火力發(fā)電廠煙氣脫硫裝置自動控制系統(tǒng)方案

1、全國電力行業(yè)脫硫脫硝技術(shù)協(xié)作網(wǎng)暨技術(shù)研討會論文集火力發(fā)電廠煙氣脫硫裝置自動控制系統(tǒng)方案北京能源投資（集團(tuán)）有限公司 王永亮摘要：本文通過火電廠FGD裝置自動控制系統(tǒng)采用獨立式DCS或FGD-DCS和單元機(jī)組DCS系統(tǒng)一體化方式進(jìn)行了比較分析，指出FGD-DCS與單元機(jī)組DCS一體化方式對于確保機(jī)組監(jiān)控的整體性、連續(xù)性、可靠性和降低工程造價等方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢。對于國內(nèi)新建和改造火電機(jī)組的煙氣脫硫裝置，通過設(shè)計和施工方案的優(yōu)化，F(xiàn)GD-DCS和單元機(jī)組DCS實現(xiàn)一體化是可能的，并且具有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義。1、前言上個世紀(jì)九十年代末以來，隨著環(huán)境問題的凸顯和環(huán)保意識的加強(qiáng)，解決日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題和

2、應(yīng)用清潔能源技術(shù)成為能源工業(yè)面臨的主要課題之一。正是在這樣的背景下，以石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝為主的煙氣脫硫技術(shù)在國內(nèi)火力發(fā)電廠開始逐步應(yīng)用起來。與此同時，由于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的發(fā)展，以“2000年示范電站”為契機(jī)，以廠級自動化系統(tǒng)（SIS+MIS）的出現(xiàn)為標(biāo)志，一場新的火力發(fā)電廠自動化領(lǐng)域中的技術(shù)變革已經(jīng)醞釀成熟。毫無疑問，火力發(fā)電廠正在邁進(jìn)信息網(wǎng)絡(luò)時代。全國電力行業(yè)脫硫脫硝技術(shù)協(xié)作網(wǎng)暨技術(shù)研討會論文集這場變革使火力發(fā)電廠自動控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出如下特點：單元機(jī)組自動控制系統(tǒng)全面計算機(jī)化、硬件智能化、分散化以及控制室小型化；輔助車間計算機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生，可實現(xiàn)若干輔助車間遠(yuǎn)方集中監(jiān)控。這場變

3、革不僅大大提升了火力發(fā)電廠的生產(chǎn)運行水平，而且深刻觸及到了電廠的生產(chǎn)管理體制和管理模式，火力發(fā)電廠全面集中監(jiān)控正在進(jìn)一步變成現(xiàn)實的需求。在這種大的背景下，煙氣脫硫裝置的自動控制系統(tǒng)也不可能成為一座孤島。但是，其在全廠自動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)中所處的位置及其自身的配置確實值得探討。2、國內(nèi)煙氣脫硫裝置控制系統(tǒng)現(xiàn)狀2.1基本配置目前，國內(nèi)市場上應(yīng)用的基本為石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)，雖然它們在SO2的脫除工藝上有所差別，但控制方式和控制系統(tǒng)的規(guī)模大體相同。脫硫裝置的控制系統(tǒng)依據(jù)其I/O點數(shù)（相當(dāng)于一臺200MW機(jī)組）和工藝系統(tǒng)規(guī)模，國內(nèi)用戶基本要求采用DCS實現(xiàn)。并且由于其工藝系統(tǒng)在火力發(fā)電廠內(nèi)相對

4、獨立、相對復(fù)雜，因此，煙氣脫硫裝置的DCS系統(tǒng)（FGD-DCS）由脫硫裝置的總承包商配置和供貨。由于煙氣脫硫裝置間存在著大量的公用設(shè)備，如：石灰石漿液制備系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、工藝水/工業(yè)水系統(tǒng)和脫硫工業(yè)廢水處理系統(tǒng)等，所以一般均為兩臺（或幾臺）煙氣脫硫裝置配置一套DCS，并且一般都留有與MIS/SIS的通訊接口。全國電力行業(yè)脫硫脫硝技術(shù)協(xié)作網(wǎng)暨技術(shù)研討會論文集但是，也有用戶仿照單元機(jī)組的模式，要求兩臺機(jī)組的煙氣脫硫裝置配置三套DCS（每臺機(jī)組煙氣脫硫裝置各一套，煙氣脫硫裝置公用部分一套），從技術(shù)角度講，這既不可取也沒有必要，因為，不論從運行還是從廠用電配置方面來說，煙氣脫硫裝置都是被當(dāng)作兩臺機(jī)

