FGD热控系统主要设备的设计及选型资料

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随着环保要求的不断提高，烟气脱硫将在我国得到越来越多的应用。对于燃煤电厂仪表与控制专业的技术和设计人员来讲，由于FGD系统涉及新的工艺和介质，仪控设备的种类和要求有了新的变化，因此仪控设备的选型及安装需要考虑FGD系统的特殊性。本文以湿法(石灰/石灰石一石膏)烟气脱硫工艺为例，根据笔者在同类工程设计过程中的一些经验，对有关仪控设备选型及安装方面的几个主要问题作一探讨。
1主控系统
   主控系统的设置和选型宜考虑以下几个因素：
  （1）机组的控制水平
目前我国125 MW及以上容量的机组大部分已采用DCS作为主控系统，尚未采用的机组也将逐步地进行DCS改造，因此，对于与燃煤机组配套的FGD系统也应考虑采用DCS或PLC进行监控。如FGD装置与机组同步建设，可将FGD装置的监控纳入机组DCS，以提高电厂的整体控制水平。对于现有机组新增FGD装置，为了不影响现有机组的运行，宜在FGD区域设置就地控制室，采用一套独立的DCS或PLC进行监控。对于新建机组配套的FGD装置，由于FGD 的控制纳入机组的DCS，就地仅设置电子设备室。
（2）控制系统规模
FGD系统中的测点不是很多，但需控制的阀门和设备较多，以杭州半山发电厂(2×125MW )FGD系统为例，该系统包括一套废水处理系统，其电气控制也纳入DCS，总测点约300点，控制对象约320个，I/O点数在2000以内。整个系统以顺序控制为主，兼有闭环控制回路。
国内部分已投运的湿法烟气脱硫装置所采用的主控系统见表1。
电 厂        FGD合同商        主控系统
华能珞璜电厂(4×360MW)        日本三菱        山武一霍尼韦尔MI-CR0 TDCS-3000
重庆电厂(2×200MW)、杭州半山发电厂(2×125MW)、北京第一热电厂(2×70MW)        德国LCS        西门子TELEPERMXP
粤连电厂(2×125MW)        奥地利AE        横河西仪CENTUM- CS1000

DCS或PLC设备的选型过程中除了考虑系统软硬件的配置是否符合FGD装置的过程控制要求及是否经济合理外，还应考虑制造商的工程应用经验，特别是在初次设计FGD装置的控制系统时，更应考虑制造商在脱硫及电厂工程中的信誉及经验。

2 就地测量设备
FGD系统需测量的项目有烟气参数(温度、压力、流量、SO2含量、含尘量等)、石灰石浆液和石膏浆液的浓度及流量、吸收塔浆液的pH值、石灰石粉仓料位、浆罐的液位等。下文分别介绍FGD系统主要测量设备的选型和安装。
2.1 烟气SO2测量
   烟气SO2测量方法有非分散性红外吸收（NDIR）法、非分散性紫外吸收（NDUV）法和紫外脉冲荧光法等。
表2主要SO2分析仪的测量方法
NDIR法        Siemens        ULTRAMAT23
        ABB Hart-mann＆Braun        Uras 14
NDUV法        Forney Anarad        AR-30 C SO2分析仪
        Rose-mount        NGA 2000-MLT4
紫外脉冲荧光法        美国热电子公司        43 C SO2分析仪
        美国环境有限公司        ESC 7100型SO2分析仪
        Forney公司        5700 SO2分析仪

