摘 要：本文介紹貝加萊APROL DCS系統(tǒng)在電廠煙氣脫硫自動化工程中的應(yīng)用。作者著重描述了岳陽電廠煙氣脫硫工藝的原理和APROL系統(tǒng)在脫硫綜合自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用。該系統(tǒng)從投運(yùn)至今運(yùn)行穩(wěn)定，不但創(chuàng)造了巨大的環(huán)境效益，同時也獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：貝加萊APROL 系統(tǒng);電廠;煙氣脫硫工藝;綜合自動化
Application of B&R’s APROL DCS in the Flue Gas Desulphurization
Automation Project of the Power Plant
WANG Zhi-kai
Abstract: The article deals with the application of B&R’s APROL DCS in the fume desulphurization automation project. The author focuses on the description of the principle of fume desulphurization technology in Yueyang Electric Power Plant and the application of APROL system in the desulphurization synthesized automation system. The system has run steady since it has been put into operation; it not only creates an enormous environment benefit but also obtains the significant economic benefit.
Keywords: B&R APROL System; Electric Power Plant; Fume Desulphurization Technology; Synthesized Automation
1 電廠煙氣脫硫的意義
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國因燃煤排放的二氧化硫急劇增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1990年全國煤炭消耗量10.52億噸，到1995年煤炭消耗量增至12.8億噸，二氧化硫排放量達(dá)2370萬噸，超過歐洲和美國，居世界首位。由于我國部分地區(qū)燃用高硫煤，燃煤設(shè)備未能采取脫硫措施，致使二氧化硫排放量不斷增加，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。據(jù)國家環(huán)境保護(hù)局對全國2177個環(huán)境監(jiān)測站13年（1981-1993年）監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，環(huán)境空氣中二氧化硫濃度超標(biāo)城市不斷增多，目前已有62.3%的城市二氧化硫年平均濃度超過國家二級標(biāo)準(zhǔn)，日平均濃度超過三級標(biāo)準(zhǔn)（二氧化硫年平均濃度二級標(biāo)準(zhǔn)值為0.06毫克/立方米，是人群在環(huán)境中長期暴露不受危害的基本要求;日平均濃度三級標(biāo)準(zhǔn)值為0.25毫克/立方米，是人群在環(huán)境中短期暴露不受急性健康損害的最低要求。環(huán)境空氣中二氧化硫的主要危害是引起人體呼吸系統(tǒng)疾病，造成人群死亡率增加）。為控制燃煤造成的SO2大量排放，遏制酸沉降污染惡化趨勢，防治城市空氣污染，國家出臺了《燃煤二氧化硫排放污染防治技術(shù)政策》。1991年10月29日國家環(huán)境保護(hù)局批準(zhǔn)《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，其中GB 13223——91 、GBJ4——73 、代替廢氣電站部分中規(guī)定了燃煤電廠的二氧化硫允許排放量及煙塵允許排放濃度，詳細(xì)介紹了不同燃煤電廠SO2排放量以及SO2最高允許排放濃度的計(jì)算方法，適用于全國除層燃和拋煤發(fā)電鍋爐以外的燃煤電廠。
我院于2005年與浙大網(wǎng)新公司合作，對湖南岳陽華能電廠二期2×300Mw #1、#2機(jī)組進(jìn)行了煙氣脫硫自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)試工作。
2 脫硫工藝的種類
煙氣脫硫技術(shù)分為兩大類，即濕法煙氣脫硫技術(shù)和干法煙氣脫硫技術(shù)。濕法煙氣脫硫在燃煤發(fā)電廠及中小型燃煤鍋爐上獲得廣泛的應(yīng)用，成為當(dāng)今世界上燃煤發(fā)電廠采用的脫硫主導(dǎo)工藝技術(shù)。這是由于濕法煙氣脫硫效率高、設(shè)備小、易控制、占地面積小以及適用于高中低硫煤等。目前，在國內(nèi)外燃煤發(fā)電廠中，濕法煙氣硫占總煙氣脫硫的85%左右，并有逐年增加的趨勢。在我國中小型燃煤鍋爐中，濕法煙氣脫硫占98%以上，接近100%。
