摘要:介紹了某鋼廠198平米燒結(jié)機(jī)氨法脫硫系統(tǒng)的工藝流程、DCS控制系統(tǒng)的硬件配置、主要模擬量控制、順序控制及煙氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析了控制系統(tǒng)配置的優(yōu)缺點(diǎn)，提出系統(tǒng)改造的建議和方案。

關(guān)鍵詞:脫硫裝置,氨法脫硫,燒結(jié)煙氣,控制系統(tǒng)

燒結(jié)工序是鋼鐵工業(yè)產(chǎn)生SO2的主要來源。燒結(jié)煙氣量大、SO2濃度低，脫硫設(shè)備投資大且運(yùn)行費(fèi)用高，副產(chǎn)物復(fù)雜，處理難度大，國(guó)內(nèi)可借鑒的治理示范工程少，這些問題都影響了燒結(jié)煙氣脫硫的實(shí)施。而控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理，直接關(guān)系到脫硫系統(tǒng)能否長(zhǎng)期安全穩(wěn)定地運(yùn)行。本文介紹了新華XCU-NET在燒結(jié)煙氣氨法脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 脫硫工藝原理

從燒結(jié)機(jī)出來的原煙氣，經(jīng)電除塵器除塵后，由脫硫塔底部進(jìn)入。同時(shí)在脫硫塔頂部將氨水溶液噴入塔內(nèi)與煙氣中的SO2在脫硫塔中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，吸收SO2的同時(shí)生成亞硫酸銨，并與空氣進(jìn)行氧化反應(yīng)，生成硫酸銨溶液，經(jīng)中間槽、過濾器、硫銨槽、加熱器、蒸發(fā)結(jié)晶器、離心機(jī)脫水、干燥器即制得化學(xué)肥料硫酸銨，從而完成脫硫過程。煙氣經(jīng)脫硫塔的頂部出口排出，凈化后的煙氣由煙囪排入大氣。

對(duì)于氨法脫硫工藝，二氧化硫與硫酸銨的產(chǎn)出比約為1∶2，即每脫除1噸SO2就產(chǎn)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(jié)晶的形式存在于漿液里。系統(tǒng)里的主要成品—溶解或結(jié)晶的亞硫酸銨已完全被氧化成硫酸銨，因此在副產(chǎn)品中氮的含量很容易大于20.5%。

2 脫硫分散控制系統(tǒng)的組成及布置

氨法脫硫系統(tǒng)中的測(cè)點(diǎn)不是很多，但要控制的閥門和設(shè)備較多。總I/O點(diǎn)約200個(gè)，控制對(duì)象約80個(gè)。采用集中控制的方式，控制系統(tǒng)采用新華XCU-NET分散控制系統(tǒng)（DCS）完成整套脫硫設(shè)備及其輔助系統(tǒng)（包括電氣設(shè)備）的監(jiān)視與控制。

2.1 控制范圍

采用分散控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硫裝置的煙氣系統(tǒng)、 SO2吸收系統(tǒng)、氧化空氣系統(tǒng)、氨水儲(chǔ)蒸發(fā)、結(jié)晶系統(tǒng)等運(yùn)行工況的監(jiān)視和報(bào)警；對(duì)電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)門、風(fēng)門擋板以及電氣供電回路的斷路器的順序控制；以及對(duì)一些工藝閉環(huán)的控制和聯(lián)鎖保護(hù)。

2.2 控制水平

以分散控制系統(tǒng)（DCS）的CRT和鍵盤作為煙氣脫硫系統(tǒng)的主要監(jiān)視和控制中心，并配少量光字牌和控制設(shè)備（布置在CRT臺(tái)上），在集控室內(nèi)完成煙氣脫硫系統(tǒng)的啟停及正常工況的監(jiān)視和調(diào)整，異常工況的報(bào)警和緊急事故處理。

