JX-400控制系统在湿法脱硫中的应用
摘 要:利用JX-400过程分散控制系统（DCS），开发出300MW石灰石-石膏法脱硫控制系统，并对控制系统DCS的硬件配置、主要模拟量控制、顺序控制、辅助系统及烟气监测系统等作了简单介绍。
关键词:烟气脱硫;分散控制系统（DCS）;模拟量控制;顺序控制
1 脱硫分散控制系统组成及布置
石灰石-石膏法脱硫过程如其他化工过程一样，需要将一些化学、物理工艺参数值维持在规定的范围内，以获得稳定的性能和最佳的经济效益。
石灰石-石膏法脱硫系统中的测点不是很多，但要控制的阀门和设备较多。总测点约200个，控制对象约320个。I/O点数在2400点左右，整套系统以顺序控制为主，闭环控制回路少、开环回路多，且实用性要求不高。但是，烟气脱硫系统在工艺上还是有其特殊性，尤其是在仪表的选择上。采用集中控制的方式，控制系统为JX-400分散控制系统（DCS），完成整套脱硫设备及其辅助系统（包括电气设备）的监视与控制。
1.1 控制范围
采用JX-400系统实现对脱硫装置的烟气系统、SO2吸收系统、氧化空气系统、石灰石制浆、石膏排放、石膏脱水系统等运行工况的监视和报警；对电动机、电动门、风门挡板以及电气供电回路的断路器的顺序控制；以及对一些工艺闭环控制和联锁保护。
1.2 控制水平
以分散控制系统（DCS）的CRT和键盘作为烟气脱硫系统的主要监视和控制中心，并配少量光字牌和控制设备（布置在CRT台上），在集控室内完成烟气脱硫系统的启停及正常工况的监视和调整、异常工况的报警和紧急事故处理。
1.3 控制系统构成
脱硫DCS系统的控制柜安装在脱硫综合楼电子设备间内。在脱硫综合楼内设集中控制室，DCS的操作员站、打印机、电除尘控制上位机等合并布置于其中。脱硫装置控制系统（DCS）完成整套脱硫设备及其辅助系统（包括电气设备）的监视与控制。设置了一个操作员站和一个工程师站，工程师站也可作为操作员站，两台站互为备用。每个操作员站配置2台CRT。FGD装置的分散控制系统
按分层分级的原则设计。DCS系统将分成系统监控层和过程控制层，在过程控制层中将分为两级控制，即子功能组级和驱动级。在不同层次和级别之间，通过通讯连接起来。系统采用百兆冗余网络，所有控制策略在两对CPU内实现。
1.4 DCS的可靠性指标
系统可用率≥99.9%；系统精度：输入信号±0.1%（高电平），±0.2%（低电平）；输出信号±0.25%；抗干扰能力：共模电压≥250V，共模抑制比≥90dB，差模电压≥60V，差模抑制比≥60dB。
1.5 DCS系统裕量
最繁忙时，控制器CPU的负荷≤60%，操作员站负荷率≤40%。内部存储器占用容量≤50%，外部存储器占有容量≤40%。每种I/O点裕量≥15%。电源负荷裕量≥30%。通讯总线的负荷率：≤30%（令牌网），（以太网）≤20%。冗余：控制器冗余配置；数据高速公路冗余。DCS的I/O机柜供电电源冗余（一路来自脱硫岛UPS电源，另一路来自脱硫岛保安电源）。机柜内供电双重化；关键的模拟量参数冗余设置（吸收塔液位和浆液pH值测量）；DCS设置2台操作员站，每个操作员站以两个结点与数据公路相连，同时2台操作员站互为备用。
采用微处理器技术的控制系统，均具有自诊断功能，在内部故障还没有干扰生产过程之前，即能在系统本身范围内探测到故障并实行防止故障扩大的措施，同时进行报警和记录。
脱硫DCS与机组的DCS之间关键信号的交换采用硬接线的方式。
1.6 主要控制功能
D C S系统主要具备四个功能：数据采集和处理（D A S）；模拟量控制（M C S）；开关量顺序控制（SCS）和热工保护。
（1）监视系统
