DCS在火力发电厂脱硫系统中的应用分析

摘要：随着经济的发展和科技的进步，DCS的应用范围日益广泛。火力发电厂通过燃煤进行发电，在这一过程中会产生大量的二氧化硫等有害气体，如果不加以处理就进行排放将对大气造成严重的污染，诱发酸雨等自然灾害。文章对DCS在火力发电厂脱硫系统实际应用中的相关问题进行了探讨。

关键词：DCS控制；火力发电厂；烟气脱硫系统；二氧化硫；发电效率 文献标识码：A

中图分类号：TP273 文章编号：1009-2374（2016）35-0113-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.055

DCS即分散控制系统，与传统的控制系统相比其可靠性更高，运行更为稳定，操作也更为简便。近些年来DCS技术不断进步，硬件设备和软件系统的成本也有所降低，进一步促进了其市场占有率的扩大。我国的一些火力发电厂已经引进了DCS脱硫控制系统，系统运行的稳定性得到了有效的提升，排放气体的各项参数均已达标，凭借其良好的性能和实践表现，DCS在我国电力领域拥有广阔的发展前景。

1 火电厂脱硫技术概述

火力发电在我国现阶段的电力行业中仍然占据主要的地位，如何在保证发电效率的前提下提高其对环境的利好性也是业内的研究重点。烟气脱硫是世界范围内应用最广的火电厂废气脱硫处理方式，其中又以石灰石-石膏湿法脱硫技术最为常见。与其他烟气脱硫技术相比，石灰石-石膏湿法脱硫所需要的材料较为容易获得，脱硫的成本更低，有利于保证火电厂的经济效益。此外，由于该技术目前的发展和应用已经较为成熟，因而系统运行较为稳定，脱硫的效果也可以得到保证，而且实现了废弃物零排放。脱硫过程中所产生的副产品还可以作为建筑材料，有利于火力发电厂综合效益的提升。

石灰石-石膏湿法烟气脱硫的环保性和技术成熟程度已经得到了国内外众多权威部门和学术专家的认可。结合我国实际的经济发展状况以及电力行业发展情形来看，石灰石-石膏脱硫技术无疑是比较合理的火电厂脱硫技术选择。目前，我国脱硫技术的自主能力还有待提升，近些年来，从发达国家引进了大量的硬件设备，并对国外先进的火电厂脱硫系统设计思想和理念进行了借鉴。在现代化电力生产过程中，自动化控制系统的应用范围愈加广泛，DCS和PLC作为两大主流控制系统，在火力发电厂石灰石-石膏脱硫自动化控制系统中均有所应用且各有优势，本文主要针对脱硫分散控制系统DCS进行了较为深入的研究。

2 主流脱硫控制系统对比

2.1 PLC控制系统

即可编程控制器控制系统，近些年来PLC技术发展迅速，凭借其强大的数字逻辑运算能力和程序存储控制能力可以对多种类型的生产过程进行自动化的控制，也正是因为如此其应用范围十分广泛。为了适应市场的需求和工业的发展，PLC的处理速度必须要加快，因而未来的数据存储容量将更大，此外为了提高其适应性，超大型或者超小型的PLC也将出现。目前PLC的可靠性还有待加强，编程语言也较为单一，对不同控制系统的适应性还存在进步的空间，这些问题的解决也将是PLC重要的发展趋势。

2.2 DCS控制系统

控制功能的分散和现实操作的集中是分散控制系统的基本含义。DCS最初是为了对控制系统中的回路进行计算而产生的，然而随着生产复杂化的提高，传统仪表控制无法适应社会经济发展的需求，此时DCS得到了进一步的发展以模拟反馈量为主，模拟开关量和开关量顺序控制为辅的新型DCS产品出现，模拟量控制作为DCS技术的核心也是其在自动化控制系统竞争中的主要优势所在。我国的DCS自主研发目前也已经进入管控一体化的新阶段，且朝着开放化、智能化、综合化的计算机集成生产控制发展。

2.3 其他控制系统

随着工业生产的进步和发展，近些年来还涌现出了一些新兴的系统控制技术。FCS即现场总线控制系统，总线协议不同其对应的控制系统也不同，总线标准是FCS的核心技术，现场智能化是FCS系统运行的基础，与传统控制系统相比，现场总线控制系统的可靠性和信息集成能力都得到了提升，且更加易于维护，应用成本也更低。PCBCS控制系统的出现时间更晚，该系统通过对计算机的加固实现了控制系统的软件和硬件充分结合，该系统兼具控制实施、操作显示和通信的功能，集合了PLC和DCS系统的优点，将操作集中在计算机平台上，摆脱了信号电缆的束缚，PCBCS系统的开放性也是传统控制系统发展的主要方向。

