關(guān)于降低脫硫凈煙氣SO2超標(biāo)次數(shù)的研究

李 莎，潘永亮，曾俊霖

（寧夏棗泉發(fā)電有限責(zé)任公司，銀川 750410）

1996年發(fā)布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，首次要求對(duì)鍋爐排放煙氣安裝連續(xù)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理，隨后開展了一系列關(guān)于改善環(huán)境質(zhì)量，降低污染排放，加強(qiáng)環(huán)境管理的要求，同時(shí)對(duì)火電廠煙氣排放濃度限值要求逐步嚴(yán)格。隨著一些先進(jìn)的污染治理設(shè)施的投運(yùn)，以火電為代表的一些行業(yè)開始推進(jìn)固定污染源廢氣超低（近零）排放，污染物排放濃度逐步降低，同時(shí)加強(qiáng)環(huán)保超標(biāo)考核。某廠在最初建設(shè)時(shí)秉承“區(qū)域最優(yōu)、節(jié)能環(huán)保”的建設(shè)理念，工程采用冷卻塔排煙方式，煙氣通過兩座170 m高冷卻塔排放。主要煙氣污染物排放濃度滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）表2中SO2特別排放限值要求。

1 脫硫系統(tǒng)

該廠采用石灰石濕法脫硫技術(shù)。石灰石-石膏濕法煙氣脫硫原理為石灰石CaCO3細(xì)粉經(jīng)機(jī)械加工成石灰石漿液作為SO2吸收劑，通過煙氣與石灰石漿在脫硫塔中充分接觸，使煙氣中的SO2與石灰石漿液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成亞硫酸鈣和硫酸鈣，在吸收塔底部攪拌器上部鼓入空氣，使亞硫酸鈣氧化成硫酸鈣，結(jié)晶分離得副產(chǎn)品石膏[1]。

該廠引風(fēng)機(jī)出口煙氣前后進(jìn)入兩級(jí)吸收塔，煙氣中的SO2被噴淋石灰石漿液吸收。吸收SO2的漿液落入吸收塔底部反應(yīng)罐，通過漿液循環(huán)泵與補(bǔ)充的石灰石漿液再次噴出，洗滌煙氣中的SO2?；旌系臐{液在反應(yīng)罐底部以石膏形式沉淀析出，脫完硫的煙氣從煙道排出。

該廠脫硫吸收塔漿液pH采用閉環(huán)自動(dòng)控制方式，設(shè)定值為漿液最佳運(yùn)行環(huán)境pH，測(cè)量值為吸收塔內(nèi)部漿液混合后pH。機(jī)組運(yùn)行過程中煙氣中大量SO2使煙氣呈現(xiàn)強(qiáng)酸性，在石灰石漿液中和的過程中供漿量決定最終煙氣pH。供漿量越高，脫硝效率越高，達(dá)到飽和效率后過量漿液引起過度損耗影響經(jīng)濟(jì)性。因此，需要控制吸收塔pH來決定脫硫效率。當(dāng)吸收塔內(nèi)漿液pH在一定范圍內(nèi)時(shí)，pH增大，脫硫效率提高；pH降低，脫硫效率隨之降低。該廠采用串級(jí)控制的方式，用送入吸收塔的石灰石漿液流量來控制漿液pH值，以保證預(yù)期的脫硫效果[2]。

2 存在的問題

從該電廠投產(chǎn)脫硫系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)組脫硫凈煙氣SO2頻繁超標(biāo)，使公司超低排放工作出現(xiàn)了安全隱患，給機(jī)組運(yùn)行控制增加了壓力。同時(shí)，SO2會(huì)同空氣中的水結(jié)合能夠形成酸性物質(zhì)，引發(fā)酸雨。SO2形成酸雨降落到地面后，不但直接損傷植物、建筑物，還會(huì)對(duì)工作人員身體產(chǎn)生危害。當(dāng)脫硫凈煙氣SO2長期超標(biāo)，加入吸收塔的石灰石漿液量多，購買的石灰石粉就多，電廠的經(jīng)濟(jì)性就差。

