FGD控制系统中热工自动化系统设计研究

摘 要：本文基于笔者多年从事电厂自动化控制及石灰石-石膏湿法脱硫工艺的研究经验，以FGD控制系统中热工自动化系统设计为研究对象，探讨了系统方案的硬件和软件设计思路，重点分析了系统功能和系统工艺参数的检测与控制，全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华，相信对从从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：FGD控制系统 热工自动化系统 设计 软件设计

中图分类号：TB47 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（a）-0092-04

目前，世界上燃煤电站所采用的烟气脱硫工艺达数百种之多，有的技术较为成熟，已经达到商业化应用的水平，有的尚处于试验研究阶段。应用较为广泛的烟气脱硫工艺有：石灰石（石灰）-石膏湿法脱硫工艺、喷雾干燥法脱硫工艺、炉内喷钙加尾部烟气增湿活化脱硫工艺、烟气循环流化床脱硫工艺、海水脱硫工艺、电子束法脱硫工艺、氨水洗涤法脱硫工艺等。据全球统计，80%的脱硫装置采用石灰石（石灰）-石膏湿法，10%采用喷雾干燥法（半干法），10%采用其它方法。

FGD 控制系统主要由三部分组成：电气系统、热工自动化系统和烟气排放连续监测系统。其中电气系统包括：供电系统、直流系统、交流保安电源和交流不停电电源、电气二次和照明检修系统五部分组成。热工自动化系统具有：数据采集（DAS）、模拟量控制（MCS）、顺序控制（SCS）和联锁、保护与报警等功能。

1 系统方案比较与选择

1.1 DCS与FCS的比较

国内火电厂采用的控制系统绝大多数是DCS，所以FGD系统作为火电厂辅控系统的一部分，国内的相关电力设计单位和脱硫公司也习惯采用DCS做控制系统。但是，随着控制网络的出现导致了传统控制系统的变革，形成了网络集成式控制的新型结构，即FCS。

传统的DCS与新型的FCS的比较：（1）DCS是封闭式系统，各公司产品基本不兼容。而FCS是开放式系统，用户可以选择不同厂商、不同品牌的各种设备连入现场总线，达到最佳的系统集成。（2）DCS必须整体投资一步到位，事后的扩容难度较大。而FCS将功能下放，实现控制与数据采集的现场化。因此，FCS系统投资起点低，可以边用、边扩、边投运。（3）FCS由于控制与数据采集现场化，与DCS相比可以节省大量电缆与敷设电缆用的桥架等，同时也节省了设计、安装和维护费用。（4）FCS相对于DCS组态简单，由于结构、性能标准化，便于安装、运行、维护。

由于FCS较之DCS更具优越性，且FGD系统的被控制点很多，分布比较分散，因而FCS将逐步取代DCS。而事实上，在西方发达国家，很多脱硫项目的控制系统采用的是FCS。

1.2 FDCS与DCS的比较

DFCS相对于传统的DCS能节省大量的隔离器件、端子柜、I/O卡件、模拟卡件等，简化二次接线、节省大量的控制电缆，减轻了CT、PT 负载，减少施工、安装、维护工作量，节省大量的人力、物力资源，从而降低了综合投资成本。

另外，各远程I/O站相互独立，远程I/O站之间通过PROFIBUS-DP总线连接，统组态灵活，整个系统的可靠性得到很大提高，任一远程I/O站的故障不会影响其他远程I/O站，缩小了故障范围，更重要的是，实现了真正的地理分散，使控制风险几乎彻底分散.所以采用FDCS的性价比高于DCS控制系统。

1.3 FDCS与FCS的比较

FDCS与理想的FCS事实上是有很大区别的。理想的FCS应该是全数字化的，即传统的4～20 mA模拟信号完全被双向数字通信现场总线信号所取代。实现全数字化FCS的基础是数字智能现场装置，而目前国内的数字智能现场装置还不够理想有待完善，且尚无在火电厂环境中长期运行的业绩。进口的数字智能现场装置的价格又比较昂贵。FDCS与FCS相比，现场测量元件采用传统的测量方式，而未使用理论上的智能变送器，从而降低了工程成本。考虑到国内实际工程的需要，在国内脱硫项目中采用FDCS作为控制系统更为合理。

