火电厂烟气脱硫装置自动控制系统分析.docx

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火电厂烟气脱硫装置自动控制系统分析

重庆电力高等专科学校

毕业设计说明书

设计题目：

专业：

工业热工控制技术

班级：

热控0912班

学号：

200902040229

姓名：

张良

指导教师：

成福群

重庆电力高等专科学校动力工程系

二〇一二年六月

目录设计任务书0引言1我国二氧化硫排放及污染现状和治理1.11.21.31.42石灰石-石膏湿法脱硫技术原理简介2.12.22.32.42.52.62.72.83石灰石湿法烟气脱硫装置的运行参数检测3.1

3.2.............................................................................17

3.3..................................................................................18

3.4................................................................................................18

4石灰石湿法烟气脱硫装置的控制系统

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

4.75脱硫装置的顺序控制、保护与连锁5.15.26工程实例

6.16.26.36.47结论工作小结致谢参考文献附录一：

石灰石湿法烟气脱硫装置主要测点布置示意图附录二：

石灰石-湿法烟气脱硫工艺流程图毕业设计（论文）任务书

一、毕业设计（论文）任务的具体内容与要求

（一）设计任务

电力行业的迅速发展一方面促进了国民经济的发展；另一方面，大量燃煤电厂耗煤量已经占全国总量的40%左右，所带来的煤烟型大气污染对全国的生态环境也产生了严重的影响和损害。

火力发电厂排烟中的SO2的浓度虽然低，但总量极大。

火电厂的SO2排放量均居全国各行业的第一位，SO2排放量占全国排放量的40%～50%。

本课题的主要任务是对火电厂脱硫自动控制方案进行探讨，并结合实例进行分析。

（二）设计成品

1．设计说明书一份：

（1）毕业设计说明书要条理清楚、文字通顺、整齐美观、格式规范；

（2）设计说明书不少于15000字，并有必要的图表，设计图不少于5张；

（三）基本要求

1．能正确分析火电厂脱硫装置热力系统；

2．能正确分析火电厂脱硫装置的控制方案；

3．能正确分析火电厂脱硫装置自动控制系统。

二、推荐的主要参考文献

1．周根来孟祥新编著．电站锅炉脱硫装置及其控制技术[M]．中国电力出版社，2009

2．阎维平编著．电站燃煤锅炉石灰石湿法烟气脱硫装置运行与控制[M]．中国电力出版社，2005

3．西安电力高等专科学校、大唐韩城第二发电有限责任公司编．600MW火电机组培训教材---辅助系统分册[M]．中国电力出版社，2006

4．刘吉臻、白焰主编．电站过程自动化[M]．机械出版社，2007

指导教师（签字）成福群

签发日期2012年4月15日

毕业设计（论文）进程计划

起止日期

阶段性工作内容、任务

执行情况

第一阶段：

资料收集（第1周）

本阶段的主要任务是熟悉设计任务、收集相关资料。

并拟定设计方案、编制设计计划。

第二阶段：

系统设计（第2～6周）

本阶段的主要任务是根据拟定的设计方案，分析脱硫装置自动控制方案及实例。

第三阶段：

成果整理（第7周）

本阶段的主要任务是整理设计成果，撰写设计说明书。

第四阶段：

答辩（第8周）

本阶段的主要任务是答辩资料的准备及参加答辩。

火电厂烟气脱硫装置自动控制系统分析

摘要：

本论文主要阐述了我国烟气脱硫的现状及烟气脱硫的意义，比较了湿法、干法、半干法烟气脱硫的特点，介绍了石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术是脱硫效率最高且最目前最常用的方法，分析了湿法烟气脱硫的工艺流程及其控制系统。

简述了烟气脱硫装置的运行参数的监测，连锁保护。

并以华润电力登封有限公司一期工程2×300MW机组石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统的主要特点与设计参数，重点阐述了脱硫系统的工艺流程。