脱硫装置的热工检测系统由分散控制系统DCS中的数据采集和处理系统（DAS）来完成。DAS系统的基本功能包括：数据采集、数据处理、屏幕显示、参数越限报警、事件序列、事故追忆、性能与效率计算和经济分析、打印制表、屏幕拷贝、历史数据存储等。
（2）开关量顺序控制、联锁
辅机的联锁保护和启停控制以及一些主要阀门的开闭控制由DCS中的开关量顺序控制系统（SCS）来完成，实现功能组或子组级的控制，以减轻运行人员劳动强度防止误操作。操作的主要对象有：脱硫塔石灰石浆液循环泵、增压风机、氧化风机、密封风机、脱硫塔石膏浆液排出泵、石膏浆液输送泵、工艺水泵、石灰石浆液输送泵等。
（3）顺序控制
脱硫装置顺序控制的目的是满足装置的启动、停止及正常运行工况下的控制要求，并实现脱硫装置在事故和异常工况下的控制操作，保证装置的安全运行。
顺序控制的具体功能包括：
1）实现脱硫装置主要工艺系统的自启停；
2）实现脱硫塔及辅机、阀门、烟气挡板的顺序控制、控制操作及试验操作；
3）实现辅机与其相关的冷却系统、润滑系统、密封系统的连续控制；
4）在发生局部设备故障跳闸时，联锁启停相关设备；
5）实现脱硫厂用电系统的联锁控制。
（4）保护与联锁
保护动作主要分四大类：
1）报警信号：向操作人员提示装置运行中的异常情况；
2）联锁保护：必要时按程序自动启动或自动切除某些设备及系统，使脱硫装置保持原负荷运行或减负荷运行；
3）跳闸保护：当发生重大故障，危及设备或人身安全时，实施跳闸保护，停止整个装置（或部分设备）运行，避免事故扩大；
4）热工保护：脱硫系统的热工保护由DCS独立的分散处理单元来完成。主要实现的保护功能有：脱硫装置的保护动作条件包括脱硫装置进口温度异常、进口压力异常、出口压力异常、锅炉主燃料跳闸（MFT）、增压风机故障、换热器故障、循环浆泵投入数量不足、原烟气挡板或净烟气挡板未打开等。当发生上述情况时，脱硫装置停运并自动打开烟气旁路挡板，通过关闭原烟气挡板和净烟气挡板来断开进入脱硫装置的烟气通道，使烟气旁路，直达烟囱排放。
控制室设旁路挡板门手动按钮，在紧急状态时，可强制动作旁路挡板门，保证锅炉安全运行。脱硫装置的DCS系统与锅炉的DCS控制系统之间的接口采用硬接线方式。主要信号：锅炉侧风量信号；锅炉状态（MFT、火焰、吹扫等信号）；燃烧器运行（或停止）信号；烟道压力信号；电除尘器电场投入状况信号等。脱硫侧：增压风机运行（或停止）信号；旁路挡板状态信号；脱硫装置运行（或停止）信号等。在烟气量减少的情况下，根据吸收塔硫铵浆液的pH值及浆液浓度，减少石灰石浆液的供应量。
1.7 电源和气源
脱硫车间的热控设备用电拟单独设置。共考虑设置两种等级电源。
UPS：脱硫岛所需UPS电源由主厂房引接。
DCS：由UPS和厂用电双路供电。
气源：根据本工程实际情况，不采用气动阀门。烟道压力/差压变送器仪表导管反吹等仪用气源由一期仪用气源处理设备供给。气源管路的设置及气源品质的要求与主厂房仪用气源设计相同。
2 脱硫过程主要控制回路
2.1 SO2脱除效率控制
脱硫效率（或SO2排放量）是FGD工艺过程中要控制的最主要的变量。无论机组在稳定状态还是处于负荷变化时，脱硫效率的调节系统都必须满足环保法规的强制要求，同时调节系统还要寻找出运行费用最低的运行条件。
脱硫效率的调节采用控制石灰石浆液流量，由此来提高或降低L/G比，使L/G比维持在一定的范围内。来达到控制脱硫效率的目的。当锅炉负荷降至30%～60%时，在90%脱硫条件下，喷淋层可减少1～2层。这种方式实行起来简单方便，通过手动操作，脱硫塔效率能迅速随着L/G比变化，对脱硫工艺的正常运行没有明显影响。
2.2 石灰石浆液供给流量控制
