DCS在2×660MW機(jī)組脫硫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用與分析

王 楠 贠衛(wèi)國(guó) 王 冰

(1. 西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，西安 710055；2. 國(guó)電寶雞第二發(fā)電有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000)

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，我國(guó)排放的SO2約90%來自于燃煤，火山噴發(fā)及燃油等過程排放的SO2只占10%左右。因此，控制燃煤電廠SO2的排放總量是抑制我國(guó)酸雨污染的關(guān)鍵[1]。煙氣脫硫技術(shù)分為燃燒前控制、燃燒中控制和燃燒后控制技術(shù)，其中應(yīng)用最為廣泛的是燃燒后控制技術(shù)中的石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)[2]。

國(guó)電寶雞第二發(fā)電有限責(zé)任公司二期5#、6#機(jī)組建設(shè)兩臺(tái)660MW燃煤機(jī)組，采用海勒式間接空冷系統(tǒng)。煙氣脫硫裝置采用石灰石-石膏濕法(FGD)脫硫工藝，脫硫裝置采用單元制，一爐一塔。按鍋爐BMCR工況全煙氣脫硫，脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的含硫量按照1.2%進(jìn)行，保證含硫量為1.2%時(shí)脫硫效率不小于95%，脫硫系統(tǒng)可用率不小于95%。

2×660MW機(jī)組脫硫系統(tǒng)主要由煙氣系統(tǒng)、吸收塔系統(tǒng)、石灰石漿液制備系統(tǒng)、石膏漿液脫水系統(tǒng)、工藝水、工業(yè)水、閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、儀用壓縮空氣系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、事故漿液排放系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。

煙氣脫硫流程是從鍋爐送來的熱煙氣進(jìn)入煙氣換熱器與脫硫塔出口冷煙氣進(jìn)行熱交換后進(jìn)入吸收塔。煙氣在塔內(nèi)上升過程中與脫硫循環(huán)液霧化而成的液滴和在塔板上鼓泡而成的液膜相接觸，進(jìn)行煙氣、泡沫、霧粒、石灰的氣、液、固三相之間的碰撞、接觸和交換混合，激烈地進(jìn)行傳質(zhì)、吸收、傳熱過程[3]。主要化學(xué)反應(yīng)有：

吸收反應(yīng) 2SO2+ H2O + CaCO3→Ca(HSO3)2+ CO2

氧化反應(yīng) Ca(HSO3)2+ O2+ CaCO3+ 3H2O→2CaSO4·2H2O + CO2

2 FGD-DCS配置

2.1 FGD-DCS系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，脫硫控制系統(tǒng)采用國(guó)電智深EDPF-NT Plus系統(tǒng)，每臺(tái)爐配置1套脫硫分散控制系統(tǒng)，分別接入機(jī)組單元DCS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，完成脫硫設(shè)備和電氣設(shè)備的監(jiān)視與控制。同時(shí)設(shè)置脫硫控制系統(tǒng)公用DCS控制系統(tǒng)，接入機(jī)組公用DCS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。機(jī)組脫硫系統(tǒng)的過程控制單元分別與脫硫公用系統(tǒng)過程控制單元進(jìn)行通信，單元機(jī)組脫硫系統(tǒng)和脫硫公用系統(tǒng)分別采用獨(dú)立的控制器和I/O模件，并安置在獨(dú)立的機(jī)柜內(nèi)，其硬件和電源配置相互獨(dú)立。另外，脫硫控制系統(tǒng)的監(jiān)控范圍包括脫硫島內(nèi)所有控制系統(tǒng)，并按工藝要求劃分為：主系統(tǒng)(含煙道區(qū)域、煙氣吸收區(qū)域、石膏漿液排放區(qū)域及排空區(qū)域等)、公用系統(tǒng)(石灰石漿液制備區(qū)域、石膏脫水區(qū)域、事故漿液區(qū)域、工藝水區(qū)域及廢水處理系統(tǒng)等)、電氣系統(tǒng)(煙氣檢測(cè)、成分分析)。

圖1 FGD-DCS網(wǎng)絡(luò)配置圖

每套脫硫系統(tǒng)配置兩臺(tái)操作員站，布置在主廠房集控室，通過一對(duì)交換機(jī)與放置在脫硫電控樓的脫硫系統(tǒng)主交換機(jī)相連；配置兩臺(tái)工程師站，工程師站主要完成系統(tǒng)組態(tài)，生成系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)視操作圖形、控制算法及報(bào)表等，同時(shí)具有對(duì)過程控制站控制應(yīng)用軟件的下載及上裝等功能，其中一臺(tái)工程師站同時(shí)兼做歷史站，對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)收集管理，包括報(bào)警、日志、SOE及事故追憶等事件的捕捉和記錄，模擬量參數(shù)和二次參數(shù)歷史趨勢(shì)收集記錄。

