DCS在火力發(fā)電廠脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，DCS的應(yīng)用范圍日益廣泛?；鹆Πl(fā)電廠通過燃煤進(jìn)行發(fā)電，在這一過程中會產(chǎn)生大量的二氧化硫等有害氣體，如果不加以處理就進(jìn)行排放將對大氣造成嚴(yán)重的污染，誘發(fā)酸雨等自然災(zāi)害。文章對DCS在火力發(fā)電廠脫硫系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中的相關(guān)問題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：DCS控制；火力發(fā)電廠；煙氣脫硫系統(tǒng)；二氧化硫；發(fā)電效率 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2016）35-0113-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.055

DCS即分散控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比其可靠性更高，運(yùn)行更為穩(wěn)定，操作也更為簡便。近些年來DCS技術(shù)不斷進(jìn)步，硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)的成本也有所降低，進(jìn)一步促進(jìn)了其市場占有率的擴(kuò)大。我國的一些火力發(fā)電廠已經(jīng)引進(jìn)了DCS脫硫控制系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性得到了有效的提升，排放氣體的各項(xiàng)參數(shù)均已達(dá)標(biāo)，憑借其良好的性能和實(shí)踐表現(xiàn)，DCS在我國電力領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展前景。

1 火電廠脫硫技術(shù)概述

火力發(fā)電在我國現(xiàn)階段的電力行業(yè)中仍然占據(jù)主要的地位，如何在保證發(fā)電效率的前提下提高其對環(huán)境的利好性也是業(yè)內(nèi)的研究重點(diǎn)。煙氣脫硫是世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣的火電廠廢氣脫硫處理方式，其中又以石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)最為常見。與其他煙氣脫硫技術(shù)相比，石灰石-石膏濕法脫硫所需要的材料較為容易獲得，脫硫的成本更低，有利于保證火電廠的經(jīng)濟(jì)效益。此外，由于該技術(shù)目前的發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，因而系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，脫硫的效果也可以得到保證，而且實(shí)現(xiàn)了廢棄物零排放。脫硫過程中所產(chǎn)生的副產(chǎn)品還可以作為建筑材料，有利于火力發(fā)電廠綜合效益的提升。

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫的環(huán)保性和技術(shù)成熟程度已經(jīng)得到了國內(nèi)外眾多權(quán)威部門和學(xué)術(shù)專家的認(rèn)可。結(jié)合我國實(shí)際的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r以及電力行業(yè)發(fā)展情形來看，石灰石-石膏脫硫技術(shù)無疑是比較合理的火電廠脫硫技術(shù)選擇。目前，我國脫硫技術(shù)的自主能力還有待提升，近些年來，從發(fā)達(dá)國家引進(jìn)了大量的硬件設(shè)備，并對國外先進(jìn)的火電廠脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和理念進(jìn)行了借鑒。在現(xiàn)代化電力生產(chǎn)過程中，自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍愈加廣泛，DCS和PLC作為兩大主流控制系統(tǒng)，在火力發(fā)電廠石灰石-石膏脫硫自動化控制系統(tǒng)中均有所應(yīng)用且各有優(yōu)勢，本文主要針對脫硫分散控制系統(tǒng)DCS進(jìn)行了較為深入的研究。

2 主流脫硫控制系統(tǒng)對比

2.1 PLC控制系統(tǒng)

即可編程控制器控制系統(tǒng)，近些年來PLC技術(shù)發(fā)展迅速，憑借其強(qiáng)大的數(shù)字邏輯運(yùn)算能力和程序存儲控制能力可以對多種類型的生產(chǎn)過程進(jìn)行自動化的控制，也正是因?yàn)槿绱似鋺?yīng)用范圍十分廣泛。為了適應(yīng)市場的需求和工業(yè)的發(fā)展，PLC的處理速度必須要加快，因而未來的數(shù)據(jù)存儲容量將更大，此外為了提高其適應(yīng)性，超大型或者超小型的PLC也將出現(xiàn)。目前PLC的可靠性還有待加強(qiáng)，編程語言也較為單一，對不同控制系統(tǒng)的適應(yīng)性還存在進(jìn)步的空間，這些問題的解決也將是PLC重要的發(fā)展趨勢。

