大型机组超净排放改造脱硫电气及控制系统关键技术

王宝添

（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）

自国务院印发《打赢蓝天保卫战三年行动计划》以来，火力发电厂积极响应中央及地方要求，加快推进大型燃煤机组的脱硫改造、超净排放工程。某火电厂的原脱硫控制系统，共分为1#炉脱硫系统、2#炉脱硫系统和公用脱硫系统3 部分，采用PLC集中控制，使用工业以太网进行通信传输。由于脱硫区域分布比较零散，该脱硫系统运行一段时间后，出现系统之间通信质量低、协调能力差等问题，脱硫效果下降。为解决这一问题，对脱硫控制系统进行改造。本文对改造流程及其关键技术展开简要分析。

1 大型机组超净排放改造脱硫控制系统的改造方案

原来的脱硫控制系统，电子设备间、脱硫控制室等全部由PLC 系统集中控制。改造的主要思路是在保持PLC 控制的前提下，替换为分布式控制系统（DCS），对于其他新增的实时监控装置、远程操控装置，则由FGD_DCS 系统管理。改造后的1#、2#和公用脱硫系统，分别对应一套FGD_DCS，其中包含的硬件设备有DCS 电源分配柜、控制柜，以及继电器、网关等。另外设置2 套机组路由器，满足3 套FDG_DCS 系统相互之间进行实时通信的需求。

2 脱硫控制系统的系统配置

2.1 系统硬件配置

改造后的脱硫控制系统，硬件部分共分为3 层，即控制层、网络层和应用层，整体结构如图1 所示。

图1 脱硫控制系统的硬件结构

各层对应的功能如下：（1）控制层。以PLC 为核心的DCS 控制系统，分为工程师站、操作员站两部分，负责根据系统运行需要，下达相应的指令。同时，在显示器上展示系统各部分的运行工况和实时参数，为脱硫控制提供必要的依据。（2）网络层。包含通讯设备和工业以太网两部分，采用有线通信提高抗干扰能力，确保在复杂环境下控制指令和检测信号的稳定传输。根据连接对象的不同，对接控制主机的为应用层网络，对接前端设备（如控制柜、电源柜等）的为自动层网络。（3）应用层。涵盖了支持脱硫功能实现的各项设备，例如电源模件、信号模件、总线模件等。除了上述主要的硬件设备，还要关注冗余I/O 配备。各个DCS 系统的I/O 点数如表1 所示。

表1 脱硫DCS 控制系统I/O 点统计结果

2.2 系统软件配置

改造后脱硫控制系统的软件部分，包括：（1）Software 组态控制软件。具体又分为储存系统状态信息的报表组态、传递控制指令的数据总线组态、执行控制指令的设备组态等。（2）HMI 人机画面。为了实现远程监控功能，在软件部分增加了HMI 人机界面，除了实时展示脱硫控制系统各部分的运行状态外，还能够让各项控制指令可视化呈现。（3）Library 模块库。用于存储各种程序、模型、数据和指令。本质上是一个集成化的数据库，可支持技术人员根据脱硫控制系统的设计需要，从库内灵活调用各种工艺模型和编程语言。

3 脱硫控制系统的关键技术

3.1 数据采集功能

DAS（数据采集系统）是DCS 系统的重要组成，以60 次/s的频率连续采集各个监测点的状态信号。前端信号经工业以太网反馈至PLC 后，进行信号的对比分析，若发现设备状态信号与标准值存在较为明显的差异，则判定为FGD 系统存在异常，此时系统发出警报。DAS 系统数据采集功能的实现，依赖于分布在DCS_FGD 系统各处的监测装置（传感器）；而DAS 系统数据分析功能的实现，则依赖于PLC 提供的数据对比功能。在DCS 系统的数据库中，预先存储脱硫控制系统中核心设备的标准值。以此作为参照，与DAS 采集的实际值（如变化速率、模拟量输入等）进行对比。两者之间的差值超出允许范围，则判断为异常。发现异常工况后，PLC 启动预设的跳闸程序，完成跳闸保护。