石灰石法占濕法技術(shù)的36.7%。由于石灰石來源豐富，價(jià)格比石灰低得多，多年來形成了濕法石灰石——石膏煙氣脫硫技術(shù)，并在國內(nèi)外燃煤發(fā)電廠中獲得廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用量有逐年增加的趨勢。還有拋棄法即對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行拋棄處理。但石灰石/石灰-石膏拋棄法呈逐年下降的趨勢。這是由于石灰石/石灰——石膏法副產(chǎn)建筑材料石膏，對環(huán)境不造成二次污染所致。另外，還有回收法，強(qiáng)制使CaSO3氧化成CaSO4（石膏）并加以回收。其它濕法技術(shù)有雙堿法、氧化鎂法、氨法、維爾曼-洛德法等各占48.3%。而干法煙氣脫硫技術(shù)則無論脫硫劑是干態(tài)還是濕態(tài)，最終反應(yīng)產(chǎn)物都為干態(tài)。
3 岳陽電廠煙氣脫硫工藝原理
岳陽電廠脫硫工藝采用濕式石灰石—石膏的化學(xué)吸收法對排放煙氣進(jìn)行脫硫。濕法煙氣脫硫基本原理有物理吸收和化學(xué)吸收法兩種原理。物理吸收速率較低，在現(xiàn)代煙氣中很少單獨(dú)采用物理吸收法。若被吸收的氣體組分與吸收液的組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則稱為化學(xué)吸收。在化學(xué)吸收過程中，被吸收氣體與液體相組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有效的降低了溶液表面上被吸收氣體的分壓，增加了吸收過程的推動力，即提高了吸收效率又降低了被吸收氣體的氣相分壓。因此，化學(xué)吸收速率比物理吸收速率大得多。
該電廠煙氣脫硫系統(tǒng)（FGD）的#3、#4機(jī)組設(shè)計(jì)為每爐一座吸收塔和其它附屬設(shè)備。其基本原理是煙氣脫硫生成石膏后，被儲存在石膏堆場中。
石灰石-石膏濕法煙氣脫硫的基本化學(xué)反應(yīng)如下：
以#3機(jī)組為例，岳陽電廠脫硫工藝流程如圖1所示。
圖1 脫硫工藝流程圖
煙氣脫硫系統(tǒng)的工藝主要包含：煙氣系統(tǒng)、吸收系統(tǒng)、石灰石漿液制備及供給系統(tǒng)、石膏旋流系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、排空系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)等。由以下主要部件組成：吸收塔、氣氣換熱器、增壓風(fēng)機(jī)及其它設(shè)備和輔助系統(tǒng)、石灰石漿液制備和石膏脫水機(jī)等。
每套FGD系統(tǒng)處理電廠一臺鍋爐的煙氣。煙氣系統(tǒng)包括增壓風(fēng)機(jī)、GGH、原煙氣擋板、凈煙氣擋板、旁路擋板、擋板密封風(fēng)機(jī)。在擋板切換至FGD運(yùn)行后，煙氣通過增壓風(fēng)機(jī)和GGH進(jìn)入吸收塔，凈煙氣在吸收塔內(nèi)冷卻至飽和溫度，在GGH內(nèi)得到重新加熱以保證凈煙氣進(jìn)入煙囪前能達(dá)到所要求的溫度80℃。
吸收系主要用來洗脫SO2、SO3、HF、HCL和飛塵。新鮮的石灰石漿液不斷的加入吸收塔，副產(chǎn)品石膏漿液、石灰石漿液和水的混合漿液一直在吸收塔內(nèi)從循環(huán)池至噴淋層不斷地循環(huán)。混合漿液在噴嘴處霧化為非常細(xì)小直徑的小液滴，在小液滴滴落回循環(huán)池的過程中，去除了煙氣中的SO2、SO3、HF、HCL和飛塵等。
石灰石漿液制備及供給系統(tǒng)由石灰石卸料系統(tǒng)、濕磨系統(tǒng)、石灰石漿液緩沖系統(tǒng)組成，主要是將來自磨機(jī)系統(tǒng)的石灰石漿液稀釋成20%Wt的石灰石漿液，然后送往吸收塔。
石膏是洗滌工藝的產(chǎn)品，石膏漿液中含有（如氧化鎂、氯化鈣）石膏、石灰、CaF2和其它雜物顆粒，因此需要對石膏進(jìn)行凈化，將石膏從其它物質(zhì)中分離出來。石膏凈化分兩部進(jìn)行：分離和脫水，分離在石膏旋流系統(tǒng)中進(jìn)行，接著的第二步則在石膏（真空皮帶）脫水系統(tǒng)中進(jìn)行。
排空和廢水系統(tǒng)屬于輔助系統(tǒng)，保證脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定、合格的運(yùn)行。
4 APROL系統(tǒng)在脫硫綜合自動化項(xiàng)目中的應(yīng)用
華能岳陽電廠二期擴(kuò)建2×300MW機(jī)組煙氣脫硫工程與華能岳陽電廠二期擴(kuò)建工程于2005年同時動工，我們負(fù)責(zé)煙氣脫硫綜合自動化控制系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試。