3 原因分析

3.1 pH測(cè)點(diǎn)不準(zhǔn)

該廠脫硫吸收塔漿液pH測(cè)量?jī)x表為羅斯蒙特1056，pH電極為羅斯蒙特0396R-10-21-54，通過調(diào)查取證，該廠運(yùn)行部化驗(yàn)班每周定期對(duì)脫硫吸收塔漿液pH進(jìn)行化驗(yàn)分析，運(yùn)行主操將數(shù)據(jù)與DCS測(cè)點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)。當(dāng)pH測(cè)點(diǎn)確實(shí)不準(zhǔn)時(shí)，將會(huì)下缺陷至儀控專業(yè)處理。同時(shí)設(shè)備管理部?jī)x控維護(hù)人員也定期對(duì)儀表及探頭進(jìn)行維護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)及時(shí)維修。查詢ERP系統(tǒng)缺陷數(shù)量，排除pH測(cè)點(diǎn)不準(zhǔn)的原因。

3.2 石灰石粉純度差

石灰石中的雜質(zhì)對(duì)脫硫系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重要的影響，常見的雜質(zhì)中包括MgCO3。MgCO3一部分可以溶解，從而對(duì)脫硫過程產(chǎn)生重要的影響，MgCO3本身可以參與脫硫反應(yīng)，適度的含量會(huì)增強(qiáng)漿液的吸收能力，含量高會(huì)阻礙CaCO3與SO2的反應(yīng)，從而抑制CaCO3的溶解，導(dǎo)致脫硫效率降低[3]。

針對(duì)石灰石粉的純度，該廠運(yùn)行部化驗(yàn)班人員每天對(duì)入廠車輛的石灰石粉純度進(jìn)行化驗(yàn)，并將化驗(yàn)數(shù)據(jù)上報(bào)物資采購部，針對(duì)不合格石粉車輛及廠家進(jìn)行考核。同時(shí)物資部門在石灰石粉招投標(biāo)時(shí)，采取將石灰石粉純度要求做投標(biāo)限制，并對(duì)供應(yīng)廠家資質(zhì)進(jìn)行核對(duì)等措施，確保石灰石粉純度合格。所以，該廠石灰石品質(zhì)對(duì)凈煙氣SO2含量超標(biāo)無影響。

3.3 控制器參數(shù)不匹配

通過分析DCS歷史趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)在負(fù)荷及原煙氣SO2含量保持穩(wěn)態(tài)工況下，此時(shí)控制系統(tǒng)處于無擾動(dòng)控制環(huán)境，但吸收塔漿液pH值仍然處于波動(dòng)狀態(tài)，跟蹤效果不佳導(dǎo)致吸收塔供漿調(diào)閥開度頻繁動(dòng)作，最終影響凈煙氣脫硫效果穩(wěn)定性。當(dāng)閉環(huán)控制系統(tǒng)無外擾環(huán)境下無法消除靜態(tài)誤差，則說明控制系統(tǒng)控制器參數(shù)與控制模型匹配度較差，無法達(dá)到穩(wěn)態(tài)控制效果[4]，控制器參數(shù)不匹配是凈煙氣SO2含量超標(biāo)的原因。

3.4 供漿調(diào)閥特性不佳

該廠供漿調(diào)閥型號(hào)為SIPOS 2SA5511-5CE00-4BB3-Z的電動(dòng)調(diào)閥，在供漿流量測(cè)點(diǎn)正常的情況下，通過閥門流量特性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)閥門開度和供漿流量之間的關(guān)系，調(diào)閥開度與供漿量存在以下兩個(gè)問題：一是閥門開度在55%～60%之間時(shí)，閥門靈敏度極高，閥門小范圍開度變化將引起較大流量變化；二是閥門開度在60%以上時(shí)，供漿量隨著閥門開度與流量關(guān)系系數(shù)為負(fù)值，供漿調(diào)閥特性不佳是凈煙氣SO2含量超標(biāo)的原因。

