CN102151481B - 镁基—海水法船用脱硫工艺中监测和自动控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种镁基-海水法船用脱硫工艺中监测和自动控制系统，涉及船舶烟气脱硫自动控制领域。系统由工业控制机、可编程控制器(PLC)、PLC模拟输入输出模块、一次仪表、及现场执行机构等部件组成。PLC对现场执行系统进行控制：根据处理后SO2浓度调整循环泵变频器的频率；根据浆液池中浆液的pH值调整浆料的泵入量；根据脱硫塔中的各处温度调整海水的进入量；根据脱硫塔内液面高度调整排水泵的工作与否。工业控制机使用组态软件，进行数据处理和中央控制，实时显示设备状态数据，打印各种报表。本发明实时跟踪SO2含量，及时调整氧化镁粉量、海水量，实现脱硫率最佳控制。
Description
技术领域
本发明涉及烟气脱硫技术领域，尤其涉及到镁法和海水法脱硫工艺的监测和自控系统。
背景技术
船舶脱硫指标严格于一般工业脱硫，又受到船上特定环境的限制，船用脱硫研发应用技术和工艺困难很大，至今在国内外尚属空白。镁法脱硫效率能达到99％，镁基脱硫同时具有无二次污染、占用体积小、不结垢、运行成本低等优点，再者，考虑船舶工况，船上海水获取易淡水获取难。因此，镁基-海水法脱硫技术是适用于船舶特定工况的一种有效脱硫技术。
镁基-海水法的工作原理是：船舶烟气在风机驱动下经海水喷雾冷却，烟气温度降至100℃以下，通过多级Mg(OH)2浆料喷雾与烟气中的SO2反应，降低烟气中SO2浓度至达标排放。反应产物MgSO3随喷雾液降至浆料池，通过氧化形成MgSO4，随排水排放。按照一定流量注入制备的Mg(OH)2浆料，调节浆料液pH值，保证高效脱硫，按照一定流量补充新水、排放反应后喷雾液，保持浆料池液位恒定。
从浆料的制备、反应物的排放、以及脱硫的过程控制，镁基-海水法都不同于一般的湿法烟气脱硫系统。具有自身的工艺特点。为使该脱硫工艺正常运行，提高脱硫效率，减少S02排放量，确保达标排放，需要针对其工作流程，设计一个效率高、自动化程度高、运行稳定，经济节能，并能实现远程监控的烟气脱硫系统。
发明内容
为提供一种适用于镁基-海水法船用脱硫装置的监测和自动控制系统，使其能够长期可靠、达标运行，本发明设计了镁基-海水法船用脱硫工艺中监测和自动控制系统。
镁基-海水法船用脱硫工艺中主要包括脱硫塔、海水冷却喷雾单元、浆料罐、多级喷淋装置、海水，在所述的脱硫塔下部设有浆料池，浆料池上部为多级喷淋装置，通过氧化风机向浆料池中通入氧气，通过海水泵向浆料池中通入海水，浆料池底部设有排出泵；所述的浆料罐的上部设有蒸汽、氧化镁粉、海水管道，其中蒸汽管道上设有电动蒸汽阀，海水管道上设有海水流量计，浆料罐中设有搅拌器，浆料罐下端出料管道设有变频管道泵，出料管道上还设有浆料流量计并连接到多级喷淋装置；多级喷淋装置还通过喷淋泵连接到浆料池；锅炉烟气经过依次设有电动蝶阀、变频风机、烟气流量计的排烟管道进入海水冷却喷雾单元，海水冷却喷雾单元顺锅炉烟气通风方向喷雾，经冷却的锅炉烟气进入脱硫塔；脱硫塔顶部设有除雾网和新水喷淋装置，处理后烟气从脱硫塔的排烟口进入烟囱并排出，排烟口侧壁设有SO2分析仪探头；浆料池中还设有pH计，浮子式液位计。
通过Mg(OH)2浆料多级喷淋装置、浆料pH调控、给排水控制，依靠可靠的自动控制系统，研制而成本镁基-海水法船用脱硫系统，并通过SO2浓度测定确定对应的优化运行参数，实现装置长期可靠、达标运行。
本发明是通过下述技术方案实现：镁基-海水法船用脱硫工艺中监测和自动控制系统，其硬件系统包括由工业控制机及路由器、以太网组成的上位机单元，由PLC、PLC模拟输入输出模块、一次仪表、及现场执行机构组成的现场数据采集、执行单元，所述的一次仪表包括安装在浆料池的pH计、浮子式液位仪，安装在脱硫塔中测量烟气温度的热电偶，安装在浆料输送管路上的浆料流量计，安装在烟道中的烟气流量计，安装在脱硫塔末端的排出烟气的SO2分析仪探头，安装在烟气入口的入口SO2浓度测量装置；
所述的现场执行机构控制各种风机、泵、阀、搅拌器电机、变频器；
