大型循環(huán)流化床機(jī)組石灰石管路輸送脫硫自動控制的研究與應(yīng)用

頡青堯

[摘? ? 要]以330 MW循環(huán)流化床鍋爐在AGC調(diào)峰運(yùn)行的方式為依據(jù)，通過管路運(yùn)送石灰石，從而達(dá)到爐內(nèi)脫硫目的，以此分析影響脫硫效果的幾大原因。建立閉環(huán)控制系統(tǒng)，將上傳到環(huán)保局監(jiān)控的實(shí)際數(shù)值作為可控測量值。在原調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上手工建立二級調(diào)節(jié)器，從而形成具有自糾纏、自平衡、自動尋優(yōu)的超級調(diào)節(jié)器。在進(jìn)行了不斷優(yōu)化后，發(fā)現(xiàn)在長期投運(yùn)過程中，可以實(shí)現(xiàn)超低排放的目標(biāo)，這樣既節(jié)省了石料，又極大地提高了經(jīng)濟(jì)效益，充分證明了該方案具有很好的可行性，既完善了PID調(diào)節(jié)器的性能，又為實(shí)現(xiàn)其他設(shè)備的自動化控制提供了思路。

[關(guān)鍵詞]循環(huán)流化床;石灰石管路輸送;SO2超低排放;自動控制

[中圖分類號]TM75 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）02–00–03

Research and Application of Automatic control of Limestone pipeline

Conveying Desulfurization for Large circulating Fluidized bed Unit

Jie Qing-yao

[Abstract]Based on the operation of 330 MW in AGC peak regulation of circulating fluidized bed boiler， limestone is transported through the pipeline to achieve the purpose of desulfurization in the furnace， so as to analyze several reasons affecting the desulfurization effect.Establish a closed-loop control system to upload the actual value uploaded to the Environmental Protection Bureau as a controllable measurement value.Build the secondary regulator manually based on the original regulator， so as to form a super regulator with self-entanglement， self-balance， and automatic optimization.After continuous optimization， found that in the process of long-term operation， can achieve the goal of ultra-low emissions， which saves stone， and greatly improve the economic benefits， fully proved that the scheme has a good feasibility， improve the performance of PID regulator， and for the automation control of other equipment provides ideas.

[Keywords]circulating fluidized bed; limestone pipeline delivery; SO2 ultra-low emission; automatic control

循環(huán)流化床鍋爐具有效率高、燃料適應(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活、環(huán)保性能好等優(yōu)點(diǎn)，近年來發(fā)展非常迅速，技術(shù)日趨成熟。隨著我國對環(huán)保要求越來越高，環(huán)保電價政策的出臺，國內(nèi)一些擁有循環(huán)流化床鍋爐的電廠正在抓緊改造或新加脫硫裝置。近些年，由于大型發(fā)電企業(yè)對環(huán)境造成重大影響，如何有效地節(jié)能環(huán)保成為人們的關(guān)注重點(diǎn)，而節(jié)能環(huán)保也是各大發(fā)電企業(yè)必須執(zhí)行做到的，才能實(shí)現(xiàn)超低排放的目標(biāo)，否則，可能會對企業(yè)帶來關(guān)停整改的難題，對電廠和從業(yè)人員帶來極大的考驗(yàn)，也會影響整個社會的安定團(tuán)結(jié)。

脫硫、脫硝是火力發(fā)電廠燃煤組的兩大重要指標(biāo)，脫硫主要分為干法脫硫和濕法脫硫。這兩者的優(yōu)缺點(diǎn)各有不同：干法脫硫投資少，但是可控精度低，無法實(shí)現(xiàn)自動控制;而濕法脫硫需要大量投資，但是可控精度比干法脫硫高。針對這兩種方法的利弊，產(chǎn)生了循環(huán)硫化床機(jī)組，兩種方法都能使用。

循環(huán)硫化床使用干法脫硫，在技術(shù)上可能存在兩大難題難以解決：①循環(huán)硫化床機(jī)組AGC調(diào)峰的問題，會對循環(huán)硫化床實(shí)現(xiàn)脫硫超低排放造成很大的困難;②循環(huán)硫化床本身存在的延遲、滯后和慣性大的問題。運(yùn)用濕法脫硫，SO2測量值非常不準(zhǔn)確，無法實(shí)現(xiàn)有效的控制，即使是常規(guī)的控制前饋中饋的控制方法，都無法取得有效的控制效果，不僅如此，還加大了石灰石的用量，這樣既沒有解決SO2的超低排放目標(biāo)，還增大了NOX。

