基于風(fēng)量及pH 的脫硫智慧控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

蔣煒 岑易 裘國(guó)弘 楊海濱 謝進(jìn)安

（浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司 浙江寧波 315200）

0 引言

目前，我國(guó)電力行業(yè)的煙氣污染超低排放已廣泛推廣，針對(duì)污染物排放控制的要求日趨嚴(yán)格，對(duì)環(huán)保設(shè)施運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求［1-2］。其中，煙氣排放的SO2是大氣污染的主要來(lái)源，削減和控制煙氣SO2排放是當(dāng)前我國(guó)大氣污染控制領(lǐng)域最緊迫的任務(wù)之一［3］。然而燃煤鍋爐普遍存在燃料種類多變、負(fù)荷波動(dòng)頻繁、脫硫生產(chǎn)平穩(wěn)控制難度大、運(yùn)行成本高等問(wèn)題，現(xiàn)有的分散控制系統(tǒng)（DCS）難以做到及時(shí)調(diào)整和響應(yīng)，但脫硫智慧控制系統(tǒng)可以在工況多變的情況下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、提升排口SO2濃度穩(wěn)定性、降低系統(tǒng)能耗物耗，對(duì)增強(qiáng)脫硫系統(tǒng)運(yùn)行安全性和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

本文基于亞硫酸鹽氧化機(jī)理與歷史數(shù)據(jù)，建立亞硫酸根氧化模型，通過(guò)風(fēng)機(jī)公式及氧化風(fēng)機(jī)提醒模型實(shí)現(xiàn)氧化風(fēng)機(jī)系統(tǒng)智慧調(diào)節(jié)，通過(guò)出口SO2預(yù)測(cè)模型尋優(yōu)漿液pH 值運(yùn)行目標(biāo)值，及時(shí)調(diào)節(jié)石灰石漿液供給量，實(shí)時(shí)智能調(diào)節(jié)漿液池pH 值，在保證污染物穩(wěn)定安全排放的同時(shí)實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)的節(jié)能降耗。通過(guò)寧波某發(fā)電廠超超臨界燃煤機(jī)組項(xiàng)目應(yīng)用，為相關(guān)超低排放燃煤機(jī)組脫硫智慧控制應(yīng)用提供借鑒。

1 智慧控制模型構(gòu)建

1.1 氧化風(fēng)量模型建立

1.1.1 模型機(jī)理

依據(jù)HSO3-、SO32-的氧化還原反應(yīng)，利用石灰石等堿性漿液吸收固化煙氣中的SO2，按照亞硫酸鹽的氧化反應(yīng)，建立亞硫酸根氧化模型，如公式（1）～（4）所示。

隨著溶液pH 升高，漿液中氧含量降低，導(dǎo)致氧化還原反應(yīng)速率降低，因此需要利用氧化風(fēng)機(jī)，從外界向溶液中送入氧氣，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)向正向反應(yīng)方向進(jìn)行。

1.1.2 氧化風(fēng)量計(jì)算

基于亞硫酸根模型，假定所有空氣中的氧氣被完全利用，可得到理論風(fēng)量［4］，見式（5）～（6）。

依據(jù)歷史數(shù)據(jù)對(duì)理論風(fēng)量值進(jìn)行修正，控制風(fēng)量修正公式見式（7）～（8）。

式中：Qop為修正控制風(fēng)量，Nm3/h；β 為氧化率，%；h 為吸收塔內(nèi)氧化空氣噴槍至吸收塔液面的高度，m；k 為常數(shù)，取8.63×10-7。

1.2 pH 智慧調(diào)節(jié)模型構(gòu)建

1.2.1 pH 目標(biāo)值尋優(yōu)

圖1 為漿液pH 目標(biāo)值尋優(yōu)過(guò)程。基于歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)出口SO2預(yù)測(cè)模型確定出口SO2預(yù)測(cè)值，結(jié)合出口SO2濃度設(shè)定值，通過(guò)MMPC 模型尋優(yōu)pH值運(yùn)行目標(biāo)值，同時(shí)確保下一步出口SO2濃度在設(shè)定值±5 mg/Nm3的范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖1 漿液pH 目標(biāo)值尋優(yōu)過(guò)程

1.2.2 供漿閥門開度計(jì)算

供漿閥門開度可依據(jù)機(jī)理模型和數(shù)據(jù)模型計(jì)算。

（1）機(jī)理模型。基于機(jī)理模型公式，通過(guò)計(jì)算出石灰石理論消耗量和理論供給量，并結(jié)合閥門-流量理論關(guān)系計(jì)算供漿閥門開度，如公式（9）～（11）所示。

式中：S 為石灰石理論消耗量，t/h；Qgas為入口煙氣量，Nm3/h；CSO2為入口SO2濃度，mg/Nm3；η 為脫硫效率，%；θ為單位摩爾碳酸鈣和二氧化硫的比值，取值1.56；φ 為鈣硫比，取值1.05；k 為石灰石濃度，為90%～95%；J 為石灰石漿液理論供給量，t/h；ρ 為漿液實(shí)時(shí)密度，g/cm3。