2.3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

脫硫DCS系統(tǒng)的控制柜安裝在脫硫綜合樓電子設(shè)備間內(nèi)。在脫硫綜合樓內(nèi)設(shè)集中控制室，DCS的操作員站、打印機(jī)、電除塵控制上位機(jī)等合并布置于其中。脫硫裝置控制系統(tǒng)（DCS）完成整套脫硫設(shè)備及其輔助系統(tǒng)（包括電氣設(shè)備）的監(jiān)視與控制。設(shè)置了一個(gè)操作員站和一個(gè)工程師站，工程師站也可作為操作員站，兩站互為備用。每個(gè)操作員站配置2臺(tái)CRT。FGD裝置的分散控制系統(tǒng)按分層分級(jí)的原則設(shè)計(jì)。DCS系統(tǒng)將分成系統(tǒng)監(jiān)控層和過程控制層，在過程控制層中將分為兩級(jí)控制，即子功能組級(jí)和驅(qū)動(dòng)級(jí)。在不同層次和級(jí)別之間，通過通訊連接起來。圖1為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成。

2.4 控制功能

D C S系統(tǒng)主要具備四個(gè)功能：數(shù)據(jù)采集和處理（DAS）；模擬量控制（MCS）；開關(guān)量順序控制（SCS）和熱工保護(hù)。

2.4.1 監(jiān)視系統(tǒng)

脫硫裝置的熱工檢測(cè)系統(tǒng)由分散控制系統(tǒng)DCS中的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)（DAS）來完成。DAS系統(tǒng)的基本功能包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、屏幕顯示、參數(shù)越限報(bào)警、事件序列、事故追憶、性能與效率計(jì)算和經(jīng)濟(jì)分析、打印制表、屏幕拷貝、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。

2.4.2 開關(guān)量順序控制、聯(lián)鎖

輔機(jī)的聯(lián)鎖保護(hù)和啟�？刂埔约耙恍┲饕y門的開閉控制由DCS中的開關(guān)量順序控制系統(tǒng)（SCS）來完成，實(shí)現(xiàn)功能組或子組級(jí)的控制，以減輕運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度，防止誤操作。主要操作的對(duì)象有：脫硫塔循環(huán)泵、增壓風(fēng)機(jī)、氧化風(fēng)機(jī)、密封風(fēng)機(jī)、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(dòng)、停止及正常運(yùn)行工況下的控制要求，并實(shí)現(xiàn)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(yùn)行。

順序控制的具體功能包括：1）實(shí)現(xiàn)脫硫裝置主要工藝系統(tǒng)的自啟停；2）實(shí)現(xiàn)脫硫塔及輔機(jī)、閥門、煙氣擋板的順序控制、控制操作及試驗(yàn)操作；3）實(shí)現(xiàn)輔機(jī)與其相關(guān)的冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、密封系統(tǒng)的連續(xù)控制；4）在發(fā)生局部設(shè)備故障跳閘時(shí)，聯(lián)鎖啟停相關(guān)設(shè)備；5）實(shí)現(xiàn)脫硫廠用電系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制。

（2）保護(hù)與聯(lián)鎖

保護(hù)動(dòng)作主要分四大類：1）報(bào)警信號(hào)：向操作人員提示裝置運(yùn)行中的異常情況；2）聯(lián)鎖保護(hù)：必要時(shí)按程序自動(dòng)啟動(dòng)或自動(dòng)切除某些設(shè)備及系統(tǒng)，使脫硫裝置保持原負(fù)荷運(yùn)行或減負(fù)荷運(yùn)行；3）跳閘保護(hù)：當(dāng)發(fā)生重大故障，危及設(shè)備或人身安全時(shí)，實(shí)施跳閘保護(hù)，停止整個(gè)裝置（或某一部分設(shè)備）運(yùn)行，避免事故擴(kuò)大；4）熱工保護(hù)：脫硫系統(tǒng)的熱工保護(hù)由DCS獨(dú)立的分散處理單元來完成。主要實(shí)現(xiàn)的保護(hù)功能：脫硫裝置的保護(hù)動(dòng)作條件包括脫硫裝置進(jìn)口溫度異常、進(jìn)口壓力異常、出口壓力異常、燒結(jié)機(jī)主燃料跳閘（MFT）、增壓風(fēng)機(jī)故障、換熱器故障、循環(huán)漿泵投入數(shù)量不足、原煙氣擋板或凈煙氣擋板未開等。當(dāng)發(fā)生上述情況時(shí)，脫硫裝置停運(yùn)并自動(dòng)打開煙氣旁路擋板，通過關(guān)閉原煙氣擋板和凈煙氣擋板來斷開進(jìn)入脫硫裝置的煙氣通道，使用煙氣旁路，直達(dá)煙囪排放。