所述的PLC中控制程序包括用于对由一次仪表采集的模拟数据进行计算、处理的程序，设定了镁基-海水法船用脱硫工艺系统各相关部位的流量、温度、液位、浓度、料位、pH值的上限、下限，设定了烟气中S02含量的上限，设有超限报警程序，向电气控制单元发出相应控制指令的程序，还包括设有数字量即各现场执行机构的开关量的连锁、联动程序；
所述的工业控制机安装有组态软件，包括以下模块：
与PLC通讯的模块，接收各仪表测量数据及各执行设备的开启、关停状态数据；数据显示模块，实时显示各仪表测量数据及每台设备的开启、关停状态，进行数据统计、打印报表；数据处理模块，包括计算镁基-海水法船用脱硫系统的运行参数及环境效益和经济效益参数的程序，包括氢氧化镁耗量、系统耗电量、耗水量、脱硫效率，并用数字、棒图或曲线形式在终端上显示数据处理结果。
本发明的效果和益处是，将控制技术、计算机技术、网络通讯技术以及实际现场仪表和执行机构有机结合起来，针对镁基-海水法船用脱硫工艺的特点，采用自动调控喷雾液pH值技术，通过多路自动反馈电气控制系统，包括风机与蝶阀联动、液位恒定、喷雾流量和喷雾级数控制、浆料供给和给排水控制、风量和SO2浓度及浆料pH值测试等等，调控喷雾液pH值，使整机安全、可靠、达标运行。实现了对工艺过程的实时自动控制和远程监控。
附图说明
下面结合附图和具体的实施方式对本发明做进一步的描述。
图1为镁基-海水法船用脱硫系统原理图。
图2是本发明系统的示意框图；
图3是本发明中引风机频率控制回路的示意框图；
图4是本发明中氢氧化镁浆料流量控制回路的示意框图；
图5是本发明中脱硫塔浆料池液位控制回路的示意框图；
图6是本发明PLC接线原理框图；
图7是本发明PLC模拟量输入输出模块原理框图；
图8是本发明变频器电机接线原理框图。
图1中1、脱硫塔，2、浆料罐，3、烟囱，4、浆料池，5、海水，6、蒸汽，7、氧化镁粉，8、海水泵，9、海水流量计，10、电动阀，11、电动蒸汽阀，12、变频管道泵，13、浆料流量计，14、喷淋泵，15、排出泵，16、废液，17、氧化风机，18、锅炉烟气，19、电动蝶阀，20、变频风机，21、烟气流量计，22、处理后气体。
具体实施方式
下面结合实施例具体说明本发明。
如图2所示，本发明其硬件系统包括工业控制机、PLC、PLC模拟输入输出模块、一次仪表、及现场执行机构等部件。其中，工业控制机及路由器，以太网组成上位机单元；PLC、PLC模拟输入输出模块、一次仪表、及执行器组成现场数据采集、执行单元。一次仪表包括安装在浆料池、浆料罐的pH计、液位仪、热电偶，安装在浆料输送管路上的浆料流量计，安装在烟道中的烟气流量计，安装在脱硫塔末端的排出烟气的SO2分析仪探头，安装在入口的入口烟气的SO2浓度测量装置。
镁基-海水法船用脱硫工艺流程：从主烟道引出烟气，通过电动蝶阀和变频风机联动控制引风风量，通过烟气流量计显示引风风量。待处理烟气由风机出口进入喷雾冷却系统，顺通风方向喷雾，冷却烟气温度至100℃以下，辅助起到脱硫作用，且助烟气引风，冷却液和经冷却烟气一同进入脱硫塔。脱硫塔设有多级喷淋装置和液位恒定在1m左右的浆料池，氧化风机向池中提供氧气。采用喷淋泵抽取浆料池中浆料循环冷却喷淋、循环反应喷淋，形成冷却液和喷雾液在重力作用下降落至浆料池，气流向上最终经排烟口排到大气中。浆料罐中按比例投入海水和氧化镁粉，经电机搅拌和蒸汽恒温加热，熟化后通过变频管道泵从浆料罐下端出料口分四路向各喷淋管道定量提供新鲜浆料，采用阀门和流量计准确控制浆料供给量。随反应进行，浆料池中浆料pH逐渐下降，为保证高效脱硫，确定6.5-11之间的浆料pH变化范围，配备pH计进行实时监控。同时浆料池液位因烟气冷却过程中的蒸发作用而不断降低，在侧壁安装浮子式液位计反映冷却过程中的蒸发水量。浆料池外壁连接排出泵和海水泵，根据浆料pH变化情况和应用要求，控制排水泵流量和频率排出反应后喷雾液，并进一步调控海水泵按一定流量和频率补充新水，保持浆料池液位恒定在1m左右，兼具调节浆料pH的功能。脱硫塔顶部设有除雾网和新水喷淋装置，通过烟气流量测定控制新水喷淋的开启以及时清洗除雾网，同时起到补充新水的作用。排烟口侧壁引入SO2分析仪探头，用于SO2浓度测定。根据SO2浓度改变浆料喷淋反应级数，通过变频喷淋泵调节喷雾液流量，通过变频风机调节处理风量，保持SO2浓度至达标排放。