5、組的公用輔助設(shè)施來對待的。對于新建項目，用戶幾乎都要求FGD-DCS與單元機(jī)組DCS的硬件一致或盡量一致，但兩者之間的信息交換大多僅要求硬接線連接，并未要求實現(xiàn)兩者之間實現(xiàn)硬件和軟件的一體化。關(guān)于煙氣脫硫控制室和FGD-DCS設(shè)備的布置，目前不論是改造機(jī)組還是新建項目一般均設(shè)有單獨的煙氣脫硫裝置電氣綜合樓，煙氣脫硫控制室和FGD-DCS設(shè)備均布置于此，或者煙氣脫硫裝置電氣綜合樓與除塵除渣控制樓合用。FGD-DCS的配置及FGD-DCS與單元機(jī)組DCS、電廠MIS/SIS的關(guān)系見圖一。就兩臺單元機(jī)組的石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置而言，因為其脫除工藝和輔助設(shè)備的配置不同，以及用戶的不同要求，例如：

6、采用電動還是氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、進(jìn)入FGD-DCS的被控對象I/O點數(shù)、脫硫廢水處理系統(tǒng)是否納入FGD-DCS控制等等，所以其I/O點數(shù)量一般在2500-4000點之間不等。其基本配置如下：操作員站24臺；工程師站/歷史站1臺；激光打印機(jī)（A3）2-3臺；彩色拷貝機(jī)（A3）1臺；FGD-DCS通訊網(wǎng)絡(luò)及接口；FGD-DCS 3全國電力行業(yè)脫硫脫硝技術(shù)協(xié)作網(wǎng)暨技術(shù)研討會論文集過程控制器；FGD-DCS過程控制柜和I/O模件柜；與其它系統(tǒng)的通訊接口等。2.2控制方式從全廠運行的角度，以及上述煙氣脫硫裝置控制系統(tǒng)的配置和控制樓的設(shè)置可以看出，目前火力發(fā)電廠煙氣脫硫裝置的運行模式和控制方式是作為單元機(jī)組的一

7、個輔助車間來考慮的。然而，由于環(huán)境保護(hù)的需求，脫硫裝置是否正常運行必將成為單元機(jī)組能否投入正常運行的一個直接條件，更重要的是：煙氣脫硫裝置作為鍋爐出口后煙道的一部分與鍋爐的運行有著密切的關(guān)系，煙氣脫硫裝置的切投、煙氣壓力和溫度的波動直接影響到鍋爐的運行。因此，也可將脫硫裝置視為單元機(jī)組的一部分來進(jìn)行控制。對于輔助車間的監(jiān)控，目前國內(nèi)新建電廠一般趨向于采用在全廠形成煤、灰、水3個集中的控制網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置3個監(jiān)控點的做法；然而國外也有采用設(shè)置一個輔助車間集中控制室，通過通訊網(wǎng)絡(luò)對所有輔助車間進(jìn)行監(jiān)控的業(yè)績，并且國內(nèi)有的電廠也已經(jīng)在實施同樣的方案。因此，對于煙氣脫硫裝置的監(jiān)控可以有三種方式：1) 設(shè)置單

8、獨的脫硫裝置控制室（包括與其它輔助車間控制室合用）；2) 納入輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，在輔助車間集中控制室內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控；3) 與單元機(jī)組DCS實現(xiàn)通訊或一體化，在單元機(jī)組集中控制室 4全國電力行業(yè)脫硫脫硝技術(shù)協(xié)作網(wǎng)暨技術(shù)研討會論文集內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控。目前，由于國內(nèi)煙氣脫硫裝置在電力行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用還處于剛剛起步的階段，因此其監(jiān)控基本采用第一種方式。但是，正如本文前言中所提到的火力發(fā)電廠自動化領(lǐng)域的新變革，使得電廠全面集中監(jiān)控已成為一項和現(xiàn)實的需求和最終的目標(biāo)，因此筆者深信煙氣脫硫裝置的自動控制系統(tǒng)最終也不可能作為孤島單獨存在。上述第二種和第三種控制方式和運行模式是其可能的發(fā)展方向。然而，第二種方式較之于

