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1、工程硕士学位论文 火电厂烟气脱硫控制系统的 研究与设计 学校代号： 10731 学 号： 132085201022 密 级：公开 兰州理工大学硕士学位论文 火电厂烟气脱硫控制系统的 研究与设计 The Research and Design on Desulphurization Control System in the Thermal Power Plants by CHU Peng B.E. (Lanzhou University of Technology) 2013 A thesis submitted in partial satisfaction of the Requireme
2、nts for the degree of Master of Engineering in Mechanical Engineering in the School of Mechanical and Electronical Engineering Lanzhou University of Technology Supervisor Professor Wu Mingliang April, 2016 工程硕士学位论文 目录 m w . I Abstract . II 麵胃弓丨 . IV 醜胃弓丨 . VI Ml胃雜 . 1 1.1课题研宄背景与意义 . 1 1.2脱硫控制系统研宄现状
3、. 2 1.2.1火电厂脱硫的种类 . 2 1.2.2控制技术在脱硫系统中的应用现状 . 3 1.2.3 DCS控制系统的国内外发展现状 . 5 1.3主要研宄内容 . 6 第 2章烟气脱硫系统总体设计 . 8 2.1石灰石 -石膏湿法脱硫工艺简述 . 8 2.1.1石灰石 -石膏脱硫原理 . 8 2.1.2石灰石 -石膏脱硫技术的优点 . 9 2.2石灰石 -石膏脱硫工艺流程 . 9 2.2.1石灰石制浆系统 . 10 2.2.2吸收塔系统 . 11 2.2.3石膏脱水系统 . 12 2.2.4工艺水系统 . 15 2.2.5其他系统 . 15 2.3本章小结 . 17 第 3章脱硫系统控制
4、策略的研究与设计 . 18 3.1脱硫系统的控制特点 . 18 3.2顺序控制 . 18 3.2.1制浆系统顺序控制 . 18 3.2.2吸收塔系统顺序控制 . 19 _ 火电厂烟气脱硫控制系统的研究与设计 _ 3.2.3除雾器系统顺序控制 . 20 3.2.4石膏脱水系统顺序控制 . 21 3.2.5吸收塔地坑系统顺序控制 . 22 3.3模拟量控制 . 23 3.3.1工艺水箱液位控制 . 23 3.3.2废水箱液位控制 . 23 3.4脱硫系统的 PID控制 . 24 3.4.1给料机频率的 PID控制 . 24 3.4.2真空皮带转速的 PID控制 . 24 3.4.3浆液 pH值的
5、PID控制 . 25 3.5本章小结 . 27 第 4章脱硫控制系统的硬件设计 . 28 4.1 HOLLIAS MACS V6.5.2 系统的介绍 . 28 4.2系统操作员站设计 . 30 4.3系统控制站设计 . 30 4.3.1控制站模块的选择 . 30 4.3.2控制总线结构选择 . 32 4.3.3控制站的结构设计 . 34 4.3.4系统地址的设定 . 36 4.4现场设备层设计 . 38 4.4.1差压变送器测量石灰石浆液的密度 . 38 4.4.2阻旋式料位开关检测石灰石粉仓料位 . 39 4.4.3超声波液位仪测量工艺水箱液位 . 39 4.5本章小结 . 40 第 5章脱
6、硫控制系统的软件设计 . 41 5.1 MACS V6.5.2 软件介绍 . 41 5.2系统组态 . 41 5.2.1操作员站组态 . 41 5.2.2控制站组态 . 43 5.2.3硬件组态 . 43 _ 工程硕士学位论文 _ 5.2.4控制算法组态 . 45 5.2.5监控界面设计 . 48 5.3本章小结 . 50 第 6章系统的调试与运行 . 51 6.1设备断电检查 . 51 6.2设备上电检查 . 51 6.3系统整机调试 . 53 6.4脱硫效果分析 . 53 6.5本章小结 . 54 总结与展望 . 55 #教南犬 . 57 & i射 . 60 III 工程硕士学位论文 摘要
7、 据不完全统计，目前我国是世界上二氧化硫排放量最多的国家，由此形成的 酸雨对环境造成了严重的污染，每年因其而导致的直接经济损失高达 100亿元以 上。同时二氧化硫遇到水蒸气形成的酸雾，大大的提高了呼吸道疾病的发生率和 死亡率，严重影响着人类的健康。其中火电厂排放的二氧化硫占到工业总排放量 的 60%，并且随着经济的高速发展和人们对于高水平生活的追求，到 2020年全 国火电装机容量会增加 1亿千瓦以上。因此，对火电厂排放的烟气进行脱硫处理 己经刻不容缓，进而研发先进、科学的火电厂烟气脱硫控制系统和合理的脱硫控 制策略也就有了重要的意义。 烟气脱硫系统具有工艺过程复杂、控制点数多和设备分布空间大
8、等特点，因 此在设计火电厂烟气脱硫 DCS控制系统时，以自动化技术为基础，结合使用计 算机技术和通信网络技术，以求实现预定的工艺要求和脱硫 效果。 通过分析烟气脱硫系统的工艺流程和工作原理，将系统划分为石灰石制浆系 统、吸收塔系统、石膏脱水系统和工艺水系统等子系统。同时对各子系统提出合 理的控制策略，用以保证系统能安全、可靠地运行，从而实现既定的控制功能。 系统的硬件结构按照现场设备层、过程控制层和生产管理层三个层级进行规 划设计。故系统的硬件设计包括了控制层的操作员站设计、控制站设计以及工业 现场智能仪表的选型等，以此实现现场设备的控制与状态检测，数据的采集和处 理，模拟量的闭环控制，设备的
