燒結(jié)煙氣氨法脫硫控制系統(tǒng)應(yīng)用實例

汪 波，肖 達

（沈陽創(chuàng)思達自動化系統(tǒng)有限公司，沈陽 110004）

燒結(jié)煙氣氨法脫硫控制系統(tǒng)應(yīng)用實例

汪 波，肖 達

（沈陽創(chuàng)思達自動化系統(tǒng)有限公司，沈陽 110004）

介紹了某鋼廠198平米燒結(jié)機氨法脫硫系統(tǒng)的工藝流程、DCS控制系統(tǒng)的硬件配置、主要模擬量控制、順序控制及煙氣監(jiān)測系統(tǒng)，分析了控制系統(tǒng)配置的優(yōu)缺點，提出系統(tǒng)改造的建議和方案。

脫硫裝置;氨法脫硫;燒結(jié)煙氣;控制系統(tǒng)

燒結(jié)工序是鋼鐵工業(yè)產(chǎn)生SO2的主要來源。燒結(jié)煙氣量大、SO2濃度低，脫硫設(shè)備投資大且運行費用高，副產(chǎn)物復(fù)雜，處理難度大，國內(nèi)可借鑒的治理示范工程少，這些問題都影響了燒結(jié)煙氣脫硫的實施。而控制系統(tǒng)的設(shè)計是否合理，直接關(guān)系到脫硫系統(tǒng)能否長期安全穩(wěn)定地運行。本文介紹了新華XCU-NET在燒結(jié)煙氣氨法脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 脫硫工藝原理

從燒結(jié)機出來的原煙氣，經(jīng)電除塵器除塵后，由脫硫塔底部進入。同時在脫硫塔頂部將氨水溶液噴入塔內(nèi)與煙氣中的SO2在脫硫塔中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，吸收SO2的同時生成亞硫酸銨，并與空氣進行氧化反應(yīng)，生成硫酸銨溶液，經(jīng)中間槽、過濾器、硫銨槽、加熱器、蒸發(fā)結(jié)晶器、離心機脫水、干燥器即制得化學(xué)肥料硫酸銨，從而完成脫硫過程。煙氣經(jīng)脫硫塔的頂部出口排出，凈化后的煙氣由煙囪排入大氣。

對于氨法脫硫工藝，二氧化硫與硫酸銨的產(chǎn)出比約為1∶2，即每脫除1噸SO2就產(chǎn)生2噸硫酸銨。在吸收塔里的硫酸銨不是以離子形式存在于溶液里，就是以固體結(jié)晶的形式存在于漿液里。系統(tǒng)里的主要成品—溶解或結(jié)晶的亞硫酸銨已完全被氧化成硫酸銨，因此在副產(chǎn)品中氮的含量很容易大于20.5%。

2 脫硫分散控制系統(tǒng)的組成及布置

氨法脫硫系統(tǒng)中的測點不是很多，但要控制的閥門和設(shè)備較多。總I/O點約200個，控制對象約80個。采用集中控制的方式，控制系統(tǒng)采用新華XCU-NET分散控制系統(tǒng)（DCS）完成整套脫硫設(shè)備及其輔助系統(tǒng)（包括電氣設(shè)備）的監(jiān)視與控制。

2.1 控制范圍

采用分散控制系統(tǒng)實現(xiàn)對脫硫裝置的煙氣系統(tǒng)、SO2吸收系統(tǒng)、氧化空氣系統(tǒng)、氨水儲蒸發(fā)、結(jié)晶系統(tǒng)等運行工況的監(jiān)視和報警；對電動機、電動門、風(fēng)門擋板以及電氣供電回路的斷路器的順序控制；以及對一些工藝閉環(huán)的控制和聯(lián)鎖保護。

2.2 控制水平

以分散控制系統(tǒng)（DCS）的CRT和鍵盤作為煙氣脫硫系統(tǒng)的主要監(jiān)視和控制中心，并配少量光字牌和控制設(shè)備（布置在CRT臺上），在集控室內(nèi)完成煙氣脫硫系統(tǒng)的啟停及正常工況的監(jiān)視和調(diào)整，異常工況的報警和緊急事故處理。