（2）數(shù)據(jù)模型。對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，依據(jù)pH 實(shí)際值、漿液閥門開度、漿液密度、閥門開度之間的關(guān)系搭建數(shù)據(jù)模型。結(jié)合pH 運(yùn)行目標(biāo)值、pH 實(shí)際值等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算出漿液閥門開度，如圖2 所示。

圖2 供漿閥門開度數(shù)據(jù)模型計(jì)算流程

2 智慧控制方案設(shè)計(jì)

圖3 為脫硫系統(tǒng)智慧控制流程圖，包括風(fēng)量智慧調(diào)節(jié)和漿液pH 智慧調(diào)節(jié)。風(fēng)量智慧調(diào)節(jié)通過(guò)氧化模型及氧化風(fēng)機(jī)提醒模型，依據(jù)修正調(diào)節(jié)風(fēng)量進(jìn)行風(fēng)門開度及氧化風(fēng)機(jī)操作控制；漿液pH 智慧調(diào)節(jié)通過(guò)從多模型預(yù)測(cè)控制（MMPC）模型得到pH 目標(biāo)值，結(jié)合半自動(dòng)化pH給定值選定pH 設(shè)定值，根據(jù)數(shù)據(jù)模型和機(jī)理模型分別確定漿液閥門開度，依據(jù)開度控制模型分析各閥門開度的權(quán)重系數(shù)，最終確定閥門開度，實(shí)現(xiàn)對(duì)石灰石漿液pH濃度精準(zhǔn)控制。通過(guò)風(fēng)量智慧調(diào)節(jié)和漿液pH 智慧調(diào)節(jié)，SO2濃度降低的同時(shí)可以穩(wěn)定排放，并且減少脫硫過(guò)程中石灰石等物料耗量和關(guān)鍵設(shè)備耗電量。

2.1 風(fēng)門開度智慧調(diào)節(jié)

氧化風(fēng)機(jī)的風(fēng)門開度與風(fēng)量之間呈線性關(guān)系，通過(guò)電動(dòng)調(diào)閥調(diào)節(jié)氧化風(fēng)量。風(fēng)門調(diào)節(jié)規(guī)則如下：

（1）運(yùn)行前，風(fēng)門開度均保持在60%不進(jìn)行調(diào)節(jié)，至總風(fēng)量達(dá)到10 000 Nm3/h。

（2）風(fēng)門開度調(diào)整范圍確定為25%～60%；

（3）當(dāng)風(fēng)門調(diào)節(jié)至25%時(shí)，單臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)電流由300 A降低至275 A 左右，降耗幅度10%左右，單臺(tái)風(fēng)量由5 000 Nm3/h 降低至4 700 Nm3/h 左右。

2.2 風(fēng)機(jī)操作智慧控制

基于歷史數(shù)據(jù)建立氧化風(fēng)機(jī)提醒模型，將修正風(fēng)量、實(shí)時(shí)的負(fù)荷、實(shí)時(shí)的入口SO2濃度等參數(shù)傳入模型，確認(rèn)該工況下氧化風(fēng)機(jī)的操作內(nèi)容，包括開啟、關(guān)閉、不操作。模型提醒規(guī)則如下：

（1）當(dāng)理論風(fēng)量小于單臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)提供的最大風(fēng)量時(shí)，系統(tǒng)提醒關(guān)閉1 臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)。

（2）單臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)提供的最大風(fēng)量是風(fēng)門開度60%時(shí)得到的風(fēng)量。

2.3 漿液pH 異常提醒

基于pH 運(yùn)行目標(biāo)值尋優(yōu)和開度控制模型實(shí)時(shí)準(zhǔn)確控制石灰石漿液pH，同時(shí)根據(jù)吸收塔內(nèi)的漿液密度、入口濃度、氧化風(fēng)機(jī)風(fēng)量等參數(shù)檢測(cè)，設(shè)計(jì)漿液中毒報(bào)警算法。當(dāng)漿液中的氟離子和鋁離子發(fā)生反應(yīng)生成的絡(luò)合物過(guò)多，阻止石灰石的溶解，導(dǎo)致脫硫效率大大下降，即漿液中毒，則觸發(fā)模型發(fā)出提醒。

3 工程應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為寧波市某發(fā)電廠660 MW 超超臨界燃煤機(jī)組，機(jī)組采用石灰石—石膏濕法脫硫工藝，控制方式以人工為主DCS 為輔，因此無(wú)法及時(shí)根據(jù)鍋爐工況、脫硫運(yùn)行工況控制石灰石漿液供給量、氧化風(fēng)機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入，直接導(dǎo)致脫硫系統(tǒng)能耗較高，控制不平穩(wěn)。在原有的脫硫系統(tǒng)基礎(chǔ)上引入脫硫智慧控制系統(tǒng)，優(yōu)化脫硫系統(tǒng)控制。

3.2 脫硫智慧控制系統(tǒng)投運(yùn)效果

圖4 為脫硫智慧控制系統(tǒng)投運(yùn)效果對(duì)比圖。由圖4可知，投運(yùn)期間SO2濃度小時(shí)均值＜35 mg/Nm3，達(dá)標(biāo)率100%，智慧控制系統(tǒng)投運(yùn)后，pH 值趨于穩(wěn)定，漿液pH能夠控制在目標(biāo)值±0.03 左右，SO2排放波動(dòng)范圍縮小約35%。