关键词：

石灰石-石膏湿法烟气脱硫；监测；烟气脱硫控制

TheAnalysisofAutomaticControlSystemsofFGDforThermalPowerPlant

Abstract:

thispapermainlyexpoundsthepresentsituationofourcountryfluegasdesulfurizationandthesignificanceoffluegasdesulfurization,andcomparedthewetanddryprocess,semi-drymethodcharacteristicsoffluegasdesulfurization,andintroducesthelimestone-gypsumwetfluegasdesulfurizationefficiencytechnologyisthehighestandmostatpresentthemostcommonlyusedmethod,thispaperanalyzesthewetfluegasdesulfurizationprocessflowanditscontrolsystem.Brieflyfluegasdesulfurizationoperationoftheplantparametersofmonitoring,chainprotection.AndwithChinaresourcespowerdengfeng.Aphase2x300MWunitlimestone-gypsumwetfluegasdesulfurizationsystemmaincharacteristicanddesignparameters,thispaperfocusesonthedesulphurizationsystemprocess.

Keywords:

limestone-gypsumwetfluegasdesulfurization;Monitoring;Fluegasdesulfurizationcontrol

引言

近年来，烟气脱硫装置的采用和技术的发展非常迅速。

大型电站燃煤锅炉烟气脱硫技术已经历了30多年的发展过程，已经投入应用的烟气脱硫技术有几十种。

在烟气脱硫技术数十年的发展和大量实际应用的基础上，通过对脱硫工艺反应过程的深人理解和工程实践，一些脱硫工艺由于技术和经济上的原因逐步被淘汰，一些先进的脱硫工艺随着技术的发展而不断改善脱硫率、运行可靠性和成本。

1．我国二氧化硫排放及污染现状和治理

1.1电厂脱硫技术介绍1.2湿法烟气脱硫工艺

1.3半干法烟气脱硫工艺

1.4干法脱硫工艺

2.1技术特点　　2.2工艺流程2.3烟气系统

2.4吸收系统

图3SO吸收系统

2.5浆液制备系统石灰石

2.6石膏脱水系统2.7排放系统2.8热工自控系统

脱硫脱硫脱硫

FGD系统的停运过程如图6

图6FGD系统的停运过程

3.石灰石湿法烟气脱硫装置的运行参数检测

脱硫装置运行控制的目的是提高脱硫效率，降低石灰石消耗，保证装置的安全与经济运行。

在石灰石湿法烟气脱硫装置的运行中，需要检测与控制的参数，除了温度与压力外，还包括浆液流量、液位、烟气成分（SO，CO，O2，NOx，CO2等）、烟尘浓度和浆液pH值、浆液浓度等物性参数。

3.1脱硫装置运行参数检测的特点

3.2主要参数的检测原理与仪表

（1）压力（压差）检测。

工业上常用的压力检测，根据敏感元件和转换原理，包括：

液柱式压力检测、弹性式压力检测、电气式压力检测、活塞式压力检测。

（2）流量检测。

脱硫装置中的物料均通过管道输送，用于管道流动的流量监测方法有：

体积流量检测、质量流量检测。

常用于脱硫装置运行参数检测的几种流量计：

电磁流量计、科里奥利式质量流量计。

（3）液位检测。

工业生产中测量液位的仪表很多，按工作原理主要有：

直读式液位仪表、静压式液位仪表、浮力式液位仪表、电气式液位仪表、核辐射式液位计。

（4）烟气成分检测。

每套脱硫装置一般进、出口烟道上各安装一套烟气成分连续检测排放系统，实时检测烟气中的SO2、CO、NOx烟尘等。

脱硫装置出口烟气分析仪兼有控制与环保监测的功能。

包括：

热导式气体成分检测、红外式烟气成分检测。

（5）浆液pH值检测。

吸收塔浆液的pH值是脱硫装置运行中最主要的检测与控制参数之一，是浆液内石灰石反应活性和钙硫摩尔比的综合反应。

加入吸收塔的新鲜石灰石浆液的量取决于锅炉负荷、烟气中SO2浓度及实际的吸收塔浆液的pH值。

根据系统管道的不同布置，pH值计可布置在吸收塔浆液再循环泵出口管道上，也可布置在吸收塔石膏浆液排出管道上。

（6）石灰石、石膏浆液浓度（密度）检测为了得到并控制送入脱硫塔石灰石浆液的浓度及浆液的质量流量，或得到并控制石膏浆液中固态物质的浓度及浆液排出量，需要实时检测石灰石、石膏浆液的浓度。