3.5 控制系統(tǒng)抗擾能力差

通過查詢機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)時(shí)供漿調(diào)閥自動(dòng)歷史趨勢(shì)，在負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，原煙氣SO2含量波動(dòng)較大。分析供漿調(diào)閥自動(dòng)邏輯框圖[5]，得出所需供漿流量由PID輸出、原煙氣SO2含量對(duì)應(yīng)的所需供漿量?jī)刹糠纸M成。這兩部分中，占比較大的是煙氣流量對(duì)應(yīng)的所需供漿量，而恰恰這一分量受煙氣量波動(dòng)影響較大。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，每次在機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，煙氣流量會(huì)隨之變化，并且波動(dòng)和擾動(dòng)都較大，會(huì)引起漿液量的激增或激減，對(duì)出口凈煙氣SO2含量控制影響非常大，每次升負(fù)荷時(shí)，都會(huì)伴隨短暫的SO2含量升高，控制系統(tǒng)抗擾能力差是凈煙氣SO2含量超標(biāo)的原因。

3.6 CEMS儀表指示影響

該廠CEMS儀表指示影響從CEMS小室溫度低、CEMS通訊故障、CEMS測(cè)量裝置不準(zhǔn)3個(gè)原因進(jìn)行分析，由于地域環(huán)境的因素，冬季環(huán)境溫度較低，CEMS小室在單獨(dú)的房間并處于風(fēng)口，存在將設(shè)備凍壞、出口SO2測(cè)點(diǎn)顯示壞點(diǎn)情況。但該廠在CEMS小室內(nèi)增設(shè)空調(diào)并懸掛保溫門簾，將CEMS小室內(nèi)的溫度控制在20℃左右，故可以排除CEMS小室溫度低影響CEMS儀表指示。

在線檢測(cè)系統(tǒng)（CEMS）傳輸信號(hào)不準(zhǔn)，將導(dǎo)致控制系統(tǒng)或人為判斷出現(xiàn)問題從而影響脫硫效率。因此，該廠維護(hù)人員對(duì)CEMS進(jìn)行定期校驗(yàn)和比對(duì)，以確保CEMS的準(zhǔn)確投運(yùn)，同時(shí)每天兩次巡檢，確保CEMS通訊正常，從而排除CEMS儀表指示影響出口凈煙氣SO2含量。

4 對(duì)策實(shí)施及效果檢查

4.1 優(yōu)化控制系統(tǒng)PID

4.1.1 PID參數(shù)分析

根據(jù)對(duì)脫硫系統(tǒng)曲線分析，可以看出脫硫系統(tǒng)是一個(gè)多階慣性加延時(shí)的環(huán)節(jié)，供漿調(diào)閥是一個(gè)一階慣性加延遲的環(huán)節(jié)?；谝陨戏治觯肕TALAB搭建仿真模型[6]，將脫硫系統(tǒng)看做一個(gè)二階慣性加延時(shí)的環(huán)節(jié)，進(jìn)行定向分析。在積分時(shí)間為0.01的情況下，P由0.9下降至0.3的過程中，如圖1。

圖1 比例仿真模型Fig.1 Scale simulation model

通過仿真，可以看到主控制器輸出即供漿流量逐漸由發(fā)散趨于穩(wěn)定。對(duì)于PID參數(shù)設(shè)置不合理的問題，通過Matlab仿真對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，主調(diào)節(jié)器的比例由120調(diào)整為50，積分由50調(diào)整為30；副調(diào)節(jié)器的比例由1調(diào)整為17，積分由1調(diào)整為35。

4.1.2 PID參數(shù)標(biāo)幺

優(yōu)化時(shí)發(fā)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器PID參數(shù)未進(jìn)行標(biāo)幺，標(biāo)幺后對(duì)主副PID參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，削弱比例作用，減小震蕩，增加積分作用，消除靜差。經(jīng)過多次參數(shù)優(yōu)化，主調(diào)節(jié)器的比例調(diào)整為2.1，積分調(diào)整為65；副調(diào)節(jié)器的比例由1調(diào)整為17，積分由1調(diào)整為35。