圖4 SO2 排放濃度控制效果對(duì)比圖

脫硫智慧控制系統(tǒng)投運(yùn)前，原機(jī)組調(diào)節(jié)工況時(shí)，入口SO2及漿液pH 變化速率較快。為保證排口數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)，運(yùn)行人員需要時(shí)刻監(jiān)盤并進(jìn)行操作。但由于pH 測(cè)量存在較大滯后性，人工操作情況下調(diào)節(jié)漿液pH 會(huì)存在過(guò)量的情況，需要一段時(shí)間的反復(fù)調(diào)節(jié)漿液流量來(lái)保證吸收塔系統(tǒng)的穩(wěn)定。

脫硫智慧控制系統(tǒng)投運(yùn)后，智慧控制系統(tǒng)通過(guò)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)污染物濃度變化，及時(shí)改變控制對(duì)策。通過(guò)調(diào)節(jié)石灰石漿液流量控制漿液pH，將漿液pH 穩(wěn)定在目標(biāo)值附近，實(shí)現(xiàn)石灰石漿液pH 濃度精準(zhǔn)控制，有效節(jié)省了人力物力，提高系統(tǒng)運(yùn)行管理效率。

3.3 氧化風(fēng)機(jī)能耗

圖5 為氧化風(fēng)機(jī)能耗波動(dòng)對(duì)比圖。由圖5 可知，脫硫智慧控制系統(tǒng)投運(yùn)后，日均氧化風(fēng)機(jī)總能耗明顯下降，常規(guī)DCS 控制時(shí)，氧化風(fēng)機(jī)平均日均能耗為314.68 kW，脫硫智慧控制系統(tǒng)投運(yùn)后，氧化風(fēng)機(jī)平均日均能耗為247.31 kW，日均能耗下降21.4%。

圖5 日均氧化風(fēng)機(jī)總能耗波動(dòng)對(duì)比圖

按照年運(yùn)行時(shí)間8 000 h，年可節(jié)省電量約為540 MWh；按照電價(jià)0.31 元/kWh 計(jì)算，年可節(jié)省電費(fèi)約17 萬(wàn)元；按照0.302 gce/MWh 折節(jié)標(biāo)煤系數(shù)計(jì)算，年可節(jié)省標(biāo)煤約0.16 t。

3.4 石灰石耗量

圖6 為單位脫硫量所消耗的石灰石耗量波動(dòng)對(duì)比圖。由圖6 可知，常規(guī)DCS 控制時(shí)，脫硫系統(tǒng)平均吸收1 t 的SO2需消耗1.19 t 的石灰石；脫硫智慧控制系統(tǒng)投運(yùn)后，平均吸收1 t 的SO2消耗1.09 t 的石灰石，石灰石耗量下降了8.4%。

圖6 單位脫硫量所消耗的石灰石耗量波動(dòng)對(duì)比圖

通過(guò)優(yōu)漿液pH 值運(yùn)行目標(biāo)值尋優(yōu)，智慧控制系統(tǒng)及時(shí)調(diào)節(jié)石灰石漿液供給量，實(shí)時(shí)智能調(diào)節(jié)漿液池pH值，實(shí)現(xiàn)漿液供給系統(tǒng)和漿液循環(huán)噴淋系統(tǒng)協(xié)同控制，降低石灰石的包裹損失。

按照日均SO2減排量為2 900 kg/h 計(jì)算，智慧控制系統(tǒng)投運(yùn)前后石灰石耗量分別為3.45 t/h 及3.16 t/h，節(jié)約量為0.29 t/h，按照石灰石單價(jià)200 元/t 計(jì)算，系統(tǒng)年運(yùn)行時(shí)間8 000 h 預(yù)計(jì)年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用46.4 萬(wàn)元。

4 結(jié)論

（1）本文建立了亞硫酸根氧化模型，結(jié)合氧化風(fēng)機(jī)提醒模型，通過(guò)智慧調(diào)控氧化風(fēng)機(jī)風(fēng)門開度，并準(zhǔn)確提示氧化風(fēng)機(jī)啟停建議，提前改變控制策略，在保證充分氧化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)氧化風(fēng)系統(tǒng)的能耗有效降低。

（2）通過(guò)漿液pH 值運(yùn)行目標(biāo)值尋優(yōu)，及時(shí)調(diào)節(jié)石灰石漿液供給量，實(shí)時(shí)智能調(diào)節(jié)漿液池pH 值，實(shí)現(xiàn)漿液供給系統(tǒng)和漿液循環(huán)噴淋系統(tǒng)協(xié)同控制，有效降低石灰石消耗量。

（3）脫硫智慧控制系統(tǒng)投運(yùn)后，實(shí)現(xiàn)出口SO2濃度全時(shí)段安全穩(wěn)定排放且100%達(dá)標(biāo)，單位脫硫量的石灰石耗量下降了8.4%，氧化風(fēng)機(jī)能耗下降了21.4%，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。