水泥窑烟气CO2捕集项目仪表控制系统

水泥窑烟气CO2捕集项目仪表控制系统

王礼龙

(安徽海螺建材设计研究院有限责任公司安徽芜湖241070)

摘要：随着经济迅速发展，能源需求有增无减，造成CO2排放量难以控制的局面。利用新技术在新的产业结构中对CO2的分离回收利用是控制全球CO2排放总量的有效方法之一，利用水泥窑烟气捕集CO2项目的建设将开创中国水泥行业回收利用CO2的先河，对水泥行业CO2减排具有重要意义。

关键词：碳捕集节能减排控制仪表系统安全仪表系统

一引言

海螺集团率先在水泥窑上积极探索和研究碳捕获技术，在低碳、绿色、环保领域继续引领行业技术进步，走可持续发展之路，减少SO2和其他污染物排放，积极发挥在安徽省“蓝天工程”中的作用。

海螺集团响应国家和省委省政府号召，在白马山水泥厂建设一套水泥窑烟气碳捕集纯化示范装置，CO2捕集示范项目的建设将开创中国水泥行业回收利用CO2的先河，对水泥行业CO2减排具有重要意义，装置的建成将成为全国第一家回收水泥窑CO2的企业，成为同行业中的标杆。

二项目概况

CO2捕集示范项目位于安徽省芜湖市，厂区是距海螺集团公司总部最近的水泥生产基地，位于芜湖市南郊，北临长江，紧邻205国道。距离芜湖市市区约15km，交通便利。CO2捕集示范项目在厂区内建设烟气采集、水洗脱硫、吸附干燥、精馏贮运等内容，包括配套循环泵房、压缩机房、控制楼及水、电、汽改造增设等。项目利用日产4000吨新型干法熟料生产线捕集纯化CO2，建设年产5万吨CO2捕集装置（可生产3万吨食品级CO2）。

此工程碳捕集生产线为海螺设计院总包工程，因该项目为世界首条利用水泥窑烟气捕集CO2的项目，没有同类型项目可以借鉴，在该项目中电气设计中，通过与相关技术部门、科研院校交流确认，制定了项目采用两套电气仪表系统，即控制仪表系统（DCS）及安全仪表系统（SIS）。

三控制仪表系统（DCS）

1控制系统选择

根据工艺生产的要求，自控系统要能确保装置的安全操作、运行。

本项目是水泥窑烟气CO2捕集纯化（CCS）示范项目，既要求生产过程自动化控制比较先进，又需充分考虑经济实用性。参照同类装置自动控制的水平，确定自动化仪表采用一套集散控制系统（DCS）对整个装置进行控制、监视，DCS系统的控制器、控制器电源、通讯卡、网络总线等均冗余设置。现场仪表选型按照自控设计统一规定的要求，本着安全可靠、技术先进、安装维护方便、经济合理的原则，完成各类仪表的选型。

2控制系统设置

本套系统为实现对主生产装置和罐区、系统管网等的集中监视和控制，通过与其它单元控制系统、成套设备DCS系统及安全仪表系统等进行通讯。DCS具有工艺流程图显示、工艺参数显示以及趋势记录等功能，主要工艺参数、程序控制阀门状态和动设备状态等都可以在工艺流程图上实时显示，对一些重要参数进行串级、比值、分程及单回路调节，参与经济核算的参数要进行累积，并按生产要求编制和打印各类报表。报警事件发生后，除在屏幕上显示和打印机上打印外，同时要声光信号警示操作人员，从而实现对全厂工艺操作的监控。

各分装置设现场机柜间，整个装置的操作集中在控制室内，并在控制室内加装防静电地板，避免信号干扰；在控制室的辅助操作台，设置装置的紧急停车按钮及相应的硬报警灯屏，控制室的操作人员可以在生产装置的紧急状态，进行手动停车。

装置区、冷冻机房、压缩机房内有毒气体探测器检测信号送至有毒气体报警控制器，报警控制器安装于控制室，并由有毒气体报警控制器将气体浓度RS485信号送至火灾自动报警控制器，并连锁启动事故风机及喷淋装置。

