作者：科晉爾 日期：2013-12-23
煙氣脫硫監控系統的設計及應用分析
華能國際電力股份有限公司德州電廠(chǎng)#5、#6機組(2×700MW)脫硫系統由清華同方環(huán)境有限公司總承包，負責設計、施工及調試工作，工程于2008年6月底投產(chǎn)。
脫硫工藝采用就地強制氧化的噴淋濕式石灰石-石膏法，脫硫布置方式采用一爐一塔，脫硫副產(chǎn)品為石膏(CaSO4.2H2O)，FGD運行范圍在BMCR負荷和鍋爐最低穩燃負荷(60%BMCR)之間持續安全運行，旁路煙道容量為100%，FGD脫硫效率≥95%，煙道流速≯15 m/s。
1.1 FGD系統流程概述
FGD系統安裝在#5、#6機組引風(fēng)機的后方，用于脫除引風(fēng)機出口原煙氣中95%以上的SO2。FGD系統由以下幾個(gè)主要系統組成：煙氣系統、SO2吸收系統、石灰石制粉系統、石灰石粉制漿系統、石膏脫水系統、廢水處理系統、工藝水系統、事故漿罐系統、壓縮空氣系統等。其中石灰石制粉系統、石膏脫水系統、廢水處理系統、事故漿罐系統均為全廠(chǎng)公用系統。
鍋爐煙氣自鍋爐水平主煙道引出，經(jīng)增壓風(fēng)機提升煙氣壓力。增壓風(fēng)機出口的煙氣進(jìn)入煙氣換熱器(GGH)降溫至127.3℃，然后進(jìn)入吸收塔。脫硫除霧后的干凈煙氣再返回煙氣換熱器加熱至76.6℃以上，然后經(jīng)凈煙道返回水平主煙道，最后通過(guò)煙囪排出。
FGD系統采用的脫硫劑為石灰石粉(90%通過(guò)250目)，該石灰石粉由磨制區石灰石制粉系統磨制成成品后，由密閉罐車(chē)運送至脫硫島內，通過(guò)石灰石粉稱(chēng)重系統調配成濃度為30%的漿液，不斷地補充到吸收塔內。
吸收塔內的最終產(chǎn)物為石膏(CaSO4.2H2O)。石膏漿液從吸收塔漿池中抽出，經(jīng)一、二級脫水后，得到含水率不大于10%的石膏。石膏儲存在石膏庫中，再由卡車(chē)運至廠(chǎng)外綜合利用。
煙氣系統包括的主要設備有：FGD進(jìn)口擋板、出口擋板和旁路煙氣擋板，增壓風(fēng)機、煙氣換熱器GGH及其附屬設備。
SO2吸收系統包括2座吸收塔，每個(gè)單元設置四臺漿液循環(huán)泵、三臺氧化風(fēng)機。每臺吸收塔配備4層噴淋層、兩級除霧器。
石灰石制粉系統為全廠(chǎng)公用，包括兩個(gè)子系統：石灰石預破碎系統、干式球磨機制粉系統。
石膏脫水系統為全廠(chǎng)公用，全廠(chǎng)共設計6臺石膏漿液旋流器，5臺真空皮帶脫水機，1座石膏庫，2個(gè)濾液水箱，3臺廢水漩流器，3臺廢水給料箱。#5機組FGD所出石膏可從#2、#3真空皮帶機進(jìn)行脫水處理，#6機組FGD所出石膏可從#3、#4真空皮帶機進(jìn)行脫水處理。#5、#6機組不單設廢水處理系統，廢水仍利用原廢水系統。
工藝水系統為#5、#6機組公用，包括1個(gè)工藝水箱，2臺工藝水升壓泵，2臺工藝水泵，每臺吸收塔配備2臺除霧器沖洗水泵。工藝水水源取自#5機組開(kāi)式水入口濾網(wǎng)前進(jìn)水管或#6機組開(kāi)式水的回水管。
工藝水泵用于氧化空氣的冷卻水、石灰石制漿、GGH及各漿液管道設備等的沖洗水，除霧器沖洗水泵用于吸收塔內去除霧滴及吸收塔液位調節用水。
