FGD控制系統中熱工自動化系統設計研究

摘 要：本文基于筆者多年從事電廠自動化控制及石灰石-石膏濕法脫硫工藝的研究經驗，以FGD控制系統中熱工自動化系統設計為研究對象，探討了系統方案的硬件和軟件設計思路，重點分析了系統功能和系統工藝參數的檢測與控制，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：FGD控制系統 熱工自動化系統 設計 軟件設計

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（a）-0092-04

目前，世界上燃煤電站所采用的煙氣脫硫工藝達數百種之多，有的技術較為成熟，已經達到商業化應用的水平，有的尚處于試驗研究階段。應用較為廣泛的煙氣脫硫工藝有：石灰石（石灰）-石膏濕法脫硫工藝、噴霧干燥法脫硫工藝、爐內噴鈣加尾部煙氣增濕活化脫硫工藝、煙氣循環流化床脫硫工藝、海水脫硫工藝、電子束法脫硫工藝、氨水洗滌法脫硫工藝等。據全球統計，80%的脫硫裝置采用石灰石（石灰）-石膏濕法，10%采用噴霧干燥法（半干法），10%采用其它方法。

FGD 控制系統主要由三部分組成：電氣系統、熱工自動化系統和煙氣排放連續監測系統。其中電氣系統包括：供電系統、直流系統、交流保安電源和交流不停電電源、電氣二次和照明檢修系統五部分組成。熱工自動化系統具有：數據采集（DAS）、模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）和聯鎖、保護與報警等功能。

1 系統方案比較與選擇

1.1 DCS與FCS的比較

國內火電廠采用的控制系統絕大多數是DCS，所以FGD系統作為火電廠輔控系統的一部分，國內的相關電力設計單位和脫硫公司也習慣采用DCS做控制系統。但是，隨著控制網絡的出現導致了傳統控制系統的變革，形成了網絡集成式控制的新型結構，即FCS。

傳統的DCS與新型的FCS的比較：（1）DCS是封閉式系統，各公司產品基本不兼容。而FCS是開放式系統，用戶可以選擇不同廠商、不同品牌的各種設備連入現場總線，達到最佳的系統集成。（2）DCS必須整體投資一步到位，事后的擴容難度較大。而FCS將功能下放，實現控制與數據采集的現場化。因此，FCS系統投資起點低，可以邊用、邊擴、邊投運。（3）FCS由于控制與數據采集現場化，與DCS相比可以節省大量電纜與敷設電纜用的橋架等，同時也節省了設計、安裝和維護費用。（4）FCS相對于DCS組態簡單，由于結構、性能標準化，便于安裝、運行、維護。

由于FCS較之DCS更具優越性，且FGD系統的被控制點很多，分布比較分散，因而FCS將逐步取代DCS。而事實上，在西方發達國家，很多脫硫項目的控制系統采用的是FCS。

1.2 FDCS與DCS的比較

DFCS相對于傳統的DCS能節省大量的隔離器件、端子柜、I/O卡件、模擬卡件等，簡化二次接線、節省大量的控制電纜，減輕了CT、PT 負載，減少施工、安裝、維護工作量，節省大量的人力、物力資源，從而降低了綜合投資成本。

另外，各遠程I/O站相互獨立，遠程I/O站之間通過PROFIBUS-DP總線連接，統組態靈活，整個系統的可靠性得到很大提高，任一遠程I/O站的故障不會影響其他遠程I/O站，縮小了故障范圍，更重要的是，實現了真正的地理分散，使控制風險幾乎徹底分散.所以采用FDCS的性價比高于DCS控制系統。

1.3 FDCS與FCS的比較

FDCS與理想的FCS事實上是有很大區別的。理想的FCS應該是全數字化的，即傳統的4～20 mA模擬信號完全被雙向數字通信現場總線信號所取代。實現全數字化FCS的基礎是數字智能現場裝置，而目前國內的數字智能現場裝置還不夠理想有待完善，且尚無在火電廠環境中長期運行的業績。進口的數字智能現場裝置的價格又比較昂貴。FDCS與FCS相比，現場測量元件采用傳統的測量方式，而未使用理論上的智能變送器，從而降低了工程成本。考慮到國內實際工程的需要，在國內脫硫項目中采用FDCS作為控制系統更為合理。