2 系统I/O点数的统计

135MW机组烟气脱硫控制系统I/O需要1500～2000点。具体共需950个开关量输入，包括：补水泵状态、补水截止阀状态、池罐箱高低液位报警、系统故障报警、斗式提升机状态、石灰粉仓高低料位状态、给料机状态、脱硫吸收剂输送泵状态、循环池搅拌机状态、循环泵状态、泥浆泵状态、烟道挡板门状态等；500个开关量输出，包括：信号指示灯、补水泵控制、斗式提升机控制、给料机控制、脱硫吸收剂输送泵控制、循环池搅拌机控制、循环池补水控制、循环泵控制、泥浆泵控制、烟道挡板门控制等：120个模拟量输入，包括：pH值大小、吸收塔出口温度、吸收塔出口压力、吸收塔阻力、主烟道压力、主烟道温度、电机转速等：32个模拟量输出，包括：电机转速控制、电动调节阀控制等。

3 系统的拓扑结构

整个烟气脱硫控制系统逻辑上按照三层结构设计：过程控制级、监控级、上一级监控和管理级。

3.1 过程控制级

过程控制级中主要采用PLC和执行机构（电动调节阀、变频器）控制生产过程，另采用智能仪表采集现场压力、温度、流量等各项数据。系统正常运行时，采用闭环控制，系统根据设定值和实测值的差值实现自动控制，使被控量自动稳定于设定值；当需要人为干预时，可采用开环控制，控制室内操作人员可通过调整控制值来保证系统正常运转：当自动控制系统发生异常时，可由现场操作人员直接对调节阀、变频器等执行机构进行操作，即通过手动控制以确保整个系统的安全、稳定、有效运行。过程控制级的控制范围包括以下几点。

（1）吸收塔循环水量控制。（2）循环池、氧化池、泥浆池浓度及液位控制。（3）泥浆泵、循环泵、变频泵工作状态控制。（4）调节阀门工作状态的控制。过程控制级与监控级之间通过PRDFIBUS现场总线按一定的通讯协议进行通讯。远程I/O扩展机架E1200M和I/O模件组成的远程I/O站均放置于信号较集中的现场位置，信号的一次元件均采用传统的测量方式。冗余控制器（CPU417H）通过冗余的现场总线Profibus-DP（最高数据传输速率可达12Mbit/s）。（5）连接远程I/O扩展机架ET200M及I/O模件。也就是，现场仪表和执行机构通过双绞线传送4～20 mA信号到远程I/O站，远程I/O站再通过Profibus-DP现场总线完成与中央控制器（CPU417H）之间的双向数字通讯。过程控制级硬件结构原理如图2所示。

PLC的模板包括：CPU模块、电源模块、采集模拟信号的模拟量输入模块、PT100采集模块、开关量输入模块、模拟量输出模块、开关量输出模块等。

对于电厂而言，其停工的成本非常高，因而其控制系统必须采用冗余，系统冗余带来的高投入完全可以被避免的生产损失所补偿。PLC主站S7-400H按冗余方式设计，可以在任何事件发生后继续使用.其所有的主要器件都是双重的，双重的中央处理器CPU、双重的电源模板以及双重的连接两个中央处理器的硬件。采用冗余的节点，因而节点内的一个原件发生故障时不会影响和它相联的其它节点或整个系统的可靠性。冗余节点链接中最薄弱的环节决定了整个系统的可用性。对于整个控制系统，如果有一个冗余节点的部件故障，不会对整个系统的可操作性造成影响。

