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1、毕业设计方案学 院： 控制科学与工程学院专 业：自动化班 级：0402学 号：2004031100学生姓名：韩月娟指导教师：王新江设计题目：发电厂烟气脱硫工程石灰石干磨系统的DCS控制2008 年 3 月28 日毕业设计方案学院 控制科学与工程 专业 自动化 姓名 韩月娟 学号 2004031100 设计题目： 发电厂烟气脱硫工程石灰石干磨系统的DCS控制 一、设计方案内容：（本页可另加页）1、 国内外研究现状、水平及存在的问题： 近年来，世界各发达国家在烟气脱硫(FGD)方面均取得了很大的进展，美国、德国、日本等发达工业国家计划在2000年前完成200和 610 MW的FGD处理容量。目前国
2、际上已实现工业应用的燃煤电厂烟气脱硫技术主要有：(1)湿法脱硫技术，占85%左右，其中石灰-石膏法约占36.7%，其它湿法脱硫技术约占48.3%；(2)喷雾干燥脱硫技术，约占8.4%；(3)吸收剂再生脱硫法，约占3.4%；(4)炉内喷射吸收剂/增温活化脱硫法，约占1.9%；(5)海水脱硫技术；(6)电子束脱硫技术；(7)脉冲等离子体脱硫技术；(8)烟气循环流化床脱硫技术等。以湿法脱硫为主的国家有：日本(约占98%)、美国(约占92%)和德国(约占90%)等。 FGD技术按工艺特点分为湿法!半干法和干法3大类；按副产品是否回收分为抛弃法和回收法 。 湿法脱硫工艺：该工艺是世界上应用最多的,占脱硫
3、总装机容量的83.102%。其原理是,采用碱性浆液或溶液作为吸收剂在吸收塔内对含有SO2的烟气进行喷林洗涤,使SO2和吸收剂反应生成亚硫酸盐和硫酸盐。常用的湿法工艺有:石灰石石膏法!双碱法!氨酸法!钠盐循环法!碱式硫酸铝法!水和稀酸吸收法!氧化镁法以及海水脱硫等。其中石灰石石膏法是技术最成熟!应用最多!运行状况最稳定的方法,其脱硫效率在90%以上，副产品石膏可以回收利用,也可抛弃。近年来,由日本千代田公司开发的专利技术：深度脱硫技术(AdvancedFGD)被美国能源部宣称为开创了FGD的新纪元，该技术的核心是JBR射流沸腾反应器,烟气以沸腾状通过浆液,发生反应,减少了再循环泵!雾化喷嘴!氧化
4、槽和浓缩装置等,使投资较石灰石-石膏法低50%-70%,脱硫效率在70%-80%。 半干法脱硫工艺：半干法工艺的特点是:反应在气!固!液三相中进行,利用烟气显热蒸发吸收液中的水分,使最终产物为干粉状。以下介绍主要脱硫工艺（1）： 旋转喷雾干燥法(SDA)，SDA法的原理是通过高速旋转的雾化器,将吸收浆液雾化成细小雾滴,与烟气中的SO2进行传质!传热反应，其转速可达15000-20000r/min,转速与雾化效果及脱硫效率成正比,脱硫效率在80%-85%，被誉为20世纪80年代的FGD技术。（2）：炉内喷钙法(LIFAC)该法除了炉内喷石灰石粉外,在空气预热器和除尘器间加装活性反应器,并喷水增湿
