液位（液位变送器）工艺水泵出口电动门、工艺水回水电动门、工艺水泵等。工艺水系统的联锁保护：工艺水箱液位低（低于工艺要求的400mm）延时60S停工艺水泵，脱硫塔内床层压差低于0.5Kpa停工艺水泵。FGD系统的工艺水系统参数，现场共计3台工艺水泵，两用一备。

（2）脱硫塔内自动控制在生产工艺中，脱硫塔工作都要和工艺水，消石灰反应剂相配合使用，完成整体工艺流程。在烟气循环流化床半干法脱硫工艺系统设计中，其关键技术可以总结为“循环流化、收尾并重”几个字，关键技术在于紧密地保证了装置的长时间稳定运行，再合并工艺系统的控制策略，可以保证系统的鲁棒特性和安全稳定性。

（一）烟气系统控制

烟气系统通主要流程为开启引风机及相关烟气挡板，将烟气引入脱硫系统。烟气引入后，记录锅炉不同负荷曲线下脱硫塔进出口烟气温度，压力以及进出口烟气压力差，当锅炉负荷在30-110%且运行相对稳定时，打开再循环烟气挡板，调节挡板开度，使烟气流量维持在锅炉80％负荷时烟气流量水平，投自动PID调节。调节挡板开度PID调节是稳定脱硫塔压差的，防止锅炉有较大波动时影响脱硫塔的烟气流速变化，此PID调节为反向调节，脱硫塔压差越大循环烟气挡板开度越小，且调节门积分时间不易过短，防止波动[6]。

（二）吸收塔及物料循环系统控制

吸收塔是整个脱硫反应的重中之重，为了能够快速稳定高效率去除二氧化硫等酸性气体，因此在设计吸收塔时，就要保证气固两相接触的化学反应时间要充分的长。因为化学脱硫反应的时间越长脱硫的效率在一定程度内也就越高，所以，为了保证脱硫效率，至少要保证烟气在脱硫塔内要至少停留三秒以上。由于脱硫反映的注水导致烟气的含湿量>=10%，对于物质的反应有不利的影响[6]。当烟气温度临近20摄氏度，应我们可以采用空气斜槽对脱硫灰进行循环输送，与此同时诸如灰斗、流量控制阀，空气斜槽等输送设备的设计关键就是必须保证安全，可靠，畅通，精准的物料流动，在输送过程中，绝对不允许出现不可控位置，一旦出现，就会由于此位置物料堆积时间过长逐渐形成堵塞的现象，导致系统发生故障。物料的含湿量<=0.4%；物料循环系统是整个脱硫系统实现高效率脱硫的重要环节。通过改变脱硫灰斗出口流量控制阀的开度，间接的解决稳定床内脱硫反应所需的正常物料浓度。脱硫布袋除尘器的每个灰斗设有双高、高、低、双低料位以达到系统要求。吸收塔及物料循环系统主要流程为：烟气从吸收塔入口进入，经文丘里加速后均匀进入吸收塔反应区，在此跟加料系统加入的消石灰反应以去除烟气中二氧化硫和其他成分，吸收塔水喷枪喷入工艺水以使反应区域达到最佳反应温度，在反应完成以后，由烟气所携带脱硫灰会从吸收塔出口排出并进入布袋除尘器，再经过布袋除尘器将脱硫灰收集在布袋除尘器灰斗中，再经空气斜槽进入吸收塔继续反应，由此形成循环利用。

（三）吸收剂输送和加料系统控制

吸收剂输送和加料系统主要流程是，用罐装车把消石灰粉运到消石灰仓储藏。加料时送料系统通过流化风机往吸收塔送消石灰粉。主要设备有消石灰送料系统，消石灰仓流化风机，消石灰仓顶脉冲除尘器等。将吸收塔压差调整到脱硫理想的范围，调整温度，开启消石灰加料系统流化风机，开启消石灰送灰系统，再调节消石灰输入量，监视烟气出口CEMS里二氧化硫浓度，稳定后投入消石灰变频给料机与出口二氧化硫浓度PID自动调节。消石灰变频给料机的PID调节是根据烟气出口CEMS里二氧化硫浓度进行调节，此PID为正向调节，二氧化硫浓度越大，消石灰变频给料机的转速就越快，通过加大消石灰的量降低烟气中的二氧化硫。

（四）吸收塔出口温度控制

为了使消石灰和二氧化硫充分反应，保证消石灰和二氧化硫处于最佳的反应速率，通过向吸收塔内喷水，将吸收塔的出口烟气温度控制在80℃左右；自动喷水系统会根据吸收塔的出口温度，控制回流喷水嘴的回水量，进而稳定控制吸收塔的喷水量，从而使使温度达到到预设值。吸收塔出口温度与工艺水回水调节阀之间PID自动调节，此PID为正向调节，温度越高，回水调节阀开度越大。工艺水PID调节是为稳定吸收塔出口稳定的，防止温度过高或过低影响脱硫效率，此PID调节为反向调节，脱硫塔温度越高回水调节阀开度越小。

四、结论

本文对循环流化床石灰石半干法脱硫系统的总体方案应用进行了探讨，包括控制系统的系统构架，外传数据接口设计，控制系统控制功能和控制逻辑工艺的设计，并对典型的控制回路进行说明以及介绍，希望对日后二氧化硫排放处理有参考价值。

参考文献

[1]  郭斌，卞京凤，任爱玲．烧结烟气半干法脱硫灰理化特性[J]．中南大学学报(自然

科学版)，2017，41(01)：387-392.

[2]  贺亮，张少峰．半干法烟气脱硫技术研究现状及进展[J]．天津化工，2017，21(02)：

18-20.

[3]  王乾，段钰锋．半干法烟气脱硫技术[J]．能源研究与利用，2018，(04)：1-4.

[4]  肖伟联．恒运电厂烟气脱硫半干法改湿法技术经济分析[D]．华南理工大学，2012.

[5]  任丽．半干法脱硫副产物烧制硫铝酸盐水泥的试验研究[D]．山东大学，2018.

[6]  马永贤．半干法脱硫灰制备生态建材及工艺参数优化[D]．河北科技大学，2016.

第一作者简介：张智勇，男，1986年生，新疆阿勒泰人，助理工程师，从事活性炭生产公辅专业技术管理，

第一作者简介：张智勇，男，1986年生，新疆阿勒泰人，助理工程师，从事活性炭生产公辅专业技术管理，