DCS在2×660MW机组脱硫控制系统中的应用与分析

王 楠 贠卫国 王 冰

(1. 西安建筑科技大学信息与控制工程学院，西安 710055；2. 国电宝鸡第二发电有限责任公司，陕西 宝鸡 721000)

统计数据表明，我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，我国排放的SO2约90%来自于燃煤，火山喷发及燃油等过程排放的SO2只占10%左右。因此，控制燃煤电厂SO2的排放总量是抑制我国酸雨污染的关键[1]。烟气脱硫技术分为燃烧前控制、燃烧中控制和燃烧后控制技术，其中应用最为广泛的是燃烧后控制技术中的石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术[2]。

国电宝鸡第二发电有限责任公司二期5#、6#机组建设两台660MW燃煤机组，采用海勒式间接空冷系统。烟气脱硫装置采用石灰石-石膏湿法(FGD)脱硫工艺，脱硫装置采用单元制，一炉一塔。按锅炉BMCR工况全烟气脱硫，脱硫系统设计的含硫量按照1.2%进行，保证含硫量为1.2%时脱硫效率不小于95%，脱硫系统可用率不小于95%。

2×660MW机组脱硫系统主要由烟气系统、吸收塔系统、石灰石浆液制备系统、石膏浆液脱水系统、工艺水、工业水、闭式循环冷却水系统、仪用压缩空气系统、废水处理系统、事故浆液排放系统、电气系统和控制系统组成。

烟气脱硫流程是从锅炉送来的热烟气进入烟气换热器与脱硫塔出口冷烟气进行热交换后进入吸收塔。烟气在塔内上升过程中与脱硫循环液雾化而成的液滴和在塔板上鼓泡而成的液膜相接触，进行烟气、泡沫、雾粒、石灰的气、液、固三相之间的碰撞、接触和交换混合，激烈地进行传质、吸收、传热过程[3]。主要化学反应有：

吸收反应 2SO2+ H2O + CaCO3→Ca(HSO3)2+ CO2

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

2 FGD-DCS配置

2.1 FGD-DCS系统架构

如图1所示，脱硫控制系统采用国电智深EDPF-NT Plus系统，每台炉配置1套脱硫分散控制系统，分别接入机组单元DCS控制系统网络，完成脱硫设备和电气设备的监视与控制。同时设置脱硫控制系统公用DCS控制系统，接入机组公用DCS控制系统网络。机组脱硫系统的过程控制单元分别与脱硫公用系统过程控制单元进行通信，单元机组脱硫系统和脱硫公用系统分别采用独立的控制器和I/O模件，并安置在独立的机柜内，其硬件和电源配置相互独立。另外，脱硫控制系统的监控范围包括脱硫岛内所有控制系统，并按工艺要求划分为：主系统(含烟道区域、烟气吸收区域、石膏浆液排放区域及排空区域等)、公用系统(石灰石浆液制备区域、石膏脱水区域、事故浆液区域、工艺水区域及废水处理系统等)、电气系统(烟气检测、成分分析)。

图1 FGD-DCS网络配置图

每套脱硫系统配置两台操作员站，布置在主厂房集控室，通过一对交换机与放置在脱硫电控楼的脱硫系统主交换机相连；配置两台工程师站，工程师站主要完成系统组态，生成系统数据库、监视操作图形、控制算法及报表等，同时具有对过程控制站控制应用软件的下载及上装等功能，其中一台工程师站同时兼做历史站，对系统数据进行实时收集管理，包括报警、日志、SOE及事故追忆等事件的捕捉和记录，模拟量参数和二次参数历史趋势收集记录。

2.2 过程控制站及I/O的分配

脱硫分散控制系统配置5套过程控制站(DPU)。过程控制站用于对现场过程信号进行数据采集和处理，并按照组态的控制策略进行控制运算，输出控制信号实现对现场设备和过程的控制。过程控制站由冗余主备控制器、智能I/O模件、电源、现场I/O总线及控制机柜等部分组成。I/O分配见表1。

表1 I/O分配表

3 FGD-DCS的功能

FGD-DCS系统基本功能为DAS、SCS、MCS，并保留必要的与单元机组控制系统DCS间的信号联系。各功能相互作用完成对烟气系统、吸收塔系统、石灰石浆液制备系统、石膏浆液脱水系统、工艺水、工业水及闭式循环冷却水系统等的统一监视、控制、报警、联锁保护以及FGD效率、性能的计算等。

3.1 DAS

DAS将连续采集和处理所有与工艺系统有关的热力过程信号和设备状态信号，及时向操作人员提供运行信息，实现系统安全经济运行，一旦发生任何异常工况能及时报警。其包含的功能有：数据采集及人机界面，报警、事故分辨和事故追忆，报表打印历史数据。

3.2 SCS

SCS完成脱硫系统和辅助系统中各类辅机的启停顺序控制，设置必要的程序断点，并且有完备的操作指导，以帮助运行人员快速、准确地处理系统启停和运行过程中出现的各种情况[4]。

现以除雾器冲洗顺控为例进行说明。5#机组吸收塔内共设除雾器冲洗门48个，一级上游、一级下游、二级上游和二级下游各12个。为实现良好的雾化效果，需常清洗除雾器以防堵塞，所以这些阀要周期性依次开启[4]。其中除雾器冲洗总顺控步序的逻辑实现如图2所示。

图2 除雾器冲洗子组启动步序——启动各个冲洗子组

3.3 MCS

将脱硫岛作为一个整体进行控制，确保系统快速、稳定地满足工况的变化，并保持稳定的运行。控制的基本策略是快速地响应代表负荷或能量指令的前馈信号，并通过闭环反馈控制和其他先进策略对该信号进行静态精确度和动态补偿的调整。

