（热能工程专业论文）300mw石灰石石膏湿法脱硫仿真机的开发与应用.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 论文以大唐桂冠合山发电有限公司3 0 0 m w 机组石灰石石膏湿法脱硫系 统( w f g d ) 为研究对象，开发了该系统的实时仿真算法并进行了通用模块化设 计，新算法主要包括脱硫塔喷淋区、脱硫塔氧化结晶区、旋流分离器、真空 皮带过滤机、湿式球磨机等。运用基于图元的工程模块化建模方法，建立了 湿法脱硫系统动态实时仿真数学模型。完成了仿真x d p s 监控系统的组态， 仿真p l c 湿式球磨机控制画面的设计及组态，仿真就地系统画面的设计及组 态。开发完成的3 0 0 m w 机组石灰石石膏湿法脱硫仿真机在现场运行人员的 培训中得到了成功应用。 关键词：石灰石石膏，湿法脱硫，仿真机，模型 a b s t r a c t t h i st h e s i sf o c u s c so nt h el i m e s t o n e g y p s u mw e td e s u l f u r i z a t i o n ( w f g d ) s y s t e mo f30 0 m wu n i ti ng u a n g x ih e s h a nt h e r m a lp o w e rp l a n t a b o u tt h i s s y s t e m sr e a l t i m ee m u l a t i o na l g o r i t h ma n dt h eg e n e r a lm o d u l a rd e s i g nh a sb e e n c a r r i e do u t 1 1 1 en e wa l g o r i t h mm a i n l yi n c l u d e st h ed e s u l f u r i z e rt os p r a yt h ea r e a , t h e d e s u l f u r i z e ro x i d a t i o nc r y s t a l l i z i n gf i e l d ，t h ee d d ys e p a r a t o r , t h ev a c u u ml e a t h e rb e l t p u r i f i e r , t h ew e tb a l lm i l la n ds oo n b a s e do ne n g i n e e r i n gm o d u l a r i z em e t h o d ， r e a l t i m es i m u l a t i o nm a t h e m a t i cm o d e lo fw f g dw a se s t a b l i s h v a r i o u sw o r k h a v e b e e nc a r r i e do u ti n c l u d i n gc o n f i g u r a t i o no fs i m u l a t i o nx d p sm o n i t o rs y s t e m ， d e s i g na n dc o n f i g u r a t i o no fs i m u l a t i o np l c w e tb a l lm i l lc o n t r o lp i c t u r e s ，d e s i g n a n dc o n f i g u r a t i o no fs i m u l a t i o no nt h es p o ts y s t e mp i c t u r e s t h e3o o m wu n i t w f g ds i m u l a t o rh a sb e e ns u c c e s s f u l l yi m p l e m e n t e di no p e r a t i o ns t a f ft r a i n i n g s u nd o n g l e i ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f l i uy a n f e n g k e y w o r d s ：l i m e s t o n e g y p s u m ，w f g d ，s i m u l a t o r , m o d e l 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 论文以太唐桂冠合山发电有限公司3 0 0 m w 机组石灰石一石膏湿法脱硫系 统( w f g d ) 为研究对象，开发了该系统的实时仿真算法并进行了通用模块化设 计，新算法主要包括脱硫塔喷淋区、脱硫塔氧化结晶区、旋流分离器、真空 皮带过滤机、湿式球磨机等。运用基于图元的工程摸块化建模方法，建立了 湿法脱硫系统动态实时仿真数学模型。完成了仿真x d p s 监控系统的组态， 仿真p l c 湿式球磨机控制画面的设计及组态，仿真就地系统画面的设计及组 态。