5、,使未反应的CaO遇水后生成Ca(OH)2,促进脱硫反应,使最终的脱硫效率达到70%-75%。（3）: 烟气循环硫化床脱硫(CFB)，CFB法是20世纪80年代德国鲁奇公司开发的一种新的脱硫工艺,它以循环硫化床原理为基础,通过吸收剂的多次再循环,延长吸收剂与烟气的接触时间,来提高吸收剂的利用率和脱硫效率,钙硫比(CaS)在111-112时,脱硫效率接近湿法脱硫效率.(4): 增湿灰循环脱硫(NID)该技术是ABB公司开发的新技术,1996年在波兰Laziska机组上2*125MW脱硫示范工程建成后,目前已有10多套装置在欧洲各国运行NID法是将CaO粉粒，（直径在1mm以下)与除尘器收集的大量
6、的循环灰进行混合增湿,然后将含5%水分的循环灰导入烟道反应器,与烟气进行脱硫反应,大量的脱硫循环灰具有很好的流动性和极大的蒸发表面,在很短的时间里使烟气温度从140度降至70度左右,烟气相对湿度增加40%-50%,此时有利于SO2分子溶解,对脱硫有利。由于让脱硫灰多次循环,使脱硫剂的利用率大大提高,当CaS=111时,脱硫效率大于80%。我国衢州化工厂280t/h锅炉尾气脱硫采用ABB的NID法,以电石渣作为脱硫剂,脱硫效率为80%,单位脱硫成本为445元/(t#SO2)，此外半干法脱硫技术还有烟道喷射脱硫工艺等。 干法脱硫工艺（CDSI）： 干法脱硫工艺的特点:反应在无液相介入的完全干燥的状
7、态下进行,反应产物亦为干粉状态,不存在腐蚀!泄露等问题，荷电干式喷射脱硫法(CDSI法)的核心是,吸收剂以高速通过高压静电电晕区,得到强大的静电荷(负电荷)后,被喷射到烟气中扩散形成均匀的悬浊状态,吸收剂离子表面充分暴露,增加了与SO2反应的机会，同时,由于离子表面的电晕,增强了其活性,缩短了反应所需的滞留时间,有效提高了脱硫效率,当CaS=115时,脱硫效率为60%-70%，CDSI法的投资仅为传统湿法的10%,占地也只有湿法的27%,对现有电厂改造尤为实用等离子体法是20世纪70年代起来的同时脱硫脱硝技术,被国际上认为是最有前途的新一代FGD技术。它主要是利用高，高能电子使烟气中的SO2,
8、NOX,H2O,O2等分子被激活,电离甚至裂解,产生大量的离子及自由基等活性粒子,由于强氧化性SO2,NOX被氧化,在注入氨的情况下,生成硫酸铵和硝酸铵化肥。根据高能电子的来源,可分为电子束照射法和脉冲电晕等离子法。电子束照射法(EBA)法是日本荏原制作于20世纪70年代提出的,是用电子束对烟气进行脱硫脱硝的技术，是靠电子加速器产生高能电子(400-800keV),使烟气中的氧和水蒸气等激发转化成氧化能力强的OH,O,和H2O等游离基,与烟气中的SOX,NoX反应生成硫酸和硝酸,再与加入的氨反应产生硫酸铵和硝酸铵化肥。20世纪80年代,美国完成24000Nm3/h的中试装置实验,目前已在日本!
