面向DCS優(yōu)化控制的氨法脫硫過程模擬

張 璐 鐘文琪 李益國 展錦程

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室， 南京 210096)

氨法煙氣脫硫作為一種脫硫效率高、反應(yīng)速率快、吸收劑利用率高、不產(chǎn)生二次污染、硫資源可回收[1]的脫硫技術(shù)廣泛應(yīng)用于燃煤電廠的二氧化硫脫除中.近年來，國內(nèi)外學(xué)者采用多種方法對氨法煙氣脫硫技術(shù)展開了大量實驗和應(yīng)用研究[2-9].在脫硫系統(tǒng)運行過程中，機組運行參數(shù)和系統(tǒng)運行參數(shù)能夠影響系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和可靠性，目前，系統(tǒng)的操作參數(shù)(噴氨量)主要依賴于經(jīng)驗，缺乏理論模型的指導(dǎo)，系統(tǒng)的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性不易達到最優(yōu)組合.因此，建立氨法脫硫過程DCS優(yōu)化控制函數(shù)，是減少液氨的消耗量及運行成本，實現(xiàn)噴氨量精確調(diào)節(jié)的重要措施.

研究開發(fā)氨法脫硫過程模擬和優(yōu)化控制系統(tǒng)是一種建立氨法脫硫過程DCS優(yōu)化控制函數(shù)并實現(xiàn)優(yōu)化控制的方法，能夠保證脫硫系統(tǒng)的脫硫效率.數(shù)值模擬針對各種工況參數(shù)及操作變量進行大量的數(shù)值試驗，為優(yōu)化控制系統(tǒng)操作參數(shù)的選擇及結(jié)果的優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支持.采用MATLAB探討多變量共同作用下對脫硫效率的耦合協(xié)同規(guī)律，建立脫硫效率與其他參數(shù)變量的函數(shù)關(guān)系，為優(yōu)化控制系統(tǒng)提供數(shù)學(xué)模型.通過將數(shù)值模擬得到控制函數(shù)與現(xiàn)場控制系統(tǒng)相結(jié)合，建立優(yōu)化控制系統(tǒng).

本文將數(shù)值模擬技術(shù)與先進控制技術(shù)相結(jié)合起來，針對揚子石化熱電廠5#～9#爐煙氣脫硫工程開展研究.利用流體計算軟件對氨法噴淋脫硫過程進行數(shù)值模擬，氣相場采用k-ε雙方程湍流模型，噴淋液滴采用顆粒軌道模型，考慮了氣液流動、傳熱傳質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)，研究煙氣流速、入口煙氣SO2濃度、液氣比對脫硫效率的影響規(guī)律，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比校正，驗證模型的準(zhǔn)確性.最后，基于模擬結(jié)果及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，建立氨法脫硫過程DCS優(yōu)化控制函數(shù)，開發(fā)氨法脫硫可視化模塊并加載到電廠DCS中，實現(xiàn)現(xiàn)場運行及脫硫過程的可視化.

1 三維數(shù)理模型的建立

1.1 控制方程

1.1.1 連續(xù)相方程

將脫硫塔內(nèi)的煙氣作為連續(xù)相，在歐拉坐標(biāo)系下求解其流動、傳熱及反應(yīng)特性.氣液兩相流最基本的特征是引入連續(xù)相空隙率αg，且考慮了連續(xù)相和離散相的相互作用力[10].

連續(xù)性方程和動量方程為[11-12]

(1)

(2)

1.1.2 離散相方程

除噴嘴附近外，漿液滴在其他區(qū)域內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)均小于10%，因此在拉格朗日坐標(biāo)系下應(yīng)用牛頓第二定律來跟蹤求解漿液滴的運動軌跡符合實際物理狀態(tài)[13].忽略漿液滴之間的碰撞，采用CFD-DPM模型來計算漿液滴的運動軌跡.

離散相的運動求解方程為

(3)

(4)

式中，mp為顆粒的質(zhì)量；up為顆粒的速度矢量；Fgp為連續(xù)相對離散相的作用力；Ip為顆粒的慣性項；wp為顆粒的角速度；Mgp為作用于顆粒上的總轉(zhuǎn)矩.

1.1.3 兩相間的耦合

根據(jù)氣液兩相系統(tǒng)中顆粒運動的特點，DPM模型將兩相流中顆粒的運動過程分解為受沖力支配的瞬時碰撞運動以及受流體曳力控制的懸浮運動，因此要考慮連續(xù)相對離散相的作用力.漿液經(jīng)噴嘴噴出后以霧化液滴的形式存在，強烈影響氣相湍流的分布[14]，因此要考慮離散相對連續(xù)相的作用力，即考慮連續(xù)相和離散相的雙向耦合.