2 系統I/O點數的統計

135MW機組煙氣脫硫控制系統I/O需要1500～2000點。具體共需950個開關量輸入，包括：補水泵狀態、補水截止閥狀態、池罐箱高低液位報警、系統故障報警、斗式提升機狀態、石灰粉倉高低料位狀態、給料機狀態、脫硫吸收劑輸送泵狀態、循環池攪拌機狀態、循環泵狀態、泥漿泵狀態、煙道擋板門狀態等；500個開關量輸出，包括：信號指示燈、補水泵控制、斗式提升機控制、給料機控制、脫硫吸收劑輸送泵控制、循環池攪拌機控制、循環池補水控制、循環泵控制、泥漿泵控制、煙道擋板門控制等：120個模擬量輸入，包括：pH值大小、吸收塔出口溫度、吸收塔出口壓力、吸收塔阻力、主煙道壓力、主煙道溫度、電機轉速等：32個模擬量輸出，包括：電機轉速控制、電動調節閥控制等。

3 系統的拓撲結構

整個煙氣脫硫控制系統邏輯上按照三層結構設計：過程控制級、監控級、上一級監控和管理級。

3.1 過程控制級

過程控制級中主要采用PLC和執行機構（電動調節閥、變頻器）控制生產過程，另采用智能儀表采集現場壓力、溫度、流量等各項數據。系統正常運行時，采用閉環控制，系統根據設定值和實測值的差值實現自動控制，使被控量自動穩定于設定值；當需要人為干預時，可采用開環控制，控制室內操作人員可通過調整控制值來保證系統正常運轉：當自動控制系統發生異常時，可由現場操作人員直接對調節閥、變頻器等執行機構進行操作，即通過手動控制以確保整個系統的安全、穩定、有效運行。過程控制級的控制范圍包括以下幾點。

（1）吸收塔循環水量控制。（2）循環池、氧化池、泥漿池濃度及液位控制。（3）泥漿泵、循環泵、變頻泵工作狀態控制。（4）調節閥門工作狀態的控制。過程控制級與監控級之間通過PRDFIBUS現場總線按一定的通訊協議進行通訊。遠程I/O擴展機架E1200M和I/O模件組成的遠程I/O站均放置于信號較集中的現場位置，信號的一次元件均采用傳統的測量方式。冗余控制器（CPU417H）通過冗余的現場總線Profibus-DP（最高數據傳輸速率可達12Mbit/s）。（5）連接遠程I/O擴展機架ET200M及I/O模件。也就是，現場儀表和執行機構通過雙絞線傳送4～20 mA信號到遠程I/O站，遠程I/O站再通過Profibus-DP現場總線完成與中央控制器（CPU417H）之間的雙向數字通訊。過程控制級硬件結構原理如圖2所示。

PLC的模板包括：CPU模塊、電源模塊、采集模擬信號的模擬量輸入模塊、PT100采集模塊、開關量輸入模塊、模擬量輸出模塊、開關量輸出模塊等。

對于電廠而言，其停工的成本非常高，因而其控制系統必須采用冗余，系統冗余帶來的高投入完全可以被避免的生產損失所補償。PLC主站S7-400H按冗余方式設計，可以在任何事件發生后繼續使用.其所有的主要器件都是雙重的，雙重的中央處理器CPU、雙重的電源模板以及雙重的連接兩個中央處理器的硬件。采用冗余的節點，因而節點內的一個原件發生故障時不會影響和它相聯的其它節點或整個系統的可靠性。冗余節點鏈接中最薄弱的環節決定了整個系統的可用性。對于整個控制系統，如果有一個冗余節點的部件故障，不會對整個系統的可操作性造成影響。

