燃煤機(jī)組煙氣脫硫系統(tǒng)供漿控制策略研究與應(yīng)用

王 偉， 鄭茗友， 趙文杰， 王建峰， 郄英杰

(1.華北電力大學(xué) 控制與計算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.山西漳山發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 長治 046021)

0 引 言

煤燃燒產(chǎn)生的SO2是我國大氣環(huán)境的主要污染物之一，減少其排放量對環(huán)境保護(hù)有著重要意義。

濕法煙氣脫硫工藝因其脫硫成本低、脫硫效率高等優(yōu)點(diǎn)被火電廠廣泛采用。該脫硫工藝以石灰石漿液作為吸收劑，在吸收塔內(nèi)與原煙氣中的二氧化硫充分反應(yīng)后，再與經(jīng)氧化風(fēng)機(jī)鼓入的氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成脫硫副產(chǎn)品-石膏，以此脫除煙氣中的二氧化硫。在整個脫硫系統(tǒng)中，實(shí)時補(bǔ)充新鮮漿液是至關(guān)重要的。補(bǔ)漿量過高，吸收劑難以充分利用，還會提高運(yùn)行成本；補(bǔ)漿量不足，則無法保證脫硫效率。因此，石灰石供漿泵控制是煙氣脫硫運(yùn)行中重要的部分[1]?，F(xiàn)有的供漿泵控制方案中并沒有實(shí)現(xiàn)自動控制，脫硫供漿調(diào)控仍處于手動控制階段，調(diào)控效果較差，經(jīng)常引起控制不及時，排放超標(biāo)等現(xiàn)象發(fā)生。故實(shí)現(xiàn)供漿量自動控制對提高脫硫效率、降低運(yùn)行成本有著重要的意義。賀心燕等人[2]以CEMS實(shí)時機(jī)組負(fù)荷和入口SO2濃度作為前饋，采用串級PID調(diào)節(jié)供漿流量及出口SO2濃度，增加超前預(yù)控系數(shù)和入口硫及負(fù)荷變化修正系數(shù)對PID自動調(diào)節(jié)量進(jìn)行干預(yù)，提高了供漿控制系統(tǒng)自動化程度，但前饋精度不高，克服擾動能力較差。

本文提出了一種新的石灰石供漿泵自動控制方案，基于前饋補(bǔ)償和反饋校正實(shí)現(xiàn)對石灰石供漿泵的自動控制。

1 脫硫工藝流程簡介

脫硫系統(tǒng)主要工藝流程為：煙氣由原煙道引入，增壓后由下側(cè)進(jìn)入吸收塔進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，脫硫后的清潔煙氣經(jīng)吸收塔上方的除霧器去除水滴后由煙囪排入大氣。簡要工藝流程見圖1。

圖1 濕法脫硫簡要工藝流程Fig.1 Brief process flow of wet desulfurization

石灰石-石膏濕法脫硫工藝過程中的核心裝置為吸收塔，所有的吸收反應(yīng)均在吸收塔內(nèi)完成[3]。原煙氣由脫硫塔下側(cè)進(jìn)入與石灰石漿液自下而上逆向接觸，在塔內(nèi)進(jìn)行吸收反應(yīng)，對落入吸收塔漿池的反應(yīng)物進(jìn)行氧化反應(yīng)，得到脫硫副產(chǎn)品二水石膏[4]。主要化學(xué)方程式如下所示：

CaCO3+2SO2+H2O→Ca(HSO3)2+CO2

(1)

(HSO3)2+O2+CaCO3+3H2O→

2CaSO4·2H2O+CO2

(2)

2 經(jīng)典供漿泵控制策略

傳統(tǒng)的供漿泵控制方案是基于控制脫硫塔內(nèi)吸收液pH值來實(shí)現(xiàn)的，主要有單回路控制系統(tǒng)和串級雙回路控制系統(tǒng)兩種方案。

2.1 單回路控制系統(tǒng)

單回路控制系統(tǒng)中，漿液pH值檢測計的反饋值與漿液pH值設(shè)定值的偏差輸入到控制器，其輸出信號與前饋信號疊加后，調(diào)節(jié)變頻指令控制石灰石供漿泵開度，從而達(dá)到控制漿液pH值的目的[5]?？刂瓶驁D如圖2所示。

圖2 單回路控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of single loop control system

機(jī)組在運(yùn)行過程中受大量擾動影響，如原煙氣體積流量、原煙氣二氧化硫濃度、漿液體積流量、機(jī)組負(fù)荷等，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷或者原煙氣二氧化硫濃度變化時，該控制系統(tǒng)無法及時克服擾動，只能根據(jù)漿液pH反饋值進(jìn)行調(diào)節(jié)，嚴(yán)重影響整個系統(tǒng)的脫硫效率。因此，該控制系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用中控制效果較差。

