烧结烟气氨法脱硫控制系统应用实例
摘要:介绍了某钢厂198平米烧结机氨法脱硫系统的工艺流程、DCS控制系统的硬件配置、主要模拟量控制、顺序控制及烟气监测系统，分析了控制系统配置的优缺点，提出系统改造的建议和方案。
关键词:脱硫装置,氨法脱硫,烧结烟气,控制系统
烧结工序是钢铁工业产生SO2的主要来源。烧结烟气量大、SO2浓度低，脱硫设备投资大且运行费用高，副产物复杂，处理难度大，国内可借鉴的治理示范工程少，这些问题都影响了烧结烟气脱硫的实施。而控制系统的设计是否合理，直接关系到脱硫系统能否长期安全稳定地运行。本文介绍了新华XCU-NET在烧结烟气氨法脱硫系统中的应用。
1 脱硫工艺原理
从烧结机出来的原烟气，经电除尘器除尘后，由脱硫塔底部进入。同时在脱硫塔顶部将氨水溶液喷入塔内与烟气中的SO2在脱硫塔中发生化学反应，吸收SO2的同时生成亚硫酸铵，并与空气进行氧化反应，生成硫酸铵溶液，经中间槽、过滤器、硫铵槽、加热器、蒸发结晶器、离心机脱水、干燥器即制得化学肥料硫酸铵，从而完成脱硫过程。烟气经脱硫塔的顶部出口排出，净化后的烟气由烟囱排入大气。
对于氨法脱硫工艺，二氧化硫与硫酸铵的产出比约为1∶2，即每脱除1吨SO2就产生2吨硫酸铵。在吸收塔里的硫酸铵不是以离子形式存在于溶液里，就是以固体结晶的形式存在于浆液里。系统里的主要成品—溶解或结晶的亚硫酸铵已完全被氧化成硫酸铵，因此在副产品中氮的含量很容易大于20.5%。
2 脱硫分散控制系统的组成及布置
氨法脱硫系统中的测点不是很多，但要控制的阀门和设备较多。总I/O点约200个，控制对象约80个。采用集中控制的方式，控制系统采用新华XCU-NET分散控制系统（DCS）完成整套脱硫设备及其辅助系统（包括电气设备）的监视与控制。
2.1 控制范围
采用分散控制系统实现对脱硫装置的烟气系统、 SO2吸收系统、氧化空气系统、氨水储蒸发、结晶系统等运行工况的监视和报警；对电动机、电动门、风门挡板以及电气供电回路的断路器的顺序控制；以及对一些工艺闭环的控制和联锁保护。
2.2 控制水平
以分散控制系统（DCS）的CRT和键盘作为烟气脱硫系统的主要监视和控制中心，并配少量光字牌和控制设备（布置在CRT台上），在集控室内完成烟气脱硫系统的启停及正常工况的监视和调整，异常工况的报警和紧急事故处理。
2.3 控制系统构成
脱硫DCS系统的控制柜安装在脱硫综合楼电子设备间内。在脱硫综合楼内设集中控制室，DCS的操作员站、打印机、电除尘控制上位机等合并布置于其中。脱硫装置控制系统（DCS）完成整套脱硫设备及其辅助系统（包括电气设备）的监视与控制。设置了一个操作员站和一个工程师站，工程师站也可作为操作员站，两站互为备用。每个操作员站配置2台CRT。FGD装置的分散控制系统按分层分级的原则设计。DCS系统将分成系统监控层和过程控制层，在过程控制层中将分为两级控制，即子功能组级和驱动级。在不同层次和级别之间，通过通讯连接起来。图1为网络系统构成。
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2.4 控制功能
D C S系统主要具备四个功能：数据采集和处理（DAS）；模拟量控制（MCS）；开关量顺序控制（SCS）和热工保护。
2.4.1 监视系统
脱硫装置的热工检测系统由分散控制系统DCS中的数据采集和处理系统（DAS）来完成。DAS系统的基本功能包括：数据采集、数据处理、屏幕显示、参数越限报警、事件序列、事故追忆、性能与效率计算和经济分析、打印制表、屏幕拷贝、历史数据存储等。