9、美国!俄罗斯等建立20多套实验装置及示范工程,我国成都热电厂已建成300000Nm3/h示范工程。脉冲电晕等离子体法(PPCP法)是在EBA法的基础上研制的,是靠脉冲高压电源在普通反应器中形成等离子体,产生高能电(5-20Ev),由于它只提高电子温度,而不提高粒子温度,能量效率比EBA高2倍。其优点是,设备简单!操作简便!投资仅是EBA法的60%,因此,成为国际上干法脱硫脱硝的研究前沿。 目前几种成熟工艺：目前应用较广的脱硫方法的经济比较,湿法石灰石-石膏法的脱硫效率最高,但费用也最高，为节省投资和运行费用,一种简易石灰石-石膏法被采用,它以牺牲10%-15%左右的脱硫率为代价,有效降低了投资
10、及运行成本，我国太原第一热电厂就是采用引进简易FGD装置,脱硫效率为80%,发电成本增加1006元/(kW#h),除硫 每kgSO2成本为141元,该装置为日本/绿色援助项目。 我国FGD技术的现状：我国于20世纪70年代就开始了FGD技术的研究,与发达国家相比,起步不晚,但进展缓慢，各种脱硫工艺均有研究,但仅停留在小试中试和工业性试验装置上,未能转化为工业化商品。近年来,我国在一些示范工程上引进一批国外先进的成熟的脱硫工艺,这些装置,设备先进!运行稳定!自控程度高,但投资和运行费用太高，为此,消化吸收使之设备国产化,降低投资及运行成本,是我们目前研究的课题，同时,我们还要开发研究拥有自己的知
11、识产权的先进符合中国国情的脱硫工艺。2、 选题的目的、意义：目前我国的经济条件和技术条件还不允许像发达国家那样投入大量的人力和财力，并且在对二氧化硫的治理方面起步很晚，至今还处于摸索阶段，国内一些电厂的烟气脱硫装置大部分是从欧洲、美国、日本引进的技术，或者是试验性的，且设备处理的烟气量很小，还不成熟。不过由于近几年国家环保要求的严格，脱硫工程是所有新建电厂必须的建设的。因此我们必须以国外的技术为基础研制适合自己国家的脱硫技术。当今发达国家正在研究热门脱硫技术，如脉冲放电法与微生物法，为了降低我国SO2的年排放量，研究FGD技术迫在眉睫，力求探索出一种脱硫效率高，运行成本低的可行性方案。目前石灰
12、石-石膏法湿法脱硫技术最为成熟，也应用最广，本次设计既是为该法提供石灰石制粉的DCS系统。3、 实施方案及主要研究手段：设计一套适合发电厂烟气脱硫工程石灰石干磨系统的DCS方案，可以实现对电动机、阀门等成套机电设备的开关量控制，包括分组连锁启动与停车、组内自动连锁或单机控制、系统单机调试等功能；过程控制数据的采集和处理（包括开关量和模拟量）；动态显示工艺流程图画面及各画面之间的自由切换；完善的报警功能，开关量和模拟量报警的显示及确认、报警列表的自动记录和显示打印、模拟量报警上下限的设置和修正，实时曲线及历史曲线图和棒图的显示及打印；较强的系统自诊断功能，包括接口模块出错显示，在线查看开关量和模
13、拟量条件表。本套设计可采用ABB公司的Industrial IT控制系统来完成，该系统是种全年综合型开放控制系统，融传统的DCS和PLC优点于一体并支持多种国际现场总线标准。它既具备DCS的复杂模拟回路调节能力，友好的人机界面（HMI）及方便的工程软件，同时又具有与高档PLC指标相当的高速逻辑和顺序控制性能。其过程控制模式如下：该系统既可连接常规I/O，又可连接Remote I/O及Profibus 、FF、CAN、Modbus等各种现场总线设备。系统具备高度的灵活性和极好的扩展性，无论是小型生产装置的控制，还是超大规模的全厂一体化控制，甚至对于跨厂的管理控制应用，Industrial IT都