采用入口SO2负荷作为前馈信号，反应罐浆液pH值为反馈信号来控制脱硫率和石灰石浆液流量。根据石灰石品质和浆液密度修正石灰石浆液流量控制。由于CaCO3流量的调节影响着吸收塔反应池中浆液的pH值，为了使化学反应更完全，应该将pH值保持在某一设定值；当pH值降低，所需的CaCO3流量应按某一修正系数增加。将实际测量的pH与设定值进行比较，通过pH值控制器产生一修正系数，对所需的CaCO3流量进行修正。将经pH值修正后的所需CaCO3流量与实际的CaCO3流量进行比较，通过一比例积分控制器控制石灰石浆调节阀的开度。
优点：比pH值简单调节回路有较好的响应时间，可以使过程pH值处于合适的范围内；脱硫效率设定值ηSO2随锅炉负荷改变，锅炉负荷低，设定值ηSO2高，这使得在负荷变化时，要保持浆液pH值和浆液中过剩CaCO3含量不变，从而使石膏的质量保持稳定，也使得脱硫效率能很快跟踪负荷变化。
缺点：需要入口烟气CEME或连续分析燃料含硫量，pH值传感器需要经常维护和校验；最佳pH值范围随时间变化。
2.3 脱硫塔液位和浆液密度控制
脱硫塔液位和浆液密度是脱硫过程中重要的两个控制参数，在运行中脱硫塔的水平衡是负平衡。控制脱硫塔液位实质是维持这一水平衡，维持脱硫塔液位所需的平衡水来自回收水罐的回收水。而维持脱硫塔浆液密度的稳定，对于保持脱硫塔中适当的化学反应是十分必要的，对脱硫效率、固体物的停留时间、石膏结晶、石膏纯度和防止结垢有直接、明显的影响。而液位与浆液密度调节则是密切相关。
控制系统的作用是启动回收水电动阀门，接受开关量信号，在W=1时开启阀门，进行补偿回收水。结束后关闭阀门，开关量是基于运算回路形成的。
2.4 增压风机压力控制
增压风机压力控制回路采用复合控制系统，为了跟踪锅炉的负荷变化，采用锅炉负荷作为控制系统前馈信号，以增压风机入口烟道压力作为反馈信号，将压力测量值与不同锅炉负荷下的设定值进行比较，得到差值与锅炉负荷信号相叠加，偏差经过PID运算后来调节增压风机入口动叶的转角，将增压风机的入口压力控制在设定值。当锅炉负荷变化时将同时调节增压风机的出力，可以减少引风机后至FGD进口段烟气的压力偏移。
2.5 除雾器冲洗控制
进入吸收塔的热烟气由于冷却和饱和作用将带走汽化了的水，这部分损失的水量通过除雾器冲洗系统进行补充。除雾器冲洗为一顺控系统，按一定的顺序对除雾器粗分离器和叶片式分离器的进、出口侧进行冲洗，每一侧冲洗管路上有喷水器和相应的冲洗电动蝶阀，这些电动蝶阀按一定的间隔时间轮流开关，补充到吸收塔中的冲洗水量与上述顺控程序中的间隔时间的长短有关。因此，通过控制间隔时间的长短可以调节吸收塔液位。
通过烟气量和吸收塔液位的函数关系可以计算出所需的间隔时间，与实际累计的间隔时间进行比较，当累计的间隔时间达到所需的间隔时间时，冲洗程序中相应的电动蝶阀打开，冲洗开始，同时，间隔时间累计器复置为0，当冲洗完毕后，新的间隔时间开始累计，从而达到除雾器冲洗和吸收塔液位控制的双重目的。
2.6 脱硫塔浆液pH值控制
脱硫塔内浆液pH值是由送入塔内的石灰石流量进行控制的，其控制的目的是获得最高的浆液石灰石利用率、保证预期的脱硫效果及提高脱硫装置适应锅炉负荷变化的灵活性。脱硫塔内浆液pH值是脱硫系统中最主要也是相对较复杂的控制回路。
脱硫装置运行中，可能引起塔内浆液pH值变化或波动的主要因素为烟气量与烟气中SO2浓度，还有石灰石浆液的浓度及供给量等。
塔内浆液pH值控制系统的前馈控制器用来克服由于烟气量与烟气中SO2浓度的变化对被控变量pH值造成的影响；而反馈控制器起反馈作用。将浆液pH值与设定的pH值进行比较，得到的差值信号与作为前馈信号的锅炉烟气与烟气中SO2浓度的综合信号相叠加，前馈与反馈共同作用产生一个调节信号，来控制石灰石浆液水供给阀门的开度，使塔内浆液pH值维持在设定值上。另外，由于增加了石灰石浆液流量中间信号，流量测量值要比pH值测量值更快、更直接。用流量信号后，改善了对象的特性，使调节过程加快，且有超前控制的作用，并且有一定的自适应能力从而有效地克服滞后，提高了控制质量。
