湖南省火電機(jī)組脫硫及脫硝自動(dòng)投運(yùn)情況調(diào)查及分析

朱曉星（國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007）易揚(yáng)（湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）盛鍇（國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

湖南省火電機(jī)組脫硫及脫硝自動(dòng)投運(yùn)情況調(diào)查及分析

朱曉星（國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007）
易揚(yáng)（湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）
盛鍇（國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

文章對(duì)湖南省主要火電機(jī)組脫硫及脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)的投運(yùn)情況進(jìn)行了全面調(diào)查，對(duì)其中最重要的脫硫吸收塔漿液pH值和脫硝氨氣流量?jī)蓚€(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了分析，指出了多數(shù)機(jī)組脫硫及脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)中存在自動(dòng)投運(yùn)情況不佳、部分測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確度較低、設(shè)備狀況不理想、有設(shè)計(jì)缺陷等主要問(wèn)題，并提出了有針對(duì)性的建議。

濕法脫硫；脫硝；自動(dòng)控制系統(tǒng)；pH值；氨氣流量

根據(jù)GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，自2014年7月1日起，湖南省現(xiàn)有燃煤鍋爐的SO2排放濃度限值從≤400/1200mg/m3不等調(diào)整為≤50 /200mg/m3不等（根據(jù)地區(qū)不同）；NOX排放濃度限值從≤450/650/1100/1300mg/m3不等調(diào)整為≤100/200mg/m3（根據(jù)燃燒方式及投產(chǎn)時(shí)間不同）[1]。這對(duì)脫硫脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

脫硫脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制效果對(duì)火電機(jī)組環(huán)保經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響較大?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格限定了煙氣中SO2、NOX排放濃度的上限，在這種情況下，若被控參數(shù)波動(dòng)大，即使其平均值遠(yuǎn)低于排放濃度上限，也將被多次考核，而且將導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行成本長(zhǎng)期偏高[2]。為此，國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院組織對(duì)湖南省主要火電機(jī)組脫硫脫硝系統(tǒng)的自動(dòng)投運(yùn)情況進(jìn)行了全面調(diào)查，分析了存在的主要問(wèn)題，提出了有針對(duì)性的優(yōu)化整改建議，以促進(jìn)脫硫脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)的良好投運(yùn)，確?；痣姍C(jī)組環(huán)保經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 脫硫自動(dòng)控制系統(tǒng)投運(yùn)情況

1.1 投運(yùn)情況調(diào)查

湖南省火電機(jī)組主要采用濕法煙氣脫硫技術(shù)，主要自動(dòng)控制系統(tǒng)包括吸收塔漿液pH值及塔出口SO2濃度控制、增壓風(fēng)機(jī)入口壓力控制、石灰石漿液濃度控制、吸收塔液位控制、石膏漿排出量控制、旁路檔板差壓控制、吸收塔供漿流量控制、石灰石漿液罐液位控制、石膏抽出泵出口濃度控制、廢水處理系統(tǒng)閉環(huán)回路控制等。

以上自動(dòng)控制系統(tǒng)中，對(duì)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響最大的是增壓風(fēng)機(jī)入口壓力控制和吸收塔漿液pH值控制兩個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。增壓風(fēng)機(jī)入口壓力自動(dòng)控制策略已經(jīng)比較成熟，而且湖南省內(nèi)大多數(shù)火電機(jī)組已拆除增壓風(fēng)機(jī)，因此本文重點(diǎn)對(duì)吸收塔漿液pH值自動(dòng)控制系統(tǒng)投運(yùn)情況進(jìn)行調(diào)查分析。

吸收塔漿液pH值是濕法煙氣脫硫系統(tǒng)運(yùn)行的重要技術(shù)參數(shù)，其自動(dòng)控制效果直接影響到脫硫效率[3，4]。但由于吸收塔內(nèi)漿液的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程具有長(zhǎng)遲延、強(qiáng)非線性的特點(diǎn)，使得該自動(dòng)控制系統(tǒng)投運(yùn)難度較大。經(jīng)調(diào)查，湖南省主要火電機(jī)組脫硫吸收塔漿液pH值自動(dòng)控制系統(tǒng)投運(yùn)情況如表1所示[5]。