开发完成的3 0 0 m w 机组石灰石- 石膏湿法脱硫仿真机在现场运行人员的 培训中得到了成功应用。 关键词t 石灰石- 石膏，湿法脱硫，仿真机，模型 a b s t r a c t t h i st h e s i sf o c u s e so nt h el i m e s t o n e - g y p s u mw e td e s u l f i u h z a t i o n ( w f o d ) s y s t e mo f3 0 0 m wu n i ti ng u a n g x ih e s h a nt h e r m a lp o w e rp l a n t a b o u tt h i s s y s t e m sr e a l - t i m ee m u l a t i o na l g o r i t h ma n dt h eg e n e r a lm o d u l a rd e s i g nh a sb e e n c r a f t e do u t h en e w 甜g o f i t h mm a i n l yi n c l u d e st h ed e s a l f u r i z e rt os p r a yt h ea r e a , t h e d e s u l f u r i z e ro x i d a t i o nc r y s t a l l i z i n gf i e l d , t h ee d d ys e p a r a t o r ，t h ev a c u l l r l ll e a t h e rb e l t p u d f i 鹄t h ew e tb a l lm i l la n ds oo n b a s e do i le n g i n e e r i n gm o d u l a r i z em e t h o d ， r e a l t i m es i m u l a t i o nm a t h e m a t i cm o d e lo fw f g dw a se s t a b l i s h v a r i o u sw o r k h a v e b e e nc a r r i e do u t i n c l u d i n gc o n f i g u r a t i o no fs i m u l a t i o n x d p s m o n i t o rs y s t e m ， d e s i g na n dc o n f i g u r a t i o no fs i m u l a t i o np l cw e tb a l lm i l lc o n t r o lp i c t u r e s ，d e s i g n a n dc o n f i g u r a t i o no fs i m u l a t i o no nt h es p o ts y s t e mp i c t u r e s t h e3 0 0 m wu n i t w f g ds i m u l a t o r h a sb e e ns u c c e s s f u l l y i m p l e m e n t e d i no p e r a t i o ns t a f f t r a i n i n g s u nd o n g l e i ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o ll i uy a n f e n g k e y w o r d s ：l i m e s t o n e - g y p s u m w f g d ，s i m u l a t o r sm o d e l 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文3 0 0 m w 石灰石一石膏湿法脱 硫仿真机的开发与应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导 下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致 谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：乏! 垄垄 日 期：呈芝：兰：墨 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：主墅彳砺导师签名： 日期： 芝亟：星 日 函a # 期：! 壁：益二1 0 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 1 1 1 我国的能源消费结构 1 绪论 目前煤炭是世界能源供给的重要来源。2 0 0 2 年我国煤炭资源在全球占1 1 6 7 ， 居世界第三位，煤炭生产、消费居世界第一位，煤炭工业在国民经济中古有重要地 位，煤炭在我国一次性能源结构中始终占6 5 以上，在5 0 年代比例曾高达9 0 ， 1 9 8 5 年占7 5 1 ，1 9 9 6 年占7 5 。