石灰石-石膏湿法脱硫工艺过程是一个多变量强祸合的连续过程。考虑到实际的工业现场和厂方现有生产设备的实际运行性能，经过详细的研究和反复比较论证，系统主要采用相对成熟的经典数字PID调节器作为基本的控制算法。根据工艺设计要求和生产设备的实际状况，对一些重要回路采用了经典过程控制理论中的比值调节控制和串级调节控制。整个系统的软件编制流程如图3所示。

I/0板卡采集监控需要的现场数字量和模拟量信号，首先经过DRIVE（驱动块）处理。被WinCC（上位机）直接监控的数字量或模拟量，通过MEASMON（监视块）传送给WinCC.一些设备量传送给CFC（设备块）。CFC就是控制系统中对现场设备，如阀门、电机等的模拟模块，在系统软件的类库中预编好了大量的此类模块，可以根据具体需要直接拿出来用。用于顺序控制各种现场设备的控制量则传递给SFC（顺控块）。SFC就是根据需要编写的设备顺序控制模块，采用流程图的方式，可以很方便地编写。所有采集到的数字量或模拟量信号都可以传送到上位机WinCC界面进行监控。

3.2 监控级

监控级运行CSADA实时数据采集和控制软件（监控组态软件）完成烟气脱硫系统监控与管理以及过程优化数学模型运算。监控级包括：1台工程师站，用于对整个系统进行组态，编程和调试；2台操作员站（一主一备），均采用工业控制计算机，并安装Winc6.0监控软件，用于操作人员对整个系统进行监控。监控范围包括：（1）现场控制设备的启停操作及运行状态。（2）烟气脱硫控制系统的动态参数。（3）脱硫除尘后烟气中烟尘、5认排放浓度。整个系统功能范围内的全部报警项目可在显示器上显示并可在打印机上打印，报警范围包括：（1）吸收塔入口烟温过高，出口烟温过低。（2）吸收塔进、出口压差过大。（3）循环池、浆化池、维修池、泥浆池液位过高或过低。（4）循环池PH值过高或过低。（5）电动机运行中跳闸。（6）烟气出口含硫、含尘量过高。

3.3 上一级监控和管理级

上一级监控和管理级由实时监控系统（SIS）和计算机管理信息系统（MIS）两部分组成。烟气脱硫控制系统作为发电机组正常安全生产的一部分，必须与机组中其它相关控制系统及管理系统交换生产实时数据和历史数据，必须接受管理系统的生产指令，因此要求烟气脱硫系统的SCADA控制系统应有很强的数据处理能力，工业以太网是目前工控界最流行的局域网技术，市场占有率高达80%。它具有良好的数据开放性和扩展性，能够在系统不停机的情况下与其它程控系统通讯。系统采用NETDDE方式通过工业以太网交换数据。

4 系统的基本功能

脱硫装置采用集中管理分散控制的控制系统，其功能包括数据采集和处理（DAS）、模拟量控制（MCS）、顺序控制（SCS）及联锁保护、脱硫厂用电源系统监控等。

4.1 数据采集系统（DAS）

数据采集系统（DAS）将连续采集和处理所有与系统有关的重要测点信号及设备状态信号，以便及时向操作人员提供有关的运行信息，实现系统安全经济运行。一旦发生任何异常工况，将及时报警，提高系统的可靠性。DAS将包括以下功能：显示（包括操作显示、成组显示、棒状图显示、趋势显示、报警显示等）、制表记录（包括定期记录、追忆打印、跳闸一览记录等）、历史数据存储和检索、性能计算。

4.2 模拟量控制系统（MCS）

模拟量控制系统（MCS）主要包括：增压风机入口压力控制、石灰石浆液浓度控制、石膏浆排出量控制，除上述主要闭环控制回路外，还有旁路档板差压控制，工艺水槽、石膏浆液池、浆化池、维修池液位控制，石膏浆液池州值控制，废水处理系统等闭环控制回路。