表1 湖南省脫硫吸收塔漿液pH值自動(dòng)控制系統(tǒng)投運(yùn)情況

1.2 控制策略分析

脫硫裝置運(yùn)行中可能引起吸收塔漿液pH值變化或波動(dòng)的主要因素包括煙氣量、煙氣中SO2濃度、石灰石漿液的濃度和供給量[6]。吸收塔漿液pH值高則石膏難以析出，pH值低則脫硫率低，所以需要將pH值控制在合適范圍內(nèi)，通常應(yīng)維持在5.2~5.7。當(dāng)pH值低于設(shè)定值時(shí)，需要增大石灰石漿液流量；當(dāng)pH值高于設(shè)定值時(shí)，需要相應(yīng)減少石灰石漿液流量。

傳統(tǒng)的吸收塔漿液pH值自動(dòng)控制策略主要包括單回路控制、串級(jí)回路控制兩種：

（1）單回路控制策略

吸收塔漿液pH值單回路控制原理方框圖如圖1所示。石灰石漿液pH值信號(hào)與人工設(shè)定的pH設(shè)定值進(jìn)行比較，其差值經(jīng)反饋控制器PID計(jì)算后，與鍋爐負(fù)荷、煙氣SO2濃度等前饋信號(hào)產(chǎn)生的作用相疊加，反饋與前饋控制共同作用產(chǎn)生一個(gè)調(diào)節(jié)信號(hào)，作為石灰石漿液調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度指令，使吸收塔內(nèi)漿液pH值維持在設(shè)定值附近。

圖1 吸收塔漿液pH值單回路控制策略方框圖

由于漿液pH值測(cè)量?jī)x表的取樣口一般裝在漿液循環(huán)泵的出口管道或石膏漿液排出管道上，從取樣口到吸收塔內(nèi)的漿液有一段距離，取樣口到測(cè)量?jī)x表之間的取樣管長(zhǎng)度一般也較長(zhǎng)，因此pH值分析測(cè)定的周期較長(zhǎng)；加上化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間，導(dǎo)致pH值的純滯后較大，從改變石灰石漿液流量到pH值發(fā)生變化一般需要幾分鐘甚至更長(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致這種控制策略調(diào)節(jié)遲緩性很大，自動(dòng)投運(yùn)效果一般較差。

（2）串級(jí)回路控制策略

吸收塔漿液pH值串級(jí)回路控制原理方框圖如圖2所示。以pH值調(diào)節(jié)回路為主調(diào)節(jié)器，增加了漿液流量調(diào)節(jié)回路作為副調(diào)節(jié)器；pH值調(diào)節(jié)回路的輸出不再作為石灰石漿液調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度指令的一部分，而是作為石灰石漿液流量設(shè)定值的一部分；此外，還根據(jù)鍋爐負(fù)荷、入口煙氣SO2濃度等計(jì)算出含硫總量，從而根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式計(jì)算出理論所需的供漿量，以前饋方式作為石灰石漿液流量設(shè)定值的主要部分，以pH值調(diào)節(jié)回路輸出作為輔助部分。

圖2 吸收塔漿液pH值串級(jí)回路控制策略方框圖

串級(jí)回路控制策略由于引入了副調(diào)節(jié)回路，改善了對(duì)象的特性，加快了調(diào)節(jié)過(guò)程，具有一定的超前控制作用和自適應(yīng)能力，在當(dāng)前火電機(jī)組中應(yīng)用逐漸增多。但在調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，很多電廠脫硫運(yùn)行人員仍反映該自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果欠佳，特別是在變負(fù)荷過(guò)程中出口煙氣SO2濃度經(jīng)常超標(biāo)。

分析其原因，該控制策略在理論上比較完善，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于入口煙氣SO2濃度測(cè)量存在一定滯后，且精確度不能滿足計(jì)算理論所需供漿量的需求；煙氣流量更是難以準(zhǔn)確測(cè)量，多數(shù)機(jī)組只能保證趨勢(shì)變化正確，無(wú)法保證數(shù)值準(zhǔn)確；加之pH值測(cè)量存在的較大純滯后，使得這種以理論供漿量為主的串級(jí)PID調(diào)節(jié)很難取得滿意的效果。