近年来构成的比例略有下降但幅度不大【l 】。2 0 0 2 年，在中国的能源消费结构中，煤炭所占比重为6 6 3 2 ，石油为2 3 4 1 ，天然气 为2 5 6 ，水电为7 1 0 ，核电为0 6 1 。2 0 0 3 年，在中国的能源消费结构中，煤 炭所占比重为6 8 3 8 ，石油为2 2 2 1 ，天然气为2 5 8 ，水电为5 9 3 、核电为 0 9 0 。2 0 0 4 年，在中国的能源消费结构中，煤炭所占比重为6 7 9 9 ，石油为2 2 3 3 ， 天然气为2 6 0 ，水电为6 2 0 、核电为o 8 8 t 引。 随着我国经济的高速稳定发展，在当前国际原油价格高居不下的情况下，在未 来几十年内，煤炭仍将是我国的主要能源和重要的战略物资，其在我国的能源结构 中的主导地位将是长期的和稳固的，在较长的时间内不会改变。近年来全国环境统 计煤炭耗量见表1 1 1 3 ，叭。 表1 1 全国环境统计煤炭消耗量 项目 煤炭消耗量( 万吨) 工业 年度 合计生活 燃料煤原料煤 2 0 0 01 3 7 5 8 l8 1 1 8 83 8 1 5 61 8 2 3 7 2 0 0 11 4 2 2 1 79 1 2 3 43 0 5 7 12 0 4 1 2 2 0 0 21 5 2 8 1 29 7 2 6 43 6 5 2 41 9 0 2 4 2 0 0 31 7 2 4 3 01 1 0 7 2 84 2 6 2 41 9 0 7 8 2 0 0 4 1 9 5 6 1 l1 2 5 9 7 2 5 0 0 2 61 9 6 1 3 2 0 0 52 2 6 1 6 41 4 3 6 2 76 0 7 9 62 1 7 4 l 我国的煤炭资源构成中高硫煤占有比较大的比重，据统计，全国统配煤矿和重 点煤矿硫分大于3 高硫煤占总储量7 8 0 t 5 1 。 华北电力大学硕十学位论文 1 1 2 二氧化硫排放现状及相关政策法规 根椐我国的能源消费结构及煤炭资源构成，不可避免带来了巨大的s 0 2 排放量。 s 0 2 气体具有低浓度、长期污染的性质，对生态环境是一种慢性、叠加性的长期危 害。s 0 2 对人类健康有很大影响，它通过呼吸系统进入人体，引起或加重呼吸器官 的疾病，甚至导致死亡。s 0 2 还是形成酸雨的重要组成部分，酸雨对水生生态系统、 农业生态系统、森林生态系统、建筑物和材料、人体健康等方面均有危害。可以说， s 0 2 给人类带来最严重的问题是酸雨，它对人类生存的生态环境造成严重破坏1 6 l 。 根据国家环保总局近年来发布的环境统计年报中的数据，我国燃煤电厂二氧化 硫的排放现状为： 1 ) 2 0 0 3 年，全国重点统计的1 1 5 8 家火电厂共消耗燃料煤7 亿吨，占全国工业 燃料煤消耗总量的5 9 6 。全国火电厂二氧化硫排放量为8 2 6 万吨，比上年增长 2 4 o ，其排放量占全国工业二氧化硫排放量的4 6 1 。各地区中，火电厂二氧化 硫排放量排名前五位的地区依次为山东、河北、广东、山西、河南，这五个地区火 电厂的二氧化硫排放量占全国火电厂二氧化硫排放量的3 8 1 。 2 0 0 3 年，1 1 5 8 家火电厂装配脱硫设施9 8 6 套，共去除二氧化硫1 0 1 万吨，去 除率为1 0 9 ，略低于上年，仍远低于全国工业二氧化硫的平均去除率( 2 9 5 ) 。 2 ) 2 0 0 4 年，纳入环境统计范围的电力企业( 包括热电生产和供应等企业) 2 0 6 9 家、耗煤量为8 7 亿吨，占全国工业煤炭消耗量的4 9 4 。其中，火电厂1 1 9 6 家， 共消耗7 8 亿吨煤，占全国工业煤炭消耗量的4 4 3 。全国火电厂二氧化硫排放量 为9 2 9 万吨，比上年增长1 2 5 ，其排放量占全国工业二氧化硫排放量的4 9 。1 。 各地区中，火电厂二氧化硫排放量排名前5 位的省( 区市) 依次为山东、河北、河南、 内蒙古、山西，这5 个省区火电厂的二氧化硫排放量占全国火电厂二氧化硫排放量 的3 3 8 。 2 0 0 4 年，1 1 9 6 家火电厂中，有4 2 5 家安装了脱硫设施1 1 1 0 套，去除二氧化硫 1 5 7 万吨，去除率为1 4 5 ，比上年升高3 6 个百分点，仍远低于全国工业二氧化 硫的平均去除率( 3 2 o ) 。 3 ) 2 0 0 5 年，纳入重点调查范围的电力企业( 包括热电生产和供应等企业) 2 3 5 6 家，耗煤量为9 6 亿吨，占全国工业煤炭消耗量的6 6 5 。其中，火电厂1 4 0 3 家， 共消耗9 0 亿吨煤，占全国工业煤炭消耗量的6 2 。7 。全国火电厂二氧化硫排放量 为1 1 1 l 万吨，比上年增长1 9 6 ，其排放量占全国工业二氧化硫排放量的5 1 3 。 各地区中，火电厂二氧化硫排放量排名前5 位的省( 区) 依次为河南、山东、内蒙古、 江苏、广东，这5 个省( 区) 火电厂的二氧化硫排放量占全国火电厂二氧化硫排放量 2 华北电力大学硕士学位论文 的3 6 3 。 