2.2 DCS控制系統(tǒng)

控制功能的分散和現(xiàn)實(shí)操作的集中是分散控制系統(tǒng)的基本含義。DCS最初是為了對控制系統(tǒng)中的回路進(jìn)行計(jì)算而產(chǎn)生的，然而隨著生產(chǎn)復(fù)雜化的提高，傳統(tǒng)儀表控制無法適應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，此時(shí)DCS得到了進(jìn)一步的發(fā)展以模擬反饋量為主，模擬開關(guān)量和開關(guān)量順序控制為輔的新型DCS產(chǎn)品出現(xiàn)，模擬量控制作為DCS技術(shù)的核心也是其在自動化控制系統(tǒng)競爭中的主要優(yōu)勢所在。我國的DCS自主研發(fā)目前也已經(jīng)進(jìn)入管控一體化的新階段，且朝著開放化、智能化、綜合化的計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)控制發(fā)展。

2.3 其他控制系統(tǒng)

隨著工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步和發(fā)展，近些年來還涌現(xiàn)出了一些新興的系統(tǒng)控制技術(shù)。FCS即現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，總線協(xié)議不同其對應(yīng)的控制系統(tǒng)也不同，總線標(biāo)準(zhǔn)是FCS的核心技術(shù)，現(xiàn)場智能化是FCS系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的可靠性和信息集成能力都得到了提升，且更加易于維護(hù)，應(yīng)用成本也更低。PCBCS控制系統(tǒng)的出現(xiàn)時(shí)間更晚，該系統(tǒng)通過對計(jì)算機(jī)的加固實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的軟件和硬件充分結(jié)合，該系統(tǒng)兼具控制實(shí)施、操作顯示和通信的功能，集合了PLC和DCS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，將操作集中在計(jì)算機(jī)平臺上，擺脫了信號電纜的束縛，PCBCS系統(tǒng)的開放性也是傳統(tǒng)控制系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。

3 DCS在煙氣脫硫系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用

3.1 DCS總體控制方案

一套完整的火電廠脫硫控制系統(tǒng)一般來說主要包括DCS、就地控制裝置和輔助自控設(shè)備三部分。其中DCS主要負(fù)責(zé)的是對煙氣脫硫過程的監(jiān)視和控制，其中工程師站、控制器以及冗余信息數(shù)據(jù)處理裝置等是常見的DCS最為主要的構(gòu)成部分。和利時(shí)DCS是火電廠脫硫應(yīng)用十分廣泛的DCS產(chǎn)品，它具備了分散控制系統(tǒng)高效率和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，過程I/O數(shù)據(jù)層、過程數(shù)據(jù)管理層、過程控制數(shù)據(jù)層和企業(yè)數(shù)據(jù)管理層是該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的四大層次。DCS在火電廠脫硫應(yīng)用中除了需要對脫硫系統(tǒng)本身進(jìn)行控制外，還承擔(dān)漿液制備系統(tǒng)的公用控制職責(zé)，因而DCS一般需要配備兩對CPU以保證工作效率及穩(wěn)定，DCS的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了實(shí)際脫硫的無人化操作，工作人員可以在控制室直接通過DCS系統(tǒng)對脫硫裝置進(jìn)行啟動或者關(guān)閉，還可以對脫硫過程進(jìn)行監(jiān)視以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。

3.2 數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)（DAS）

DAS是DCS系統(tǒng)中極為重要的組成部分，承擔(dān)著對脫硫設(shè)備以及材料的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)的采集和處理的功能。對火電廠在進(jìn)行煙氣脫硫工作時(shí)，所有相關(guān)設(shè)備以及工藝流程執(zhí)行中的狀態(tài)信號和數(shù)據(jù)變量信號進(jìn)行采集，DAS將這些數(shù)據(jù)信息處理轉(zhuǎn)化為人們常見的數(shù)據(jù)類型后，再反映在控制系統(tǒng)的界面上，相關(guān)工作人員可以根據(jù)這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)對脫硫設(shè)備的監(jiān)視以及對脫硫過程的監(jiān)視，有利于確保火電廠脫硫運(yùn)行的穩(wěn)定性。信息數(shù)據(jù)的輸入輸出、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、信息變量圖形化顯示、設(shè)備故障報(bào)警、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控及記錄、信息檢索、信息數(shù)據(jù)打印輸出等都是DAS較為常用的功能。

