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烟气脱硫监控系统的设计及应用分析
北极星节能环保网 2013-12-18
北极星节能环保网讯:一、概述
华能国际电力股份有限公司德州电厂#5、#6机组(2×700MW)脱硫系统由清华同方环境有限公司总承包，负责设计、施工及调试工作，工程于2008年6月底投产。
脱硫工艺采用就地强制氧化的喷淋湿式石灰石-石膏法，脱硫布置方式采用一炉一塔，脱硫副产品为石膏(CaSO4.2H2O)，FGD运行范围在BMCR负荷和锅炉最低稳燃负荷(60%BMCR)之间持续安全运行，旁路烟道容量为100%，FGD脱硫效率≥95%，烟道流速≯15 m/s。
1.1 FGD系统流程概述
FGD系统安装在#5、#6机组引风机的后方，用于脱除引风机出口原烟气中95%以上的SO2。FGD系统由以下几个主要系统组成：烟气系统、SO2吸收系统、石灰石制粉系统、石灰石粉制浆系统、石膏脱水系统、废水处理系统、工艺水系统、事故浆罐系统、压缩空气系统等。其中石灰石制粉系统、石膏脱水系统、废水处理系统、事故浆罐系统均为全厂公用系统。
锅炉烟气自锅炉水平主烟道引出，经增压风机提升烟气压力。增压风机出口的烟气进入烟气换热器(GGH)降温至127.3℃，然后进入吸收塔。脱硫除雾后的干净烟气再返回烟气换热器加热至76.6℃以上，然后经净烟道返回水平主烟道，最后通过烟囱排出。
FGD系统采用的脱硫剂为石灰石粉(90%通过250目)，该石灰石粉由磨制区石灰石制粉系统磨制成成品后，由密闭罐车运送至脱硫岛内，通过石灰石粉称重系统调配成浓度为30%的浆液，不断地补充到吸收塔内。
吸收塔内的最终产物为石膏(CaSO4.2H2O)。石膏浆液从吸收塔浆池中抽出，经一、二级脱水后，得到含水率不大于10%的石膏。石膏储存在石膏库中，再由卡车运至厂外综合利用。
烟气系统包括的主要设备有：FGD进口挡板、出口挡板和旁路烟气挡板，增压风机、烟气换热器GGH及其附属设备。
SO2吸收系统包括2座吸收塔，每个单元设置四台浆液循环泵、三台氧化风机。每台吸收塔配备4层喷淋层、两级除雾器。
石灰石制粉系统为全厂公用，包括两个子系统：石灰石预破碎系统、干式球磨机制粉系统。
石膏脱水系统为全厂公用，全厂共设计6台石膏浆液旋流器，5台真空皮带脱水机，1座石膏库，2个滤液水箱，3台废水漩流器，3台废水给料箱。#5机组FGD所出石膏可从#2、#3真空皮带机进行脱水处理，#6机组FGD所出石膏可从#3、#4真空皮带机进行脱水处理。#5、#6机组不单设废水处理系统，废水仍利用原废水系统。
工艺水系统为#5、#6机组公用，包括1个工艺水箱，2台工艺水升压泵，2台工艺水泵，每台吸收塔配备2台除雾器冲洗水泵。工艺水水源取自#5机组开式水入口滤网前进水管或#6机组开式水的回水管。
工艺水泵用于氧化空气的冷却水、石灰石制浆、GGH及各浆液管道设备等的冲洗水，除雾器冲洗水泵用于吸收塔内去除雾滴及吸收塔液位调节用水。
排放系统中的1个事故浆液箱及2台事故浆液泵为全厂公用，吸收剂制备区排水坑、吸收塔区排水坑每台机组各设1座，石膏脱水区排水坑设1座，为#5、#6机组公用。
压缩空气系统脱硫岛区#5、#6机组各设置1个仪用压缩空气储罐和1个旁路挡板用压缩空气储罐;1个杂用压缩空气储罐为#5、#6机组FGD公用。压缩空气取自机组压缩空气系统，用气量约为15Nm3/h。
二、脱硫DCS控制系统配置情况
2.1 FGD-DCS监控范围