2 0 0 5 年，在1 4 0 3 家火电厂中，有5 6 6 家安装了脱硫设施，共1 4 3 6 套，去除二 氧化硫2 3 0 万吨，去除率为2 0 7 ，比上年升高6 2 个百分点，仍远低于全国工业 二氧化硫的平均去除率( 3 3 。5 ) 。 4 ) 2 0 0 6 年，纳入重点调查范围的电力企业( 包括火电、热电生产和自备电 厂) 2 5 6 3 家，其中，火电厂1 5 7 1 家，燃料煤消耗量为1 0 3 亿吨，占全国工业煤炭 消耗量的4 4 8 。全国火电厂二氧化硫排放量为1 1 5 5 万吨，比上年增加4 o ，其 排放量占全国工业二氧化硫排放量的5 1 7 。 2 0 0 6 年，在1 5 7 1 家火电厂中，共安装了2 2 9 7 套脱硫设施，比上年增加8 6 1 套。去除二氧化硫4 0 7 万吨，比上年增加7 6 9 ，去除率达到2 6 0 ，比上年提高 5 3 个百分点，仍远低于全国工业二氧化硫的平均去除率( 3 3 5 ) 。 从以上数据可以看出，近几年来全国火电厂二氧化硫排放量占全国工业二氧化 硫排放量的一半左右，每年略有增长。随着脱硫设施的大规模建设及投用，二氧化 硫的去除率则每年增长大约5 、6 个百分点，仍然远低于全国工业二氧化硫的平均 去除率。所以，在未来较长时间里，电力工业在完成全国二氧化硫总量削减任务中， 仍发挥举足轻重的作用。 中华人民共和国大气污染防治法修订后实施( 2 0 0 0 年9 月1 日起) ，使污染物排 放总量控制成为一项法定的要求。 2 0 0 0 年国家经贸委发布了火电厂烟气脱硫关键技术与设备国产化规划要点。 2 0 0 1 年，国家环境保护“十五 计划颁布，要求全国电力二氧化硫排放要比2 0 0 0 年减少1 0 2 0 。2 0 0 2 年国务院批复了两控区酸雨和二氧化硫污染防治“十五 计划，提出要确保2 0 0 5 年“两控区 内二氧化硫排放量比2 0 0 0 年减少2 0 。2 0 0 2 年，国家环保总局、国家经贸委、科技部联合颁布了燃煤二氧化硫排放污染防治 技术政策，对火电厂安装烟气脱硫设施的适用范围、技术路线等提出了具体要求。 2 0 0 5 年国家发改委关于国家发改委关于加快火电厂烟气脱硫产业化发展的若 干意见提出要充分认识加快火电厂烟气脱硫产业化发展的重要意义，并确定了火 电厂烟气脱硫工艺技术选择原则，即对于燃用含硫量大于l 的煤( 含1 ) 并且容量 大于2 0 0 m w ( 含 2 0 0 m w ) 的机组，建设烟气脱硫设施应重点考虑采用石灰石石膏湿 法脱硫工艺技术。 2 0 0 7 年3 月1 4 日第十届全国人大四次会议表决通过的中华人民共和国国民 经济和社会发展第十一个五年规划纲要中明确要求“十一五”期间把主要污染物 的排放总量减少1 0 ，并且作为约束性指标。纲要中提出，在大力发展经济的同时， 3 华北电力大学硕士学位论文 建设资源节约型、环境友好型社会，加大环境保护力度。其中加强大气污染防治一 条中要求加快现有燃煤电厂脱硫设施建设，新建燃煤电厂必须根据排放标准安装脱 硫装置。在国务院批复的“十一五期间全国主要污染物排放总量控制计划中，电 力行业二氧化硫总量实行计划单列，要求到2 0 1 0 年电力行业的二氧化硫总量要控 制在9 5 0 万吨左右，比2 0 0 5 年降低近3 0 ，对实现1 0 的减排目标贡献率高达9 0 以上。 1 1 3 燃煤电厂二氧化硫的减排 二氧化硫的治理就燃烧进程可分为燃烧前、燃烧中和燃烧后进行三大类。燃烧 前脱硫是指对燃料进行处理，如洗煤、煤的气化和液化等；燃烧中脱硫是指煤炭的 高效洁净燃烧技术，如循环流化床燃烧技术和各种先进的燃煤联合循环技术等；燃 烧后脱硫即指烟气脱硫【引。 我国燃煤机组大多为煤粉炉，对常规燃烧煤粉的电站锅炉，在炉膛内的燃烧环 境下，几乎煤中所有的可燃硫分均会迅速转化成为s 0 2 。由于煤粉炉的燃烧温度很 高，就目前的技术水平和现实能力而言，现在还没有在炉膛内的燃烧过程中高效脱 除s 0 2 的技术措施，也不可能通过改进煤粉炉内燃烧过程来抑制s 0 2 的生成，因此， 烟气脱硫是降低电站锅炉s 0 2 排放量比较有效可行的技术手段【7 1 。近年来，烟气脱 硫技术发展非常迅速，通过烟气净化技术控制硫氧化物的排放得到广泛应用。综合 考虑技术成熟度和经济承受能力，烟气脱硫技术是目前世界上最大规模商业化应用 的脱硫方式，也是我国燃煤电厂控制二氧化硫排放的主要手段。 按照脱硫方法烟气脱硫可以分为干法半干法和湿法两类；按反应产物的处理方 法分类，可分成回收法和抛弃法；按脱硫剂的使用情况分类，又可分为再生法和非 再生法。在国内外烟气脱硫工艺中，石灰石石膏湿法脱硫工艺的发展至今已有近 4 0 年的历史，技术成熟，工业应用广，市场占有率最高。常见烟气脱硫技术经济比 较如表1 2 【8 】。 国家环境保护总局2 0 0 7 年第1 8 号公告中的附伴2 0 0 6 年全国新投运脱硫项目 公布的数据显示，在2 0 0 6 年中国华能等六家电力集团公司新建燃煤机组烟气脱硫 设施涉及2 4 6 家燃煤电厂共计3 1 4 项。其中石灰石石膏湿法脱硫系统2 6 2 项，循 环流化床2 8 项，其它如海水脱硫、n i d 半干法、r c f b 干法、双碱法等共计2 4 项 1 9 】。