2.2 過程控制站及I/O的分配

脫硫分散控制系統(tǒng)配置5套過程控制站(DPU)。過程控制站用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)過程信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，并按照組態(tài)的控制策略進(jìn)行控制運(yùn)算，輸出控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和過程的控制。過程控制站由冗余主備控制器、智能I/O模件、電源、現(xiàn)場(chǎng)I/O總線及控制機(jī)柜等部分組成。I/O分配見表1。

表1 I/O分配表

3 FGD-DCS的功能

FGD-DCS系統(tǒng)基本功能為DAS、SCS、MCS，并保留必要的與單元機(jī)組控制系統(tǒng)DCS間的信號(hào)聯(lián)系。各功能相互作用完成對(duì)煙氣系統(tǒng)、吸收塔系統(tǒng)、石灰石漿液制備系統(tǒng)、石膏漿液脫水系統(tǒng)、工藝水、工業(yè)水及閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)等的統(tǒng)一監(jiān)視、控制、報(bào)警、聯(lián)鎖保護(hù)以及FGD效率、性能的計(jì)算等。

3.1 DAS

DAS將連續(xù)采集和處理所有與工藝系統(tǒng)有關(guān)的熱力過程信號(hào)和設(shè)備狀態(tài)信號(hào)，及時(shí)向操作人員提供運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，一旦發(fā)生任何異常工況能及時(shí)報(bào)警。其包含的功能有：數(shù)據(jù)采集及人機(jī)界面，報(bào)警、事故分辨和事故追憶，報(bào)表打印歷史數(shù)據(jù)。

3.2 SCS

SCS完成脫硫系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)中各類輔機(jī)的啟停順序控制，設(shè)置必要的程序斷點(diǎn)，并且有完備的操作指導(dǎo)，以幫助運(yùn)行人員快速、準(zhǔn)確地處理系統(tǒng)啟停和運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種情況[4]。

現(xiàn)以除霧器沖洗順控為例進(jìn)行說明。5#機(jī)組吸收塔內(nèi)共設(shè)除霧器沖洗門48個(gè)，一級(jí)上游、一級(jí)下游、二級(jí)上游和二級(jí)下游各12個(gè)。為實(shí)現(xiàn)良好的霧化效果，需常清洗除霧器以防堵塞，所以這些閥要周期性依次開啟[4]。其中除霧器沖洗總順控步序的邏輯實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

圖2 除霧器沖洗子組啟動(dòng)步序——啟動(dòng)各個(gè)沖洗子組

3.3 MCS

將脫硫島作為一個(gè)整體進(jìn)行控制，確保系統(tǒng)快速、穩(wěn)定地滿足工況的變化，并保持穩(wěn)定的運(yùn)行?？刂频幕静呗允强焖俚仨憫?yīng)代表負(fù)荷或能量指令的前饋信號(hào)，并通過閉環(huán)反饋控制和其他先進(jìn)策略對(duì)該信號(hào)進(jìn)行靜態(tài)精確度和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整。

基本閉環(huán)控制回路為：吸收塔漿液pH值控制、吸收塔液位自動(dòng)控制、真空皮帶濾餅厚度控制、工藝水泵出口壓力控制。

在石灰石-石膏濕法脫硫過程中,吸收塔漿液pH值是影響脫硫效率和副產(chǎn)物(石膏)品質(zhì)的關(guān)鍵因素。經(jīng)過大量實(shí)踐研究得知[5，6]：漿液pH值應(yīng)維持在5.0～5.8范圍內(nèi)，在其他參數(shù)基本不變的情況下，提高pH值可在一定程度上提高脫硫效率，但會(huì)導(dǎo)致石膏品質(zhì)下降；相反，pH值降低則會(huì)抑制SO2的吸收。所以，研究pH值的測(cè)量和控制具有十分重要的意義。

3.3.1現(xiàn)有漿液pH值控制

吸收塔漿液pH值的控制是通過調(diào)節(jié)流入吸收塔內(nèi)石灰漿液的流量(即石灰石供漿調(diào)節(jié)閥開度的調(diào)節(jié))來實(shí)現(xiàn)的，5#機(jī)組吸收塔漿液pH值控制系統(tǒng)SAMA圖如圖3所示。

