烟气湿法脱硫OVATION系统设计

宋圣军

（东北电力科学研究院有限公司,辽宁 沈阳 110006）

我国是能源消耗大国,能源结构中煤炭仍然占有很大的比例。随着经济的迅速发展,由此产生的煤炭对环境的污染问题日益严重。火电厂的烟气脱硫现已成为电厂正常营运所必须达到的重要指标。绥中发电有限公司2×800 MW和2×1 000 MW机组,其脱硫工艺采用石灰石-石膏湿法脱硫。工艺系统包括：烟气系统、石灰石浆液制备系统、吸收塔系统、石膏处理系统、工艺水系统和废水系统。机组的脱硫控制系统采用艾默生公司的OVATION系统。它是集过程控制及企业管理信息技术为一体的集散控制系统,采用了高速度、高可靠性、高开放性的通信网络,具有多任务、多数据采集及潜在的控制能力。OVATION系统利用当前最新的分布式、全局型的相关数据库完成对系统的组态。全局分布式数据库将功能分散到多个可并行运行的独立站点,而非集中到一个中央处理器上,不因其他事件的干扰而影响系统性能。

利用其最新的OVATION3.1系统,整个DCS控制系统组态方便、结构清晰。

1 石灰石-石膏湿法脱硫工艺

烟气脱硫（FLUE GAS DESULFURIZATION,简称FGD）的化学反应公式为

烟气脱硫系统中,原烟气经过引风机后的尾部总烟道抽取引入脱硫装置,然后经过动叶可调流式增压风机进入吸收塔,通过气-气回转式换热器（GGH）,用原烟气加热从吸收塔出来的净烟气,净烟气通过烟囱排入大气。

称重皮带给料机把石灰石送到湿式球磨机内磨制成浆液,石灰石浆液用泵输送到水力旋流器经分离后,在石灰石浆液箱中制成20%～30%的石灰石浆液,然后经石灰石浆液泵送至吸收塔。

烟气进入吸收塔后,与被吸收塔循环泵打入喷淋层喷洒下来的石灰石/石膏浆液逆流接触进行化学反应。吸收塔内石膏浆液通过石膏排出泵送入石膏旋流站,浓缩后送入石膏缓冲箱。

吸收塔是脱硫系统关键设备。吸收塔采用钢结构,内设防腐,采用橡胶内衬,为一炉一塔单元布置。在烟温≥180℃时,为防止损坏设备,脱硫装置退出运行,烟气系统进入旁路运行方式。旁路挡板的打开时间不大于15 s,且旁路系统具备快开慢关的功能。

吸收塔底部经过化学反应产生的石膏浆液经过石膏排出泵,排至石膏浆液箱,经过石膏旋流站旋流子的作用,进行初步脱水的石膏排至真空皮带机,经石膏皮带机二次脱水后形成脱硫系统的最终产品固态石膏。

脱硫装置产生的废水经由废水旋流器送至废水处理系统,采用化学加药和接触泥浆连续处理废水,沉淀出来的固形物在澄清浓缩器中分离,进入浓缩器进一步浓缩,清水排入冲渣系统。经浓缩器浓缩的泥渣送至板框压滤机脱水外运。

除雾器冲洗水系统通过自动阀门进行程序控制,系统通过运行一个主控程序和若干子程序实现对除雾器各级和吸收塔烟道入口的冲洗。

除雾器的冲洗频率、冲洗强度以及冲洗水的水质都会对除雾器的结垢产生影响。当除雾器结垢后就会导致通过除雾器的烟气流速增加,液滴夹带进入出口烟道引起烟囱雨雾、颗粒物排放固体的重量增加、损坏除雾器。

2 OVATION集散控制系统

OVATION是第一个采用全嵌入式数据管理系统的过程控制和采集系统。除了实时的和历史的过程数据值外,数据库还存储了OVATION的每一个信息,包括：系统组态、历史储存和重新建立的数据、报表、控制算法信息、I/O控制器原始数据以及过程数据库。一个完整的OVATION控制系统如图1所示。

3 FGD控制系统控制器分配原则

对于1台炉的DCS系统配置,脱硫系统的最低配置为“一炉一塔（单元）”加“公用系统”的方式。

FGD公用系统可精细划分为废水系统、石灰石浆液供给系统、工艺水系统、石膏脱水系统。一般情况下,公用系统的容量和单元机组的数量和容量有关。在绥中发电有限公司的脱硫DCS设计中,公用系统拥有4对控制器,其容量是保证4台机组烟气脱硫的最小配置。

单元机组的FGD系统可划分为两大部分：烟风系统和吸收塔系统。机组的容量对于测点的数量无太大影响,单元FGD系统可以按2对控制器进行分配。

公用系统和单元机组系统在分配测点时无特殊的要求,尽量达到均衡即可,若测点数量多,可增加扩展柜。

FGD的系统组态可划分数据库、运行监视画面、逻辑控制图3个部分,其组态工作相互紧密联系。

4 数据库

OVATION系统的基础数据库是Oracle关系型数据库,存在于数据库服务器中。该数据库包含系统中的绝大部分信息,包括组态、报表、记录、控制算法信息、IO数据库原始信息等。数据库中分动态数据、静态数据、内存数据、MMI 4类数据。

a.动态数据。包括实时改变的数据,有测点的数值及一些状态信息。

b.静态数据。包括测点的一些标定数据及报警数据。

c.闪存数据。包括测点的组态数据,如报警限制值、上下限等。

d.MMI数据。包括测点的字符信息,如点的描述、工程单位等。

图1 OVATION系统结构图

因此,对于组态工程技术人员,测点是数据库组成的基本单元。测点分为硬件点和中间点,其中硬件点来自现场变送器的测点,命名采用标准KKS编码设计,重要保护用测点的地址分配采用冗余分散的原则;中间点是程序中使用的过程变量,中间点数量多。OVATION逻辑组态的中间点可划分为：模拟量点LA、开关量点LD和打包点LP。中间点的编码规则要符合程序设计模块化的要求,高效简洁的编码规则有利于提高程序的可读性和可移植性,降低设计人员的工作复杂程度。根据以上原则,提出了一种新的编码方式,已在10余台机组的DCS组态设计中得到应用,如图2所示。