控制室設(shè)旁路擋板門手動(dòng)按鈕，在緊急狀態(tài)時(shí)，可強(qiáng)制開關(guān)旁路擋板門，保證鍋爐安全運(yùn)行。脫硫裝置的DCS系統(tǒng)與燒結(jié)機(jī)的DCS控制系統(tǒng)之間的接口采用硬接線方式。主要信號(hào)：燒結(jié)機(jī)側(cè)風(fēng)量信號(hào)；燒結(jié)機(jī)狀態(tài)（MFT、火焰、吹掃等信號(hào)）；燃燒器運(yùn)行（或停止）信號(hào)；煙道壓力信號(hào)；電除塵電場(chǎng)投入狀況信號(hào)等。脫硫側(cè)：增壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行（或停止）信號(hào)；旁路擋板狀態(tài)信號(hào)；脫硫裝置運(yùn)行（或停止）信號(hào)等。在煙氣量減少的情況下，根據(jù)吸收塔硫銨漿液的pH值及漿液濃度，減少氨水的供應(yīng)量。

2.5 儀表測(cè)量

2.5.1 主要檢測(cè)儀表

為了防止原煙氣中SO2溶于凝結(jié)水腐蝕煙道壁，原煙氣溫度必須大于120℃；為了防止吸收塔內(nèi)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(cè)量元件，而且采用三取二測(cè)量方式。

脫硫裝置主要檢測(cè)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(fēng)機(jī)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(cè)量

煙氣分析測(cè)量采用美國(guó)KVB公司的多組分氣體分析儀，將測(cè)量信號(hào)送入DCS并在脫硫控制室中進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。分析設(shè)備能自動(dòng)完成機(jī)械控制、數(shù)據(jù)采集、初級(jí)計(jì)算、樣品稀釋、探頭清洗切換的自動(dòng)控制和校準(zhǔn)。

2.5.3 儀表設(shè)置原則

為保證測(cè)量可靠，重要保護(hù)用的過程狀態(tài)信號(hào)和自動(dòng)調(diào)節(jié)的模擬量信號(hào)等采用三重或雙重測(cè)量方式。如吸收塔液位、脫硫裝置進(jìn)出口壓力采用三取二測(cè)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(cè)量方式。

2.6 可靠性措施

2.6.1 冗余

控制器冗余配置；數(shù)據(jù)高速公路冗余；D C S的 I/O機(jī)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(jī)柜內(nèi)供電雙重化；關(guān)鍵的模擬量參數(shù)冗余設(shè)置（吸收塔液位和漿液pH值測(cè)量）；DCS設(shè)置2臺(tái)操作員站，每個(gè)操作員站以兩個(gè)結(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)公路相連，同時(shí)2臺(tái)操作員站互為備用。如圖2所示。

采用微處理器技術(shù)的控制系統(tǒng)，均具有自診斷功能，在內(nèi)部故障還沒有干擾生產(chǎn)過程之前，即能在系統(tǒng)本身范圍內(nèi)探測(cè)到故障并實(shí)行防止故障擴(kuò)大的措施，同時(shí)也能進(jìn)行報(bào)警和記錄。

脫硫DCS與機(jī)組的DCS之間關(guān)鍵信號(hào)的交換采用硬接線的方式。

2.6.2 DCS的可靠性指標(biāo)

系統(tǒng)可用率≥ 9 9 . 9 % ； 系統(tǒng)精度： 輸入信號(hào) ±0.1%（高電平），±0.2%（低電平），輸出信號(hào) ±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(tǒng)裕量

最繁忙時(shí)，控制器CPU的負(fù)荷不大于60%，操作員站負(fù)荷率不大于40%；內(nèi)部存儲(chǔ)器占用容量不大于50%，外部存儲(chǔ)器占有容量不大于40%；每種I/O點(diǎn)裕量不少于15%；I/O模件槽裕量不少于15%；電源負(fù)荷裕量不少于30%；通訊總線的負(fù)荷率不大于30%（令牌網(wǎng)）， 20%（以太網(wǎng)）。