3.2 模拟量控制功能

MCS（模拟量控制系统）是DCS 系统的又一重要组成，该系统的核心设备有增压风机、真空皮带脱水机等。为保证MSC 系统功能的实现，使用到的关键技术有吸收塔液位控制技术、石灰石浆液pH 调节技术、增压风机流量调节技术等。以吸收塔液位的自动调控为例，在吸收塔内存储了石灰石浆液，是吸收烟气中二氧化硫的主要成分。液位控制的原理是以通入的烟气量P（x）作为变量，进行A/D 转换后，得到输出值A。将A 与当前吸收塔内的液位h 相乘，然后除于液位的期望值h0，即可计算出经过烟气量补偿后的比较值B。利用积分时间常数T，对h0做积分处理，即可得到输出值C。此时，由触发器进行条件判定，若B=C，则启动除雾器冲洗程序；直到B≠C 后，停止冲洗程序。整个流程如图2 所示。

图2 吸收塔液位控制系统

3.3 顺序控制功能

SCS（顺序控制系统）的功能是保障脱硫控制系统按照预设的程序，准确、快速的完成各个脱硫步骤。其中又包括了烟气系统、增压风机控制系统、吸收塔系统等若干个子系统。

3.3.1 增压风机控制系统

原烟气的排放压力不稳定，这种情况下直接进入吸收塔，会导致吸收效果不均匀，在排放压力较大时部分烟气无法被充分吸收，从而导致脱硫效果变差。因此，为达到彻底的烟气脱硫，必须要在吸收塔之前安装增压风机。增压风机控制系统的原理是实时监测原烟气的排放压力，然后灵活调节增压风机叶片角度与转速，从而将压力差值始终维持在一个相对平衡的状态。

3.3.2 吸收塔系统

吸收塔系统核心装置之一是氧化风机，在脱硫期间源源不断的向吸收塔内吹入氧气、空气中的二氧化硫被石灰石浆液吸收后，生成亚硫酸钙，然后在氧气的氧化作用下，进一步生成性质更加稳定硫酸钙。基于SCS 系统的氧化风机启停顺序如表2所示。

表2 氧化风机启停控制流程

4 脱硫控制系统的调试

4.1 脱硫控制系统的调试流程

完成烟气脱硫超净排放控制系统的改造后，还要通过调试验证该系统能否正常运行，并发挥脱硫功能。对于调试中发现的运行问题和质量缺陷，也可及时处理，保证该系统投入正常使用后稳定运行。分布式脱硫控制系统的调试内容及流程如图3 所示。

图3 分布式脱硫控制系统的调试流程图

4.2 脱硫系统检查

在明确脱硫系统调试流程的基础上，还要检查该系统的接地系统是否正常，硬件设备及软件系统是否运行正常。具体检查内容有：（1）接地检查。开始系统运行调试前，要重点检查接地装置连接是否可靠，如果接地不良可能会影响设备的安全运行。保证各个接地系统的母线要分别独立连接接地极，防止相互干扰。信号电缆的屏蔽线也必须单独接地，防止产生电位差影响控制功能的发挥。（2）硬件检查。使用万用表分别测量母线和开关的供电电压，保证电源的电能输出正常。检查插卡信号灯的状态，保证机柜插卡正常通电。运行DCS 系统，确保主机和辅助设备运行正常。（3）软件检查。在确定接地正常、硬件不存在问题后，启动软件进行运行调试，分别检查系统软件和应用软件（如过程监视程序、过程控制程序等），确保系统各项功能正常。

5 脱硫控制系统的改造效果分析

脱硫系统改造前后的基本参数如表3 所示。

表3 脱硫控制系统改造前后基本参数对比

该机组在600MW 满负荷的运行环境下，脱硫装置的实测效率达到了99.46%，高于火电厂设定了98.50%的最低要求，改造后烟气排放合格。对于经过脱硫处理的烟气，收集并检测其中的二氧化硫浓度，为6.4mg/Nm3，也低于15.0mg/Nm3的预设标准。火电厂经过此次改造后，每年可减排二氧化硫6.31× 104t，创造了良好的社会效益和经济效益。

结束语

在火力发电行业大力倡导绿色环保、节能降耗的背景下，对机组的脱硫系统进行改造，实现超净排放是当前的一项重要任务。在系统改造时，除了要设计好硬件、软件方面的配置外，还要重点关注数据采集、模拟量控制、顺序控制等系统中涉及的关键技术。完成改造后，开展调试运行，确保改造后的脱硫控制系统完全符合火电厂的改造预期，实现绿色发展。