在經(jīng)過多次試驗(yàn)和細(xì)致觀察后，掌握了石灰石動作的時機(jī)，充分運(yùn)用DCS的功能塊，重新建立了一個與原來的主調(diào)節(jié)器完全不同的新調(diào)節(jié)器，并將它放在主調(diào)節(jié)器之前，給它取名為“二級調(diào)節(jié)器”，這樣，主調(diào)節(jié)器與新的二級調(diào)節(jié)器之間就會出現(xiàn)新的調(diào)節(jié)器用于滿足SO2超低排放的目標(biāo)，同時也可以降低濕法脫硫的費(fèi)用。這種調(diào)節(jié)器的產(chǎn)生充分解決了調(diào)節(jié)器對控制對象大延遲、大慣性的控制，也有利于改善循環(huán)硫化床和超臨界機(jī)組的主汽壓力。

國家發(fā)布的火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

1 循環(huán)硫化床機(jī)組爐內(nèi)干法脫硫的難點(diǎn)

安徽某電廠機(jī)組使用的循環(huán)流化床鍋爐是以330 MW為亞臨界，是在露天布置的，沒有外置床，但是擁有單汽包自然循環(huán)、單爐膛以及汽冷式旋風(fēng)分離器，它的燃料配置主要是6臺給煤機(jī)和四臺煤泥泵。但是這四臺煤泥泵的運(yùn)行受到是否有煤泥和在負(fù)荷段數(shù)高低的影響，隨時可能啟停，這樣就沒辦法預(yù)測煤泥的質(zhì)量。正常的機(jī)組運(yùn)行是以AGC方式運(yùn)行，但是由于太陽能等綠色能源和直流特高壓的接入，機(jī)組大部分時間處于低負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行，負(fù)荷段多在40%～70%Pe，AGC指令也出現(xiàn)了白低晝高的運(yùn)行模式，指令導(dǎo)致出現(xiàn)變化多樣、方向不一的運(yùn)行狀態(tài)。

用于脫硫的石灰石從石灰石粉倉出發(fā)，在經(jīng)過上下緩沖倉后，以石灰石泵疏松的壓縮空氣為動力，將石灰石運(yùn)送到落煤口，在與空氣混合后進(jìn)入爐膛，當(dāng)空氣和煤燃料、石灰石充分融合后，煤粒就會著火并釋放出部分熱量，從而產(chǎn)生CO2和CaO，CaO又與產(chǎn)生的SO2充分反應(yīng)，從而生成硫酸鈣，與殘?jiān)黄鹋懦?。SO2脫硫在進(jìn)行基建改造時不能實(shí)現(xiàn)自動控制，只能改成手動控制，由運(yùn)行人員來調(diào)節(jié)石灰石的給料量。運(yùn)行時工作人員想控制SO2的排放量只能不斷增加石灰石的用量，但是由于循環(huán)硫化床存在的延遲、滯后和慣性大的問題，導(dǎo)致AGC指令變得無序，人為控制的控制效果不好，造成SO2的排放量存在兩種極端，最高時達(dá)到1 200 mg/m3，最低時會歸零，有時還會爆發(fā)脈沖式突變，既浪費(fèi)了石灰石，還增加了NOX的生成，從而形成惡性循環(huán)。

2 優(yōu)化方案分析

2.1 優(yōu)化機(jī)理

床溫、煤量、氧量等都會對循環(huán)流化床脫硫效果產(chǎn)生很大影響，但是這些問題都可以通過控制解決的，而目前為止還存在幾大問題沒辦法有效解決。

2.1.1 石灰石顆粒的顆粒度問題

循環(huán)硫化床的循環(huán)主要分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)，這是它的特征之一。將物料放入爐床內(nèi)進(jìn)行充分燃燒，等燒完之后變成灰渣從爐膛內(nèi)排出，一部分未燒完的顆粒狀物料隨著煙霧的上升進(jìn)入分離器中進(jìn)行分離，較粗的部分進(jìn)入料腿中重新在爐床燃燒，而較細(xì)的部分會進(jìn)入尾部煙道排出大氣，物料的進(jìn)入和灰渣的排出屬于外循環(huán)，而粗粒部分從料腿重新進(jìn)入爐床燃燒就屬于內(nèi)循環(huán)。石灰石顆粒是物料內(nèi)外循環(huán)的一個重要部分，而石灰石脫硫也受石灰石顆粒的重要影響，如果石灰石顆粒太小，無法進(jìn)入料腿進(jìn)行燃燒就無法參與脫硫過程，所以石灰石要選擇顆粒狀，而不應(yīng)選擇粉狀。

2.1.2 調(diào)節(jié)器的能力不足問題

石灰石如何才能掌握好增減動作的時機(jī)，是石灰石脫硫的主要問題，在進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)器總是在該加料時不能及時加料，該減少的時候也一直不動，如果加快速度反而造成指令的打開大關(guān)，始終無法找到平衡點(diǎn)，這樣就造成了連鎖反應(yīng)。