基本闭环控制回路为：吸收塔浆液pH值控制、吸收塔液位自动控制、真空皮带滤饼厚度控制、工艺水泵出口压力控制。

在石灰石-石膏湿法脱硫过程中,吸收塔浆液pH值是影响脱硫效率和副产物(石膏)品质的关键因素。经过大量实践研究得知[5，6]：浆液pH值应维持在5.0～5.8范围内，在其他参数基本不变的情况下，提高pH值可在一定程度上提高脱硫效率，但会导致石膏品质下降；相反，pH值降低则会抑制SO2的吸收。所以，研究pH值的测量和控制具有十分重要的意义。

3.3.1现有浆液pH值控制

吸收塔浆液pH值的控制是通过调节流入吸收塔内石灰浆液的流量(即石灰石供浆调节阀开度的调节)来实现的，5#机组吸收塔浆液pH值控制系统SAMA图如图3所示。

现阶段，有两种控制浆液pH值的方法被广泛使用，即单回路前馈-反馈控制法和串级前馈-反馈法[7]。

单回路前馈-反馈控制系统如图4a所示，调节器是根据被控对象相较于原设定值的偏差来进行工作的，测量信号是浆液pH值，控制动作发生在出现偏差以后。控制作用影响被调量，被调量又会反过来影响输入，从而产生控制作用。再加上前馈部分进行提前粗调，使控制作用一开始就能大致抵消干扰的影响，最终达到调节塔内浆液pH值的目的。串级前馈-反馈控制系统如图4b所示，有两个闭环回路，由两个调节器(主、副调节器)串接工作，主调节器的输出作为副调节器的给定值，副调节器的输出则操纵调节机构实现参数的调节。即浆液的pH值经传感器测定后与原设定值进行比较，偏差e1经主调节器后，输出作为给定值，再与石灰石浆液流量值比较，计算出偏差e2后输入副调节器，副调节器输出与前馈信号(SO2浓度及烟气负荷等)经运算后，进而控制石灰石浆液管线调节阀开度，从而调节吸收塔浆液pH值。

图3 5#机组吸收塔浆液pH值控制系统SAMA图

a. 单回路前馈-反馈控制

b. 串级前馈-反馈控制

3.3.2存在的问题和改进方案

因为塔内浆液池体积较大，浆液pH值的变化较慢，所以单回路前馈-反馈的控制对象的响应滞后性和惯性非常严重。并且由于pH值的反馈响应是关键因素，因此即使调整反馈控制器的参数也难以改善控制对象的品质。对于串级前馈-反馈控制系统，虽然能够较好地适应石灰石浆液侧的扰动，响应也很快速，但其克服外部扰动的能力依然较差。针对以上不足，笔者提出一种优化方案，要求对内部和外部扰动均具有较好的响应特性。所以尝试将内部扰动偏差和外部烟气扰动偏差都纳入主副控制器的输入，并且优化主控制器参数，进而改善控制品质。优化后的浆液pH值控制策略基本结构如图5所示。

图5 优化后的浆液pH值控制框图

G2(x)计算式如下[7]：

G2(x)=(GpH(x)-60)×0.04+QL

(1)

(2)

式中G2(x)——副调节器输入给定值，m3/h；

GpH(x)——pH主调节器输出值，m3/h；

Q1——FGD入口烟气量，m3/h；

QL——石灰石浆液流量，m3/h；

s1——钙硫比，取值为1.03；

s2——石灰石含量，取值为0.97；

s3——石灰石浆液含固量，取值为0.18～0.23；

[SO2]in——SO2烟气流入时间；

ρ——石灰石浆液密度，取值为1 080～1 130kg/m3。

对优化后的控制系统用MATLAB进行大量仿真研究，且在各自都整定到最佳的情况下，吸收塔pH值的响应曲线如图6所示。

图6 pH值响应曲线

从图6可以看出，优化后系统克服了对外部扰动响应差的缺点，控制质量有了很大提高。

4 结束语

笔者以国电宝鸡第二发电有限责任公司2×660MW脱硫工程项目为背景，应用EDPF-NT Plus DCS系统实现整个脱硫系统的自动控制。优化后的FGD-DCS已正式投入运行，实践证明，该系统设计合理，操作人员可以方便地控制、修改各项参数，操作简单，降低了操作员的工作量，确保系统安全稳定高效的运行。

[1] 中国环境保护产业协会脱硫脱硝委员会.我国脱硫脱硝行业2012年发展综述[J].中国环保产业，2013，(7)：8～20.

[2] 王淇，赵霞.DCS系统在火电厂烟气脱硫控制系统的实现[J]. 自动化与仪表，2008，23(2)：36～39.

[3] 吴安.工业锅炉烟气湿法脱硫使用技术设计[M].北京：机械工业出版社，2013：30.

[4] 董玉强，白焰.DCS在某电厂脱硫系统的应用[J].化工自动化及仪表，2012，39(12)：1561～1566.

[5] 刘向东.模糊PID在湿法脱硫pH控制中的应用[J].电力环境保护，2009，24(3)：15～18．

[6] Jerzy W.Optimum Values of Process Parameters of the Wet Limestone Flue Gas Desulphurization System[J].Chemical Engineering Technology，2002，25(4)：427～432.

[7] 李骏，沈凯，周长城，等.烟气脱硫吸收塔pH值控制策略优化研究[J].环境科学与技术，2012，35(4)：43～46.