2.2 串級雙回路控制系統(tǒng)

串級雙回路控制系統(tǒng)中，漿液pH值檢測計的反饋值與漿液pH值設(shè)定值的偏差輸入主控制器，其輸出與流量計檢測值的偏差輸入副控制器，副控制器的輸出與前饋信號疊加后，調(diào)節(jié)變頻指令控制石灰石供漿泵開度，從而達(dá)到控制漿液pH值的目的[6]?？刂瓶驁D如圖3所示。

圖3 串級回路控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of cascade loop control system

串級控制系統(tǒng)在一定程度上提高了控制質(zhì)量，能克服部分?jǐn)_動，但當(dāng)原煙氣體積流量和原煙氣SO2濃度波動時，控制品質(zhì)降低，不滿足工程需要。而且現(xiàn)有的控制策略中，并未將凈煙氣SO2濃度和漿液側(cè)信號引入到控制系統(tǒng)中，導(dǎo)致控制質(zhì)量較低。

3 石灰石供漿泵自動控制方案

3.1 供漿量理論值

供漿量理論計算公式如下：

(3)

式中：mlim為所需供漿量理論值，m3/h；CSO2·in為原煙氣二氧化硫濃度，mg/m3；G為原煙氣體積流量，m3/h；ρ為石灰石漿液箱密度，kg/m3；MCaCO3為碳酸鈣的摩爾質(zhì)量；MSO2為二氧化硫的摩爾質(zhì)量；St為鈣硫比，規(guī)程定位1.1，實(shí)際取值在1.05～1.08之間；B為石灰石純度，取0.93；C為石灰石漿液含固量。

3.2 補(bǔ)償修正系數(shù)

石灰石漿液品質(zhì)是影響吸收劑脫硫能力的關(guān)鍵因素[7]。如果漿液品質(zhì)較差，機(jī)組負(fù)荷和原煙氣二氧化硫濃度增加時，補(bǔ)充的新鮮漿液量不足以充分吸收煙氣中的二氧化硫，不僅有排放超標(biāo)的風(fēng)險，脫硫效率也很難得到保證；如果漿液品質(zhì)過高，未反應(yīng)的漿液與石膏一起排出吸收塔，降低脫硫副產(chǎn)品品質(zhì)[8]。補(bǔ)償修正系數(shù)根據(jù)石灰石漿液品質(zhì)在線計算，實(shí)時修正供漿量理論值，保證補(bǔ)漿量足以維護(hù)吸收塔系統(tǒng)平衡。補(bǔ)償修正系數(shù)計算公式如下：

(4)

式中：K為補(bǔ)償修正系數(shù)；RSO2為二氧化硫?qū)嶋H脫除量，t；TSO2為理論供漿量計算值可脫除二氧化硫的量，t；PSO2為吸收塔內(nèi)蓄存吸收液脫除二氧化硫的量，t。

工程中二氧化硫脫除量時刻變化，補(bǔ)償修正系數(shù)實(shí)時波動，無法達(dá)到修正供漿量的目的。針對此問題，引入漿液池漿液pH值作為約束條件。人工給定漿液pH設(shè)定值，與pH檢測值比較后，如果偏差居于±0.01之間，認(rèn)定檢測值與設(shè)定值無偏差，此時補(bǔ)償修正系數(shù)更新一次，pH設(shè)定值可以根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行條件在線修改。

3.3 供漿量自動控制策略設(shè)計

針對傳統(tǒng)控制方案存在的弊端，石灰石供漿泵自動控制方案把凈煙氣二氧化硫濃度和漿液側(cè)信號引入到控制系統(tǒng)中[9]。此控制方案打破了控制漿液pH值的傳統(tǒng)思想，以凈煙氣二氧化硫濃度為被控量，提出在線計算的補(bǔ)償修正系數(shù)對理論供漿量計算值進(jìn)行修正，并引入模糊控制進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。供漿量自動控制策略框圖如圖4所示。

圖4 供漿量自動控制策略框圖Fig.4 Block diagram of automatic control strategy for pulp supply

該控制策略在傳統(tǒng)串級雙回路控制方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。首先，二氧化硫濃度設(shè)定值與檢測值的偏差輸入主控制器，主控制器輸出信號、模糊控制信號和前饋控制器輸出信號疊加后與流量計檢測值比較，其偏差輸入副控制器，輸出信號調(diào)節(jié)變頻指令控制石灰石供漿泵開度，從而控制凈煙氣二氧化硫濃度滿足超低排放要求?？刂葡到y(tǒng)引入模糊控制是為了維持漿液pH值和凈煙氣二氧化硫濃度在正常范圍內(nèi)，超出正常范圍時，控制系統(tǒng)可自動增漿或者減漿。