2.4.2 开关量顺序控制、联锁
辅机的联锁保护和启停控制以及一些主要阀门的开闭控制由DCS中的开关量顺序控制系统（SCS）来完成，实现功能组或子组级的控制，以减轻运行人员劳动强度，防止误操作。主要操作的对象有：脱硫塔循环泵、增压风机、氧化风机、密封风机、脱硫塔硫铵浆液排出泵、硫铵浆液输送泵、工艺水泵、氨水输送泵等。
（1）顺序控制
脱硫装置顺序控制的目的是满足装置的启动、停止及正常运行工况下的控制要求，并实现脱硫装置在事故和异常工况下的控制操作，保证装置的安全运行。
顺序控制的具体功能包括：1）实现脱硫装置主要工艺系统的自启停；2）实现脱硫塔及辅机、阀门、烟气挡板的顺序控制、控制操作及试验操作；3）实现辅机与其相关的冷却系统、润滑系统、密封系统的连续控制；4）在发生局部设备故障跳闸时，联锁启停相关设备；5）实现脱硫厂用电系统的联锁控制。
（2）保护与联锁
保护动作主要分四大类：1）报警信号：向操作人员提示装置运行中的异常情况；2）联锁保护：必要时按程序自动启动或自动切除某些设备及系统，使脱硫装置保持原负荷运行或减负荷运行；3）跳闸保护：当发生重大故障，危及设备或人身安全时，实施跳闸保护，停止整个装置（或某一部分设备）运行，避免事故扩大；4）热工保护：脱硫系统的热工保护由DCS独立的分散处理单元来完成。主要实现的保护功能：脱硫装置的保护动作条件包括脱硫装置进口温度异常、进口压力异常、出口压力异常、烧结机主燃料跳闸（MFT）、增压风机故障、换热器故障、循环浆泵投入数量不足、原烟气挡板或净烟气挡板未开等。当发生上述情况时，脱硫装置停运并自动打开烟气旁路挡板，通过关闭原烟气挡板和净烟气挡板来断开进入脱硫装置的烟气通道，使用烟气旁路，直达烟囱排放。
控制室设旁路挡板门手动按钮，在紧急状态时，可强制开关旁路挡板门，保证锅炉安全运行。脱硫装置的DCS系统与烧结机的DCS控制系统之间的接口采用硬接线方式。主要信号：烧结机侧风量信号；烧结机状态（MFT、火焰、吹扫等信号）；燃烧器运行（或停止）信号；烟道压力信号；电除尘电场投入状况信号等。脱硫侧：增压风机运行（或停止）信号；旁路挡板状态信号；脱硫装置运行（或停止）信号等。在烟气量减少的情况下，根据吸收塔硫铵浆液的pH值及浆液浓度，减少氨水的供应量。
2.5 仪表测量
2.5.1 主要检测仪表
为了防止原烟气中SO2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，且保证原烟气温度要小于180℃，在脱硫装置原烟道和净烟道上均装有烟气温度测量元件，而且采用三取二测量方式。
脱硫装置主要检测仪表有：出入口烟气压力、旁路挡板差压、原烟气SO2浓度、原烟气O2浓度、净烟气 SO2浓度、净烟气O2浓度、净烟气NOX浓度、净烟气烟尘浓度、增压风机出入口压力、氨水箱液位、硫酸铵浆液密度、氨水流量、吸收塔液位、硫铵浆液pH值、塔底pH值、中间箱pH值、浊度仪等。
2.5.2 烟气分析测量
烟气分析测量采用美国KVB公司的多组分气体分析仪，将测量信号送入DCS并在脱硫控制室中进行监测和控制。分析设备能自动完成机械控制、数据采集、初级计算、样品稀释、探头清洗切换的自动控制和校准。
2.5.3 仪表设置原则
为保证测量可靠，重要保护用的过程状态信号和自动调节的模拟量信号等采用三重或双重测量方式。如吸收塔液位、脱硫装置进出口压力采用三取二测量方式，硫铵浆pH值、氨水箱液位、中间槽液位、工艺水箱液位等采用双重测量方式。