3 DCS在烟气脱硫系统中的实际应用

3.1 DCS总体控制方案

一套完整的火电厂脱硫控制系统一般来说主要包括DCS、就地控制装置和辅助自控设备三部分。其中DCS主要负责的是对烟气脱硫过程的监视和控制，其中工程师站、控制器以及冗余信息数据处理装置等是常见的DCS最为主要的构成部分。和利时DCS是火电厂脱硫应用十分广泛的DCS产品，它具备了分散控制系统高效率和高稳定性的特点，过程I/O数据层、过程数据管理层、过程控制数据层和企业数据管理层是该系统网络构成的四大层次。DCS在火电厂脱硫应用中除了需要对脱硫系统本身进行控制外，还承担浆液制备系统的公用控制职责，因而DCS一般需要配备两对CPU以保证工作效率及稳定，DCS的应用实现了实际脱硫的无人化操作，工作人员可以在控制室直接通过DCS系统对脱硫装置进行启动或者关闭，还可以对脱硫过程进行监视以及时发现故障。

3.2 数据采集和处理系统（DAS）

DAS是DCS系统中极为重要的组成部分，承担着对脱硫设备以及材料的各项信息数据的采集和处理的功能。对火电厂在进行烟气脱硫工作时，所有相关设备以及工艺流程执行中的状态信号和数据变量信号进行采集，DAS将这些数据信息处理转化为人们常见的数据类型后，再反映在控制系统的界面上，相关工作人员可以根据这些实时数据信息实现对脱硫设备的监视以及对脱硫过程的监视，有利于确保火电厂脱硫运行的稳定性。信息数据的输入输出、数据转化、信息变量图形化显示、设备故障报警、设备运行状态监控及记录、信息检索、信息数据打印输出等都是DAS较为常用的功能。

3.3 顺序控制系统（SCS）

SCS可以对脱硫相关设备的按照既定的顺序和相关标准进行启动、关闭、暂停等基本操作，该系统可以对设备的状态进行采集，并与流程中设备应当处在的状态进行对比，实现逻辑判断后自动对相应的设备发出对应的指令，设备在接到指令后完成相关的动作。现代自动化控制系统力求降低人们的劳动强度，提高工业生产的智能性和安全性，SCS作为分散控制系统的关键组成之一通过对设备的自动顺序控制除了节省了人力成本之外，还可以有效避免在对设备的直接操控中由于人为原因造成的操作失误或者是设备故障现象的出现。除雾器顺序控制和浆液循环泵停止顺序控制是火电厂脱硫中比较常见的SCS。

火电厂所采用的除雾器顺序控制系统由上中下三层平板式的除雾器组成，这样保证了除雾器的清洁，同时也确保了顺序控制的实现，一般来说每层保证8个左右的除雾器冲洗门较为合理，并按照先上后下最后中间的顺序对各层除雾器进行清洗，至于每次清洗所间隔的时间可以根据系统状态和人员设置进行适当的调整。除雾器顺控冲洗装置的设计可以对燃料烟气中所含的石膏进行及时的处理，避免石膏阻塞装备造成故障。

浆液循环泵停止顺控系统主要是为了防止循环泵关闭后残留浆液处理不及时，造成的浆液板结影响后续浆液循环泵正常启用。其基本的流程如下：首先对浆液循环泵停运后入口门要及时关闭，当关闭信号传回顺控系统之后方可进行下一步的操作，之后需要对泵体进行冲洗处理。先将浆液循环泵排放门打开，待排放完泵体内的浆液后将阀门关闭，入口门的关闭是冲洗水门打开的必要条件，冲洗的时间一般在5分钟左右，冲洗需要对循环泵的浆液入口管道及泵体本身进行冲洗，待所有冲洗工作完成后直接将水门关闭打开排水门并将冲洗后的液体沿着管道排出，排水时间保证在3分钟左右，最后将排水门关闭，该顺控流程执行完毕。

3.4 脱硫系统联锁保护设计

与传统的火电厂脱硫系统设计不同，目前我国很多火电厂的脱硫系统封闭了原有的旁路挡板，实现了对火电厂脱硫保护装置的完善和改进，保护性能得到了有效的提升。现有的脱硫保护体系一般包括增压风机、氧化风机、浆液循环泵以及锅炉主保护等。在测量信号的收集中尽量避免由于设备故障传回的错误保护信号，避免关键设备误动、拒动等情况的出现。当保护装置发生故障无法起到对脱硫设备的保护时就需要启动备用装置，浆液循环泵停运后增压风机如果同时出现跳闸，这时需要迅速将增压风机的旁路挡板打开，避免锅炉故障造成的经济损失。如果有浆液循环泵全停的紧急情况出现，为了确保吸收塔除雾器不被影响需要将喷淋装置开启，一般来说该装置会在紧急情况下自动开启。

3.5 模拟量控制系统（MCS）

模拟量控制系统对于脱硫系统的稳定性以及脱硫效率保证具有重要的意义，其主要控制策略为多变量协调的前馈-反馈控制。火电厂脱硫DCS的模拟量控制系统中所包含的内容较多且较为复杂，因而也是DCS应用中需要解决的难点内容之一。