FGD-DCS监控范围包括：烟气脱硫系统的烟气系统、烟气吸收系统、烟气脱硫系统的公用部分、烟气脱硫系统的电气系统(包括脱硫变、高低压电源回路的监视和控制以及UPS、直流系统的监视等等)。
2.2 系统配置
本期脱硫工程控制系统采用GE能源集团上海新华公司的DCS系统XDPS-400，按单元制布置采用集中监控方式。脱硫系统与三期机组共用一个集中控制室，现场无人值班，运行监控通过机组集控室内的操作员站对各机组脱硫系统进行启、停控制、正常运行监视和调整及异常、事故工况处理。
磨制系统DCS与已建的二期磨制系统DCS联网，做为全厂的磨制控制系统，在磨制区控制室内实现。
脱硫岛控制系统FGD-DCS的设计按照功能分散和物理分散相结合的原则进行。FGD-DCS的功能包括数据采集系统(DAS)、模拟量控制系统(MCS)、顺序控制系统(SCS)等。
2.2.1 操作员站及工程师站配置
两台机组脱硫系统各配置工程师站1套，操作员站3套;脱水楼工程师站1套;磨制区配置操作员站1套，规格均为21″LCD、512M内存、100G硬盘。
2.2.2 系统I/O点配置
两台机组脱硫控制系统开关量、模拟量等I/O点应用情况如下：
2.2.3 系统控制器配置
磨制区配置冗余控制器2对，脱硫DCS系统(脱硫区)配置冗余控制器9对，划分情况为：#1、#2、#4DPU主要控制#5机组脱硫控制系统;#3DPU主要控制#5机组脱硫电气部分;#5、#6、#8 DPU主要控制#6机组脱硫控制系统;#7DPU主要控制#6机组脱硫电气部分;#9DPU主要控制三期脱硫脱水楼设备。
三、FGD系统的自动控制系统
3.1增压风机入口压力控制
在FGD正常运行时旁路烟道挡板处于关闭状态，FGD装置的增压风机克服脱硫岛烟气系统的阻力，当FGD装置故障时，旁路烟道档板快速开启(10s)，以确保不影响发电机组的安全运行;所以要求在FGD运行时增压风机前的烟气压力等于FGD停运时的烟气压力。
增压风机入口压力控制是一个单回路的压力控制系统，在投入自动时(手动时静叶开度为0%)把烟气压力的测量值设为其设定值。控制输出值为增压风机静叶开度。
3.2入塔石灰石浆液量的控制
3.2.1主控制回路
石灰石浆液闭环控制回路按照脱硫塔入口的SO2量控制脱硫塔的供浆量。
石灰石浆液闭环控制回路设定点的基础是一个计算值，这个计算值乘上第二个调节回路——内浆液PH值调节回路的输出值，作为供浆量调节回路的设定点。
进入脱硫塔的SO2量乘上SO2脱硫系数K0以及脱硫效率后，是脱硫塔所需的石灰石进料量，也是主调节回路的设定点。系数K0可由操作员进行改变，它实际上是CaCO3/SO2以及石灰石活性系数和CL含量对CaCO3/SO2的影响量的具体体现。系数K0在首次调试后设置为固定值，一般不改变，除非是改变了锅炉的燃煤煤种或改变了脱硫剂的品质。
脱硫效率按下列公式计算：
脱硫效率=( FGD进口烟气SO2含量–FGD出口烟气SO2含量) / FGD进口烟气SO2含量
实际进入吸收塔的石灰石总量的计算公式为：
实际进入吸收塔的石灰石总量[kg/h] = 1.6 ×(石灰石浆液-1055)× F石灰石浆液
3.2.2副控制回路
上面提到的吸收塔浆液的PH值闭环控制回路可以影响15%的供浆量。PH值闭环控制回路的设定值可由操作人员调整，调整范围为5.6～6.8。
吸收塔内浆液的实际PH值03HTL08 CQ901=(03HTL08 CQ001 + 03HTL07 CQ001 ) / 2。