9、顺序控制以及连锁保护等功能。最后根据设计结 果，完成 相应硬件设备的地址设定。 系统的软件设计主要完成硬件配置、操作员站和控制站组态，参数设置，通 讯组态，编程测试，故障诊断和控制算法组态等任务，并设计出功能完善、友好 的人机操作监控界面，实现了烟气脱硫系统的监控和智能化管理。 为了保证系统安全可靠的工作，依次完成设备断电检查、设备上电单机调试 和系统整机调试等工作。最后对脱硫效果进行分析，其分析结果表明控制系统运 行稳定可靠，脱硫效果良好。 关键词：火电厂； DCS;烟气脱硫；控制策略；组态 火电厂烟气脱硫控制系统的研宄与设计 Abstract According to incomplete
10、 statistics, China has the largest emissions of sulfur dioxide in the world at present, and the acid rain has contributed to the serious pollution in the environment. Then the economic losses of each year have reached as high as 10 billion yuan of above. At the same time, the acid mist, which is mad
11、e by sulfur dioxide and water vapor, has done harm to human health seriously with an increased morbidity and death rate of respiratory diseases. Around 60% of sulfur dioxide in industrial emissions comes from the coal-fired power plants, and with the high development of economy and peoples pursuit f
12、or the better life, the national thermal power installed capacity will increase by more than 100 million kilowatt until 2020. Therefore, measures must be taken to the desulfurization process of flue gas emissions from coal-fired power plants as soon as possible. And it plays an important role to dev
13、elop an advanced and scientific power plant desulphurization control system with reasonable control strategies. Flue gas desulfurization system has many characteristics, such as the complex control process, the big control points and the large diffusion space of equipments and so on. Thus the Distri
14、buted Control System which is used to control the whole work is based on automatic control technology with computer technology and communication network technology to realize the scheduled technological requirements and desulfurization result. After analyzing the principle of flue gas desulfurizatio
15、n and process flow, we can devide the whole system into the pulping system, absorber system, limestone gypsum dewatering system, process water system and so on. In the meanwhile, we should make accurate control strategies of each subsystem to guarantee the safe and reliable established function of t
16、he system. The hardware structure of the whole system consists of field equipment layer, process control layer and production management layer. Therefore, the design of the hardware should be devided into the operator station design, field control station design and selection of important smart mete
17、r to realize the purpose of the system that includes the control and detection of the equipment, acquisition and processing of data, analog closed-loop and sequence control, chain safeguard and so on. At last, the address settings of all the hardware are finished according to the design of hardware.
