施耐德Quantum PLC在上海外高橋發電廠煙氣脫硫系統中的應用望亭發電廠張振江外高橋發電廠王愛琳一、摘要關鍵字：脫硫氧化二氧化硫石灰石石膏PH值GGHFGD二、概述1、電廠現狀上海外高橋發電廠位于上海市浦東新區,長江南岸,北隔長江南港航道與長興島相望，電廠南側為外高橋保稅區，西面是外高橋新港區。電廠一期工程裝機容量為4300MW，#1、#2機組于1995年先后投入運行，#3、#4機組分別于1996年、1997年相繼投入運行。二期工程裝機容量為2900MW，于1995年投入運行。三期工程裝機容量為21000MW，目前正值施工高峰，計劃2008年兩臺機組都將投入運行。2、項目背景本工程為外高橋電廠二期2900MW超臨界機組的配套工程，設計范圍為在外高橋電廠一期4300MW中#1、#2機組煙囪后新建兩套煙氣脫硫裝置。包括石灰石制備部分、煙氣吸收部分、石膏脫水部分、廢水處理部分及相應的自動控制系統和電氣系統電源供應系統等。3、行業動態我國能源以煤碳為主，由煤碳排放的SO2所造成的酸雨危及24個省、市、自治區。隨著國民經濟的發展和能源的不斷增長，我國酸雨問題為得越來越嚴重，給世界生態環境帶來了嚴重的危害。因此酸雨和SO2污染防治是我國環境保護的工作重點之一。國家規定，通過發改委審批的新建火電廠，燃煤含硫量在0.7%以上的，必須安裝煙氣脫硫設施。而目前已投入運行的煙氣脫硫項目僅占全國火電裝機總容量的2.1%，據數據統計未來幾年，還要有3億千瓦裝機的煙氣脫硫裝置急需投運和建設，因此火電廠煙氣脫硫產業將迎來高速成長期。三、工藝描述本項目采用濕法石灰石強制氧化脫硫工藝，未處理煙氣經FGD進口檔板、增壓風機、GGH降溫后引入吸收塔，吸收塔采用逆流噴霧空塔結構，其下部設有反應槽，來收集未反應的石灰石漿液和已生成的石膏漿液。吸收塔配3臺漿液循環泵，以保證塔內合理的液氣比；設置2臺氧化風機，使塔反應槽內的生成物得到完全氧化。漿液循環泵將反應槽內漿液經霧化器霧化從吸收塔上部噴淋下來與自下而上運動的煙氣充分接觸并發生化學反應，煙氣中的SO2被除去，凈化后的煙氣經除霧、GGH加熱后再由FGD出口檔板回到主煙道經煙囪排入大氣。石灰石漿液、SO2和鼓入的氧化空氣反應生成石膏漿液，主要反應式為：CaCO3+SO2=CaSO3+CO2，2CaSO3+O2=2CaSO4，參見圖1、圖2。圖2圖1漿液輸送泵將吸收塔中一定濃度及PH值的石膏漿液輸送至石膏漿液箱中暫存，當達到一定量時石膏漿液再通過漿液泵送入對應的石膏漿液旋流器進行預脫水，濃縮后的漿液由旋流器排出至對應的真空皮帶脫水機，脫水后的石膏經輸送皮帶運至石膏倉庫中。脫水產生的廢水經廢水旋流器分離，一部分進入回收水箱作為補充水被送入吸收塔，循環使用；另一部分進入廢水處理系統進行處理。四、控制系統組成和施耐德解決方案本煙氣脫硫工程主控系統采用ABB貝利的SymphonyDCS系統，共配置8臺操作員站、2臺工程師站、10臺打印機、1機脫硫電子間、2機脫硫電子間、公共區電子間，所有這些設備通過冗余環網進行通訊，其中石灰石制備部分及廢水處理部分采用施耐德Quantum PLC控制平臺，通過Modbus Plus實現與DCS環網的通訊，這樣操作人員可以在任意操作員站CRT上實現過程監視和控制、報警管理、趨勢管理、系統診斷、數據采集和報表、開放系統連接等功能，DCS系統的網絡結構見下圖3。