現(xiàn)階段，有兩種控制漿液pH值的方法被廣泛使用，即單回路前饋-反饋控制法和串級(jí)前饋-反饋法[7]。

單回路前饋-反饋控制系統(tǒng)如圖4a所示，調(diào)節(jié)器是根據(jù)被控對(duì)象相較于原設(shè)定值的偏差來進(jìn)行工作的，測(cè)量信號(hào)是漿液pH值，控制動(dòng)作發(fā)生在出現(xiàn)偏差以后?？刂谱饔糜绊懕徽{(diào)量，被調(diào)量又會(huì)反過來影響輸入，從而產(chǎn)生控制作用。再加上前饋部分進(jìn)行提前粗調(diào)，使控制作用一開始就能大致抵消干擾的影響，最終達(dá)到調(diào)節(jié)塔內(nèi)漿液pH值的目的。串級(jí)前饋-反饋控制系統(tǒng)如圖4b所示，有兩個(gè)閉環(huán)回路，由兩個(gè)調(diào)節(jié)器(主、副調(diào)節(jié)器)串接工作，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出則操縱調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的調(diào)節(jié)。即漿液的pH值經(jīng)傳感器測(cè)定后與原設(shè)定值進(jìn)行比較，偏差e1經(jīng)主調(diào)節(jié)器后，輸出作為給定值，再與石灰石漿液流量值比較，計(jì)算出偏差e2后輸入副調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器輸出與前饋信號(hào)(SO2濃度及煙氣負(fù)荷等)經(jīng)運(yùn)算后，進(jìn)而控制石灰石漿液管線調(diào)節(jié)閥開度，從而調(diào)節(jié)吸收塔漿液pH值。

圖3 5#機(jī)組吸收塔漿液pH值控制系統(tǒng)SAMA圖

a. 單回路前饋-反饋控制

b. 串級(jí)前饋-反饋控制

3.3.2存在的問題和改進(jìn)方案

因?yàn)樗?nèi)漿液池體積較大，漿液pH值的變化較慢，所以單回路前饋-反饋的控制對(duì)象的響應(yīng)滯后性和慣性非常嚴(yán)重。并且由于pH值的反饋響應(yīng)是關(guān)鍵因素，因此即使調(diào)整反饋控制器的參數(shù)也難以改善控制對(duì)象的品質(zhì)。對(duì)于串級(jí)前饋-反饋控制系統(tǒng)，雖然能夠較好地適應(yīng)石灰石漿液側(cè)的擾動(dòng)，響應(yīng)也很快速，但其克服外部擾動(dòng)的能力依然較差。針對(duì)以上不足，筆者提出一種優(yōu)化方案，要求對(duì)內(nèi)部和外部擾動(dòng)均具有較好的響應(yīng)特性。所以嘗試將內(nèi)部擾動(dòng)偏差和外部煙氣擾動(dòng)偏差都納入主副控制器的輸入，并且優(yōu)化主控制器參數(shù)，進(jìn)而改善控制品質(zhì)。優(yōu)化后的漿液pH值控制策略基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的漿液pH值控制框圖

G2(x)計(jì)算式如下[7]：

G2(x)=(GpH(x)-60)×0.04+QL

(1)

(2)

式中G2(x)——副調(diào)節(jié)器輸入給定值，m3/h；

GpH(x)——pH主調(diào)節(jié)器輸出值，m3/h；

Q1——FGD入口煙氣量，m3/h；

QL——石灰石漿液流量，m3/h；

s1——鈣硫比，取值為1.03；

s2——石灰石含量，取值為0.97；

s3——石灰石漿液含固量，取值為0.18～0.23；

[SO2]in——SO2煙氣流入時(shí)間；

ρ——石灰石漿液密度，取值為1 080～1 130kg/m3。

對(duì)優(yōu)化后的控制系統(tǒng)用MATLAB進(jìn)行大量仿真研究，且在各自都整定到最佳的情況下，吸收塔pH值的響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6 pH值響應(yīng)曲線

從圖6可以看出，優(yōu)化后系統(tǒng)克服了對(duì)外部擾動(dòng)響應(yīng)差的缺點(diǎn)，控制質(zhì)量有了很大提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者以國(guó)電寶雞第二發(fā)電有限責(zé)任公司2×660MW脫硫工程項(xiàng)目為背景，應(yīng)用EDPF-NT Plus DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)脫硫系統(tǒng)的自動(dòng)控制。優(yōu)化后的FGD-DCS已正式投入運(yùn)行，實(shí)踐證明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，操作人員可以方便地控制、修改各項(xiàng)參數(shù)，操作簡(jiǎn)單，降低了操作員的工作量，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定高效的運(yùn)行。

[1] 中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)脫硫脫硝委員會(huì).我國(guó)脫硫脫硝行業(yè)2012年發(fā)展綜述[J].中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2013，(7)：8～20.

[2] 王淇，趙霞.DCS系統(tǒng)在火電廠煙氣脫硫控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]. 自動(dòng)化與儀表，2008，23(2)：36～39.

[3] 吳安.工業(yè)鍋爐煙氣濕法脫硫使用技術(shù)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：30.

[4] 董玉強(qiáng)，白焰.DCS在某電廠脫硫系統(tǒng)的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表，2012，39(12)：1561～1566.

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