3 主要控制回路

3.1 脫硫塔系統(tǒng)

脫硫塔系統(tǒng)包括SGC（Subgroup Circuit）脫硫塔硫銨漿液循環(huán)、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(bǔ)水閥。

脫硫塔漿液循環(huán)泵連續(xù)運(yùn)行，加入吸收塔的氨水量根據(jù)煙氣流量、SO2含量、SO2脫除率和脫硫塔漿液的pH值進(jìn)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(xù)運(yùn)行，到中間槽漿液及返塔漿液通過關(guān)斷閥連鎖（保持1開1關(guān)），均以間斷方式運(yùn)行；通過吸收塔濾液補(bǔ)水調(diào)節(jié)閥控制吸收塔漿液密度。

3.2 脫硫塔內(nèi)漿液pH值控制

脫硫塔內(nèi)漿液pH值是由送入塔內(nèi)的氨水流量進(jìn)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(yù)期的脫硫效果及提高脫硫裝置適應(yīng)燒結(jié)機(jī)負(fù)荷變化的靈活性。脫硫塔內(nèi)漿液pH值是氨法煙氣脫硫系統(tǒng)中最主要、也是相對(duì)較復(fù)雜的控制回路。

脫硫裝置運(yùn)行中，可能引起塔內(nèi)漿液pH值變化或波動(dòng)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(nèi)漿液pH值控制系統(tǒng)，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(duì)被控變量pH值造成的影響；而反饋控制器起反饋?zhàn)饔谩{液pH值與設(shè)定的pH值進(jìn)行比較，得到的差值信號(hào)與作為前饋信號(hào)的燒結(jié)煙氣與煙氣中SO2濃度的綜合信號(hào)相疊加，前饋與反饋共同作用產(chǎn)生一個(gè)調(diào)節(jié)信號(hào)，來控制氨水供給閥門的開度，使塔內(nèi)漿液pH值維持在設(shè)定值上。另外，由于增加了氨水流量中間信號(hào)，流量測(cè)量值要比pH值測(cè)量值更快、更直接。采用流量信號(hào)后，改善了對(duì)象的特性，使調(diào)節(jié)過程加快，且有超前控制的作用，并且有一定的自適應(yīng)能力從而有效地克服滯后，提高了控制質(zhì)量。

3.3 脫硫塔液位控制

脫硫塔液位應(yīng)保持在某一范圍內(nèi)，以維持塔內(nèi)足夠的持液量，保證脫硫效果。塔內(nèi)液位是由調(diào)節(jié)進(jìn)入的氨水量來控制的，由于漿液的蒸發(fā)和攜帶的原因，流出塔的煙氣所攜帶的水分要大于進(jìn)入塔內(nèi)的煙氣水分。因此，需要不斷地向塔內(nèi)補(bǔ)入氨水，在維持塔內(nèi)的液位的同時(shí)也起到了調(diào)節(jié)塔內(nèi)漿液濃度的作用。控制塔內(nèi)漿液濃度的主導(dǎo)手段是控制硫酸銨漿液的排放量。

由于塔內(nèi)漿液的損失量與煙氣量成正比，當(dāng)煙氣量增加時(shí)，蒸發(fā)與攜帶的量也增大，將使塔內(nèi)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(hào)調(diào)節(jié)進(jìn)入塔內(nèi)的量，其調(diào)節(jié)速度比較緩慢。因此，塔內(nèi)液位控制系統(tǒng)將煙氣量作為液位調(diào)節(jié)的提前補(bǔ)償信號(hào)，來補(bǔ)償煙氣量變化對(duì)液位的影響，以克服液位調(diào)節(jié)的較大慣性，加快調(diào)節(jié)速度。

圖4為塔內(nèi)液位控制回路原理�？刂葡到y(tǒng)的作用是啟動(dòng)氨水電動(dòng)閥門，接受開關(guān)量信號(hào)，在W=1時(shí)開啟閥門，進(jìn)行補(bǔ)償氨水。結(jié)束后關(guān)閉閥門，開關(guān)量是基于運(yùn)算回路形成的。

3.4 氨水供應(yīng)系統(tǒng)