2.7 石膏脱水及滤饼厚度的控制
（1）旋流器入口压力调节
机组及公用系统共有两台旋流器，1#入口压力分别由两台石膏排出泵及两台废水旋流器给料泵控制入口压力，由于这种工艺比较简单，没有其它的变量影响。所以入口压力能够很好地被控在设定值上，波动范围基本上在±1Pa之内。
（2）石膏浆液回收罐液位自动调节
石膏浆液回收罐液位的影响因素有很多，回收罐入口有废水旋流器、滤液泵、脱水区排水坑、石膏旋流器等多根进水管道，而且进水管的管径并不相同，所以每根进水管对水位的影响也不相同。这个调节回路最难处理的是无法判断回收罐有没有进水，因为石膏旋流器至回收罐的管道没有设计回收罐的入口门。如果回收罐没有进水，那这个调节系统将是无法调节的，而且有可能造成变频泵长期在低转速范围内运行，这是不允许的，所以我们在回路中增设了一条。如果测量水位与设定值相差1米，控制系统切回手动运行。
（3）真空过滤机及滤饼厚度自动调节
为了控制石膏浆液的进料流量和防止石膏浆液的分配不均匀，采用超声波测厚仪测量石膏饼厚度，并与工艺设定值做比较，进行偏差抑制PID运算，到输出作用真空皮带变频器上，以达到运行期望。如果石膏饼厚度过大，真空皮带脱水机运行速度就快；石膏饼厚度过小，真空皮带脱水机运行速度就慢。真空皮带脱水机为变频调速，通过调节转速来控制真空皮带脱水机上的石膏层厚度以确保脱水性能，当石膏饼厚度为23～27mm时，真空皮带脱水机保持恒速；当石膏饼厚度＜23mm时，真空皮带脱水机以0.1m/min的速率，每20s时间为一步，一步步递减；当石膏饼厚度＞27mm时，真空皮带脱水机以0.2m/min的速率，每20s时间为一步，一步步递增。
2.8 事故挡板门保护功能
事故挡板门主要实现的保护功能为：FGD装置的保护动作条件包括FGD进口温度异常、进口压力异常、出口压力异常、锅炉主燃料跳闸（MFT）、增压风机故障、换热器故障、循环浆泵投入数量不足、原烟气挡板或净烟气挡板未打开等。当发生上述情况时，FGD装置停运并自动打开烟气旁路挡板，通过关闭原烟气挡板和净烟气挡板来断开进入FGD装置的烟气通道，使烟气旁路直达烟囱排放。
控制室设旁路挡板门手动按钮，在紧急状态时，可强制动作旁路挡板门，保证锅炉安全运行。FGD装置的DCS系统与锅炉的DCS控制系统之间的接口采用硬接线方式。主要信号：锅炉侧风量信号；锅炉状态（MFT、火焰、吹扫等信号）包括：燃烧器运行（或停止）信号；烟道压力信号；电除尘器电场投入状况信号等。脱硫侧信号：增压风机运行（或停止）信号；旁路挡板状态信号；FGD运行（或停止）信号等。当机组任意一台炉MFT动作的时候，关闭已停炉的原烟气挡板，停一台循环泵，在烟气量减少的情况下，根据吸收塔浆液的pH值及浆液浓度，减少石灰石浆液的供应量。
3 小结
脱硫系统1#炉单元和公用系统已投运2年，由1#炉的实际运行效果来看，采用该系列DCS控制后，大大降低了操作人员劳动强度,提高了系统运行可靠性与连续性，而成本与国外品牌相比也有较大优势。国内烟气脱硫项目工程施工和调试阶段暴露了很多问题，而这些问题的最直接原因是自控系统设计不合理。因而可以说，自控系统的好坏直接决定了脱硫工程项目实施的成败。
脱硫工艺有上百种，而自控系统则是烟气脱硫工程的神经中枢，其将脱硫工艺和工业自动化系统有机地结合起来，可达到最大的脱硫效果，但在实际应用中也存在许多技术和工程方面的难题，尚待业界同行深入探索和思考。
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