2 脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)投運(yùn)情況

2.1 投運(yùn)情況調(diào)查

湖南省火電機(jī)組均采用選擇性催化還原反應(yīng)（SCR）脫硝技術(shù)。大多數(shù)電廠直接采用液氨作為氨氣來(lái)源，但離市區(qū)較近的電廠采用尿素?zé)峤庵瓢薄?/p>

SCR脫硝技術(shù)的自動(dòng)控制回路主要是氨氣流量自動(dòng)控制系統(tǒng)。經(jīng)調(diào)查，湖南省主要火電機(jī)組氨氣流量自動(dòng)控制系統(tǒng)投運(yùn)情況如表2所示。

表2 湖南省主要火電機(jī)組氨氣流量自動(dòng)控制系統(tǒng)投運(yùn)情況

2.2 控制策略分析

SCR脫硝反應(yīng)裝置出口NOX濃度調(diào)節(jié)是通過(guò)氨氣流量調(diào)節(jié)閥控制氨氣流量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，目前湖南省內(nèi)氨氣流量自動(dòng)控制系統(tǒng)多采用單回路控制和摩爾比串級(jí)回路控制方式。

（1）單回路控制策略

單回路控制方式較為簡(jiǎn)單，即以脫硝裝置出口NOX濃度與運(yùn)行人員設(shè)定值之差進(jìn)行PID運(yùn)算，以調(diào)整氨氣流量調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度進(jìn)而控制進(jìn)入裝置的氨氣流量，其控制策略方框圖如圖3所示。單回路控制的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但難以滿足機(jī)組變負(fù)荷時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求。

圖3 氨氣流量單回路控制策略方框圖

（2）摩爾比串級(jí)回路控制策略

與單回路PID相比，摩爾比串級(jí)回路控制相對(duì)復(fù)雜。如圖4所示，f(x)根據(jù)煙氣中的NOX含量計(jì)算理論需求的氨氣流量，將其作為主調(diào)節(jié)器的前饋；主調(diào)節(jié)器根據(jù)出口NOX濃度偏差進(jìn)行PID計(jì)算，得到實(shí)際所需氨氣流量，作為副調(diào)節(jié)器的氨氣流量設(shè)定值；副調(diào)節(jié)器根據(jù)氨氣流量設(shè)定值與氨氣流量偏差控制氨氣流量調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。這種控制策略下，前饋調(diào)節(jié)提高了機(jī)組變負(fù)荷以及入口NOX濃度波動(dòng)時(shí)的快速響應(yīng)性能，從而能減小動(dòng)態(tài)偏差。

圖4 氨氣流量摩爾比串級(jí)回路控制策略方框圖

但從湖南省內(nèi)火電機(jī)組氨氣流量自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，作為調(diào)查對(duì)象的29臺(tái)機(jī)組中只有10臺(tái)機(jī)組自動(dòng)投運(yùn)效果較好，7臺(tái)投運(yùn)情況一般，10臺(tái)投運(yùn)情況較差，還有2臺(tái)沒(méi)有投入自動(dòng)。出口NOX濃度波動(dòng)大甚至超標(biāo)的情況時(shí)有發(fā)生；變負(fù)荷過(guò)程中運(yùn)行人員普遍需要手動(dòng)干預(yù)。

分析其原因，主要是氨氣流量自動(dòng)控制系統(tǒng)被控對(duì)象的平均響應(yīng)純延遲時(shí)間接近3分鐘，有的機(jī)組甚至長(zhǎng)達(dá)十幾分鐘，是典型的大滯后被控對(duì)象，其相關(guān)控制參數(shù)難以整定。對(duì)于煤種穩(wěn)定、機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確的火電機(jī)組，以上控制策略控制效果較好；但對(duì)于煤種多變、機(jī)組AGC指令變化頻繁、測(cè)量?jī)x表準(zhǔn)確度不高的火電機(jī)組則難以取得滿意的效果。