控制凈煙氣二氧化硫濃度滿足最低排放標(biāo)準(zhǔn)是煙氣脫硫的最終目標(biāo)[10]。系統(tǒng)中主副控制器均采用常規(guī)PID控制器即可滿足控制要求，主PID控制器的主要作用是根據(jù)凈煙氣SO2濃度與凈煙氣SO2濃度設(shè)定值的偏差實(shí)時修正供漿量的偏差，因此在設(shè)定主PID控制器參數(shù)時，可使其比例調(diào)節(jié)作用強(qiáng)一些，從而達(dá)到快速修正偏差的目的[11]。

供漿量自動控制策略充分考慮到煙氣側(cè)和漿液側(cè)的擾動，前饋控制器將新鮮漿液密度、原煙氣體積流量、原煙氣二氧化硫濃度等變量引入到調(diào)節(jié)過程中。當(dāng)原煙氣SO2濃度發(fā)生變化時，前饋控制能快速響應(yīng)，及時調(diào)節(jié)石灰石供漿量滿足工程要求；當(dāng)凈煙氣SO2濃度發(fā)生變化時，前饋控制和反饋控制共同作用，實(shí)現(xiàn)供漿泵自動控制[12]。為克服漿液品質(zhì)擾動對控制系統(tǒng)的影響，將補(bǔ)償修正系數(shù)引入到前饋控制器中，修正石灰石供漿量滿足控制要求，前饋控制器計算公式如下所示：

mbase=K·mlim

(5)

式中：mbase為供漿量修正值，m3/h；K為補(bǔ)償修正系數(shù)；mlim為供漿量理論值，m3/h。

實(shí)際工程中，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷或原煙氣SO2濃度大幅波動時，未引入模糊控制的控制系統(tǒng)動作緩慢。入口二氧化硫濃度突增時，短時間內(nèi)打入吸收塔的漿液量無法充分吸收二氧化硫，導(dǎo)致出口二氧化硫濃度超標(biāo)；入口二氧化硫濃度突減時，過度補(bǔ)漿導(dǎo)致漿液pH值上升，影響副產(chǎn)物品質(zhì)，控制質(zhì)量差。為了提升控制質(zhì)量，在控制系統(tǒng)中引入模糊控制，考慮到凈煙氣二氧化硫濃度可快速跟隨原煙氣二氧化硫濃度變化，以凈煙氣二氧化硫濃度為主決策變量，以漿液pH值為副決策變量，通過實(shí)時判斷凈煙氣二氧化硫濃度與漿液pH值是否處于正常范圍內(nèi)，從而決定是否增漿或者減漿。將被控量作為決策變量引入到控制系統(tǒng)中可以快速反映當(dāng)前工況下補(bǔ)漿量是否需要改變，從而及時調(diào)整補(bǔ)漿量大小。引入模糊控制能快速克服機(jī)組負(fù)荷或入口二氧化硫濃度驟增、驟減擾動，及時將漿液pH值和凈煙氣二氧化硫濃度拉回至正常范圍內(nèi)。模糊控制在前饋控制器的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了整個控制系統(tǒng)的精度[13]，控制質(zhì)量顯著提升。模糊控制規(guī)則基于漿液pH值和凈煙氣二氧化硫濃度設(shè)計：漿液pH值持續(xù)上升至5.65或者凈煙氣二氧化硫濃度低于15 mg/m3，判定減漿；漿液pH值持續(xù)下降至5.15或者凈煙氣二氧化硫濃度高于25 mg/m3，判定增漿。為避免凈煙氣SO2濃度超出最低排放要求，可依據(jù)供漿泵運(yùn)行規(guī)程酌情增大增漿量設(shè)定值。

4 供漿量自動控制方案現(xiàn)場應(yīng)用

將供漿量自動控制系統(tǒng)應(yīng)用到山西某電廠660 MW機(jī)組脫硫控制系統(tǒng)。

4.1 補(bǔ)償修正系數(shù)應(yīng)用效果

從該廠DCS系統(tǒng)中取出補(bǔ)償修正系數(shù)24小時運(yùn)行數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 補(bǔ)償修正系數(shù)數(shù)據(jù)分析Tab.1 Data analysis of supply quality coefficient

