火電廠(chǎng)煙氣脫硫控制策略研究
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目前我國燃煤二氧化硫排放量占二氧化硫排放總量的90％以上，其中火電廠(chǎng)(也稱(chēng)燃煤電廠(chǎng))污染物的排放量占全部工業(yè)排放總量的50％左右。成為我國大氣SO2污染的第一大污染源，因此，搞好火電廠(chǎng)的SO2排放對于我國的環(huán)境保護有著(zhù)重要的意義。
煙氣脫硫的技術(shù)工藝種類(lèi)很多、各具特點(diǎn)，應用于不同的爐型、場(chǎng)地、原料等條件，脫硫效果及經(jīng)濟費用也有較大差別。主要有燃燒前脫硫、燃燒中脫硫、燃燒后脫硫以及石灰石／石膏濕法脫硫，這里研究基于當前應用最多的石灰石／石膏濕法脫硫方法。
脫硫工藝受到多種過(guò)程因素影響，是一個(gè)典型的具有復雜性、非線(xiàn)性、時(shí)變性、不確定性和不完全性的控制系統。在工業(yè)脫硫控制系統中，PID控制算法因其結構簡(jiǎn)單、不需要控制系統模型且具有一定的魯棒性而被廣泛采用。但是PID控制算法不能根據對象特性變化自動(dòng)修改控制參數。對時(shí)變性、非線(xiàn)性的脫硫控制系統控制效果很難達到最佳狀態(tài)，導致某些場(chǎng)合下SO2的排放不符合標準。近年來(lái)，雖有學(xué)者研究將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、遺傳算法等智能控制算法應用到脫硫控制系統，但這些算法尚無(wú)法在工業(yè)現場(chǎng)應用。
本文在深人分析脫硫控制工藝的基礎上，按照影響脫硫效果的因素將脫硫控制系統分為3個(gè)子控制系統。在原有PID控制算法的基礎上，研究將串級控制、前饋控制以及模糊控制應用到脫硫控制子控制系統中。
2 石灰石／石膏濕法煙氣脫硫工藝分析
2．1 脫硫系統組成及工藝流程
石灰石／石膏濕法脫硫工藝系統(單臺機組)主要由煙氣系統、吸收氧化系統、石灰石漿液制備系統、脫水及輸送系統、排放系統、工藝和工業(yè)水系統、雜用和儀用空氣系統和廢水處理系統組成。吸收氧化系統是整個(gè)脫硫系統中最重要的系統。而吸收塔是脫硫系統的主體設備，是吸收SO2的關(guān)鍵場(chǎng)所，所有的吸收反應均在吸收塔內完成。
石灰石／石膏濕法煙氣脫硫的基本工藝流程為：鍋爐煙氣經(jīng)過(guò)除塵器除塵后，由引風(fēng)機送入脫硫系統，煙氣由進(jìn)口煙道進(jìn)入由增壓風(fēng)機增壓后，經(jīng)煙氣換熱器(GGH)降溫，進(jìn)入吸收塔。在吸收塔內，煙氣由下向上流動(dòng)。石灰石漿液由上向下洗滌煙氣，在吸收塔底部，鼓入空氣進(jìn)行氧化。生成的石膏由石膏漿液泵送入脫水系統，圖1是石灰石／石膏濕法煙氣脫硫工藝流程圖。
2．2 脫硫效率影響參數分析
影響脫硫效率的參數有很多，其主要參數有以下3個(gè)：
(1)吸收塔內漿液的PH值該值是WFGD(濕法煙氣脫硫)裝置運行最重要的控制參數之一，是影響脫硫率、氧化率、吸收劑利用率及系統結垢的主要因素之一。在實(shí)際運行中主要通過(guò)控制石灰石漿液供給量來(lái)控制PH值，一般隨著(zhù)PH值的增加脫硫效率也增加，但增加到一定程度，脫硫率就幾乎不再增加。因此選擇合適的PH值，對脫硫系統運行至關(guān)重要，通常，吸收塔漿池的PH值維持在5．2～6．1之間。
(2)增壓風(fēng)機入口壓力 來(lái)自鍋爐側的煙氣經(jīng)增壓風(fēng)機(BUF)增壓，補償煙氣在整個(gè)脫硫系統中的壓力損失，是脫硫系統中舉足輕重的設備。進(jìn)入脫硫系統的煙氣流量通過(guò)增壓風(fēng)機的動(dòng)葉進(jìn)行調節。其動(dòng)葉的調整、控制不僅關(guān)系到整個(gè)脫硫系統的穩定運行，同時(shí)也關(guān)系到整個(gè)系統是否能運行在低耗能、高效率的最佳工況。
(3)煙氣溫度實(shí)際運行過(guò)程中，機組負荷變化較頻繁，FGD進(jìn)口煙溫也會(huì )隨之波動(dòng)，對脫硫率有很大的影響。因此，對煙氣溫度的控制也十分重要。
