基于專家控制的爐外濕法脫硫自動控制研究及應(yīng)用

朱竹軍

（山西平朔煤矸石發(fā)電有限公司，朔州 036800）

山西某電廠300MW循環(huán)流化床機(jī)組，采用爐內(nèi)脫硫+爐外濕法脫硫兩級聯(lián)合脫除方式控制SO2的排放，爐外濕法脫硫設(shè)備設(shè)計的指標(biāo)為3000 mg/m3，即爐內(nèi)脫硫控制SO2濃度在3000 mg/m3以下。循環(huán)流化床鍋爐爐外濕法脫硫過程的大遲延、大慣性、非線性、時變等過程特性，使得使用常規(guī)PID無法實現(xiàn)其自動控制，因此很多發(fā)電企業(yè)依靠運行人員不斷手動調(diào)節(jié)石灰石漿液補(bǔ)給量，以保證SO2的排放濃度滿足環(huán)保指標(biāo)，并保證脫硫塔內(nèi)的pH在合適的范圍內(nèi)。

然而，手動控制存在石灰石漿液投入量突增、突減的現(xiàn)象，導(dǎo)致pH值波動較大，使生產(chǎn)的石膏品質(zhì)變差。在此情況下急需一種控制策略來實現(xiàn)濕法脫硫自動控制。而國內(nèi)外學(xué)者對CFB機(jī)組爐外濕法脫硫系統(tǒng)的相關(guān)研究，大多主要集中在脫硫工藝、脫硫反應(yīng)機(jī)理及其影響因素上[1-7]，僅有少部分國內(nèi)學(xué)者對CFB機(jī)組爐外濕法脫硫系統(tǒng)控制進(jìn)行了研究，但也多集中于控制方法的設(shè)計和仿真[8-12]。由于大多數(shù)的仿真在設(shè)計時并未考慮到實際運行中的各種復(fù)雜多變的因素，以及存在現(xiàn)有的DCS能否支持高級的算法等問題，致使所設(shè)計的控制方法并不適用于現(xiàn)場實施。故在此提出了適合于工業(yè)應(yīng)用的一種基于動態(tài)疊加的慢速粗調(diào)+快速細(xì)調(diào)+前饋控制的控制策略，以實現(xiàn)爐外濕法脫硫自動控制。

1 爐外濕法脫硫系統(tǒng)

爐外濕法脫硫系統(tǒng)是由北京清新環(huán)境公司自主研發(fā)的單塔一體化脫硫除塵裝置，主要由以下系統(tǒng)構(gòu)成：煙氣系統(tǒng)——事故噴淋等；S2O吸收系統(tǒng)——包括脫硫塔、除霧器、氧化風(fēng)機(jī)、漿液排出泵等；石灰石漿液制備系統(tǒng)——包括石灰石粉倉、石灰石漿液配置箱、石灰石漿液儲存箱、石灰石漿液輸送泵、石灰石供漿泵等；石膏脫水系統(tǒng)——包括石膏漿液漩流器、廢水漩流器、真空皮帶過濾機(jī)，濾液箱等；脫硫廢水處理系統(tǒng)——包括廢水加藥系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)；工藝水及壓縮空氣系統(tǒng)；等。該電廠的濕法脫硫工藝系統(tǒng)如圖1所示。

爐外脫硫系統(tǒng)配套有3臺漿液循環(huán)泵，3臺氧化風(fēng)機(jī)（兩用一備），2臺變頻供漿泵。其出口SO2排放濃度的控制采用石灰石補(bǔ)漿量控制方式，此種方式是把漿液補(bǔ)給管直接接于漿液循環(huán)泵入口，新舊漿液在管路中混合，直接送入高效噴淋裝置參與脫硫過程，然后再返回漿液池中。漿液池pH值應(yīng)控制在 4.8～5.6。

圖1 濕法脫硫工藝系統(tǒng)Fig.1 Wet desulphurization process system

2 自動控制策略的設(shè)計

控制策略的主結(jié)構(gòu)采用基于動態(tài)疊加的慢速粗調(diào)+快速細(xì)調(diào)+前饋控制的方式，在此基礎(chǔ)上增加SO2濃度超限保護(hù)、石灰石漿液流量高低限及pH設(shè)定值動態(tài)變化等控制策略。

