王 楠 贠衛(wèi)國 王 冰

(1. 西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，西安 710055；2. 國電寶雞第二發(fā)電有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000)

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費國，我國排放的SO2約90%來自于燃煤，火山噴發(fā)及燃油等過程排放的SO2只占10%左右。因此，控制燃煤電廠SO2的排放總量是抑制我國酸雨污染的關(guān)鍵[1]。煙氣脫硫技術(shù)分為燃燒前控制、燃燒中控制和燃燒后控制技術(shù)，其中應(yīng)用最為廣泛的是燃燒后控制技術(shù)中的石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)[2]。

國電寶雞第二發(fā)電有限責(zé)任公司二期5#、6#機組建設(shè)兩臺660MW燃煤機組，采用海勒式間接空冷系統(tǒng)。煙氣脫硫裝置采用石灰石-石膏濕法(FGD)脫硫工藝，脫硫裝置采用單元制，一爐一塔。按鍋爐BMCR工況全煙氣脫硫，脫硫系統(tǒng)設(shè)計的含硫量按照1.2%進行，保證含硫量為1.2%時脫硫效率不小于95%，脫硫系統(tǒng)可用率不小于95%。

2×660MW機組脫硫系統(tǒng)主要由煙氣系統(tǒng)、吸收塔系統(tǒng)、石灰石漿液制備系統(tǒng)、石膏漿液脫水系統(tǒng)、工藝水、工業(yè)水、閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、儀用壓縮空氣系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、事故漿液排放系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。

煙氣脫硫流程是從鍋爐送來的熱煙氣進入煙氣換熱器與脫硫塔出口冷煙氣進行熱交換后進入吸收塔。煙氣在塔內(nèi)上升過程中與脫硫循環(huán)液霧化而成的液滴和在塔板上鼓泡而成的液膜相接觸，進行煙氣、泡沫、霧粒、石灰的氣、液、固三相之間的碰撞、接觸和交換混合，激烈地進行傳質(zhì)、吸收、傳熱過程[3]。主要化學(xué)反應(yīng)有：

吸收反應(yīng) 2SO2+ H2O + CaCO3→Ca(HSO3)2+ CO2

氧化反應(yīng) Ca(HSO3)2+ O2+ CaCO3+ 3H2O→2CaSO4·2H2O + CO2

2 FGD-DCS配置

2.1 FGD-DCS系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，脫硫控制系統(tǒng)采用國電智深EDPF-NT Plus系統(tǒng)，每臺爐配置1套脫硫分散控制系統(tǒng)，分別接入機組單元DCS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，完成脫硫設(shè)備和電氣設(shè)備的監(jiān)視與控制。同時設(shè)置脫硫控制系統(tǒng)公用DCS控制系統(tǒng)，接入機組公用DCS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。機組脫硫系統(tǒng)的過程控制單元分別與脫硫公用系統(tǒng)過程控制單元進行通信，單元機組脫硫系統(tǒng)和脫硫公用系統(tǒng)分別采用獨立的控制器和I/O模件，并安置在獨立的機柜內(nèi)，其硬件和電源配置相互獨立。另外，脫硫控制系統(tǒng)的監(jiān)控范圍包括脫硫島內(nèi)所有控制系統(tǒng)，并按工藝要求劃分為：主系統(tǒng)(含煙道區(qū)域、煙氣吸收區(qū)域、石膏漿液排放區(qū)域及排空區(qū)域等)、公用系統(tǒng)(石灰石漿液制備區(qū)域、石膏脫水區(qū)域、事故漿液區(qū)域、工藝水區(qū)域及廢水處理系統(tǒng)等)、電氣系統(tǒng)(煙氣檢測、成分分析)。

圖1 FGD-DCS網(wǎng)絡(luò)配置圖

每套脫硫系統(tǒng)配置兩臺操作員站，布置在主廠房集控室，通過一對交換機與放置在脫硫電控樓的脫硫系統(tǒng)主交換機相連；配置兩臺工程師站，工程師站主要完成系統(tǒng)組態(tài)，生成系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、監(jiān)視操作圖形、控制算法及報表等，同時具有對過程控制站控制應(yīng)用軟件的下載及上裝等功能，其中一臺工程師站同時兼做歷史站，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行實時收集管理，包括報警、日志、SOE及事故追憶等事件的捕捉和記錄，模擬量參數(shù)和二次參數(shù)歷史趨勢收集記錄。