4.3 顺序控制系统（SCS）

顺序控制系统（SCS）根据工艺要求可分为5个功能组即烟气系统功能组；吸收塔功能组；石膏脱水系统功能组；石灰石浆制备系统功能组；废水处理系统功能组。功能组控制包括本功能组内所有子组控制、联锁保护、冗余设备的自动切换及相关电动设备的单独控制。

4.4 联锁、保护与报警

根据工艺流程的运行条件设置必要的联锁。有效的联锁能使设备在事故工况下自动切除。此外，事故工况能立即通过报警系统提示给运行人员，并通过打印机打印。重要的联锁信号的交换采用硬接线，对重要的信号采用冗余设置。系统运行超过限制值时，报警并打印出来。

5 系统工艺参数的检测与控制

5.1 主要工艺参数的检测

为了防止原烟气Sq溶于凝结水腐蚀烟道壁，原烟气温度必须大于120 ℃；为了防止吸收塔内浆液温度过高，且原烟气温度要小于180 ℃；在FGD系统原烟道和净烟道上均装有烟气温度测量元件，并采用三取二测量方式。FGD系统主要检测参数还有FGD出入口烟气压力、旁路挡板差压、原烟气S02浓度、原烟气O2浓度、净烟气S02浓度、净烟气O2浓度、净烟气烟尘浓度、增压风机出入口压力、石灰石浆液池液位、石灰石浆液密度、石灰石浆液流量、吸收塔循环池液位、石膏浆密度、石膏浆pH值、沉降箱pH值、中和pH值、石灰浆密度等。

5.2 循环池液位控制

水池液位控制有两条基本要求。（1），水池不能过满，产生溢出。如不这样，不仅会造成经济损失，还会严重污染周边环境。（2），不能流空，产生断流。否则会对烟气脱硫工艺产生严重影响，使烟气脱硫工艺过程无法正常进行。由于受烟气脱硫工艺流程的影响，液位的变化不是很稳定。如果液位控制全凭现场操作人员根据系统工艺流程，人为地手动或电动操作水池的进出口阀门来实现液位控制，使其液位保持在正常的工作状态范围内，现场操作人员在工作中就要时时监测液位的变化，不得有半点疏忽，这样就较大地增加了现场操作人员的劳动强度，而且容易发生事故.因而文中采用德国E+H公司的FMU40E超声波液位计、电动调节阀和西门子公司的57-40PLC组成控制回路来实现对水池液位的自动控制。当检测到液位过高时关闭电动调节阀，停止对水池的供水.当检测到液位过低时开启电动调节阀，恢复对水池的供水。整个控制回路简单、可靠、运行稳定。

5.3 石灰石浆液流量控制

由于锅炉负荷要经常调整，燃煤品质时好时坏，因此进入吸收塔的烟气量、烟气含硫量随时在变，要求吸收剂石灰石浆液加入到吸收塔的量也随之调整。可以通过控制物料平衡的思路来解决以上问题，如果能够控制石灰石浆液加入量与吸收二氧化硫需要的石灰石浆液量始终相等，那么脱硫系统就会在最理想的状态下运行。因此可用烟气中需要脱除的二氧化硫量换算出需要加入的石灰石浆液补给流量作为流量控制的给定值来控制流量调节阀的开度。用该值与石灰石浆液流量表指示值比较来控制石灰石浆液流量调节阀的开度，可以使石灰石浆液加入量准确的跟踪烟气的变化。

5.4 石灰石浆液浓度控制

石灰石浆池浓度的控制是实现整个物料平衡控制的前提，本FGD系统中要求控制在30%（重量浓度）左右。石灰石浆液浓度的控制涉及到两个控制回路，一个是通过调节浆池补水流量来控制浆池液位的控制回路；另一路是通过控制给料机的转速来调节加入的石灰石粉量从而控制浆液浓度，使浆液浓度稳定在30%左右。石灰石浆池浓度控制的过程是：（1）全开补水调节阀向浆池注水到3 m液位。（2）启动石灰石浆液泵、开启回流阀，让浆池内的液体打循环，浆液浓度表投运。（3）浆池液位控制回路和浆液浓度控制回路投运。