圖3下面以石灰石制備部分為例進行說明，本部分配備兩套完全獨立石灰石處理生產線，可同時滿足4300MW機組在正常工況下脫硫用石灰石的耗量，每條生產線包括石灰石運輸及貯存、石灰石磨制、石灰石粉貯存及輸送、石灰石漿液配制和相關輔助設備，所有需要控制的設備均要求有自動和手動兩種運行方式，主要設備及自動運行條件如下表：主要設備自動運行條件石灰石運輸及貯存斗提機2中間倉料位不高輸送皮帶2斗提機2運行振動給料機2石灰石倉料位不低輸送皮帶2運行斗提機1石灰石倉料位不高輸送皮帶1斗提機1運行振動給料機1輸送皮帶1運行石灰石磨制（重點）斗提機3石灰石粉倉料位不高螺旋輸送機斗提機3運行循環風機空氣閥開調節閥2、3、4開度布袋收集器差壓（PID調節，DCS輸出）熱風濕度（PID調節，DCS輸出）調節閥1開度熱風溫度（PID調節）磨機循環風機運行振動不高粉倉料位不高油站運行熱風溫度不低稱重皮帶磨機運行中間倉料位不低旋轉分離器出粒度（預設定）石灰石粉貯存及輸送系統輸粉閥（1、3、5、7）壓力輸送器1運行輸粉閥（2、4、6、8）壓力輸送器2運行輸粉閥（9、10、20、30）粉斗料位不高輸粉閥（11、21、31）輸粉閥（12、22、32）根據選定的粉斗切換漿液配制系統給料機選定配漿池液位不高選定配漿池濃度不高分配閥選定配漿池切換攪拌器配漿液位不低沖洗閥A、B漿液泵關閉后沖洗5分鐘石灰石經輸送皮帶及斗提機轉運至石灰石倉中貯存，需要時再依次通過振動給料機、輸送皮帶機及斗提機將石灰石轉運至中間倉。中間倉內的石灰石通過稱重給料機送至石灰石磨機，磨機配有蒸汽加熱系統用于加熱石灰石，使磨機在進料含水量不大于10%；磨機配有旋轉分離器，以保證磨機的出料粒度。從旋轉分離器排出的符合粒度要求的石灰石粉由布袋除塵器收集，并落入布袋除塵器下方的螺旋輸送機，由螺旋輸送機輸送卸料至斗提機，經斗提機垂直提升送至石灰石粉倉中貯存，參見圖4。圖4每個粉倉有2個出口，分別設有2臺壓力輸送器，采用氣力輸送系統將石灰石粉輸送至1km以外的配漿系統。整個石灰石粉輸送系統設有3根輸送管路，通過輸粉閥的切換閥可以使3條輸送管路內的石灰石粉分別送至2座粉斗。每座石灰石粉斗下設有2個石灰石漿液箱，石灰石粉可以通過粉斗下方的給料機及分配閥將石灰石粉有選擇地送至2個石灰石漿液箱內水混合，通過漿液箱內攪拌器攪拌制漿，石灰石漿液濃度控制在20%，調制好的石灰石漿液通過石灰石漿液泵送入吸收塔。由于石灰石漿液容易沉積，故石灰石漿液箱、污水池等中都安裝有機械式攪拌器，同時為防止設備停運時漿液在管道、泵中沉積，造成堵塞，在各漿液泵、管道上都設置了工藝水沖洗系統，參見圖5圖5石灰石倉、中間倉、石灰石粉倉、石灰石粉斗均設有布袋除塵器及壓力真空釋放閥，并設有雷達料位計；為防止金屬異物進入磨機，系統中設有金屬探測器及除鐵器；為保證卸料流暢，粉斗、粉倉設有流化風系統，共有3臺流化風機和2臺流化空氣用空氣加熱器。此部分的控制重點是磨機、分離器、循環風機、調節閥、石灰石粉溫度及濕度的協調控制，難點是當數據吞吐量大的時候PLC的響應速度應滿足工藝要求，為此控制系統采用RIO單電纜熱備方式，由主控制器、備用控制器、1RIO分站、2RIO分站及3RIO分站組成，控制器通過同軸電纜實現對3個RIO分站的控制，再通過Modbus Plus網絡與DCS系統通訊，可以滿足上述控制要求。