由此看出，目前我国石灰石石膏湿法烟气脱硫技术相对成熟，在燃煤电厂脱硫 项目中占有率最高。 4 华北电力大学硕士学位论文 表1 2常见烟气脱硫技术经济比较 石灰石海水法氨法氧化镁法c f b r c f b喷雾法l i f a c电子束法 石膏法 工艺成熟成熟成熟 成熟 成熟 成熟成熟成熟工业示范 工艺难易较复杂较简单复杂复杂较简单较简单简单复杂 应用业绩多 少 少少 较少较多较少无 煤种适用 不受限制低硫煤中、高硫煤中、高硫煤 中、高硫煤中、高硫煤中、高硫煤 中、高硫煤 机组容量不受限制中、小机组中、小机组中、小机组中、小机组中、小机组 中、小机组 中、小机组 脱硫效率 9 5 9 0 9 0 9 0 9 0 7 0 8 5 6 0 8 0 9 5 吸收剂石灰石海水 液氨 氧化镁消石灰消石灰石灰石氨 吸收剂来源广泛地理限制广泛 受限制较困难 较困难 广泛 受限制 废水处理需处理处理量大无废水需处理无废水无废水无废水无废水 一次投资较高较低很高高低较低低较高 运行成本较高低 较高 高 较低 较高高较高 硫酸镁硫酸铵 副产品石膏无硫酸铵亚硫酸钙亚硫酸钙亚硫酸钙 亚硫酸镁 硝酸铵 石灰石石膏湿法脱硫系统的工艺流程为烟气系统把烟气送入脱硫塔，在完成 脱硫净化的过程后，。洁净烟气由烟气系统排出。脱硫塔消耗的脱硫剂由制浆系统补 充，生成的石膏浆液经石膏脱水后排出，产生的废水大部分回收利用，都分进入废 水处理系统。该系统中脱硫塔为最关键设备，其结构示意见图1 1 。 石灰石石膏湿法脱硫系统的主要特点有： 1 ) 技术成熟，运行可靠。该工艺的发展至今已有近4 0 年的历史。国外燃煤电 厂石灰石石膏湿法脱硫装置投运率一般可达9 8 以上。 2 ) 脱硫效率高。该工艺的脱硫效率高达9 5 以上。同时，在脱除s 0 2 时也对 烟气进行了洗涤，所以不但除去了烟气中的s 0 2 ，而且大大减少了烟气中的含尘量。 3 ) 对煤种变化的适应性强。无论是高硫煤( 含硫量大于3 ) 还是低硫煤( 含硫量 低于1 ) ，石灰石石膏湿法脱硫工艺都能取得较高的脱硫效率。 4 ) 吸收剂来源丰富，价格便宜。石灰石在我国分布很广，资源丰富；而且许 多地区出产的石灰石品位很高，c a c 0 3 含量在9 0 , - - - , 9 5 以上。 5 ) 脱硫副产物可以被综合利用。石灰石一石膏湿法脱硫工艺的脱硫副产物为石 膏，可以用来生产建材产品，或者用作水泥的添加剂( 缓凝剂) 。 6 ) 在商业应用过程中存在着设备庞大、投资和运行维护费用高等问题。 7 ) 存在废水处理问题。 5 华北电力人学硕士学位论文 浆报喷淋层 厦烟气 口 囊 。 浆液袍 挝掉 例l _ l 石灰石石膏湿法脱硫系统脱硫塔结构示意幽 由表1 - 2 可以看出对于大型燃煤机组( 尤其单机在6 0 0 m w 及以上机组) ，最好 也只能采用湿法烟气脱硫工艺。目前湿法烟气脱硫工艺最大处理单机容量已达 1 0 0 0 m w i o l 。 4 仿真及其意义 仿真( s i m u l a t i o n ) 就是用模型去模仿真实系统，对实际的物理模型或数学模型进 行试验，通过模型试验来对一个实际系统的性能和工作状拳进行分析和研究。其本 质是对系统数学模型进行数值计算。其中模型是仿真的基础，只有建立了正确的模 型，才能得到t f 确的仿真结果仿真才有意义和价值。 计算机仿真技术是作为分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规 律的一种重要手段和方法。近年来，随着系统科学研究的深入、控制理论、计算技 术、计算机科学与技术的发展，综台了计算机、网络技术、图形图像技术、多媒体、 软件工程、信息处理、自动控制等多个领域的知识计算机仿真技术已发展成一门 新的学科。信息处理技术的突飞猛进，更使得仿真技术得到迅速发展。它涉及包括 航天、航空、电力、交通运输、通信、化工、核能等众多领域。随着系统科学与工 6 华北电力大学硕士学位论文 程的迅速发展，计算机仿真已深入到科学研究、工程设计、辅助决策、系统优化等 各个方面。它具有经济、可靠、实用、安全、灵话、可多次重复使用的优点，已经 成为对许多复杂系统( 工程的、非工程的) 进行分析、设计、试验、评估的必不可少 的手段。在我国，仿真技术的研究同样得到了迅速发展，得到越来越广泛的应用， 系统仿真已经日益深入人们工作和生活的各个领域【1 1 , 1 2 】。 计算机仿真包括三个要素，即系统、模型和计算机。联系这三个要素的有三个 基本活动：系统模型建立，仿真模型建立和仿真实验。图1 2 描述了计算机仿真三 要素及三个基本活动的关系。 建 图1 2 仿真三要素关系图 计算机仿真系统地开发大致可以归纳为下面五个步骤：( 1 ) 根据系统研究的目 的和范围，进行需求分析。( 2 ) 仿真方案设计。( 3 ) 建立系统的数学模型。( 4 ) 对仿真 程序进行调试、修改和完善。( 5 ) 对仿真结果进行分析、评价。 自我国第一套大型烟气湿法脱硫装置于1 9 9 2 年投入商业运行以来【l3 1 ，通过引 进先进技术和工程实践，工程造价大幅降低，我国已具备了大型火电机组石灰石一 石膏湿法脱硫工程的设计、建设能力。