图2 中间点编码规则

5 逻辑组态

FGD的各设备和系统组态实现的功能类似,顺序控制系统的功能组及程序量比较大。程序组态设计在结构上要符合模块化的设计理念,在工艺要求上尽量符合系统功能集中,重要保护信号冗余分散的基本原则。例如,石灰石-石膏湿法脱硫工艺中,由于脱硫管道中的介质是具有腐蚀性的介质,所以脱硫系统的各个管道在使用结束后都要求进行冲洗,大部分工艺子系统都要求具备工艺水冲洗功能。冲洗功能组应设计成为模块化的冲洗功能组子程序,既方便组态工作,又可对FGD运行时的灵活操作带来便利。

6 FGD主要控制策略

6.1 增压风机入口压力控制

增压风机需要克服从原烟气挡板入口开始到净烟气挡板出口结束这一段FGD系统的压降。通过调节风机前导叶的角度使增压风机适应烟气负荷的变化,调节增压风机入口压力。锅炉负荷信号和锅炉引风机导叶开度变化信号中的较大者也作为增压风机叶片控制的前馈信号。用于迅速跟随压力变化,避免锅炉炉膛压力较大波动,保证锅炉炉膛压力稳定,确保主机安全运行。

6.2 吸收塔供浆流量控制

脱硫系统最终要产生具备合格品质的石膏产品,必须控制好进入吸收塔的石灰石浆液流量,保证吸收塔内浆液pH值变化最小。石灰石浆液流量主要通过入口SO2浓度控制,并由吸收塔内浆液pH值信号（有的加入系统脱硫率）进行修正。合理的石灰石浆液流量将吸收塔反应液体环境维持在合理的范围内,其pH值控制采用串级控制。

由烟气流量,未处理气中SO2浓度和化学计量因数计算出石灰石浆液流量设定值,并以此值作为可变指令,给设定值加上测得的pH值和换算因数作为修正值。按悬浮液浓度修正过的石灰石浆液流量将作为实际值（控制可变量）输送至主控制器（见图3）。

图3 吸收塔浆液流量控制

6.3 湿式球磨机供水量控制（粗调）

根据送往湿式球磨机的石灰石量计算进入湿式球磨机的滤液水量,滤液水量通过调整湿式球磨机的滤液阀进行控制。石灰石与滤液水的比例要基本保持不变。

6.4 石灰石浆液箱密度控制（细调）

送往湿式球磨机再循环箱的滤液水量,将根据石灰石浆液的浓度,通过调整湿式球磨机循环箱的滤液阀进行控制。

6.5 真空皮带机滤饼厚度控制

为了控制不同的石膏浆液供送流量和防止非均匀配送石膏浆以形成块状物,利用液位测定测量块状物的厚度。采用单回路控制,在闭环控制中将调定的块状物厚度值与实际测得的块状物厚度值进行对比。厚度太高使滤带驱动装置以较快速度运行,厚度太低使滤带驱动装置以较慢速度运行。

6.6 吸收塔液位控制

通过对FGD系统提供充足的工艺水,补充进入吸收塔的热烟气冷却和饱和过程中所蒸发掉的水。FGD运行时,工艺水由液滴分离器（除雾器）的冲洗水提供。吸收塔液位控制由加入到实际烟气中的除雾器冲洗水水量控制,执行设备为除雾器的各冲洗水阀门,功能组投入后,按照一定的规则依次打开和关闭。可设一个中断时间,冲洗时间是烟气量的函数,烟气量最大时对应最小的中断时间。

6.7 FGD系统保护

FGD装置的保护动作条件主要包括：FGD进口温度异常,增压风机停运,烟气换热器GGH停运,循环浆泵投入数量不足,锅炉MFT,油燃烧器投入状况,煤燃烧器投入状况,电除尘电场投入状况。

FGD保护动作结果：自动快速开启旁路挡板门,切除FGD,机组旁路运行。控制室设手动按钮,在紧急状态时强制动作旁路挡板门,保证锅炉安全运行,当旁路烟气挡板开到位后,停增压风机;当旁路烟气挡板开到位,并且增压风机停运,关FGD入口烟气挡板;当旁路烟气挡板开到位后,并且增压风机停运,关FGD出口烟气挡板。

7 结束语

烟气脱硫工程是节能减排的重要手段,是国家实现可持续发展战略的重要工程之一,石灰石-石膏湿法脱硫在华能太仓电厂、成都国华金堂电厂、绥中发电有限公司等应用中,脱硫效率均达到96%以上,FGD投产后,满足了其所在城市的空气污染物排放量要求,社会效益、经济效益明显。采用的OVATION控制系统,软硬件结构紧凑,程序设计简洁,功能强大,安全可靠,在近年的生产运行中均未出现重大安全事故,受到用户的一致好评。

[1] 徐 宏.石灰石-石膏湿法脱硫装置控制策略[J].能源工程,2005,（6）：47-49.

[2] 陈志强,傅 钧,刘卫华.烟气脱硫系统控制策略[J].水利电力机械,2007,29（6）：9-11.