目前，調(diào)節(jié)器主要分為關(guān)聯(lián)調(diào)節(jié)器和非關(guān)聯(lián)調(diào)節(jié)器，它們都是由測量值、設(shè)定值、比例、積分、微分和前饋構(gòu)成的，由于SO2在煙囪入口處附近進(jìn)行測量，且它與電子件之間有300m左右的距離，測量時間也是非連續(xù)的，這樣很容易使循環(huán)流化床的遲延和慣性更加嚴(yán)重，也更容易產(chǎn)生兩極分化，當(dāng)SO2的測量值長時間處于“0”附近時，會造成突然性的脈沖動作。目前運(yùn)用的功能塊已經(jīng)可以做到預(yù)判預(yù)估，這一功能可以在測量值時使用。

調(diào)節(jié)器在使用微分時，由于啟調(diào)點(diǎn)的問題，導(dǎo)致單純使用微點(diǎn)不能移植SO2的脈沖式突變。

2.1.3 調(diào)節(jié)器的積分問題

SO2的非線性要求調(diào)節(jié)器也必須具備非線性，但是調(diào)節(jié)器的取消積分功能沒有辦法消除靜差，無法精準(zhǔn)控制，這樣就變成了線性或近線性的開關(guān)，只整合調(diào)節(jié)器的參數(shù)無法實(shí)現(xiàn)有效的控制效果。

2.2 床溫

床溫對脫硫效率的影響主要在于床溫的高低會改變脫硫劑的反應(yīng)速度、固體產(chǎn)物的分布及孔隙的堵塞特性，從而影響脫硫效率和脫硫劑利用率，最佳的脫硫床溫為850 ℃。若床溫低于850 ℃，不僅N2O的生成量會驟然增大，而且爐膛溫度低不利于石灰石煅燒反應(yīng)的進(jìn)行，會降低脫硫反應(yīng)速度;若爐膛溫度過高，氧化鈣的微孔會被迅速堵塞而影響脫硫劑的進(jìn)一步利用，會使脫硫效率降低，此外爐膛溫度過高還會造成硫酸鈣的分解，也會使硫效率下降。

2.3 優(yōu)化過程

2.3.1 方案制定

方案一：采用串級控制系統(tǒng)來解決原始方案中不能控制的問題，控制效果：將SO2控制在400 mg/m3以內(nèi)，峰值達(dá)到412 mg/m3，5min內(nèi)能夠從開始波動到重新控制到穩(wěn)定值，給煤量波動相差達(dá)到30 t/h。使用這一方案控制下的SO2與原始方案的控制效果不同，但是超低排放的目的沒有達(dá)到，存在的問題依然沒有得到有效處理。

2.3.2 第二次優(yōu)化

在觀察優(yōu)化之后可以發(fā)現(xiàn)SO2不能得到有效控制，從而達(dá)到超低排放的目標(biāo)和石灰石的變頻指令沒有找到完整的平衡點(diǎn)來進(jìn)行大幅度的開關(guān)動作，這樣的控制效果非常不理想這兩大問題，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)不足之處，所以要再次修改方案來解決這兩大問題。

方案二說明：將方案一中的前饋串級方案完全放棄，調(diào)出原始方案，并在原始方案基礎(chǔ)上在主調(diào)節(jié)器的前饋上面手工搭建一個二級調(diào)節(jié)器，同時也要再處理SO2的采樣信號，達(dá)到超前滯后的效果。

①SO2采樣的再處理，在調(diào)節(jié)器測量SO2之前添加一個超前滯后的環(huán)節(jié)，這個環(huán)節(jié)主要是使用微分來提前感知到測量值的變化，而測量值的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性可以用滯后環(huán)節(jié)來表達(dá)。②主調(diào)節(jié)器的不足可以用手工搭建的二級調(diào)節(jié)器來彌補(bǔ)，當(dāng)積分過于線性是，微分的起調(diào)點(diǎn)把握不足的問題就會造成主調(diào)節(jié)器的指令出現(xiàn)線性變化，這樣不利于對SO2的控制，只會是徒勞無功。

與功能塊的調(diào)節(jié)器不同的是，手工搭建的二級調(diào)節(jié)器可以獨(dú)立控制，這樣就可以調(diào)整參數(shù)，限制幅度，看到時值。而二級調(diào)節(jié)器比主調(diào)節(jié)器更容易操控，這是它與主調(diào)節(jié)器最本質(zhì)的不同。

