基于變工頻混合控制的超臨界機(jī)組脫硫吸收塔PH控制與優(yōu)化

華潤電力技術(shù)研究院有限公司 衛(wèi)平寶

本文研究了超臨界火力發(fā)電機(jī)組脫硫吸收塔PH值控制策略存在的問題，針對目前火電機(jī)組深度配煤摻燒及超低排放的需要，保證機(jī)組在各種煤種及負(fù)荷工況下，實(shí)現(xiàn)超低排放目標(biāo)，給出了一種變頻+工頻混合自動(dòng)控制策略，解決單純用供漿調(diào)節(jié)閥控制存在節(jié)流損失大，及單純使用供漿泵變頻控制轉(zhuǎn)速在低出力下管道流動(dòng)性差，易發(fā)生管道堵塞等問題，采用PH值變工頻混合控制策略可解決以上問題，同時(shí)對該策略下的控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，提高了吸收塔PH值控制品質(zhì)。

隨著環(huán)保日益重視，對火電機(jī)組二氧化硫排放的指標(biāo)越來越嚴(yán)格，為了實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組超低排放，機(jī)組進(jìn)行了超低排放改造，同時(shí)需對原有的脫硫效率控制回路進(jìn)行優(yōu)化改造，原設(shè)計(jì)脫硫吸收塔漿液PH值為自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用單回路供漿調(diào)節(jié)閥控制PH值，該方法控制回路簡單，但無法適應(yīng)現(xiàn)在多煤種深度摻燒的需要，對硫份變化的適應(yīng)性差，調(diào)節(jié)精度差，抗干擾能力差，以致于PH值控制滯后、波動(dòng)大，滿足不了超低排放的指標(biāo)的要求，迫切需要設(shè)計(jì)一種新的控制策略，已解決現(xiàn)有的問題。

1 變工頻PH值控制策略功能設(shè)計(jì)

原機(jī)組設(shè)計(jì)的脫硫漿液PH值為單回路控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為供漿調(diào)節(jié)閥，自動(dòng)控制調(diào)節(jié)閥開度實(shí)現(xiàn)對PH值的運(yùn)行范圍的控制，該方式下，回路設(shè)計(jì)簡單明了，但存在如下問題：一是調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失大，管道振動(dòng)大，磨損大；二是低流量時(shí)供漿管道流動(dòng)性差，易管道堵塞；三是PH值控制品質(zhì)差，波動(dòng)大；四是未設(shè)計(jì)前饋回路，無法及時(shí)通過升降負(fù)荷及吸收塔入口SO2變化實(shí)現(xiàn)PID提前調(diào)節(jié)。對硫份的適應(yīng)性不好，給檢修和運(yùn)行帶來諸多不便，為了適應(yīng)機(jī)組深度配煤摻燒及超低排放的需要，保證機(jī)組在各種煤種下實(shí)現(xiàn)超低排放目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)一種660MW機(jī)組脫硫吸收塔PH值變工頻混合控制系統(tǒng)，由2個(gè)子模塊組成，即，一個(gè)變頻控制子模塊、一個(gè)工頻輔助控制子模塊，采用變工頻混合控制策略以解決上述問題。

采用一種新型脫硫吸收塔PH值變工頻混合控制策略邏輯設(shè)計(jì)，當(dāng)脫硫吸收塔PH值控制投入自動(dòng)后，上述2個(gè)模塊協(xié)調(diào)動(dòng)作控制參數(shù)，保證機(jī)組排放達(dá)標(biāo)運(yùn)行，其中：對供漿管道流量做最小流量限制，變頻泵采用三沖量控制方式，當(dāng)變頻泵輸出小于10Hz時(shí)，輸出保持不再減小頻率，以保持管道有適量的流體流過，避免管道漿液長時(shí)間不流動(dòng)而造成管道堵塞，當(dāng)變頻泵頻率低于20Hz時(shí)，逐漸關(guān)小供漿調(diào)節(jié)閥開度，以提高供漿壓力，當(dāng)變頻泵頻率高于40Hz時(shí)，將供漿調(diào)節(jié)閥全開，以減少調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失，輔助控制系統(tǒng)采用供漿調(diào)節(jié)閥工頻控制方式，其開度與供漿變頻泵頻率的對應(yīng)關(guān)系執(zhí)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的函數(shù)；當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度小于10%時(shí)保持不再減小，防止管道漿液不流動(dòng)而堵塞。供漿泵變頻控制回路增加三個(gè)前饋信號(hào)，即負(fù)荷前饋、吸收塔進(jìn)口SO2濃度前饋、煙氣流量前饋，其數(shù)值均以試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合函數(shù)獲取，通過前饋控制可提高PH值控制響應(yīng)速度，提高PH控制品質(zhì)。變工頻混合控制策略邏輯，如圖1所示。