煙氣(連續(xù)相)和漿液滴(離散相)之間的作用力[14]為

(5)

式中，μ為連續(xù)相黏度；ρp為顆粒密度；dp為顆粒直徑；Re為相對雷諾數(shù)；CD為曳力系數(shù)；Δt為時間步長.

1.2 吸收模型

氨法煙氣脫硫技術(shù)中，脫硫液中主要有亞硫酸銨以及少量的亞硫酸氫銨，向脫硫塔添加氨的目的是為了減少亞硫酸氫銨濃度.因此，在氨法脫硫過程中對SO2吸收起主要作用的是亞硫酸銨[10].本文考慮噴淋溶液中只含有亞硫酸銨，反應(yīng)為

(NH4)2SO3+H2O+SO2→2NH4HSO3

(6)

SO2的傳質(zhì)速率表達式為

(7)

八田數(shù)Ha計算公式為[10]

(8)

式中，kl為反應(yīng)速率常數(shù)；DSO2為SO2在溶液中的擴散系數(shù)；C(NH4)2SO3為吸收液中液相主體(NH4)2SO3的濃度.

因此，SO2的傳質(zhì)速率表達式為

(9)

式中，SO2的吸收反應(yīng)可認(rèn)為是擬一級反應(yīng)，對于擬一級反應(yīng)速率常數(shù)，可根據(jù)陳梅倩等[15]實驗研究得出的公式k1=49.09exp(-45 987/(RT) )求出；DSO2由Newton關(guān)聯(lián)式求出，即

DSO2=Tdexp(-19.895-1 800/Td)

式中，Td為漿液滴溫度.

2 三維數(shù)值模擬

2.1 模擬對象

本文以揚子石化熱電廠2個煙氣處理量均為750 000 m3/h的脫硫塔為研究對象，忽略其他構(gòu)件及設(shè)備，建立1∶1簡化物理模型，如圖1所示.煙氣從噴淋區(qū)下部進入脫硫塔，并向上運動.從不同高度的噴淋層噴出的漿液霧化形成分散的小液滴向下運動，與煙氣逆流接觸.

圖1 脫硫塔結(jié)構(gòu)圖(單位：m)

由于SO2的吸收過程涉及相間流動與復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，因此本文作如下假設(shè)與簡化[16-17]：① 忽略噴淋塔內(nèi)噴嘴及管路對氣液流場的影響；② 將煙氣視為不可壓縮的牛頓流體；③ 假設(shè)噴淋液滴為惰性球體；④ 將填料層與除霧器作為多孔介質(zhì)；⑤ SO2的吸收反應(yīng)為瞬間反應(yīng)，且在反應(yīng)過程中假設(shè)液滴的形狀不變.

2.2 模型參數(shù)和模擬工況

脫硫液及脫硫塔煙氣的基本參數(shù)及邊界條件如表1所示.

表1 噴淋液與煙氣物性參數(shù)

本文主要研究脫硫效率隨煙氣入口速度U、SO2入口濃度和液氣比Q的變化規(guī)律，模擬工況如表2所示.

表2 運行參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 典型工況的模擬結(jié)果

模擬條件為煙氣入口速度3.5 m/s、SO2入口濃度1 200 mg/m3、液氣比1.42 L/m3，二氧化硫脫除反應(yīng)穩(wěn)定時的模擬結(jié)果如圖2所示.

由圖2(a)可以看出，流場速度基本穩(wěn)定.塔上部存在較大的速度梯度，這是因為出口截面小，流動阻力較大.由圖2(b)可以看出，煙氣進口處與塔內(nèi)存在明顯的溫度梯度，這是因為漿液對煙氣起到了整流作用，保證了塔內(nèi)的持液量，增強了氣液之間的傳熱.由圖2(c)可以看出，當(dāng)塔內(nèi)有3層噴淋層時，液滴均勻地覆蓋于整個塔徑，這有利于氣液的充分接觸，同時也避免了局部煙氣湍流速度過大.

(a) 速度分布

(b) 溫度分布

(c) 漿液分布圖2 脫硫塔典型工況模擬結(jié)果圖

3.2 入口煙氣SO2濃度對脫硫效率的影響

脫硫效率由下面公式求出：

(10)

式中，Cin,SO2為入口處SO2的濃度，mg/m3;Cout,SO2為出口處SO2的濃度，mg/m3.