石灰石-石膏濕法脫硫工藝過程是一個多變量強禍合的連續過程。考慮到實際的工業現場和廠方現有生產設備的實際運行性能，經過詳細的研究和反復比較論證，系統主要采用相對成熟的經典數字PID調節器作為基本的控制算法。根據工藝設計要求和生產設備的實際狀況，對一些重要回路采用了經典過程控制理論中的比值調節控制和串級調節控制。整個系統的軟件編制流程如圖3所示。

I/0板卡采集監控需要的現場數字量和模擬量信號，首先經過DRIVE（驅動塊）處理。被WinCC（上位機）直接監控的數字量或模擬量，通過MEASMON（監視塊）傳送給WinCC.一些設備量傳送給CFC（設備塊）。CFC就是控制系統中對現場設備，如閥門、電機等的模擬模塊，在系統軟件的類庫中預編好了大量的此類模塊，可以根據具體需要直接拿出來用。用于順序控制各種現場設備的控制量則傳遞給SFC（順控塊）。SFC就是根據需要編寫的設備順序控制模塊，采用流程圖的方式，可以很方便地編寫。所有采集到的數字量或模擬量信號都可以傳送到上位機WinCC界面進行監控。

3.2 監控級

監控級運行CSADA實時數據采集和控制軟件（監控組態軟件）完成煙氣脫硫系統監控與管理以及過程優化數學模型運算。監控級包括：1臺工程師站，用于對整個系統進行組態，編程和調試；2臺操作員站（一主一備），均采用工業控制計算機，并安裝Winc6.0監控軟件，用于操作人員對整個系統進行監控。監控范圍包括：（1）現場控制設備的啟停操作及運行狀態。（2）煙氣脫硫控制系統的動態參數。（3）脫硫除塵后煙氣中煙塵、5認排放濃度。整個系統功能范圍內的全部報警項目可在顯示器上顯示并可在打印機上打印，報警范圍包括：（1）吸收塔入口煙溫過高，出口煙溫過低。（2）吸收塔進、出口壓差過大。（3）循環池、漿化池、維修池、泥漿池液位過高或過低。（4）循環池PH值過高或過低。（5）電動機運行中跳閘。（6）煙氣出口含硫、含塵量過高。

3.3 上一級監控和管理級

上一級監控和管理級由實時監控系統（SIS）和計算機管理信息系統（MIS）兩部分組成。煙氣脫硫控制系統作為發電機組正常安全生產的一部分，必須與機組中其它相關控制系統及管理系統交換生產實時數據和歷史數據，必須接受管理系統的生產指令，因此要求煙氣脫硫系統的SCADA控制系統應有很強的數據處理能力，工業以太網是目前工控界最流行的局域網技術，市場占有率高達80%。它具有良好的數據開放性和擴展性，能夠在系統不停機的情況下與其它程控系統通訊。系統采用NETDDE方式通過工業以太網交換數據。

4 系統的基本功能

脫硫裝置采用集中管理分散控制的控制系統，其功能包括數據采集和處理（DAS）、模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）及聯鎖保護、脫硫廠用電源系統監控等。

4.1 數據采集系統（DAS）

數據采集系統（DAS）將連續采集和處理所有與系統有關的重要測點信號及設備狀態信號，以便及時向操作人員提供有關的運行信息，實現系統安全經濟運行。一旦發生任何異常工況，將及時報警，提高系統的可靠性。DAS將包括以下功能：顯示（包括操作顯示、成組顯示、棒狀圖顯示、趨勢顯示、報警顯示等）、制表記錄（包括定期記錄、追憶打印、跳閘一覽記錄等）、歷史數據存儲和檢索、性能計算。

4.2 模擬量控制系統（MCS）

模擬量控制系統（MCS）主要包括：增壓風機入口壓力控制、石灰石漿液濃度控制、石膏漿排出量控制，除上述主要閉環控制回路外，還有旁路檔板差壓控制，工藝水槽、石膏漿液池、漿化池、維修池液位控制，石膏漿液池州值控制，廢水處理系統等閉環控制回路。

4.3 順序控制系統（SCS）

順序控制系統（SCS）根據工藝要求可分為5個功能組即煙氣系統功能組；吸收塔功能組；石膏脫水系統功能組；石灰石漿制備系統功能組；廢水處理系統功能組。功能組控制包括本功能組內所有子組控制、聯鎖保護、冗余設備的自動切換及相關電動設備的單獨控制。