3 主要問(wèn)題分析

（1）自動(dòng)投運(yùn)情況不佳。湖南省大多數(shù)火電機(jī)組脫硫吸收塔漿液pH值自動(dòng)控制系統(tǒng)和氨氣流量自動(dòng)控制系統(tǒng)都采用生產(chǎn)廠家提供的控制策略，單回路控制方式和串級(jí)回路控制方式都有，前饋信號(hào)和前饋?zhàn)饔么笮〔唤y(tǒng)一，沒(méi)有進(jìn)行過(guò)有針對(duì)性的優(yōu)化。大多數(shù)機(jī)組未投運(yùn)脫硫吸收塔漿液pH值自動(dòng)或投運(yùn)效果不佳；氨氣流量自動(dòng)大多數(shù)機(jī)組都已投運(yùn)，但在變負(fù)荷時(shí)出口煙氣NOX濃度動(dòng)態(tài)偏差較大。

（2）部分測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確度較低。供漿流量、出口煙氣SO2濃度、氨氣流量、出口煙氣NOX濃度等重要測(cè)點(diǎn)大多能正確顯示；但與自動(dòng)控制系統(tǒng)相關(guān)的煙氣流量、pH值、入口煙氣SO2濃度、入口煙氣NOX濃度等測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確度較低，特別是大多數(shù)機(jī)組的煙氣流量數(shù)據(jù)只能反應(yīng)變化趨勢(shì)，具體數(shù)值不準(zhǔn)確。

（3）設(shè)備狀況不理想。大多機(jī)組用調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，但調(diào)節(jié)閥特性普遍不好，有些運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，磨損較大；有些漏流量大，導(dǎo)致低負(fù)荷下無(wú)法投自動(dòng)。此外，個(gè)別機(jī)組脫硝系統(tǒng)催化劑多年沒(méi)有更換，活性降低嚴(yán)重，影響調(diào)節(jié)性能。

（4）存在設(shè)計(jì)缺陷。個(gè)別由于脫硫供漿管道設(shè)計(jì)流量過(guò)低，長(zhǎng)期需要供漿調(diào)節(jié)閥全開(kāi)運(yùn)行，導(dǎo)致無(wú)法投脫硫吸收塔漿液pH值自動(dòng)；個(gè)別機(jī)組脫硫供漿門(mén)為電動(dòng)門(mén)，且供漿泵為工頻泵，沒(méi)有調(diào)節(jié)設(shè)備，導(dǎo)致無(wú)法投脫硫吸收塔漿液pH值自動(dòng)；部分機(jī)組脫硝系統(tǒng)入口NOX超過(guò)設(shè)計(jì)值過(guò)多，導(dǎo)致氨氣流量自動(dòng)可調(diào)范圍太小，投運(yùn)效果不佳。

4 建議

4.1 采用先進(jìn)控制算法

脫硫吸收塔漿液pH值自動(dòng)控制系統(tǒng)和氨氣流量自動(dòng)控制系統(tǒng)都是大滯后、大慣性及非線性的自動(dòng)控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID控制很難起到滿意的調(diào)節(jié)效果，應(yīng)結(jié)合一些先進(jìn)控制算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、預(yù)測(cè)控制、人工智能控制等進(jìn)行探索優(yōu)化。目前國(guó)內(nèi)已有采用先進(jìn)控制算法的氨氣流量自動(dòng)控制策略應(yīng)用的例子[7]，也有基于人工智能的脫硫吸收塔漿液pH值自動(dòng)控制策略，建議結(jié)合本廠系統(tǒng)和設(shè)備具體情況進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用和優(yōu)化完善。

4.2 加強(qiáng)維護(hù)提高脫硫吸收塔漿液pH值準(zhǔn)確度

漿液pH值是脫硫吸收塔系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，pH值的變化會(huì)引起其他系列參數(shù)的變化。由于吸收塔內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，漿液pH值具有大滯后和非線性的特點(diǎn)，導(dǎo)致難以準(zhǔn)確反應(yīng)吸收塔漿液實(shí)時(shí)狀態(tài)。

為確保脫硫系統(tǒng)的正常運(yùn)行，應(yīng)至少配置2套pH計(jì)，取平均值作為DCS自動(dòng)調(diào)整的參數(shù)；運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)讓pH計(jì)輪流自動(dòng)清洗；當(dāng)2套pH計(jì)測(cè)量出的數(shù)值差值超過(guò)0.2時(shí)，DCS應(yīng)切除自動(dòng)并報(bào)警，提醒運(yùn)行人員進(jìn)行手動(dòng)清洗；定期取樣對(duì)pH計(jì)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比校驗(yàn)。