圖3給出了液氣比為1.2 L/m3、煙氣入口速度為3.5～9.5 m/s時，二氧化硫的脫除效率隨入口SO2濃度的變化.可以看出，脫硫效率隨SO2入口濃度的增加而降低，這是因為隨著SO2濃度增大以及溶液中吸收劑的消耗，液膜側(cè)的傳質(zhì)阻力增大，影響了SO2的吸收.同時，速度為5.05 m/s時脫硫效率的計算值與現(xiàn)場實測值的偏差在15%內(nèi)，計算值偏高，這是因為采用了簡化模型.

圖4為煙氣入口速度為5.05 m/s、液氣比為1.2 L/m3、SO2進口濃度在1 200～2 100 mg/m3范圍內(nèi)時，塔內(nèi)SO2在塔高平面上的濃度分布.由圖可知，SO2的分布頂部稀疏，底部密集，說明沿著塔的高度方向上，SO2的傳質(zhì)速率降低；此外，隨著SO2入口濃度的增加，噴淋塔出口處的SO2濃度隨之增加.

圖3 入口煙氣SO2濃度對脫硫效率的影響

(a) 1 200 mg/m3

(b) 1 400 mg/m3

(c) 1 600 mg/m3

(d) 1 800 mg/m3

(e) 2 100 mg/m3圖4 不同入口煙氣SO2濃度下塔內(nèi)SO2濃度分布圖

3.3 煙氣入口速度對脫硫效率的影響

圖5給出了SO2進口濃度為1 200 mg/m3、液氣比為0.95～1.9 L/m3時，二氧化硫的脫除效率隨煙氣入口速度的變化.由圖可知，煙氣流速的增加降低了脫硫效率.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是：煙氣流速的增加縮短了煙氣在吸收塔內(nèi)的停留時間，縮短了漿液和SO2的反應(yīng)時間，使得脫除效率下降.

圖5 煙氣流速對脫硫效率的影響

圖6為SO2進口濃度在1 200 mg/m3、液氣比為1.2 L/m3時，入口煙氣流速為3.5～9.5 m/s范圍內(nèi)塔內(nèi)SO2在塔高平面上的濃度分布.由圖可以看出，隨著入口煙氣流速的增加，噴淋塔出口處的SO2濃度隨之增加.因此，保證合理的煙氣流速可有效降低脫硫塔出口處SO2的濃度，局部范圍內(nèi)氣速矢量方向的不一致性，使塔內(nèi)存在小范圍的摻混與強烈的湍流脈動，這對增強局部的氣液傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)是十分有利的.

(a) 3.5 m/s

(b) 5.05 m/s

(c) 6.5 m/s

(d) 8.0 m/s

(e) 9.5 m/s圖6 不同煙氣流速下SO2濃度分布圖

3.4 液氣比對脫硫效率的影響

圖7給出煙氣入口速度為5.05 m/s，SO2進口濃度為1 200～2 100 mg/m3時，脫硫效率隨液氣比的變化.由圖可看出，在其他參數(shù)一定的情況下，液氣比的增加提高了脫硫效率，這是因為提高液氣比相當(dāng)于增大了吸收塔內(nèi)的噴淋密度，使氣液間的接觸面積增大.但提高液氣比將使循環(huán)泵流量增大，要增加設(shè)備的投資和運行成本.

圖7 液氣比對脫硫效率的影響

圖8給出煙氣入口速度為5.05 m/s，SO2進口濃度為1 200 mg/m3，液氣比在0.95～1.9 L/m3范圍內(nèi)脫硫塔中軸面上SO2的濃度分布.由圖可看出，煙氣在塔內(nèi)上升過程中，隨著液氣比的增大，煙氣入口SO2的濃度明顯比較低.因此，隨著液氣比的增大，SO2的脫除效率逐步增大，直至達到穩(wěn)定狀態(tài).

4 數(shù)值模擬結(jié)果的DCS嵌入

數(shù)值模擬結(jié)果的DCS嵌入過程如圖9所示，基于模擬計算結(jié)果，采用MATLAB模擬多變量共同作用下對脫硫效率的耦合協(xié)同規(guī)律，建立脫硫效率與其他參數(shù)變量的函數(shù)關(guān)系，同時開發(fā)流場可視化模塊，為運行人員操作提供支撐.通過將數(shù)值模擬得到的控制函數(shù)與現(xiàn)場DCS相結(jié)合，最終實現(xiàn)優(yōu)化控制.