9、第三種方式?jīng)]有考慮到煙氣脫硫裝置與鍋爐運行的密切關(guān)系，并且，脫硫裝置的系統(tǒng)遠(yuǎn)比其它輔助車間工藝系統(tǒng)復(fù)雜得多。因此，從便于電廠運行管理的角度考慮，第三種方式更具合理性和現(xiàn)實意義。2.3 FGD-DCS和單元機(jī)組DCS一體化的可能性和現(xiàn)實意義前面已經(jīng)談到，新建項目的用戶幾乎都要求FGD-DCS與單元機(jī)組DCS的硬件一致或盡量一致。目前，有的電廠已經(jīng)明確要求在脫硫裝置電控樓內(nèi)不設(shè)脫硫就地控制室，F(xiàn)GD-DCS的操作員站和打印機(jī)直接布置在單元機(jī)組的控制室內(nèi)。天津大港發(fā)電廠一期燃油鍋爐技術(shù)技改工程（2328.5MW）的脫硫系統(tǒng)已經(jīng)采用了這種監(jiān)控方式，目前兩臺機(jī)組的脫硫系統(tǒng)均已通過168試運行，情況良好。

10、項目實例天津大港發(fā)電廠一期燃油鍋爐技術(shù)技改工程（2328.5MW），將原有的燃油鍋爐拆除，新建兩臺1050t/h燃煤鍋爐，同期建設(shè)兩臺機(jī)組的脫硫系統(tǒng)，采用一爐一塔形式的石灰石石膏濕法煙氣脫硫技 5全國電力行業(yè)脫硫脫硝技術(shù)協(xié)作網(wǎng)暨技術(shù)研討會論文集術(shù)。FGD的監(jiān)控采用前文提到的第三種方式，即采用了FGD-DCS與單元機(jī)組DCS一體化方式，在單元機(jī)組集中控制室內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控。單元機(jī)組DCS和FGD-DCS統(tǒng)一采用ABB公司的Symphony系統(tǒng)，在脫硫電氣綜合樓設(shè)置脫硫電子間，布置脫硫系統(tǒng)DCS機(jī)柜。在單元控制室和脫硫DCS電子間環(huán)繞設(shè)置通訊環(huán)路電纜，單元機(jī)組DCS和FGD-DCS系統(tǒng)的各個PCU（過程

11、控制單元）同樣是環(huán)路上的若干結(jié)點，具有相同的通訊等級和控制可靠性。軟件的訪問和組態(tài)可在單元控制室完成。通過工程實施和投產(chǎn)運行的驗證，可以看出該工程采用FGD-DCS與單元機(jī)組DCS一體化方式具有一定的優(yōu)勢： 充分利用了DCS系統(tǒng)的通訊優(yōu)勢，并充分考慮了通訊可靠性 該工程中采用的Symphony DCS系統(tǒng)采用環(huán)路通訊方式，網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)為環(huán)形，各個PCU同時掛在環(huán)路上進(jìn)行信息交換，該環(huán)路最大支持的距離為1500m。工程中將環(huán)路光纜從單元機(jī)組電子間延伸至脫硫電氣綜合樓電子間后再反向敷設(shè)至單元機(jī)組電子間形成環(huán)路，光纜長度為256m（遠(yuǎn)小于1500m），數(shù)據(jù)的交換和傳遞僅通過兩根光纜，從而避免了將大量

12、控制電纜敷設(shè)到單元機(jī)組電子間。同時，考慮到環(huán)路電纜的可靠性，對兩根冗余設(shè)置的環(huán)路通訊電纜布置了不同的走向和路徑，并在主電纜通道上單獨設(shè)置了封閉式電纜橋架進(jìn)行保護(hù)。 脫硫電氣綜合樓距單元電氣綜合樓較近，為采用一體化方案提供了客觀條件全國電力行業(yè)脫硫脫硝技術(shù)協(xié)作網(wǎng)暨技術(shù)研討會論文集該工程為技改項目，是在原有廠區(qū)內(nèi)進(jìn)行改造，布置較為緊湊，脫硫電氣綜合樓布置在爐后煙囪前的位置，距離單元控制室控制室直線距離約20米，電纜敷設(shè)條件較好，電纜橋架的布置簡單?？陀^上為實現(xiàn)脫硫DCS和機(jī)組DCS一體化提供了條件。而新建機(jī)組的脫硫電氣綜合樓一般布置在煙囪后，距離單元機(jī)組控制室較遠(yuǎn)，電纜敷設(shè)的條件較為復(fù)雜。 采用一