14、能应付自如。系统分为两级:操作管理级(操作站OS、工程师站ES及网关GS)和过程控制级(过程站PS及现场控制器AC800F)。在操作管理级上不仅实现传统的控制系统监控操作功能(预定义及自由格式动态画面显示、趋势显示、弹出式报警及操作指导信息、报表打印、硬件诊断等)，而且完成配方管理及数据交换等管理功能。过程控制级实现包括复杂控制在内的各种回路调节（各种PID、比值、Simith）和高速逻辑控制、顺序控制以及批量间歇控制功能。每个过程站PS支持5个机架单元，可配置44个I/O模件(1408个I/0点)，PS过程站的 CPU模件、电源及系统网络接口均可冗余。AC800F是现场总线控制器，它为用户提
15、供了使用现场总线技术的灵活性。AC800F采集来自4条现场总线(类型可以不同)的过程数据和诊断信息，并完成与PS相同的控制任务。AC800F通过以态网(Ethernet)与整个系统(如OS、PS或其它FC)通迅。系统控制站硬件均为全金属外壳封装。设备既可安装于机柜中，也可装于墙上。系统符合所有当前EMC标准并具有CE标志。系统采用两种普遍的工业总线。用于过程控制站PS内部通迅的是（DigiNetP/CAN(DIN/ISO11898标准)总线。PS/FC与OS/ES之间的通迅由DigiNetS网络(以太网/IEEE802.3标准)实现，用户可选择通迅传输介质(普通电缆或光纤)和网络拓朴结构。In
16、dustrial IT系统的操作站OS、工程师站ES及数据网关GS以MS_WindowsNT为运行平台，从而确保了系统的通用性、开放性和易用性，并对将来的技术升级和维护带来很大方便。PC机的具体配置可由用户按照需要自行选择(不低于系统基本要求)。系统组态语言基于IEC1131_3工业标准，提供了功能块图(FBD)、梯形图(LAD)、指令表(IL)和顺序功能图(SFC)、ST(结构化文本)等图形化组态手段。系统还带有包含近170多个功能块的算法库和具有200多个图形符号的基本图库和内含大量3D图符的扩充图库。系统使用同一套组态工具软件完成过程级和操作级组态以及调试，并使用同一个全局数据库。系统规
17、模具备很强的伸缩性，每个系统可根据工艺或功能划分为若干个自动化域，每个域基本配置为10个操作站OS、10个过程控制站PS或现场控制器FC，整个系统扩展规模可达100个操作站、100个控制站(140800个I/O)。 系统特点：一、集成DCS、 PLC 及 FieldBus功能 二、全局数据库 三、AC800F冗余四、支持FDT/DTM 组态及HART协议，支持OperateIT 五、通用性，标准化，灵活性，开放性 六、工程容易，界面友好，维护简单。4、 选题的创新之处：对该设计采用ABB公司的 Industrial IT控制系统来实现，该系统的对象属性（AspectObject）技术真正实现了
18、信息集成，例如操作屏幕上电机对象，按鼠标右键，就可获取该电机的所有相关属性，信息从没有过的丰富，也从没有如此结构化。所有智能设备都能将相关信息结构性的存放，获取，包括设备监测，诊断及调校。采用开放式系统结构，广泛应用标准技术，用户的设计和想法都能实现，同时ERP系统所采集的均为实时在线数据。ABB的Industrial IT平台表现出色。系统应用灵活，不管是模拟量调节，还是电气逻辑控制，运用自如，控制系统功能强大。充分发挥操作员站的微软环境，微软的技术都能无缝集成应用，图形，网络，对象技术等等，摆脱了传统意义上操作站的概念，信息集成度是其他系统不能比的。 优秀的开放性和灵活性，支持各种现场总线
19、，对所有智能现场设备集成，包括MCC，PLC，仪表。这一点比其他系统优秀，集成度高，控制功能广泛。 IEC标准的编程环境，能够实现自有知识产权的涵库的实现，标准化的基于对象的编程功能，大大缩短了工程开发和调试时间，能自由编程形成专用功能的环境性能超群。 对象属性技术是ABB的专利技术，解决了信息集成和信息结构化描述的难题，能过设备信息结构化，表示信息丰富有序，对于一个设备，从设备安装开始所有时间的有关该设备的信息都能记录，只需按鼠标右键便可获取，这种信息集成没有任何一家系统有实现。系统开发的平台和采用标准，使得ERP相联不需额外投资，并确保数据信息的实时性可靠性。现场总线的应用，大大节省了电缆
