燒結煙氣氨法脫硫控制系統應用實例
摘要:介紹了某鋼廠198平米燒結機氨法脫硫系統的工藝流程、DCS控制系統的硬件配置、主要模擬量控制、順序控制及煙氣監測系統，分析了控制系統配置的優缺點，提出系統改造的建議和方案。
關鍵詞:脫硫裝置,氨法脫硫,燒結煙氣,控制系統
燒結工序是鋼鐵工業產生SO2的主要來源。燒結煙氣量大、SO2濃度低，脫硫設備投資大且運行費用高，副產物復雜，處理難度大，國內可借鑒的治理示范工程少，這些問題都影響了燒結煙氣脫硫的實施。而控制系統的設計是否合理，直接關系到脫硫系統能否長期安全穩定地運行。本文介紹了新華XCU-NET在燒結煙氣氨法脫硫系統中的應用。
1 脫硫工藝原理
從燒結機出來的原煙氣，經電除塵器除塵后，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與煙氣中的SO2在脫硫塔中發生化學反應，吸收SO2的同時生成亞硫酸銨，并與空氣進行氧化反應，生成硫酸銨溶液，經中間槽、過濾器、硫銨槽、加熱器、蒸發結晶器、離心機脫水、干燥器即制得化學肥料硫酸銨，從而完成脫硫過程。煙氣經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出比約為1∶2，即每脫除1噸SO2就產生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，就是以固體結晶的形式存在于漿液里。系統里的主要成品—溶解或結晶的亞硫酸銨已完全被氧化成硫酸銨，因此在副產品中氮的含量很容易大于20.5%。
2 脫硫分散控制系統的組成及布置
氨法脫硫系統中的測點不是很多，但要控制的閥門和設備較多。總I/O點約200個，控制對象約80個。采用集中控制的方式，控制系統采用新華XCU-NET分散控制系統（DCS）完成整套脫硫設備及其輔助系統（包括電氣設備）的監視與控制。
2.1 控制范圍
采用分散控制系統實現對脫硫裝置的煙氣系統、 SO2吸收系統、氧化空氣系統、氨水儲蒸發、結晶系統等運行工況的監視和報警；對電動機、電動門、風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的控制和聯鎖保護。
2.2 控制水平
以分散控制系統（DCS）的CRT和鍵盤作為煙氣脫硫系統的主要監視和控制中心，并配少量光字牌和控制設備（布置在CRT臺上），在集控室內完成煙氣脫硫系統的啟停及正常工況的監視和調整，異常工況的報警和緊急事故處理。
2.3 控制系統構成
脫硫DCS系統的控制柜安裝在脫硫綜合樓電子設備間內。在脫硫綜合樓內設集中控制室，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（DCS）完成整套脫硫設備及其輔助系統（包括電氣設備）的監視與控制。設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按分層分級的原則設計。DCS系統將分成系統監控層和過程控制層，在過程控制層中將分為兩級控制，即子功能組級和驅動級。在不同層次和級別之間，通過通訊連接起來。圖1為網絡系統構成。
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2.4 控制功能
D C S系統主要具備四個功能：數據采集和處理（DAS）；模擬量控制（MCS）；開關量順序控制（SCS）和熱工保護。
2.4.1 監視系統
脫硫裝置的熱工檢測系統由分散控制系統DCS中的數據采集和處理系統（DAS）來完成。DAS系統的基本功能包括：數據采集、數據處理、屏幕顯示、參數越限報警、事件序列、事故追憶、性能與效率計算和經濟分析、打印制表、屏幕拷貝、歷史數據存儲等。
2.4.2 開關量順序控制、聯鎖
輔機的聯鎖保護和啟停控制以及一些主要閥門的開閉控制由DCS中的開關量順序控制系統（SCS）來完成，實現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：脫硫塔循環泵、增壓風機、氧化風機、密封風機、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）實現脫硫裝置主要工藝系統的自啟停；2）實現脫硫塔及輔機、閥門、煙氣擋板的順序控制、控制操作及試驗操作；3）實現輔機與其相關的冷卻系統、潤滑系統、密封系統的連續控制；4）在發生局部設備故障跳閘時，聯鎖啟停相關設備；5）實現脫硫廠用電系統的聯鎖控制。
（2）保護與聯鎖
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）聯鎖保護：必要時按程序自動啟動或自動切除某些設備及系統，使脫硫裝置保持原負荷運行或減負荷運行；3）跳閘保護：當發生重大故障，危及設備或人身安全時，實施跳閘保護，停止整個裝置（或某一部分設備）運行，避免事故擴大；4）熱工保護：脫硫系統的熱工保護由DCS獨立的分散處理單元來完成。主要實現的保護功能：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、燒結機主燃料跳閘（MFT）、增壓風機故障、換熱器故障、循環漿泵投入數量不足、原煙氣擋板或凈煙氣擋板未開等。當發生上述情況時，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。
控制室設旁路擋板門手動按鈕，在緊急狀態時，可強制開關旁路擋板門，保證鍋爐安全運行。脫硫裝置的DCS系統與燒結機的DCS控制系統之間的接口采用硬接線方式。主要信號：燒結機側風量信號；燒結機狀態（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：增壓風機運行（或停止）信號；旁路擋板狀態信號；脫硫裝置運行（或停止）信號等。在煙氣量減少的情況下，根據吸收塔硫銨漿液的pH值及漿液濃度，減少氨水的供應量。
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測和控制。分析設備能自動完成機械控制、數據采集、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 儀表設置原則