3.3 順序控制系統(tǒng)（SCS）

SCS可以對脫硫相關(guān)設(shè)備的按照既定的順序和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行啟動、關(guān)閉、暫停等基本操作，該系統(tǒng)可以對設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行采集，并與流程中設(shè)備應(yīng)當(dāng)處在的狀態(tài)進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)邏輯判斷后自動對相應(yīng)的設(shè)備發(fā)出對應(yīng)的指令，設(shè)備在接到指令后完成相關(guān)的動作?，F(xiàn)代自動化控制系統(tǒng)力求降低人們的勞動強(qiáng)度，提高工業(yè)生產(chǎn)的智能性和安全性，SCS作為分散控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成之一通過對設(shè)備的自動順序控制除了節(jié)省了人力成本之外，還可以有效避免在對設(shè)備的直接操控中由于人為原因造成的操作失誤或者是設(shè)備故障現(xiàn)象的出現(xiàn)。除霧器順序控制和漿液循環(huán)泵停止順序控制是火電廠脫硫中比較常見的SCS。

火電廠所采用的除霧器順序控制系統(tǒng)由上中下三層平板式的除霧器組成，這樣保證了除霧器的清潔，同時(shí)也確保了順序控制的實(shí)現(xiàn)，一般來說每層保證8個(gè)左右的除霧器沖洗門較為合理，并按照先上后下最后中間的順序?qū)Ω鲗映F器進(jìn)行清洗，至于每次清洗所間隔的時(shí)間可以根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和人員設(shè)置進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。除霧器順控沖洗裝置的設(shè)計(jì)可以對燃料煙氣中所含的石膏進(jìn)行及時(shí)的處理，避免石膏阻塞裝備造成故障。

漿液循環(huán)泵停止順控系統(tǒng)主要是為了防止循環(huán)泵關(guān)閉后殘留漿液處理不及時(shí)，造成的漿液板結(jié)影響后續(xù)漿液循環(huán)泵正常啟用。其基本的流程如下：首先對漿液循環(huán)泵停運(yùn)后入口門要及時(shí)關(guān)閉，當(dāng)關(guān)閉信號傳回順控系統(tǒng)之后方可進(jìn)行下一步的操作，之后需要對泵體進(jìn)行沖洗處理。先將漿液循環(huán)泵排放門打開，待排放完泵體內(nèi)的漿液后將閥門關(guān)閉，入口門的關(guān)閉是沖洗水門打開的必要條件，沖洗的時(shí)間一般在5分鐘左右，沖洗需要對循環(huán)泵的漿液入口管道及泵體本身進(jìn)行沖洗，待所有沖洗工作完成后直接將水門關(guān)閉打開排水門并將沖洗后的液體沿著管道排出，排水時(shí)間保證在3分鐘左右，最后將排水門關(guān)閉，該順控流程執(zhí)行完畢。

3.4 脫硫系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)的火電廠脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同，目前我國很多火電廠的脫硫系統(tǒng)封閉了原有的旁路擋板，實(shí)現(xiàn)了對火電廠脫硫保護(hù)裝置的完善和改進(jìn)，保護(hù)性能得到了有效的提升?，F(xiàn)有的脫硫保護(hù)體系一般包括增壓風(fēng)機(jī)、氧化風(fēng)機(jī)、漿液循環(huán)泵以及鍋爐主保護(hù)等。在測量信號的收集中盡量避免由于設(shè)備故障傳回的錯(cuò)誤保護(hù)信號，避免關(guān)鍵設(shè)備誤動、拒動等情況的出現(xiàn)。當(dāng)保護(hù)裝置發(fā)生故障無法起到對脫硫設(shè)備的保護(hù)時(shí)就需要啟動備用裝置，漿液循環(huán)泵停運(yùn)后增壓風(fēng)機(jī)如果同時(shí)出現(xiàn)跳閘，這時(shí)需要迅速將增壓風(fēng)機(jī)的旁路擋板打開，避免鍋爐故障造成的經(jīng)濟(jì)損失。如果有漿液循環(huán)泵全停的緊急情況出現(xiàn)，為了確保吸收塔除霧器不被影響需要將噴淋裝置開啟，一般來說該裝置會在緊急情況下自動開啟。