由于浆液中固态物质的含量最高可达30%左右，无法采用常规的检测方法，因此，工业上一般采用基于核辐射线原理的浓度计。

3.3主要检测参数的测点布置

典型石灰石湿法烟气脱硫装置主要工艺过程运行检测参数检测表计的布置位置（见附录一：

石灰石湿法烟气脱硫装置主要测点布置示意图），包括温度、压力、压差、液位、pH值、浓度（密度）、流量、烟气成分、石膏层厚度等，这些参数均实时显示在控制系统的计算机画面上，并用于运行参数控制。

为了检测送入脱硫塔中的石灰石浆液质量流量，通常需要布置体积流量计（如电磁流量计）和浓度计（如核射线式浓度计）；pH值是脱硫装置运行与控制的重要参数，通常需要采用冗余设计，布置两台pH值计，并采用清洗维护措施；检测浆液的压力或压差的取压装置必须安装隔离装置。

3.4工业电视监视系统

烟气脱硫装置一般均设必要的工业电视监视系统，对脱硫工艺有很好的辅助控制作用，主要的监测点有：

（1）真空皮带脱水机；

（2）石灰石或石灰石粉卸料；

（3）湿式球磨机；

（4）石膏卸料；

（5）烟囱出口等。

4.石灰石湿法烟气脱硫装置的控制系统

4.1概述

脱硫装置采用分散控制系统（DCS）实现全过程的自动调节与程序控制，按控制对象分解为以下各控制系统。

（1）吸收系统的控制。

包括吸收塔浆液pH值控制，吸收塔浆液液位控制，吸收塔排出石膏浆液流量控制等。

（2）烟风系统的控制。

包括增压风机烟气流量（压力）控制；旁路挡板压差控制；事故挡板控制等。

（3）石灰石浆液供给系统的控制。

包括石灰石浆液箱的液位控制与石灰石浆液浓度控制等。

（4）石膏脱水系统的控制。

包括真空皮带脱水机石膏层厚度控制与滤液水箱水位控制等。

（5）工艺水及冲水系统的控制。

包括除雾器冲洗控制，吸收塔浆液管道冲洗控制与工艺水箱液位控制等。

脱硫装置设有工艺水箱，工艺水经水泵增压后用于除雾器冲洗水，浆液容器、管道冲洗水及GGH的冲洗水等。

（6）废水处理装置的运行控制。

废水处理系统基本独立于整套脱硫装置，控制系统也相对独立。

4.2吸收塔浆液pH值控制

吸收塔内浆液pH值是由送入脱硫吸收塔的石灰石浆液的流量（由布置在浆液箱出口管道pH计检测）来进行调节与控制的，也常被称为石灰石浆液补充控制，其控制的目的是获得最高的石灰石利用率、保证预期的SO2脱除率及提高脱硫装置适应锅炉负荷变化的灵活性。

吸收塔内的石灰石浆液pH值在一定范围内时，pH值增大，减小输入的石灰石浆液流量，脱硫效率提高；pH值降低，需要增大输入的石灰石浆液流量，脱硫效率降低。

通常浆液pH值应维持在5.0～5.8范围内。

脱硫装置运行中，可能引起吸收塔浆液pH值变化或波动的主要因素为烟气量与烟气中SO2的浓度，还有石灰石浆液的浓度和供给量等。

（1）烟气量。

如果送入脱硫吸收塔的石灰石浆液的流量不变，烟气量的增加会使浆液的pH值减小，反之会使pH值增大。

烟气量变化是最主要的外界干扰因素。

（2）烟气中SO2。

的浓度。

即使烟气量维持不变，由于锅炉所燃煤的含S量发生变化，烟气中SO2的浓度也将随之波动。

但由于煤质变化幅度不会如负荷变化那么大，因此，烟气中SO2浓度的变化通常不会很大。

所以，输入吸收塔的新鲜石灰石浆液的量（由布置在浆液进口管道上的流量计检测）取决于锅炉的原烟气量、烟气SO2浓度（二者乘积运算结果为送入吸收塔的SO2质量流量）及实时检测的吸收塔浆液pH值，这些参数为检测参数；被控对象为吸收塔内石灰石浆液pH值，调节量为输入吸收塔的新鲜石灰石浆液流量。