20、和材料，节省调试时间，由于系统信息集成度高，设备易于维护，减低维护成本，减少操作维护人员，进一步提高工厂生产率。5、 预期研究成果或结论： 对该课题采用ABB公司的ITDUSTRIAL IT控制系统，进行包装控制PLC系统的硬件设计，采用CBF的LD或FBD语言进行包装控制PLC系统软件设计，选用AC800F现场控制器，对现场站（PS）站完成各环节的数据采集、控制功能，操作员站（OS）站实现所有的设备的操作、故障报警、状态显示，数据累计、统计、报表，图形显示各种状态趋势，可定时和随机打印各种工作状态的数据。 6、参考文献： 1 工业脱硫技术雷仲存M.北京：化学工业出版社，2004.1 2 华能
21、德州电厂二期660MW烟气脱硫工程石灰石干磨系统计数规范书.2005.9.12 3 可编程控制器教程胡学林M.北京：电子工业出版社，2005.74 AC800FControl Build F 培训资料MABB中国有限公司：山东恒拓科技发展有限公司，济南大学控制科学与工程学院，20055 吴根 夏涛 等.微生物脱硫技术的现状及发展前景J.环境保护 6 龙辉.我国大型火电机组FGD未来发展方向探讨J.电力环境保护, 2007,(01):2830.7 Sotirchos S V. Chem Eng Sci, 1985,40(11):2039. 8 Bhatia S K. AIChE J,1985,
22、32(4): 642. 9 18K 2008-2-2910 . 17K 2007-6-1311 二、设计方案：（本页可另加页） （一）：前期准备：查找国内外烟气脱硫技术的发展状况和最新研究成果，收集有关烟气脱硫石灰石干磨系统DCS设计资料，熟悉AUTOCAD2007的基本操作方法及练习基本绘图，认真阅读华能德州电厂二期660MW烟气脱硫工程石灰石干磨系统技术规范书记石灰石干磨系统的工艺流程图、针对不同来料型式，对脱硫工艺吸收剂制备系统，分为外购粉、石灰石干磨和石灰石湿磨三种方案进行了比较进行了解，分析了电气设备控制顺序逻辑图。学习ABB公司的INDUSTRIAL IT系统的培训资料。（二）：方
23、案设计： 依据技术规范书的要求给出石灰石制粉系统简易流程框图（针对一台球磨机（立式或是卧式）的情况），I/O 点数的初步拟定，干磨系统的DCS的控制框图。 石灰石制粉系统简易流程图：（发电厂自行磨制石灰石粉为前提） 流程简述：石灰石干磨机可以采用立式或卧式干磨，立磨顶部自带分离器，通过调节风环阀，可改变产品细度，并可使得磨内料床负荷均匀、稳定。粉料出磨后，随排风机气流进入脉冲袋式收尘器中进行收集，再经水平及垂直输送设备进入石灰石粉仓内储存。若为卧磨机，粉料出磨后，先经过一部高效选粉机进行分选，该选粉机具有一个由变频电机带动、垂直转动的转子，通过调节该转子的转速以及选粉机的通风量，对成品的细度进
24、行调节。分选后的粗料通过螺旋输送机送回磨机入口再磨，细度符合要求的粉料则随排风机气流进入脉冲袋式收尘器中进行收集，再经水平及垂直输送设备进入石灰石粉仓内储存。在干磨系统方案的初步拟定过程中注意生产过程对细节的要求，对球磨机本体配有防漏粉设施，降低机器运作时的噪音，减少粉尘排放量；在脱硫环节可以借鉴当今喷氨法与石灰石石膏法的结合，以提高脱硫效率。 I/O 点号表的确定： 前提是一台球磨机，据技术规范书的要求，确定I/O表单如下 实际应用点数留有10%的余量点数总计模拟量输入 29 3 32模拟量输出 1 0 1数字量输入58 6 64数字量输出30 3 33由表可得出总的I/O点为：130个。模