式中：W（n）為石灰石漿液流量的設(shè)定值；ΔW為當(dāng)前石灰石漿液流量需要增減的量；W1為石灰石漿液流量的前饋量。

設(shè)定值形成的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。在石灰石漿液流量設(shè)定值形成中，整個控制回路未采用常規(guī)的PID控制，而是借鑒了PID的部分功能與專家控制相結(jié)合形成的動態(tài)疊加方法。例如，在PID控制中如果被控量有下降趨勢時，控制量仍在進(jìn)行累加，而采用此動態(tài)疊加方法，可以在出現(xiàn)下降趨勢時進(jìn)行判定，不再繼續(xù)進(jìn)行控制量的累加。其它情況與此類似。

圖2 設(shè)定值形成的基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structure formed by setting values

當(dāng)滿足條件時發(fā)1個計算機(jī)掃描周期的脈沖信號，將計算得到的石灰石漿液流量疊加到初始值上，然后經(jīng)過一定的時間（即1個判定周期）再次判斷是否滿足還原劑量變化的條件。

2.1 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

1）脫硫塔入口SO2濃度濾波及煙氣量濾波

由于現(xiàn)場測量返回的SO2濃度往往帶有隨機(jī)的擾動，所以需對SO2濃度進(jìn)行濾波，具體方式如圖3所示。

圖3 脫硫塔入口SO2濃度濾波Fig.3 Filtration of SO2content at inlet of desulfurization tower

測量返回的SO2濃度通過遲延功能塊實現(xiàn)，使當(dāng)前時刻與前4 s的測量值相加后，求其平均值得到濾波后的SO2濃度。煙氣量的濾波方式與此類似。

2）pH測量值變化率

調(diào)整參數(shù)，將干擾導(dǎo)致的pH測量值變化率限制在±0.2以內(nèi)，即在±0.2以內(nèi)時認(rèn)為是隨機(jī)干擾導(dǎo)致的波動，超出±0.2時則認(rèn)為SO2濃度確實發(fā)生了變化。具體的實現(xiàn)方式如圖4所示。

圖4 pH測量值變化率Fig.4 Change rate of pH measured value

對pH測量值進(jìn)行系數(shù)修正，通過當(dāng)前時刻與前一時刻的差值得到pH的變化率，最后再獲得與前4次pH變化率的平均值，求取平均值后的pH變化率更加平穩(wěn)。在此應(yīng)特別注意，pH值變化緩慢，故將DCS的掃描周期由原來的0.5 s調(diào)整為2 s。

2.2 前饋控制

控制系統(tǒng)的前饋量為

式中：wls，f為所需石灰石漿液流量的前饋量，m3/h；RCa/S為爐內(nèi)脫硫系統(tǒng)鈣硫比；Ve為煙氣流量，m3/h；Cin，SO2為脫硫塔入口 SO2濃度，mg/m3；X1為SO2吸收率；X2為含固量，（%）；X3為石灰石純度，（%）；X4為石灰石利用率，（%）；X5為漿液質(zhì)量密度，kg/m3；MCaCO3為CaCO3的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；MSO2為SO2的摩爾質(zhì)量，kg/kmol。

石灰石漿液預(yù)測量具體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖5所示。石灰石漿液預(yù)測量由式（2）得到基準(zhǔn)值后，再由負(fù)荷、pH分別經(jīng)F（x）修正后得到。

為了能夠進(jìn)行超前加快調(diào)節(jié)式中：wls，p為石灰石漿液預(yù)測量；dwls，p為石灰石漿液預(yù)測量的微分。

當(dāng) pHs-pHm＞0.1 且 dwls，p＞0 時， 則 wls，f保持不變；當(dāng) pHs-pHm＜-0.1 且 dwls，p＜0 時，則 wls，f保持不變。其中，pHs為pH設(shè)定值；pHm為pH測量值。

圖5 石灰石漿液預(yù)測量Fig.5 Preconcentration of limestone slurry

2.3 慢速粗調(diào)方式

1）當(dāng) pHs-pHm＞0.15 且 ΔpH＞0 時，延時 5 s，發(fā)1個掃描周期脈沖，并在原來石灰石漿液流量設(shè)定值 wls，s的基礎(chǔ)上減少一定的量 Δw1，延時 5 min后再進(jìn)行判定，其中