5.5 增压风机压力控制

为保证锅炉的安全稳定运行，通过调节锅炉引风机后的增压风机导向叶片的开度进行压力控制，保持增压风机入口压力的稳定。为了获得更好的动态特性，可引入锅炉负荷和引风机状态信号作为辅助信号。在FGD烟气系统投入过程中，需手动协调控制烟气旁路挡板门及增压风机导向叶片的开度，保证增压风机入口压力稳定；在旁路挡板门关闭到一定程度后，压力控制闭环投入，关闭旁路挡板门。为保证系统的可靠，增压风机入口压力采用三通道测量。将增压风机的入口原烟气压力的测量值和设定值相比较，偏差经过PID运算后来调节增压风机入口动叶的转角，将增压风机的入口压力控制在设定值。为了优化增压风机压力控制回路的调节性能，引入锅炉负荷信号作为前馈控制信号，当锅炉负荷变化时将同时调节增压风机的出力，可以减少引风机后至FGD进口段烟气的压力偏移。增压风机的控制包括：增压风机润滑油、调节油及密封空气的加热控制；增压风机润滑油泵自动切换及单独控制；增压风机调节油泵自动切换及单独控制；增压风机润滑油冷却风机自动切换及单独控制；增压风机调节油冷却风机自动切换及单独控制；增压风机液压制动系统控制。

5.6 原/净烟气温度控制

通过控制再热器进口蒸汽调节阀的开度，控制蒸汽流量来达到控制净烟气温度的目的。GGH的控制包括：GGH转子驱动装置单独控制；径向密封系统控制；密封风机自动切换及单独控制；净烟气密封系统控制；压缩空气吹扫控制；高压水冲洗控制；低压水冲洗控制；GCH停运保养控制。

5.7 除雾器冲洗控制

为了防止堵塞，必须对除雾器进行定期冲洗。除雾器冲洗为顺序控制，按一定的顺序对除雾器粗分离器和叶片式分离器的进、出口侧进行冲洗，每一侧冲洗管路上有喷水器和相应的冲洗电动蝶阀，这些电动蝶阀按一定的间隔时间轮流开关，在程序中设定冲洗间隔时间，与实际累计的间隔时间进行比较，当累计的间隔时间到达设定的间隔时间时，冲洗程序中相应的电动蝶阀打开，冲洗开始，同时，间隔时间累计器复置0，当冲洗完毕后，新的间隔时间开始累计，从而进入下一次循环。

6 系统软件设计

在对FGD控制系统进行编程时，采用结构化风格，将整个控制系统分解成功能上相对独立的19个部分，通过19个控制功能块来加以编程控制。这19个功能块各自独立，自成体系，都可以单独运行。最后，通过一个系统组织块将这19个控制功能块及另外编写的49个中断动作功能块组成一个整体，来实现对FGD系统的可靠、有效的实时监控。采用这样的结构，最大的优点在于其有利于整套控制系统的调试、维护，可以根据工艺的需要很方便地将某一部分控制功能从原控制系统中剥离出来，也可以随着工艺的发展很方便地加入其他控制功能，从而大大提高了整个控制系统的可维护性与可扩展性。

FGD控制系统在启动和停机时，有大量设备的动作，而且不同的设备有不同的动作要求。在系统启动时，要求所有用于管道、烟道冲洗的泵和阀门都必须关闭，而且关闭顺序是先关泵，延时一定时间后再关阀门，然后再按要求启动工作回路设备，此时的启动顺序为先开阀门，延时一定时间后再开泵。系统停机时，在工作设备停下后，管道、烟道冲洗设备以及防止浆液沉淀的辅助设备均需按顺序启动。系统主程序流程图如图4所示。

7 结语

本文基于现有热工自动化系统，结合笔者对系统的研究，提出了新的系统设计理念，系统方案是否可行还需实践检验。

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