火力发电厂烟气脱硫装置自动控制系统方案

火力发电厂烟气脱硫装置自动控制系统方案北京能源投资（集团）有限公司王永亮摘要：本文通过火电厂FGD装置自动控制系统采用独立式DCS或FGD-DCS和单元机组DCS系统一体化方式进行了比较分析，指出FGD-DCS与单元机组DCS一体化方式对于确保机组监控的整体性、连续性、可靠性和降低工程造价等方面具有较强的优势。

对于国内新建和改造火电机组的烟气脱硫装置，通过设计和施工方案的优化，FGD-DCS和单元机组DCS实现一体化是可能的，并且具有很强的现实意义。

1、前言上个世纪九十年代末以来，随着环境问题的凸显和环保意识的加强，解决日益严重的环境污染问题和应用清洁能源技术成为能源工业面临的主要课题之一。

正是在这样的背景下，以石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺为主的烟气脱硫技术在国内火力发电厂开始逐步应用起来。

与此同时，由于计算机网络和信息技术的发展，以“2000年示范电站”为契机，以厂级自动化系统（SIS+MIS）的出现为标志，一场新的火力发电厂自动化领域中的技术变革已经酝酿成熟。

毫无疑问，火力发电厂正在迈进信息网络时代。

这场变革使火力发电厂自动控制系统呈现出如下特点：单元机组自动控制系统全面计算机化、硬件智能化、分散化以及控制室小型化；辅助车间计算机监控网络产生，可实现若干辅助车间远方集中监控。

这场变革不仅大大提升了火力发电厂的生产运行水平，而且深刻触及到了电厂的生产管理体制和管理模式，火力发电厂全面集中监控正在进一步变成现实的需求。

在这种大的背景下，烟气脱硫装置的自动控制系统也不可能成为一座孤岛。

但是，其在全厂自动控制系统总体结构中所处的位置及其自身的配置确实值得探讨。

2、国内烟气脱硫装置控制系统现状2.1基本配置目前，国内市场上应用的基本为石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术，虽然它们在SO2的脱除工艺上有所差别，但控制方式和控制系统的规模大体相同。

脱硫装置的控制系统依据其I/O点数（相当于一台200MW机组）和工艺系统规模，国内用户基本要求采用DCS实现。

并且由于其工艺系统在火力发电厂内相对独立、相对复杂，因此，烟气脱硫装置的DCS系统（FGD-DCS）由脱硫装置的总承包商配置和供货。

由于烟气脱硫装置间存在着大量的公用设备，如：石灰石浆液制备系统、石膏脱水系统、工艺水/工业水系统和脱硫工业废水处理系统等，所以一般均为两台（或几台）烟气脱硫装置配置一套DCS，并且一般都留有与MIS/SIS的通讯接口。

但是，也有用户仿照单元机组的模式，要求两台机组的烟气脱硫装置配置三套DCS（每台机组烟气脱硫装置各一套，烟气脱硫装置公用部分一套），从技术角度讲，这既不可取也没有必要，因为，不论从运行还是从厂用电配置方面来说，烟气脱硫装置都是被当作两台机组的公用辅助设施来对待的。

对于新建项目，用户几乎都要求FGD-DCS与单元机组DCS的硬件一致或尽量一致，但两者之间的信息交换大多仅要求硬接线连接，并未要求实现两者之间实现硬件和软件的一体化。

关于烟气脱硫控制室和FGD-DCS设备的布置，目前不论是改造机组还是新建项目一般均设有单独的烟气脱硫装置电气综合楼，烟气脱硫控制室和FGD-DCS设备均布置于此，或者烟气脱硫装置电气综合楼与除尘除渣控制楼合用。

FGD-DCS的配置及FGD-DCS与单元机组DCS、电厂MIS/SIS 的关系见图一。

就两台单元机组的石灰石-石膏湿法烟气脱硫装置而言，因为其脱除工艺和辅助设备的配置不同，以及用户的不同要求，例如：采用电动还是气动执行机构、进入FGD-DCS的被控对象I/O点数、脱硫废水处理系统是否纳入FGD-DCS控制等等，所以其I/O点数量一般在2500-4000点之间不等。