2.3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

脫硫DCS系統(tǒng)的控制柜安裝在脫硫綜合樓電子設(shè)備間內(nèi)。在脫硫綜合樓內(nèi)設(shè)集中控制室，DCS的操作員站、打印機、電除塵控制上位機等合并布置于其中。脫硫裝置控制系統(tǒng)（DCS）完成整套脫硫設(shè)備及其輔助系統(tǒng)（包括電氣設(shè)備）的監(jiān)視與控制。設(shè)置了一個操作員站和一個工程師站，工程師站也可作為操作員站，兩站互為備用。每個操作員站配置2臺CRT。FGD裝置的分散控制系統(tǒng)按分層分級的原則設(shè)計。DCS系統(tǒng)將分成系統(tǒng)監(jiān)控層和過程控制層，在過程控制層中將分為兩級控制，即子功能組級和驅(qū)動級。在不同層次和級別之間，通過通訊連接起來。圖1為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成。

2.4 控制功能

DCS系統(tǒng)主要具備四個功能：數(shù)據(jù)采集和處理（DAS）；模擬量控制（MCS）；開關(guān)量順序控制（SCS）和熱工保護。

2.4.1 監(jiān)視系統(tǒng)

脫硫裝置的熱工檢測系統(tǒng)由分散控制系統(tǒng)DCS中的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)（DAS）來完成。DAS系統(tǒng)的基本功能包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、屏幕顯示、參數(shù)越限報警、事件序列、事故追憶、性能與效率計算和經(jīng)濟分析、打印制表、屏幕拷貝、歷史數(shù)據(jù)存儲等。

2.4.2 開關(guān)量順序控制、聯(lián)鎖

輔機的聯(lián)鎖保護和啟停控制以及一些主要閥門的開閉控制由DCS中的開關(guān)量順序控制系統(tǒng)（SCS）來完成，實現(xiàn)功能組或子組級的控制，以減輕運行人員勞動強度，防止誤操作。主要操作的對象有：脫硫塔循環(huán)泵、增壓風(fēng)機、氧化風(fēng)機、密封風(fēng)機、脫硫塔硫銨漿液排出泵、硫銨漿液輸送泵、工藝水泵、氨水輸送泵等。

（1）順序控制

脫硫裝置順序控制的目的是滿足裝置的啟動、停止及正常運行工況下的控制要求，并實現(xiàn)脫硫裝置在事故和異常工況下的控制操作，保證裝置的安全運行。

順序控制的具體功能包括：1）實現(xiàn)脫硫裝置主要工藝系統(tǒng)的自啟停；2）實現(xiàn)脫硫塔及輔機、閥門、煙氣擋板的順序控制、控制操作及試驗操作；3）實現(xiàn)輔機與其相關(guān)的冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、密封系統(tǒng)的連續(xù)控制；4）在發(fā)生局部設(shè)備故障跳閘時，聯(lián)鎖啟停相關(guān)設(shè)備；5）實現(xiàn)脫硫廠用電系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制。

（2）保護與聯(lián)鎖

保護動作主要分四大類：1）報警信號：向操作人員提示裝置運行中的異常情況；2）聯(lián)鎖保護：必要時按程序自動啟動或自動切除某些設(shè)備及系統(tǒng)，使脫硫裝置保持原負荷運行或減負荷運行；3）跳閘保護：當(dāng)發(fā)生重大故障，危及設(shè)備或人身安全時，實施跳閘保護，停止整個裝置（或某一部分設(shè)備）運行，避免事故擴大；4）熱工保護：脫硫系統(tǒng)的熱工保護由DCS獨立的分散處理單元來完成。主要實現(xiàn)的保護功能：脫硫裝置的保護動作條件包括脫硫裝置進口溫度異常、進口壓力異常、出口壓力異常、燒結(jié)機主燃料跳閘（MFT）、增壓風(fēng)機故障、換熱器故障、循環(huán)漿泵投入數(shù)量不足、原煙氣擋板或凈煙氣擋板未開等。當(dāng)發(fā)生上述情況時，脫硫裝置停運并自動打開煙氣旁路擋板，通過關(guān)閉原煙氣擋板和凈煙氣擋板來斷開進入脫硫裝置的煙氣通道，使用煙氣旁路，直達煙囪排放。