近几年来，每年我国火力发电机组新增配套 脱硫系统上千套，石灰石石膏湿法脱硫系统占有很大的比例。但是由于脱硫系统 的建设速度很快，出现了在脱硫系统运行、维护方面有经验的专业技术人员相对短 缺的现象，这对脱硫系统的投用率及安全运行产生了一定影响。 因此，需要研究和开发针对现场运行人员进行培训的石灰石石膏湿法脱硫仿 真系统。利用仿真系统安全、经济、可复现的特性来模拟实际系统的运行操作及动、 静态特性，用于对现场运行人员的培训，它不仅可以进行现场所有的启停和运行操 作训练，还可以在仿真机上进行事故演习和操作。通过仿真机培训达到提高现场运 行人员的运行水平，提高实际脱硫系统投用率的目的。 7 华北电力大学硕士学位论文 1 2 国内外的研究现状 国外的许多研究人员都提出过针对湿法烟气脱硫的数学模型。如g e r b e c t m l 等， o l a u s s o n 【1 5 1 等，k a r ii k e s k i n e n t l 6 1 等，n o b l e t t 1 7 】等，e d e nd 【1 8 1 等，c h a r l o t t eb r o g r e n 1 1 9 等，w a r y c h t 2 0 】等都提出了燃煤电厂的湿法脱硫数学模型。模型对脱硫塔的吸收 过程、氧化过程、石灰石溶解过程、石膏结晶过程进行了模拟，它们的差别在于模 型的仿真程度和仿真范围上。近年来随着研究的深入，国外在湿法烟气脱硫的仿真 技术上取得了很大进展并积累了丰富的经验。但是其侧重点在于脱硫过程的微观特 性，因考虑的因素多，导致其数学模型方程组复杂，求解困难。因此多用于脱硫系 统的优化设计 2 1 , 2 2 】，而难以满足仿真培训计算实时性的要求。 随着我国对燃煤电厂环境问题的日益重视，国内大批科研人员对石灰石一石膏 湿法脱硫系统及相关设备进行了深入的研究并做了大量的试验。赵毅、马双忱等对 燃煤电厂脱硫脱氮、循环流化床烟气脱硫进行了深入研究 2 3 , 2 4 】。胡满银f 2 5 】等针对湿 式脱硫系统运行的数值模拟做了大量试验并对试验数据进行了回归分析，通过分析 各种影响脱硫效率的因素，得出了关于脱硫效率的多元回归方程。赵酷【2 6 j 等对湿式 烟气脱硫喷淋塔内部流场的数值模拟进行了深入的研究。自1 9 4 9 年d a h l s t r o m 2 7 1 建立了关联边界粒径与旋流器结构参数和料液物性的模型以来，很多研究人员对旋 流器的数值模拟进行了研究，如江南大学的徐丹等提出的固液分离经验法建模【z 引， 上海理工大学杨茉等提出的水力旋流器水相流场的数值模拟【2 9 1 。 作为国内较早从事计算机仿真系统开发研制的单位，华仿科技有限公司开发的 s t a r 9 0 实时、多任务仿真支撑系统，具有图形用户界面( g u d 。目前对不同容量 的火电机组、水电、核电、电网、变电站、航空航天、石油化工等工业过程计算机 仿真系统进行了开发研$ 1 j 1 3 0 , 3 1 】。同时国内也有多家研究机构、公司也在计算机仿真 领域进行开发工作【3 2 】。 在我国相对于火电厂发电机组仿真机、变电站仿真机的广泛应用，脱硫仿真机 的开发仍处手起步阶段，尚未得到广泛的应用。 1 3 论文工作的主要内容 湿法烟气脱硫是一种相对成熟、脱硫效率较高的脱硫技术，在我国有着广泛的 应用。本论文以培训现场脱硫运行人员为目的，对广西某电厂3 0 0 m w 火力发电机 组的烟气脱硫系统从原理、工艺和运行状况进行研究，设计并开发以脱硫塔为主体 系统的脱硫仿真软件，以实际的湿法烟气脱硫系统为研究对象，开展湿法烟气脱硫 方面的理论建模和脱硫仿真机监控软件的设计、组态，主要完成以下几方面的工作： ( 1 ) 对广西某3 0 0 m w 火力发电机组湿法烟气脱硫系统的组成、结构特点和各主 8 华北电力大学硕士学位论文 辅系统流程和相关设备进行研究、分析； ( 2 ) 针对仿真对象确定模型仿真范围和仿真程度； ( 3 ) 基于s t a r 一9 0 仿真支撑系统，根据设备的工作机理建立各设备的动态数学 模型； ( 4 ) 建立仿真对象机组的湿法烟气脱硫系统的全范围实时仿真模型； ( 5 ) 完成仿真监控系统、仿真就地系统、仿真湿式球磨机p l c 控制系统。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 1 概述 2 3 0 0 m w 机组石灰石一石膏湿法脱硫系统概况 本文研究对象为大唐桂冠合山发电有限公司2 x 3 0 0 m w 火力发电机组配套石 灰石石膏湿法脱硫( w f g d ) 系统。合山电厂改扩建2 3 0 0 m w 级机组工程烟气脱硫 采用美国巴威( b & w ) 公司湿式就地氧化脱硫工艺，吸收剂为石灰石，副产品为 商品级石膏。整个脱硫工艺分为烟气系统、二氧化硫吸收系统、石膏脱水系统、石 灰石浆液制备系统、公用系统。 脱硫装置的烟气系统、吸收系统采用一炉一塔单元制配置。吸收剂制备等系统 采用公用配置。装置采用d c s 控制系统，整个脱硫岛的运行可实现自动控制、并 具有紧急事故停车系统。