其基本配置如下：操作员站24台；工程师站/历史站1台；激光打印机（A3）2-3台；彩色拷贝机（A3）1台；FGD-DCS通讯网络及接口；FGD-DCS过程控制器；FGD-DCS过程控制柜和I/O模件柜；与其它系统的通讯接口等。

2.2控制方式从全厂运行的角度，以及上述烟气脱硫装置控制系统的配置和控制楼的设置可以看出，目前火力发电厂烟气脱硫装置的运行模式和控制方式是作为单元机组的一个辅助车间来考虑的。

然而，由于环境保护的需求，脱硫装置是否正常运行必将成为单元机组能否投入正常运行的一个直接条件，更重要的是：烟气脱硫装置作为锅炉出口后烟道的一部分与锅炉的运行有着密切的关系，烟气脱硫装置的切投、烟气压力和温度的波动直接影响到锅炉的运行。

因此，也可将脱硫装置视为单元机组的一部分来进行控制。

对于辅助车间的监控，目前国内新建电厂一般趋向于采用在全厂形成煤、灰、水3个集中的控制网络、设置3个监控点的做法；然而国外也有采用设置一个辅助车间集中控制室，通过通讯网络对所有辅助车间进行监控的业绩，并且国内有的电厂也已经在实施同样的方案。

因此，对于烟气脱硫装置的监控可以有三种方式：1)设置单独的脱硫装置控制室（包括与其它辅助车间控制室合用）；2)纳入辅助车间集中监控网络，在辅助车间集中控制室内进行监控；3)与单元机组DCS实现通讯或一体化，在单元机组集中控制室内进行监控。

目前，由于国内烟气脱硫装置在电力行业的大规模应用还处于刚刚起步的阶段，因此其监控基本采用第一种方式。

但是，正如本文前言中所提到的火力发电厂自动化领域的新变革，使得电厂全面集中监控已成为一项和现实的需求和最终的目标，因此笔者深信烟气脱硫装置的自动控制系统最终也不可能作为孤岛单独存在。

上述第二种和第三种控制方式和运行模式是其可能的发展方向。

然而，第二种方式较之于第三种方式没有考虑到烟气脱硫装置与锅炉运行的密切关系，并且，脱硫装置的系统远比其它辅助车间工艺系统复杂得多。

因此，从便于电厂运行管理的角度考虑，第三种方式更具合理性和现实意义。

2.3 FGD-DCS和单元机组DCS一体化的可能性和现实意义前面已经谈到，新建项目的用户几乎都要求FGD-DCS与单元机组DCS的硬件一致或尽量一致。

目前，有的电厂已经明确要求在脱硫装置电控楼内不设脱硫就地控制室，FGD-DCS的操作员站和打印机直接布置在单元机组的控制室内。

天津大港发电厂一期燃油锅炉技术技改工程（2×328.5MW）的脱硫系统已经采用了这种监控方式，目前两台机组的脱硫系统均已通过168试运行，情况良好。

项目实例天津大港发电厂一期燃油锅炉技术技改工程（2×328.5MW），将原有的燃油锅炉拆除，新建两台1050t/h燃煤锅炉，同期建设两台机组的脱硫系统，采用一炉一塔形式的石灰石—石膏湿法烟气脱硫技术。

FGD的监控采用前文提到的第三种方式，即采用了FGD-DCS与单元机组DCS一体化方式，在单元机组集中控制室内进行监控。

单元机组DCS和FGD-DCS统一采用ABB公司的Symphony系统，在脱硫电气综合楼设置脱硫电子间，布置脱硫系统DCS机柜。

在单元控制室和脱硫DCS电子间环绕设置通讯环路电缆，单元机组DCS和FGD-DCS系统的各个PCU（过程控制单元）同样是环路上的若干结点，具有相同的通讯等级和控制可靠性。