3.5 模擬量控制系統(tǒng)（MCS）

模擬量控制系統(tǒng)對于脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及脫硫效率保證具有重要的意義，其主要控制策略為多變量協(xié)調(diào)的前饋-反饋控制。火電廠脫硫DCS的模擬量控制系統(tǒng)中所包含的內(nèi)容較多且較為復(fù)雜，因而也是DCS應(yīng)用中需要解決的難點(diǎn)內(nèi)容之一。

增壓風(fēng)機(jī)入口壓力控制是火電廠主鍋爐穩(wěn)定安全運(yùn)行的重要保障，通過對增壓風(fēng)機(jī)動葉開度的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)出口壓力的穩(wěn)定，避免脫硫系統(tǒng)運(yùn)行中的煙道擋板、吸收塔等的壓力下降影響增壓風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。增壓風(fēng)機(jī)的入口壓力控制屬于單回路的控制系統(tǒng)，其中被調(diào)量為壓力，調(diào)節(jié)量為動葉的開度。當(dāng)增壓風(fēng)機(jī)動葉處于正常的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，測量的實(shí)際壓力值與標(biāo)準(zhǔn)壓力值的偏差會被比例積分調(diào)節(jié)器接收到，之后調(diào)節(jié)器對偏差進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并將其轉(zhuǎn)化為操作指令傳達(dá)到增壓風(fēng)機(jī)的動葉上，動葉的開度進(jìn)行變動從而確保增壓風(fēng)機(jī)入口壓力值的穩(wěn)定。此外，技術(shù)人員還可以通過DCS系統(tǒng)直接對手動狀態(tài)下的增壓風(fēng)機(jī)動葉開度進(jìn)行調(diào)整，一般來說動葉都是處于自動狀態(tài)，只有當(dāng)動葉指令反饋值偏大或者壓力測點(diǎn)故障等情況出現(xiàn)時(shí)才會轉(zhuǎn)化為手動狀態(tài)。

石膏是濕法煙氣脫硫的主要材料，而吸收塔的pH值直接影響著石膏的純度因而必須對其進(jìn)行嚴(yán)格的控制，適宜的吸收塔內(nèi)pH值為5.4左右，當(dāng)pH值低于5.2時(shí)，需要對原有的漿液輸入量進(jìn)行增加，而當(dāng)pH值高于5.6時(shí)則需要將石膏排出，在此過程中石膏旋流器至關(guān)重要，因此要避免旋流子堵塞現(xiàn)象的出現(xiàn)。脫硫效率與吸收塔內(nèi)的pH值直接相關(guān)，在一定的范圍內(nèi)pH值與脫硫效率成正比，這主要是由于碳酸鈣的存在。與此同時(shí)，二氧化硫的排出量也受到pH值的影響，一般來說，為了保證吸收塔內(nèi)反應(yīng)的順利進(jìn)行漿液pH值也需要保持在一個(gè)合適的區(qū)間內(nèi)。

吸收塔的供漿流量控制回路分為主控制回路和副控制回路，其中處理前，煙氣中的二氧化硫的含量是主控制回路進(jìn)行漿液供給量調(diào)節(jié)的主要參考指標(biāo)，而漿液的pH值則是副回路的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)中石灰石漿液的流量對脫硫效果具有直接的影響，且由于碳酸鈣在水中的溶解度的問題石灰石漿液容易出現(xiàn)沉淀堵塞漿液管道，為此必須要對其流量進(jìn)行限制，并根據(jù)吸收塔的pH值對漿液循環(huán)泵的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)吸收塔的pH值過小時(shí)石灰石漿液流量需要手動進(jìn)行調(diào)整，而pH值過大時(shí)則采取漿液循環(huán)泵停運(yùn)、閥門關(guān)閉、管道沖洗等操作。