13、體化方案在一定程度上降低了工程造價經(jīng)過方案優(yōu)化，該工程采用FGD-DCS和單元機(jī)組DCS一體化方案，不設(shè)置單獨的脫硫控制室，同樣運行人員值班室、休息室等也未設(shè)置，減少脫硫電氣綜合樓建筑面積約150m2，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)、暖通、配電等工程量也有較大的減少，此部分降低工程造價計28.5萬元。工程師站、歷史站、打印機(jī)等設(shè)備與單元機(jī)組DCS系統(tǒng)共用，不單獨配置，節(jié)約設(shè)備費18.4萬元。操作員站與單元機(jī)組共用，僅在單元主控增加2臺（兩臺機(jī)組），而單獨設(shè)置脫硫控制室一般需要配置操作員站4臺，節(jié)約設(shè)備費28.32萬元。采用一體化的DCS系統(tǒng)后，DCS系統(tǒng)和MIS/SIS的通訊接口數(shù)量由5個減為3個，節(jié)約設(shè)備費30

14、.46萬元。通過工程設(shè)計優(yōu)化，將脫硫系統(tǒng)的DCS機(jī)柜布置在脫硫電氣綜合樓中，采用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)方式，將環(huán)路通訊電纜以冗余的方式環(huán)繞敷設(shè)至脫硫電子間實現(xiàn)通訊一體化。相比把脫硫DCS機(jī)柜布置在單元控制室的過度集中方式節(jié)約控制電纜大約102KM,僅此一項即可降低工 7全國電力行業(yè)脫硫脫硝技術(shù)協(xié)作網(wǎng)暨技術(shù)研討會論文集程造價近220萬元。綜合以上幾項，天津大港發(fā)電廠一期燃油鍋爐技術(shù)技改工程采用FGD-DCS和單元機(jī)組DCS一體化方案，相比單獨設(shè)置脫硫控制室的方案降低工程造價約325萬元。 提高了機(jī)組的運行可靠性從該工程投產(chǎn)后的情況看，采用這種一體化的方式充分保證了對機(jī)組和脫硫系統(tǒng)控制的可靠性和連續(xù)性。運行人員

15、的集中操作方式不但可以監(jiān)控單元機(jī)組和脫硫系統(tǒng)，而且可以在最短的時間內(nèi)對發(fā)生的緊急情況進(jìn)行處理，從而在最大程度上避免了因脫硫裝置的切投、燃燒工況變化、爐膛壓力和溫度的波動給兩個系統(tǒng)帶來的不利影響，實現(xiàn)了更廣泛意義上的協(xié)調(diào)控制。工程試運初期，在單元機(jī)組和脫硫系統(tǒng)尚未經(jīng)過聯(lián)調(diào)和擾動試驗的情況下，曾出現(xiàn)過兩次因脫硫輔機(jī)跳閘引起脫硫裝置切除的情況，由于采用了這種集中監(jiān)控的方式，運行人員及時對鍋爐的運行方式進(jìn)行調(diào)整和處理，未引起爐膛壓力的大幅波動和鍋爐跳閘。可以說明，這種監(jiān)控方式對提高機(jī)組的運行可靠性提供了有效的手段。 有效的降低了運行成本采用這種一體化的方式，實現(xiàn)了運行人員的集中監(jiān)控，不需要單獨配置脫硫

16、運行人員。該工程投產(chǎn)后的單元機(jī)組運行人員每班僅設(shè)置為4人，僅比該廠同等規(guī)模的二期機(jī)組（暫未建設(shè)脫硫裝置）多配置1人。若單獨進(jìn)行脫硫系統(tǒng)的運行監(jiān)控，則一般需要每班另外配置4人。按該廠五班三運轉(zhuǎn)的方式，運行人員可少配置10人，從而大大 8全國電力行業(yè)脫硫脫硝技術(shù)協(xié)作網(wǎng)暨技術(shù)研討會論文集降低了人員成本。這一點對于目前的新建電廠更有借鑒意義。從該工程投產(chǎn)后的DCS系統(tǒng)檢修和維護(hù)工作看，采用一體化的方案，電廠的DCS系統(tǒng)的關(guān)鍵備件實現(xiàn)了統(tǒng)一計劃，降低了庫存數(shù)量，維護(hù)和檢修人員也沒有增加。更為重要的是由此帶來的維護(hù)便利性和檢修可靠性大大提高，大大降低了由于不當(dāng)維護(hù)和檢修對單元機(jī)組和脫硫系統(tǒng)帶來的不利影響，