從表1可以看出，24小時內(nèi)補(bǔ)償修正系數(shù)變化10次，變化幅度小，最大幅值為0.2，最小幅值僅為0.01。選取07∶04～10∶24時間段的供漿量理論值與修正值為研究對象，供漿量修正曲線如圖5所示。

圖5 補(bǔ)償修正系數(shù)修正供漿量曲線Fig.5 Modified slurry supply curve with supply quality coefficient

從圖5可以看出，當(dāng)理論值為40 m3/h，其修正值為43.88 m3/h，兩者之比為1.097，此時補(bǔ)償修正系數(shù)約為1.1；當(dāng)理論值為46.06 m3/h，其修正值為54.35 m3/h，兩者之比為1.179，此時補(bǔ)償修正系數(shù)約為1.18。由此可得，在脫硫系統(tǒng)運(yùn)行過程中，補(bǔ)償修正系數(shù)可以根據(jù)漿液品質(zhì)優(yōu)劣進(jìn)行在線計算，從而達(dá)到修正供漿量理論計算值的目的。

4.2 模糊控制應(yīng)用效果

模糊控制基于前饋控制器輸出增漿或者減漿，用來維持漿液pH值和凈煙氣二氧化硫濃度處于正常范圍內(nèi)。其控制效果如圖6所示。

圖6 模糊控制修正供漿量曲線 Fig.6 Fuzzy control to modify slurry supply curve

如圖6所示，模糊控制在前饋控制器輸出的基礎(chǔ)上對供漿量進(jìn)行調(diào)整。漿液pH值或者凈煙氣SO2濃度處于正常范圍時，模糊控制不起作用，總前饋跟隨前饋控制器輸出；漿液pH值或者凈煙氣SO2濃度超出正常范圍時，模糊控制基于控制規(guī)則自動增漿或者減漿。

4.3 供漿量自動控制策略投運(yùn)效果

石灰石供漿泵控制投入自動后，脫硫機(jī)組高效率穩(wěn)定運(yùn)行，各項關(guān)鍵性能指標(biāo)均控制在合理范圍內(nèi)[14，15]?，F(xiàn)場運(yùn)行效果如圖7所示。

圖7 石灰石供漿泵自動控制系統(tǒng)控制效果Fig.7 Control effect of automatic control system of limestone slurry pump

(a)機(jī)組負(fù)荷

如圖7所示，(a)、(b)、(c)分別表示石灰石供漿泵自動運(yùn)行時的機(jī)組負(fù)荷、原煙氣SO2濃度、凈煙氣SO2濃度變化曲線。經(jīng)分析曲線可以得出，在機(jī)組負(fù)荷和原煙氣SO2濃度波動較大工況下，石灰石供漿泵自動控制系統(tǒng)仍能控制出口SO2濃度處于15～28 mg/m3之間，且在90%時間段內(nèi)，控制凈煙氣二氧化硫濃度處于15～25 mg/m3之間。圖7(d)表示石灰石供漿泵自動控制系統(tǒng)運(yùn)行時漿液pH值變化曲線，經(jīng)分析曲線可得，運(yùn)行工況不穩(wěn)定時，漿液pH值仍始終處于5.2～5.6之間，未出現(xiàn)驟增或驟減等情況，波動幅度在可控范圍內(nèi)。該供漿泵自動控制系統(tǒng)應(yīng)用于脫硫系統(tǒng)一段時間后，經(jīng)分析關(guān)鍵性能指標(biāo)后可得，石灰石供漿泵自動控制系統(tǒng)不僅能控制出口SO2濃度滿足超低排放要求，而且能控制漿液pH值處于正常范圍內(nèi)，控制質(zhì)量較傳統(tǒng)供漿泵控制策略顯著提升。且在不平穩(wěn)工況下，石灰石供漿泵自動控制系統(tǒng)能克服原煙氣體積流量變化、石灰石純度變化、新鮮漿液密度變化、原煙氣SO2濃度變化等各類擾動。

5 結(jié) 論

吸收塔內(nèi)漿液pH值變化是個大遲延過程，以吸收塔漿液pH值為被控對象的濕法煙氣脫硫石灰石供漿泵控制方案難以根據(jù)pH值變化及時做出響應(yīng)，且克服擾動能力較差。針對此類問題，本文提出了以凈煙氣SO2濃度為被控量的石灰石供漿泵自動控制策略。此控制策略中，引入補(bǔ)償修正系數(shù)提高前饋補(bǔ)償?shù)木龋⒁肽：刂频娇刂葡到y(tǒng)中，有效克服了漿液測和煙氣測的擾動，提升了供漿泵自動控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。石灰石供漿泵自動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對石灰石供漿泵自動控制的目標(biāo)，提高了脫硫系統(tǒng)自動化程度。