圖1 吸收塔漿液pH值變工頻混合控制邏輯

其中：脫硫吸收塔PH控制主控制器PID（簡稱主PID）接受PH設(shè)定值與PH實(shí)際值得偏差，經(jīng)比例、積分、微分作用及前饋?zhàn)饔眯纬蓾{液量需求指令，脫硫吸收塔PH控制副控制器PID（簡稱副PI）接受主PID指令與實(shí)際管道漿液流量做偏差計(jì)算，形成最終的供漿泵頻率指令，PHFF1為負(fù)荷動(dòng)態(tài)前饋，PHFF2為吸收塔原煙氣SO2濃度前饋，PHFF3為煙氣流量前饋，PHFF為主PID的總前饋信號(hào)，關(guān)系為：PHFF=0.55×PHFF1+0.25×PHFF2+0.2×PHFF3。副PI設(shè)置為快速控制回路，K1p=10.5，K1i=0.28。

圖2 變負(fù)荷工況下漿液PH值自動(dòng)控制試驗(yàn)曲線

2 變工頻PH值控制參數(shù)試驗(yàn)與優(yōu)化

目前，普遍的做法是對脫硫控制系統(tǒng)進(jìn)行改造和優(yōu)化，本文根據(jù)設(shè)計(jì)的新型變工頻控制策略，結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)，進(jìn)行控制參數(shù)擬合和試驗(yàn)。

2.1 變頻泵頻率與供漿泵開度指令的關(guān)系

通過大量現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲取供漿調(diào)節(jié)閥開度指令y與變頻泵轉(zhuǎn)速（頻率）x之間的關(guān)系，其擬合函數(shù)為：

2.2 主PID前饋PHFF1參數(shù)y與機(jī)組負(fù)荷x的關(guān)系

通過現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對吸收塔PH值變工頻混合控制PID前饋PHFF1參數(shù)y與機(jī)組負(fù)荷的關(guān)系進(jìn)行擬合，其函數(shù)為：

2.3 主PID前饋PHFF2參數(shù)y與機(jī)組負(fù)荷x的關(guān)系

通過現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對吸收塔PH值變工頻混合控制PID前饋PHFF2參數(shù)y與原煙氣中SO2濃度（mg/NM3）的關(guān)系進(jìn)行擬合，其函數(shù)為：

2.4 主PID前饋PHFF3參數(shù)y與機(jī)組負(fù)荷x的關(guān)系

通過現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對吸收塔PH值變工頻混合控制PID前饋PHFF3參數(shù)y與原煙氣量（KM3/H）的關(guān)系進(jìn)行擬合，其函數(shù)為：

主控制器PID總的前饋信號(hào)PHFF，為脫硫吸收塔PH值變工頻混合控制主控制器PID的總前饋信號(hào)。

2.5 主PID比例系數(shù)Kp與機(jī)組負(fù)荷的關(guān)系

通過參數(shù)辨識(shí)、自動(dòng)回路擾動(dòng)試驗(yàn)，對吸收塔PH值變工頻混合控制主控制器PID比例系數(shù)Kp值、積分系數(shù)Ki值、微分系數(shù)Kd值y1、y2、y3分別與機(jī)組負(fù)荷（MW）x的關(guān)系進(jìn)行擬合，其函數(shù)為：

3 吸收塔PH值自動(dòng)控制擾動(dòng)試驗(yàn)及效果分析

經(jīng)過上述變工頻混合控制策略改造及控制參數(shù)優(yōu)化，對進(jìn)行變負(fù)荷試驗(yàn)，選取一臺(tái)600MW超臨界火力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行PH值控制優(yōu)化后驗(yàn)證效果，試驗(yàn)前，機(jī)組負(fù)荷460MW運(yùn)行，吸收塔漿液PH值設(shè)定值為5.7，實(shí)際值為5.7，試驗(yàn)開始啟動(dòng)，機(jī)組負(fù)荷由460MW→490MW，升負(fù)荷30MW。如圖2所示。

從整個(gè)試驗(yàn)過程來看，吸收塔漿液PH值5.67～5.76之間變化，最大超調(diào)量0.06，最大變化幅度0.09，PH值控制系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定、精確，使機(jī)組在負(fù)荷變化過程PH值精確控制在設(shè)定值5.7左右變化，且變化幅度不超過1.05%，控制品質(zhì)顯著提高。

結(jié)論：通過變工頻吸收塔PH值自動(dòng)控制策略及控制參數(shù)優(yōu)化，采用變頻控制供漿泵轉(zhuǎn)速，工頻輔助控制供漿調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高PH值調(diào)節(jié)品質(zhì)，本策略采用低流量限制設(shè)計(jì)，可解決管道漿液流量低造成的管道堵塞，采用變頻控制，減少調(diào)節(jié)閥門節(jié)流損失，提高供漿效率，采用工頻輔助變頻的混合控制系統(tǒng)，可克服單純的工頻控制調(diào)節(jié)閥、變頻調(diào)節(jié)供漿泵轉(zhuǎn)速兩者的缺點(diǎn)，發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)PH值最優(yōu)控制。同時(shí)，吸收塔PH值控制采用三沖量控制，主PID采用變參數(shù)、自適應(yīng)控制，輔助以前饋控制，副控制器PI采用快速回路，提高調(diào)節(jié)速度，現(xiàn)實(shí)提高PH值控制品質(zhì)的目的。