排放系統中的1個(gè)事故漿液箱及2臺事故漿液泵為全廠(chǎng)公用，吸收劑制備區排水坑、吸收塔區排水坑每臺機組各設1座，石膏脫水區排水坑設1座，為#5、#6機組公用。
壓縮空氣系統脫硫島區#5、#6機組各設置1個(gè)儀用壓縮空氣儲罐和1個(gè)旁路擋板用壓縮空氣儲罐;1個(gè)雜用壓縮空氣儲罐為#5、#6機組FGD公用。壓縮空氣取自機組壓縮空氣系統，用氣量約為15Nm3/h。
二、脫硫DCS控制系統配置情況
2.1 FGD-DCS監控范圍
FGD-DCS監控范圍包括：煙氣脫硫系統的煙氣系統、煙氣吸收系統、煙氣脫硫系統的公用部分、煙氣脫硫系統的電氣系統(包括脫硫變、高低壓電源回路的監視和控制以及UPS、直流系統的監視等等)。
2.2 系統配置
本期脫硫工程控制系統采用GE能源集團上海新華公司的DCS系統XDPS-400，按單元制布置采用集中監控方式。脫硫系統與三期機組共用一個(gè)集中控制室，現場(chǎng)無(wú)人值班，運行監控通過(guò)機組集控室內的操作員站對各機組脫硫系統進(jìn)行啟、?？刂?、正常運行監視和調整及異常、事故工況處理。
磨制系統DCS與已建的二期磨制系統DCS聯(lián)網(wǎng)，做為全廠(chǎng)的磨制控制系統，在磨制區控制室內實(shí)現。
脫硫島控制系統FGD-DCS的設計按照功能分散和物理分散相結合的原則進(jìn)行。FGD-DCS的功能包括數據采集系統(DAS)、模擬量控制系統(MCS)、順序控制系統(SCS)等。
2.2.1 操作員站及工程師站配置
兩臺機組脫硫系統各配置工程師站1套，操作員站3套;脫水樓工程師站1套;磨制區配置操作員站1套，規格均為21″LCD、512M內存、100G硬盤(pán)。
2.2.2 系統I/O點(diǎn)配置
兩臺機組脫硫控制系統開(kāi)關(guān)量、模擬量等I/O點(diǎn)應用情況如下：
2.2.3 系統控制器配置
磨制區配置冗余控制器2對，脫硫DCS系統(脫硫區)配置冗余控制器9對，劃分情況為：#1、#2、#4DPU主要控制#5機組脫硫控制系統;#3DPU主要控制#5機組脫硫電氣部分;#5、#6、#8 DPU主要控制#6機組脫硫控制系統;#7DPU主要控制#6機組脫硫電氣部分;#9DPU主要控制三期脫硫脫水樓設備。
三、FGD系統的自動(dòng)控制系統
3.1增壓風(fēng)機入口壓力控制
在FGD正常運行時(shí)旁路煙道擋板處于關(guān)閉狀態(tài)，FGD裝置的增壓風(fēng)機克服脫硫島煙氣系統的阻力，當FGD裝置故障時(shí)，旁路煙道檔板快速開(kāi)啟(10s)，以確保不影響發(fā)電機組的安全運行;所以要求在FGD運行時(shí)增壓風(fēng)機前的煙氣壓力等于FGD停運時(shí)的煙氣壓力。
增壓風(fēng)機入口壓力控制是一個(gè)單回路的壓力控制系統，在投入自動(dòng)時(shí)(手動(dòng)時(shí)靜葉開(kāi)度為0%)把煙氣壓力的測量值設為其設定值?？刂戚敵鲋禐樵鰤猴L(fēng)機靜葉開(kāi)度。
3.2入塔石灰石漿液量的控制
3.2.1主控制回路
石灰石漿液閉環(huán)控制回路按照脫硫塔入口的SO2量控制脫硫塔的供漿量。
石灰石漿液閉環(huán)控制回路設定點(diǎn)的基礎是一個(gè)計算值，這個(gè)計算值乘上第二個(gè)調節回路——內漿液PH值調節回路的輸出值，作為供漿量調節回路的設定點(diǎn)。