采用NDIR法和NDUV法的分析仪通常使用在加热采样系统中，而采用紫外脉冲荧光法的分析仪通常使用在稀释采样系统中。加热采样系统和稀释采样系统的优缺点如下：
（1）稀释采样系统采用大量的干空气稀释烟气(稀释比为1:50～1:200)，所采用的分析仪要求灵敏度较高，故价格也高；但另一方面，样品气对仪器的腐蚀小，仪器维护量少。
（2）加热采样系统抽气量一般要求大于2L/min，而稀释采样系统一般只要求大于0.5L/min。抽气量大，探头过滤器容易堵塞，相应的反吹和维护量增加。
（3）加热采样系统一般要求加热样管中的烟气维持在140℃～160℃左右，以防止烟气中的水汽在采样管路中的凝结，但在送达分析系统前需降温、脱水，烟气中的溶水性污染物就会损失，影响测量结果。因此，必须经常进行系统标定，以确定溶水性损失的多少，增加了日常维护费用。而稀释采样系统的样气经稀释后直接送人分析仪，无溶水性损失、测量精确、分析系统稳定、标气耗量少、日常运行维护量少。
   （4）加热采样系统一般为负压传输，易漏气，因而采样管路不宜太长；另一方面，管路的加长也会增加设备造价；而稀释采样系统一般为正压传输，不怕传输管路上的微小泄漏，样气可长距离传输。
   （5）加热采样系统测得的SO2多为干基，因此计算排放总量时需用湿度进行补偿，而稀释采样系统测得的SO2为湿基，计算排放率时需用湿度进行换算。
烟气SO2含量作为控制加入吸收塔石灰石浆流量的一个重要参数，其测量系统必须精确可靠，另外，FGD出口SO2含量的测量也是烟气连续监测系统（CEMS）的一部分，因此，应选择技术先进、质量可靠、符合我国环保法规、得到有关部门认可的产品。烟气SO2含量的测量系统包括采样装置、样气预处理系统、SO2分析仪及控制器等，在选型过程中应注意整个测量系统的性能和质量。
     SO2测量一般采用抽取法，由于气态污染物混合比较均匀，故脱硫前的SO2含量测量装置一般安装在有一定直管段的原烟气烟道上，位于脱硫装置上游不小于半倍烟道当量直径处；脱硫后的SO2含量测量装置一般安装在靠近烟囱的净烟气烟道上，位于脱硫装置下游不小于两倍烟道当量直径处。采样点离烟道内壁的距离必须不小于1 m或者1/3的烟道当量直径。选择测量点的位置时还应考虑相应的校验监测孔位置。
2.2 烟气含尘测量
     测量FGD装置入口的烟气含尘量是为了防止含尘量过高的烟气进入吸收塔，影响吸收塔内的化学反应及石膏品质，出口烟气含尘量的测量是CEMS的一个子系统。
烟气含尘测量装置大多数为黑度法或浊度法，如德国Sick的OMD 41测尘仪、芬兰Mip oy的LM 3188激光测尘仪、德国Durag的D-R280-10粉尘浓度计、南京电力环境保护研究所的JYZ-1型烟气浊度在线监测仪及美国Rose—mount的OPM 2000 R浊度/尘浓度监测仪等。美国ESC的P-5B测尘仪则利用红外光后散射原理来测量烟尘的浓度。澳大利亚Goyen的EMP烟尘监测系统是利用电荷感应技术的产品。还有采用β射线吸收法来测量的。
目前，烟尘连续测量大多采用浊度法或光散射法。静电法一般不适用于烟尘浓度的连续测量，而用于布袋除尘器的破漏报警。β射线吸收法可进行短期的连续测量，但不适于长期连续测量。不同的测量方法对校准、安装、维护的要求以及受烟尘浓度分布、粒度和颜色的影响是不同的。选型时应考虑测量精度、现有安装地点条件、工程服务及价格等因素。光学测量设备应装在无水滴和水雾、振动小的烟道上。测尘仪的安装应避开烟道弯头和断面急剧变化部位，优先选择垂直直管段，若烟道直管段长度大于6倍的烟道当量直径，则监测孔前的直管段长度应不小于4倍的烟道当量直径，且监测孔后的直管段长度应不小于2倍的烟道当量直径。FGD装置由于受现场条件的限制，烟道直管段一般都小于6倍烟道当量直径，应尽可能选择气流稳定的断面，并保证监测孔前的直管段长度大于监测孔后的直管段长度。对于垂直管段，测量光束应通过烟道中心；对于水平管道应考虑烟尘的重力沉降因素。不管选用何种产品，现场校准和标定工作很重要。
2.3 烟气流量测定
烟气流量测量采用“流速-面积”法，通过测量烟气流速，由流速和测量烟道截面积计算得到。烟气流速的测量主要有压差法、超声波法、热传导和时间差法等。
采用压差法的有美国ESC的M 6100皮托管流量计、Air Monitor公司的VOLU —PROBE/SS型不锈钢皮托气体流量传感器等。
采用超声波法的有Sick公司的FI OWSIC106气体流速测量装置。
热导法的产品有美国Kurz公司的454热导式质量流量计、美国Sierra公司670系列多点质量流量计、EPI的9000 MP系列多点质量流量计等。
采用时间差法有英国Codel公司的Codel-500流量计。