在装置DCS系统的AI/AO卡选用智能型，与现场智能仪表通讯，在DCS上实现AMS设备管理。对现场智能仪表、智能阀门定位器等进行在线组态、调试、校验管理、诊断及数据库事件记录。整个装置DCS系统对于CPU、电源、通讯摸块、过程控制网络考虑双重化，I/O卡考虑15%的备用量。

3控制系统接地

根据控制系统的要求来设置接地系统。一是将现场及机柜间内的用电仪表、用电设备、仪表盘（台）、控制系统机柜和接线箱的金属外壳进行安全保护接地，设置保护接地系统；二是屏蔽电缆的屏蔽层和控制系统的工作接地系统，其接地电阻根据制造厂的要求而定。接地系统采用等电位方式接地。

4控制室的操作

项目操作室、办公室均采用中央空调，为本项目整个生产装置主监控室，负责整个装置的生产过程的监视、操作和调度。控制室为大理石地面，有电缆沟与机柜间相连，机柜间内设防静电活动地板。电缆在防静电活动地板下沿汇线槽敷设，操作间内电缆沿地沟敷设，电缆自现场进入控制室应加密封，以防有害物质及雨水等进入室内。

四安全仪表系统（SIS）

1控制系统选择

根据《安徽省人民政府办公厅关于印发安徽省危险化学品安全综合治理实施方案的通知》及《国家安全监督总局关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》，考虑在DCS系统失灵的情况下，对涉及到液氨、CO2安全部分的化工装置装备安全仪表系统（SIS），建立健全安全监测监控体系；本系统为首次在CO2捕集中运用。

设计包括新增仪表的选型、配线及相关联锁控制。

2控制系统设置

本项目采用SIS系统对装置区和罐区进行控制、监视。SIS系统设有一个工程师站（兼操作员站），一个操作员站，控制联锁在SIS系统中实现。

装置区和罐区内压力变送器、液位变送器、物料进出口切断阀及相关的电气全部送至机柜室内，SIS系统控制柜、端子柜、电源柜放置于机柜室内。

SIS硬件、软件、隔离器由SIS供货商成套提供，包括UPS电源。UPS容量由SIS供货商根据其自身系统的耗电量大小以及供电系统图的要求确定。

3安全仪表系统设计关键点

3.1在冷凝器氨入口管道上新增液位计高高位联锁，液位高位时DCS报警，当液位达到高高位时SIS系统关闭液位调节阀；

3.2在冷凝器氨出口与压力调节阀组之间增加安全阀，并增加压力表高高报警联锁，压力调节阀两端增加切断阀，压力达到高位时DCS报警，当压力达到高高位时SIS系统关闭液位调节阀；

3.3在脱硫床/干燥床/吸附床电加热器气相出口与管道上新增压力变送器和切断阀，新增压力高高报警联锁，当压力表达到高高位时SIS系统连锁打开切断阀同时切断脱硫床/干燥床/吸附床电加热器电源。

3.4在塔顶冷凝器氨入口管道上新增液位高高报警联锁，当液位达到高高位时SIS系统关闭液位调节阀。

3.6在工业级成品罐的进料管线和出料管线上各增加一台切断阀，新增液位高高限和低低限报警联锁。当液位达到高高位时SIS系统连锁关闭管线的切断阀同时联锁停CO2压缩机；当液位达到低低位时SIS系统连锁关闭切断阀并联锁停工业级装车泵。

五结束语

以矿石分解为主要原料的水泥厂，CO2排放量占到了全国总排放量的第二位。因此我国进行控制和减缓电力和水泥生产中CO2排放的工作对于解决全球变暖和温室效应问题具有重要意义。利用水泥窑烟气捕集CO2是个全新的课题，不但是工艺方面，在电气设计中更是有很多全新的尝试，在规范及政府法规中如何找到最经济、最安全、最可靠的控制运行方式是一个长期优化的过程，需在项目设计中锻炼出一批有能力的设计者，要不断完善设计，更新设备，形成真正既节能减排、又创造经济效益的产业结构，成为水泥厂继水泥熟料生产线窑头和窑尾废气余热发电、水泥窑垃圾处理后的又一经济增长点。