控制室設(shè)旁路擋板門手動按鈕，在緊急狀態(tài)時，可強制開關(guān)旁路擋板門，保證鍋爐安全運行。脫硫裝置的DCS系統(tǒng)與燒結(jié)機的DCS控制系統(tǒng)之間的接口采用硬接線方式。主要信號：燒結(jié)機側(cè)風(fēng)量信號；燒結(jié)機狀態(tài)（MFT、火焰、吹掃等信號）；燃燒器運行（或停止）信號；煙道壓力信號；電除塵電場投入狀況信號等。脫硫側(cè)：增壓風(fēng)機運行（或停止）信號；旁路擋板狀態(tài)信號；脫硫裝置運行（或停止）信號等。在煙氣量減少的情況下，根據(jù)吸收塔硫銨漿液的pH值及漿液濃度，減少氨水的供應(yīng)量。

2.5 儀表測量

2.5.1 主要檢測儀表

為了防止原煙氣中SO2溶于凝結(jié)水腐蝕煙道壁，原煙氣溫度必須大于120℃；為了防止吸收塔內(nèi)漿液溫度過高，且保證原煙氣溫度要小于180℃，在脫硫裝置原煙道和凈煙道上均裝有煙氣溫度測量元件，而且采用三取二測量方式。

脫硫裝置主要檢測儀表有：出入口煙氣壓力、旁路擋板差壓、原煙氣SO2濃度、原煙氣O2濃度、凈煙氣SO2濃度、凈煙氣O2濃度、凈煙氣NOX濃度、凈煙氣煙塵濃度、增壓風(fēng)機出入口壓力、氨水箱液位、硫酸銨漿液密度、氨水流量、吸收塔液位、硫銨漿液pH值、塔底pH值、中間箱pH值、濁度儀等。

2.5.2 煙氣分析測量

煙氣分析測量采用美國KVB公司的多組分氣體分析儀，將測量信號送入DCS并在脫硫控制室中進行監(jiān)測和控制。分析設(shè)備能自動完成機械控制、數(shù)據(jù)采集、初級計算、樣品稀釋、探頭清洗切換的自動控制和校準。

2.5.3 儀表設(shè)置原則

為保證測量可靠，重要保護用的過程狀態(tài)信號和自動調(diào)節(jié)的模擬量信號等采用三重或雙重測量方式。如吸收塔液位、脫硫裝置進出口壓力采用三取二測量方式，硫銨漿pH值、氨水箱液位、中間槽液位、工藝水箱液位等采用雙重測量方式。

2.6 可靠性措施

2.6.1 冗余

控制器冗余配置；數(shù)據(jù)高速公路冗余；DCS的I/O機柜供電電源冗余（一路來自脫硫島UPS電源，另一路來自脫硫島保安電源）；機柜內(nèi)供電雙重化；關(guān)鍵的模擬量參數(shù)冗余設(shè)置（吸收塔液位和漿液pH值測量）；DCS設(shè)置2臺操作員站，每個操作員站以兩個結(jié)點與數(shù)據(jù)公路相連，同時2臺操作員站互為備用。如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)雙重化冗余結(jié)構(gòu)示意圖

采用微處理器技術(shù)的控制系統(tǒng)，均具有自診斷功能，在內(nèi)部故障還沒有干擾生產(chǎn)過程之前，即能在系統(tǒng)本身范圍內(nèi)探測到故障并實行防止故障擴大的措施，同時也能進行報警和記錄。

脫硫DCS與機組的DCS之間關(guān)鍵信號的交換采用硬接線的方式。

2.6.2 DCS的可靠性指標

系統(tǒng)可用率≥99.9%；系統(tǒng)精度：輸入信號±0.1%（高電平），±0.2%（低電平），輸出信號±0.25%；抗干擾能力：共模電壓≥250V，共模抑制比≥90dB，差模電壓≥60V，差模抑制比≥60dB。

2.6.3 DCS系統(tǒng)裕量

最繁忙時，控制器CPU的負荷不大于60%，操作員站負荷率不大于40%；內(nèi)部存儲器占用容量不大于50%，外部存儲器占有容量不大于40%；每種I/O點裕量不少于15%；I/O模件槽裕量不少于15%；電源負荷裕量不少于30%；通訊總線的負荷率不大于30%（令牌網(wǎng)），20%（以太網(wǎng)）。