复合控制系统有单回路加前馈和串级加前馈两种构成方式，在吸收塔浆液pH值控制系统设计中均有采用。

所示为吸收塔内浆液pH值单回路加前馈的复合控制系统，图8中前馈控制器起前馈控制作用，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控制作用，将浆液pH测量值与设定的pH值进行比较，得到的差值信号与作为前馈信号的锅炉烟气中SO2浓度的综合信号（为进入吸收塔的SO2质量流量）相叠加，前馈与反馈控制共同作用产生一个调节信号，来控制石灰石浆液供给阀门的开度，使吸收塔内浆液pH值维持在设定值上。

图8

图8吸收塔浆液pH值单回路加前馈的复合控制系统

是吸收塔浆液pH值单回路加前馈复合控制系统的方框图，是由一个反馈闭环回路和一个开环的补偿回路叠加而成。

图10所示为吸收塔内浆液pH值串级加前馈的复合控制系统，其主要区别在于增加了石灰石浆液流量测量仪表，流量测量值要比pH测量值更快、更直接。

为了防止依据pH测量值可能造成的过调，采用流量测量值构成一个副反馈回路，pH测量值仍构成主反馈回路。

在串级系统中，有两个调节器（主、副）分别接收来自被控对象不同位置的测量信号，主调节器接收浆液pH测量值，副调节器接收送入吸收塔的石灰石浆液流量测量值，主调节器的输出作为副调节器的设定值，副调节器的输出与前馈信号（进入吸收塔的SO2质量流量）相叠加，来控制石灰石浆液供给阀门的开度，使吸收塔内浆液pH值维持在设定值上。

串级回路由于引入了副回路，改善了对象的特性，使调节过程加快，具有超前控制的作用，并具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。

图9吸收塔浆液pH值单回路加前馈复合控制系统的方框图

图10吸收塔内浆液pH值串级加前馈的复合控制系统

图11是吸收塔浆液pH值串级加前馈复合控制系统的方框图，是由两个反闭环回路和一个开环的补偿回路叠加而成。

另外，该控制系统的设计中还应合理考虑浆液pH值测量仪表的纯滞后时间的影响。

由于pH值测量元件安装位置引起的测量纯滞后通常很显著，一般情况下，被调量浆液pH取样口设置在循环泵的出口管道或石膏浆液排出管道上，从取样口到吸收塔内的浆液有一段距离，取样口到测量电极之间的取样管也有一段较长长度，因此，吸收塔浆液pH值的分析测定需要较长的工作周期，从而造成纯滞后，这一滞后使测量信号不能及时反映吸收塔中浆液的pH值的变化。

pH值计电极所测得的pH值的时间延迟

可按下式估计，即

式中：

，

-分别为出口管道与取样管道中浆液的流速；

，

-分别为出口管道与取样管道的长度。

4.3吸收塔浆池液位控制

脱硫装置运行中控制吸收塔浆池的液位（由布置在吸收塔内的液位计检测），维持吸收塔内足够的持液量，保证脱硫的效果。

吸收塔浆池的液位是由调节工艺水进水量来控制的，由于浆液中水分蒸发和烟气携带水分的原因，流出吸收塔的烟气所携带的水分要高于进入吸收塔的烟气水分，因此，需要不断地向吸收塔内补充工艺水，以维持脱硫塔的水平衡。