進(jìn)入脫硫塔的SO2量乘上SO2脫硫系數K0以及脫硫效率后，是脫硫塔所需的石灰石進(jìn)料量，也是主調節回路的設定點(diǎn)。系數K0可由操作員進(jìn)行改變，它實(shí)際上是CaCO3/SO2以及石灰石活性系數和CL含量對CaCO3/SO2的影響量的具體體現。系數K0在首次調試后設置為固定值，一般不改變，除非是改變了鍋爐的燃煤煤種或改變了脫硫劑的品質(zhì)。
脫硫效率按下列公式計算：
脫硫效率=( FGD進(jìn)口煙氣SO2含量–FGD出口煙氣SO2含量) / FGD進(jìn)口煙氣SO2含量
實(shí)際進(jìn)入吸收塔的石灰石總量的計算公式為：
實(shí)際進(jìn)入吸收塔的石灰石總量[kg/h] = 1.6 ×(石灰石漿液-1055)× F石灰石漿液
3.2.2副控制回路
上面提到的吸收塔漿液的PH值閉環(huán)控制回路可以影響15%的供漿量。PH值閉環(huán)控制回路的設定值可由操作人員調整，調整范圍為5.6～6.8。
吸收塔內漿液的實(shí)際PH值03HTL08 CQ901=(03HTL08 CQ001 + 03HTL07 CQ001 ) / 2。
PH值閉環(huán)控制回路的輸出限制在0.85～1.15之間。
為了防止漿液管道的沉積和堵塞，石灰石供漿管線(xiàn)需要一個(gè)最低流速。當FGD進(jìn)口SO2總量小于一定值時(shí)，所需的供漿管線(xiàn)流速也將小于最低流速。為防止此種情況下的堵塞問(wèn)題，在小流量的情況下不采用前面所述的控制回路而是采用簡(jiǎn)單的兩位控制。當吸收塔的PH值大于PH值設定點(diǎn)+0.1時(shí)，將完全停止供漿，供漿流量調節閥設為手動(dòng)，供漿閥全關(guān)并且對供漿管線(xiàn)進(jìn)行沖洗。當吸收塔的PH值小于PH值設定點(diǎn)-0.1時(shí)，將按照一個(gè)手動(dòng)設置的最小流量設定值K2進(jìn)行供漿，供漿流量調節閥設為自動(dòng)。
3.3 石灰石漿液濃度的控制
石灰石漿液密度的測量值與設定值(一般為1339kg/m3)比較，通過(guò)PID調節來(lái)調節石灰石給粉機的轉速，達到控制加入石灰石漿液箱石灰石粉量的目的，同時(shí)把石灰石漿液箱補水的流量控制串聯(lián)到該回路中。
石灰石漿液箱液位的測量值與設定值比較，通過(guò)PID調節來(lái)調節補水調節閥的開(kāi)度，控制石灰石漿箱的液位。當石灰石漿液箱的液位達到高位報警時(shí)，關(guān)閉補水調節閥。
3.4吸收塔漿液濃度的控制
熱原煙氣的穿行，蒸發(fā)并帶走了吸收塔中的水分，同時(shí)，脫硫反應生成固體產(chǎn)物，上述兩個(gè)過(guò)程導致吸收塔漿液的濃度增大。另一方面，通過(guò)除霧器清洗水的增加和向吸收塔加入回收水可以使吸收塔漿液的濃度降低。為了優(yōu)化FGD系統的性能和整個(gè)系統的水平衡，需要連續監測吸收塔漿液濃度并通過(guò)打開(kāi)或關(guān)閉石膏旋流器入口的電動(dòng)閥。通過(guò)此閥門(mén)的開(kāi)關(guān)來(lái)維持吸收塔中漿液的懸浮物濃度在15%左右。