二級調(diào)節(jié)器的比例、微分環(huán)節(jié)的構(gòu)成：將主調(diào)節(jié)器的設(shè)定值和測量值通過乘法系數(shù)SPG和PVG用正負(fù)表達(dá)正作用和反作用，在有利于限幅和保證設(shè)定值與測量值變化趨勢不變的情況下提供二者偏差的比例微分的起調(diào)點(diǎn)。

（1）二級調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié)。設(shè)定值與測量值通過乘法系數(shù)SPG和PVG實(shí)現(xiàn)正作用和反作用，當(dāng)SPG為正、PVG為負(fù)則該作用為反作用，當(dāng)SPG為負(fù)、PVG為正則該作用為正作用。為了對二級調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié)的輸出進(jìn)行限幅和提高比例作用的偏差起調(diào)點(diǎn)，可以通過對設(shè)定值乘法系數(shù)SPG、測量值乘法修正系數(shù)PVG縮小其偏差，縮小后的偏差傳遞給微分環(huán)節(jié)進(jìn)行運(yùn)算。

（2）二級調(diào)節(jié)器的微分環(huán)節(jié)。比例環(huán)節(jié)的偏差計(jì)算傳遞過來的值通過三節(jié)慣性環(huán)節(jié)與原值的偏差再經(jīng)過一節(jié)慣性濾波構(gòu)成了微分的初始微分輸出，初始微分輸出再經(jīng)過自適應(yīng)偏差的系數(shù)放大形成微分輸出中間值，經(jīng)過限制幅度再經(jīng)過乘法修整系數(shù)，最終形成微分輸出值。

（3）二級調(diào)節(jié)器的積分環(huán)節(jié)。用測量值的三節(jié)慣性后形成設(shè)定值，其三節(jié)慣性的時間與主調(diào)節(jié)器的測量值與設(shè)定值的偏差相關(guān)連，偏差越大慣性越大，這樣的設(shè)定值與該信號的特性相匹配，與測量值的偏差積分形成了非線性的積分，這就是自糾纏控制器的含義所在。

調(diào)節(jié)器的底線問題解決：機(jī)組在長期運(yùn)行中一直在高低負(fù)荷不同的負(fù)荷段運(yùn)行情況下，可以將低負(fù)荷調(diào)節(jié)器關(guān)小至0，要維持SO2的控制指標(biāo)要求，可以依靠變頻器的低速旋轉(zhuǎn)給料脫硫，但是在中間負(fù)荷段和高負(fù)荷段時要維持基本的轉(zhuǎn)速來保證給料，所以，通過符合指令的折現(xiàn)函數(shù)可以看出，在調(diào)節(jié)器的出口對應(yīng)一個不同負(fù)荷段的基本開度。

3 優(yōu)化后的效果與評價

從第二次方案優(yōu)化可以看出，二級調(diào)節(jié)器中的微分和積分非常重要，這一方案中，主調(diào)節(jié)器與二級調(diào)節(jié)器相互合作，也相互配合，一起進(jìn)行調(diào)節(jié)，才能實(shí)現(xiàn)最后的控制效果。該方案解決了整體調(diào)節(jié)器中的比例、積分、微分不能相互限制的問題。進(jìn)行二次優(yōu)化后調(diào)節(jié)器一直以來存在的問題消失了，調(diào)節(jié)器間的相互配合也將動態(tài)問題和穩(wěn)態(tài)問題都解決了。當(dāng)然，二級調(diào)節(jié)器的出現(xiàn)，將遲延滯后控制對象和積分飽和問題都解決了，也解決了循環(huán)流化床的爐內(nèi)脫硫的自動控制問題，還為無塔脫硫超低排放提供新的解決思路。

方案二的優(yōu)化改善了控制品質(zhì)，將日平均指數(shù)控制在了超低排放的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，同時也減少了石灰石的有效用量，增長了經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。自動控制好處還體現(xiàn)在將單臺機(jī)組石灰石的用量降低至每日100t，減少了一百多噸的消耗，每年每臺可節(jié)省500萬元，兩臺機(jī)組就可以節(jié)省近千萬元。也有利于節(jié)省人員勞動力的消耗，使運(yùn)行效率變得更快更強(qiáng)。

4 結(jié)語

在方案不斷優(yōu)化后，經(jīng)過投運(yùn)檢測，大型循環(huán)硫化床機(jī)組自動控制可以保證節(jié)能環(huán)保，也能減少大量石灰石的使用，可以有效地控制好SO2的排放，為其他機(jī)組提供了新的思路，從經(jīng)濟(jì)效益和社會效益上都有了極大的成果。同時，這項(xiàng)技術(shù)也可用于其他火力發(fā)電主汽壓力控制和主汽溫度控制的改良，為解決遲延滯后的對象提供了新的方向，穩(wěn)定、高效、在循環(huán)硫化床機(jī)組中樹立了典范。

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