脱硫效率：设计煤种b m c r 工况脱硫效率不小于9 6 ， 校核煤种b m c r 工况脱硫效率不小于9 5 。合山地区石灰石哈氏可磨指数( h g i ) 为 5 5 ，石灰石成分如表2 1 ，引风机出口( 即：f g d 入1 ：3 ) 烟气主要成分( 设计煤质、标 准状况、干态) 如表2 2 ，锅炉烟气流量及组成如表2 3 。 表2 1 合山地区石灰石成分 c a c 0 3 m g os i o za 1 2 0 3 f e 2 0 3其它惰性物 9 4 0 5 2 3 5 o 0 7 0 4 6 0 0 4 3 0 3 表2 2 引风机出口烟气主要成分( 设计煤质、标准状况，干态) 成分单位数值 1 1 6 7 c o z o z 6 3 7 n 2 7 6 0 2 s 0 2 0 1 2 7 h c l m g n m 3 8 4 5 h f m g n m 3 7 。2 湿烟气中水蒸汽体积 n m 3 k g ( 湿) 0 4 7 2 9 n o 。 m g n m 3 6 5 0 湿烟气中水蒸汽含量( 标准状况) n m 3 l 【g ( 湿) 0 4 7 2 9 1 0 华北电力大学硕士学位论文 表2 3 锅炉烟气流量及组成 序单台机组 项目名称单位备注 号 设计煤种校核煤种2 1 燃煤收到基含硫分 2 8 33 2 6 2 锅炉原煤耗量计算耗煤量 “h15 7 4 7 15 4 6 31 6 4 8 9 1 6 1 9 2 3 锅炉排烟温度 1 4 51 4 4 4 脱硫系统入口处烟气温度 1 4 51 4 4 5 脱硫系统烟道设计修正温度 1 5 51 5 5 按规程+ l o 6短期烟气温度波动1 9 51 9 5按规程+ 5 0 c 7 短期烟气温度波动持续时间 m l n3 03 0 8 旁路烟道温度 1 4 5 1 9 51 4 5 1 9 5 9 脱硫系统入口烟气压力 p a00 1 0要求f g d 负荷范围4 0 1 0 0 4 0 1 0 0 1 1 锅炉空预器出口干烟气量n m 3 h9 9 9 9 9 2 1 0 2 9 8 1 1 1 2引风机出口s 0 2 浓度 m g n m 3 6 8 0 08 2 0 4按干烟气计算 1 3 脱硫系统入口处总干烟气量 n m 3 h1 0 9 4 0 0 71 0 9 3 7 7 0 按干烟气计算 1 4 脱硫系统入口处总湿烟气量 n m 3 h1 1 6 6 0 6 51 1 6 5 9 8 6按干烟气计算 1 5 脱硫系统入口烟气含尘浓度 1 8 4 。8 2 0 0 1 6锅炉机组年冷启动次6 6 1 7锅炉机组年利用小时数h5 0 0 05 0 0 0 温态年均3 3 ， 温态年均3 3 ， 1 8锅炉机组年热启动 次 热态年均9 5 热态年均9 5 1 9进入脱硫系统s 0 2 量t h7 4 3 98 9 7 3 2 2 烟气系统概述 烟气系统的设计考虑系统正常运行及紧急情况的操作，包括由于上游锅炉的突 然变化引起的短时间烟气温度变化过大的情况。为使系统在紧急状态下能安全运 行，设计时将考虑材料的选择，设备及烟道的合理设计。 烟气系统包括1 台升压风机、1 台气气换热器( g g h ) 、1 个旁路烟气挡板、1 个 入口原烟气挡板、1 个出口净烟气挡板及相应的烟道、膨胀节等。烟气系统见图2 - 2 。 华北电力太学硕士学位论文 图2 - 2 烟气系统流捏图 烟气自砼烟道进入f g d 脱硫系统的进口烟道。砼烟道作为旁路烟道将烟气可 直接排至烟囱，这意味着烟气可以1 0 0 经旁路烟道被排放。f g d 脱硫系统可通过 进、出口烟道双百叶窗式挡板与锅炉系统隔离。 未处理的原烟气经升压风机升压约4 1 0 0 p a ，通过气气换热器( g g h ) 将热原烟气 中的热量蓄积并加热吸收塔出柬净化后的冷烟气。原烟气温度由1 4 5 降至1 1 5 4 经过吸收塔的入口向上流动穿过托盘及喷淋层，在此，烟气被冷却、饱和，烟气 中的s 0 2 被吸收。经过喷淋洗涤的冷烟气进入g g h 的冷端离开g g h 后被加热至 8 2 ，加热后的冷烟气通过烟道进入烟囱。 f g d 装置配有l 台回转式气气换热器，以使净烟气在烟囱进口的最低温度高于 8 0 c 。该装置是利用锅炉出来的原烟气来加热经脱硫之后的净烟气，目的是避免净 烟气在烟囱中结露。为防止g g h 传热面间的沉积结垢，系统采用蒸汽吹扫换热器， 或当压降超过给定最大值时用高压工艺水冲洗。当f g d 装置停运时，可用低压 水冲洗。 升压风机用于克服f g d 装置造成的烟气压降。升压风机采用静叶可调轴流式 m 机，根据正常运行和异常情况可能发生的最大流量、最高温度和毋大压损设计。 川压风机在容量、设计和构造上将保证从零到满负荷时都能运行，除了满足锅炉在 1 2 华北电力大学硕十学位论文 m c r 工况下的运行要求外，还将满足f g d 最差的设计条件，即： ( i ) 基本风量按锅炉燃用设计煤种和b m c r 工况下升压风机入口的烟气量考虑； ( 2 ) 风量裕量不低于1 0 ，另加i o 的温度裕量； ( 3 ) 压头裕量不低于2 0 。 烟道上所有挡板都配有密封系统，以减少泄露。