2.2 過程控制站及I/O的分配

脫硫分散控制系統(tǒng)配置5套過程控制站(DPU)。過程控制站用于對現(xiàn)場過程信號進行數(shù)據(jù)采集和處理，并按照組態(tài)的控制策略進行控制運算，輸出控制信號實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備和過程的控制。過程控制站由冗余主備控制器、智能I/O模件、電源、現(xiàn)場I/O總線及控制機柜等部分組成。I/O分配見表1。

表1 I/O分配表

3 FGD-DCS的功能

FGD-DCS系統(tǒng)基本功能為DAS、SCS、MCS，并保留必要的與單元機組控制系統(tǒng)DCS間的信號聯(lián)系。各功能相互作用完成對煙氣系統(tǒng)、吸收塔系統(tǒng)、石灰石漿液制備系統(tǒng)、石膏漿液脫水系統(tǒng)、工藝水、工業(yè)水及閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)等的統(tǒng)一監(jiān)視、控制、報警、聯(lián)鎖保護以及FGD效率、性能的計算等。

3.1 DAS

DAS將連續(xù)采集和處理所有與工藝系統(tǒng)有關(guān)的熱力過程信號和設(shè)備狀態(tài)信號，及時向操作人員提供運行信息，實現(xiàn)系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行，一旦發(fā)生任何異常工況能及時報警。其包含的功能有：數(shù)據(jù)采集及人機界面，報警、事故分辨和事故追憶，報表打印歷史數(shù)據(jù)。

3.2 SCS

SCS完成脫硫系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)中各類輔機的啟停順序控制，設(shè)置必要的程序斷點，并且有完備的操作指導(dǎo)，以幫助運行人員快速、準(zhǔn)確地處理系統(tǒng)啟停和運行過程中出現(xiàn)的各種情況[4]。

現(xiàn)以除霧器沖洗順控為例進行說明。5#機組吸收塔內(nèi)共設(shè)除霧器沖洗門48個，一級上游、一級下游、二級上游和二級下游各12個。為實現(xiàn)良好的霧化效果，需常清洗除霧器以防堵塞，所以這些閥要周期性依次開啟[4]。其中除霧器沖洗總順控步序的邏輯實現(xiàn)如圖2所示。

圖2 除霧器沖洗子組啟動步序——啟動各個沖洗子組

3.3 MCS

將脫硫島作為一個整體進行控制，確保系統(tǒng)快速、穩(wěn)定地滿足工況的變化，并保持穩(wěn)定的運行?？刂频幕静呗允强焖俚仨憫?yīng)代表負(fù)荷或能量指令的前饋信號，并通過閉環(huán)反饋控制和其他先進策略對該信號進行靜態(tài)精確度和動態(tài)補償?shù)恼{(diào)整。

基本閉環(huán)控制回路為：吸收塔漿液pH值控制、吸收塔液位自動控制、真空皮帶濾餅厚度控制、工藝水泵出口壓力控制。

在石灰石-石膏濕法脫硫過程中,吸收塔漿液pH值是影響脫硫效率和副產(chǎn)物(石膏)品質(zhì)的關(guān)鍵因素。經(jīng)過大量實踐研究得知[5，6]：漿液pH值應(yīng)維持在5.0～5.8范圍內(nèi)，在其他參數(shù)基本不變的情況下，提高pH值可在一定程度上提高脫硫效率，但會導(dǎo)致石膏品質(zhì)下降；相反，pH值降低則會抑制SO2的吸收。所以，研究pH值的測量和控制具有十分重要的意義。

3.3.1現(xiàn)有漿液pH值控制

吸收塔漿液pH值的控制是通過調(diào)節(jié)流入吸收塔內(nèi)石灰漿液的流量(即石灰石供漿調(diào)節(jié)閥開度的調(diào)節(jié))來實現(xiàn)的，5#機組吸收塔漿液pH值控制系統(tǒng)SAMA圖如圖3所示。