25、拟量输入输出 各提升机、磨主电机、辅传动机电流，选粉机速度反馈，收尘风机电流反馈，排风机速度反馈，二次、三次风调节阀位置反馈，磨主电机前后轴承温度，磨主电机前后轴承油静压力，出磨气体压力及温度，选粉机出口气体温度，磨尾进风口压力，选粉机进出口压力，磨系统排风机前轴承温度。开关量输入输出 干磨系统个机器的起停控制及设备驱动，各种报警信号，机器运转正常与否，稀油站油位，油箱油温，油压信号等。 干磨系统的DCS的控制框图。 DCS模块： 过程站：由于I/O点数定为130，只对一个干磨系统进行控制，所以该DCS系统只需一个过程站（PS）（1）PS将干磨系统现场发生的过程量（压力、温度、电流、速度及各种
26、状态等）进行数字化，并将这些数字量存在存储器中，形成一个与需现场一致的能一一对应的、并按实际运行情况实时的改变和更新的现场过程量的实时映象。（2）将本站采集到的实时数据通过网络送到操作站、工程师站及其它现场站以便实现全系统范围内的监督和控制，同时现场站还可接受由操作员站、工程师站下发的信息，以实现对现场的控制或对本站的参数设定。（3）在本站实现局部控制、回路的计算及闭环控制、顺序控制等。其它功能：（1）为二线制仪表提供电源（2）为现场信号的输入输出回路配备必要的隔离电路和保护电路。（3）对于一些重要的控制输出量，必须具备断电保护和上电跟随特性。（4）可靠性要高。（5）具备不依赖DCS其它部分独
27、立运行的能力（DCS系统初始启动除外）。 控制器选型： 采用AC800F现场控制器, 它为用户提供了使用现场总线技术的灵活性，AC800F采集四条来自现场的总线（类型可以不同）的过程数据和诊断信息，并完成与PS同样的控制任物。AC800F通过工业以太网与整个系统通讯。它是基于开放的现场总线技术标准的工业控制器。现场过程仪表可直接或间接借助于Fieldbus远程I/O经由现场总线与AC800F进行数字通讯，可节省电缆和施工费用。 操作员站：需要一个操作员站 干磨系统的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面（MMI）功能的网络接点。其主要功能为： （1）及时了解现场运行状态、各种运行参数的当前
28、值、是否有异常情况等。 （2）对工艺过程进行控制和调节，以保证生产过程的安全、可靠、高效、高质。 显示内容为： （1）生产过程的模拟流程图，包括关键数据、控制参数及设备运行状态等（2）报警窗口：以倒排时间顺序的方式列出所有生产过程的异常情况（异常状态、数值越限等）（3）最关键数据的常驻显示（4）实时趋势显示（5）检测及控制仪表的模拟显示（6）多窗口显示功能（7）灵活方便的画面调用方法（8）音响报警装置 工程师站：需要一个工程师站工程师站：是对干磨系统的DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、 维护的网络节点。主要功能：提供对DCS进行组态、配置工作的组态软件，并在DCS在线运行时
29、 ，实时地监视DCS网络上个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳工作状态下。（1）工程师站所提供的组态功能硬件配置组态功能：定义各个现场I/O控制站的站号、网络节点号等网络参数，站内的I/O配置，如各个I/O点信号性质，信号条理类型。数据库组态功能：定义数据库的各个参数，系统的数据库包括实时数据库和历史数据库，实时数据库组态主要对各数据库点逐点定义其名称、工程量转换系 数、上下限值、线性化处理、报警特性、报警条件等，历史数据库组态需要定义各个进入历史库的点的保存周期。 控制回路组态功能：该功能定义各个控制回路的控制算法、调节周期及调节参 数等。进行回路控制的组态，最常用的为功能模块图（FBD-Function Block Drawing) 逻辑控制及批控制组态：定义预先确定的处理过程，一般使用梯形图（LD）或顺控图（SFC）。三、指导教师评语：指导教师对学生设计方案的评语包括学生对国内外研究现状的了解情况、研究方法、研究手段、预期效果等予以评价。 指导教师签名： 年 月 日四、学院审查意见：学院领导签章： 年 月 日