為保證測量可靠，重要保護用的過程狀態信號和自動調節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；數據高速公路冗余；D C S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）；機柜內供電雙重化；關鍵的模擬量參數冗余設置（吸收塔液位和漿液pH值測量）；DCS設置2臺操作員站，每個操作員站以兩個結點與數據公路相連，同時2臺操作員站互為備用。如圖2所示。
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采用微處理器技術的控制系統，均具有自診斷功能，在內部故障還沒有干擾生產過程之前，即能在系統本身范圍內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
系統可用率≥ 9 9 . 9 % ； 系統精度： 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）， 20%（以太網）。
3 主要控制回路
3.1 脫硫塔系統
脫硫塔系統包括SGC（Subgroup Circuit）脫硫塔硫銨漿液循環、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。
脫硫塔漿液循環泵連續運行，加入吸收塔的氨水量根據煙氣流量、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，硫銨排出泵連續運行，到中間槽漿液及返塔漿液通過關斷閥連鎖（保持1開1關），均以間斷方式運行；通過吸收塔濾液補水調節閥控制吸收塔漿液密度。
3.2 脫硫塔內漿液pH值控制
脫硫塔內漿液pH值是由送入塔內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、保證預期的脫硫效果及提高脫硫裝置適應燒結機負荷變化的靈活性。脫硫塔內漿液pH值是氨法煙氣脫硫系統中最主要、也是相對較復雜的控制回路。
脫硫裝置運行中，可能引起塔內漿液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為塔內漿液pH值控制系統，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生一個調節信號，來控制氨水供給閥門的開度，使塔內漿液pH值維持在設定值上。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，使調節過程加快，且有超前控制的作用，并且有一定的自適應能力從而有效地克服滯后，提高了控制質量。
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3.3 脫硫塔液位控制
脫硫塔液位應保持在某一范圍內，以維持塔內足夠的持液量，保證脫硫效果。塔內液位是由調節進入的氨水量來控制的，由于漿液的蒸發和攜帶的原因，流出塔的煙氣所攜帶的水分要大于進入塔內的煙氣水分。因此，需要不斷地向塔內補入氨水，在維持塔內的液位的同時也起到了調節塔內漿液濃度的作用。控制塔內漿液濃度的主導手段是控制硫酸銨漿液的排放量。
由于塔內漿液的損失量與煙氣量成正比，當煙氣量增加時，蒸發與攜帶的量也增大，將使塔內液位下降速率加快；而且，塔的橫截面很大，單靠液位偏差信號調節進入塔內的量，其調節速度比較緩慢。因此，塔內液位控制系統將煙氣量作為液位調節的提前補償信號，來補償煙氣量變化對液位的影響，以克服液位調節的較大慣性，加快調節速度。
圖4為塔內液位控制回路原理。控制系統的作用是啟動氨水電動閥門，接受開關量信號，在W=1時開啟閥門，進行補償氨水。結束后關閉閥門，開關量是基于運算回路形成的。
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3.4 氨水供應系統
氨水流量控制回路根據脫硫量的需要調節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。由于氨水流量的調節影響著吸收塔反應池中漿液的 pH值，為了使化學反應更完全，應該將pH值保持在某一設定值；當pH值降低，所需的氨水流量應按某一修正系數增加。將實際測量的pH值與設定值進行比較，通過pH值控制器產生一修正系數，對所需的氨水流量進行修正。將經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節閥的開度。氨水輸送泵與氨水槽液位聯鎖，以保證輸送泵安全。氨水輸送泵共設2臺，1運1備。
3.5 硫銨溶液排出系統
從脫硫塔出來的硫銨溶液的流量作為脫硫量的函數從脫硫塔底部溶液池中排出。可以通過硫銨溶液流量閉環控制回路中氨水溶液的實際流量間接地確定應排放的硫銨溶液的實際流量，該流量值經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溶液混合物的濃度應保持某一水平，使固體懸浮物保持在最佳水平，防止結垢并使晶體成片，以便能夠實現最大脫水率。通過調節脫硫塔氨水閥開度來保持脫硫塔內溶液的密度。為加快系統響應速度，加入燒結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中排出的硫銨溶液量。
3.6 增壓風機壓力（流量）控制
增壓風機壓力（流量）控制回路采用復合控制系統，以增壓風機入口為被控量。為了跟蹤燒結機的負荷變化，采用燒結機負荷作為控制系統前饋信號，將壓力測量值與不同燒結機負荷下的設定值進行比較，得到差值與燒結機負荷信號相疊加，前饋與反饋控制共同作用產生一個調節信號，來控制增壓風機的調節機構，使增壓風機入口煙道壓力值維持在設定值上，以減少引風機后至脫硫裝置進口段煙氣的壓力偏移。增壓風機壓力（流量）復合控制系統見圖5。
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4 小結
在工程實際應用過程中，依照DCS的特點采用典型的方法來實現對燒結煙氣脫硫工程中的控制，可以保證不出現誤操作事故，并增加了相當部分的判據條件和 I/O測點，這種方式的優點是能較方便地對DCS進行檢查，同時也增大了控制的可靠性。
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