4.4 聯鎖、保護與報警

根據工藝流程的運行條件設置必要的聯鎖。有效的聯鎖能使設備在事故工況下自動切除。此外，事故工況能立即通過報警系統提示給運行人員，并通過打印機打印。重要的聯鎖信號的交換采用硬接線，對重要的信號采用冗余設置。系統運行超過限制值時，報警并打印出來。

5 系統工藝參數的檢測與控制

5.1 主要工藝參數的檢測

為了防止原煙氣Sq溶于凝結水腐蝕煙道壁，原煙氣溫度必須大于120 ℃；為了防止吸收塔內漿液溫度過高，且原煙氣溫度要小于180 ℃；在FGD系統原煙道和凈煙道上均裝有煙氣溫度測量元件，并采用三取二測量方式。FGD系統主要檢測參數還有FGD出入口煙氣壓力、旁路擋板差壓、原煙氣S02濃度、原煙氣O2濃度、凈煙氣S02濃度、凈煙氣O2濃度、凈煙氣煙塵濃度、增壓風機出入口壓力、石灰石漿液池液位、石灰石漿液密度、石灰石漿液流量、吸收塔循環池液位、石膏漿密度、石膏漿pH值、沉降箱pH值、中和pH值、石灰漿密度等。

5.2 循環池液位控制

水池液位控制有兩條基本要求。（1），水池不能過滿，產生溢出。如不這樣，不僅會造成經濟損失，還會嚴重污染周邊環境。（2），不能流空，產生斷流。否則會對煙氣脫硫工藝產生嚴重影響，使煙氣脫硫工藝過程無法正常進行。由于受煙氣脫硫工藝流程的影響，液位的變化不是很穩定。如果液位控制全憑現場操作人員根據系統工藝流程，人為地手動或電動操作水池的進出口閥門來實現液位控制，使其液位保持在正常的工作狀態范圍內，現場操作人員在工作中就要時時監測液位的變化，不得有半點疏忽，這樣就較大地增加了現場操作人員的勞動強度，而且容易發生事故.因而文中采用德國E+H公司的FMU40E超聲波液位計、電動調節閥和西門子公司的57-40PLC組成控制回路來實現對水池液位的自動控制。當檢測到液位過高時關閉電動調節閥，停止對水池的供水.當檢測到液位過低時開啟電動調節閥，恢復對水池的供水。整個控制回路簡單、可靠、運行穩定。

5.3 石灰石漿液流量控制

由于鍋爐負荷要經常調整，燃煤品質時好時壞，因此進入吸收塔的煙氣量、煙氣含硫量隨時在變，要求吸收劑石灰石漿液加入到吸收塔的量也隨之調整。可以通過控制物料平衡的思路來解決以上問題，如果能夠控制石灰石漿液加入量與吸收二氧化硫需要的石灰石漿液量始終相等，那么脫硫系統就會在最理想的狀態下運行。因此可用煙氣中需要脫除的二氧化硫量換算出需要加入的石灰石漿液補給流量作為流量控制的給定值來控制流量調節閥的開度。用該值與石灰石漿液流量表指示值比較來控制石灰石漿液流量調節閥的開度，可以使石灰石漿液加入量準確的跟蹤煙氣的變化。

5.4 石灰石漿液濃度控制

石灰石漿池濃度的控制是實現整個物料平衡控制的前提，本FGD系統中要求控制在30%（重量濃度）左右。石灰石漿液濃度的控制涉及到兩個控制回路，一個是通過調節漿池補水流量來控制漿池液位的控制回路；另一路是通過控制給料機的轉速來調節加入的石灰石粉量從而控制漿液濃度，使漿液濃度穩定在30%左右。石灰石漿池濃度控制的過程是：（1）全開補水調節閥向漿池注水到3 m液位。（2）啟動石灰石漿液泵、開啟回流閥，讓漿池內的液體打循環，漿液濃度表投運。（3）漿池液位控制回路和漿液濃度控制回路投運。