18、 工程硕士学位论文 The design of system software includes the procedures as follows. Firstly, we complete the configuration of hardware, operator station and control station, as well as parameter setting, distribution mode, programming, testing, fault diagnosis and the control algorithm of task. Then, in ord
19、er to realize the monitoring and intelligent management of flue gas desulfurization system, we design a friendly man-machine operation monitoring interface with perfect function. In order to guarantee the safe and reliable work of system, we complete the power equipment inspection, single machine co
20、mmissioning and whole machine commissioning in turn. At last, we analyze the result of desulfurization, which indicates that the operation of control system is stable and reliable, and the desulfurization effect is good. Key words: coal-fired power plants; DCS; flue gas desulfurization; the control
21、strategy; configuration HI 火电厂烟气脱硫控制系统的研宄与设计 插图索引 图 1.1现场控制总线技术 . 4 图 2.1脱硫系统流程简图 . 10 图 2.2制浆系统设备组成 . 10 图 2.3吸收塔结构图 . 11 图 2.4循环泵安装示意图 . 12 图 2.5气液分离器 . 13 图 2.6现场真空皮带脱水过程图 . 14 图 2.7废水旋流站 . 14 图 2.8废水处理系统组成设备图 . 16 图 3.1制浆系统控制流程图 . 19 图 3.2吸收塔系统启动流程图 . 19 图 3.3吸收塔系统停止流程图 . 20 图 3.4除雾器流程控制界面 . 21
22、图 3.5石膏脱水系统控制流程图 . 22 图 3.6吸收塔地坑控制流程图 . 22 图 3.7工艺水箱液位控制逻辑图 . 23 图 3.8废水箱液位控制逻辑图 . 23 图 3.9变频给料机 PID控制逻辑图 . 24 图 3.10真空皮带机 PID控制逻辑图 . 25 图 3.11串级 PID工作原理图 . 26 图 3.12 pH值的 PID控制逻辑图 . 26 图 4.1 MACS V6.5.2 组成构架 . 30 图 4.2K-AI01模块结构 . 31 图 4.3星型基本控制器单元 . 33 图 4.4控制总线星型连接方式 . 33 图 4.5操作员站和控制站分布结构 . 35 图
23、 4.6 10号控制站正面模块分布示意图 . 35 图 4.7控制站拨码开关 . 36 图 4.8 K-BUS02地址跳线装置 . 37 图 4.9模块地址跳线装置 . 38 图 4.10差压变送器 . 38 IV 工程硕士学位论文 图 4. 11超声波液位仪工作回波曲线图 . 40 图 5.1组态软件组态树 . 42 图 5.2操作员站设置界面 . 42 图 5.3 AutoThink软件界面 . 43 图 5.4 AutoThink软件设备库 . 44 图 5.5模块信息页面 . 44 图 5.6 AutoThink库管理器 . 45 图 5.7滤液水栗 A电机算法组态 . 46 图 5.