烟气流量测量装置的选型与安装主要应考虑：
（1）烟气的成分，特别是含尘量、腐蚀性气体的含量；
（2）烟道的形状和直管段长度。烟气流量测量一般要求烟道直管段长度大于6倍的烟道当量直径，安装位置前的直管段长度不小于4倍的烟道当量直径，安装位置后的直管段长度不小于2倍的烟道当量直径。然而，FGD系统的烟道通常受现场场地条件的限制，很难有这么长的直管段，因而需对烟道中的流场进行分析，选取最佳的测量位置，并采取多点测量等措施。另外，还需做好现场校准和标定工作。
2.4 浆液浓度测量
石灰石浆浓度一般为20~30%，石膏浆的浓度一般为10~30%，主要采用质量流量计或放射性密度计来测量。另外，还有差压式和超声波密度测量装置。质量流量计主要产品有美国Fisher-Rose-mount公司的D型质量流量计、德国Krohne公司的Corimass系列质量流量计、德国Endreaa+Hauser公司的Promass系列质量流量计、德国Rheonik公司的HM/RHE系列质量流量计等。
选型时应向厂商提供浆液名称及化学式、浆液工作流量和密度、压力和温度、要求测量精度、允许最大压损等。质量流量计的价格随着公称直径的增大而迅速增加，因此，在浆液流量很大的情况下，（譬如>70t/h），可以在需测量的管路上引出一段测量支管。质量流量计最好安装在浆液自下而上的垂直管道上，若装至水平管道上，应使变送器的外壳垂直向下。
放射性密度计安装在浆液管的外面，与浆液不直接接触。安装方便，维护量少，不会造成浆液的压力损失。缺点是：测量信号与浓度不呈线性；管道内壁结垢及磨损将引起测量误差。选购时应向厂商提供测点处管道尺寸及材料密度、保温层厚度及材料密度、内衬厚度及材料密度、浆液密度、压力和温度、要求测量精度等。用户需根据厂商提供的放射源数据单到当地的卫生防疫部门申请放射源购买许可批文。所选用的放射性密度计应符合GB 16368—1996~含密封源仪表的放射卫生防护标准》。
2.5 pH 值测量
吸收塔中浆液pH值是一个关键参数。pH值高有利于SO2的吸收但不利于石灰石的溶解，反之，则有利于石灰石的溶解而不利于SO2的吸收。为兼顾两者的最佳水平，对于强制氧化的吸收塔，一般pH 值控制在5~6范围内。通过调节加入吸收塔的新鲜石灰石浆流量来控制pH值。
pH 值测量传感器有浸入式、通流式和直接插入式3种。其中浸入式传感器在测量时插入浆液箱罐中。维护和校准时从箱罐中取出。因此易于维护，但容易造成泄漏；通流式传感器安装在取样管上，后者容易堵塞；直接插入式传感器通过一根带阀门的短管直接插入浆液管路，需要维护和校准时，将传感器拔出并关上阀门。通流式和直接插入式传感器都容易受高速浆液的磨损。
吸收塔浆液的pH值测量一般设在石膏浆排放泵出口，通常选用通流式传感器，在出口管路上引一测量支路至一测量腔体用于pH值测量并设置一路冲洗水管路定期对测量电极进行冲洗。有的pH计厂家建议采用直接插入式传感器，直接安装在石膏浆排放管上，依靠浆液的冲刷作用来清洁测量电极，可以不用设置冲洗管路。
PH测量电极受浆液的磨损和粘结极易沾污和老化，选型时可以根据工艺系统设置的具体情况与厂家一起探讨pH值测量设备的最佳配置及控制方案。
2.6物位测量
FGD系统中需要测量的物位有：石灰石仓料位、石灰石粉仓料位、石膏仓料位、吸收塔液位、石灰石浆及石膏浆箱池液位、工艺水及滤液水箱池液位、脱水皮带机石膏浆厚度及废水处理系统中化学药品储罐等物位，涉及块状、粉状固体、浆液、液体、化学药品等多种形态的介质，应根据不同的应用场合选择适宜的物位测量装置。
石灰石仓、石灰石粉仓及石膏仓料位的测量目的是为了监控上料和卸料，信号用于联锁和报警，因此，可以采用料位开关来测量高低料位。石灰石仓装的是块状固体，粒径一般为几十mm。石灰石粉仓和石膏仓，装的是细粉状固体，象半山发电厂脱硫工程的石灰石粉细度为≤63 m（90％），而且石灰石粉一般是通过气力从密封罐车输送至粉仓，通过粉仓底部流化装置流化排粉。可以选用阻旋式、振动式或射频导纳式料位开关，高料位采用顶装式（垂直安装）、低料位采用侧装式（水平安装）较好。水平安装的阻旋式料位开关在测量石灰石时应安装保护挡板以免旋叶和轴直接受到物料的冲击。
浆液贮存器都设置搅拌器以防固体沉积，因此液位测量时要考虑搅拌器对测量设备安装的影响。吸收塔反应池液位及浆液箱罐的液位一般采用法兰式液位变送器来测量，并应考虑浆液密度的影响。对于浆液箱罐的液位也可采用超声波液位计。对于在地面下的浆液池一般选用超声波位计。对于真空皮带脱水机上的浆液厚度可采用超声波物位计。

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