在该工艺的监测和自动控制系统中：
引风机频率控制回路的控制任务是通过调节风机频率，使锅炉烟气流量能满足设计要求；控制方案为引风机频率控制回路，参见图3，锅炉烟气在引风机的作用下经烟道进入脱硫塔，通过调节风机频率，使烟气流量能满足设计要求。系统首先测量引风机前烟气压力，转化为4-20mA信号送人PLC模拟输入模块，经PID(比例积分微分)计算后，将生成的0-20mA的控制信号经PLC模拟输出模块送入变频器，来实现引风机频率的闭环控制，使烟道中的压力能满足船上主机工作要求。
氢氧化镁浆料流量控制回路的控制任务是在脱硫设备满负荷范围调节氢氧化镁浆料流量，使氢氧化镁浆料的量能恰好满足与烟气中的SO2充分反应的要求，转化为亚硫酸镁。控制方案是为保证最佳吸收反应效果，对脱硫塔浆料池中pH值要严格控制，pH计将测得的值，转化为4-20mA信号送人PLC模拟输入模块，经PID(比例积分微分)计算后，送入浆料输送变频管道泵的变频器，调整浆料流量。在脱硫塔的入口和出口测量相应的未处理和处理后烟气中的SO2浓度并将其校正到相应烟气温度、压力和烟气量，通过这些测量值可计算出脱硫效率。
脱硫塔浆料池液位控制回路的控制任务是通过控制排水泵的工作与否，来调节脱硫塔液位。控制方案参见脱硫塔浆料池液位控制回路图5，脱硫塔浆料池的液位主要由脱硫塔氢氧化镁浆料供给量和废液排放量所决定。但是，进入脱硫塔的热烟气在脱硫塔内被冷却并带走了大量的气化水，这部分损失的水量将通过海水泵补充。当液面超过1000mm时，排出泵开始工作，当液面低于800mm时，海水泵工作泵入新水。
脱硫装置启停控制以及一些主要阀门的开关是通过PLC来完成，电气接线如图6所示。
上位机单元的工业控制机安装有组态软件，借助组态软件，上位单元与PLC通讯，接收各仪表测量数据及各执行设备的开启、关停状态数据；实时显示各仪表测量数据及每台设备的开启、关停状态，并可以进行数据统计、报表打印。
本发明将控制技术、计算机技术、网络通讯技术以及实际现场仪表和执行机构有机结合起来，实现了对工艺过程的实时自动控制和远程监控，使应用镁基-海水法船用脱硫工艺能够安全、可靠、达标运行。
本发明不局限于上述实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种镁基—海水法船用脱硫工艺中监测和自动控制系统，其硬件系统包括由工业控制机及路由器、以太网组成的上位机单元，由PLC、PLC模拟输入输出模块、一次仪表、及现场执行机构组成的现场数据采集、执行单元，其特征在于：所述的一次仪表包括安装在浆料池的pH计、浮子式液位仪，安装在脱硫塔中测量烟气温度的热电偶，安装在浆料输送管路上的浆料流量计，安装在烟道中的烟气流量计，安装在脱硫塔末端的排出烟气的SO2分析仪探头，安装在烟气入口的入口SO2浓度测量装置；
所述的现场执行机构控制各种风机、泵、阀、搅拌器电机、变频器；
所述的PLC中控制程序包括用于对由一次仪表采集的模拟数据进行计算、处理的程序，设定了镁基—海水法船用脱硫工艺系统各相关部位的流量、温度、液位、浓度、料位、pH值的上限、下限，设定了烟气中SO2含量的上限，设有超限报警程序，向电气控制单元发出相应控制指令的程序，还包括设有数字量即各现场执行机构的开关量的连锁、联动程序；
所述的工业控制机安装有组态软件，包括以下模块：
与PLC通讯的模块，接收各仪表测量数据及各执行设备的开启、关停状态数据；数据显示模块，实时显示各仪表测量数据及每台设备的开启、关停状态，进行数据统计、打印报表；数据处理模块，包括计算镁基—海水法船用脱硫系统的运行参数及环境效益和经济效益参数的程序，包括氢氧化镁耗量、系统耗电量、耗水量、脱硫效率，并用数字、棒图或曲线形式在终端上显示数据处理结果。
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