在维持液位的同时也起到调节补水量调节吸收塔浆液浓度的作用，控制吸收塔浆液浓度的主要手段是控制石膏浆液的排放量。

吸收塔浆池液位控制系统的被调量为浆池液位；调节量为输入脱硫塔的工艺水流量（由布置在除雾器进口管道上的流量计检测），该补充水均是以除雾器冲洗水送入。

吸收塔浆池液位是通过控制除雾器冲洗间隔时间来实现的，采取间歇补水方式，吸收塔浆池液位控制系统为闭环断续控制系统。

吸收塔浆液池液位控制系统将烟气量（锅炉负荷）作为水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12为吸收塔浆液池液位闭环断续控制系统原理框图。

控制系统的作用是启动除雾器冲洗顺控，冲洗水阀门为电动门，接受开关量信号形，在w=1时开启补水门，进入除雾器冲洗顺控，结束后关闭补水门。

图12吸收塔浆液池液位闭环断续控制系统

运算回路首先将进入吸收塔的烟气量测量值进行运算变换得到A，然后A经乘法器与液位测量值h相乘，再经除法器除以液位设定值，得到一个经烟气量补偿的比较值B；液位设定值h0，经积分器输出积分值C，用比较器比较B与C的值，当B=C时，触发器输出w=1，启动除雾器冲洗顺控，同时将C清零，除雾器冲洗顺控结束后进入新一轮等待时间。

C的上升速率由积分器设定的积分时间常数T来控制。

该系统为单向补水调节，运行调整中需要根据吸收塔中水分实际消耗量调整除雾器阀门开启最长等待时间（即积分时间常数T），延长等待时间，可相应减少吸收塔的补充水量，避免液位上涨。

4.4吸收塔石膏浆液排出控制

脱硫吸收塔运行中，需要从浆池底部排放浓度（由布置在吸收塔底部的浓度计检测）较高的石膏浆液，以维持脱硫塔的质量平衡及合适的浆液浓度。

过高的浆液浓度将会造成浆液管道堵塞，过低的浓度会降低脱硫效率。

吸收塔石膏浆液为断续排放，因此，石膏浆液的脱水系统也是以间歇方式运行的，吸收塔石膏浆液排放的开关指令同时送给石膏浆液脱水控制系统。

目前，常采用两种石膏浆液排出流量控制方式，区别在于所依据的检测参数不同。

（1）依据石灰石浆液供给量（由布置在吸收塔浆液进口管道上的流量计检测）。

根据进入吸收塔的石灰石浆液量与流出吸收塔的石膏浆液量的质量平衡关系，由检测的石灰石浆液质量流量计算出应排出吸收塔的石膏浆液的质量流量，依据计算得到的二者之间的线性比例关系，通过开、关石膏排出泵与阀门来控制吸收塔石膏浆液排出。

（2）依据浆液浓度检测参数。

需要在浆液循环泵出口的管道上或者石膏浆排放泵出口管道上布置浆液浓度计，实时检测浆液的浓度值，根据检测值与设定值的差值来控制石膏浆液排出泵与阀门的开启与关闭。

还可以进一步采用进入吸收塔的石灰石浆液量作为前馈信号，构成单回路加前馈的控制系统。

4.5增压风机入口压力（流量）控制

为了克服脱硫装置所产生的额外压力损失，通常需要增设一台独立的增压风机（比如动叶可调轴流式风机）。

由于锅炉的负荷变化，流过脱硫装置的烟气量及其造成的压力损失也随之变化，因此，需要设置专门的控制回路来控制增压风机的叶片调节机构，以控制脱硫装置进口烟道的压力值（由布置在增压风机进口管道上的压力机检测）。

增压风机压力（流量）控制回路采用复合控制系统（图13）。

为了跟踪锅炉负荷的变化，采用锅炉负荷作为控制系统的前馈信号，采用增压风机入口烟道压力测量值作为反馈信号。

将压力测量值与不同锅炉负荷下的设定值进行比较，得到的差值信号与锅炉负荷信号相叠加，前馈与反馈控制共同作用产生一个调节信号，来控制增压风机的叶片调节机构，使增压风机入口烟道压力值维持在设定值