在正常运行时，两个旁路烟气 挡板关闭，每个旁路烟气挡板的差压通过升压风机的可调叶片控制接近0 k p a 。在故 障情况下- 开启烟气旁路烟气挡板烟气通过旁路烟道绕过f g d 系统直接排到烟 囱。 2 3 二氧化硫吸收系统 二氧化硫吸收系统主要用于脱除烟气中s 0 2 、s 0 3 、h c i 、h f 等污染物及烟气 中的飞灰等物质。二氧化硫吸收系统包括一台吸收塔( 含两级除雾器、四层喷淋层 及喷嘴、托盘、氧化空气分布管) 、四台侧进搅拌器、四台浆液循环泵、两台氧化 风机及相应的管道阀门等。系统包括以f 几个子系统：吸收塔系统、浆液再循环系 统、氧化空气系统。二氧化硫吸收系统如图2 - 3 。 幽2 - 3 二氧化硫吸收系统流程图 华北电力大学硕士学位论文 2 3 1 吸收塔系统 吸收塔自下而上可分为三个主要的功能区：( 1 ) 氧化结晶区，该区即为吸收塔浆 池区，主要功能是用于石灰石酸解和亚硫酸钙的氧化；( 2 ) 吸收区，该区包括吸收塔 入口及若干层喷淋层，其主要功能是用于吸收烟气中的酸性污染物及飞灰等物质： ( 3 ) 除雾区，该区包括两级除雾器，用于分离烟气中夹带的雾滴，降低对下游设备的 腐蚀，减少吸收剂的损耗。 烟气通过吸收塔入口从浆液池上部进入吸收区。在吸收塔内，热烟气通过托盘 均布与自上而下浆液( 四层喷淋层) 接触发生化学吸收反应，并被冷却。该浆液由各 喷淋层喷出。浆液( 含硫酸钙、亚硫酸钙、未反应的碳酸钙、惰性物质、飞灰和各 种溶质) 从烟气中吸收硫的氧化物( s o x ) 以及其它酸性物质。在液相中，s o x 与碳酸 钙反应，形成亚硫酸钙。 吸收塔上部吸收区p h 值较高，有利于s 0 2 等酸性物质的吸收：下部氧化区域 在低p h 值下运行，有利于石灰石的酸解和副产品石膏的生成反应。从吸收塔排出 的石膏浆液含固率2 0 左右。 烟气中的s 0 2 ，s 0 3 和h c i 被喷淋浆液中的水吸收，与烟气分离；进入吸收塔 的石灰石在偏酸性浆液中溶解；在吸收塔浆液池中发生氧化和结晶反应。吸收塔浆 池中的p h 值控制在大约5 6 5 8 ，吸收塔浆液池的尺寸能提供足够的浆液停留时 间，完成亚硫酸钙向硫酸钙的氧化和石膏( c a s 0 4 - 2 h 2 0 ) 的结晶。吸收塔包括一个托 盘( 布风装置，开孔率约4 0 ) ，四层喷淋装置，每层喷淋装置上布置有1 0 0 个空心 锥喷嘴，外圈喷嘴流量6 0 m 3 h ，内圈喷嘴流量5 2 m 3 h 。喷嘴进口压头为8 2 7 k p a ， 喷淋层上部布置有两级除雾器。 热烟气进入吸收塔，达到饱和并被冷却。烟气折流向上，经托盘被均匀分布到 吸收塔的横截面上，有利于提高脱硫效率。托盘使主喷淋区烟气分布均匀，使烟气 和石灰石浆液在该区域得到充分接触，有效降低了浆液循环量，节约了浆液循环泵 的功耗。同时，由于在吸收塔内吸收剂浆液通过循环泵反复循环与烟气接触，吸收 剂利用率很高。 离开吸收塔托盘的烟气穿过四层逆流喷淋层后，再连续流经两层z 字形除雾器 除去所含浆液雾滴。在一级除雾器的上、下各布置一层清洗喷嘴。清洗水的喷淋将 带走一级除雾器顺流面和逆流面上的固体颗粒。烟气经过一级除雾器后，进入二级 除雾器。二级除雾器下部也布置一层清洗喷淋层。穿过二级除雾器后，经洗涤和净 化的烟气经过气气换热器和出口烟道排入烟囱。 吸收塔浆液和喷淋到吸收塔中的除雾器清洗水流入吸收塔底部，即吸收塔浆液 池。吸收塔浆液池上的4 台侧进式搅拌器使浆液中的固体颗粒保持悬浮状态。为了 防止吸收塔入口烟道灌液，系统设置了吸收塔溢流密封水箱。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 2 3 2 浆液苒循环系统 浆液再循环系统由浆液循环泵、喷淋层、喷嘴及其相应管道、阀门组成。浆液 循环泵的作用是将吸收塔浆液池中的浆液经喷嘴循环，并产生颗粒细小，反应活性 高的浆液雾滴。吸收塔系统配置四台浆液循环泵，分别对应四层喷淋层。 吸收塔浆液p h 值是由进入吸收塔的新制备石灰石浆液的增加量决定的。该增 加量的大小取决于预计的锅炉负荷、s 0 2 含量以及当前的吸收塔浆液的p h 值。吸 收塔浆液的p h 值由设置在石膏排出泵的排出管道中的在线p h 值探头测量。 原烟气穿过吸收塔时，蒸发并带走的吸收塔中的水分以及脱硫反应生成物带出 水，会导致吸收塔浆液的固体浓度增大。浆液系统失去的水分将通过除雾器冲洗水 加以补充。 吸收塔浆液池的液位由除雾器冲洗水冲洗程序来控制。 石膏浆液由石膏排出泵泵入水力旋流器中。 在吸收塔浆液池的溢流管道上，装配一个密封箱。它可以容纳吸收塔在压力密 封时发生的溢流。密封箱的液位由周期性地补充工艺水来维持。密封箱同时为吸收 塔提供增压保护。 吸收塔顶部设有电磁放空阀，正常运行时阀门是关闭的。当f g d 装置停运时， 阀门开启以消除在吸收塔氧化风机还在运行时或停运后冷却下来产生的与大气的 压差。 2 3 3 氧化空气系统 烟气中本身的含氧量不足以氧化生成的亚硫酸钙。因此，需提供强制氧化系统 为吸收塔浆液提供氧化空气。氧化系统则是为脱硫反应中生成的c a s 0 3 1 2 h 2 0 氧 化为c a s 0 4 2 h 2 0 即石膏这一过程提供氧化空气。