4.1 控制函數(shù)的建立

基于數(shù)值模擬結(jié)果，采用MATLAB多項式擬合的方法建立脫硫效率η和其他變量之間的控制函數(shù)關(guān)系.根據(jù)前面的分析，脫硫效率受入口煙氣SO2濃度Cin，SO2、煙氣流速U、液氣比Q等因素的影響.因此脫硫效率可以表示為這些影響因素的函數(shù)，即

(a) 0.95 L/m3

(b) 1.20 L/m3

(c) 1.42 L/m3

(d) 1.67 L/m3

(e) 1.90 L/m3圖8 不同液氣比下SO2濃度分布圖

圖9 數(shù)值模擬結(jié)果的DCS嵌入過程

(11)

式(11)也可以表示為如下的形式：

(12)

式中，a1～a13為擬合系數(shù).

根據(jù)已有參數(shù)的初值，對不同操作參數(shù)下的模擬試驗點按照式(12)的形式進行線性擬合，計算出目標(biāo)函數(shù)值，最終得到擬合系數(shù)分別為a1=0.177 8,a2=24.913 3,a3=38.148 2,a4=0.003 8,a5=-0.03,a6=-6.006 1,a7=-0.000 1,a8=-5.248,a9=-3.753 2,a10=0.008 3,a11=0,a12=0.262,a13=0.163 8.

圖10為本文脫硫效率擬合函數(shù)計算值ηc與模擬值ηs的比較.結(jié)果表明，由該擬合函數(shù)計算得到的脫硫效率計算值與模擬值吻合很好，大部分誤差在10%以內(nèi)，少數(shù)數(shù)據(jù)點誤差超過了10%，但仍然保持在15%以內(nèi).這說明本文擬合函數(shù)可以預(yù)測脫硫效率，可以作為DCS優(yōu)化控制函數(shù).

圖10 模擬值與擬合計算值的比較

4.2 可視化模塊的開發(fā)

基于Visual C++與MATLAB編寫可視化軟件模塊，將數(shù)值模擬結(jié)果歸類整理并集成在模塊中.將軟件模塊與現(xiàn)場的控制系統(tǒng)進行對接，當(dāng)運行參數(shù)改變以及控制參數(shù)修改時，模塊會實時采集并對所得的入口煙氣流量、溫度、SO2濃度等輸入?yún)?shù)進行識別分區(qū)，輸出相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的流場、溫度場及濃度場等計算結(jié)果，以獲得脫硫塔實時運行狀態(tài)，實現(xiàn)其可視化.

4.3 優(yōu)化控制系統(tǒng)的運行

將控制函數(shù)與可視化模塊及現(xiàn)場DCS對接，在優(yōu)化控制投入前，1#，2#脫硫塔的出口SO2濃度初始值分別為45 ，75 mg/m3，設(shè)定值均為30 mg/m3；脫硫效率為95%，設(shè)定值為99%.在控制函數(shù)投入的條件下，要求輸出控制區(qū)間：1#塔出口的SO2濃度為[15，35]mg/m3，2#塔出口的SO2濃度為[20，35]mg/m3，脫硫效率為[95%，99%].待優(yōu)化控制軟件穩(wěn)定跟蹤一段時間后，將優(yōu)化控制正式投入.

優(yōu)化控制軟件的運行結(jié)果如圖11所示.可以看出，控制軟件能夠及時跟蹤設(shè)定值，正確調(diào)節(jié)各脫硫塔的氨水閥門開度可控制相應(yīng)的氨水量變化，最終實現(xiàn)脫硫效率區(qū)間的調(diào)節(jié)，確保脫硫效率在95%～99%之間；同時，優(yōu)化控制作用動作迅速，反應(yīng)靈敏，在出口SO2濃度呈明顯下降趨勢時，能夠及時減小氨水閥門開度，從而減少氨水的消耗.

(a) 1#塔控制量

(b) 2#塔控制量

(c) 1#塔被調(diào)量

(d) 2#塔被調(diào)量

(e) 脫硫效率被調(diào)量圖11 優(yōu)化控制系統(tǒng)運行曲線

5 結(jié)論

1) 隨著入口煙氣中SO2濃度和煙氣流速的增加，脫硫效率降低，且煙氣進口SO2濃度及煙氣流速越高，沿著塔的高度向上方向SO2的傳質(zhì)速率越低，設(shè)備的脫硫效率也越低.

2) 隨著液氣比的增大，煙氣入口處及塔內(nèi)SO2的濃度減少的速度加快，從而提高了脫硫效率.

3) 基于數(shù)值模擬結(jié)果，完成可視化軟件模塊開發(fā)，構(gòu)建了DCS優(yōu)化控制函數(shù)并編譯到優(yōu)化控制系統(tǒng)中，實際運行結(jié)果顯示：針對SO2濃度的變化，控制系統(tǒng)能夠及時反應(yīng)控制氨水量變化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示分析，確保脫硫效率在95%～99%之間.

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