3 主要控制回路

3.1 脫硫塔系統(tǒng)

脫硫塔系統(tǒng)包括SGC（Subgroup Circuit）脫硫塔硫銨漿液循環(huán)、SGC除霧器沖洗、SGC脫硫塔排水坑、SGC氧化空氣及攪拌器裝置、SGC事故漿液槽、DCM吸收塔濾液補水閥。

脫硫塔漿液循環(huán)泵連續(xù)運行，加入吸收塔的氨水量根據(jù)煙氣流量、SO2含量、SO2脫除率和脫硫塔漿液的pH值進行控制；脫硫塔的液位通過脫硫塔排出泵來控制，硫銨排出泵連續(xù)運行，到中間槽漿液及返塔漿液通過關(guān)斷閥連鎖（保持1開1關(guān)），均以間斷方式運行；通過吸收塔濾液補水調(diào)節(jié)閥控制吸收塔漿液密度。

3.2 脫硫塔內(nèi)漿液pH值控制

脫硫塔內(nèi)漿液pH值是由送入塔內(nèi)的氨水流量進行控制的，其控制的目的是為了獲得最高的氨水利用率、保證預(yù)期的脫硫效果及提高脫硫裝置適應(yīng)燒結(jié)機負荷變化的靈活性。脫硫塔內(nèi)漿液pH值是氨法煙氣脫硫系統(tǒng)中最主要、也是相對較復(fù)雜的控制回路。

脫硫裝置運行中，可能引起塔內(nèi)漿液pH值變化或波動的主要因素為煙氣量與煙氣中SO2濃度，還有氨水的濃度及供給量等。

圖3為塔內(nèi)漿液pH值控制系統(tǒng)，前饋控制器用來克服由于煙氣量與煙氣中SO2濃度的變化對被控變量pH值造成的影響；而反饋控制器起反饋作用。將漿液pH值與設(shè)定的pH值進行比較，得到的差值信號與作為前饋信號的燒結(jié)煙氣與煙氣中SO2濃度的綜合信號相疊加，前饋與反饋共同作用產(chǎn)生一個調(diào)節(jié)信號，來控制氨水供給閥門的開度，使塔內(nèi)漿液pH值維持在設(shè)定值上。另外，由于增加了氨水流量中間信號，流量測量值要比pH值測量值更快、更直接。采用流量信號后，改善了對象的特性，使調(diào)節(jié)過程加快，且有超前控制的作用，并且有一定的自適應(yīng)能力從而有效地克服滯后，提高了控制質(zhì)量。

圖3 脫硫塔pH值控制回路

3.3 脫硫塔液位控制

脫硫塔液位應(yīng)保持在某一范圍內(nèi)，以維持塔內(nèi)足夠的持液量，保證脫硫效果。塔內(nèi)液位是由調(diào)節(jié)進入的氨水量來控制的，由于漿液的蒸發(fā)和攜帶的原因，流出塔的煙氣所攜帶的水分要大于進入塔內(nèi)的煙氣水分。因此，需要不斷地向塔內(nèi)補入氨水，在維持塔內(nèi)的液位的同時也起到了調(diào)節(jié)塔內(nèi)漿液濃度的作用。控制塔內(nèi)漿液濃度的主導(dǎo)手段是控制硫酸銨漿液的排放量。

由于塔內(nèi)漿液的損失量與煙氣量成正比，當(dāng)煙氣量增加時，蒸發(fā)與攜帶的量也增大，將使塔內(nèi)液位下降速率加快；而且，塔的橫截面很大，單靠液位偏差信號調(diào)節(jié)進入塔內(nèi)的量，其調(diào)節(jié)速度比較緩慢。因此，塔內(nèi)液位控制系統(tǒng)將煙氣量作為液位調(diào)節(jié)的提前補償信號，來補償煙氣量變化對液位的影響，以克服液位調(diào)節(jié)的較大慣性，加快調(diào)節(jié)速度。

圖4為塔內(nèi)液位控制回路原理。控制系統(tǒng)的作用是啟動氨水電動閥門，接受開關(guān)量信號，在W=1時開啟閥門，進行補償氨水。結(jié)束后關(guān)閉閥門，開關(guān)量是基于運算回路形成的。