PH值闭环控制回路的输出限制在0.85～1.15之间。
为了防止浆液管道的沉积和堵塞，石灰石供浆管线需要一个最低流速。当FGD进口SO2总量小于一定值时，所需的供浆管线流速也将小于最低流速。为防止此种情况下的堵塞问题，在小流量的情况下不采用前面所述的控制回路而是采用简单的两位控制。当吸收塔的PH值大于PH值设定点+0.1时，将完全停止供浆，供浆流量调节阀设为手动，供浆阀全关并且对供浆管线进行冲洗。当吸收塔的PH值小于PH值设定点-0.1时，将按照一个手动设置的最小流量设定值K2进行供浆，供浆流量调节阀设为自动。
3.3 石灰石浆液浓度的控制
石灰石浆液密度的测量值与设定值(一般为1339kg/m3)比较，通过PID调节来调节石灰石给粉机的转速，达到控制加入石灰石浆液箱石灰石粉量的目的，同时把石灰石浆液箱补水的流量控制串联到该回路中。
石灰石浆液箱液位的测量值与设定值比较，通过PID调节来调节补水调节阀的开度，控制石灰石浆箱的液位。当石灰石浆液箱的液位达到高位报警时，关闭补水调节阀。
3.4吸收塔浆液浓度的控制
热原烟气的穿行，蒸发并带走了吸收塔中的水分，同时，脱硫反应生成固体产物，上述两个过程导致吸收塔浆液的浓度增大。另一方面，通过除雾器清洗水的增加和向吸收塔加入回收水可以使吸收塔浆液的浓度降低。为了优化FGD系统的性能和整个系统的水平衡，需要连续监测吸收塔浆液浓度并通过打开或关闭石膏旋流器入口的电动阀。通过此阀门的开关来维持吸收塔中浆液的悬浮物浓度在15%左右。
用一只密度计测量石膏排出泵出口浆液的密度，该信号送至DCS控制系统并与设定值进行比较来打开或关闭石膏旋流器入口的电动阀。通过此阀门的开关来维持浓度为固体悬浮物含量在15%与10%之间。该浓度控制是断续式的，但石膏排出泵是连续运行的，当固体悬浮物含量达到15%(密度1085kg/m3)时打开电动阀，当固体悬浮物含量降至10%(密度1060kg/m3)时关闭该电动阀，石膏浆液通过回塔的工艺管道回到吸收塔。
3.5石膏滤饼厚度的控制
这是一个单回路调节系统，通过调节转速来控制脱水机上的石膏层厚度以确保脱水性能，真空皮带脱水机为变频调速，当石膏饼厚度为23～27mm时，真空皮带脱水机保持恒速;当石膏饼厚度<23mm时，真空皮带脱水机的转速以0.1m/min的速率，每20s时间为一步，一步步递减;当石膏饼厚度>27mm时，真空皮带脱水机的转速以0.2m/min的速率，每20s时间为一步，一步步递增。
四、常规检测仪表及就地设备配置原则
4.1对于关系到安全或调节品质的重要过程参数，设置三重或双重的冗余测量配置。
4.2对某些参数，不同点的测量值存在差异时， 采取多点测量的方式。
4.3 旁路挡板设计
旁路挡板设计有三断(断气、断电、断信号)等保护，输出信号定义为0～100%对应20～4mA，旁路挡板快开信号设计为掉电有效，以保证任何情况下保护都能起作用。
4.3.1旁路挡板快开条件：
FGD保护信号首出;
FGD请求锅炉MFT;
烟道压力高高(>0.2kPa)延时5秒;
快开按钮;
三断保护;
原或净烟气挡板外部行程开关全开位信号消失硬联锁。
五、脱硫几个重要保护系统设计与应用情况
为确保脱硫保护系统能可靠投用，结合清华同方环境有限公司的设计情况及有关方面脱硫控制系统的设计规定和文件，业主多次组织有关方面召开专题会议，对有关控制保护逻辑进行审查，几个重要保护应用情况如下：
5.1 FGD请求锅炉MFT