17、降低了運行成本，而新機(jī)投產(chǎn)初期常常因此出現(xiàn)較多問題。采用FGD-DCS與單元機(jī)組DCS一體化方式存在以下問題。 環(huán)路通訊電纜的可靠性在該工程的設(shè)計和實施中發(fā)現(xiàn)，采用此種方式必須將環(huán)路通訊電纜敷設(shè)至脫硫現(xiàn)場，而單元機(jī)組和脫硫系統(tǒng)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳遞都是通過環(huán)路通訊電纜完成的，若有異常情況造成環(huán)路通訊電纜的損壞（例如外力破壞、火災(zāi)等），必然會使運行人員對單元集組和脫硫系統(tǒng)失去監(jiān)控。因此該工程將脫硫系統(tǒng)和機(jī)組公用系統(tǒng)設(shè)計聯(lián)結(jié)成一個單獨的廠環(huán)，這樣即使出現(xiàn)問題不會影響單元機(jī)組的運行；同時采取了通訊電纜冗余、分別設(shè)置電纜路徑和單獨加裝保護(hù)橋架的措施。這種設(shè)計和措施在很大程度上避免了事故情況的發(fā)生，但仍存在一

18、定的風(fēng)險。同時我們也看到，對于采用環(huán)形通訊網(wǎng)絡(luò)形式的DCS系統(tǒng)（例如該工程采用的Symphony系統(tǒng)）這種問題較為突出，而對目前大多數(shù)DCS系統(tǒng)采用的星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來說，這種問題影響較小，即使通訊電纜出現(xiàn)以上所述的異常情況，也只會對脫硫系統(tǒng)的監(jiān)控帶來影 9全國電力行業(yè)脫硫脫硝技術(shù)協(xié)作網(wǎng)暨技術(shù)研討會論文集響，不會影響單元機(jī)組和公用系統(tǒng)的監(jiān)控。 由于該項目脫硫電氣綜合樓距離單元電氣綜合樓較近，電纜通道條件較好，在一定程度上保證了通訊電纜的可靠性。同時，也為運行人員的現(xiàn)場巡視檢查和事故處理提供了便利條件。對于一些布置較為分散新建電廠來說，由于單元機(jī)組到脫硫電氣綜合樓和脫硫現(xiàn)場的距離較遠(yuǎn)，對通訊電纜的敷

19、設(shè)提出了更高的要求，同時可能會給運行人員的現(xiàn)場操作和檢查帶來一些不便。因此，從該項目可以看出，在一定條件下，采用FGD_DCS與單元機(jī)組DCS一體化方式具有多方面的優(yōu)勢，但也有一些情況需要在今后的工程中認(rèn)真參照考慮，并結(jié)合工程的實際條件確定方案。對于可能存在的問題，應(yīng)在設(shè)計階段、工程實施和投運過程中研究并確定有效的具體方案和措施，隨著DCS系統(tǒng)技術(shù)水平和可靠性的不斷提高，這些問題的解決方案也會越來越成熟。全面考慮，采用這種方式利大于弊，對于新建和改造機(jī)組的脫硫工程具有很強(qiáng)的借鑒意義。3、結(jié)束語從以上來自生產(chǎn)現(xiàn)場的需求和已投產(chǎn)項目的建設(shè)和運行情況來看，采用FGD-DCS和單元機(jī)組DCS一體化的方案反映了項目建設(shè)和生產(chǎn)運行人員的直接需求，是火力發(fā)電廠集中監(jiān)控的實際要求，在技術(shù)上也是切實可行的。熟悉DCS應(yīng)用技術(shù)的人都明白，如此配置FGD-DCS，對于將來實現(xiàn)FGD-DCS和單元機(jī)組DCS的一體化非常簡單，具體措施大致如下。全國電力行業(yè)脫硫脫硝技術(shù)協(xié)作網(wǎng)暨技術(shù)研討會論文集 硬件一體化物理連接措施非常簡單，只需將FGD-DCS的通訊網(wǎng)絡(luò)和單元機(jī)組DCS公用部分的通訊網(wǎng)絡(luò)連接在一起或?qū)GD-DCS和中央交換機(jī)相連即可。對于改擴(kuò)建項目，由于項目