软件的访问和组态可在单元控制室完成。

通过工程实施和投产运行的验证，可以看出该工程采用FGD-DCS与单元机组DCS一体化方式具有一定的优势：⑴充分利用了DCS系统的通讯优势，并充分考虑了通讯可靠性该工程中采用的Symphony DCS系统采用环路通讯方式，网络通讯结构为环形，各个PCU同时挂在环路上进行信息交换，该环路最大支持的距离为1500m。

工程中将环路光缆从单元机组电子间延伸至脱硫电气综合楼电子间后再反向敷设至单元机组电子间形成环路，光缆长度为256m（远小于1500m），数据的交换和传递仅通过两根光缆，从而避免了将大量控制电缆敷设到单元机组电子间。

同时，考虑到环路电缆的可靠性，对两根冗余设置的环路通讯电缆布置了不同的走向和路径，并在主电缆通道上单独设置了封闭式电缆桥架进行保护。

⑵脱硫电气综合楼距单元电气综合楼较近，为采用一体化方案提供了客观条件该工程为技改项目，是在原有厂区内进行改造，布置较为紧凑，脱硫电气综合楼布置在炉后烟囱前的位置，距离单元控制室控制室直线距离约20米，电缆敷设条件较好，电缆桥架的布置简单。

客观上为实现脱硫DCS和机组DCS一体化提供了条件。

而新建机组的脱硫电气综合楼一般布置在烟囱后，距离单元机组控制室较远，电缆敷设的条件较为复杂。

⑶采用一体化方案在一定程度上降低了工程造价经过方案优化，该工程采用FGD-DCS和单元机组DCS一体化方案，不设置单独的脱硫控制室，同样运行人员值班室、休息室等也未设置，减少脱硫电气综合楼建筑面积约150m2，相应的结构、暖通、配电等工程量也有较大的减少，此部分降低工程造价计28.5万元。

工程师站、历史站、打印机等设备与单元机组DCS系统共用，不单独配置，节约设备费18.4万元。

操作员站与单元机组共用，仅在单元主控增加2台（两台机组），而单独设置脱硫控制室一般需要配置操作员站4台，节约设备费28.32万元。

采用一体化的DCS系统后，DCS系统和MIS/SIS的通讯接口数量由5个减为3个，节约设备费30.46万元。

通过工程设计优化，将脱硫系统的DCS机柜布置在脱硫电气综合楼中，采用网络联结方式，将环路通讯电缆以冗余的方式环绕敷设至脱硫电子间实现通讯一体化。

相比把脱硫DCS机柜布置在单元控制室的过度集中方式节约控制电缆大约102KM,仅此一项即可降低工程造价近220万元。

综合以上几项，天津大港发电厂一期燃油锅炉技术技改工程采用FGD-DCS和单元机组DCS一体化方案，相比单独设置脱硫控制室的方案降低工程造价约325万元。

⑷提高了机组的运行可靠性从该工程投产后的情况看，采用这种一体化的方式充分保证了对机组和脱硫系统控制的可靠性和连续性。

运行人员的集中操作方式不但可以监控单元机组和脱硫系统，而且可以在最短的时间内对发生的紧急情况进行处理，从而在最大程度上避免了因脱硫装置的切投、燃烧工况变化、炉膛压力和温度的波动给两个系统带来的不利影响，实现了更广泛意义上的协调控制。

工程试运初期，在单元机组和脱硫系统尚未经过联调和扰动试验的情况下，曾出现过两次因脱硫辅机跳闸引起脱硫装置切除的情况，由于采用了这种集中监控的方式，运行人员及时对锅炉的运行方式进行调整和处理，未引起炉膛压力的大幅波动和锅炉跳闸。

可以说明，这种监控方式对提高机组的运行可靠性提供了有效的手段。

⑸有效的降低了运行成本采用这种一体化的方式，实现了运行人员的集中监控，不需要单独配置脱硫运行人员。

该工程投产后的单元机组运行人员每班仅设置为4人，仅比该厂同等规模的二期机组（暂未建设脱硫装置）多配置1人。

若单独进行脱硫系统的运行监控，则一般需要每班另外配置4人。

按该厂五班三运转的方式，运行人员可少配置10人，从而大大降低了人员成本。