24、8 PID控制功能块 . 47 图 5.9吸收塔流程图运行画面 . 48 图 5.10工艺水系统流程图运行画面 . 49 图 5.11石膏一级脱水流程图运行画面 . 49 图 6.1 FGD检测结果示意图 . 53 火电厂烟气脱硫控制系统的研宄与设计 附表索引 表 3.1吸收塔系统故障类型统计表 . 20 表 4.1选择模块种类统计表 . 34 表 4.2模块数量统计表 . 34 表 4.3系统变量表 . 34 表 5.1 HSSCS6模块引脚功能说明表 . 46 VI 工程硕士学位论文 第 1 章绪论 1.1课题研究背景与意义 在科学技术和社会经济飞快发展的时代，环境污染问题己经成为了制约各
25、国 经济社会健康发展的主要影响因素。从世界能源使用比例分析可以看出，各国仍 然以石油和煤炭作为工业和生活中的主要能源来源，而且这一情况在未来数十年 内都几乎不会发生改变。对于我们国家来说，能源分布的整体规律是煤炭多，石 油和天然气少，这就从根本上决定了我国的能源消耗会以煤炭为主，据统计其所 占比例最高可达 75%。众所周知，固态煤中掺杂着一定量的硫元素，燃烧过程中 释放的硫氧化物会造成严重的空气污染。 根据环保部门的统计，每年我国的二氧化硫排放量排在世界第一位，由此引 起了环境的急剧恶化和大规模酸雨的沉降污染。目前我国是世界三大酸雨区之一， 其中有接近一半的国土已经遭受过酸雨（降水 pH5.6
26、)的侵袭，甚至在我国西 南的大部分地区降水 pH都处在 4.5以下，每年因此导致的直接经济损失高达上 百亿元人民币。另外酸雨还造成了土地无法耕种，湖泊生物大量死亡，形成死水 区，这些损失更是无法估算。除此之外，近几年世界上越来越多的地区出现了酸 雾的现象，酸雾会直接刺激人类的呼吸器官，大大的增加了呼吸道疾病的发生率 和死亡率，而造成这一现象的罪魁祸首也是 SCh1。 空气中的含硫物质有超过 70%是来自于燃煤工业燃烧释放的烟气，而在我国 消耗煤炭最多的工业是火电厂。同时，为了满足社会经济的发展和人民越 来越高 的生活水平，火电装机容量仍然会以一个高速的姿态增长。根据相关部门作出的 报告表明，在
27、未来的 5 10年内，每年我国火电装机容量都会保持大约 3000万千 瓦的增长量 2。因而燃煤所产生的二氧化硫也会不断地增加，如果不加以管理， 这必然会导致我国二氧化硫污染日趋严重，与我国制定的社会经济可持续健康发 展的国策背道而驰。 因此如何在保证工业和经济健康发展的前提下，减少工业二氧化硫的排放量， 成为了国家和企业必须面临的重要问题。国家先后多次出台相关法规，提升电厂 硫化物的释放基准。在 2014年 9月，国家能源 局、环境保护部和国家发改委联 合制定发布了为期到 2020年的最新相关规定，要求火电厂燃煤释放烟气标准如 下：烟尘、 SCh、 NOx 排放浓度不得高于 15mg/Nm3、
28、 35 mg/Nm3、 50 mg/Nm3 3。 因此对于热电厂来说，必须对释放的烟气进行相应的处理才能达到国家规定的可 排放烟气标准。 本文以研究和分析烟气脱硫系统中的被控对象为基础，结合使用计算机和智 火电厂烟气脱硫控制系统的研宄与设计 能控制技术，完成火电厂烟气脱硫智能化 DCS控制系统的设计。从而实现对整 个系统的监督和控制，保证系统能够经济、稳定、安全、高效的运行，最大限度 的减少排放烟气中硫氧化物的含量，提高系统的脱硫效率 4。 1.2脱硫抬制系统研究现状 1.2.1火电厂脱硫的种类 目前火电厂的脱硫技术可以被划分为三大类：煤炭燃烧前脱硫、燃烧中间 脱硫和煤炭燃烧后脱硫。煤炭燃烧前
29、脱硫，是指在煤炭使用之前采用特定的技术 手段，降低燃料固有的含硫量，目前主要的煤炭脱硫技术包括煤的气化和液化等。 然而根据生产实践的研宄表明气化和液化后燃煤的脱硫效果并不是很理想，同相 类似的燃料石油和天然气相比差距很大，同时燃烧前脱硫需要增加燃煤液化和气 化设备，其占用场地大，会产生相当高的建造费用，尤其是对于旧电厂的改造并 不合适 5。燃烧中脱硫的工作原理是向燃煤炉内投入白云石 （ CaC 3*MgC 3) 和石灰石 （ CaCCh)， 利用炉内高温自身锻造生产主要成分包括 CaO和 MgO的 脱硫剂，脱硫剂与燃煤过程产生的硫氧化物发生化学反应，生成含钙和镁元素的 硫酸盐，最后和煤灰一起由炉排送出，达到了脱硫的目的。从上述的工作原理可 以看出，燃烧中的脱硫发生在高温的情况下，尤其是吸收剂的锻造效果 直接决定 了系统最后的脱硫率，但是较高的反应温度，使得脱硫过程很难被监控，其脱硫 效果也就很难被准确的预测。从目前脱硫系统的使用情况来看，燃烧中间脱硫的 使用范围主要是集中在中小锅炉上煤炭燃烧后脱硫主要是指对燃料燃烧释放 的烟气进行脱硫处理。烟气脱硫 （ Flue Gas Desulfurization， 简称 FGD)是指使 用物理或者化学的方法