5.1.1 FGD旁路烟气挡板未开到位(旁路挡板上半部分及下半部分外部全开开关三取一信号未来;或旁路挡板上半部分及下半部分开度信号均小于50%;或旁路挡板上半部分及下半部分开度信号之和小于110%)且FGD原烟气挡板不全开(外部开行程开关三取二信号)或FGD净烟气挡板不全开(外部开行程开关三取二信号);
5.1.2 FGD增压风机跳闸15s内FGD旁路烟道挡板未全开，旁路挡板未全开信号取法同上;
5.2 引起FGD的跳闸信号
FGD请求锅炉MFT;
锅炉MFT信号;
FGD增压风机跳闸;
FGD原烟气温度>165℃，温度点有品质和速率判断;
FGD原烟气压力<-1kPa;
FGD原烟气压力>1 kPa;
FGD原烟气挡板未关(关反馈消失)或原烟挡板开到位(开关3取2)且FGD GGH主电机、辅电机都未运行延时15s;
只有一台浆液循环泵运行延时30分钟;
FGD浆液循环泵都未运行。
5.3锅炉引风机A、B跳闸
当机组DCS收到FGD请求锅炉MFT和FGD入口压力>1kPa信号后延时5s跳引风机A、B。
六、脱硫控制系统与机组DCS的联系信号
根据机组实际情况，结合有关规定，经讨论脱硫控制系统与机组DCS的联系信号如下表3：
七、其它
为了便于现场运行环境监视，FGD设一套彩色工业电视监视系统。
八、需要注意的几个问题
8.1 重视脱硫系统中旁路挡板、原烟气及净烟气三个挡板连锁的设计
这三大挡板在脱硫系统运行过程中联系紧密，正确设计、处理好这三大挡板的控制连锁关系，是确保脱硫系统安全运行的重要基础。一般对于旁路挡板除控制系统信号联锁外，要考虑电缆硬连接信号的联锁，例如：引入原烟气或净烟气挡板离开全开位后快速打开旁路挡板等措施。确保烟气通畅。
8.2重视烟气流量及烟气连续测量系统(CEMS)的选型及设置
烟气流量测量的选型要充分考虑到烟道直管段是否满足所选仪表的要求，我厂三期烟气流量测量采用热式流量计，烟气连续测量系统(CEMS)选用北京雪迪龙自动控制系统有限公司代理的产品。就我厂三期烟气流量测量应用情况看，应用情况较好，测量数据的准确性较高。每套FGD设出口烟气连续测量系统(CEMS)、送环保CEMS和入口CEMS，采用抽取法。
出口CEMS测量出口烟气SO2含量、出口烟气O2含量、出口烟气NOx含量、出口烟气DUST含量、出口烟气H2O含量、出口烟气流量、出口烟气温度。送环保CEMS测量烟囱入口烟气压力、入口烟气SO2含量、入口烟气O2含量、入口烟气NOx含量、入口烟气DUST含量、入口烟气H2O含量、入口烟气流量、入口烟气温度。入口CEMS测量FGD入口烟气SO2含量、FGD入口烟气DUST含量、FGD入口烟气O2含量、FGD入口烟气温度、FGD入口烟气压力。
根据国家环保部门有关规定，为更好地检测烟气脱硫的设计运行情况，送环保CEMS烟气流量监控测点需专设在旁路排放原烟气与净化烟气汇合后的混合烟道部分，确实因客观原因无法在混合烟道上安装或已安装但位置不符合规范要求的，应在旁路烟道加装烟气温度和流量采样装置。此要求必须引起脱硫CEMS系统设计及运营单位的高度重视。
8.3重视脱硫控制系统与厂SIS或MIS联网设计
由于国家及华能集团公司对脱硫系统运行情况越来越重视，要求将脱硫系统运行数据联入全厂SIS或MIS系统中，以便管理部门及时了解及掌握脱硫系统运行情况，因此，机组脱硫系统设计时，结合各厂实际情况一定要充分考虑到脱硫系统联网的具体方案，真正做到简单、可靠、可行。
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