式中：A1為修正系數(shù)。

2）當(dāng) pHs-pHm＜-0.15 且 ΔpH＜0 時，延時 5 s，發(fā)1個掃描周期脈沖，并在原來wls，s的基礎(chǔ)上增加一定的量Δw2，延時5 min后再進(jìn)行判定，其中

式中：A2為修正系數(shù)。

該控制方式的特點是慢速粗調(diào)，即一次增減的量較大，但判定間隔時間長。

2.4 快速細(xì)調(diào)方式

1）當(dāng) pHs-pHm＞0.1 且 ΔpH＞0 時，延時 5 s，發(fā) 1個掃描周期脈沖，并在原來wls，s的基礎(chǔ)上減少一定量Δw3，延時2 min后再進(jìn)行判定，其中

式中：A3為修正系數(shù)。

2）當(dāng) pHs-pHm＜-0.1 且 ΔpH＜0 時，延時 5 s，發(fā)1個掃描周期脈沖，并在原來wls，s的基礎(chǔ)上增加一定的量Δw2，延時2 min后再進(jìn)行判定，其中

式中：A4為修正系數(shù)。

該控制方式的特點是快速細(xì)調(diào)，即一次增減的量少，但判定間隔時間短。

2.5 pH動態(tài)設(shè)定值的形成

漿液池pH值應(yīng)控制在4.8～5.6。為了減少石灰石漿液消耗量，盡可能使pH值控制到較小值且在該區(qū)間范圍內(nèi)，pHs，min由 wls，p經(jīng) F（x）折算后得到。當(dāng)脫硫塔出口 SO2濃度 Cout，SO2＜10 mg/m3持續(xù) 10 min時，在當(dāng)前 pHs的基礎(chǔ)上減去 0.1，直至達(dá)到 pHs，min；當(dāng) Cout，SO2＞20 mg/m3持續(xù) 1 min 時， 在當(dāng)前 pHs的基礎(chǔ)上加0.15。

2.6 超限保護(hù)+高低限控制

當(dāng) Cout，SO2＞30 mg/m3且 SO2濃度有增加的趨勢時，發(fā)超馳保護(hù)動作，超馳保護(hù)動作的時間根據(jù)wls，f經(jīng) F（x）折算后得到。 當(dāng) Cout，SO2＜30 mg/m3時，此時的石灰石投入量不能超過該工況下相應(yīng)的最大石灰石漿液量，最大石灰石漿液量由wls，f修正后得到。同理，當(dāng) Cout，SO2＜30 mg/m3時，此時投入的石灰石量不能低于該工況下相應(yīng)的最小石灰石漿液量，最小石灰石量由wls，f修正后得到。設(shè)定石灰石漿液高低限的目的是留有一定石灰石裕量，減少擾動。

在該控制策略中還包含有手自動無擾切換等一些小控制結(jié)構(gòu)。

3 實際運行效果

投入自動后，特意選取了脫硫塔前SO2濃度變化大、工況不穩(wěn)定的6 h數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 濕法脫硫系統(tǒng)自動運行數(shù)據(jù)Fig.6 Automatic operation data of wet desulpHurization system

圖6所顯示的量程如下：

pH 值為2～7；石灰石漿液流量為0～70 m3/h；

塔前 SO2濃度為4500～8500 mg/m3；

SO2排放濃度為0～50 mg/m3；

漿液質(zhì)量密度為1000～2500 kg/m3。

自動投入前后的優(yōu)勢對比見表1。綜上，該自動控制程序可滿足任何突變情況，可以實現(xiàn)爐外濕法脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全及經(jīng)濟(jì)運行。

表1 自動投入前后效果對比Tab.1 Effect comparison before and after automatic application

4 結(jié)語

爐外濕法脫硫系統(tǒng)被控對象的大遲延、大慣性以及對象模型的不確定性，導(dǎo)致常規(guī)的PID控制以及一些先進(jìn)控制不能應(yīng)用于此。提出了一種適合于現(xiàn)場實施的基于動態(tài)疊加的慢速粗調(diào)+快速細(xì)調(diào)+前饋控制的控制策略，將此控制策略組態(tài)于300MW CFB機(jī)組的新華DCS，經(jīng)過調(diào)試實現(xiàn)了爐外濕法脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)運行。