图13所示为增压风机压力（流量）复合控制回路4.6石灰石浆液箱的液位与浓度控制

石灰石浆液箱液位是依据检测的液位信号（由布置在浆液箱上的液位计检测），采用单回路闭环控制系统进行控制的。

石灰石浆液浓度的控制可通过保持石灰石给料量和工艺水（与过滤水）的流量的比率恒定来实现，以开环方式控制石灰石浆液的浓度；也有依据布置在石灰石浆液泵出口管道上的浓度计检测的浆液浓度，来实现闭环控制。

4.7真空皮带脱水机石膏层厚度控制

在石膏脱水运行中需要保持皮带脱水机上滤饼稳定的厚度，因此，根据厚度传感器检测的皮带脱水机上滤饼厚度，采用变频调速器来调整和控制皮带脱水机的运动速度。

如图14所示。

图14石膏饼厚度控制示意图

5脱硫装置的顺序控制、保护与连锁

5.1顺序控制

顺序控制是实现工艺过程所要求的一系列顺序动作的控制，顺序控制的功能是按照预定的顺序和条件自动完成相关控制对象的开关操作，是开关量控制组中一种主要的控制方式。

按时间始发的顺序控制的为时间定序顺序控制；按条件始发的顺序控制的为条件定序顺序控制。

顺序控制主要用于机组的启停和辅助系统的操作，以减轻运行人员的劳动强度和减少人为的误操作。

脱硫装置顺序控制的目的是满足脱硫装置的启动、停止及正常运行工况的控制要求，并实现脱硫装置在事故和异常工况下的控制操作，保证脱硫装置的安全。

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）实现吸收塔及辅机、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、密封系统的连锁控制。

（4）在发生局部设备故障跳闸时，连锁启停相关设备。

（5）实现脱硫厂用电系统的连锁控制。

脱硫工艺的顺序控制及连锁功能可纳入脱硫分散控制系统，也可采用可编程控制器实现。

脱硫装置顺序控制的典型项目包括：

（1）脱硫装置烟气系统的顺序控制。

具体为FGD的进口与出口烟气挡板、旁路进口与出口烟气挡板的开启与关闭操作。

为了确保脱硫装置和机组安全运行，通常配置旁路挡板的后备操作设备。

（2）除雾器系统的顺序控制。

具体为各层冲洗水的开启与关闭操作。

（3）吸收塔浆液循环泵的顺序控制。

具体为循环泵的电动门、排污门、冲洗水门及循环泵的开启与关闭操作。

（4）石灰石浆液泵的顺序控制。

具体为浆液泵的电动门、排污门、冲洗水门及浆液泵的开启与关闭操作。

（5）石膏浆液泵的顺序控制。

具体为浆液泵的电动门及泵的开启与关闭操作。

（6）工艺水泵的顺序控制。

具体为水泵的电动门、排污门、冲洗水门及循环泵的开启与关闭操作。

（7）排放系统的顺序控制操作。

（8）电气系统的顺序控制操作。

5.2保护与连锁保护是指当脱硫装置在启停或运行过程中发生危及设备和人身安全的工况时，为防止事故发生和避免事故扩大，监控设备自动采取的保护动作。

保护动作可分为三类动作形态：

（1）报警信号。

向操作人员提示机组运行中的异常情况。

（2）连锁动作。

必要时按既定程序自动启动设备或自动切除某些设备及系统，使机组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。

脱硫运行中的保护与报警的内容包括：

（1）工艺系统的主要热工参数、化工参数和电气参数偏离正常运行范围。

（2）热工保护动作及主要辅机设备故障。

（3）热工监控系统故障。

（4）热工电源、气源故障。

（5）辅助系统及主要电气设备故障。

在脱硫装置启停过程中应抑制虚假报警信号。

脱硫运行中保护与连锁的典型项目包括：

（1）FGD装置的保护。

FGD装置停运保护的工况包括两台浆液循环泵都故障停运、正常运行时FGD入口或出口挡板关闭、FGD系统失电、FGD入口烟温超过规定值、GGH发生故障等。

（2）烟气挡板的保护与连锁。

（3）密封风机的保护与连锁。

（4）除雾器系统的连锁。

（5）循环泵的保护与连锁。

（6）吸收塔搅拌器的保护与连锁。

（