4.1.3 效果驗(yàn)證

對(duì)PID參數(shù)修正后，進(jìn)行了一次檢驗(yàn)，調(diào)整后的參數(shù)在負(fù)荷較高的情況下，調(diào)節(jié)品質(zhì)較好。但是在低負(fù)荷及負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，pH值超調(diào)量略高且閥門動(dòng)作頻繁，調(diào)節(jié)品質(zhì)不佳，說明無擾狀態(tài)下的控制效果顯著增強(qiáng)[7]。

4.2 調(diào)整供漿調(diào)閥特定曲線

對(duì)于供漿調(diào)閥特定不好的問題，機(jī)務(wù)對(duì)供漿調(diào)閥進(jìn)行檢修，同時(shí)儀控專業(yè)配合對(duì)閥門重新進(jìn)行整定。檢修完后，重新獲取閥門開度對(duì)應(yīng)流量關(guān)系，從檢修后閥門流量特性表1可以看出，在閥門開度55%以上，流量特性有了很大的改善。

表1 定位前后的閥門特性Table 1 Valve characteristics before and after positioning

4.3 完善控制系統(tǒng)抗干擾能力

4.3.1 控制策略優(yōu)化

針對(duì)脫硫吸收塔漿液控制系統(tǒng)抗干擾能力不足的缺點(diǎn)，對(duì)控制邏輯框架進(jìn)行了完善。從完善后的邏輯框架圖有3處變動(dòng)：①將原邏輯中的PID控制改為變PID控制，以改善低負(fù)荷時(shí)控制品質(zhì)不佳的問題；②增加負(fù)荷對(duì)應(yīng)的供漿流量前饋，負(fù)荷變動(dòng)時(shí)快速增減供漿流量，以改善變負(fù)荷響應(yīng)能力差的問題；③增加煙氣流量的微分量，加快調(diào)節(jié)速度[8]。

4.3.2 效果驗(yàn)證

完善控制系統(tǒng)后，通過對(duì)不同負(fù)荷段的供漿調(diào)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)進(jìn)行了再次跟蹤，在高負(fù)荷的穩(wěn)態(tài)狀況下，漿液pH穩(wěn)態(tài)偏差在0.07之內(nèi)且供漿調(diào)閥無頻繁大幅開關(guān)現(xiàn)象。在低負(fù)荷的穩(wěn)態(tài)狀況下，漿液pH一直跟蹤設(shè)定值，最大偏差只有0.04[9]。

而在變負(fù)荷的動(dòng)態(tài)情況下，控制系統(tǒng)快速響應(yīng)，過渡過程時(shí)間短且在設(shè)定值頻繁變化的情況下的超調(diào)量也能滿足要求，僅有2.3%。為了驗(yàn)證調(diào)節(jié)效果，做了設(shè)定值擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)設(shè)定值從5.1下降至4.9的過程中，控制系統(tǒng)能快速響應(yīng)，立即跟蹤設(shè)定值，最大偏差僅有0.05，調(diào)節(jié)品質(zhì)較佳。

所以無論是高負(fù)荷、低負(fù)荷，還是負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，供漿調(diào)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)控制品質(zhì)較佳。

5 總結(jié)

對(duì)策實(shí)施后，對(duì)2020年8月至2021年12月#1機(jī)組脫硫出口凈煙氣SO2實(shí)時(shí)值超標(biāo)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，月平均超標(biāo)次數(shù)由16.6次/月降低為6.75次/月，系統(tǒng)優(yōu)化后超標(biāo)率降低至原先的40%水平，控制系統(tǒng)優(yōu)化效果明顯，提高了供漿調(diào)閥控制品質(zhì)，減少了閥芯磨損的速度，提升了漿液有效使用量，同時(shí)間接地降低了運(yùn)行和檢修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，也降低了凈煙氣SO2時(shí)均值超標(biāo)的可能性。