3 脫硫工藝控制策略研究與仿真
3．1 吸收塔PH值控制
采用普通的PID控制時(shí)，由于PH調節具有較大滯后特性，控制效果并不理想?？紤]到影響吸收塔PH值的主要因素是煙氣中的硫元素與漿液中鈣元素的摩爾比，因此，這里在脫硫系統中使用串級PID控制。串級控制系統是將兩個(gè)調節器串聯(lián)起來(lái)工作，其中一個(gè)調節器的輸出作為另一個(gè)調節器設定值的系統。串級控制系統分為主控回路和副控回路，對應回路的調節器分別稱(chēng)為主控調節器和副控調節器；對應回路的調節對象稱(chēng)為主控對象和副控對象；作用在兩個(gè)回路中的擾動(dòng)分別稱(chēng)為一次擾動(dòng)和二次擾動(dòng)。圖2為采用串級控制的吸收塔內PH值控制系統原理圖。
當擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，破壞了穩定狀態(tài)，調節器進(jìn)行工作。在串級控制系統中，由于引入1個(gè)副控回路，不僅能及早克服進(jìn)入副控回路的二次擾動(dòng)，而且能改善過(guò)程特性。副控調節器具有粗調作用，主控調節器具有細調作用，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。
主控調節器和副控調節器仍然采取PID控制算法，其控制參數通過(guò)經(jīng)驗進(jìn)行整定，該設計中，具體的參數值為：主控回路比例系數Kp為10．0，積分時(shí)間Ti為0 s，微分時(shí)間Td為0 s；副控回路比例系數Kp為5．0，積分時(shí)間Ti為50 s，微分時(shí)間Td為1 s。系統設定PH值為5．5，仿真結果如圖3所示。
3．2 增壓風(fēng)機入口壓力控制
煙氣經(jīng)旁路進(jìn)入脫硫島，在管道內流動(dòng)的壓力損失由增壓風(fēng)機來(lái)提供。使得煙氣能夠在脫硫島內流動(dòng)。增壓風(fēng)機人口壓力控制的目的在于使鍋爐爐膛壓力保持穩定。將鍋爐正常運行時(shí)的引風(fēng)機出口壓力作為增壓風(fēng)機人口壓力控制的設定值，測量實(shí)際運行的壓力，然后進(jìn)行比較得出偏差，偏差經(jīng)過(guò)控制算法計算。得出調節量作用在增壓風(fēng)機的調節導葉上，使得增壓風(fēng)機人口壓力穩定在設定值附近。
增壓風(fēng)機入口壓力控制算法通常是PID調節，由于壓力控制系統是滯后和時(shí)變的，常規PID算法不能達到良好效果。將鍋爐負荷作為前饋量引入到調節中，通過(guò)調節鍋爐負荷的前饋調節器動(dòng)態(tài)補償由負荷波動(dòng)帶來(lái)的壓力擾動(dòng)，降低增壓風(fēng)機導葉的動(dòng)作頻率，與普通PID控制相比，前饋控制系統明顯可降低系統超調量。圖4為控制系統原理框圖。
增壓風(fēng)機入口壓力調節器參數為：比例系數Kp為20．0，積分時(shí)間Ti為5 s，微分時(shí)間Td為0．1 s；前饋調節器設置成線(xiàn)性調節器，壓力的設定值為1 000 N，仿真結果如圖5所示，壓力為負值代表風(fēng)機反轉。
3．3 煙氣溫度控制
脫硫控制系統中的溫度變化范圍較大。但初始設定沒(méi)有特定的公式或者函數可用。因此，要想有一個(gè)較好的脫硫效果，一般情況下是通過(guò)實(shí)驗室的反復試驗，并在現場(chǎng)經(jīng)過(guò)多次調試來(lái)確定溫度設定值。實(shí)踐證明：溫度的變化速率比較平緩時(shí)，脫硫控制效果最佳。因此，在脫硫控制系統中必須采用一種控制算法，使溫度的變化在一定的范圍內，并且變化平緩。模糊控制用于控制那些因復雜性、非線(xiàn)性、時(shí)變性、不確定性和不完全性等而無(wú)法獲得精確的數學(xué)模型的控制對象，可獲得比較理想的動(dòng)靜態(tài)性能。這里研究采用模糊控制獲得平緩變化的煙氣溫度。
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