4 DCS脫硫系統(tǒng)調(diào)試

4.1 單體調(diào)試

單體調(diào)試工作需要在設(shè)備安裝完畢基本脫硫安裝過程執(zhí)行結(jié)束且與主系統(tǒng)的連接未建立時(shí)進(jìn)行，單體調(diào)試的主要作用是確定實(shí)際應(yīng)用效果、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及產(chǎn)品質(zhì)量等，在調(diào)試中相關(guān)人員需要對脫硫技術(shù)、脫硫系統(tǒng)、關(guān)鍵設(shè)備、保護(hù)裝置等進(jìn)行熟悉和檢驗(yàn)。單體調(diào)試的主要內(nèi)容包括四個(gè)方面：一是脫硫設(shè)備個(gè)體保護(hù)裝置的調(diào)試；二是對電氣系統(tǒng)的調(diào)試檢查，需要進(jìn)行電路回路檢查、機(jī)械裝置接電試運(yùn)行、電機(jī)試操控等；三是對系統(tǒng)中儀表的檢查，需要進(jìn)行的工作有安全閥門試驗(yàn)、定值設(shè)置、調(diào)節(jié)閥門試驗(yàn)等；四是對工藝系統(tǒng)的調(diào)試檢查，包括溫度測試、工藝設(shè)備狀態(tài)檢查以及壓力調(diào)等。

4.2 分系統(tǒng)調(diào)試

分系統(tǒng)調(diào)試一般在單體調(diào)試結(jié)束后確定各單體回路、單體設(shè)備無故障后進(jìn)行，其目的是對各分系統(tǒng)在正常負(fù)荷下的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，確保子系統(tǒng)足以支撐脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。分系統(tǒng)調(diào)試的主要工作內(nèi)容包括檢查脫硫設(shè)備及安裝質(zhì)量、運(yùn)行條件檢驗(yàn)、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各單體設(shè)備的配合度、系統(tǒng)聯(lián)鎖及保護(hù)調(diào)試等。技術(shù)人員需要根據(jù)一般脫硫系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的基本要求和各項(xiàng)參數(shù)作為分系統(tǒng)調(diào)試的設(shè)置，以確保分系統(tǒng)可以適應(yīng)脫硫系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的要求。

4.3 整套調(diào)試

整套調(diào)試是系統(tǒng)分散控制系統(tǒng)調(diào)試的最后也是最為重要的環(huán)節(jié)，在上述兩項(xiàng)調(diào)試無誤后方可進(jìn)行。實(shí)際脫硫過程中需要運(yùn)行的所有裝置、電路、設(shè)備等在整套調(diào)試的過程中應(yīng)當(dāng)全部運(yùn)行，為了確保調(diào)試的有序性和有效性可以分步進(jìn)行，首先對手動操作程序進(jìn)行檢查之后再對自動程度進(jìn)行調(diào)試，脫硫過程中需要用到的各種參數(shù)測量儀器溫度計(jì)、流量計(jì)以及調(diào)節(jié)閥等也需要進(jìn)行充分的檢查，當(dāng)全部裝置設(shè)備運(yùn)行都沒有問題時(shí)整機(jī)的調(diào)試才可以開始。需要注意的是當(dāng)整套調(diào)試結(jié)束后要對實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的污水、垃圾等進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

5 結(jié)語

綜上所述，降低火力發(fā)電廠有害物質(zhì)的排出量，提高其環(huán)保性是我國電力行業(yè)發(fā)展的必由之路，也是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)型升級的具體要求?；鹆Πl(fā)電廠需要根據(jù)自身的實(shí)際情況，加快脫硫系統(tǒng)的改造升級，積極選用DCS作為脫硫的控制系統(tǒng)，提高電廠煙氣脫硫效率以及脫硫系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性和安全性，促進(jìn)火力發(fā)電廠的健康發(fā)展，用實(shí)際行動踐行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

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作者簡介：周海平（1982-），男，陜西銅川人，神華陜西國華錦界能源有限責(zé)任公司工程師，研究方向：熱工控制、自動化儀表、DCS日常維護(hù)。

（責(zé)任編輯：王 波）