5.5 增壓風機壓力控制

為保證鍋爐的安全穩定運行，通過調節鍋爐引風機后的增壓風機導向葉片的開度進行壓力控制，保持增壓風機入口壓力的穩定。為了獲得更好的動態特性，可引入鍋爐負荷和引風機狀態信號作為輔助信號。在FGD煙氣系統投入過程中，需手動協調控制煙氣旁路擋板門及增壓風機導向葉片的開度，保證增壓風機入口壓力穩定；在旁路擋板門關閉到一定程度后，壓力控制閉環投入，關閉旁路擋板門。為保證系統的可靠，增壓風機入口壓力采用三通道測量。將增壓風機的入口原煙氣壓力的測量值和設定值相比較，偏差經過PID運算后來調節增壓風機入口動葉的轉角，將增壓風機的入口壓力控制在設定值。為了優化增壓風機壓力控制回路的調節性能，引入鍋爐負荷信號作為前饋控制信號，當鍋爐負荷變化時將同時調節增壓風機的出力，可以減少引風機后至FGD進口段煙氣的壓力偏移。增壓風機的控制包括：增壓風機潤滑油、調節油及密封空氣的加熱控制；增壓風機潤滑油泵自動切換及單獨控制；增壓風機調節油泵自動切換及單獨控制；增壓風機潤滑油冷卻風機自動切換及單獨控制；增壓風機調節油冷卻風機自動切換及單獨控制；增壓風機液壓制動系統控制。

5.6 原/凈煙氣溫度控制

通過控制再熱器進口蒸汽調節閥的開度，控制蒸汽流量來達到控制凈煙氣溫度的目的。GGH的控制包括：GGH轉子驅動裝置單獨控制；徑向密封系統控制；密封風機自動切換及單獨控制；凈煙氣密封系統控制；壓縮空氣吹掃控制；高壓水沖洗控制；低壓水沖洗控制；GCH停運保養控制。

5.7 除霧器沖洗控制

為了防止堵塞，必須對除霧器進行定期沖洗。除霧器沖洗為順序控制，按一定的順序對除霧器粗分離器和葉片式分離器的進、出口側進行沖洗，每一側沖洗管路上有噴水器和相應的沖洗電動蝶閥，這些電動蝶閥按一定的間隔時間輪流開關，在程序中設定沖洗間隔時間，與實際累計的間隔時間進行比較，當累計的間隔時間到達設定的間隔時間時，沖洗程序中相應的電動蝶閥打開，沖洗開始，同時，間隔時間累計器復置0，當沖洗完畢后，新的間隔時間開始累計，從而進入下一次循環。

6 系統軟件設計

在對FGD控制系統進行編程時，采用結構化風格，將整個控制系統分解成功能上相對獨立的19個部分，通過19個控制功能塊來加以編程控制。這19個功能塊各自獨立，自成體系，都可以單獨運行。最后，通過一個系統組織塊將這19個控制功能塊及另外編寫的49個中斷動作功能塊組成一個整體，來實現對FGD系統的可靠、有效的實時監控。采用這樣的結構，最大的優點在于其有利于整套控制系統的調試、維護，可以根據工藝的需要很方便地將某一部分控制功能從原控制系統中剝離出來，也可以隨著工藝的發展很方便地加入其他控制功能，從而大大提高了整個控制系統的可維護性與可擴展性。

FGD控制系統在啟動和停機時，有大量設備的動作，而且不同的設備有不同的動作要求。在系統啟動時，要求所有用于管道、煙道沖洗的泵和閥門都必須關閉，而且關閉順序是先關泵，延時一定時間后再關閥門，然后再按要求啟動工作回路設備，此時的啟動順序為先開閥門，延時一定時間后再開泵。系統停機時，在工作設備停下后，管道、煙道沖洗設備以及防止漿液沉淀的輔助設備均需按順序啟動。系統主程序流程圖如圖4所示。

7 結語

本文基于現有熱工自動化系統，結合筆者對系統的研究，提出了新的系統設計理念，系統方案是否可行還需實踐檢驗。

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