2.6 可靠性措施
2.6.1 冗余
控制器冗余配置；数据高速公路冗余；D C S的 I/O机柜供电电源冗余（一路来自脱硫岛UPS电源，另一路来自脱硫岛保安电源）；机柜内供电双重化；关键的模拟量参数冗余设置（吸收塔液位和浆液pH值测量）；DCS设置2台操作员站，每个操作员站以两个结点与数据公路相连，同时2台操作员站互为备用。如图2所示。
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采用微处理器技术的控制系统，均具有自诊断功能，在内部故障还没有干扰生产过程之前，即能在系统本身范围内探测到故障并实行防止故障扩大的措施，同时也能进行报警和记录。
脱硫DCS与机组的DCS之间关键信号的交换采用硬接线的方式。
2.6.2 DCS的可靠性指标
系统可用率≥ 9 9 . 9 % ； 系统精度： 输入信号 ±0.1%（高电平），±0.2%（低电平），输出信号 ±0.25%；抗干扰能力：共模电压≥250V，共模抑制比 ≥90dB，差模电压≥60V，差模抑制比≥60dB。
2.6.3 DCS系统裕量
最繁忙时，控制器CPU的负荷不大于60%，操作员站负荷率不大于40%；内部存储器占用容量不大于50%，外部存储器占有容量不大于40%；每种I/O点裕量不少于15%；I/O模件槽裕量不少于15%；电源负荷裕量不少于30%；通讯总线的负荷率不大于30%（令牌网）， 20%（以太网）。
3 主要控制回路
3.1 脱硫塔系统
脱硫塔系统包括SGC（Subgroup Circuit）脱硫塔硫铵浆液循环、SGC除雾器冲洗、SGC脱硫塔排水坑、 SGC氧化空气及搅拌器装置、SGC事故浆液槽、DCM吸收塔滤液补水阀。
脱硫塔浆液循环泵连续运行，加入吸收塔的氨水量根据烟气流量、SO2含量、SO2脱除率和脱硫塔浆液的pH值进行控制；脱硫塔的液位通过脱硫塔排出泵来控制，硫铵排出泵连续运行，到中间槽浆液及返塔浆液通过关断阀连锁（保持1开1关），均以间断方式运行；通过吸收塔滤液补水调节阀控制吸收塔浆液密度。
3.2 脱硫塔内浆液pH值控制
脱硫塔内浆液pH值是由送入塔内的氨水流量进行控制的，其控制的目的是为了获得最高的氨水利用率、保证预期的脱硫效果及提高脱硫装置适应烧结机负荷变化的灵活性。脱硫塔内浆液pH值是氨法烟气脱硫系统中最主要、也是相对较复杂的控制回路。
脱硫装置运行中，可能引起塔内浆液pH值变化或波动的主要因素为烟气量与烟气中SO2浓度，还有氨水的浓度及供给量等。
图3为塔内浆液pH值控制系统，前馈控制器用来克服由于烟气量与烟气中SO2浓度的变化对被控变量pH值造成的影响；而反馈控制器起反馈作用。将浆液pH值与设定的pH值进行比较，得到的差值信号与作为前馈信号的烧结烟气与烟气中SO2浓度的综合信号相叠加，前馈与反馈共同作用产生一个调节信号，来控制氨水供给阀门的开度，使塔内浆液pH值维持在设定值上。另外，由于增加了氨水流量中间信号，流量测量值要比pH值测量值更快、更直接。采用流量信号后，改善了对象的特性，使调节过程加快，且有超前控制的作用，并且有一定的自适应能力从而有效地克服滞后，提高了控制质量。
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3.3 脱硫塔液位控制