用一只密度計測量石膏排出泵出口漿液的密度，該信號送至DCS控制系統并與設定值進(jìn)行比較來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉石膏旋流器入口的電動(dòng)閥。通過(guò)此閥門(mén)的開(kāi)關(guān)來(lái)維持濃度為固體懸浮物含量在15%與10%之間。該濃度控制是斷續式的，但石膏排出泵是連續運行的，當固體懸浮物含量達到15%(密度1085kg/m3)時(shí)打開(kāi)電動(dòng)閥，當固體懸浮物含量降至10%(密度1060kg/m3)時(shí)關(guān)閉該電動(dòng)閥，石膏漿液通過(guò)回塔的工藝管道回到吸收塔。
3.5石膏濾餅厚度的控制
這是一個(gè)單回路調節系統，通過(guò)調節轉速來(lái)控制脫水機上的石膏層厚度以確保脫水性能，真空皮帶脫水機為變頻調速，當石膏餅厚度為23～27mm時(shí)，真空皮帶脫水機保持恒速;當石膏餅厚度<23mm時(shí)，真空皮帶脫水機的轉速以0.1m/min的速率，每20s時(shí)間為一步，一步步遞減;當石膏餅厚度>27mm時(shí)，真空皮帶脫水機的轉速以0.2m/min的速率，每20s時(shí)間為一步，一步步遞增。
四、常規檢測儀表及就地設備配置原則
4.1對于關(guān)系到安全或調節品質(zhì)的重要過(guò)程參數，設置三重或雙重的冗余測量配置。
4.2對某些參數，不同點(diǎn)的測量值存在差異時(shí)， 采取多點(diǎn)測量的方式。
4.3 旁路擋板設計
旁路擋板設計有三斷(斷氣、斷電、斷信號)等保護，輸出信號定義為0～100%對應20～4mA，旁路擋板快開(kāi)信號設計為掉電有效，以保證任何情況下保護都能起作用。
4.3.1旁路擋板快開(kāi)條件：
FGD保護信號首出;
FGD請求鍋爐MFT;
煙道壓力高高(>0.2kPa)延時(shí)5秒;
快開(kāi)按鈕;
三斷保護;
原或凈煙氣擋板外部行程開(kāi)關(guān)全開(kāi)位信號消失硬聯(lián)鎖。
五、脫硫幾個(gè)重要保護系統設計與應用情況
為確保脫硫保護系統能可靠投用，結合清華同方環(huán)境有限公司的設計情況及有關(guān)方面脫硫控制系統的設計規定和文件，業(yè)主多次組織有關(guān)方面召開(kāi)專(zhuān)題會(huì )議，對有關(guān)控制保護邏輯進(jìn)行審查，幾個(gè)重要保護應用情況如下：
5.1 FGD請求鍋爐MFT
5.1.1 FGD旁路煙氣擋板未開(kāi)到位(旁路擋板上半部分及下半部分外部全開(kāi)開(kāi)關(guān)三取一信號未來(lái);或旁路擋板上半部分及下半部分開(kāi)度信號均小于50%;或旁路擋板上半部分及下半部分開(kāi)度信號之和小于110%)且FGD原煙氣擋板不全開(kāi)(外部開(kāi)行程開(kāi)關(guān)三取二信號)或FGD凈煙氣擋板不全開(kāi)(外部開(kāi)行程開(kāi)關(guān)三取二信號);
5.1.2 FGD增壓風(fēng)機跳閘15s內FGD旁路煙道擋板未全開(kāi)，旁路擋板未全開(kāi)信號取法同上;
5.2 引起FGD的跳閘信號
FGD請求鍋爐MFT;
鍋爐MFT信號;
FGD增壓風(fēng)機跳閘;
FGD原煙氣溫度>165℃，溫度點(diǎn)有品質(zhì)和速率判斷;
FGD原煙氣壓力<-1kPa;
FGD原煙氣壓力>1 kPa;