該工程控制點(diǎn)數(shù)共3700多點(diǎn)，如表1所示：
表 1 華能岳陽電廠二期擴(kuò)建2×300MW機(jī)組煙氣脫硫監(jiān)控點(diǎn)
將脫硫系統(tǒng)的自動控制分為兩個區(qū)，即制漿區(qū)和脫硫區(qū)。制漿區(qū)負(fù)責(zé)自動控制脫硫漿液的制造和輸送;而脫硫區(qū)則又分別對SO2濃度回路、石灰石粉制漿濃度和脫硫塔煙氣溫度進(jìn)行控制。
根據(jù)脫硫系統(tǒng)特點(diǎn)，將整個系統(tǒng)劃分為三部分進(jìn)行監(jiān)控，#1脫硫系統(tǒng)、#2脫硫系統(tǒng)和公用系統(tǒng)。#1、#1脫硫系統(tǒng)分別對#1、#2脫硫的煙氣系統(tǒng)、吸收系統(tǒng)、石灰石漿液制備及供給系統(tǒng)、石膏旋流系統(tǒng)和石膏脫水等系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控;公用系統(tǒng)主要對工藝水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、石灰石漿液制備系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。
APROL R3.0是貝加萊公司研發(fā)的新一代創(chuàng)新型過程控制系統(tǒng)，采用NOVELL SUSE Linux9.3操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有完全的通用性，從終端到顯示層，都可由中央工程設(shè)計(jì)工具CAE Manager完成配置。整體配置完成后存儲到中央過程控制數(shù)據(jù)庫。可以從數(shù)據(jù)庫控制計(jì)算機(jī)和過程控制系統(tǒng)的控制器上下載項(xiàng)目內(nèi)容，從而確保了資源中所有的配置數(shù)據(jù)的一致性。使用集成的下載管理器將數(shù)據(jù)下載到操作站點(diǎn)，可選的冗余過程數(shù)據(jù)庫和控制器。硬件可使用貝加萊控制家族中的CP360/380/382。
整個系統(tǒng)操作層的操作總線為雙以太網(wǎng)，操作層設(shè)備包括4臺操作員工作站、1臺工程師工作站、3臺打印機(jī)、一個打印服務(wù)器，后臺軟件采用B&R公司的APROL過程處理軟件。數(shù)據(jù)高速公路由4個網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，兩兩級聯(lián)方式構(gòu)成雙網(wǎng)。現(xiàn)場層由控制處理器和過程輸入/輸出（I/O）兩部分構(gòu)成，控制處理器共9對，1#脫硫、2#脫硫和公用系統(tǒng)各3對，每對互為熱備用。控制處理器采用CP360,I/O單元采用IF260,通過EX350進(jìn)行遠(yuǎn)程擴(kuò)展。控制處理器和過程輸入/輸出（I/O）單元采用CAN_BUS總線通訊方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 脫硫系統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖
脫硫系統(tǒng)控制的主要目的是保證工藝系統(tǒng)的安全、正常運(yùn)行，提高機(jī)組的自動化水平，維持主要參數(shù)正常;主要輔機(jī)啟停時自動進(jìn)行相關(guān)連鎖操作;保證脫硫系統(tǒng)故障不引起主機(jī)跳閘。表2列出了各系統(tǒng)的主要控制點(diǎn)。
表2 各系統(tǒng)主要控制點(diǎn)
該工程經(jīng)過近10個月的調(diào)試時間，于2006年5月份按期保質(zhì)的完成了兩個機(jī)組脫硫系統(tǒng)的168驗(yàn)收，并且實(shí)現(xiàn)了華能系統(tǒng)第一個電廠主廠項(xiàng)目168驗(yàn)收與脫硫項(xiàng)目168驗(yàn)收同期完成的目標(biāo)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）、閉環(huán)控制回路（MCS）及順序控制功能組（SCS）等，系統(tǒng)正常運(yùn)行及啟停過程在運(yùn)行人員少量干預(yù)下均可自動完成。操作人員在集中控制室通過LCD及鍵盤和鼠標(biāo)對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制操作。該系統(tǒng)從投運(yùn)至今運(yùn)行穩(wěn)定。不但創(chuàng)造了巨大的環(huán)境效益，同時創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。由于脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，該電廠多次通過環(huán)保部門的驗(yàn)收，排放完全符合標(biāo)準(zhǔn)。B&R公司的DCS在脫硫綜合自動化控制等項(xiàng)目上具有廣闊的應(yīng)用前景。