現(xiàn)階段，有兩種控制漿液pH值的方法被廣泛使用，即單回路前饋-反饋控制法和串級前饋-反饋法[7]。

單回路前饋-反饋控制系統(tǒng)如圖4a所示，調(diào)節(jié)器是根據(jù)被控對象相較于原設(shè)定值的偏差來進行工作的，測量信號是漿液pH值，控制動作發(fā)生在出現(xiàn)偏差以后。控制作用影響被調(diào)量，被調(diào)量又會反過來影響輸入，從而產(chǎn)生控制作用。再加上前饋部分進行提前粗調(diào)，使控制作用一開始就能大致抵消干擾的影響，最終達(dá)到調(diào)節(jié)塔內(nèi)漿液pH值的目的。串級前饋-反饋控制系統(tǒng)如圖4b所示，有兩個閉環(huán)回路，由兩個調(diào)節(jié)器(主、副調(diào)節(jié)器)串接工作，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出則操縱調(diào)節(jié)機構(gòu)實現(xiàn)參數(shù)的調(diào)節(jié)。即漿液的pH值經(jīng)傳感器測定后與原設(shè)定值進行比較，偏差e1經(jīng)主調(diào)節(jié)器后，輸出作為給定值，再與石灰石漿液流量值比較，計算出偏差e2后輸入副調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器輸出與前饋信號(SO2濃度及煙氣負(fù)荷等)經(jīng)運算后，進而控制石灰石漿液管線調(diào)節(jié)閥開度，從而調(diào)節(jié)吸收塔漿液pH值。

圖3 5#機組吸收塔漿液pH值控制系統(tǒng)SAMA圖

a. 單回路前饋-反饋控制

b. 串級前饋-反饋控制

3.3.2存在的問題和改進方案

因為塔內(nèi)漿液池體積較大，漿液pH值的變化較慢，所以單回路前饋-反饋的控制對象的響應(yīng)滯后性和慣性非常嚴(yán)重。并且由于pH值的反饋響應(yīng)是關(guān)鍵因素，因此即使調(diào)整反饋控制器的參數(shù)也難以改善控制對象的品質(zhì)。對于串級前饋-反饋控制系統(tǒng)，雖然能夠較好地適應(yīng)石灰石漿液側(cè)的擾動，響應(yīng)也很快速，但其克服外部擾動的能力依然較差。針對以上不足，筆者提出一種優(yōu)化方案，要求對內(nèi)部和外部擾動均具有較好的響應(yīng)特性。所以嘗試將內(nèi)部擾動偏差和外部煙氣擾動偏差都納入主副控制器的輸入，并且優(yōu)化主控制器參數(shù)，進而改善控制品質(zhì)。優(yōu)化后的漿液pH值控制策略基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的漿液pH值控制框圖

G2(x)計算式如下[7]：

G2(x)=(GpH(x)-60)×0.04+QL

(1)

(2)

式中G2(x)——副調(diào)節(jié)器輸入給定值，m3/h；

GpH(x)——pH主調(diào)節(jié)器輸出值，m3/h；

Q1——FGD入口煙氣量，m3/h；

QL——石灰石漿液流量，m3/h；

s1——鈣硫比，取值為1.03；

s2——石灰石含量，取值為0.97；

s3——石灰石漿液含固量，取值為0.18～0.23；

[SO2]in——SO2煙氣流入時間；

ρ——石灰石漿液密度，取值為1 080～1 130kg/m3。

對優(yōu)化后的控制系統(tǒng)用MATLAB進行大量仿真研究，且在各自都整定到最佳的情況下，吸收塔pH值的響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6 pH值響應(yīng)曲線

從圖6可以看出，優(yōu)化后系統(tǒng)克服了對外部擾動響應(yīng)差的缺點，控制質(zhì)量有了很大提高。

4 結(jié)束語

筆者以國電寶雞第二發(fā)電有限責(zé)任公司2×660MW脫硫工程項目為背景，應(yīng)用EDPF-NT Plus DCS系統(tǒng)實現(xiàn)整個脫硫系統(tǒng)的自動控制。優(yōu)化后的FGD-DCS已正式投入運行，實踐證明，該系統(tǒng)設(shè)計合理，操作人員可以方便地控制、修改各項參數(shù)，操作簡單，降低了操作員的工作量，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定高效的運行。

[1] 中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會脫硫脫硝委員會.我國脫硫脫硝行業(yè)2012年發(fā)展綜述[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2013，(7)：8～20.

[2] 王淇，趙霞.DCS系統(tǒng)在火電廠煙氣脫硫控制系統(tǒng)的實現(xiàn)[J]. 自動化與儀表，2008，23(2)：36～39.

[3] 吳安.工業(yè)鍋爐煙氣濕法脫硫使用技術(shù)設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013：30.

[4] 董玉強，白焰.DCS在某電廠脫硫系統(tǒng)的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表，2012，39(12)：1561～1566.

[5] 劉向東.模糊PID在濕法脫硫pH控制中的應(yīng)用[J].電力環(huán)境保護，2009，24(3)：15～18．

[6] Jerzy W.Optimum Values of Process Parameters of the Wet Limestone Flue Gas Desulphurization System[J].Chemical Engineering Technology，2002，25(4)：427～432.

[7] 李駿，沈凱，周長城，等.煙氣脫硫吸收塔pH值控制策略優(yōu)化研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2012，35(4)：43～46.