FGD原煙氣擋板未關(guān)(關(guān)反饋消失)或原煙擋板開(kāi)到位(開(kāi)關(guān)3取2)且FGD GGH主電機、輔電機都未運行延時(shí)15s;
只有一臺漿液循環(huán)泵運行延時(shí)30分鐘;
FGD漿液循環(huán)泵都未運行。
5.3鍋爐引風(fēng)機A、B跳閘
當機組DCS收到FGD請求鍋爐MFT和FGD入口壓力>1kPa信號后延時(shí)5s跳引風(fēng)機A、B。
六、脫硫控制系統與機組DCS的聯(lián)系信號
根據機組實(shí)際情況，結合有關(guān)規定，經(jīng)討論脫硫控制系統與機組DCS的聯(lián)系信號如下表3：
七、其它
為了便于現場(chǎng)運行環(huán)境監視，FGD設一套彩色工業(yè)電視監視系統。
八、需要注意的幾個(gè)問(wèn)題
8.1 重視脫硫系統中旁路擋板、原煙氣及凈煙氣三個(gè)擋板連鎖的設計
這三大擋板在脫硫系統運行過(guò)程中聯(lián)系緊密，正確設計、處理好這三大擋板的控制連鎖關(guān)系，是確保脫硫系統安全運行的重要基礎。一般對于旁路擋板除控制系統信號聯(lián)鎖外，要考慮電纜硬連接信號的聯(lián)鎖，例如：引入原煙氣或凈煙氣擋板離開(kāi)全開(kāi)位后快速打開(kāi)旁路擋板等措施。確保煙氣通暢。
8.2重視煙氣流量及煙氣連續測量系統(CEMS)的選型及設置
煙氣流量測量的選型要充分考慮到煙道直管段是否滿(mǎn)足所選儀表的要求，我廠(chǎng)三期煙氣流量測量采用熱式流量計，煙氣連續測量系統(CEMS)選用北京雪迪龍自動(dòng)控制系統有限公司代理的產(chǎn)品。就我廠(chǎng)三期煙氣流量測量應用情況看，應用情況較好，測量數據的準確性較高。每套FGD設出口煙氣連續測量系統(CEMS)、送環(huán)保CEMS和入口CEMS，采用抽取法。
出口CEMS測量出口煙氣SO2含量、出口煙氣O2含量、出口煙氣NOx含量、出口煙氣DUST含量、出口煙氣H2O含量、出口煙氣流量、出口煙氣溫度。送環(huán)保CEMS測量煙囪入口煙氣壓力、入口煙氣SO2含量、入口煙氣O2含量、入口煙氣NOx含量、入口煙氣DUST含量、入口煙氣H2O含量、入口煙氣流量、入口煙氣溫度。入口CEMS測量FGD入口煙氣SO2含量、FGD入口煙氣DUST含量、FGD入口煙氣O2含量、FGD入口煙氣溫度、FGD入口煙氣壓力。
根據國家環(huán)保部門(mén)有關(guān)規定，為更好地檢測煙氣脫硫的設計運行情況，送環(huán)保CEMS煙氣流量監控測點(diǎn)需專(zhuān)設在旁路排放原煙氣與凈化煙氣匯合后的混合煙道部分，確實(shí)因客觀(guān)原因無(wú)法在混合煙道上安裝或已安裝但位置不符合規范要求的，應在旁路煙道加裝煙氣溫度和流量采樣裝置。此要求必須引起脫硫CEMS系統設計及運營(yíng)單位的高度重視。
8.3重視脫硫控制系統與廠(chǎng)SIS或MIS聯(lián)網(wǎng)設計
由于國家及華能集團公司對脫硫系統運行情況越來(lái)越重視，要求將脫硫系統運行數據聯(lián)入全廠(chǎng)SIS或MIS系統中，以便管理部門(mén)及時(shí)了解及掌握脫硫系統運行情況，因此，機組脫硫系統設計時(shí)，結合各廠(chǎng)實(shí)際情況一定要充分考慮到脫硫系統聯(lián)網(wǎng)的具體方案，真正做到簡(jiǎn)單、可靠、可行。