設計控制點類型為：DI：1066，DO：570，AI：56，各站點模塊的配置如下：機架名稱組成主控制器CPS11420電源模塊、CPU43412A模塊、CRP93100遠程I/O頭模塊、CHS11000熱備模塊、NOM21200 Modbus Plus網絡接口模塊備用控制器CPS11420電源模塊、CPU43412A模塊、CRP93100遠程I/O頭模塊、CHS11000熱備模塊、NOM21200 Modbus Plus網絡接口模塊1RIOCPS11420電源模塊、CRA93100遠程IO引下線模塊、DDI364離散輸入模塊、ACI03000模擬輸入模塊等11模塊。2RIOCPS11420電源模塊、CRA93100遠程IO引下線模塊、DDI364離散輸入模塊、DDO364離散輸出模塊等10模塊。3RIOCPS11420電源模塊、CRA93100遠程IO引下線模塊、DDI364離散輸入模塊、DDO364離散輸出模塊、ACI03000模擬輸入模塊等16模塊。在正常情況下，主控制器執行應用程序并控制輸入輸出，備用控制器駐留在后臺，通過高速光纖與主控制器相連。當主控制器意外發生故障時，備用控制器自動切換為主控制器，并使用最新的數據執行應用程序并更新I/O，發生故障的控制器修復并重新連接到系統中，它將承擔備用控制器的角色。PLC控制系統的網絡結構見圖6。圖6由于工藝對響應速度要求很嚴格，I/O控制的切換時間應當在PLC掃描周期之內，Quantum的RIO網絡采用“CPU直接驅動”技術，確保CPU的掃描時間和I/O掃描的時間高度同步，使CPU可以控制與其相連的模塊之間的高速數據傳輸，以最大程度地提高吞吐量及性能。Modbus Plus作為一個令牌網絡，以1兆波特的通信速度進行快速訪問并處理數據，其優勢在于能夠控制實時控制裝置，如I/O、驅動器等，同時不因加載或通信而降低性能。具體配置如下：在主、備用控制器機架分別配置了NOM21200模塊，采用單網絡雙重連接的方式，即主控制器NOM21200模塊中的Modbus Plus Chan A與Modbus Plus Chan B接口分別通過雙絞線連接到網橋A對應的A口與B口，同樣備用控制器也以同樣方式連接到網橋B對應的A口與B口，再由網橋通過串口連接至DCS CNet環網。廢水處理部分控制系統采用RIO單電纜方式，由本地I/O站、1RIO分站、2RIO分站及3RIO分站組成。本地I/O站通過同軸電纜實現對3個RIO分站的控制。控制點類型為DI：1328，DO：428，AI：42，模塊的類型與配置與石灰石制備部分類似，這里不再詳述。五、應用總結使用施耐德PLC雙機熱備系統能夠實現主備機之間平穩、無縫的切換，切換時系統對過程的監控不會中斷，并且不會因為發生硬件故障而受到不利影響。因此雙機熱備系統能夠減少停機時間，從而提高生產效率，到目前本系統已連續安全運行300天，平均故障停機時間為0天。Modbus Plus綜合了高速、對等通信及安裝簡單的優點，允許主計算機、控制器或其他數據源通過廉價雙絞線在整個網絡范圍內進行對等通信，簡化了應用，降低了安裝成本。石灰石的研磨粒度在整個脫硫工藝中起著至關重要的作用，它直接影響系統的脫硫效率及產生石膏的品質，也是石灰石溶解的容易及快速程度的量度，大顆粒更難溶解，必須降低以PH的方式來溶解，這樣也會對脫硫效率和石膏品質產生直接影響。本控制系統能滿足當石灰石硬度、進料溫度等外界條件發生變化時的快速響應速度，以保證合格的研磨粒度，使脫硫效率