4.3 信號(hào)吹掃或沖洗時(shí)保持控制設(shè)備輸出不變

脫硝系統(tǒng)的出入口NOX濃度信號(hào)和脫硫系統(tǒng)的吸收塔漿液pH值信號(hào)大多需要定時(shí)吹掃或沖洗，每次約3~10min，此時(shí)NOX數(shù)值和漿液pH值會(huì)發(fā)生突變或保持原值不變，這都會(huì)對(duì)自動(dòng)投運(yùn)造成較大影響，導(dǎo)致控制設(shè)備（調(diào)節(jié)閥或變頻泵）的指令發(fā)生突變，或在偏差作用下一直開(kāi)大或關(guān)小。

建議從現(xiàn)場(chǎng)裝置中取得“吹掃中”或“沖洗中”信號(hào)，在該信號(hào)為1時(shí)強(qiáng)制保持控制設(shè)備的輸出指令不變；如果無(wú)法取得該信號(hào)，應(yīng)根據(jù)NOX濃度信號(hào)和pH值信號(hào)的變化情況及吹掃或沖洗的時(shí)間周期進(jìn)行邏輯分析，綜合判斷得到“吹掃中”或“沖洗中”信號(hào)。

4.4 提高設(shè)備特性，增強(qiáng)調(diào)節(jié)性能

部分機(jī)組脫硝系統(tǒng)催化劑老化，活性和選擇性下降，當(dāng)機(jī)組加負(fù)荷時(shí)，氨氣流量在前饋?zhàn)饔孟略黾虞^快，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)不及時(shí)，使氨逃逸率有時(shí)激增。對(duì)這種情況，一方面建議對(duì)氨氣流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)方向進(jìn)行限速，避免其打開(kāi)過(guò)快；另一方面應(yīng)及時(shí)對(duì)催化劑進(jìn)行更換或再生處理。

部分機(jī)組調(diào)節(jié)閥磨損嚴(yán)重，控制特性不好，或漏流量大，嚴(yán)重影響自動(dòng)的投入。對(duì)于控制特性不好的閥門(mén)，建議利用歷史數(shù)據(jù)摸清規(guī)律，采用函數(shù)進(jìn)行特性補(bǔ)償，有條件時(shí)更換閥門(mén)；對(duì)于漏流量大的閥門(mén)，應(yīng)利用機(jī)組檢修機(jī)會(huì)進(jìn)行校正，無(wú)法校正的應(yīng)及時(shí)更換。

還有部分機(jī)組由于設(shè)計(jì)原因，沒(méi)有調(diào)節(jié)設(shè)備，或調(diào)節(jié)設(shè)備無(wú)可調(diào)區(qū)間，而不能正常投入自動(dòng)。對(duì)于這種情況，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行技術(shù)改造。

5 結(jié)論

對(duì)湖南省主要火電機(jī)組脫硫脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)的投運(yùn)情況進(jìn)行了全面調(diào)查，對(duì)其中最重要的脫硫吸收塔漿液pH值和脫硝氨氣流量?jī)蓚€(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了分析，指出了湖南省火電機(jī)組脫硫脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)中存在的主要問(wèn)題，并提出了有針對(duì)性的建議。

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Investigation and Analysis of FGD and Denitration Auto-Control System for Main Thermal Power Units in Hunan Province

An investigation of FGD and denitration auto-control system for the main thermal power units in Hunan Province has been carried out in this paper, the control strategy of slurry pH control system of absorption tower and denitration ammonia flow control system has been analyzed. It has discovered that the problems existing in many units such as: the bad auto-control situation, the low control accuracy, the bad equipment condition, and some design defects. For these problems, some pertinent recommendations are proposed in this paper. Key words: Wet desulfurization; Denitration; Auto-control system; pH; Ammonia flow

B

1003-0492(2015)10-0086-04

TM621.6

朱曉星（1980-），男，湖南邵陽(yáng)人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)源協(xié)調(diào)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的研究與應(yīng)用。