氨水流量控制回路根據(jù)脫硫量的需要調(diào)節(jié)供給吸收塔的氨水流量，通過測(cè)量原煙氣流量和SO2含量而得到。由于氨水流量的調(diào)節(jié)影響著吸收塔反應(yīng)池中漿液的 pH值，為了使化學(xué)反應(yīng)更完全，應(yīng)該將pH值保持在某一設(shè)定值；當(dāng)pH值降低，所需的氨水流量應(yīng)按某一修正系數(shù)增加。將實(shí)際測(cè)量的pH值與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過pH值控制器產(chǎn)生一修正系數(shù)，對(duì)所需的氨水流量進(jìn)行修正。將經(jīng)pH值修正后的所需氨水流量與實(shí)際的氨水流量進(jìn)行比較，通過比例積分控制器控制氨水調(diào)節(jié)閥的開度。氨水輸送泵與氨水槽液位聯(lián)鎖，以保證輸送泵安全。氨水輸送泵共設(shè)2臺(tái)，1運(yùn)1備。

3.5 硫銨溶液排出系統(tǒng)

從脫硫塔出來的硫銨溶液的流量作為脫硫量的函數(shù)從脫硫塔底部溶液池中排出�？梢酝ㄟ^硫銨溶液流量閉環(huán)控制回路中氨水溶液的實(shí)際流量間接地確定應(yīng)排放的硫銨溶液的實(shí)際流量，該流量值經(jīng)脫硫塔出口溶液濃度的修正，即濃度高時(shí)延長(zhǎng)硫銨溶液排放時(shí)間，濃度低時(shí)縮短硫銨溶液排放時(shí)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(nèi)溶液混合物的濃度應(yīng)保持某一水平，使固體懸浮物保持在最佳水平，防止結(jié)垢并使晶體成片，以便能夠?qū)崿F(xiàn)最大脫水率。通過調(diào)節(jié)脫硫塔氨水閥開度來保持脫硫塔內(nèi)溶液的密度。為加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，加入燒結(jié)機(jī)負(fù)荷作為前饋信號(hào)，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(huán)中排出的硫銨溶液量。

3.6 增壓風(fēng)機(jī)壓力（流量）控制

增壓風(fēng)機(jī)壓力（流量）控制回路采用復(fù)合控制系統(tǒng)，以增壓風(fēng)機(jī)入口為被控量。為了跟蹤燒結(jié)機(jī)的負(fù)荷變化，采用燒結(jié)機(jī)負(fù)荷作為控制系統(tǒng)前饋信號(hào)，將壓力測(cè)量值與不同燒結(jié)機(jī)負(fù)荷下的設(shè)定值進(jìn)行比較，得到差值與燒結(jié)機(jī)負(fù)荷信號(hào)相疊加，前饋與反饋控制共同作用產(chǎn)生一個(gè)調(diào)節(jié)信號(hào)，來控制增壓風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使增壓風(fēng)機(jī)入口煙道壓力值維持在設(shè)定值上，以減少引風(fēng)機(jī)后至脫硫裝置進(jìn)口段煙氣的壓力偏移。增壓風(fēng)機(jī)壓力（流量）復(fù)合控制系統(tǒng)見圖5。

4 小結(jié)

在工程實(shí)際應(yīng)用過程中，依照DCS的特點(diǎn)采用典型的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)燒結(jié)煙氣脫硫工程中的控制，可以保證不出現(xiàn)誤操作事故，并增加了相當(dāng)部分的判據(jù)條件和 I/O測(cè)點(diǎn)，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是能較方便地對(duì)DCS進(jìn)行檢查，同時(shí)也增大了控制的可靠性。

參考文獻(xiàn):

[1] 汪波.氨法在燒結(jié)煙氣脫硫中的應(yīng)用[J].中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2008（5）.

[2] 辜勝阻，等. 發(fā)展我國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略對(duì)策[J].科技進(jìn)步與對(duì)策,2000,17 （1）：17-19.

[3] 胡昌華. 氨吸收法（NADS氨－肥法）煙氣脫硫技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].四川電力技術(shù)，2001（5）：1-3.

[4] 肖文德，吳志泉，等.二氧化硫脫除與回收[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2001，5：129-163.

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