增压风机入口压力控制是火电厂主锅炉稳定安全运行的重要保障，通过对增压风机动叶开度的调节来实现风机出口压力的稳定，避免脱硫系统运行中的烟道挡板、吸收塔等的压力下降影响增压风机的正常运行。增压风机的入口压力控制属于单回路的控制系统，其中被调量为压力，调节量为动叶的开度。当增压风机动叶处于正常的运行状态时，测量的实际压力值与标准压力值的偏差会被比例积分调节器接收到，之后调节器对偏差进行数据的转换，并将其转化为操作指令传达到增压风机的动叶上，动叶的开度进行变动从而确保增压风机入口压力值的稳定。此外，技术人员还可以通过DCS系统直接对手动状态下的增压风机动叶开度进行调整，一般来说动叶都是处于自动状态，只有当动叶指令反馈值偏大或者压力测点故障等情况出现时才会转化为手动状态。

石膏是湿法烟气脱硫的主要材料，而吸收塔的pH值直接影响着石膏的纯度因而必须对其进行严格的控制，适宜的吸收塔内pH值为5.4左右，当pH值低于5.2时，需要对原有的浆液输入量进行增加，而当pH值高于5.6时则需要将石膏排出，在此过程中石膏旋流器至关重要，因此要避免旋流子堵塞现象的出现。脱硫效率与吸收塔内的pH值直接相关，在一定的范围内pH值与脱硫效率成正比，这主要是由于碳酸钙的存在。与此同时，二氧化硫的排出量也受到pH值的影响，一般来说，为了保证吸收塔内反应的顺利进行浆液pH值也需要保持在一个合适的区间内。

吸收塔的供浆流量控制回路分为主控制回路和副控制回路，其中处理前，烟气中的二氧化硫的含量是主控制回路进行浆液供给量调节的主要参考指标，而浆液的pH值则是副回路的重要参考标准。石灰石-石膏湿法脱硫技术中石灰石浆液的流量对脱硫效果具有直接的影响，且由于碳酸钙在水中的溶解度的问题石灰石浆液容易出现沉淀堵塞浆液管道，为此必须要对其流量进行限制，并根据吸收塔的pH值对浆液循环泵的工作状态进行调整，当吸收塔的pH值过小时石灰石浆液流量需要手动进行调整，而pH值过大时则采取浆液循环泵停运、阀门关闭、管道冲洗等操作。

4 DCS脱硫系统调试

4.1 单体调试

单体调试工作需要在设备安装完毕基本脱硫安装过程执行结束且与主系统的连接未建立时进行，单体调试的主要作用是确定实际应用效果、设备运行状态以及产品质量等，在调试中相关人员需要对脱硫技术、脱硫系统、关键设备、保护装置等进行熟悉和检验。单体调试的主要内容包括四个方面：一是脱硫设备个体保护装置的调试；二是对电气系统的调试检查，需要进行电路回路检查、机械装置接电试运行、电机试操控等；三是对系统中仪表的检查，需要进行的工作有安全阀门试验、定值设置、调节阀门试验等；四是对工艺系统的调试检查，包括温度测试、工艺设备状态检查以及压力调等。

4.2 分系统调试

分系统调试一般在单体调试结束后确定各单体回路、单体设备无故障后进行，其目的是对各分系统在正常负荷下的各项参数进行调试，确保子系统足以支撑脱硫系统的稳定运行。分系统调试的主要工作内容包括检查脱硫设备及安装质量、运行条件检验、系统运行时各单体设备的配合度、系统联锁及保护调试等。技术人员需要根据一般脱硫系统运行时的基本要求和各项参数作为分系统调试的设置，以确保分系统可以适应脱硫系统实际运行的要求。

4.3 整套调试

整套调试是系统分散控制系统调试的最后也是最为重要的环节，在上述两项调试无误后方可进行。实际脱硫过程中需要运行的所有装置、电路、设备等在整套调试的过程中应当全部运行，为了确保调试的有序性和有效性可以分步进行，首先对手动操作程序进行检查之后再对自动程度进行调试，脱硫过程中需要用到的各种参数测量仪器温度计、流量计以及调节阀等也需要进行充分的检查，当全部装置设备运行都没有问题时整机的调试才可以开始。需要注意的是当整套调试结束后要对实验过程中产生的污水、垃圾等进行恰当的处理。

5 结语

综上所述，降低火力发电厂有害物质的排出量，提高其环保性是我国电力行业发展的必由之路，也是我国经济发展方式转型升级的具体要求。火力发电厂需要根据自身的实际情况，加快脱硫系统的改造升级，积极选用DCS作为脱硫的控制系统，提高电厂烟气脱硫效率以及脱硫系统本身的稳定性和安全性，促进火力发电厂的健康发展，用实际行动践行可持续发展战略。

参考文献

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作者简介：周海平（1982-），男，陕西铜川人，神华陕西国华锦界能源有限责任公司工程师，研究方向：热工控制、自动化仪表、DCS日常维护。

（责任编辑：王 波）