圖4 吸收塔液位控制回路

3.4 氨水供應(yīng)系統(tǒng)

氨水流量控制回路根據(jù)脫硫量的需要調(diào)節(jié)供給吸收塔的氨水流量，通過測量原煙氣流量和SO2含量而得到。由于氨水流量的調(diào)節(jié)影響著吸收塔反應(yīng)池中漿液的pH值，為了使化學(xué)反應(yīng)更完全，應(yīng)該將pH值保持在某一設(shè)定值；當(dāng)pH值降低，所需的氨水流量應(yīng)按某一修正系數(shù)增加。將實際測量的pH值與設(shè)定值進行比較，通過pH值控制器產(chǎn)生一修正系數(shù)，對所需的氨水流量進行修正。將經(jīng)pH值修正后的所需氨水流量與實際的氨水流量進行比較，通過比例積分控制器控制氨水調(diào)節(jié)閥的開度。氨水輸送泵與氨水槽液位聯(lián)鎖，以保證輸送泵安全。氨水輸送泵共設(shè)2臺，1運1備。

3.5 硫銨溶液排出系統(tǒng)

從脫硫塔出來的硫銨溶液的流量作為脫硫量的函數(shù)從脫硫塔底部溶液池中排出。可以通過硫銨溶液流量閉環(huán)控制回路中氨水溶液的實際流量間接地確定應(yīng)排放的硫銨溶液的實際流量，該流量值經(jīng)脫硫塔出口溶液濃度的修正，即濃度高時延長硫銨溶液排放時間，濃度低時縮短硫銨溶液排放時間。溶液通過排放泵排到硫銨溶液中間槽。

脫硫塔底部溶液槽內(nèi)溶液混合物的濃度應(yīng)保持某一水平，使固體懸浮物保持在最佳水平，防止結(jié)垢并使晶體成片，以便能夠?qū)崿F(xiàn)最大脫水率。通過調(diào)節(jié)脫硫塔氨水閥開度來保持脫硫塔內(nèi)溶液的密度。為加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，加入燒結(jié)機負荷作為前饋信號，并通過煙氣中SO2成分和脫硫塔溶液的密度來控制從脫硫塔循環(huán)中排出的硫銨溶液量。

3.6 增壓風(fēng)機壓力（流量）控制

增壓風(fēng)機壓力（流量）控制回路采用復(fù)合控制系統(tǒng)，以增壓風(fēng)機入口為被控量。為了跟蹤燒結(jié)機的負荷變化，采用燒結(jié)機負荷作為控制系統(tǒng)前饋信號，將壓力測量值與不同燒結(jié)機負荷下的設(shè)定值進行比較，得到差值與燒結(jié)機負荷信號相疊加，前饋與反饋控制共同作用產(chǎn)生一個調(diào)節(jié)信號，來控制增壓風(fēng)機的調(diào)節(jié)機構(gòu)，使增壓風(fēng)機入口煙道壓力值維持在設(shè)定值上，以減少引風(fēng)機后至脫硫裝置進口段煙氣的壓力偏移。增壓風(fēng)機壓力（流量）復(fù)合控制系統(tǒng)見圖5。

4 小結(jié)

在工程實際應(yīng)用過程中，依照DCS的特點采用典型的方法來實現(xiàn)對燒結(jié)煙氣脫硫工程中的控制，可以保證不出現(xiàn)誤操作事故，并增加了相當(dāng)部分的判據(jù)條件和I/O測點，這種方式的優(yōu)點是能較方便地對DCS進行檢查，同時也增大了控制的可靠性。

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Application Living Example for Desulfurization Control System by Sintered Flue Gas Ammonia Process

WANG Bo, XIAO Da
(Cyclone Automation System Design Co., Ltd., Shenyang 110004, China)

The paper introduces the technical flow of desulfurization system by sintered ammonia process covering 198 square meters in a certain steel mill, hardware disposition of DCS control system, main simulation capacity control, ranking control and flue gas monitoring system; analyzes the advantage and disadvantage of control system disposition as well as puts forward suggestions and program on system reform.

desulfurization equipment; desulfurization by ammonia process; sintered flue gas; control system

X701.3

A

1006-5377（2010）02-0040-05