脱硫塔液位应保持在某一范围内，以维持塔内足够的持液量，保证脱硫效果。塔内液位是由调节进入的氨水量来控制的，由于浆液的蒸发和携带的原因，流出塔的烟气所携带的水分要大于进入塔内的烟气水分。因此，需要不断地向塔内补入氨水，在维持塔内的液位的同时也起到了调节塔内浆液浓度的作用。控制塔内浆液浓度的主导手段是控制硫酸铵浆液的排放量。
由于塔内浆液的损失量与烟气量成正比，当烟气量增加时，蒸发与携带的量也增大，将使塔内液位下降速率加快；而且，塔的横截面很大，单靠液位偏差信号调节进入塔内的量，其调节速度比较缓慢。因此，塔内液位控制系统将烟气量作为液位调节的提前补偿信号，来补偿烟气量变化对液位的影响，以克服液位调节的较大惯性，加快调节速度。
图4为塔内液位控制回路原理。控制系统的作用是启动氨水电动阀门，接受开关量信号，在W=1时开启阀门，进行补偿氨水。结束后关闭阀门，开关量是基于运算回路形成的。
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3.4 氨水供应系统
氨水流量控制回路根据脱硫量的需要调节供给吸收塔的氨水流量，通过测量原烟气流量和SO2含量而得到。由于氨水流量的调节影响着吸收塔反应池中浆液的 pH值，为了使化学反应更完全，应该将pH值保持在某一设定值；当pH值降低，所需的氨水流量应按某一修正系数增加。将实际测量的pH值与设定值进行比较，通过pH值控制器产生一修正系数，对所需的氨水流量进行修正。将经pH值修正后的所需氨水流量与实际的氨水流量进行比较，通过比例积分控制器控制氨水调节阀的开度。氨水输送泵与氨水槽液位联锁，以保证输送泵安全。氨水输送泵共设2台，1运1备。
3.5 硫铵溶液排出系统
从脱硫塔出来的硫铵溶液的流量作为脱硫量的函数从脱硫塔底部溶液池中排出。可以通过硫铵溶液流量闭环控制回路中氨水溶液的实际流量间接地确定应排放的硫铵溶液的实际流量，该流量值经脱硫塔出口溶液浓度的修正，即浓度高时延长硫铵溶液排放时间，浓度低时缩短硫铵溶液排放时间。溶液通过排放泵排到硫铵溶液中间槽。
脱硫塔底部溶液槽内溶液混合物的浓度应保持某一水平，使固体悬浮物保持在最佳水平，防止结垢并使晶体成片，以便能够实现最大脱水率。通过调节脱硫塔氨水阀开度来保持脱硫塔内溶液的密度。为加快系统响应速度，加入烧结机负荷作为前馈信号，并通过烟气中 SO2成分和脱硫塔溶液的密度来控制从脱硫塔循环中排出的硫铵溶液量。
3.6 增压风机压力（流量）控制
增压风机压力（流量）控制回路采用复合控制系统，以增压风机入口为被控量。为了跟踪烧结机的负荷变化，采用烧结机负荷作为控制系统前馈信号，将压力测量值与不同烧结机负荷下的设定值进行比较，得到差值与烧结机负荷信号相叠加，前馈与反馈控制共同作用产生一个调节信号，来控制增压风机的调节机构，使增压风机入口烟道压力值维持在设定值上，以减少引风机后至脱硫装置进口段烟气的压力偏移。增压风机压力（流量）复合控制系统见图5。
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4 小结
在工程实际应用过程中，依照DCS的特点采用典型的方法来实现对烧结烟气脱硫工程中的控制，可以保证不出现误操作事故，并增加了相当部分的判据条件和 I/O测点，这种方式的优点是能较方便地对DCS进行检查，同时也增大了控制的可靠性。
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